KR100738251B1 - 발광 유니트 및 이를 채용한 직하 발광형 백라이트 장치 - Google Patents

발광 유니트 및 이를 채용한 직하 발광형 백라이트 장치 Download PDF

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Abstract

휘도를 높임과 아울러 렌즈 중앙에서의 암부 현상을 제거할 수 있도록 된 구조의 발광 유니트 및 이를 채용한 직하 발광형 백라이트 장치가 개시되어 있다.
이 개시된 발광 유니트는, 베이스와; 베이스 상에 실장되는 것으로, 광을 조사하는 발광 다이오드와; 베이스 상의 발광 다이오드 주변에 소정 높이로 형성된 컵부재와; 베이스 상에 설치되는 것으로, 발광 다이오드 쪽에 배치되며 광이 입사되는 입사부와, 입사부의 이면 중앙에 평평하게 형성되는 것으로 입사광을 굴절 투과시키는 제1굴절부와, 제1굴절부 주위에 소정 곡률로 형성되는 것으로 입사광을 굴절 투과시키는 제2굴절부를 구비한 렌즈;를 포함하여, 발광 다이오드에서 조사된 광이 렌즈를 통하여 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 출사되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 개시된 직하 발광형 백라이트 장치는, 입사광을 반사시키는 반사판과; 상기한 발광 유니트를 반사판 상에 복수개 구비하여, 광을 조명하는 광원과; 광원 상에 배치되어, 발광 유니트에서 조명된 광이 확산되도록 하는 확산판과; 확산판을 통하여 확산된 광을 굴절 투과시킴에 의하여, 진행 경로를 변환하는 프리즘시트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 유니트 및 이를 채용한 직하 발광형 백라이트 장치{Light emitting unit and direct light type back light apparatus using the same}
도 1은 종래의 가장자리 발광형 백라이트 장치를 보인 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 유니트를 보인 개략적인 단면도.
도 3은 도 2의 입사부의 다른 실시예를 설명하기 위한 개략적인 도면.
도 4는 디스펜싱부재의 굴절률이 렌즈의 굴절률 보다 큰 경우, 발광 다이오드에서 출사된 광(L1, L2)의 진행 경로를 나타낸 도면.
도 5는 디스펜싱부재의 굴절률이 렌즈의 굴절률 보다 작으면서 그 값의 차이가 큰 경우의 광(L3)의 진행 경로와, 굴절률이 같은 경우의 광(L4)의 진행 경로를 나타낸 도면.
도 6 및 도 7은 비교예에 따른 발광 유니트 구조를 보인 도면.
도 8은 제1굴절부의 직경(w)이 렌즈의 직경(R)의 1/3 이상의 값을 가지는 경우를 나타낸 도면이고, 도 9, 도 10a 및, 도 10b는 도 8의 경우 렌즈를 투과한 광의 휘도 분포를 나타낸 도면.
도 11은 제1굴절부의 직경(w)이 렌즈의 직경(R)의 1/3 이하의 값을 가지는 경우를 나타낸 도면이고, 도 12a 및 도 12b는 도 11의 경우 렌즈를 투과한 광의 휘도 분포를 나타낸 도면.
도 13은 렌즈와 디스펜싱부재 사이에 공기층이 형성된 것을 보인 도면.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 유니트를 보인 개략적인 단면도.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 유니트를 보인 개략적인 단면도.
도 16a는 에폭시 수지로 렌즈를 구성한 경우의 황변현상을 보인 그래프.
도 16b는 실리콘 수지로 렌즈를 구성한 경우의 황변현상 발생 여부를 보인 그래프.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 유니트를 보인 개략적인 단면도.
도 18a 및 도 18b는 렌즈 표면을 폴리싱 처리시, 지향각 분포 및 조명광의 균일도를 보인 도면.
도 19a 및 도 19b는 렌즈 표면을 매트(Matte) 처리시, 지향각 분포 및 조명광의 균일도를 보인 도면.
도 20a는 최대 광도값이 0도를 가지는 일반적인 발광 유니트의 지향각 분포를 나타낸 도면.
도 20b는 대략 최대 광도값이 +/-75도의 분포를 가지는 본 발명에 따른 발광 유니트의 지향각 분포를 나타낸 도면.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈에 대하여 폴리싱 처리한 경우와 매트 처리한 경우의 루멘(Lumen) 값의 실측치를 나타낸 그래프.
도 22는 표면 거칠기 정도를 설명하기 위하여, 단면곡선을 모형적으로 나타낸 그래프.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 직하 발광형 백라이트 장치를 보인 개략적인 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
31...베이스 33, 35...컵부재
40...발광 다이오드 50, 150...렌즈
51, 52...입사부 53, 153...제1굴절부
55, 155...제2굴절부 61, 161...디스펜싱부재
63, 65...접착제 71...반사판
73...확산판 75...프리즘시트
77...LCD 패널
본 발명은 발광 다이오드를 이용한 발광 유니트 및 이를 채용한 백라이트 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 휘도를 높임과 아울러 렌즈 중앙에서의 암부 현상을 제거할 수 있도록 된 구조의 발광 유니트 및 이를 채용한 직하 발광형 백라이트 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 수광형 평판 디스플레이의 일종인 액정표시장치는 자체적인 발 광 능력이 없으므로, 외부로부터 조사된 조명광을 선택적으로 투과시킴에 의하여 화상을 형성한다. 이를 위하여 액정표시장치의 배면에는 광을 조명하는 백라이트 장치가 설치된다.
백라이트 장치는 광원의 배치 형태에 따라서 직하 발광형과, 가장자리 발광형으로 분류된다. 직하 발광형은 액정패널의 바로 아래에 설치된 램프가 광을 액정패널에 직접 조사하는 방식이다. 반면, 가장자리 발광형은 도광판(LGP: Light Guide Panel)의 가장자리 쪽에 설치된 램프가 광을 조사하고, 이 조사된 광을 도광판을 통하여 액정패널에 전달하는 방식이다.
도 1은 종래의 가장자리 발광형 백라이트 장치를 보인 개략적인 단면도이다. 도면을 참조하면, 도광판(3)의 양측 가장자리에 냉음극 형광램프(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp, 이하 CCFL 이라 함)(1)가 설치된다. 그리고, 도광판(3)의 저면에는 CCFL(1)에서 입사된 광을 액정표시소자(이하, LCD라 함) 패널(10) 쪽으로 방출시키기 위한 반사판(9)이 형성되어 있다. 따라서, 상기 CCFL(1)에서 조사된 광은 가장자리를 통하여 도광판(3)으로 입사된다. 이 입사된 광은 도광판(3)과 반사판(9)에 의하여 면광으로 변환되어, 도광판(3)의 상부면으로 출사된다.
상기 도광판(3)의 상부면에는 확산판(5)과, 광학 프리즘 시트(7)가 배치되어 있다. 따라서, 상기 도광판(3)의 상부면으로 출사된 광은 상기 확산판(5)에 의해 확산되고, 광학 프리즘 시트(7)에 의해 경로가 보정된 상태로 상기 LCD 패널(10) 쪽으로 진행하게 된다.
한편, 상기한 종래의 백라이트 장치는 CCFL(1)을 광원으로 채용함으로써, 고 휘도, 고균일도의 강한 백색광을 얻을 수 있고, 대면적화 설계가 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 이 CCFL(1)은 방전 가스로서 수은을 사용하기 때문에 환경친화 문제로부터 자유로울 수 없다. 또한, 가장자리에서 조명된 광을 수직 방향으로 바꾸어주고 조명광의 경로 보정을 위하여 도광판(3) 및 광학 프리즘 시트(7)를 사용하므로, 부품수가 많이 들고 이들 광학요소들이 점유하는 공간 확보가 필요하므로 백라이트 장치의 전체 두께를 줄이는데 한계가 있다는 단점이 있다. 그리고, 색재현율에 있어서 텔레비전 방송 규격 심의회(NTSC ;National Television System Committee)의 규격에 비하여 대략 74% 정도 수준으로 매우 낮다는 문제점이 있다.
한편, 상기한 CCFL을 대신하는 광원으로서, 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode)를 이용한 발광 유니트가 새롭게 대두되고 있다. 이 발광 다이오드는 선광원인 CCFL과는 달리 점광원으로서, CCFL에 비하여 수명이 길고, 작동온도 범위가 넓고, 환경친화적이며, 색 재현율이 높다는 이점이 있다. 아울러, 구조에 따라 높은 휘도의 광을 조명할 수 있다는 이점이 있다.
하지만, 이와 같은 고휘도의 발광 유니트를 도광판의 가장자리에 배치하여 백라이트 장치를 구성하는 경우, LCD 패널의 큰 면적 전체에 대해 광을 조명함에 있어서 LCD 패널의 중앙 부분에 광선이 충분히 전달되지 못한다. 이에 따라 그 부분에 암부(暗部)가 형성되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 구조의 백라이트 장치는 도광판과 광학 프리즘 시트를 모두 채용하므로, CCFL을 광원으로 채용한 경우에 비하여 박형화하는데 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 휘도를 높임과 아울러 발광소자의 상부 중앙에 암부현상이 발생되지 않도록 된 구조의 발광 유니트를 제공하는데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기한 발광 유니트를 채용함으로써, 도광판을 배제하여 박형화 및 대화면 조명을 구현할 수 있도록 된 직하 발광형 백라이트 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기한 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 발광 유니트는, 베이스와; 상기 베이스 상에 실장되는 것으로, 광을 조사하는 발광 다이오드와; 상기 베이스 상의 상기 발광 다이오드 주변에 소정 높이로 형성된 컵부재와; 상기 베이스 상에 설치되는 것으로, 상기 발광 다이오드 쪽에 배치되며 광이 입사되는 입사부와, 상기 입사부의 이면 중앙에 평평하게 형성되는 것으로 입사광을 굴절 투과시키는 제1굴절부와, 상기 제1굴절부 주위에 소정 곡률로 형성되는 것으로 입사광을 굴절 투과시키는 제2굴절부를 구비한 렌즈;를 포함하여, 상기 발광 다이오드에서 조사된 광이 상기 렌즈를 통하여 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 출사되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직하 발광형 백라이트 장치는, 입사광을 반사시키는 반사판과; 상기한 발광 유니트를 상기 반사판 상에 복수개 구비하여, 광을 조명하는 광원과; 상기 광원 상에 배치되어, 상기 발광 유니트에서 조명된 광이 확산되도록 하는 확산판과; 상기 확산판을 통하여 확산 된 광을 굴절 투과시킴에 의하여, 진행 경로를 변환하는 프리즘시트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 유니트 및 이를 채용한 직하 발광형 백라이트 장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 유니트는 베이스(31)와, 이 베이스(31) 상에 실장된 발광 다이오드(40)와, 상기 베이스(31) 상의 상기 발광 다이오드(40) 주변에 형성된 컵부재(33) 및, 상기 베이스(31) 상에 설치되는 것으로 상기 발광 다이오드(40)에서 조명된 광의 출사방향을 바꾸어주는 렌즈(50)를 포함한다.
상기 발광 다이오드(40)는 점광원으로서, 상기 렌즈(50)와 마주하는 면에서 소정 파장의 광을 조명한다. 여기서, 상기 베이스(31)에는 상기 발광 다이오드(40)에 전원을 공급하기 위한 리드프레임(35)이 마련되어 있으며, 상기 발광 다이오드(40)는 리드프레임(35) 상에 실장되거나 와이어에 의해 리드프레임(35)과 전기적으로 연결되어 있다.
상기 컵부재(33)는 상기 베이스(31) 상의 상기 발광 다이오드(40) 주변에 소정 높이로 형성된다. 이 컵부재(33)는 상기 발광 다이오드(40)를 후술하는 디스펜싱(dispensing)부재(61)로 감싸고, 상기 렌즈(50)를 설치하기 위하여 구비된 것이다. 상기 컵부재(33)의 높이는 상기 렌즈(50)를 경유하여 진행하는 광의 경로를 방해하지 않는 높이로 형성되어야 한다. 이때 상기 발광 다이오드(40)에서 조사된 광의 일부가 상기 컵부재(33)에 입사된 경우, 이 입사된 광은 상기 컵부재(33)에서 반사되어 소망하는 진행경로 이외의 경로로 향하게 되므로 발광 유니트의 성능 저하를 유발시킨다. 이를 감안하여, 상기 컵부재(33)의 높이는 상기 발광 다이오드(40)의 높이와 같거나 이 보다 다소 높게 형성된다.
상기 렌즈(50)는 상기 발광 다이오드(40)에서 조명된 광 중 베이스(31) 상면에 대해 수직한 방향 또는 수직에 가까운 방향으로 조명되는 광을 측면으로 굴절시킬 수 있도록 된 구조를 가진다. 즉, 상기 렌즈(50)는 직하 발광형 백라이트 장치의 광원으로 채용시 액정 디스플레이 패널에서 광원이 일정한 휘도를 갖게 하기 위하여 지향각의 최대 강도를 대략 +/- 75도 방향으로 하고, 중앙부의 강도는 최대 강도보다 낮게 하여 전체적으로 일정한 휘도를 갖게 한다.
이를 위하여, 상기 렌즈(50)는 광이 입사되는 입사부(51)와, 상기 입사부(51)의 이면 중앙에 평평하게 형성된 제1굴절부(53)와, 상기 제1굴절부(53) 주위에 소정 곡률로 형성되는 제2굴절부(55)를 구비한다.
상기 입사부(51)는 상기 발광 다이오드(40) 쪽에 배치되는 것으로, 이를 통하여 광이 상기 렌즈(50)로 입사된다. 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 입사부(51)는 상기 발광 다이오드(40)의 광출사면과 평행한 평면 구조를 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 다른 실시예에 따른 입사부(52)는 상기 발광 다이오드(40) 쪽으로 소정 곡률로 돌출 형성된 돌출면으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 입사부(52)가 소정 곡률을 가짐으로써, 상기 제1 및 제2굴절부(53)(55)와 함께 렌즈(50)를 투과하는 광선에 대한 제어요소로서 실질적인 기능을 수행할 수 있다. 따라서 렌즈 설계시 광선들을 효율적으로 관리 할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 컵부재(33)의 내부 공간에는 디스펜싱부재(61)가 더 구비된 것이 바람직하다.
상기 디스펜싱부재(61)는 투명재질로 이루어진 것으로, 발광 다이오드(40)와 상기 렌즈(50) 사이에 위치되어 발광 다이오드(40)를 보호한다. 아울러, 상기 발광 다이오드(40)의 조명시 발생된 열이 상기 렌즈(50)에 직접 전달되는 것을 차단하여, 열에 의하여 상기 렌즈(50)가 황변되는 황변 현상을 방지할 수 있다.
도 4는 디스펜싱부재(61')의 굴절률이 렌즈(50)의 굴절률 보다 큰 경우 상기 발광 다이오드(40)에서 출사된 광(L1, L2)의 진행 경로를 나타낸 것이다. 도면을 참조하면, 렌즈(50)와 디스펜싱부재(61') 사이의 경계면에서 임계각 θc[= sin-1(nd1/nd2)] 보다 작은 입사각을 가지는 광 L1은 입사부(51)를 굴절 투과하는 반면, 임계각 θc 보다 큰 입사각을 가지는 광 L2는 입사부(51)에서 전반사 됨을 알 수 있다. 여기서 nd1과 nd2는 렌즈(50)와, 디스펜싱부재(61) 각각의 d-라인 굴절률을 나타낸다.
즉, 전반사는 굴절률이 높은 재질에서 낮은 재질로 임계각 보다 큰 각도로 입사될 때 일어나는 것이므로 이를 근본적으로 방지하기 위하여, 상기 디스펜싱부재(61)는 상기 렌즈(50)와 동일한 재질로 구성되거나 상기 렌즈(50)에 비하여 상대적으로 낮은 굴절률을 가지는 투명한 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
한편, 도 5는 디스펜싱부재(61")의 굴절률이 렌즈(50)의 굴절률 보다 작으면 서 그 값의 차이가 큰 경우의 광(L3)의 진행 경로와, 굴절률이 같은 경우의 광(L4)의 진행 경로를 나타낸 것이다.
도면을 참조하면, 두 경우 모두 상기 발광 다이오드(40)에서 조사된 광은 렌즈(50)를 투과한다. 한편, 광(L3)은 입사면(51)에서 일차적으로 굴절되는 반면, 광(L4)은 입사면(51)을 직진 투과한다. 그러므로, 렌즈(50)를 투과한 광의 경로를 비교하여 볼 때, L3가 L4에 비하여 렌즈의 상방으로 향하게 됨을 알 수 있다. 즉, 렌즈(50)와 디스펜싱부재(61") 사이의 굴절률 차이가 적은 경우나 같은 경우, 보다 큰 굴절각으로 광이 진행하므로 전체적으로 광이 넓게 퍼지게 됨을 알 수 있다.
또한, 상기 렌즈(50)의 굴절률이 높을수록 최종적으로 렌즈(50)에서 출사되는 광의 굴절각이 커지게 된다. 그러므로, 상기한 점을 감안하여 상기 렌즈(50)와 디스펜싱부재(61")은 같은 굴절률을 가지며, 그 값이 큰 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 상기 렌즈(50)는 수학식 1의 조건을 만족하는 재질로 이루어진다.
Figure 112005049649304-pat00001
상기 렌즈(50)를 이루는 투명재질의 예로는 d-라인 굴절률 nd1이 1.54인 에폭시 수지, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 아크릴 수지, 실리콘 수지 등을 들 수 있다.
또한, 상기 디스펜싱부재(61)는 수학식 2를 만족하는 재질로 이루어진다.
Figure 112005049649304-pat00002
상기 디스펜싱부재(61)의 예로는 d-라인 굴절률 nd2가 1.41인 실리콘 수지를 들 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제1굴절부(53)는 상기 입사부(51)의 이면 중앙에 평평하게 형성된 플랫(Flat) 구조를 가진다. 이와 같이 플랫 구조로 상기 제1굴절부(53)를 형성하는 경우, 렌즈(50)에서 출사하는 굴절각이 전체적으로 비례적으로 증가함에 따라 휘도 측정 위치에서의 암부 현상을 제거할 수 있다. 이하, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 비교예에 따른 렌즈 구조와 비교하면서, 제1굴절부(53)가 플랫 구조를 가짐으로써 얻을 수 있는 이점을 상세히 설명하기로 한다.
도 6 및 도 7은 본 출원인에 의하여 2004년 12월 28일자로 출원된 특허 출원 10-2004-0113927호(발명의 명칭 : 발광 유니트 및 이를 채용한 백라이트 장치, 출원인 : 럭스피아 주식회사)에 개시된 발광 유니트 구조를 나타낸 것이다.
도면을 참조하면, 렌즈(20)는 그 중심 상부에 원추홈 형상으로 인입 형성된 구조의 제1굴절부(21)와 그 주변에 소정 곡률로 형성된 제2굴절부(23)를 가진다. 이와 같이 렌즈를 구성한 경우, 제1굴절부(21)와 제2굴절부(23) 각각을 투과한 광의 분포(A)(B)를 살펴 볼 때, 제2굴절부(23)를 투과한 광의 분포(B)는 비교적 간격 차이 없이 균일하게 분포함을 알 수 있다. 한편, 제1굴절부(21)를 투과한 광이 분 포(A)는 중앙에서 제2굴절부(23) 쪽으로 갈수록 그 분포가 넓어짐을 알 수 있다. 이는 입사각이 거리 변화에 따라 굴절각이 급격히 커지게 됨에 기인한 것이다. 이와 같은 광선의 분포를 가짐과 아울러 단위 면적 당 입사되는 광선의 수가 제2굴절부(23)에 비하여 작아지는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 제1굴절부(21)와 제2굴절부(23) 사이의 경계 부분에서 링(ring) 형태의 암부가 발생됨을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 암부 현상을 제거하기 위하여 상기 제1굴절부(53)를 플랫 구조로 한 점에 특징이 있는 것으로, 이와 같이 플랫 구조로 형성할 경우 중앙의 입사각이 전체적으로 비례적으로 커짐에 따라 휘도 측정 위치(백라이트 유니트의 광원으로 채용시 액정표시소자 위치)에서의 암부 현상을 제거할 수 있다.
또한, 상기 제1굴절부(53)의 직경(w)은 상기 렌즈(50)의 전체 직경(R)과의 관계에서, 수학식 3의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
Figure 112005049649304-pat00003
도 8은 제1굴절부(53)의 직경(w)이 렌즈(50)의 직경(R)의 1/3 이상의 값을 가지는 경우를 나타낸 것이고, 도 9, 도 10a 및, 도 10b는 도 8의 경우 렌즈를 투과한 광의 휘도 분포를 나타낸 것이다.
도면을 살펴보면, 제1굴절부(53)를 투과한 광의 휘도 분포(C)가 주변을 투과한 광의 휘도 분포에 비하여 큰 값을 가짐을 알 수 있다. 이는 제1굴절부(53)가 플랫 구조로 되어 있기 때문에 굴절각이 크지 않으므로, 중앙으로 곧게 진행하는 광 선의 수가 많아지게 됨에 기인한 것이다. 이와 같이 휘도 분포를 갖는 경우 렌즈를 투과한 광이 전체적으로 균일도를 이루지 못하므로, 본 발광 유니트를 백라이트 유니트 등의 광원으로서 활용하기 곤란하다는 단점이 있다.
도 11은 제1굴절부(53)의 직경(w)이 렌즈(50)의 직경(R)의 1/3 이하의 값을 가지는 경우를 나타낸 것이고, 도 12a 및 도 12b는 도 11의 경우 렌즈를 투과한 광의 휘도 분포를 나타낸 것이다.
도면을 참조하면, 이와 같이 구성한 경우 제1굴절부(53)를 플랫 구조로 함으로써, 중앙 암부 현상을 제거할 수 있다. 또한, 제1굴절부(53)의 직경(w)을 상대적으로 좁게 형성함으로써 중앙으로 곧게 진행하는 광선의 수를 줄일 수 있으므로, 제1굴절부(53)에서 급격히 휘도가 높아지는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 렌즈(50)를 투과한 광이 전체적으로 균일한 분포를 가지도록 할 수 있다.
그러므로, 본 실시예에 따른 발광 유니트를 디스플레이용 백라이트 유니트의 광원으로 적용시 일정 면적에 대해 전체적으로 일정한 휘도의 광을 조명할 수 있다.
상기 제2굴절부(55)는 상기 발광 다이오드(40) 쪽에서 입사된 광을 측면으로 굴절 투과시키도록, 소정 곡률을 가진다. 여기서, 상기 제2굴절부(55)는 2mm 내지 10mm의 곡률 반경을 가지는 구면인 것이 바람직하다. 여기서, 곡률 반경이 10mm 보다 큰 경우는 발광 다이오드(40)에서 조명되어 상기 제2굴절부(55)로 입사된 광의 굴절각이 작아지게 된다. 따라서, 광의 조명 면적이 좁아지는 문제점이 발생한다.
한편, 굴절부(55)의 곡률이 2mm 이내인 경우는 상기 굴절부(55)의 충분한 크 기 확보가 곤란하고, 상기 제1굴절부(53)의 정상적인 배치가 곤란하다는 문제점이 있다.
상기한 바와 같이 구성된 렌즈(50)는 사출 성형, 인젝션 몰딩, 트랜스퍼 몰딩 또는 다이아몬드 터닝 가공 등을 통하여 성형 가공 될 수 있다.
또한, 상기 베이스(31)에 대한 상기 렌즈(50)의 설치는 접착제(63)를 이용하여 수행될 수 있다. 여기서, 접착제(63)의 예로서 렌즈(50)의 매질과 동일한 에폭시 수지 또는 실리콘 수지를 들 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 렌즈(50)를 베이스(31) 상에 접합하는 경우에 있어서, 도 13에 도시된 바와 같이 렌즈(50)와 디스펜싱부재 사이의 계면이 분리되고, 그 사이에 공기층이 형성되는 문제가 발생될 수 있다.
특히, 상기 렌즈(50) 및 접착제(63)를 에폭시 수지 또는 실리콘 수지로 구성하고, 상기 디스펜싱부재(61)를 실리콘 수지로 구성하는 경우 에폭시 수지와 실리콘 수지 사이에 접착성이 없기 때문에 공기층이 생기는 문제가 더욱 발생되기 쉽다. 이 경우 보다 구체적으로 살펴보면 발광 다이오드(40) 구동시 열이 발생되면서 실리콘 수지로 구성된 디스펜싱부재(61)가 열팽창하게 된다. 이때, 상기 렌즈(50)는 자연스럽게 위로 들뜨게 된다. 한편, 발광 다이오드(40)의 오프(off)시, 냉각되면서 상기 디스펜싱부재(61)는 수축을 하게 되면서 디스펜싱부재(61)와 렌즈(50) 사이의 계면에 공기층이 생기게 된다. 이와 같이 공기층이 형성되는 경우, 계면에서 광선이 비정상적으로 굴절되어 불균일한 휘도 분포를 초래하는 문제점을 야기할 수 있다.
이러한 점을 고려하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 유니트는 도 15에 도시된 바와 같은 접합 구조를 가지는 것이 바람직하다.
도 14를 참조하면, 렌즈(50)는 그 일부가 컵부재(35)에 접합됨에 의하여 베이스(31) 상에 설치된다. 이때 상기 렌즈(50)에 형성된 제1접합부(57)와 상기 컵부재(35)에 형성된 제2접합부(35a)는 상호 마주하는 면적이 넓도록 상호 대응되는 요철(凹凸) 형상으로 형성되고, 접착제(65)에 의해 상호 접합된다. 여기서, 상기 접착제(65)는 렌즈(50)와 같은 재질인 에폭시 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
이와 같이, 접합구조를 개선한 경우는 재질 특성상 렌즈(50)와 디스펜싱부재(61)가 상호 접합되지 않더라도, 렌즈(50)가 컵부재(35)에 강하게 접합되어 있으므로, 발광 유니트(40)의 동작시 발생되는 디스펜싱부재(61)의 열팽창을 억제할 수 있다. 따라서 발광 유니트(40)의 온/오프 동작시 외부 공기가 컵부재(35) 내부로 유입되지 않으므로 공기층의 형성을 근본적으로 차단할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 입사부(52)에 곡률을 준 경우는 이 입사부(52)와 디스펜싱부재(61) 사이의 공간이 협소해지므로, 디스펜싱부재(61)의 열 팽창을 보다 더 효과적으로 억제할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 유니트를 보인 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 유니트는 베이스(31)와, 이 베이스(31) 상에 실장된 발광 다이오드(40)와, 상기 베이스(31) 상의 상기 발광 다이오드(40) 주변에 형성된 컵부재(35)와, 상기 베이스(31) 상에 설치되는 것으로 상기 발 광 다이오드(40)에서 조명된 광의 출사방향을 바꾸어주는 렌즈(150) 및 디스펜싱부재(161)를 포함한다. 상기 렌즈(150)는 플랫 구조의 제1굴절부(153) 및 소정 곡률을 가지는 제2굴절부(155)를 포함하는 것으로, 그 구성 자체는 일 실시예에 따른 구성과 실질상 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예는 상기 렌즈(150)와 디스펜싱부재(161)는 실리콘 수지로 이루어지고, 다이렉트 몰딩(direct molding) 공정에 의해 일체로 형성된 점에 특징이 있다. 이와 같이 다이렉트 몰딩 공정에 의하여 렌즈(150)와 디스펜싱부재(161)를 일체로 성형하는 경우는 조립공수를 줄일 수 있다는 이점이 있다.
또한, 일체로 형성된 상기 렌즈(150)와 디스펜싱부재(161)를 실리콘 수지로 구성한 경우는 에폭시 수지로 구성시 발생될 수 있는 황변현상과 이에 의한 광속 저하를 방지하기 위한 것이다.
즉, 발광유니트의 렌즈 구성시 에폭시 수지로 다이렉트 몰딩 하게 되면, 저전류에서는 성능을 발휘한다. 반면, 높은 전류에서는 발광 다이오드의 온도가 상승하며 이로 인해 에폭시 수지 자체에 황변현상이 일어나게 되어 렌즈가 황색으로 변화하게 되고 그로 인해 광속 저하가 발생된다. 도 16a는 에폭시 수지로 렌즈를 구성한 경우의 황변현상을 보인 그래프이다. 그래프를 살펴보면, 초기에는 대략 350nm 이상의 파장영역의 광에 대해서 약 80% 이상의 투과율을 보임을 알 수 있다. 한편, 시일이 경과 할 수록 투과율이 대략 80% 이상을 가지는 파장대역이 점차 쉬프트 되어 14일차 이후에는 대략 450nm 이상의 파장영역의 광만이 투과율 80% 이상을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 영역 D로 표시한 바와 같이, 렌즈가 노랗게 변화하 는 황변현상이 일어난다.
한편, 실리콘 수지로 렌즈를 구성한 경우는 도 16b에 도시한 바와 같이, 14일차 경과 후에도 초기와 같은 대략 350nm 이상의 파장영역의 광에 대해서 약 80% 이상의 투과율을 보이므로, 황변현상이 발생되지 않음을 알 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 유니트를 보인 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 유니트는 베이스(31)와, 이 베이스(31) 상에 실장된 발광 다이오드(40)와, 상기 베이스(31) 상의 상기 발광 다이오드(40) 주변에 형성된 컵부재(35)와, 상기 베이스(31) 상에 설치되는 것으로 상기 발광 다이오드(40)에서 조명된 광의 출사방향을 바꾸어주는 렌즈(250) 및 디스펜싱부재(61)를 포함한다. 상기 렌즈(250)는 플랫 구조의 제1굴절부(253) 및 소정 곡률을 가지는 제2굴절부(255)를 포함하는 것으로, 렌즈 표면(250a)이 매트(Matte) 처리된 점에 특징이 있다. 여기서, 렌즈 표면(250a)을 매트(Matte) 처리한 점 이외의 구성은 앞서 설명된 구성과 실질 상 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
렌즈의 표면 처리에 있어서, 통상적인 발광 유니트의 경우는 밝기를 고려하여 폴리싱(polishing)으로 렌즈 표면을 처리하는 것이 일반적이다. 한편, 이와 같이 폴리싱 처리를 한 경우는 도 18a에 도시된 바와 같이 지향각이 부드럽지 못하기 때문에 도 18b에 도시된 바와 같이 링(ring) 형태의 휘선이 나타나게 되어, 조명광의 균일도를 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
이를 고려하여, 상기 렌즈(250)의 표면(250a)에 대해 매트(Matte) 처리를 한 경우는 상기 렌즈(250)를 투과하는 광이 상기 제1 및 제2굴절부(253)(255)에서 산란되어, 도 19a 및 도 19b에 도시된 바와 같이, 링 형태의 휘선이 없는 균일한 광분포를 가지는 조명광을 얻을 수 있다.
여기서, 일반적인 렌즈의 경우는 매트 처리시, 전체 광속이 감소된다. 한편, 본 발명과 같이 최대 광도값이 대략 +/- 75도를 가지는 발광 유니트의 경우는 광속 저하가 크게 일어나지 않는다. 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 20a는 최대 광도값이 0도를 가지는 일반적인 발광 유니트의 지향각 분포를 나타낸 것이다. 이와 같은 발광유니트의 경우 표면에 대해 매트 처리를 하게 되면, 산란된 광선들 중 상당수가 도면의 점선으로 표시된 부분으로 작용을 하게 된다. 점선에 보이는 광도값이 최대 광도값 대비 0.5배 이하의 광도값 위치이며, 이러한 점선 부분의 광선은 발광 유니트를 구동하였을 때 조명되는 곳이 아닌 소멸되는 광으로 작용을 하게 된다. 이에 따라 광속 값이 저하된다.
도 20b는 대략 최대 광도값이 +/-75도의 분포를 가지는 본 발명에 따른 발광 유니트의 지향각 분포를 나타낸 것이다. 이 경우 발광 유니트의 전영역에서 조명된 광을 조명광으로 이용하기 때문에, 매트 표면 처리에 의해 산란이 발생되더라도 산란광이 유효 조명광으로 작용한다. 그러므로, 광속 저하가 크게 일어나지 않는다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈에 대하여 폴리싱 처리한 경우와 매트 처리한 경우의 루멘(Lumen) 값의 실측치를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 두 경우 모두 발광 다이오드에 인가되는 전류 값이 증가되는 경우에도 루멘 값이 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있다.
여기서, 렌즈 표면(250a)에 대한 매트 처리는 렌즈 표면이 소정 거칠기를 갖도록 렌즈 표면을 가공하는 것을 의미한다. 여기서, 표면 거칠기는 표면의 정밀함을 나타내는 요철의 정도를 의미한다.
도 22는 단면곡선을 모형적으로 나타낸 그래프이다. 여기서, 단면곡선은 가공면을 수직으로 잘랐을 때 그 단면의 형상을 말한다. 도면에서, Rmax는 최대 거칠기를 나타낸 것이고, Ra는 중심선 평균값 즉, 평균 거칠기를 나타낸 것이다. 여기서, Rmax는 거칠기 단면곡선에서 기준길이를 채취하여, 단면곡선의 중심선과 평행하며 제일 높은 산과 낮은 골을 접하는 두 평행선간의 거리를 말한다.
본 실시예에 있어서, 상기 렌즈의 표면의 평균 거칠기 Ra는 대략 0.8㎛ 내지 1.8㎛ 범위의 값을 가지는 것이 바람직하다. 여기서, 0.8㎛ 미만의 값을 가지는 경우는 폴리싱 처리한 경우에 가까워지게 되어 링 형태의 휘선이 나타나게 되고, 1.8㎛ 범위의 값을 벗어나는 경우는 산란이 과도하게 되어 광속이 저하되는 문제점이 있다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 가장자리 발광형 백라이트 장치를 보인 개략적인 단면도이다. 도면을 참조하면, 반사판(71)과, 상기 반사판(71) 상에 구비된 것으로 광을 조명하는 광원(100)과, 상기 광원(100) 상에 배치된 확산판(73) 및, 조명광을 LCD 패널(77) 방향으로 굴절 투과시키는 프리즘시트(75)를 포함한다. 상기 반사판(71)은 상기 광원에서 조명되어 입사된 광을 상기 확산판(73) 쪽으로 반사시킨다.
상기 광원(100)은 도 2 내지 도 22를 참조하여 설명된 발광 유니트를 복수개 구비하는 것으로, 각 발광 유니트는 대부분의 광을 광도값 +/- 75°주변으로 조명한다. 이 발광 유니트의 구성 자체는 앞서 설명된 바와 같으므로, 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 확산판(73)은 상기 광원(100)에서 조명된 광을 확산 투과시킨다. 상기 프리즘시트(75)는 상기 확산판(73)에 의해 확산 투과된 광을 굴절 투과시킴에 의해 LCD 패널(77) 쪽으로 향하도록 한다.
이와 같이 구성된 백라이트 장치는 직하 발광형으로 광원을 배치함으로써, 도광판(도 1의 3)의 사용을 배제하더라도, 일정한 휘도를 가지는 광을 상기 LCD 패널(70)에 조명할 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 발광 유니트는 플랫 구조의 제1굴절부 및 소정 곡률을 가지는 제2굴절부를 포함하는 렌즈를 이용하여 발광 다이오드의 수직 상방향으로 조사되는 광의 경로를 바꾸어 줌으로써, 광도값이 +/- 75° 범위의 지향각 분포를 가지는 광을 조명할 수 있다. 따라서, LCD 패널의 백라이트 장치의 광원으로 채용시, 발광 다이오드 설치 부분이 주변 보다 밝게 보이는 휘선을 방지함과 아울러, 렌즈 중앙부에 원추형 인입홈 형성시 발생될 수 있는 암부를 제거할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 발광 유니트는 렌즈와 베이스의 접합 구조를 개선하여 렌즈와 디스펜싱부재 사이의 공기층 형성을 차단함으로써, 공기층 형성에 의한 광균일도 저하를 근본적으로 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 발광 유니트는 렌즈 표면을 매트(Matte) 처리하여 렌즈 표면에서 출사광을 산란시킴으로 써, 렌즈 표면의 폴리싱 처리시 야기되는 링 형상의 휘선 발생을 저감시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 백라이트 장치는 상기한 구조의 발광 유니트를 복수개 구비함으로써 LCD 패널의 하방에서 광을 조명할 수 있다. 따라서, 발광 유니트의 정렬 위치 및 개수에 따라 대형 디스플레이에도 적용 가능하다는 이점이 있다. 그리고, 도광판의 사용 없이도 소망하는 휘도를 가지는 균일광을 얻을 수 있으므로, 경박화가 가능하고, 제조 비용을 절감함과 아울러 생산 소요시간을 줄일 수 있다는 이점이 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (22)

  1. 베이스와;
    상기 베이스에 실장되는 것으로, 광을 조사하는 발광 다이오드와;
    상기 베이스 상의 상기 발광 다이오드 주변에 소정 높이로 형성된 컵부재와;
    상기 베이스 상에 설치되는 것으로, 상기 발광 다이오드 쪽에 배치되며 광이 입사되는 입사부와, 상기 입사부의 이면 중앙에 평평하게 형성되는 것으로 입사광을 굴절 투과시키는 제1굴절부와, 상기 제1굴절부 주위에 소정 곡률로 형성되는 것으로 입사광을 굴절 투과시키는 제2굴절부를 구비한 렌즈;를 포함하여,
    상기 발광다이오드에서 조사된 광이 상기 렌즈를 통하여 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 출사되도록 하는 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컵부재 내부에 설치되는 것으로, 상기 발광 다이오드를 보호하는 디스펜싱부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  3. 제2항에 있어서, 상기 디스펜싱부재는,
    상기 렌즈의 굴절률에 비하여 상대적으로 낮은 굴절률을 가지거나, 상기 렌즈와 실질상 동일한 굴절률을 가지는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 디스펜싱부재는 하기의 조건식을 만족하는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 유니트. 여기서, nd2는 상기 디스펜싱부재의 d-라인 굴절율을 나타낸다.
    <조건식>
    Figure 112005049649304-pat00004
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디스펜싱부재는 실리콘 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈와 상기 디스펜싱부재는 실리콘 수지로 이루어지고, 다이렉트 몰딩 공정에 의해 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 렌즈의 입사부는,
    평면 내지는 소정 곡률로 돌출 형성된 돌출면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1굴절부의 직경은 상기 렌즈의 전체 직경의 1/3 이하인 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2굴절부는 2mm 내지 10mm의 곡률 반경을 가지는 구면인 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈는 하기의 조건식을 만족하는 투명 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 유니트. 여기서, nd1은 상기 렌즈의 d-라인 굴절율을 나타낸다.
    <조건식>
    Figure 112005049649304-pat00005
  11. 제10항에 있어서,
    상기 렌즈는 에폭시 수지, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리카보네이트, 아크릴 수지 및 실리콘 수지로 이루어진 재질 중에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈는 그 일부가 상기 컵부재에 접합됨에 의하여 상기 베이스 상에 설치되는 것으로,
    상기 렌즈의 접합부와 상기 컵부재의 접합부는 상호 마주하는 면적이 넓도록 상호 대응되는 요철 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 렌즈의 접합부와 상기 컵부재의 접합부는 에폭시 재질 또는 실리콘 수지로 이루어진 접착제로 상호 접합된 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  14. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈를 투과하는 광이 상기 제1 및 제2굴절부에서 산란되도록, 상기 렌즈의 표면은 매트(Matte) 처리 된 것을 특징으로 하는 발광 유니트.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 렌즈 표면의 평균 거칠기(Ra)는 0.8㎛ 내지 1.8㎛ 범위의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 발광유니트.
  16. 입사광을 반사시키는 반사판과;
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 발광 유니트를 상기 반사판 상에 복수개 구비하여, 광을 조명하는 광원과;
    상기 광원 상에 배치되어, 상기 발광 유니트에서 조명된 광이 확산되도록 하는 확산판과;
    상기 확산판을 통하여 확산된 광을 굴절 투과시킴에 의하여, 진행경로를 변환하는 프리즘시트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직하 발광형 백라이트 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1굴절부의 직경은 상기 렌즈의 전체 직경의 1/3 이하인 것을 특징으로 하는 직하 발광형 백라이트 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제2굴절부는 2mm 내지 10mm의 곡률 반경을 가지는 구면인 것을 특징으로 하는 직하 발광형 백라이트 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 렌즈는 하기의 조건식을 만족하는 투명 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 직하 발광형 백라이트 장치. 여기서, nd1은 상기 렌즈의 d-라인 굴절율을 나타낸다.
    <조건식>
    Figure 112005049649304-pat00006
  20. 제16항에 있어서,
    상기 렌즈는 그 일부가 상기 컵부재에 접합됨에 의하여 상기 베이스 상에 설치되는 것으로,
    상기 렌즈의 접합부와 상기 컵부재의 접합부는 상호 마주하는 면적이 넓도록 상호 대응되는 요철 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 직하 발광형 백라이트 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 렌즈의 접합부와 상기 컵부재의 접합부는 에폭시 재질 또는 실리콘 수지로 이루어진 접착제로 상호 접합된 것을 특징으로 하는 직하 발광형 백라이트 장치.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 렌즈를 투과하는 광이 상기 제1 및 제2굴절부에서 산란되도록, 상기 렌즈의 표면은 매트(Matte) 처리에 의해 0.8㎛ 내지 1.8㎛ 범위의 평균 거칠기 값을 가지는 것을 특징으로 하는 직하 발광형 백라이트 장치.
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