KR100938870B1 - 형광물질을 이용한 백색광 ｌｅｄ모듈용 광확산 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광물질을 이용하여 백색광을 발산하는 LED 모듈에 사용되는 광학산 렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LED에서 발산되고 확산렌즈를 통과하여 외부로 확산되어 조사되는 빛의 가장자리에 형광물질의 색상띠가 생기지 않도록 한 광학산 렌즈에 관한 것이다.

본 발명의 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈는 구간별 곡률반경이 다르고, 전체적으로 볼록한 형상으로 이루어지며, 전면부에 구비되는 제1볼록부와, 볼록한 형상으로 이루어지며, 측면부에 구비되는 제2볼록부와, 상기 제1볼록부와 제2볼록부를 연결하고, 제1볼록부와 제2볼록부의 곡률반경보다 작은 곡률반경을 갖고, 제1볼록부와 제2볼록부 표면을 연결하는 선이 오목한 형상이 되도록 하는 오목부와, 상기 제2볼록부 외측에 구비되는 비기능부를 포함하여 이루어져, 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈에서 발산되는 빛에서 색상띠를 제거한다.

광확산, 렌즈, 옐로우링, LED, 형광물질, 곡률반경, 볼록부, 오목부

Description

형광물질을 이용한 백색광 ＬＥＤ모듈용 광확산 렌즈{Diffussion Lense for LED module radiating white light}

본 발명은 형광물질을 이용하여 백색광을 발산하는 LED 모듈에 사용되는 광확산 렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LED에서 발산되고 확산렌즈를 통과하여 외부로 확산되어 조사되는 빛의 가장자리에 형광물질의 색상띠가 생기지 않도록 한 광학산 렌즈에 관한 것이다.

광확산 렌즈는 주지하다시피 광원에서 발산되는 빛을 집중 또는 확산시켜 조사하는 렌즈이며, 그 용도에 따라 다양한 구조의 것이 공개되어 있다.

LED에 사용되는 광확산 렌즈 역시 다양한 종류의 것이 이미 공개되었다. 그 일례로 등록특허 제0756174호 "LED용 집광렌즈", 공개특허 제2009-0026671호 "백라이트용 점광원 확산 렌즈", 등록특허 제0661261호 "LED 확산 렌즈" 등이 있다.

위에서 언급된 확산 렌즈들을 포함하여 종래의 확산 렌즈들은 확산 렌즈 표 면에서 외부로 조사되는 빛이 특정 부분으로 집중되도록 집광시키거나, 전체적으로 균일하게 분포되도록 분광시키거나, 조사되는 빛의 휘도와 조도를 조절하는데 초점을 맞추고 있다.

그런데 백색광을 발하는 LED는 적색, 녹색, 파란색을 각각 발하는 R, G, B의 반도체 소자가 결합되어 색의 혼합에 의해 백색광이 발산되는 것도 있지만,

R, G, B의 반도체 소자 중 어느 한 소자를 사용하고, 반도체 소자 상부에 형광물질을 도포하여 백색광을 구현하는 LED도 있다. 예를 들어, 파란색을 발산하는 B의 반도체 소자를 사용하는 LED는 노란색의 형광물질을 상부에 도포하여, LED에서 발산된 파란색 상의 빛이 노란색의 형광물질을 통과하면서 백색광으로 변하여 발산되도록 한다.

R, G, B의 반도체 소자 모두를 사용하여 백색광을 구현하는 LED는 단가가 높아, 최근에는 형광물질을 사용하여 백색광을 구현하는 LED가 많이 사용되고 있다.

그런데, 이처럼 형광물질을 이용하여 백색광을 구현하는 LED에 광확산 렌즈를 결합시켜 사용할 때 한가지 문제가 발생한다.

그 문제는 바로 도5의 좌측 사진과 같이 조명 시 테두리에 형광물질의 색상 띠(도면에서는 노란색의 띠(yellow ring)가)가 생긴다는 것이다.

이러한 색상 띠는 상품 등을 조명할 때 상품의 질이 떨어지는 것으로 보이도록 오인시킬 수 있다.

그래서 저렴한 형광물질을 이용하여 백색광을 구현하는 LED에 사용되는 광확산 렌즈에서 형광물질의 색상 띠가 생기지 않도록 하는 광확산 렌즈가 필요한데, 아직까지 색상 띠를 제거한 광확산 렌즈는 개시되지 아니하였다.

본 발명은 이와 같이 형광물질을 이용하여 백색광을 구현하는 LED에 사용되는 광확산 렌즈로서, 광확산 렌즈를 통과한 빛에 색상 띠가 생기지 않도록 한 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈를 제공함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈는

구간별 곡률반경이 다르고, 전체적으로 볼록한 형상으로 이루어지며, 전면부에 구비되는 제1볼록부와,

볼록한 형상으로 이루어지며, 측면부에 구비되는 제2볼록부와,

상기 제1볼록부와 제2볼록부를 연결하고, 제1볼록부와 제2볼록부의 곡률반경보다 작은 곡률반경을 갖고, 제1볼록부와 제2볼록부 표면을 연결하는 선이 오목한 형상이 되도록 하는 오목부와,

상기 제2볼록부 외측에 구비되는 비기능부를 포함하여 이루어져,

형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈에서 발산되는 빛에서 색상띠를 제거한다.

그리고 상기 제1볼록부는 곡률반경이 다른 세 구간(제1 내지 제3 구간)으로 구획되고, 상기 오목부와 제2볼록부는 곡률반경이 일정한 한 구간(제4구간과 제5구간)으로 구획되어 있는 것을 특징으로 하고,

상기 제1 내지 제5 구간의 수직길이는 상기 비기능부의 수직길이에 대비하여 각각 0.01~0.03, 0.2~0.3, 0.3~0.5, 0.05~0.15, 0.1~0.3의 범위 내에 있고,

상기 제1 내지 제4 구간의 곡률반경은 상기 제5구간의 곡률반경에 대비하여 각각 10~16, 4~6, 7~11, 0.4~0.8의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하고,

상기 제1볼록부, 오목부, 제2볼록부 및 비기능부로 이루어지는 렌즈를 단위렌즈라고 할 때,

상기 단위렌즈는 다수개가 원형의 베이스판 상부면 테두리에 환영으로 두줄 배열되고,

상기 베이스판 하부면에는 LED 모듈이 안착되어 결합되는 안착부가 형성되어 있고,

상기 베이스판 하부면 중앙에는 LED 모듈의 PCB에 삽입결합되는 삽입돌출부가 형성되어 있고,

상기 베이스판 측면에는 조명 케이스에 억지끼움식으로 탈착 가능하게 결합되는 결합돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

위와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈는 조명되는 빛에서 형광물질의 색상 띠를 제거하여 온연한 백색광이 조명되도록 한다.

또한, 베이스판을 더 함하여 LED 모듈이 베이스판 하부면에 정밀하게 배치되고, 케이스에 간편하고 신속하게 탈착 가능하게 결합된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈가 결합된 조명장치의 일례에 따른 결합 사시도 및 분해사시도이고, 도2는 LED 모듈과 결합된 광확산 렌즈의 단면도이고, 도3은 종래의 구면렌즈와 본 발명에 따른 광확산 렌즈에서 빛의 조사 패턴의 일례를 도시한 것이고, 도4는 본 발명에 따른 광확산 렌즈의 단위렌즈 단면도와 구조 비율을 도시한 것이고, 도5는 종래의 광확산 렌즈를 사용한 경우(왼쪽)와 본 발명의 광확산 렌즈를 사용한 경우(오른쪽) 바닥면에 조사되는 조명의 일례를 찍은 도면대용 사진이다.

도면에서 보는 바와 같이 본 발명의 광확산 렌즈(1), 특히, 단위렌즈(10)는 제1볼록부(11,12,13), 오목부(14), 제2볼록부(15), 비기능부(16)가 연속하여 이어지는 구조로 이루어지고, 대칭구조이다.

그리고 상기 단위렌즈(10)는 원형판 형상의 베이스판(20) 상부면 테두리에 다수개가 서로 인접하면서 환영으로 두 줄 배열된다. 그리고 각각의 단위렌즈(10) 하부, 즉 상기 베이스판(20) 하부에는 LED모듈(3)의 LED(33)가 배치되어 LED에서 발산되는 빛이 베이스판을 통과하여 입사된다.

여기서, 상기 LED모듈(3)은 PCB(31)와, 상기 PCB에 실장된 다수의 LED(33)와, 각각의 LED 직상부에 배치되는 형광물질(35)을 포함하여 이루어진다. 그리고 상기 LED는 R(Red), G(Green), B(Blue)의 반도체 소자 중 어느 하나이고, 상기 형광물질은 상기 R, G, B의 반도체 소자가 발산하는 빛(적색광, 또는 녹색광, 또는 파란색광 중 하나)이 통과하여 백색광이 되도록 한다. 본 발명에서는 LED(33)는 B의 반도체 소자를 이용하였고, 형광물질(35)은 노란색을 이용하였다.

그리고 상기 베이스판(20)의 하부면 테두리에는 LED모듈(3)이 안착되어 결합되는 안착부(21)가 형성되어 있고, 하부면 중앙에는 PCB에 삽입결합되는 삽입돌출부(23)가 형성되어 있다.

그리고 베이스판의 측면에는 조명 케이스에 억지끼움식으로 탈착 가능하게 결합되는 결합돌기(25)가 형성되어 있다.

그리고 단위렌즈(10)의 상기 제1볼록부(11,12,13)는 곡률반경이 서로 다른 여러 구간으로 이루어지고, 상기 오목부(14)와 제2볼록부(15), 그리고 비기능부(16)는 곡률반경이 같은 한 구간으로 이루어진다.

그리고 제1볼록부와 제2볼록부를 연결하는 오목부(14)는 곡률의 방향이 제1볼록부와 제2볼록부와 다르다. 다시 말해, 제1볼록부와 제2볼록부는 볼록한 형상이고, 오목부는 오목한 형상으로 이루어진다.

그리고 상기 비기능부(16)는 상부의 극히 일부를 빼고는 LED(33)에서 발산되는 빛이 입사되지 않는 부분이다. 여기서, LED는 약 110~120도의 발산각을 갖는다.

그리고 이와 같이 서로 다른 곡률반경의 여러 구간으로 구획된 단위렌즈(10)는 도3의 윗도면에 도시한 바와 같이 LED에서 입사되는 빛을 표면 전방으로 골고루 균일하게 조사한다. 그리고 특히 가장자리로 입사되는 빛은 안쪽으로 모아(집중)지도록 한다.

이에 반해, 도3의 아래도면에 도시한 바와 같이 곡률반경이 같은 구면렌즈는 LED에서 입사된 빛이 전방 중앙에 집중되고, 가장자리 부근에서는 분산된다. 구면렌즈에서 이와 같이 빛이 중앙에서는 집중되고, 가장자리에서는 퍼지는 것은 구면 렌즈의 굴절률과 곡률반경에 기인한 것이다.

이처럼 구면렌즈에서 전면 중앙에 빛이 집중됨으로서 조사 영역의 중앙은 온 도가 높고 보다 밝은 Hot spot이 발생하고, 가장자리는 빛이 퍼져 형광물질의 색상에 따를 색상띠가 생긴다. 도5에서 보는 바와 같이 B의 반도체 소자를 LED로 사용하고, 노란색의 형광물질을 사용한 경우 빛의 조사 영역 가장자리에 옐로우 링이 생긴다.

이에 반해, 단위렌즈 표면에서 빛이 균일하게 조사하도록 한 본 발명은 빛의 조사 영역에 빛이 집중되지 아니하므로 특별히 Hot spot이 발생이 발생되지 않고, 도5에서 보는 바와 같이 조사 영역 가장자리에서 색상띠(즉, 옐로우 링)가 발생되지 않는다.

그리고 본 발명의 광확산 렌즈를 사용할 때 색상띠가 생기지 않는 것은 빛의 파장에 따른 색수차를 최소화하는 구조로 단위렌즈가 이루어졌기 때문인 것으로 사료된다.

이하 도4를 참조하여 단위렌즈의 구조를 보다 구체적으로 설명한다.

도면에서 보는 바와 같이 제1볼록부(11,12,13)는 곡률반경이 다른 3 구간으로 구획되어 있고, 오목부(14), 제2볼록부(15), 비기능부(16)는 하나의 곡률반경을 갖는 한 구간으로 되어 있다. 이를 전면 중앙에서부터 제1 내지 제6구간이라고 가정한다.

그리고 상기 비기능부(16)는 전술한 바와 같이 LED에서 발산되는 빛이 입사되지 않거나, 상부 일부에만 입사된다. 그래서 명칭을 비기능부로 하였다.

본 발명에 따른 광확산 렌즈를 통과하여 조사되는 빛의 조사 영역에서 Hot spot과 색상 띠가 발생되지 않도록 하기 위해,

상기 제1 내지 제5 구간(11~15)의 수직길이는 상기 비기능부(16)의 수직길이에 대비하여 각각 0.01~0.03, 0.2~0.3, 0.3~0.5, 0.05~0.15, 0.1~0.3의 범위 내에 있고,

상기 제1 내지 제4 구간(11~14)의 곡률반경은 상기 제5구간(15)의 곡률반경에 대비하여 각각 10~16, 4~6, 7~11, 0.4~0.8의 범위 내에 있는 것으로 하였다.

이를 보다 바람직하고 구체적인 수치로 하면,

도4에서 보는 바와 같이 비기능부(제6구간)(16)는 단위렌즈 전체 높이(수직길이)의 약 반(50%)을 차지하고, 제2볼록부(제5구간)(15)는 약 10%, 오목부(제4구간)(14)는 약 5%, 제1볼록부는 약 35%의 수직길이를 차지한다. 그리고 제1볼록부의 제1구간(11)은 약 1%, 제2구간(12)은 약 13%, 제3구간(13)은 약 21%를 차지한다. 그리고 제1 내지 제6 구간의 수평방향 길이비율은 구간별 수직길이와 반지름(곡률반경)에 따라 그 비율이 정해지고 그 비율은 도면과 같다.

그리고 각 구간의 곡률반경(단위는 mm)은 제1구간(11)이 6.78, 제2구간(12)은 2.75, 제3구간(13)은 4.89, 제4구간(14)은 0.3, 제5구간(15)은 0.5, 제6구간(16)은 5.17이다. 그리고 여기서 제4구간, 즉 오목부(14)의 곡률 방향은 반대이고, 제6구간(16)의 곡률반경은 빛이 입사될 수 있는 상부 극히 일부를 제외하고는 중요하지 않다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1 은 본 발명에 광확산 렌즈가 적용된 조명장치의 결합 사시도 및 분해 사시도.

도 2 는 본 발명에 따른 광확산 렌즈의 단면도.

도 3 은 본 발명에 따른 광확산 렌즈의 단위렌즈와 종래의 구면 렌즈에서의 빛 조사 패턴 일례도.

도 4 는 본 발명에 따른 단위렌즈의 구조 비율도.

도 5는 본 발명에 따른 광확산 렌즈와 종래의 구면 렌즈에서 조사되는 빛의 일례를 도시한 도면 대용 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 광학산 렌즈 3 : LED모듈

10 : 단위렌즈 11,12,13 : 제1볼록부

14 : 오목부 15 : 제2볼록부

16 : 비기능부 20 : 베이스판

21 : 안착부 23 : 삽입돌출부

33 : LED 35 : 형광물질

Claims (4)

1. 구간별 곡률반경이 다르고, 전체적으로 볼록한 형상으로 이루어지며, 전면부에 구비되는 제1볼록부와,

   볼록한 형상으로 이루어지며, 측면부에 구비되는 제2볼록부와,

   상기 제1볼록부와 제2볼록부를 연결하고, 제1볼록부와 제2볼록부의 곡률반경보다 작은 곡률반경을 갖고, 제1볼록부와 제2볼록부 표면을 연결하는 선이 오목한 형상이 되도록 하는 오목부와,

   상기 제2볼록부 외측에 구비되는 비기능부를 포함하여 이루어져,

   형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈에서 발산되는 빛에서 색상띠를 제거한 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1볼록부는 곡률반경이 다른 세 구간(제1 내지 제3 구간)으로 구획되고, 상기 오목부와 제2볼록부는 곡률반경이 일정한 한 구간(제4구간과 제5구간)으로 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 내지 제5 구간의 수직길이는 상기 비기능부의 수직길이에 대비하여 각각 0.01~0.03, 0.2~0.3, 0.3~0.5, 0.05~0.15, 0.1~0.3의 범위 내에 있고,

   상기 제1 내지 제4 구간의 곡률반경은 상기 제5구간의 곡률반경에 대비하여 각각 10~16, 4~6, 7~11, 0.4~0.8의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1볼록부, 오목부, 제2볼록부 및 비기능부로 이루어지는 렌즈를 단위렌즈라고 할 때,

   상기 단위렌즈는 다수개가 원형의 베이스판 상부면 테두리에 환영으로 두줄 배열되고,

   상기 베이스판 하부면에는 LED 모듈이 안착되어 결합되는 안착부가 형성되어 있고,

   상기 베이스판 하부면 중앙에는 LED 모듈의 PCB에 삽입결합되는 삽입돌출부가 형성되어 있고,

   상기 베이스판 측면에는 조명 케이스에 억지끼움식으로 탈착 가능하게 결합되는 결합돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 형광물질을 이용한 백색광 LED 모듈용 광확산 렌즈.

Images