KR100902908B1 - 발광 소자 패키지 및 이를 이용한 백라이트 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 소자 패키지 및 이를 이용한 백라이트 유닛에 관한 것으로 특히, 발광 소자에서 방출되는 광의 품질 및 지향 패턴을 향상시킬 수 있는 발광 소자 패키지 및 이를 이용한 백라이트 유닛에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 패키지 바디와; 상기 패키지 바디 상에 장착되는 발광 소자와; 상기 패키지 바디에 포함되며, 상기 발광 소자와 전기적으로 연결되는 적어도 한 쌍의 리드와; 상기 패키지 바디의 발광 소자 상측에 위치하며, 함몰된 형상의 홈이 형성되고, 상기 홈의 주변부에 적어도 하나의 곡률을 가지는 곡면을 가지는 상면을 포함하며, 상기 발광 소자로부터 상기 홈의 가장 낮은 부분까지의 최단거리는, D1이 렌즈의 직경이라 할 때, D1/7보다 크고 D1/2.4보다 작은 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
백라이트, LED, 패키지, 곡률, 지향각.

Description

발광 소자 패키지 및 이를 이용한 백라이트 유닛 {Light emitting device package and back-light unit using the same}
본 발명은 발광 소자 패키지 및 이를 이용한 백라이트 유닛에 관한 것으로 특히, 발광 소자에서 방출되는 광의 품질 및 지향 패턴을 향상시킬 수 있는 발광 소자 패키지 및 이를 이용한 백라이트 유닛에 관한 것이다.
액정표시장치(liquid crystal display; LCD)는 매트릭스 형태로 배열된 화소들에 화상정보에 따른 데이터신호를 개별적으로 공급하여 그 화소들의 광투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 조절할 수 있는 표시장치로서, 자체적으로 발광하지 못하므로 그 배면에 백라이트 유닛(back-light unit)을 설치하여 화상을 표현할 수 있도록 설계된다.
최근, 이러한 LCD를 위한 백라이트 유닛의 광원으로 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)가 이용되고 있으며, 이러한 LED를 이용하는 백라이트 유닛은 휴대전화를 비롯하여 노트북 컴퓨터용 LCD 등으로 적용이 확대되고 있다.
이러한 LED를 이용하는 백라이트 유닛은 도 1과 같은 도광판(Light Guide Panel; LGP)형과 도 2와 같은 직하형이 이용되고 있다.
도 1과 같은 도광판형 백라이트 유닛은 LED 패키지(1)가 도광판(2)의 측면으로 전파되어 균일광을 만드는 방식이다. 그러나 이러한 도광판형 백라이트 유닛은 소형 LCD에 사용되고 있으며, 대형 TV와 같은 LCD에 적용되지 못하는 이유는 대형 크기의 도광판의 제작이 어렵고, LED 패키지(1)가 도광판(2)의 외곽으로부터 광을 진행시키는데 도광판의 크기가 클 경우에는 빛의 균일성 및 요구되어지는 광량에 맞추기가 용이하지 않기 때문이다.
한편, 직하형 백라이트 유닛은 도 2와 같이, 확산판(4)의 하단에 LED 패키지(3)를 일정 배열로 위치시켜, 균일한 광량을 나타나게 한다. 이러한 직하형 백라이트 유닛은 통상 지향각이 120°인 LED 패키지를 배열하여 이용하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자 패키지의 지향 패턴을 백라이트 유닛의 두께에 맞도록 최적화하여 보다 적은 수의 LED 패키지를 이용하여 백라이트 유닛의 두께를 얇게 하면서 빛의 균일성을 확보할 수 있는 발광 소자 패키지 및 이를 이용한 백라이트 유닛을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 패키지 바디와; 상기 패키지 바디 상에 장착되는 발광 소자와; 상기 패키지 바디에 포함되며, 상기 발광 소자와 전기적으로 연결되는 적어도 한 쌍의 리드와; 상기 패키지 바디의 발광 소자 상측에 위치하며, 함몰된 형상의 홈이 형성되고, 상기 홈의 주변부에 적어도 하나의 곡률을 가지는 곡면을 가지는 상면을 포함하며, 상기 발광 소자로부터 상기 홈의 가장 낮은 부분까지의 최단거리는, D1이 렌즈의 직경이라 할 때, D1/7보다 크고 D1/2.4보다 작은 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 패키지 바디와; 상기 패키지 바디 상에 장착되는 발광 소자와; 상기 패키지 바디에 포함되며, 상기 발광 소자와 전기적으로 연결되는 적어도 한 쌍의 리드와; 상기 패키지 바디의 발광 소자 상측에 위치하며, 함몰된 형상의 홈이 형성되고, 상기 홈의 주변부에 적어도 하나의 곡률을 가지는 곡면을 가지는 상면을 포함하며, 상기 상면의 곡률 반경은, 0.8 mm보다 크고 1.8 mm보다 작은 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제3관점으로서, 본 발명은, 상술한 발광 소자 패키지가 다수 개 구비되는 백라이트 유닛을 구성함을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
첫째, 본 발명에서 제안하는 렌즈를 이용하면 빛의 분포가 보다 넓어지고, 중앙부의 빛의 강도를 줄임으로써, 이 렌즈를 이용한 발광 소자 패키지를 이용하는 백라이트 유닛의 두께를 혁신적으로 낮출 수 있게 된다.
둘째, 넓은 지향각을 이용하여, 동일 백라이트 유닛의 동일한 균일성을 얻기 위한 LED 간의 간격을 2배 이상 넓힐 수 있게 되어, 결과적으로 동일 크기의 백라이트 유닛에서 사용하는 LED의 개수가 최소화될 수 있다.
셋째, LED 분할 구동 시 블록 경계가 없어진다. LED를 이용한 백라이트 유닛에 필수적인 성능이라 할 수 있는 분할 구동을 수행할 때, 발광 소자 패키지의 지향각이 넓기 때문에, 분할 구동 시 문제 시 되었던 블록 간의 경계가 시인되는 문제를 해결할 수 있다. 결국, 분할 구동을 이용하여 소비전력을 최소화하면서, 대비비(Contrast)는 증가시킬 수 있고, 화질 평가 측면에서도 가장 이상적인 LED 백라이트 구조를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도 면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.
백라이트 유닛(BLU)의 두께가 고정되어 있는 형태에서 위치에 따른 휘도(Luminance)의 변화는 도 3과 같은 LED 및 위치(E', E)를 고려할 때, 다음과 같은 수학식 1을 따라 변화한다. 여기서, E'은 최종 위치에서의 빛의 강도이고, E는 시작 위치에서의 빛의 강도를 나타낸다.
E' = E × COS3Θ
여기서 E'과 E가 동일할 경우, 백라이트 유닛에 적합한 균일성(Uniformity)을 가지게 되며, 이를 얻기 위해서는 도 5에서 도시하는 바와 같은 위치별 강 도(Intensity)를 가져야 한다.
즉, 도 5의 각도에 따른 지향각 패턴과 같이, LED의 중앙 부분(0°)은 빛의 강도가 낮아야 하며, Θ값이 커질수록 빛의 강도가 높아져야 균일한 휘도(Luminance)를 얻을 수 있다.
이러한 이유는 빛의 밝기를 다음과 같은 수학식 2로 표현할 수 있기 때문이다.
E' = E × d
여기서, E'은 최종 위치에서의 빛의 강도이고, E는 시작 위치에서의 빛의 강도이며, d는 빛의 이동 거리를 나타낸다.
본 발명은 위에서 표현했던 내용과 같이, LED에 렌즈(Lens)를 특정한 형상으로 제작하여, 도 5와 같은 지향각 패턴을 얻고자 하며, 이러한 결과물을 바탕으로 제작된 LED를 한 개 이상, 특정 간격으로 배열함에 따라 LED 상면의 일정 거리 위에서 균일한 휘도를 얻고자 한다.
도 5와 같은 지향각을 얻기 위해서는 렌즈 설계에 3가지 중요한 설계 목표가 있어야 한다.
첫째. 최대한 넓은 지향각 패턴을 가져야 한다.
보통의 LED 패키지(10)와 같이 램버시안 분포로서 120°의 지향각을 가지는 경우에는 백라이트 유닛을 이룰 경우에 확산판(20)과의 사이에서, 도 6a와 같은 패키지 배열을 가질 수 있다.
그러나, 백라이트 유닛에 LED를 배열했을 때, LED 개수를 최소화하고 백라이트 유닛의 두께를 축소시키기 위하여는 이러한 지향각이 120°보다 넓어야 한다. 이와 같이 120°보다 넓은 지향각을 가지는 경우에는 도 6b와 같은 패키지 배열을 가질 수 있다.
둘째. LED 중앙부의 빛의 강도(Intensity) 분포를 최대 강도(Intensity) 분포보다 작게 해야 한다.
이는, 지향각이 넓더라도 중앙에 빛의 강도 분포가 클 경우에는 LED 중앙측에 강한 휘도가 생기게 되며, 이러한 강한 휘도 분포는 핫 스폿(Hot Spot)으로 보이게 되고, 이러한 핫 스폿은 균일성을 저하시키기 때문이다.
즉, 도 7a에서와 같이, LED 패키지가 중앙에서 빛의 강도 분포가 강한 지향각을 가지는 경우에는 도 7b와 같이(중앙측의 검은 부분은 빛이 집중된 부분을 의미한다.), 균일성이 저하될 수 있으나, 도 8a와 같이 LED 패키지가 중앙에 빛의 강도가 작은 지향각을 가지는 경우에는 도 8b에서와 같이, 균일성이 크게 증가함을 알 수 있다.
셋째. 지향각의 전체적인 분포가 부드럽게 변화하도록 형성되어야 한다.
지향각이 넓고, 중앙측의 빛의 강도 분포를 효과적으로 제어를 했다고 하여도, 지향각의 형상이 부드럽게 변화하지 않을 경우, 균일성 형성에서 링(Ring) 형상의 암부가 나타나게 된다.
즉, 도 9a에서와 같이, 지향 패턴이 부드럽게 변화하지 않을 경우에는 도 9b에서와 같이, 링 형태의 무늬가 발생하여 균일성이 저하된다. 그러나 도 10a에서와 같이, 지향 패턴이 부드럽게 변화하는 경우에는 도 10b에서 도시하는 바와 같이, 균일성이 향상될 수 있다.
최적화된 지향 패턴을 얻기 위하여, 발광 소자 패키지와 렌즈의 구성은 다음과 같으며, 이를 도 11을 참고하여 설명한다.
패키지 바디(50) 상에는 LED(40)가 장착되며, 이 LED(40) 상에는 렌즈(30)가 장착된다. 또한, 패키지 바디(50)에는 LED(40)와 전기적으로 연결되는 리드(60)를 포함한다. 이 리드(60)는 패키지 바디(50)의 외측 방향 또는 하측 방향으로 형성될 수 있다.
이때, 렌즈(30)의 상면은 LED(40) 상의 중앙부 측이 홈 형상으로 함몰되어 형성되며, 이 중앙부를 지나 외측면을 따라 곡면을 형성하게 된다. 이러한 상면은 렌즈(30)의 측면으로 이어지며, 상면의 반대면에는 렌즈(30)의 하면이 위치한다.
한편, 렌즈(30)는 LED(40)가 장착된 패키지 바디(50) 상에 직접 주입되어 형성될 수도 있다. 이러한 경우, LED(40)와 렌즈(30) 사이에는 접착제 등과 같은 재료에 의하여 발생하는 계면이 없는 상태가 될 수 있다. 이와 같이, 렌즈(30)가 LED(40)와 직접 접촉하면 불필요한 반사 및 굴절과 같은 현상을 배제할 수 있어, 광학적 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 패키지 바디(50) 상에는 둘 이상의 LED(40)가 장착될 수도 있고, 이때 해당 LED(40) 개수에 따라 리드(60)를 더 포함할 수 있다. 이러한 둘 이상의 LED(40)는 서로 다른 색상을 띨 수도 있고, 동일한 색상의 LED(40)가 구비되어 빛의 강도를 향상시킬 수도 있다.
패키지 바디(50)에는 홈 형상의 장착홈이 형성되어, 이 장착홈에 LED(40)가 장착될 수 있다.
경우에 따라, 이러한 렌즈(30)와 발광 소자 패키지(50) 사이에는 봉지 물질(Encapsulate Material; 70)이 채워질 수 있으며, 이러한 봉지 물질은 실리콘(Silicone) 또는 에폭시(Epoxy) 수지가 될 수 있다. 패키지 바디에 장착홈이 형성되는 경우에 이러한 봉지 물질(70)은 이 장착홈에 채워지게 된다.
또한, 경우에 따라 봉지 물질(70)에 형광체(Phosphor, 또는 확산제)를 포함시켜 LED(40) 칩에서 나오는 빛의 파장을 백색 또는 기타 다른 색상의 파장 대역으로 바꿀 수 있다. 또한, 봉지 물질(70)은 LED(40) 보호를 위한 보호층으로 작용할 수 있다.
이러한 형광체(확산재)의 종류는 황색(Yellow), 녹색(Green), 적색(Red), 오렌지색(Orange) 형광체 등 다양한 형광체가 이용될 수 있다.
렌즈(30)와 발광 소자 패키지 바디(50)의 접착은 프라이머(Primer)나 기타 접착 성질을 가진 2차 재료를 이용하여 접착할 수 있으며, 봉지 물질(70)과 렌즈(30) 물질이 동일한 재질일 경우에는 2차 접착제를 사용하지 않고도 접착할 수 있다.
또한, 트랜스퍼 몰딩(Transfer Molding)이나, 사출을 통해서도 렌즈(30)를 형성하여 발광 소자 패키지 바디(50)에 직접 접착시킬 수 있다.
이때, 렌즈(30)의 형상은 설계를 통하여 다음과 같은 조건에 만족할 경우, 원하는 지향 패턴을 가질 수 있다. 본 발명에서 제안하는 렌즈(30)의 형상은 다음 과 같은 요인들을 통하여 제작되었을 때, 빛의 균일성을 향상시켜 백라이트 유닛으로 제작되었을 때, 그 품질을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 렌즈(30)의 형상을 결정하는 요인들은 광원인 LED(40) 칩(Chip)으로부터 렌즈(30)의 중앙부의 가장 낮은 부분까지의 거리인 D2, 렌즈(30)의 곡률(곡률 반경; 이하, 곡률과 곡률 반경은 동일한 의미를 가지며, 수치에 관계된 표현인 경우에 "곡률 반경"이라 지칭하기로 한다.)인 R, 및 렌즈(30)의 중앙부 홈의 각도인 Θ를 포함한다.
이하, 이러한 렌즈(30)의 형상 결정 요인인 D2, R, 및 Θ의 범위를 결정하는 과정을 상세히 설명한다.
<LED 칩으로부터 렌즈 중앙부의 가장 낮은 부분까지의 최단거리의 결정>
먼저, D2의 거리가 매우 작을 경우, 도 12a에서와 같이 많은 양의 빛이 중앙부 홈을 통과하여 출사되며, 지향각은 도 12b와 같이 변화하게 되고, 결과적으로 이러한 발광 소자 패키지를 이용하여 백라이트 유닛을 제작하는 경우, 백라이트 유닛 상에서 중앙에 도 12c와 같은 핫 스폿(Hot Spot)이 나타나게 된다.
또한, D2의 거리가 매우 클 경우에는 도 13a에서와 같이, 렌즈(30) 중앙부의 홈에 적은 양의 빛이 통과하기 때문에, 지향각이 도 13b와 같이 변화하고, 결국 백라이트 유닛 상에서 암부 영역으로 나타나게 된다(도 13c).
상술한 바와 같이, D2의 거리는 LED(40) 칩과 렌즈(30) 중앙부 홈까지의 최단거리를 말하며, 백라이트 유닛으로 제작되었을 때 가장 적합한 지향 특성을 가지기 위해서는 일정 범위 안의 거리를 가져야 한다.
다음은 이러한 D2의 거리를 변경하면서 얻은 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴 중 일부에 대하여 설명하고 있다.
도 14a 및 도 14b는 각각 D2의 거리가 D1/2.5일 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다. 여기서 D1은 렌즈(30)의 지름을 나타낸다.
또한, 도 15a 및 도 15b는 각각 D2의 거리가 D1/7.1일 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
상술한 바와 같이, D2의 거리가 D1/2.5로 상대적으로 클 경우에는 도 14b와 같이 밝은 부분이 주변부에 위치하고 중앙측에는 암부 영역이 크게 나타남을 알 수 있다.
또한, D2의 거리가 D1/7.1로 상대적으로 작을 경우에는 많은 양의 빛이 중앙부 홈을 통과하여 출사되어 중앙측에 도 15b와 같이 휘도 분포가 집중되어, 도 15a와 같은 핫 스폿(Hot Spot)이 나타날 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도 16a 및 도 16b는 각각 D2의 거리가 D1/3일 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있고, 도 17a 및 도 17b는 각각 D2의 거리가 D1/3.85일 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
D2의 거리가 D1/3인 경우에는 상술한 D1/2.5인 경우와 크게 다르지 않으나 지향각의 크기가 커지면서 중앙부 휘도가 미세 증가함을 알 수 있다.
이와 같은 D2 값의 변화에 의한 최대 휘도를 나타내는 각도와 중앙부 휘도의 변화를 정리하면 아래의 표 1과 같다.
Figure 112008084971203-pat00060
최대 강도 각도 영역은 넓을수록 균일한 영역이 넓어지며, 중앙부 강도는 15 내지 45% 이내에 있어야 핫 스폿이나 암부가 나타나지 않는다.
위의 표 1에서 보면, D2 값이 D1/2.5인 경우에는 최대 강도 각도가 너무 좁게 나타나며, D1/7인 경우에는 중앙부 강도가 높게 나타난다.
이를 바탕으로 볼 때, 결국, 렌즈(30)의 지름을 D1으로 하며, LED(40) 칩으로부터 렌즈(30) 중앙 홈까지 거리를 D2라고 하면, D2는 다음과 같은 범위에 있을 때 가장 적정한 본 발명의 설계 의도에 부합한 백라이트 유닛을 제작할 수 있다.
D1/7 < D2 < D1/2.4
이와 같이, D2의 값을 변화하며 휘도 분포 및 지향각 패턴을 검사한 경우, D2의 거리가 D1/3.85인 경우에, 도 17a에서 도시하는 바와 같이, 매우 균일한 휘도 분포를 나타내는 것을 알 수 있다.
그러나, 발광 소자 패키지 상에 위치하여 백라이트 유닛을 구성하는 각종 필 름, LCD 패널 등의 존재를 고려할 때, 상술한 범위의 D2 값이면 백라이트를 구성하였을 때 바람직한 결과를 보일 수 있다.
<곡률의 결정>
한편, 렌즈(30)의 홈 주변부에 위치하는 곡면의 곡률은 지향각의 최대 강도(intensity)를 가지는 각도를 조절하게 된다.
이러한 곡률이 너무 클 경우, 도 18a와 같이, 지향각의 최대 강도 영역의 각도는 좁아지게 되며, 곡률이 너무 작을 경우에는, 도 18b와 같이, 지향각의 최대 강도 영역의 각도는 넓어지게 되나, 동시적으로 D2의 거리가 작아지게 되므로 중앙의 핫 스폿이 나타날 수 있다.
다음은 이러한 곡률(R)을 변경하면서 얻은 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴 중 일부에 대하여 설명하고 있다.
도 19a 및 도 19b는 각각 곡률(곡률 반경; R) 값이 1.8 mm인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
또한, 도 20a 및 도 20b는 각각 곡률 반경 값이 0.8 mm인 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
상술한 바와 같이, 곡률 반경이 1.8 mm정도로 상대적으로 클 경우에는 도 19b와 같이 지향각의 최대 강도 영역의 각도는 대략 250°내지 290° 사이로 좁아지게 됨을 알 수 있다.
또한, 곡률 반경이 0.8 mm로 상대적으로 작을 경우에는 도 20b와 같이, 지향각의 최대 강도 영역의 각도는 대략 337°내지 202° 사이로 넓어지게 되나, 동시에 D2의 거리가 작아지게 되므로 중앙의 핫 스폿이 나타날 수 있다.
한편, 도 21a 및 도 21b는 각각 곡률 반경이 1.0 mm인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있고, 도 22a 및 도 22b는 각각 곡률반경이 1.6 mm인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
곡률 반경이 1.0 mm인 경우는 상술한 곡률 반경이 0.8 mm인 경우와 거의 유사한 분포를 보임을 알 수 있다.
이와 같은 곡률 값의 변화에 의한 최대 휘도를 나타내는 각도와 중앙부 휘도의 변화를 정리하면 아래의 표 2와 같다.
Figure 112008051518215-pat00002
표 2에서 보는 바와 같이, 곡률 반경(R)이 0.8 mm 이하인 경우에 지향각이 좁아지며, 곡률 반경이 1.8 mm이상인 경우에는 중앙부 핫 스폿이 문제가 될 수 있다.
곡률 값은 렌즈 직경과 연관이 있기 때문에 위의 표 2는 균일한 렌즈 직경에서의 값을 나타내고 있으며, 직경이 바뀌면 수치는 달라질 수 있다.
0.8 mm < R < 1.8 mm
이와 같이, 곡률 값을 변화하며 휘도 분포 및 지향각 패턴을 검사한 경우, 곡률 반경이 1.6 mm인 경우에, 도 22a에서 도시하는 바와 같이, 매우 균일한 휘도 분포를 나타내는 것을 알 수 있다.
렌즈(30)의 곡률은 위치에 따라 각기 다른 곡률을 가질 수도 있으며, 이를 비구면이라 할 수 있다. 렌즈가 비구면일 경우도, 비구면 계수와 상관없이 전체 곡률은 수학식 4의 범위 내에 있어야 한다.
또한, 곡률은 하나 이상의 곡률로 형성할 수 있다.
<렌즈 중앙부 홈의 각도의 결정>
Θ는 렌즈(30) 중앙부 홈의 각도를 표현하고 있다. 홈을 형성하는 형상은 직선이 될 수도 있으며, 일정 곡률도 표현될 수도 있다.
렌즈(30) 중앙부 홈 영역이 하는 역할은 빛을 균일한 방향으로 굴절, 투과, 반사시키는 역할을 하며, 홈의 각도에 따라 굴절, 투과, 반사의 비율을 조절할 수 있다.
도 23a에서와 같이, 중앙부 홈의 각도가 클 경우에는 빛이 고르게 퍼지지 못하고 중앙측에 집중될 수 있으며, 도 23b와 같이, 중앙부 홈의 각도가 작은 경우에는 빛의 대부분이 주변부로 퍼져서 중앙측에 암부가 나타날 수 있다.
도 24a 및 도 24b는 각각 Θ 값이 90°인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
또한, 도 25a 및 도 25b는 각각 Θ 값이 120°인 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
상술한 바와 같이, Θ 값이 90° 정도로 상대적으로 작을 경우에는 도 24a와 같이 빛이 주변부로 퍼지게 되어, 중앙측에는 휘도 차이로 인한 띠 형상이 생김을 알 수 있다.
또한, Θ 값이 120°로 상대적으로 클 경우에는 도 25b와 같이, 중앙부측에 빛이 집중되어 지향각 패턴이 부드럽게 변화하지 못하는 현상이 발생하며, 이는 도 25a와 같이 중앙측에 핫 스폿이 나타나게 한다.
한편, 도 26a 및 도 26b는 각각 Θ 값이 100°인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있고, 도 27a 및 도 27b는 각각 Θ 값이 110°인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
여기서 Θ 값이 100°인 경우와 110°인 경우는 거의 유사한 분포를 보임을 알 수 있으며, 중앙부 측에서 대체로 빛의 분포가 고르게 퍼지는 것을 알 수 있다.
이와 같은 중앙부 홈의 각도의 변화에 의한 최대 휘도를 나타내는 각도와 중앙부 휘도의 변화를 정리하면 아래의 표 3과 같다.
Figure 112008051518215-pat00003
이와 같이, 최적화된 각도로 렌즈 중앙부의 홈을 형성할 경우, 도 28에서 LED(40)에서 방출된 빛이 렌즈(30)의 인접 외부면에 의하여 굴절되어 특정 면에 도달한 광속 사이의 거리인 d1과 d2의 거리가 동일하게 할 수 있으며, 이를 이용하여, 지향각이 0 내지 45° 부근, 즉, 백라이트 유닛 상의 LED 패키지 상측에 균일한 광 분포를 얻을 수 있다.
렌즈(30) 중앙부 홈의 각도는 렌즈(30)의 크기 및 높이에 따라 달라질 수 있으며, 상술한 결과를 고려할 때, 다음과 같은 수학식 5에서 정의하는 각도 범위에 있을 때, 가장 이상적인 균일성을 얻을 수 있다.
90° < Θ < 120°
이때, 중앙부 홈이 곡면을 가지는 경우에는 이 곡면에 접선을 연결하여, 도 28과 같이 직선을 도시하였을 경우에, 이 직선의 범위도 수학식 5의 범위 안에 있을 때, 이상적인 균일성을 얻는다.
이상과 같이 구하여진 수학식 3 내지 수학식 5 중 적어도 하나를 만족시키는 수치의 렌즈(30)를 이용하는 발광 소자 패키지를 구성하고, 이 발광 소자 패키지들을 이용하여 백라이트 유닛을 제작할 때, 충분히 균일한 빛의 분포를 갖는 백라이트 유닛을 제작할 수 있다.
이와 같이 이상적인 빛의 분포를 가지는 렌즈를 이용하는 백라이트 유닛은 발광 소자 패키지 사이의 거리를 종래보다 2배 이상 증가시킬 수 있어 발광 소자 패키지의 사용 개수를 줄일 수 있으며, 또한 백라이트 유닛의 두께를 크게 감소시 킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하는 백라이트 유닛을 제작하는 경우에 LED 분할 구동 시 블록 경계가 없어진다. LED를 이용한 백라이트 유닛에 필수적인 성능이라 할 수 있는 분할 구동을 수행할 때, 발광 소자 패키지의 지향각이 넓기 때문에, 분할 구동 시 문제 시 되었던 블록 간의 경계가 시인되는 문제를 해결할 수 있다. 결국, 분할 구동을 이용하여 소비전력을 최소화하면서, 대비비(Contrast)는 증가시킬 수 있고, 화질 평가 측면에서도 가장 이상적인 LED 백라이트 구조를 제공할 수 있는 것이다.
도 29는 상술한 조건을 만족하는 렌즈(30) 형상의 일례를 도시하고 있다. LED(40) 상에 봉지 물질(70)이 위치하지 않을 경우에는 렌즈(30)의 하면에 장착홈에 결합되는 돌출부(30a)가 위치할 수 있다.
이때, 도 30과 같이, LED(40) 상에 직접 형성되거나 부착되는 경우에는 렌즈가 도 29와 같은 형상을 이루게 된다.
LED(40) 상에 LED(40) 보호층으로서 봉지 물질(70)이 형성되는 경우, 또는 백색 등으로 색이 변환되는 발광 소자 패키지를 제작하기 위하여 봉지 물질(70)이 형성되고, 이 봉지 물질(70)에 형광체가 혼입되는 경우에는 렌즈(31) 형상이 도 31과 같은 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 렌즈(31)는 장착홈에 결합되는 돌출부를 가지지 않고 하면이 평면 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 도 32에서는 위에서 언급한 바 있는 LED(40)가 복수 개로 설치된 예를 도시하고 있다. 이러한 복수의 LED(40)는 동일한 색상을 발광할 수도 있고, 서로 다른 색상을 발광할 수도 있다.
이러한 경우에는, 복수의 LED(40) 사이의 중심점으로부터 홈의 가장 낮은 부분까지의 거리(D2)가 상술한 조건, 즉, D1이 렌즈의 직경이라 할 때, D1/7보다 크고 D1/2.4보다 작은 조건을 만족한다. 이때, 도시하는 바와 같이, LED(40) 사이의 중심점은 LED(40)가 장착된 면 상에 위치하게 된다.
도 33에서는 LED(40)가 복수 개로 설치되고, 렌즈(32)의 홈도 복수 개로 형성된 예를 도시하고 있다. 이와 같이, LED(40)의 수와 홈의 수는 동일할 수 있으며, 이때, 각각의 LED(40)와 홈의 가장 낮은 부분에 이르는 거리는 상술한 D2의 조건을 만족한다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.
도 1은 도광판형 백라이트 유닛의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는 직하형 백라이트 유닛의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 3은 발광 소자의 지향 패턴을 설명하기 위한 도식도이다.
도 4는 일반 발광 소자의 지향 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 5는 균일한 빛을 얻기 위한 지향 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 지향각에 따른 발광 소자의 배열을 나타내는 개략도이다.
도 7a 및 도 8a는 중앙부 강도에 따른 지향 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 7b 및 도 8b는 중앙부 강도에 따른 빛의 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 9a 내지 도 10b는 지향 패턴의 변화에 따른 빛의 패턴 나타내는 그래프이다.
도 11은 발광 소자 패키지의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 12a 내지 도 13c는 렌즈 중앙부 높이에 따른 변화를 나타내는 개략도이다.
도 14a 및 도 14b는 각각 D2의 거리가 D1/2.5일 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 15a 및 도 15b는 각각 D2의 거리가 D1/7.1일 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 16a 및 도 16b는 각각 D2의 거리가 D1/3일 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 17a 및 도 17b는 각각 D2의 거리가 D1/3.85일 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 18a 및 도 18b는 곡률에 따른 지향각을 나타내는 그래프이다.
도 19a 및 도 19b는 각각 곡률 반경(R) 값이 1.8 mm인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 20a 및 도 20b는 각각 곡률 반경 값이 0.8 mm인 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 21a 및 도 21b는 각각 곡률 반경이 1.0 mm인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 22a 및 도 22b는 각각 곡률 반경이 1.6 mm인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 23a 및 도 23b는 중앙부 홈의 각도에 따른 빛의 분포를 나타내는 개략도이다.
도 24a 및 도 24b는 각각 Θ 값이 90°인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 25a 및 도 25b는 각각 Θ 값이 120°인 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 26a 및 도 26b는 각각 Θ 값이 100°인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 27a 및 도 27b는 각각 Θ 값이 110°인 경우의 발광 소자 패키지의 휘도 분포 및 지향각 패턴을 나타내고 있다.
도 28은 최적화된 중앙부 홈의 각도에 따른 빛의 진행을 나타내는 개략도이다.
도 29는 렌즈의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 30은 발광 소자 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 31a는 렌즈의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 31b는 렌즈의 다른 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 32는 발광 소자 패키지의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 33은 발광 소자 패키지의 또 다른 예를 나타내는 단면도이다.

Claims (20)

  1. 패키지 바디와;
    상기 패키지 바디 상에 위치하는 적어도 하나 이상의 발광 소자와;
    상기 패키지 바디에 포함되며, 상기 발광 소자와 전기적으로 연결되는 적어도 한 쌍의 리드와;
    상기 발광 소자 상에 위치하며, 상측에 적어도 하나 이상의 홈이 형성되는 렌즈를 포함하고, 상기 발광 소자로부터 상기 홈의 가장 낮은 부분까지의 최단거리는, D1이 상기 렌즈의 직경이라 할 때, D1/7보다 크고 D1/2.4보다 작은 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 발광 소자는, 상기 패키지 바디 상에 형성된 장착홈에 장착되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 장착홈에는, 봉지 물질이 채워진 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 봉지 물질에는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 렌즈는,
    상면과;
    상기 상면의 하측에 위치하며, 상기 장착홈에 결합되는 돌출부를 가지는 하면을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈는 상기 패키지 바디 상에 직접 주입되어 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 발광 소자는, 복수의 발광 소자를 포함하고, 상기 홈은 상기 렌즈의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 발광 소자는 복수의 발광 소자를 포함하거나, 또는 상기 적어도 하나 이상의 홈은 복수의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 복수의 홈은 상기 복수의 발광 소자 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈는, 상기 홈의 주변부에 곡률 반경을 가지는 곡면을 가지는 상면을 포함하며, 상기 곡률 반경 R은,
    0.8 mm < R < 1.8 mm
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈의 상측에 위치하는 홈의 각도 Θ는,
    90° < Θ < 120°
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  12. 패키지 바디와;
    상기 패키지 바디 상에 위치하는 적어도 하나 이상의 발광 소자와;
    상기 패키지 바디에 포함되며, 상기 발광 소자와 전기적으로 연결되는 적어도 한 쌍의 리드와;
    상기 발광 소자 상에 위치하며, 상측에 적어도 하나 이상의 홈이 형성되고, 상기 홈의 주변부에 적어도 하나의 곡률 반경을 가지는 곡면을 가지는 상면을 포함하며, 상기 상면의 곡률 반경은, 0.8 mm보다 크고 1.8 mm보다 작은 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 렌즈의 상면에 위치하는 홈의 각도 Θ는,
    90° < Θ < 120°
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  14. 패키지 바디와;
    상기 패키지 바디 상에 위치하는 적어도 하나 이상의 발광 소자와;
    상기 패키지 바디에 포함되며, 상기 발광 소자와 전기적으로 연결되는 적어도 한 쌍의 리드와;
    상기 발광 소자 상에 위치하며, 상측에 적어도 하나 이상의 홈이 형성되고, 상기 홈의 주변부에 적어도 하나의 곡률 반경을 가지는 곡면을 가지는 상면을 포함하는 렌즈를 포함하고,
    상기 발광 소자로부터 상기 홈의 가장 낮은 부분까지의 최단 거리는, D1이 상기 렌즈의 직경이라 할 때, D1/7보다 크고 D1/2.4보다 작고, 상기 상면의 곡률 반경은, 0.8 mm보다 크고 1.8 mm보다 작으며, 상기 렌즈의 상면에 위치하는 홈의 각도는, 90°보다 크고 120°보다 작은 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  15. 패키지 바디 상에 위치하는 적어도 하나 이상의 발광 소자와, 상기 발광 소자 상에 위치하며, 상측에 적어도 하나 이상의 홈이 형성되고, 상기 홈의 주변부에 적어도 하나 이상의 곡률 반경을 가지는 곡면을 가지는 상면을 포함하는 렌즈를 포함하며, 상기 발광 소자로부터 상기 홈의 가장 낮는 부분까지의 최단거리는, D1이 상기 렌즈의 직경이라 할 때, D1/7보다 크고 D1/2.4보다 작은 조건을 만족하는 적어도 하나 이상의 발광 소자 패키지와;
    상기 적어도 하나 이상의 발광 소자 패키지를 제어하기 위한 회로 기판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 렌즈의 홈 주변부의 곡면의 곡률 반경 R은,
    0.8 mm < R < 1.8 mm
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 렌즈의 상면에 위치하는 홈의 각도 Θ는,
    90° < Θ < 120°
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  18. 패키지 바디 상에 위치하는 적어도 하나 이상의 발광 소자와, 상기 발광 소자 상에 위치하며, 상측에 적어도 하나 이상의 홈이 형성되고, 상기 홈의 주변부에 적어도 하나 이상의 곡률 반경을 가지는 곡면을 가지는 상면을 포함하며, 상기 상면의 곡률 반경은, 0.8 mm보다 크고 1.8 mm보다 작은 렌즈를 포함하는 적어도 하나 이상의 발광 소자 패키지와;
    상기 적어도 하나 이상의 발광 소자 패키지를 제어하기 위한 회로 기판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 렌즈의 상면에 위치하는 홈의 각도 Θ는,
    90° < Θ < 120°
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
  20. 패키지 바디 상에 위치하는 적어도 하나 이상의 발광 소자와, 상기 발광 소자 상에 위치하며, 상측에 적어도 하나 이상의 홈이 형성되고, 상기 홈의 주변부에 적어도 하나 이상의 곡률 반경을 가지는 곡면을 가지는 상면을 포함하는 렌즈를 포함하며, 상기 발광 소자로부터 상기 홈의 가장 낮는 부분까지의 최단거리는, D1이 상기 렌즈의 직경이라 할 때, D1/7보다 크고 D1/2.4보다 작고, 상기 상면의 곡률 반경은, 0.8 mm보다 크고 1.8 mm보다 작으며, 상기 렌즈의 상면에 위치하는 홈의 각도는, 90°보다 크고 120°보다 작은 조건을 만족하는 적어도 하나 이상의 발광 소자 패키지와;
    상기 적어도 하나 이상의 발광 소자 패키지를 제어하기 위한 회로 기판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
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