KR100651043B1 - 발광다이오드의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈에 관한 것으로, 전체가 유리로 채워지는 몸체로서; 상기 몸체는 LED의 광원으로부터 광이 방사되어 입사되는 방향의 법선으로 LED측 오목의 곡면을 형성하는 구면 표면과; 상기 구면 표면의 상향으로 연장 형성되며 하협상광의 경사진 곡면을 형성하는 비구면 미러 표면과; 상기 비구면 미러 표면의 상향으로 연장 형성되며 상기 구면 표면 및 비구면 미러 표면을 경유하여 방사되는 LED 광의 법선으로 타겟면측 볼록의 곡면을 형성하는 비구면 렌즈 표면을 포함하는 구성으로 이루어지며, 상기 비구면 미러 표면에는 LED로부터 입사되는 광의 손실을 최소화할 수 있도록 알루미늄 코팅층을 형성시키는 것을 본 발명의 기술적 구성상의 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 비구면을 통한 LED 광원의 광분포 조정으로 점광원의 형태가 아닌 면광원의 방사를 가능하게 함은 물론 면광원의 방사 유도를 통해 보다 넓은 영역으로 광을 조사할 수 있게 할 뿐만 아니라 타겟면의 전체면에 균일한 밝기를 형성시킬 수 있게 하는 유용함을 제공한다.

Description

발광다이오드의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈{LIGHT DISTRIBUTION ADJUSTING LENS FOR FLAT RADIATION OF LED}

도 1은 일반적인 LED의 광원에 대한 광분포밀도를 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 LED의 광분포 조정렌즈를 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 LED의 광분포 조정렌즈를 나타낸 단면도로서, LED 광원의 입사광에 대한 방사경로를 포함하는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 광분포 조정렌즈를 통한 LED의 광분포밀도를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: LED 2: 타겟면

100: 본 발명의 광분포 조정렌즈 110: 몸체

120: 구면 표면 130: 비구면 미러 표면

140: 비구면 렌즈 표면

본 발명은 점광원인 발광다이오드(LED)의 면광원 방사를 위하여 광을 분포/조정하는 광학렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광학계의 비구면(非球面)을 활용하여 LED 광원의 광 분포를 임의대로 조정할 수 있도록 함으로써 점광원의 형태가 아닌 면광원의 방사를 가능하게 하며 균일한 밝기로 광 방사를 이루게 하는 발광다이오드의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈에 관한 것이다.

일반적으로 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하 “LED"라 한다.)는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 정공)를 만들어내고 이들의 재결합에 따른 에너지의 차이로 빛을 방출시키는 화합물반도체의 한 소자로서 점광원의 형태이다.

이러한 LED는 고유가 시대가 도래하면서 전력 소모량은 대폭 줄이고 색 재현 기능을 높일 수 있는 장점으로 LCD분야의 차세대 백라이트(BLU) 광원으로 각광을 받고 있을 뿐만 아니라 일반조명 및 자동차 라이트로도 광범위하게 적용되고 있다.

하지만, LED는 여러 가지 장점에도 불구하고 그 구조적인 특성상, 도 1에 나타낸 바와 같이, 방출되는 빛이 LED 상부의 중앙으로 집중/방사되는 특징으로 인해 가운데는 밝으나 주변이 어두운 단점을 지니고 있어 보다 넓은 영역을 균일하게 밝혀주지 못하는 문제점이 있었다.

이에 따라, LED를 배열(array)하여 면광원 형태인 LCD 등의 백라이트광원으로 적용하는 경우, 점광원이기 때문에 LCD 패널의 모든 평면에 동일한 밝기를 형성시키기가 아주 어려운 균일 휘도의 제공에 따른 문제점이 있었으며 때로는 방열 문제를 해결하여야 하는 문제점이 있었다.

또한, LED의 응용시 LED의 광원을 최대한으로 활용하지 못하므로 빛의 손실이 발생함은 물론 LED 광원의 사용에 따른 최대의 효율을 이끌어내지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적으로 하는 바는 광학계의 비구면(非球面)을 활용하여 LED 광원의 광 분포를 임의대로 조정할 수 있도록 함으로써 점광원의 형태가 아닌 면광원의 방사를 가능하게 하되 보다 넓은 영역으로 광을 조사할 수 있도록 함은 물론 균일한 밝기를 형성할 수 있도록 하며 LED의 방사광(放射光)에 대한 빛의 손실을 없애 LED 광원의 사용효율을 최대로 이끌어 낼 수 있도록 한 LED의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전체가 유리로 채워지는 몸체이며; 상기 몸체는 LED의 광원으로부터 광이 방사되어 입사되는 방향의 법선으로 LED측 오목의 곡면을 형성하는 구면 표면과; 상기 구면 표면의 상향으로 연장 형성되며 하협상광의 경사진 곡면을 형성하는 비구면 미러 표면과; 상기 비구면 미러 표면의 상향으로 연장 형성되며 상기 구면 표면 및 비구면 미러 표면을 경유하여 방사되는 LED 광의 법선으로 타겟면측 볼록의 곡면을 형성하는 비구면 렌즈 표면을 포함하는 구성으로 이루어지게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비구면 미러 표면에는 알루미늄 코팅층을 형성시켜 LED로부터 입사되는 광의 손실을 최소화할 수 있도록 함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 LED의 광분포 조정렌즈를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 LED의 광분포 조정렌즈를 나타낸 단면도로서 LED 광원의 입사광에 대한 방사경로를 포함하는 도면이다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 LED의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈(100)는 전체가 유리로 채워진 몸체(110)로서, LED(1)의 광원으로부터 광이 방사되어 입사되는 방향의 법선으로 LED(1)측 오목의 곡면을 형성하는 구면 표면(120)과, 상기 구면 표면(120)의 상향으로 연장 형성되며 하협상광의 경사진 곡면을 형성하는 비구면 미러 표면(130)과, 상기 비구면 미러 표면(130)의 상향으로 연장 형성되며 상기 구면 표면(120) 및 비구면 미러 표면(130)을 경유하여 방사되는 LED(1) 광의 법선으로 타겟면(2)측 볼록의 곡면을 형성하는 비구면 렌즈 표면(140)을 포함하는 구성으로 이루어진다.

여기서, 상기 비구면 미러 표면(130)은 알루미늄 코팅층을 형성시켜 LED(1)로부터 입사되는 광의 투과손실을 막아 광의 손실을 최소화할 수 있도록 함으로써 LED의 방사광을 최대한 활용할 수 있도록 구성함이 바람직하다.

상기 구면 표면(120)은 LED(1) 광원으로부터 방사되는 광을 본 발명의 조정렌즈(100)로 투과시켜 입사되게 하는 기능을 한다. 이때, 구면 표면(120)은 광의 방사되는 방향에 법선으로 곡면 처리한 구조를 통해 180도로 방사되는 LED 광원의 광을 본 발명의 조정렌즈(100)의 표면에 손실없이 최대한 투과되게 한다.

상기 비구면 미러 표면(130)은 상기 구면 표면(120)을 경유하여 입사되는 LED(1) 광원의 광을 비구면의 미러 구조를 통해서 임의적으로 컨트롤하여 반사/굴절시킴에 의해 LED의 방사광에 대한 광분포를 균일하게 퍼지도록 조정하는 기능을 한다. 즉, LED(1) 광원의 불균질도를 개선하여주는 기능을 한다. 이때, 비구면 미러 표면(130)은 알루미늄 코팅층의 형성에 의해 LED의 방사광을 최대한으로 반사/굴절시킬 수 있게 함으로써 광원의 손실을 아주 극소화시킬 수 있게 한다.

상기 비구면 렌즈 표면(140)은 상기 구면 표면(120)과 상기 비구면 미러 표면(130)을 경유하여 투과되거나 반사/굴절된 LED(1) 광원의 광을 타켓(target)면(2)으로 굴절시키는 기능을 한다. 이때, 비구면 렌즈 표면(140)은 비구면 및 법선의 곡면처리 구조를 통해서 타겟면(2)에 LED(1)의 균일한 광분포를 이루게 한다.

이때, 상기 비구면 미러 표면(130)에서는 비구면 곡면의 형상구조(예를 들면, 비구면 곡면의 경사각을 조정함)를 설계 변경함에 의해 LED(1) 광원의 방사각(분포각)을 임의대로 조정할 수 있게 된다.

이러한 구성 및 작용을 하는 본 발명에 따른 LED의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈(100)는 도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, LED(1) 광원의 방사광이 방사각 120도 미만의 영역인 경우에는 몸체(110)의 구면 표면(120)과 비구면 렌즈 표면(140)을 경유하는 경로를 거치토록 하여 중앙으로 집중/방사되는 LED(1) 광원의 광을 측면으로 방사 유도하여 타겟면(2)에 조사될 수 있도록 하며, LED(1) 광원의 방사광이 방사각 120~180도의 영역인 경우에는 몸체(110)의 구면 표면(120)과 비구면 미러 표면(130) 및 비구면 렌즈 표면(140)을 순차적으로 경유하는 경로를 거치도록 하되 중심 주변의 LED(1) 광에 대하여 비구면 미러 표면(130)에서 광분포를 임의 조정함에 의해 중앙으로 방사 유도하여 타겟면(2)에 조사될 수 있도록 한 것이다.

나아가, 도 4는 본 발명에 따른 광분포 조정렌즈를 통한 LED의 광분포밀도를 나타낸 그래프로서, 본 발명의 광분포 조정렌즈(100)를 적용하여 LED의 광분포밀도를 추적(tracing)한 결과를 나타내었다.

상기 도 4의 그래프는 LED(1)의 광원에 대해 약5000만개의 광선을 추적한 결과로서, 기존의 LED에서와 같은 중앙으로 집중되는 현상없이 넓은 영역에 걸쳐 방사되는 면광원의 방사형태를 이루고 있음을 보여주고 있다. 여기서는 중앙에 비해 양측면의 외곽부로 더 방사되는 광분포밀도를 형성하고 있으나, 이는 비구면 미러 표면(130)의 조정을 통해 LED(1)의 광에 대한 반사각을 조정하여 외곽부의 광을 중심과 외곽으로 더 퍼트리도록 하면 되며 이러한 조정에 의해 전체적인 조도의 불균형은 해결할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 LED의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈(100)는 광학계의 비구면을 활용한 비구면의 컨트롤을 통해 LED(1) 광원의 광을 균일하게 퍼지게 함으로써 LED 광원의 불균질도를 개선하고 LED의 면광원 방사를 가능하게 함은 물론 균일한 광분포 유도로 보다 넓은 영역에 균일한 밝기를 형성시킬 수 있음을 알 수 있다.

더불어, LED 광원의 광에 대한 손실을 최소화시켜주므로 더욱 더 밝은 휘도를 제공할 수 있게 할 뿐만 아니라 LED 광원의 사용효율을 최대로 이끌어낼 수 있게 한다.

일 예로, 본 발명에 따른 LED의 광분포 조정렌즈(100)를 LCD의 백라이트유닛으로 적용하면, LED 광원으로 LCD 패널의 모든 평면에 동일한 밝기를 형성시켜줄 수 있는 이점을 제공하며 기존 LED 적용시 대두되던 균일 휘도의 문제점을 해결할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 LED의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈에 의하면, 비구면(非球面)을 통한 LED 광원의 광분포 조정으로 점광원의 형태가 아닌 면광원의 방사를 가능하게 함은 물론 면광원의 방사 유도를 통해 보다 넓은 영역으로 광을 조사할 수 있게 할 뿐만 아니라 타겟면의 전체면에 균일한 밝기를 형성시킬 수 있게 하는 유용함을 제공한다.

또한, 렌즈에 미러 표면의 구성 및 알루미늄 코팅을 형성시킴으로써 LED의 방사광에 대한 빛의 손실을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 LED 광원의 사용효율을 최대로 이끌어 낼 수 있는 유용함을 제공한다.

Claims (3)

1. 전체가 유리로 채워지는 몸체이며;

   상기 몸체는 LED의 광원으로부터 광이 방사되어 입사되는 방향의 법선으로 LED측 오목의 곡면을 형성하는 구면 표면과;

   상기 구면 표면의 상향으로 연장 형성되며 하협상광의 경사진 곡면을 형성하는 비구면 미러 표면과;

   상기 비구면 미러 표면의 상향으로 연장 형성되며 상기 구면 표면 및 비구면 미러 표면을 경유하여 방사되는 LED 광의 법선으로 타겟면측 볼록의 곡면을 형성하는 비구면 렌즈 표면을 포함하는 구성인 것을 특징으로 하는 LED의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈.
2. 제 1항에 있어서, 상기 비구면 미러 표면에는 알루미늄 코팅층을 형성시켜 LED로부터 입사되는 광의 손실을 최소화할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 LED의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈.
3. 제 1항에 있어서, 상기 비구면 미러 표면은 비구면 곡면의 형상구조에 대한 설계변경을 통해 LED 광원의 광에 대한 분포를 임의 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 LED의 디스플레이 면광원 광분포 조정렌즈.

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