KR100990426B1 - 빛의 후면 확산방출 수단을 갖는 엘이디 광확산 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은, LED의 빛이 방출되는 선단에 빛을 최대한 넓은 각도로 광확산하여 후면 방출시키기 위한 비구면 렌즈를 배치하고, 이 비구면 렌즈의 표면에 렌즈를 통해 방출되는 빛을 더욱 넓은 각도로 확산방출하기 위한 수단을 마련하여, LED를 이용하여 제작되는 조명기기에서 LED의 사용개수를 감소시키고, 조명기기의 크기를 소형화하도록 하며, LED에서 방출되는 빛의 반사율 및 산란율을 향상시켜 보다 높은 휘도의 빛이 방출될 수 있도록 하므로써, 제작단가를 낮추고 보다 우수한 제품을 얻을 수 있도록 한 빛의 후면 확산방출 수단을 갖는 LED 광확산 렌즈에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, SMD 형태의 LED가 인쇄회로기판에 다수개 배치되어 직하광원방식에 의해 조명을 구현하는 조명기기에 적용되기 위해, 상기 상기 LED의 선단에 결합되며, LED에서 방출되는 빛이 선단에서 내측으로 함몰된 확산경사부를 통해 빛이 확장방출되도록 형성된 비구면 렌즈와; 상기 비구면 렌즈의 확산경사부 표면에 형성되며, LED를 통해 입사된 빛을 측방향으로 산란 및 반사시켜 빛을 측방향 및 후면으로 확산방출시키는 반사코팅부:를 포함하여 구성된다.

LED, 직하방식, 렌즈

Description

빛의 후면 확산방출 수단을 갖는 엘이디 광확산 렌즈{DIFFUSION OF LIGHT LENS HAVING BACK SIDE DIFFUSE EMISSION MEANS FOR LED LIGHT}

본 발명은 빛의 후면 확산방출 수단을 갖는 LED 광확산 렌즈에 관한 것이다.

상세하게 본 발명은, LED의 빛이 방출되는 선단에 빛을 최대한 넓은 각도로 광확산하여 후면 방출시키기 위한 비구면 렌즈를 배치하고, 이 비구면 렌즈의 표면에 렌즈를 통해 방출되는 빛을 더욱 넓은 각도로 확산방출하기 위한 수단을 마련하여, LED를 이용하여 제작되는 조명기기에서 LED의 사용개수를 감소시키고, 조명기기의 크기를 소형화하도록 하며, LED에서 방출되는 빛의 반사율 및 산란율을 향상시켜 보다 높은 휘도의 빛이 방출될 수 있도록 하므로써, 제작단가를 낮추고 보다 우수한 제품을 얻을 수 있도록 한 빛의 후면 확산방출 수단을 갖는 LED 광확산 렌즈에 관한 것이다.

실내의 메인 조명을 구현하기 위한 조명기기는 다양한 형태를 갖추고 있다. 특히, 형광등 또는 할로겐 램프 등에 의해 제작되는 조명은 형광등, 할로겐 램프 자체가 외부로 노출되어 형광등, 할로겐 램프에서 조사되는 빛에 의해 실내를 밝히거나, 형광등, 할로겐 램프의 빛이 출사되는 전방에 특정의 커버를 배치하여 사용자가 목적하는 색상 또는 빛의 밝기로 실내를 조명하도록 하고 있다. 그러나, 상기와 같은 형광등이나 할로겐 등의 경우 소모되는 전력량이 많고, 다양한 소비자의 조명색상 등의 요구에 만족시키기 어려우며, 조명기구 자체를 형광등이나 할로겐 램프의 크기에 기인하여 대체로 대형화되기 때문에 실내, 외부의 인테리어 조명등으로 구현되기에는 상당한 불편함이 발생된다.

이에, 종래에는 상기 형광등이나 할로겐 램프를 광원으로 하는 조명기기를 LED를 광원으로 하는 형태의 구성으로 대체되고 있다. 즉, 이와 같은 LED 광원은 소모전력이 적고, 다양한 색상의 조명연출이 가능하며, 특히, LED 소자의 크기에 기인하여 소형의 조명기기를 제작할 수 있다. 따라서, 상기 LED 광원을 이용한 조명기구는 실내의 인테리어 조명 또는 다양한 제품에 적용되는 차세대 조명으로 대단히 각광받고 있다.

도 1은 상기 LED를 이용한 조명기기의 단면도이다.

도면을 참조하면, 종래 조명기기는 하우징(1)의 내부에 다수의 LED(L)가 배치되어 실장된 인쇄회로기판(P)이 장착되고, 다수의 LED(L)에서 방출된 빛을 투과시켜 실내 조명으로 구현하기 위한 광투과커버(2)가 설치되어 구성된다.

이 때, 상기 다수의 LED(L)는 인쇄회로기판(P)에 실장되기 유리한 형태인 표면실장(Surface Mount Devices; SMD)형의 소자를 적용한다. 특히, 상기와 같은 구성은 다수의 LED(L) 빛이 광투과커버(2)를 통과하여 직하방향으로 조명이 구현되기 때문에 "직하방식의 LED 조명기기"로 지칭하기로 한다.

상기와 같이 구성된 종래 직하방식의 LED 조명기기는 LED의 빛이 방출되는 각도가 대략 90°~ 140°각도를 유지함이 통상적이다. 따라서, 이와 같은 빛의 방출각도에 의해 다수의 LED가 인쇄회로기판에 배치되어 실장되는 간격이 설정된다. 즉, 상기 간격설정은 LED에서 방출된 빛이 광투과커버로 입사될 때 빛이 끊겨 어두운 구간(암역: dark zone) 구간이 발생되지 않도록 하기 위해 LED간의 간격이 조밀하게 배치되어 상당히 많은 개수의 LED를 요구함과 동시에, LED에서 방출된 빛이 상호 인접하는 LED에서 방출된 빛과 일정구간 중첩되어 암역을 해소하기 위해 광투과커버가 LED와 상당한 간격으로 배치되어야 한다.

이에 따라, 상기 조명기기는 많은 개수의 LED를 요구함에 따른 제품의 제작단가를 높이는 요인이 되며, 광투과커버와 LED와의 상당한 간격은 조명기기의 두께를 증가시켜 제품을 대형화하는 문제점이 노출된다.

또한, 상기 조명기기는 LED를 통해 방출되는 빛만으로 실내 조명을 구현하기 때문에 대체로 백색으로 제작되는 유체색의 광투과커버를 통과할 때 그 휘도가 낮아지는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 발명한 것이다.

이에 본 발명은, LED의 빛이 방출되는 선단에 비구면 렌즈를 배치하여 빛이 최대한 넓은 각도로 후면 방출될 수 있도록 하고, 특히, 상기 비구면 렌즈의 빛이 방출되는 표면의 일부에 빛을 측방향 및 후면으로 반사 및 산란시키기 위한 반사층을 형성하여 빛이 더욱 넓은 각도로 확산되어 후면방출되며, 확산방출되는 빛의 휘도효율이 향상되도록 하므로써, 직하방식의 LED 조명기기에서 LED의 사용개수를 감소시키고, 조명기기의 크기를 소형화하도록 하며, 동시에 높은 휘도의 빛을 방출시킬 수 있도록 한 LED 광확산 렌즈를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 아래의 구성을 갖는다.

본 발명은, SMD 형태의 LED가 인쇄회로기판에 다수개 배치되어 직하광원방식에 의해 조명을 구현하는 조명기기에 적용되기 위해, 상기 상기 LED의 선단에 결합되며, LED에서 방출되는 빛이 선단에서 내측으로 함몰된 확산경사부를 통해 반사, 회절, 굴절되어 빛이 확장방출되도록 형성된 비구면 렌즈와; 상기 비구면 렌즈의 확산경사부 표면에 형성되며, LED를 통해 입사된 빛을 측방향으로 산란 및 반사시켜 빛을 측방향 및 후면으로 확산방출시키는 반사코팅부:를 포함하여 구성된다.

이 때, 상기 확산경사부는 빛이 투과되는 렌즈몸체의 선단 외주에서 빛이 방출되는 중심선상의 내측으로 좁아지도록 함몰형성된다. 특히, 상기 확산경사부는 선단에서 내측으로 함몰되는 경사면이 빛이 방출되는 중심측으로 융기된 곡면부로 형성된다.

또한, 상기 반사코팅부는 일정 색체의 고 반사율을 갖는 도료를 확산경사부의 표면에 박막층으로 형성된다. 또는, 상기 반사코팅부는 고 반사율의 도료를 투 명 특성을 갖는 합성수지와 혼합하여 확산경사부의 표면에 박막층으로 형성될 수 있다.

이 때, 상기 반사코팅부는 일정 색체의 고 반사율을 갖는 도료로 은, 알루미늄, 금, 크롬, 스테인레스, 황동, 아연, 마그네슘 합금 등의 비철금속재 도료로 적용된다. 또한, 상기 투명 특성을 갖는 합성수지는 PC, PMMA, ABS, PS 등의 투명재질로 제작이 가능한 수지로 적용될 수 있다. 한편, 상기 반사코팅부는 확산경사부의 표면에 박막층으로 형성되기 위해, 화이트 코팅, 미러코팅, 전기도금, 진공증착 중 어느 한 공정에 의해 형성된다.

특히, 상기 반사코팅부는 전체 100중량%에 대해 고 반사율의 도료가 30중량% ~ 50중량%의 함량으로 첨가된 것을 특징으로 하는 빛 확산방출 수단을 갖는 LED 광확산 렌즈. 또한, 상기 반사코팅부는 빛이 산란되며 반사되도록 하기 위해 광확산제가 첨가되어 구성된다.

이상에서와 같이 본 발명은, LED의 빛이 방출되는 선단에 비구면 렌즈가 배치되고, 비구면 렌즈의 전면에 반사코팅층을 형성하여 LED의 빛이 고 휘도로 보다 넓은 각도구간에 걸쳐 확산방출되므로써, 직하광원방식의 LED 조명기기에서 LED의 설치개수 감소에 따른 제품의 제작단가를 낮추고, LED와 광투과커버의 간격을 감소시킴에 따른 제품의 소형화를 구현할 수 있는 효과를 얻게 된다.

또한, 본 발명은 상기 반사코팅층에서 빛이 반사되며 산란되어 보다 높은 효 율로 확산방출되므로써, 보다 밝은 조명의 직하광원방식의 LED 조명기기를 제작할 수 있도록 하여 우수한 제품의 생산에 기여할 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 광확산 렌즈가 적용된 조명기기의 단면도, 도 3은 본 발명에 의한 광확산 렌즈의 사시도, 도 4는 본 발명에 의한 광확산 렌즈의 단면도, 도 5a, 도 5b는 본 발명에 의한 광확산 렌즈에서 빛이 방출되는 상태를 나타낸 그래프이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 의한 광확산 렌즈가 적용된 조명기기는 외장이 되는 하우징(1)과, 상기 하우징(1)의 내부에 장착되어 다수의 LED(L)가 배치되어 실장된 인쇄회로기판(P)과, 상기 하우징(1)의 개방부분에 장착되어 다수의 LED(L)에서 방출된 빛을 투과시켜 실내 조명으로 구현하기 위한 광투과커버(2)로 구성된다.

이 때, 상기 LED(L)의 빛이 방출되는 선단에는 LED(L)의 빛을 최대로 확장 방출하기 위해 본 발명에 의한 광확산 렌즈가 결합되어 구성된다.

상기와 같은 구성에서 본 발명에 의한 광확산 렌즈는 비구면 렌즈(10)와, 비구면 렌즈(10)의 표면에 형성된 반사코팅부(20)로 이루어진다.

상기 비구면 렌즈(10)는 LED(L)의 선단에 결합된다. 이 때, 상기 LED(L)가 결합되기 위한 면에는 LED(L)의 끝단이 끼워지기 위한 결합홈 등을 형성하거나, 접착등의 방식에 의해 구성될 수 있다. 또한, 상기 비구면 렌즈(10)는 LED(L)의 몸체와 일체로 제작될 수도 있다.

상기 비구면 렌즈(10)는 빛이 투과되는 렌즈몸체(21)의 선단 외주에서 빛이 방출되는 중심선상의 내측으로 좁아지도록 확산경사부(22)가 함몰형성된다. 특히, 이와 같은 확산경사부(22)는 선단에서 내측으로 함몰되는 경사면이 빛의 방출 중심측으로 융기된 곡면부(23)로 형성된다.

이 때, 상기 확산경사부(22)가 내측으로 좁아지는 경사각도는 비구면 렌즈(10)의 전체 직경 11(mm), 높이 5.5(mm)의 크기에 대해 일측기준 수평면에서 38°내지 42°의 각도로 형성하며, 40°의 각도를 유지함이 바람직하다. 또한, 상기 곡면부(24)는 R6 ~ R9(mm)의 곡률로 형성하며, R8의 곡률을 유지함이 바람직하다.

도 5a의 그래프는, 상기 구성된 비구면 렌즈(10)를 LED(L)에 결합하여 LED 광원유닛을 구성하고, LED(L)에서 방출된 일정 색상의 빛이 비구면 렌즈(10)를 통과하여 출사되는 선상을 수직으로 두고 얻어진 방출영역이다.

상기 그래프에 의하면, 본 발명에 의한 LED 광원유닛을 통해 방출된 빛은 방출되는 영역이 전체 180°이상의 각도로 확산방출되는 상태로 최대 250°각도로 확산되어 방출됨을 알 수 있다.

상기 비구면 렌즈(10)는 전체 100중량부의 렌즈 원료수지에 대해 0.01중량부 이상 5중량부 이하의 광확산제를 혼합하여 제작된다. 이 때, 상기 렌즈를 제작하기 위한 원료수지는 투명성질을 갖는 합성수지물을 제작할 수 있는 실리콘, 에폭시, PMMA, PC, PVC, ABS, PS 등의 수지 중 1종 이상을 혼합하거나 단독으로 선택하여 적용할 수 있다.

상기 반사코팅부(20)는 비구면 렌즈(10)의 확산경사부(22) 표면에 박막의 반사층으로 형성된다. 이와 같은 반사코팅부(20)는 LED(L)를 통해 입사된 빛을 측방향 및 후면으로 산란 및 반사시켜 도 5b에서와 같이 더욱 높은 휘도의 빛을 측방향 및 후면으로 확산방출시킬 수 있도록 한 구성이다.

여기서, 상기 반사코팅부(20)는 일정 색체의 고 반사율을 갖는 도료를 확산경사부(22)의 표면에 박막층으로 형성된다. 이 때, 상기 일정 색체의 고 반사율을 갖는 도료는 은, 알루미늄, 금, 크롬, 스테인레스, 황동, 아연, 마그네슘 합금 등을 예시할 수 있다. 이와 같은 도료는 모두 비철금속재 도료이다.

특히, 상기와 같은 반사코팅부(20)는 확산경사부(22)의 표면에 박막층으로 형성되기 위해 통상의 여러 공정을 통해 형성될 수 있지만 대표적인 공정을 예시하면, 화이트 코팅, 미러코팅, 전기도금, 진공증착 등의 공정을 예시할 수 있다.

또한, 상기 반사코팅부(20)는 전술한 도료를 액상 또는 겔상으로 유지하기 위해 분말 또는 미립자 형태의 원료에 특정의 수지 또는 혼화제 등을 혼합하여 제조된다. 이 때, 상기 반사코팅부(20)의 고 반사율 도료는 반사코팅부(20)의 전체 100중량%에 대해 30중량% ~ 50중량%의 함량으로 첨가된다.

여기서, 상기 도료의 함량이 30중량% 미만일 경우 빛의 투과율에 비해 반사율이 너무 낮아 목적하는 고 반사율의 효과를 얻기 어려우며, 50중량%를 초과할 경 우 빛의 투과율이 과도하게 낮아져 빛이 전방으로 방출되는 효율이 너무 낮아 오히려 휘도를 낮추게 되는 결과를 갖게 된다.

또한, 상기 반사코팅부(20)는 빛이 산란되며 반사되도록 하기 위해 전술한 도료와 함게 광확산제가 첨가되어 조성된다. 이 때, 광확산제는 반사코팅부(20)의 전체 100중량%에 대해 1중량% ~ 10중량%의 함량으로 첨가함이 바람직하다.

여기서, 상기 광확산제가 1중량% 미만일 경우 목적하는 빛의 산란효과를 얻기 어려우며, 10중량%를 초과할 경우 코팅부의 반사효율을 오히려 낮추게 되는 결과를 초래하게 된다.

<다른 실시예1>

다른 실시예1은 반사코팅부(20)를 형성하기 위한 다른 공정을 제시한다.

다른 실시예의 광확산 렌즈는 상기 반사코팅부(20)가 전술한 고 반사율의 도료를 투명 특성을 갖는 합성수지와 혼합하여서 된 구성을 제시한다. 이 때, 상기 투명 특성을 갖는 합성수지는 고분자 수지로 PC, PMMA, ABS, PS 등을 예시할 수 있으며, 이와 같은 고분자 수지도 원 실시예에서와 같이 확산경사부(22)의 표면에 박막층으로 형성된다.

여기서, 상기 다른 실시예1의 반사코팅부(20)는 원 실시예에서와 같이 화이트 코팅, 미러코팅, 전기도금, 진공증착 등의 공정을 예시할 수 있으며, 특히,다른 실시예의 반사코팅부(20)는 미리 도료, 고분자 수지, 광확산제 등을 혼합하여 박막을 형성한 후 이를 비구면 렌즈(10)에 결합하여 형성될 수도 있다.

<다른 실시예2>

다른 실시예2는 상기 광확산 렌즈가 적용된 조명기기에 반사표면을 형성할 수 있도록 한 구성을 제시한다.

상기 반사표면은 비구면 렌즈(10)가 결합된 LED(L)가 실장된 인쇄회로기판()의 면에 화이트 코팅 또는 미러코팅 등을 수행하여 형성된다. 이 때, 상기 반사표면은 측방향 또는 후면으로 확산방출되는 빛을 광투과커버(2) 측으로 반사진행시켜 더욱 높은 조명효율을 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 반사표면은 별도의 반사판을 비구면 렌즈(10)와 인쇄회로기판()의 사이에 배치하여 비구면 렌즈(10) 및 반사코팅부(20)에 의해 측방향 및 후면으로 확산방출되는 빛을 광투과커버(2) 측으로 반사진행시켜 더욱 높은 조명효율을 얻을 수도 있다.

도 1은 종래 LED를 이용한 조명기기의 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 광확산 렌즈가 적용된 조명기기의 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 광확산 렌즈의 사시도.

도 4는 본 발명에 의한 광확산 렌즈의 단면도.

도 5a, 도 5b는 본 발명에 의한 광확산 렌즈에서 빛 방출 상태의 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 비구면 렌즈 20: 반사코팅부

21: 렌즈몸체 22: 확산경사부

23: 구배면 L: LED

Claims (8)

1. SMD 형태의 LED(L)가 인쇄회로기판(P)에 다수개 배치되어 직하광원방식에 의해 조명을 구현하는 조명기기에 적용되기 위해,

   상기 LED(L)의 선단에 결합되며, LED(L)에서 방출되는 빛이 선단에서 내측으로 함몰된 확산경사부(22)를 통해 반사, 회절, 굴절되어 빛이 확장방출되도록 형성된 비구면 렌즈(10)와;

   상기 비구면 렌즈(10)의 확산경사부(22) 표면에 형성되며, LED(L)를 통해 입사된 빛을 측방향으로 산란 및 반사시켜 빛을 측방향 및 후면으로 확산방출시키는 반사코팅부(20);를 포함하며,

   상기 확산경사부(22)는, 빛이 투과되는 렌즈몸체(21)의 선단 외주에서 빛이 방출되는 중심선상의 내측으로 좁아지도록 함몰형성됨과 아울러, 선단에서 내측으로 함몰되는 경사면이 빛이 방출되는 중심측으로 융기된 곡면부(23)로 형성되며,

   상기 반사코팅부(20)는, 전체 100중량%에 대해 30중량% ~ 50중량%의 함량으로 첨가되는 고 반사율의 도료를 투명 특성을 갖는 합성수지와 전체 100중량%에 대해 1중량% ~ 10중량%의 함량으로 첨가되는 광확산제를 혼합하여 확산경사부(22)의 표면에 박막층으로 형성하되, 상기 고 반사율을 갖는 도료로로서는 은, 알루미늄, 금, 크롬, 스테인레스, 황동, 아연, 또는 마그네슘 합금의 비철금속재 도료이며, 상기 투명 특성을 갖는 합성수지는, PC, PMMA, ABS, 또는 PS의 투명재질로 제작이 가능한 수지인 것을 특징으로 하는 빛의 후면 확산방출 수단을 갖는 LED 광확산 렌즈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서, 상기 반사코팅부(20)는

   상기 확산경사부(22)의 표면에 박막층으로 형성되기 위해, 화이트 코팅, 미러코팅, 전기도금, 진공증착 중 어느 한 공정에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 빛의 후면 확산방출 수단을 갖는 LED 광확산 렌즈.

Images