KR101112542B1 - 발광다이오드와 그 렌즈 - Google Patents

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Abstract

밑면, 상기 밑면으로부터 연장된 외측면, 상기 외측면으로부터 연장되어 있는 차중앙면, 상기 차중앙면으로부터 연장되어 있으며 원뿔형 홈을 이루는 최중앙면, 상기 밑면이 만입하여 이루어진 중앙 공동의 측면을 이루는 내측면, 상기 내측면으로부터 연장되어 있고 상기 중앙 공동의 천정을 형성하는 내중앙면을 가지며, 상기 최중앙면이 형성하는 원뿔형 홈은 꼭지점이 상기 중앙 공동을 향하고 있고, 상기 내중앙면은 그 중심이 상기 밑면을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 발광 다이오드용 렌즈, 상기 렌즈의 밑면에 부착되어 있는 칩 지지체, 상기 칩 지지체에 실장되어 있고 상기 렌즈의 중심축 상에 위치하는 발광칩을 포함하는 발광 다이오드를 마련한다.
액정표시장치, 백라이트, 발광다이오드

Description

발광다이오드와 그 렌즈{LIGHT EMITTING DIODE, LENS FOR THE SAME}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 발광 다이오드(LED)의 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
본 발명은 표시 장치용 광원에 관한 것이다.
컴퓨터의 모니터나 TV 등으로 사용되는 표시 장치(display device)에는 EL(electroluminescence), 진공 형광 표시 장치(vacuum fluorescent display, VFD), 전계 발광 소자(field emission display, FED), 플라스마 표시 장치(plasma display panel, PDP) 등과 스스로 발광하지 못하고 별도의 광원을 필요로 하는 액정 표시 장치(liquid crystal display, LCD) 등이 있다.
일반적인 액정 표시 장치는 전계 생성 전극이 구비된 두 표시판과 그 사이에 들어 있는 유전율 이방성(dielectric anisotropy)을 갖는 액정층을 포함한다. 전계 생성 전극에 전압을 인가하여 액정층에 전기장을 생성하고, 전압을 변화시켜 이 전기장의 세기를 조절하고 이렇게 함으로써 액정층을 통과하는 빛의 투과율을 조절하여 원하는 화상을 얻는다.
이때의 빛은 별도로 구비된 인공 광원이 제공하는 것일 수도 있고 자연광일 수도 있다.
액정 표시 장치용 인공 광원, 즉 백라이트(back light) 장치는 광원으로서 CCFL(cold cathode fluorescent lamp)나 EEFL(external electrode fluorescent) 등과 같은 여러 개의 형광 램프(fluorescent lamp)를 사용하거나 복수개의 발광 다이오드를 사용한다.
이중 발광 다이오드는 수은을 사용하지 않으므로 환경 친화적이고, 기구적으로 안정하여 수명이 길며 색재현성이 우수하다는 등의 장점이 있어 차세대 백라이트 장치의 광원으로 주목받고 있다.
그런데 발광 다이오드의 경우 빛이 좁은 영역으로 집중하여 발산하는 경향이 있어서 이를 면광원에 적용하기 위해서는 빛이 넓은 영역에 고르게 분포되도록 하 여야 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 LED를 광원으로 사용하는 백라이트에서 빛이 고르게 분산되도록 하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위하여 빛을 측면으로 분산시킬 수 있는 렌즈를 사용한다.
구체적으로는 밑면, 상기 밑면으로부터 연장된 외측면, 상기 외측면으로부터 연장되어 있는 차중앙면, 상기 차중앙면으로부터 연장되어 있으며 원뿔형 홈을 이루는 최중앙면, 상기 밑면이 만입하여 이루어진 중앙 공동의 측면을 이루는 내측면, 상기 내측면으로부터 연장되어 있고 상기 중앙 공동의 천정을 형성하는 내중앙면을 가지며, 상기 최중앙면이 형성하는 원뿔형 홈은 꼭지점이 상기 중앙 공동을 향하고 있고, 상기 내중앙면은 그 중심이 상기 밑면을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 발광 다이오드용 렌즈를 마련한다.
여기서, 상기 외측면과 상기 내측면은 원통 모양인 것이 바람직하고, 상기 발광 다이오드용 렌즈를 이루는 물질의 굴절률을 n2, 공기의 굴절률을 n1이라 할 때, 상기 내중앙면의 초점 거리(f)와 곡률 반경(R)은 f = R × n1/(n2-n1)을 만족할 수 있으며, 상기 발광 다이오드용 렌즈의 중심축과 상기 최중앙면이 이루는 각도(θ0)는 θ0 θ 90°- sin-1(n1/n2)을 만족할 수 있다. 또, 상기 발광 다이오드용 렌즈의 중심축과 상기 외측면이 이루는 각도(θ1)는 57° - 2θ0 θ θ1 θ 123° - 2θ0 을 만족하는 것이 바람직하고, 상기 외측면은 기울기가 서로 다른 둘 이상의 부분을 포함할 수 있고, 상기 최중앙면은 기울기가 서로 다른 둘 이상의 부분을 포함할 수 있다.
또는, 밑면, 상기 밑면으로부터 연장된 외측면, 상기 외측면으로부터 연장되어 있으며 원뿔형 홈을 이루는 외중앙면, 상기 밑면이 만입하여 이루어진 중앙 공동의 측면을 이루는 내측면, 상기 내측면으로부터 연장되어 있고 상기 중앙 공동의 천정을 형성하는 내중앙면을 가지며, 상기 외중앙면이 형성하는 원뿔형 홈은 꼭지점이 상기 중앙 공동을 향하고 있고, 상기 내중앙면은 측면이 상기 밑면을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 원뿔 모양으로 이루어져 있는 발광 다이오드용 렌즈를 마련한.
이 때, 상기 외측면과 상기 내측면은 원통 모양일 수 있고, 상기 발광 다이오드용 렌즈를 이루는 물질의 굴절률을 n2, 공기의 굴절률을 n1이라 할 때, 상기 내중앙면의 수직 단면선이 이루는 두 개의 곡선의 초점 거리(f)와 곡률 반경(R)은
f = R × n1/(n2-n1) 을 만족할 수 있고, 상기 발광 다이오드용 렌즈이 중심축과 상기 내중앙면에서 굴절된 광의 진행 방향이 이루는 각도를 θa 라 하고, 상기 발광 다이오드용 렌즈를 이루는 물질의 굴절률을 n2, 공기의 굴절률을 n1이라 할 때, 상기 발광 다이오드용 렌즈의 중심축과 상기 최중앙면이 이루는 각도(θ0)는
θ0 θ θa + 90° - sin-1(n1/n2)을 만족할 수 있다.
상기 발광 다이오드용 렌즈의 중심축과 상기 외측면이 이루는 각도(θ1)는
57° + θa - 2θ0 θ θ1 θ 123° + θa - 2θ0 을 만족할 수 있고, 상기 외측면은 기울기가 서로 다른 둘 이상의 부분을 포함할 수 있으며, 상기 외중앙면은 기울기가 서로 다른 둘 이상의 부분을 포함할 수 있다. 또, 상기 내중앙면은 측면은 복수의 볼록부를 포함할 수 있다.
밑면, 상기 밑면으로부터 연장된 외측면, 상기 외측면으로부터 연장되어 있는 차중앙면, 상기 차중앙면으로부터 연장되어 있으며 원뿔형 홈을 이루는 최중앙면, 상기 밑면이 만입하여 이루어진 중앙 공동의 측면을 이루는 내측면, 상기 내측면으로부터 연장되어 있고 상기 중앙 공동의 천정을 형성하는 내중앙면을 가지며, 상기 최중앙면이 형성하는 원뿔형 홈은 꼭지점이 상기 중앙 공동을 향하고 있고, 상기 내중앙면은 그 중심이 상기 밑면을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 발광 다이오드용 렌즈, 상기 렌즈의 밑면에 부착되어 있는 칩 지지체, 상기 칩 지지체에 실장되어 있고 상기 렌즈의 중심축 상에 위치하는 발광칩을 포함하는 발광 다이오드를 마련한다.
여기서, 상기 발광칩과 상기 렌즈의 내중앙면과의 최단거리는 상기 내중앙면의 초점 거리와 같은 것이 바람직하다.
또는 밑면, 상기 밑면으로부터 연장된 외측면, 상기 외측면으로부터 연장되어 있으며 원뿔형 홈을 이루는 외중앙면, 상기 밑면이 만입하여 이루어진 중앙 공동의 측면을 이루는 내측면, 상기 내측면으로부터 연장되어 있고 상기 중앙 공동의 천정을 형성하는 내중앙면을 가지며, 상기 외중앙면이 형성하는 원뿔형 홈은 꼭지점이 상기 중앙 공동을 향하고 있고, 상기 내중앙면은 측면이 상기 밑면을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 원뿔 모양으로 이루어져 있는 발광 다이오드용 렌즈, 상기 렌즈의 밑면에 부착되어 있는 칩 지지체, 상기 칩 지지체에 실장되어 있고 상기 렌즈의 중심축 상에 위치하는 발광칩을 포함하는 발광 다이오드를 마련한다.
이 때, 상기 발광칩과 상기 렌즈의 내중앙면과의 최단거리는 상기 내중앙면의 수직 단면선이 이루는 두 개의 곡선의 초점 거리와 같은 것이 바람직하다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 표시 장치용 광원에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 액정 표시판 조립체(liquid crystal panel assembly)(300) 및 이에 연결된 게이트 구동부(400)와 데이터 구동부(500), 데이터 구동부(500)에 연결된 계조 전압 생성부(800), 액정 표시판 조립체(300)에 빛을 조사하는 광원부(910), 광원부(910)를 제어하는 광원 구동부(920) 및 이들을 제어하는 신호 제어부(signal controller)(600)를 포함한다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치를 구조적으로 보면, 표시부(330)와 백라이트부(340)를 포함하는 액정 모듈(350)과 액정 모듈(350)을 수납하고 고정하는 전면 및 후면 섀시(361, 362), 몰드 프레임(363, 364)을 포함한다.
표시부(330)는 액정 표시판 조립체(300)와 이에 부착된 게이트 테이프 캐리어 패키지(TCP, tape carrier packet)(410) 및 데이터 TCP(510), 그리고 해당 TCP(410, 510)에 부착되어 있는 게이트 인쇄 회로 기판(PCB, printed circuit board)(450) 및 데이터 PCB(550)를 포함한다.
액정 표시판 조립체(300)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 구조적으로 볼 때 하부 표시판(100) 및 상부 표시판(200)과 그 사이에 들어 있는 액정층(3)을 포함하며, 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이 등가 회로로 볼 때 복수의 표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)과 이에 연결되어 있으며 대략 행렬의 형태로 배열된 복수의 화소 (pixel)를 포함한다.
표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)은 하부 표시판(100)에 구비되어 있으며, 게이트 신호("주사 신호"라고도 함)를 전달하는 복수의 게이트선(G1-Gn)과 데이터 신호를 전달하는 데이터선(D1-Dm)을 포함한다. 게이트선(G1-Gn)은 대략 행 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하고 데이터선(D1-Dm)은 대략 열 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하다.
각 화소는 표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)에 연결된 스위칭 소자(Q)와 이에 연결된 액정 축전기(liquid crystal capacitor)(CLC) 및 유지 축전기(storage capacitor)(CST)를 포함한다. 유지 축전기(CST)는 필요에 따라 생략할 수 있다.
박막 트랜지스터 등 스위칭 소자(Q)는 하부 표시판(100)에 구비되어 있으며, 삼단자 소자로서 그 제어 단자 및 입력 단자는 각각 게이트선(G1-Gn) 및 데이터선(D1-Dm)에 연결되어 있으며, 출력 단자는 액정 축전기(CLC) 및 유지 축전기(C ST)에 연결되어 있다.
액정 축전기(CLC)는 하부 표시판(100)의 화소 전극(190)과 상부 표시판(200)의 공통 전극(270)을 두 단자로 하며 두 전극(190, 270) 사이의 액정층(3)은 유전체로서 기능한다. 화소 전극(190)은 스위칭 소자(Q)에 연결되며 공통 전극(270)은 상부 표시판(200)의 전면에 형성되어 있고 공통 전압(Vcom)을 인가받는다. 도 3에 서와는 달리 공통 전극(270)이 하부 표시판(100)에 구비되는 경우도 있으며 이때에는 두 전극(190, 270) 중 적어도 하나가 선형 또는 막대형으로 만들어질 수 있다.
액정 축전기(CLC)의 보조적인 역할을 하는 유지 축전기(CST)는 하부 표시판(100)에 구비된 별개의 신호선(도시하지 않음)과 화소 전극(190)이 절연체를 사이에 두고 중첩되어 이루어지며 이 별개의 신호선에는 공통 전압(Vcom) 따위의 정해진 전압이 인가된다. 그러나 유지 축전기(CST)는 화소 전극(190)이 절연체를 매개로 바로 위의 전단 게이트선과 중첩되어 이루어질 수 있다.
한편, 색 표시를 구현하기 위해서는 각 화소가 삼원색 중 하나를 고유하게 표시하거나(공간 분할) 각 화소가 시간에 따라 번갈아 삼원색을 표시하게(시간 분할) 하여 이들 삼원색의 공간적, 시간적 합으로 원하는 색상이 인식되도록 한다. 도 3은 공간 분할의 한 예로서 각 화소가 화소 전극(190)에 대응하는 상부 표시판(200)의 영역에 적색, 녹색, 또는 청색의 색 필터(230)를 구비함을 보여주고 있다. 도 3과는 달리 색 필터(230)는 하부 표시판(100)의 화소 전극(190) 위 또는 아래에 형성할 수도 있다.
도 2에서 백라이트부(340)는 액정 표시판 조립체(300)의 하부에 장착되어 있으며 복수의 발광 다이오드(344)가 PCB(printed circuit board) 기판(345)에 실장되어 이루어진 광원체(349), 조립체(300)와 발광 다이오드(344)의 사이에 위치하며 발광 다이오드(344)로부터의 빛을 조립체(300)로 확산하는 도광판(342) 및 복수의 광학 시트(343), PCB 기판(345)의 상부에 위치하며 발광 다이오드(344)의 발광부를 돌출시키는 복수의 구멍을 가지며, 발광 다이오드(344)로부터의 빛을 조립체(300) 쪽으로 반사하는 반사판(341), 그리고 반사판(341)과 도광판(342) 사이에 장착되어 광원체와 도광판(342) 간의 거리를 일정하게 유지하고 도광판(342)과 광학 시트(343)를 지지하는 몰드 프레임(364)을 포함한다.
광원으로 사용되는 발광 다이오드(LED)(344)는 백색광을 내는 백색 발광 다이오드이거나 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드를 혼합 배치하여 사용할 수 있다. 또는 백색 발광 다이오드에 적색 발광 다이오드 등을 보조적으로 사용할 수도 있다. 이들 발광 다이오드가 소정의 형태로 PCB 기판(345) 위에 배열되어 광원체(349)를 형성한다.
도 2에 도시한 광원체(349)의 개수는 3개이지만 그 수는 요구되는 휘도와 액정 표시 장치의 화면 크기 등에 따라 증감될 수 있다.
액정 표시판 조립체(300)의 두 표시판(100, 200)의 바깥 면에는 광원체(349)에서 나오는 빛을 편광시키는 편광자(도시하지 않음)가 부착되어 있다.
도 1과 도 2를 참고하면, 계조 전압 생성부(800)는 데이터 PCB(550)에 구비되어 있으며 화소의 투과율과 관련된 두 벌의 복수 계조 전압을 생성한다. 두 벌 중 한 벌은 공통 전압(Vcom)에 대하여 양의 값을 가지고 다른 한 벌은 음의 값을 가진다.
게이트 구동부(400)는 집적 회로(integrated circuit, IC) 칩의 형태로 각 게이트 TCP(410) 위에 장착되어 있으며, 액정 표시판 조립체(300)의 게이트선(G1- Gn)에 연결되어 외부로부터의 게이트 온 전압(Von)과 게이트 오프 전압(Voff )의 조합으로 이루어진 게이트 신호를 게이트선(G1-Gn)에 인가한다.
데이터 구동부(500)는 IC 칩의 형태로 각 데이터 TCP(510) 위에 장착되어 있으며, 액정 표시판 조립체(300)의 데이터선(D1-Dm)에 연결되어 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압 중에서 선택한 데이터 전압을 데이터선(D1-Dm)에 인가한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 게이트 구동부(400) 또는 데이터 구동부(500)는 IC 칩의 형태로 하부 표시판(100) 위에 장착되며, 또 다른 실시예에 따르면 하부 표시판(100)에 다른 소자들과 함께 집적된다. 이 두 가지 경우 게이트 PCB(450) 또는 게이트 TCP(410)는 생략될 수 있다.
게이트 구동부(400) 및 데이터 구동부(500) 등의 동작을 제어하는 신호 제어부(600)는 데이터 PCB(550) 또는 게이트 PCB(450)에 구비되어 있다.
그러면 이러한 액정 표시 장치의 표시 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
신호 제어부(600)는 외부의 그래픽 제어기(도시하지 않음)로부터 입력 영상 신호(R, G, B) 및 이의 표시를 제어하는 입력 제어 신호, 예를 들면 수직 동기 신호(Vsync)와 수평 동기 신호(Hsync), 메인 클록(MCLK), 데이터 인에이블 신호(DE) 등을 제공받는다. 신호 제어부(600)는 입력 영상 신호(R, G, B)와 입력 제어 신호를 기초로 영상 신호(R, G, B)를 액정 표시판 조립체(300)의 동작 조건에 맞게 적절히 처리하고 게이트 제어 신호(CONT1) 및 데이터 제어 신호(CONT2) 등을 생성한 후, 게이트 제어 신호(CONT1)를 게이트 구동부(400)로 내보내고 데이터 제어 신호(CONT2)와 처리한 영상 신호(DAT)는 데이터 구동부(500)로 내보낸다.
게이트 제어 신호(CONT1)는 프레임의 시작을 알리는 수직 동기 시작 신호(STV), 게이트 온 전압(Von)의 출력 시기를 제어하는 게이트 클록 신호(CPV) 및 게이트 온 전압(Von)의 지속 시간을 한정하는 출력 인에이블 신호(OE) 등을 포함한다.
데이터 제어 신호(CONT2)는 영상 데이터(DAT)의 전송 시작을 알리는 수평 동기 시작 신호(STH)와 데이터선(D1-Dm)에 데이터 전압을 인가하라는 로드 신호(LOAD), 공통 전압(Vcom)에 대한 데이터 전압의 극성(이하 공통 전압에 대한 데이터 전압의 극성을 줄여 데이터 전압의 극성이라 함)을 반전시키는 반전 신호(RVS) 및 데이터 클록 신호(HCLK) 등을 포함한다.
데이터 구동부(500)는 신호 제어부(600)로부터의 데이터 제어 신호(CONT2)에 따라 한 행의 화소에 대한 영상 데이터(DAT)를 차례로 입력받아 시프트시키고, 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압 중 각 영상 데이터(DAT)에 대응하는 계조 전압을 선택함으로써 영상 데이터(DAT)를 해당 데이터 전압으로 변환한 후, 이를 해당 데이터선(D1-Dm)에 인가한다.
게이트 구동부(400)는 신호 제어부(600)로부터의 게이트 제어 신호(CONT1)에 따라 게이트 온 전압(Von)을 게이트선(G1-Gn)에 인가하여 이 게이트선(G 1-Gn)에 연결된 스위칭 소자(Q)를 턴온시키며, 이에 따라 데이터선(D1-Dm)에 인가된 데이터 전압 이 턴온된 스위칭 소자(Q)를 통하여 해당 화소에 인가된다.
화소에 인가된 데이터 전압과 공통 전압(Vcom)의 차이는 액정 축전기(CLC)의 충전 전압, 즉 화소 전압으로서 나타난다. 액정 분자들은 화소 전압의 크기에 따라 그 배열을 달리한다.
광원 구동부(920)는 광원부(910)에 인가되는 전류를 제어하여 광원부(910)를 구성하는 발광 다이오드(344)를 점멸하고 그 밝기를 제어한다.
이와 같은 광원 구동부(920)의 동작에 따라서 발광 다이오드(344)에서 나온 빛은 액정층(3)을 통과하면서 액정 분자의 배열에 따라 그 편광이 변화한다. 이러한 편광의 변화는 편광자에 의하여 빛의 투과율 변화로 나타난다.
1 수평 주기(또는 1H)[수평 동기 신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(DE), 게이트 클록(CPV)의 한 주기]가 지나면 데이터 구동부(500)와 게이트 구동부(400)는 다음 행의 화소에 대하여 동일한 동작을 반복한다. 이러한 방식으로, 한 프레임(frame) 동안 모든 게이트선(G1-Gn)에 대하여 차례로 게이트 온 전압(Von)을 인가하여 모든 화소에 데이터 전압을 인가한다. 한 프레임이 끝나면 다음 프레임이 시작되고 각 화소에 인가되는 데이터 전압의 극성이 이전 프레임에서의 극성과 반대가 되도록 데이터 구동부(500)에 인가되는 반전 신호(RVS)의 상태가 제어된다(프레임 반전). 이때, 한 프레임 내에서도 반전 신호(RVS)의 특성에 따라 한 데이터선을 통하여 흐르는 데이터 전압의 극성이 바뀌거나(행 반전, 도트 반전), 한 화소행에 인가되는 데이터 전압의 극성도 서로 다를 수 있다(열 반전, 도트 반전).
그러면, 본 발명의 한 실시예에 따른 광원부(910), 즉, 백라이트 장치를 구성하는 발광 다이오드에 대하여 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 발광 다이오드(LED)의 수직 단면도이다.
도 4를 보면, 발광 다이오드(344)는 발광칩(1), 칩 지지체(2) 및 렌즈(10)로 이루어져 있다.
렌즈(10)는 중앙 공동을 가지며, 중앙 공동은 발광칩 지지체(2)에 부착하는 밑면(19)이 만입하여 이루어져 있다. 렌즈는 밑면(19), 밑면(19)으로부터 연장되어 있는 원통형 외측면(15), 외측면(15)으로부터 연장되어 있으며 고리 원반 모양의 차중앙면(14), 차중앙면(14)으로부터 연장되어 있으며 중앙 공동을 향하여 파고 들어간 원뿔형 홈을 이루는 최중앙면(13), 밑면(19)으로부터 연장되어 중앙 공동의 측면을 이루는 원통형 내측면(12), 내측면(12)으로부터 연장되어 있고 중앙 공동의 천정을 이루며 발광칩(1)을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 내중앙면(11)을 가지는 투명한 유전체이다.
발광칩(1)은 칩 지지체(2)에 실장되어 있고, 렌즈(10)의 중심축 상에 위치하도록 배치되어 있다.
발광칩(1)이 발산하는 광은 중앙 공동을 진행하면서 퍼져나가고 내중앙면(11)에서 굴절되어 평행광이 된다. 평행광은 렌즈(10) 내부를 직상 방향으로 진행하여 최중앙면(13)에 이르고, 최중앙면(13)에서 전반사되어 외측면(15)을 향하여 진행한다. 외측면(15)에 이른 평행광은 외측면(15)을 통과하여 렌즈(10) 밖으로 발산한다. 이 때, 외측면(15)에서의 프레넬(Fresnel) 반사에 의한 광손실을 최소 화하기 위하여 외측면은 광의 진행 방향과 수직을 이루도록 형성하는 것이 바람직하다.
내중앙면(11)이 발광칩(1)이 발산한 빛을 평행광으로 만들기 위해서는 발광 칩(1)이 내중앙면(11)의 초점거리(f)에 위치하여야 하고, 내중앙면(11)의 초점거리(f)와 곡률 반경(R) 사이에 다음의 (1)식이 성립하여야 한다.
f = R × n1/(n2-n1) (1)
(1)식에서 n1은 공기의 굴절률이며, n2는 렌즈(10)를 이루는 물질의 굴절률이다.
본 실시예에서는 내중앙면(11)에서 굴절된 광이 평행광이 되는 것을 예로 제시하고 있으나, 필요에 따라서는 최중앙면(13) 쪽에 멀리 있는 초점을 향하여 집속하는 광이나 발광칩(1)쪽에 멀리 있는 허초점으로부터 발산되는 광이 되도록 내중앙면(11)면의 초점 거리(f), 곡률 반경(R) 또는 내중앙면(11)과 발광칩(1) 사이의 거리 등을 조정할 수 있다. 이 때, 어느 경우이거나 내중앙면(11)에서 굴절된 모든 광이 최중앙면(13)에 이르도록 조건을 설정하는 것이 바람직하다.
최중앙면(13)이 내중앙면(11)으로부터 입사하는 평행광을 전반사하기 위해서는 최중앙면(13)이 렌즈(10)의 중심축과 이루는 각도(θ0)가 다음의 (2)식을 만족하여야 한다.
θ0 ≤ 90° - sin-1(n1/n2) (2)
공기의 굴절률(n1)은 대략 1이고, 렌즈를 이루는 물질이 유리라고 하면 그 굴절률(n2)은 1.5 이므로 θ0 는 약 40° 정도가 된다.
여기서, 최중앙면(13)이 렌즈(10)의 중심축과 이루는 각도(θ0)는 내중앙면(11)으로부터 입사하는 광의 형태에 따라서 달라질 수 있다. 즉, 입사하는 광이 집속하는 광인 경우에는 θ0 가 (2)식의 범위보다 더 작은 각도 범위로 축소되어야 하고, 입사하는 광이 발산하는 광인 경우에는 θ0 가 (2)식의 범위보다 더 큰 각도 범위로 확장될 수 있다.
최중앙면(13)으로부터 입사하는 광이 외측면(15)을 수직으로 통과하기 위해서는 외측면(15)이 렌즈(10)의 중심축에 대하여 이루는 각도(θ1)가 90° - 2θ0 가 되어야 한다. 만약 θ0 가 40°인 경우라면 이 각도는 10°가 된다.
여기서 외측면(15)이 렌즈(10)의 중심축에 대하여 이루는 각도(θ1)는 θ0 와 입사광의 형태에 따라 조정될 수 있다. 또한, 광이 외측면(15)으로 입사각이 33° 이내이면 프레스넬 반사는 용인할 수 있는 정도로 작으므로 이 범위 내에서 외측면(15)의 θ1을 조절하여 광의 출사 방향을 조절할 수 있다. 따라서 θ1은 (3)식을 만족하는 범위에서 조정할 수 있다.
57° - 2θ0 ≤ θ1 ≤ 123° - 2θ0 (3)
이상과 같이, 발광 다이오드의 렌즈(10)를 형성하면 발광칩(1)이 발산하는 광을 효율적으로 측면으로 분산시킬 수 있다. 측면으로 분산된 빛은 매우 큰 입사 각을 가지고 도광판(342)으로 입사하거나 반사판(341)에서 반사하여 넓은 영역으로 분산된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
도 5를 보면, 발광 다이오드(344)가 발광칩(1), 칩 지지체(2) 및 렌즈(20)로 이루어져 있다.
렌즈(20)는 중앙 공동을 가지며, 중앙 공동은 발광칩 지지체(2)에 부착하는 밑면(26)이 만입하여 이루어져 있다. 렌즈는 밑면(26), 밑면(26)으로부터 연장되어 있는 원통형의 외측면(24), 외측면(24)으로부터 연장되어 있으며 중앙 공동을 향하여 파고 들어간 원뿔형 홈을 이루는 외중앙면(23), 밑면(26)으로부터 연장되어 중앙 공동의 측면을 이루는 원통형 내측면(22), 내측면(22)으로부터 연장되어 있고 중앙 공동의 천정을 이루는 내중앙면(21)을 가지는 유전체이다. 여기서 내중앙면(21)은 원뿔의 측면이 그 중심축을 향하여 부드럽게 함몰한 형태를 가진다. 따라서 내중앙면(21)은 발광칩(1)을 향하여 볼록하게 내민 원뿔 모양을 가진다.
발광칩(1)은 칩 지지체(2)에 실장되어 있고, 렌즈(20)의 중심축 상에 위치하도록 배치되어 있다.
발광칩(1)이 발산하는 광은 중앙 공동을 진행하면서 퍼져나가고 내중앙면(21)에서 굴절되어 외중앙면(23)을 향하여 진행한다. 이 때, 내중앙면(21)에서 굴절된 광의 파면은 꼭지를 잘라낸 원뿔의 측면 형태를 이루며 외중앙면(23)에 가까워질수록 광의 파면이 이루는 원뿔의 반지름이 커진다. 이러한 광은 수직 단면도인 도 5에서는 두 방향으로 진행하는 두 개의 평행광 그룹으로 나타난다.
외중앙면(23)에 도달한 광은 외중앙면(23)에서 전반사되어 외측면(24)을 향하여 진행한다. 외측면(24)에 이른 평행광은 외측면(24)을 통과하여 렌즈(20) 밖으로 발산한다. 이 때, 외측면(24)에서의 프레스넬(Fresnel) 반사에 의한 광손실을 최소화하기 위하여 외측면은 광의 진행 방향과 수직을 이루도록 형성하는 것이 바람직하다.
이하에서는 설명을 간명하게 하기 위하여 단면도인 도 5를 기준으로 하여 설명한다.
내중앙면(21)이 발광칩(1)이 발산한 빛을 두 개의 평행광 그룹으로 만들기 위해서는 발광칩(1)이 내중앙면(21)의 두 볼록한 단면선의 초점거리(f)에 위치하여야 하고, 내중앙면(21)의 두 볼록한 단면선의 초점거리(f)와 곡률 반경(R) 사이에 위의 (1)식이 성립하여야 한다.
본 실시예에서는 내중앙면(21)에서 굴절된 광이 두 개의 평행광 그룹이 되는 것을 예로 제시하고 있으나, 필요에 따라서는 외중앙면(23) 쪽에 멀리 있는 초점을 향하여 집속하는 광이나 발광칩(1)쪽에 멀리 있는 허초점으로부터 발산되는 광이 되도록 내중앙면(21)면의 초점 거리(f), 곡률 반경(R) 또는 내중앙면(21)과 발광칩(1) 사이의 거리 등을 조정할 수 있다. 이 때, 어느 경우이거나 내중앙면(21)에서 굴절된 모든 광이 외중앙면(23)에 이르도록 조건을 설정하는 것이 바람직하다.
외중앙면(23)이 내중앙면(21)으로부터 입사하는 평행광을 전반사하기 위해서는 외중앙면(23)이 렌즈(20)의 중심축과 이루는 각도(θ0)가 다음의 (3)식을 만족하 여야 한다.
θ0 ≤ θa + 90° - sin-1(n1/n2) (3)
여기서, θa 는 내중앙면(21)에서 굴절된 평행광의 진행 방향과 렌즈(20)의 중심축이 이루는 각도이다.
외중앙면(23)이 렌즈(20)의 중심축과 이루는 각도(θ0)는 내중앙면(21)으로부터 입사하는 광의 형태에 따라서 달라질 수 있다. 즉, 입사하는 광이 집속하는 광인 경우에는 θ0 가 (3)식의 범위보다 더 작은 각도 범위로 축소되어야 하고, 입사하는 광이 발산하는 광인 경우에는 θ0 가 (3)식의 범위보다 더 큰 각도 범위로 확장될 수 있다.
외중앙면(23)으로부터 입사하는 광이 외측면(24)을 수직으로 통과하기 위해서는 외측면(24)이 렌즈(20)의 중심축에 대하여 이루는 각도(θ1)가 90° + θa - 2θ0 가 되어야 한다.
여기서 외측면(24)이 렌즈(20)의 중심축에 대하여 이루는 각도(θ1)는 입사광의 형태에 따라서도 조정될 수 있다. 또한, 광이 외측면(24)으로 입사각이 33° 이내이면 프레스넬 반사는 용인할 수 있는 정도로 작으므로 이 범위 내에서 외측면(24)의 θ1을 조절하여 광의 출사 방향을 조절할 수 있다. 따라서 θ1은
57° + θa - 2θ0 ≤ θ1 ≤ 123° + θa - 2θ0
를 만족하는 범위에서 조정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
도 6의 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 4의 실시예에 비교하여 렌즈(10)의 외측면(15)에 출사광의 방향을 다변화하기 위한 돌기가 형성되어 있는 점이 특징이다. 외측면(15)에 형성되어 있는 돌기로 인하여 외측면(15)과는 다른 기울기를 갖는 돌기 경사면(16, 17)이 존재하고 이 부분을 통과하는 광의 굴절 방향은, 도 6에 나타낸 바와 같이, 외측면(15)을 통과하는 광과 다르다.
이와 같이, 외측면(15)에 돌기를 형성하면 렌즈(10)로부터 방출되는 광의 진행 방향을 다변화할 수 있어서 광의 분산을 더욱 촉진할 수 있다.
한편, 렌즈(10)로부터 방출되는 광의 진행 방향을 다변화하는 방법으로는 외측면(15)에 돌기를 형성하는 것 이외에 홈을 형성하는 것도 가능하고, 돌기나 홈의 수도 필요에 따라 조정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
도 7의 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 5의 실시예에 비교하여 렌즈(20)의 외측면(24)에 출사광의 방향을 다변화하기 위한 돌기가 형성되어 있는 점이 특징이다. 외측면(24)에 형성되어 있는 돌기로 인하여 외측면(24)과는 다른 기울기를 갖는 돌기 경사면(25)이 존재하고 이 부분을 통과하는 광의 굴절 방향은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 외측면(24)을 통과하는 광과 다르다.
이와 같이, 외측면(24)에 돌기를 형성하면 렌즈(20)로부터 방출되는 광의 진행 방향을 다변화할 수 있어서 광의 분산을 더욱 촉진할 수 있다.
한편, 렌즈(20)로부터 방출되는 광의 진행 방향을 다변화하는 방법으로는 외측면(24)에 돌기를 형성하는 것 이외에 홈을 형성하는 것도 가능하고, 돌기나 홈의 수도 필요에 따라 조정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
도 8의 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 4의 실시예와 비교하여 렌즈(10)의 최중앙면(18)의 기울기가 일정하지 않다는 점이 특징이다. 최중앙면(18)의 기울기는 렌즈의 중심으로부터 멀어질수록 점진적으로 완만해진다.
최중앙면(18)을 기울기가 점진적으로 완만해지도록 형성하면 최중앙면(18)에서 전반사되는 광의 반사 각도가 다양해져 외측면(15)을 통해 방출되는 광의 진행방향이 다양해진다.
도 8에는 내중앙면(11)에서 굴절된 광이 발광칩(1) 쪽의 허초점으로부터 발산되는 형태로 도시되어 있으나 평행광이거나 집속하는 광일 수도 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 수직 단면도이다.
도 9의 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 5의 실시예와 비교하여 내중앙면(29)이 발광칩(1)을 향하여 볼록하게 내민 부분이 여러 개라는 점과 외중앙면(28)이 서로 다른 기울기를 가지는 두 부분으로 구분되어 있다는 점이 특징이다.
이상과 같이 외중앙면(28)과 내중앙면(29)을 형성하면 렌즈(20)로부터 방출되는 광의 진행 방향을 다변화할 수 있어서 광의 분산을 더욱 촉진할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에 따르면 발광 다이오드가 방출하는 광의 진행 방향을 효과적으로 조정할 수 있어서 액정 표시 장치용 백라이트에서 백색광을 만들기 위한 혼색 구간과 균일한 면광을 형성하기 위한 균분산 구간을 줄일 수 있다. 따라서 액정 표시 장치의 경박화에 기여할 수 있다.

Claims (19)

  1. 밑면, 상기 밑면으로부터 연장된 외측면, 상기 외측면으로부터 연장되어 있는 차중앙면, 상기 차중앙면으로부터 연장되어 있으며 원뿔형 홈을 이루는 최중앙면, 상기 밑면이 만입하여 이루어진 중앙 공동의 측면을 이루는 내측면, 상기 내측면으로부터 연장되어 있고 상기 중앙 공동의 천정을 형성하는 내중앙면을 가지며,
    상기 최중앙면이 형성하는 원뿔형 홈은 꼭지점이 상기 중앙 공동을 향하고 있고, 상기 내중앙면은 그 중심이 상기 밑면을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 발광 다이오드용 렌즈에서,
    상기 발광 다이오드용 렌즈를 이루는 물질의 굴절률을 n2, 공기의 굴절률을 n1이라 할 때,
    상기 발광 다이오드용 렌즈의 중심축과 상기 최중앙면이 이루는 각도(θ0)는
    θ0 ≤ 90° - sin-1(n1/n2)
    를 만족하는 발광 다이오드용 렌즈.
  2. 제1항에서,
    상기 외측면과 상기 내측면은 원통 모양인 발광 다이오드용 렌즈.
  3. 제2항에서,
    상기 내중앙면의 초점 거리(f)와 곡률 반경(R)은
    f = R × n1/(n2-n1)
    를 만족하는 발광 다이오드용 렌즈.
  4. 삭제
  5. 제2항에서,
    상기 발광 다이오드용 렌즈의 중심축과 상기 외측면이 이루는 각도(θ1)는
    57° - 2θ0 ≤ θ1 ≤ 123° - 2θ0
    를 만족하는 발광 다이오드용 렌즈.
  6. 제2항에서,
    상기 외측면은 기울기가 서로 다른 둘 이상의 부분을 포함하는 발광 다이오드용 렌즈.
  7. 제2항에서,
    상기 최중앙면은 기울기가 서로 다른 둘 이상의 부분을 포함하는 발광 다이오드용 렌즈.
  8. 밑면, 상기 밑면으로부터 연장된 외측면, 상기 외측면으로부터 연장되어 있으며 원뿔형 홈을 이루는 외중앙면, 상기 밑면이 만입하여 이루어진 중앙 공동의 측면을 이루는 내측면, 상기 내측면으로부터 연장되어 있고 상기 중앙 공동의 천정을 형성하는 내중앙면을 가지며,
    상기 외중앙면이 형성하는 원뿔형 홈은 꼭지점이 상기 중앙 공동을 향하고 있고, 상기 내중앙면은 측면이 상기 밑면을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 원뿔 모양으로 이루어져 있는 발광 다이오드용 렌즈에서,
    상기 발광 다이오드용 렌즈의 중심축과 상기 내중앙면에서 굴절된 광의 진행 방향이 이루는 각도를 θa 라 하고, 상기 발광 다이오드용 렌즈를 이루는 물질의 굴절률을 n2, 공기의 굴절률을 n1이라 할 때, 상기 발광 다이오드용 렌즈의 중심축과 상기 외중앙면이 이루는 각도(θ0)는
    θ0 ≤ θa + 90° - sin-1(n1/n2)
    를 만족하는 발광 다이오드용 렌즈.
  9. 제8항에서,
    상기 외측면과 상기 내측면은 원통 모양인 발광 다이오드용 렌즈.
  10. 제9항에서,
    상기 발광 다이오드용 렌즈를 이루는 물질의 굴절률을 n2, 공기의 굴절률을 n1이라 할 때, 상기 내중앙면의 수직 단면선이 이루는 두 개의 곡선의 초점 거리(f)와 곡률 반경(R)은
    f = R × n1/(n2-n1)
    를 만족하는 발광 다이오드용 렌즈.
  11. 삭제
  12. 제9항에서,
    상기 발광 다이오드용 렌즈의 중심축과 상기 외측면이 이루는 각도(θ1)는
    57° + θa - 2θ0 ≤ θ1 ≤ 123° + θa - 2θ0
    를 만족하는 발광 다이오드용 렌즈.
  13. 제9항에서,
    상기 외측면은 기울기가 서로 다른 둘 이상의 부분을 포함하는 발광 다이오드용 렌즈.
  14. 제9항에서,
    상기 외중앙면은 기울기가 서로 다른 둘 이상의 부분을 포함하는 발광 다이오드용 렌즈.
  15. 제9항에서,
    상기 내중앙면은 복수의 볼록부를 포함하는 발광 다이오드용 렌즈.
  16. 밑면, 상기 밑면으로부터 연장된 외측면, 상기 외측면으로부터 연장되어 있는 차중앙면, 상기 차중앙면으로부터 연장되어 있으며 원뿔형 홈을 이루는 최중앙면, 상기 밑면이 만입하여 이루어진 중앙 공동의 측면을 이루는 내측면, 상기 내측면으로부터 연장되어 있고 상기 중앙 공동의 천정을 형성하는 내중앙면을 가지며, 상기 최중앙면이 형성하는 원뿔형 홈은 꼭지점이 상기 중앙 공동을 향하고 있고, 상기 내중앙면은 그 중심이 상기 밑면을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 발광 다이오드용 렌즈,
    상기 렌즈의 밑면에 부착되어 있는 칩 지지체,
    상기 칩 지지체에 실장되어 있고 상기 렌즈의 중심축 상에 위치하는 발광칩
    을 포함하며,
    상기 발광칩과 상기 렌즈의 내중앙면과의 최단거리는 상기 내중앙면의 초점 거리와 같은 발광 다이오드.
  17. 삭제
  18. 밑면, 상기 밑면으로부터 연장된 외측면, 상기 외측면으로부터 연장되어 있으며 원뿔형 홈을 이루는 외중앙면, 상기 밑면이 만입하여 이루어진 중앙 공동의 측면을 이루는 내측면, 상기 내측면으로부터 연장되어 있고 상기 중앙 공동의 천정을 형성하는 내중앙면을 가지며,
    상기 외중앙면이 형성하는 원뿔형 홈은 꼭지점이 상기 중앙 공동을 향하고 있고, 상기 내중앙면은 측면이 상기 밑면을 향하여 볼록하게 형성되어 있는 원뿔 모양으로 이루어져 있는 발광 다이오드용 렌즈,
    상기 렌즈의 밑면에 부착되어 있는 칩 지지체,
    상기 칩 지지체에 실장되어 있고 상기 렌즈의 중심축 상에 위치하는 발광칩
    을 포함하며,
    상기 발광칩과 상기 렌즈의 내중앙면과의 최단거리는 상기 내중앙면의 수직 단면선이 이루는 두 개의 곡선의 초점 거리와 같은 발광 다이오드.
  19. 삭제
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