KR100900400B1 - 비구면 렌즈를 갖는 발광소자 및 그것을 포함하는 백라이트유닛 - Google Patents

Abstract

중심축선 및 상기 중심축선에 수직인 가상의 기준선을 갖는 렌즈를 포함하는 발광소자가 개시된다. 개시된 발광소자에서, 상기 렌즈는, 상기 중심축선 및 상기 기준선과 각각 교차하는 출광면에서, 발광다이오드가 발한 광의 출광 형태를 조절하며, 상기 출광면은 상기 중심축선과 상기 기준선 사이에 곡률반경의 중심이 다른 복수의 원성분을 포함한다.

발광다이오드, 렌즈, 원성분, 곡률반경, 곡률, 형광체

Description

비구면 렌즈를 갖는 발광소자 및 그것을 포함하는 백라이트 유닛{LIGHT EMITTING DEVICE WITH ASPHERICAL LENS AND BACK LIGHT UNIT COMPRISING THE SAME}

본 발명은 발광다이오드를 갖는 발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 다양한 광의 지향각 설계가 가능한 비구면 렌즈를 포함하는 발광소자에 관한 것이며, 특히, 지향각을 넓히는 설계에 의해 직하형 백라이트 유닛에 특히 유용하게 이용될 수 있는 구조의 발광다이오드에 관한 것이다.

발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 전류 인가에 의해 P-N 반도체 접합(P-N junction)에서 전자와 정공이 만나 빛을 발하는 반도체 발광 요소로서, 통상, 칩(또는, 다이)의 형태로 제작된다. 근래 들어, 발광다이오드를 포함하는 다양한 용도 및 구조의 발광소자가 개발되고 있다.

그러한 발광소자는 발광다이오드를 외부로부터 보호하기 위한 봉지재를 포함한다. 또한, 발광소자는, 전력인가를 위해, 리드프레임이 지지된 하우징을 포함하거나, 또는, 전력인가를 위한 회로 패턴이 형성된 인쇄회로기판을 포함할 수 있다. 하우징을 포함하는 발광소자의 경우, 봉지재는 하우징에 형성된 캐비티 내에 채워지며, 인쇄회로기판 상에 발광다이오드가 실장되는 발광소자의 경우, 봉지재는 인쇄회로기판 상에서 발광다이오드를 덮도록 트랜스퍼몰딩 등에 의해 형성된다. 그 외 램프형과 같은 다양한 구조의 발광소자가 개발된 바 있다. 이때, 봉지재에는 발광다이오드로부터 나온 광을 색변환하기 위한 형광체가 포함될 수 있다.

발광소자는, 그것의 한 용도로서, 백라이트유닛의 광원으로 이용된다. 그 중에서도, 발광소자가 조명객체 아래에 위치하는 직하형의 경우, 복수의 발광소자들이 일정한 간격으로 행과 열로 배치되며, 그 복수의 발광소자들로부터 방출된 광들의 혼합에 의해 면광원과 유사한 광원을 얻는다.

종래에는 대략 120도 지향각 범위를 갖는 발광소자들을 백라이트 유닛의 광원으로 이용하여 왔다. 그와 같은 발광소자들은 봉지재가 평면 또는 반구형 출광면을 가지며, 따라서, 광의 지향각을 넓히는 등의 조절을 하는 렌즈로서의 기능을 하지 못하였다. 이에 대해, 지향각 조절을 위해, 출광면 일부를 만곡 구조로 한다든지 또는 출광면을 단일 구면으로 하는 등으로 설계하는 시도가 있었지만, 그에 의한 지향각 조절의 범위는 극히 제한적이었다. 또한, 봉지재 또는 그와 유사한 렌즈와 별도로, 2차 렌즈를 설치하여 지향각을 조절하는 시도도 있었지만, 전술한 봉지재의 출광면 설계로부터 크게 벗어나지 못하였다.

이에 대해, 본 발명자는, 서로 다른 원성분들을 출광면에 적용하여, 구간마다 곡률반경의 중심이 달라지는 출광면을 이용하면, 보다 다양한 지향각 설계가 가능하다는 것을 알게 되었다. 또한, 그와 같은 지향각 설계를 통해, 광의 지향각 범 위를 종래에 비해 크게 넓히는 것이 가능함을 알게 되었다.

따라서, 본 발명의 하나의 기술적 과제는, 복수의 원성분들을 렌즈, 즉, 비구면 렌즈의 출광면에 적용하여, 보다 다양한 광의 지향각 설계가 가능해진 발광소자를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는, 복수의 원성분들을 렌즈의 출광면에 적용하여, 광의 지향각을 더욱 넓히고, 이에 의해, 백라이트유닛에 이용되던 발광소자의 개수를 크게 줄이는 기술을 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따는 발광소자는, 중심축선 및 상기 중심축선에 수직인 가상의 기준선을 갖는 렌즈를 포함한다. 상기 렌즈는 상기 중심축선 및 상기 기준선과 각각 교차하는 출광면에서, 발광다이오드가 발한 광의 출광 형태를 조절한다. 상기 출광면의 수직 단면 곡선은 상기 중심축선과 상기 기준선 사이에 곡률반경의 중심이 다른 복수의 원성분을 포함한다. 이때, 상기 렌즈는 상기 중심축선을 중심으로 방사상으로 대칭인 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 복수의 원성분은 상기 기준선으로부터 상기 중심축선까지 연속적으로 이어지며, 보다 바람직하게는, 상기 복수의 원성분은, 상기 중심축선 주변에 위치하며, 곡률반경의 중심이 상기 렌즈의 출광면 상측에 위치하는 중앙 원성분과, 상기 기준선과 가장 가깝게 위치하되, 곡률반경의 중심이 상기 렌즈의 출광면 하측에 위치하는 외곽 원성분과, 상기 외곽 원성분과 상기 중앙 원성분 사이에 위치하되, 곡률반경의 중심이 상기 렌즈의 출광면 하측에 위치하고, 곡률반경 은 상기 외곽 원성분의 곡률반경보다 큰 복수의 중간 원성분을 포함한다.

상기 복수의 중간 원성분은, 상기 중심축선에 가까워지는 방향으로 곡률반경이 증가될 수 있다. 이때, 상기 복수의 중간 원성분은, 상기 외곽 원성분과 연결된 제 1 중간 원성분과, 상기 제 1 중간 원성분 및 상기 중앙 원성분에 각각 연결되는 제 2 중간 원성분을 포함하며, 상기 제 2 중간 원성분은, 상기 복수의 원성분들 중에서 가장 큰 곡률반경을 갖는다.

전술한 구조들을 갖는 발광소자는, 복수의 다른 발광소자와 일정 간격으로 배열된 채 상방 또는 하방으로 광을 제공하는 백라이트용인 것이 바람직하며, 특히, 상기 발광소자는 조명 객체의 직하에 배치된다. 상기 발광소자들은 색 혼합에 의해 백색광을 만드는 것이 바람직하며, 이를 위해, 상기 발광소자들은 렌즈 내에서 형광체를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 발광장치는, 발광다이오드의 지향각을 조절하는 렌즈를, 복수의 원성분들을 출광면에 적용하여 설계하는 것에 의해, 보다 다양한 광의 지향각 설계가 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 원성분들을 이용한 적절한 출광면 설계에 의해 광의 지향각을 더욱 넓히고, 이에 의해, 백라이트유닛에 이용되던 발광소자의 개수를 크게 줄이는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 도시하는 정단면도이다. 도 1에는, 본 발명의 특징적인 구성요소만이 도시되어 있으며, 리드프레임, 전기회로 또는 전기 배선 등이 발광소자의 동작 또는 기타 다른 기능에 이용되지만, 본 발명의 사상과 직접적인 관련성이 적은 구성요소들은 도면의 간략화를 위해, 그 도시를 생략하였다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 발광소자(1)는, 베이스(10) 및 상기 베이스(10)에 실장되는 발광다이오드(20)를 포함한다. 개략적으로 나타낸 상기 베이스(10)는, 금속 리드프레임을 갖는 하우징일 수 있으며, 또한, 금속 리드패턴이 형성된 PCB(Printed Circuit Board)일 수 있다. 또한, 상기 베이스(10) 상에는 상기 발광다이오드(20)를 봉지하는 렌즈(30)가 형성된다. 상기 베이스(10)는, 렌즈(30)의 특성에 의해 발광다이오드(20)에서 발생한 광이 어떠한 형태로 방출되는 것을 살피기 위해 실험적으로 만들어진 구조이며, 따라서, 발광다이오드(20)가 실장되는 베이스의 형태 및 구조는 다양하게 변경 가능한 것이다.

상기 렌즈(30)는, 중심축선(Y; 도 3 참조)을 중심으로 방사상으로 대칭인 구조로 이루어지며, 위에서 볼 때는, 대략, 도 2에 도시된 것과 같은 대략 원형의 형 상을 갖는다. 위와 같이, 위에서 볼 때 대략 원형인 렌즈(30)를 갖는 발광소자(1)는, 상방으로 대략 원형의 점광원을 제공하므로, 복수의 다른 발광소자들과 함께 상방의 객체를 조명하는 직하형 백라이트 유닛에 유용하게 이용된다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 렌즈(30)는 발광다이오드(20) 바로 위쪽에서 그 발광다이오드(20) 주변을 덮는 봉지부(31)를 포함하며, 상기 봉지부(31)에는 형광체(311)가 포함된다. 또한, 상기 렌즈(30)는, 트랜스퍼몰딩 성형 또는 기타 다른 방식의 성형에 의해, 상방으로 볼록한 형상을 갖는다. 특히, 상기 렌즈(30)는, 광의 지향각 조절에 적합한 형상의 출광면(32)을 포함하며, 상기 출광면(32)은 이하 자세히 설명되는 특징적인 형상에 의해, 광의 지향각을 넓히는데 크게 기여할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 특징적인 형상을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 도 1에 도시된 렌즈(30)의 정단면에 대해 절반 부분이 도시되어 있다. 나머지 절반 부분은 도시된 절반 부분에 대해 대칭을 이루므로, 그 도시를 생략한다.

앞서 언급한 바와 같이, 상기 렌즈(30)는 중심축선(Y)을 가지며, 그 중심축선(Y)을 중심으로 방사상으로 대칭인 구조로 이루어진다. 또한, 상기 렌즈(30)는 상기 중심축선(Y)과 수직을 이루는 수평의 기준선(X)을 갖는다. 도 3에는 하나의 기준선(X) 만이 도시되었지만, 실제로는 상기 렌즈(30)의 대칭 구조에 의해, 상기 기준선(X)은 방사상으로 무한대의 개수로 존재할 수 있다. 렌즈(30)의 출광면(32)은 상기 중심축선(Y) 및 상기 기준선(X)과 교차하며, 도 3에서는 선으로 표시되어 있다.

상기 렌즈(30)의 출광면(32)은, 발광다이오드(20; 도 1 참조)가 발한 광의 출광 형태를 조절하기 위한 것으로서, 상기 중심축선(Y) 및 상기 기준선(X)과 교차한다. 또한, 상기 출광면(32)은 상기 중심축선(Y)과 상기 기준선(X) 사이에 서로 다른 복수의 원성분(32a, 32b, 32c, 32d)을 포함한다. 그리고, 원성분이 다르다는 의미는 곡률반경(r1, r2, r3, r4)의 중심(c1, c2, c3, c4)이 다르다는 것을 의미한다.

본 실시예에서, 상기 복수의 원성분(32a, 32b, 32c, 32d)은, 상기 출광면의 최하측, 즉, 상기 기준선(X) 부근에 위치하는 외곽 원성분(32a)과, 상기 중심축선 주변에 위치하는 중앙 원성분(32d)과, 그 원성분들(32a와 32d) 사이에 위치하는 복수의 원성분인 제 1 및 제 2 중간 원성분(32b, 32c)을 포함한다. 상기 제 1 중간 원성분(32b)은 상기 외곽 원성분(32a)과 연결되고, 상기 제 2 중간 원성분(32c)은 상기 제 1 중간 원성분(32b)과 상기 중앙 원성분(32d)에 각각 연결된다.

출광면(32)에 복수의 원성분을 이용하면, 다양한 지향각의 설계가 가능한 바, 지향각을 넓히는데 유효한 원성분들의 배열에 대해 도 3을 계속 참조하여 구체적으로 설명한다.

상기 복수의 원성분(32a, 32b, 32c, 32d)들은 기준선(X)으로부터 중심축선(Y)까지 연속적으로 이어져 있다. 이때, 상기 복수의 원성분들 중에 중앙 원성분(32d)은 곡률반경(r4)의 중심(c4)이 렌즈의 출광면(32)의 상측에 위치하며, 나머지 원성분들(32a, 32b, 32c)은 곡률반경(r1, r2, r3)의 중심(c1, c2, c3)이 렌즈의 출광면(32) 하측에 위치한다. 즉, 중앙 원성분(32d)은 그 곡률반경 중심(c4)이 다른 원성분들의 곡률반경 중심(c1, c2, c3)과 반대되는 방향에 위치하며, 이는 중앙 원성분(32d)에 의해 출광면의 중앙영역이 오목하게 형성되는 것을 가능하게 한다.

또한, 상기 원성분들 중 외곽 원성분(32a)의 곡률 반경이 가장 작으며, 그와 이어지는 중간 원성분들(32b, 32c)의 곡률반경(r2, r3)은 중심축선(Y)에 가까워질수록, 또는, 중앙 원성분(32d)에 가까워질수록 커진다.

위의 설계에 의해, 렌즈의 출광면(32)은, 중심축선(Y) 주변에서 완만한 오목한 형상을 가지며, 나머지 부분에서는 반구형에 비해 높이는 낮고 전체적으로 완만한 볼록한 형상을 갖는다. 특히, 상기 원성분들에 의해, 중앙으로부터 좌우측으로 치우쳐져 볼록한 형상이 구현되며, 이는 출광면(32)에서의 출광이 좌우로 치우치게 하여 광의 지향각을 넓히는데 기여한다.

도 3 기준선(X)과 중심축선(Y) 사이의 90도 각도 구간을 네개의 각도구간, 즉, 0°~ 27°의 제 1 구간(A1), 27°~47°의 제 2 구간(A2), 47°~ 75°의 제 3 구간(A3), 75°~ 90°의 제 4 구간(A4)으로 나누고, 상기 제 1 내지 제 4 구간(A1 내지 A4)에 차례대로 전술한 외곽 원성분(32a), 제 1 중간 원성분(32b), 제 2 중간 원성분(32c), 중앙 원성분(32d)이 있도록 한다. 그리고, 렌즈 내에는 형광체를 개재한다.

이때, 외곽 원성분(32a)의 곡률반경(r1)은 0.5 ~ 0.9mm의 범위 내에 있게 하고, 제 1 중간 원성분(32b)의 곡률반경(r2)은 1 ~ 1.3mm의 범위 내에 있게 하고, 제 2 중간 원성분(32c)의 곡률반경(r3)은 2.7~3.0mm의 범위 내에 있게 하고, 중앙 원성분(32d)의 곡귤반경(r4)은 0.7~1mm의 범위 내에 있게 한다. 이때, 높이(h)는 0.59~0.7mm 내에 있도록 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 중앙 원성분(32d)의 곡률반경 중심(c4)만이 출광면 상측에 존재하고 나머지 곡률반경 중심(c1, c2, c3)은 출광면 하측에 존재한다.

도 4에 도시된 것과 유사한 지향각 곡선을 얻기 위한 하나의 실시예로서, 다른 사항들이 고려된 상태에서, 외곽 원성분(32a)의 곡률반경(r1)이 0.9mm를 초과하는 경우, 그 외곽 원성분(32a)은 제 1 중간 원성분(32b)과 완만한 곡선으로 연결될 수 없다. 또한, 제 1 중간 원성분(32b)의 곡률반경(r2)이 1.3mm를 초과하는 경우, 제 1 중간 원성분(32b)은 제 2 중간 원성분(32c)과 완만한 곡선으로 연결될 수 없다. 또한, 제 2 중간 원성분(32c)은 그 곡률반경이 3mm 이하로 제한되는 것이 바람직하며, 중앙 원성분(32d)의 곡률반경은 1mm 이하로 제한된다.

높이(h)는 최대 0.7mm로 하되, 그 높이(h)가 0.4mm 미만이 되면 형광체에 의한 색분리 현상이 일어날 수 있으므로, 0.4mm 이상이 되도록 제한하는 것이 바람직하다.

위에서 설명되고 도 3에 도시된 것과 실질적으로 형상의 출광면이 구비한 렌즈를 포함한 발광소자를 제작하고, 그 발광소자의 발광 특성시험을 한 결과, 도 4에 도시된 것과 같은 지향각 곡선이 얻어졌다. 도 4에서 하나의 축은 각도(angle)를 나타내고, 그와 교차하는 다른 축은 광량 또는 광세기(relative intensity)를 나타낸다. 도 4에는 5개의 지향각 곡선이 표시되어 있는데, 그것들은 각각, 두개의 발광다이오드(LED칩)를 이용한 x축 및 y축 각각에서의 실험결과, 3개의 발광다이오드를 이용한 x축 및 y축 각각에서의 실험결과, 그리고, 하나의 발광다이오드(LED칩)을 이용한 발광소자의 발광 특성 실험결과를 나타낸다. 도 4에 도시된 지향각 분포로부터 알 수 있는 것과 같이, 본 발명에 따르면, 광양이 주변으로 넓게 퍼져서, 넓은 지향각을 갖는 발광소자를 얻을 수 있다.

본 실시예의 발광소자가 종래 발광소자보다 넓은 지향각 분포를 갖는다는 것은 종래 발광소자의 지향각 그래프와의 비교를 통해 보다 더 명확하게 알 수 있다.

도 5는 구형(dome type)의 출광면을 갖는 렌즈를 포함하는 발광소자의 지향각 그래프이고, 도 6은 평면 출광면을 갖는 봉지재를 포함하는 발광소자의 지향각 그래프이다.

도 4에 도시된 그래프와 도 5 및 도 6에 도시된 그래프를 비교하면, 도 4에 도시된 그래프의 지향각 곡선이 좌우 양측으로 더 넓게 분포됨을 알 수 있다. 이는 본 실시예의 발광소자가 종래에 비해 광 지향각이 넓음을 알려주는 것이다.

본 실시예에 따라 지향각이 넓어진 발광소자를 평면 상에 여러 개 배열한 후, 백라이트 유닛의 광원들로 이용하는 경우, 발광소자들은 넓은 지향각으로 인해 이웃하는 다른 발광소자와 넓은 범위로 광 혼합된다. 이는 이웃하는 발광소자의 간격을 넓힐 수 있게 해주어, 백라이트 유닛에서의 발광소자 개수를 줄이는데도 기여할 수 있다.

확산판을 구비한 백라이트 유닛에 이용될 때, 전술한 발광소자는, 넓어진 지향각에 의해, 발광소자 자신과 그 위쪽에 위치한 확산판 사이의 거리를 줄여주어, 콤팩트한 백라이트 유닛의 구현을 가능하게 해준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 정단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 발광소자의 평면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 렌즈 특성을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 지향각 곡선을 도시한 그래프.

도 5 및 도 6 각각은 종래 발광소자의 지향각 곡선을 도시한 그래프.

Claims (8)

1. 중심축선 및 상기 중심축선에 수직인 가상의 기준선을 갖는 렌즈를 포함하되,

   상기 렌즈는 상기 중심축선 및 상기 기준선과 교차하는 출광면에서, 발광다이오드가 발한 광의 출광 형태를 조절하며,

   상기 출광면의 수직 단면 곡선은, 상기 중심축선과 상기 기준선 사이에 곡률반경의 중심이 다르고 상기 기준선으로부터 상기 중심축선까지 연속적으로 이어진 복수의 원성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 렌즈는 상기 중심축선을 중심으로 방사상으로 대칭인 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 원성분은,

   상기 중심축선 주변에 위치하며, 곡률반경의 중심이 상기 렌즈의 출광면 상측에 위치하는 중앙 원성분과,

   상기 기준선과 가장 가깝게 위치하되, 곡률반경의 중심이 상기 렌즈의 출광면 하측에 위치하는 외곽 원성분과,

   상기 외곽 원성분과 상기 중앙 원성분 사이에 위치하되, 곡률반경의 중심이 상기 렌즈의 출광면 하측에 위치하고, 곡률반경은 상기 외곽 원성분의 곡률반경보다 큰 복수의 중간 원성분을

   포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 복수의 중간 원성분은, 상기 중심축선에 가까워지는 방향으로 곡률반경이 증가되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 복수의 중간 원성분은, 상기 외곽 원성분과 연결된 제 1 중간 원성분과, 상기 제 1 중간 원성분 및 상기 중앙 원성분에 각각 연결되는 제 2 중간 원성분을 포함하며, 상기 제 2 중간 원성분은, 상기 복수의 원성분들 중에서 가장 큰 곡률반경을 갖는 것을 특징으로 하는 발광소자.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 렌즈는 상기 발광다이오드를 봉지하도록 수지에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자.
8. 삭제

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