KR101144635B1

KR101144635B1 - 비구면 ｌｅｄ 렌즈 및 그것을 포함하는 백라이트용 발광장치

Info

Publication number: KR101144635B1
Application number: KR1020100028693A
Authority: KR
Inventors: 오희탁
Original assignee: 서울반도체 주식회사
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2012-05-08
Also published as: KR20110109113A

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 비구면 LED 렌즈는, 중심축을 중심으로 방사상 대칭을 이루며,
상기 중심축 부근이 오목하게 함몰된 출광면과
상기 중심축 상에 꼭지점이 위치하는 원추형 면으로 이루어진 입광면을 포함하며,
상기 출광면 중 측면 일부에 복수개의 돌기가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

비구면 ＬＥＤ 렌즈 및 그것을 포함하는 백라이트용 발광장치{ASPHERICAL LED LENS AND LIGHT EMITTING DEVICE FOR BACKLIGHT HAVING THE SAME}

본 발명은, 비구면 LED 렌즈에 관한 것으로서, 구체적으로는, 색수차가 개선된 비구면 LED 렌즈 및 그것을 포함하는 백라이트용 발광장치에 관한 것이다.

발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 전류 인가에 의해 P-N 반도체 접합(P-N junction)구조에서 전자와 정공이 재결합할 때 전위차에 의해서 빛을 발하는 반도체 발광 장치로서, 이러한 LED는 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 갈륨-비소-인(GaAs1-xPx), 갈륨-알루미늄-비소(Ga1-xAlxAs), 인화인듐(InP), 인듐-갈륨-인(In1-xGaxP)등으로 구성된 화합물 반도체를 재료로 하며, 종래에는 표시용 램프나 숫자와 같은 단순 정보표시에 많이 응용되어 왔으나, 최근에는 산업기술의 발전, 특히 정보표시 기술과 반도체 기술의 발전으로 액정 표시장치 등의 FPD(Flat Panel Display)분야에서 사용되기에 이르렀다.

특히, 노트북, 모니터 및 텔레비젼 등의 표시장치에 일반적으로 적용되는 LCD는 그 후면에 백라이트의 광원을 필요로 하며, 이를 위해 종래에는 냉음극형광램프(CCFL)가 사용되어 왔으나, LED는 기존 광원보다 전력효율이 뛰어나고 수명이 몇 배나 긴데다, 유해한 자외선이 없고 친환경적이라는 장점 때문에 최근에는 CCFL을 대체할 수 있는 백라이트 광원으로서 LED가 점점 더 각광을 받고 있다.

다만, LED는 점광원의 특성상, 표시장치의 백라이트 광원으로서 사용하는 경우, LED 바로 위쪽의 패널에서는 조도가 크게 나타나고 LED와 LED 사이의 영역에서는 조도가 낮게 나타나서 결국 패널 전체의 조도가 불균일해지는 문제가 있어 왔다.

즉, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 도 1은 종래의 반구형 LED 렌즈를 채용한 발광장치의 단면도이고, 도 2는 도 1의 발광장치에서 발산된 광의 지향각 곡선 그래프이며, 도 3은 도 1의 발광장치의 배열에 따른 표시장치의 패널 상의 조도 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 LED 패키지(100)는 광을 발산하는 LED 칩(2)과 상기 LED 칩(2)에서 출사된 광의 각도를 제어하는 반구형상의 LED 렌즈(4)를 포함한다. 한편, 도시를 생략하였으나, 백색광을 만들기 위해 상기 LED 칩(2) 상에는 형광물질(미도시)이 도포될 수 있다.

도 2를 참조하면, 도 1의 종래 기술에 따른 LED 패키지(100)에서 발산된 광의 지향각은, 반구형으로 생긴 상기 렌즈(4)의 구조상 발광다이오드에서 출사된 광이 중심으로 집중되기 때문에, 중심 축을 중심으로 광의 세기가 가장 강하며 좌우측으로 이동할수록 광의 세기가 감소하며 대칭적인 지향각 패턴을 갖는다.

따라서, 도 3과 같이, 종래의 반구형 LED 렌즈를 채용한 LED 패키지(100)가 표시장치의 백라이트 유닛 내에서 일렬로 배열될 경우, LED 패키지(100) 상부에 놓인 패널 상에서의 조도 그래프는 균일하지 않고, 명부와 암부가 반복되게 된다.

따라서, 이러한 점을 해결하고자, 근래에는 LED 패키지의 중심측 보다 중심 양 외측에서 광량 또는 광세기가 커지도록 하기 위해, 비구면 렌즈를 적용하여 지향각 곡선의 피크가 중심으로부터 벗어난 양쪽 외곽에 위치하도록 하는 시도가 있어 왔다.

그러나, 이러한 비구면 렌즈의 경우는, 기존 구면 렌즈 또는 렌즈가 없는 LED 패키지에 비하여 색수차가 심한 경향이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 기술적 과제는, 발광다이오드로부터 나온 광의 지향각 곡선 패턴을 쌍 봉 형태로 변화시키고 색수차를 최소화하는 비구면 LED 렌즈를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는, 이러한 색수차를 감소시키는 비구면 LED 렌즈를 포함하는 백라이트용 발광장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 중심축을 중심으로 방사상 대칭을 이루는 비구면 LED 렌즈가 제공된다. 상기 비구면 LED 렌즈는,

상기 중심축 부근이 오목하게 함몰된 출광면과

상기 중심축 상에 꼭지점이 위치하는 원추형 면으로 이루어진 입광면을 포함하며,

상기 출광면 중 측면 일부에 복수개의 돌기가 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 비구면 LED 렌즈는 액상 실리콘 고무(Liquid Silicon Rubber, LSR)로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 비구면 LED 렌즈는 상기 출광면이 적어도 두 개의 직선부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 비구면 LED 렌즈는 상기 두 개의 직선부가 상기 중심축에서 만나며, 각각의 기울기는 수평방향에 대하여 약 10도 이상 약 40도 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 비구면 LED 렌즈는 상기 출광면이 곡률 반지름이 상이한 복수개의 곡선부의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 비구면 LED 렌즈는 상기 곡률 반지름이 약 1.0 이상 약 5.0 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 색수차가 개선된 백라이트용 발광장치가 제공된다. 상기 백라이트용 발광장치는,

하우징;

상기 하우징 상부에 실장된 발광 다이오드 칩; 및

상기 발광다이오드 칩의 상부에 형성되며, 중심축을 중심으로 방사상 대칭을 이루는 비구면 LED 렌즈를 포함하며, 여기서,

상기 비구면 LED 렌즈는,

상기 중심축 부근이 오목하게 함몰된 출광면과

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 발광다이오드 칩으로부터 출사되어 상기 비구면 LED 렌즈를 통과한 광이 전체적으로 중앙부의 광량 내지 광세기가 피크 값의 약 30% 내지 약 40%에 해당하며, 지향각 곡선의 피크 각도가 약 ±67도가 되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 비구면 LED 렌즈가 액상 실리콘 고무(Liquid Silicon Rubber, LSR)로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 비구면 LED 렌즈의 상기 출광면이 적어도 두 개의 직선부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 두 개의 직선부가 상기 중심축에서 만나며, 각각의 기울기는 수평방향에 대하여 약 10도 이상 약 40도 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 비구면 LED 렌즈의 상기 출광면이 곡률 반지름이 상이한 복수개의 곡선부의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 곡률 반지름이 약 1.0 이상 약 5.0 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 발광 다이오드 칩이 상기 비구면 LED 렌즈의 상기 중심축과 상기 하우징이 만나는 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 하우징이 소정 깊이의 캐비티를 포함하며, 상기 발광 다이오드 칩이 상기 캐비티 내에 위치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 캐비티가 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 봉지재로 채워진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 백라이트용 발광장치는, 상기 비구면 LED 렌즈가 상기 액상 실리콘 고무와 확산제의 혼합물을 사출성형하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 비구면 LED 렌즈를 사용하여 광 지향각 곡선 패턴을 쌍 봉 형태로 변환시켜, 상기 렌즈를 백라이트 광원으로 채용하는 경우, 표시장치의 패널의 조도를 균일화함과 동시에 색수차를 현저히 감소시킬 수 있다.

또한, 이러한 LED 렌즈를 채용한 발광장치를 표시장치에 이용하는 경우, 패널 전체의 조도 내지 휘도의 균일성이 높아지고 색수차로 인한 얼룩 등이 제거되어 표시품질이 향상된다.

도 1은 종래의 반구형 LED 렌즈를 채용한 발광장치의 단면도.
도 2는 도 1의 종래 기술에 따른 발광장치에서 발산된 광의 지향각 곡선 그래프.
도 3은 도 1의 발광장치의 배열에 따른 표시장치의 패널 상의 조도 그래프.
도 4는 비구면 LED 렌즈를 채용한 발광장치의 사시도.
도 5는 비구면 LED 렌즈를 채용한 발광장치의 단면도.
도 6은 비구면 LED 렌즈에 의해 발산된 광의 지향각 곡선 그래프.
도 7은 비구면 LED 렌즈에 의한 색수차 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 측면 돌기를 포함하는 비구면 LED 렌즈를 채용하는 발광장치의 단면도.
도 9는 도 8의 비구면 LED 렌즈에 의해 발산된 광의 지향각 곡선 그래프.
도 10은 도 8의 비구면 LED 렌즈에 의한 색수차 그래프.
도 11a, 11b 및 11c는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따라 직선부를 포함하는 비구면 LED 렌즈의 단면도.
도 12a 및 12b는 각각 본 발명의 또다른 실시예에 따라 출광면이 상이한 곡률 반지름을 갖는 복수개의 곡선부로 이루어진 비구면 LED 렌즈의 단면도.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예시로서 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 나타내고 유사한 참조번호는 대응하는 유사한 구성요소를 나타낸다.

도 4 및 5는 비구면 LED 렌즈를 채용한 발광장치의 사시도 및 단면도이며, 도 6 및 7은 각각 도 4의 비구면 LED 렌즈에 의해 발산된 광의 지향각 곡선 그래프와 색수차 그래프이다.

도 4 및 5를 참조하면, 비구면 렌즈(14)를 포함하는 발광장치(200)는, 캐비티(21)가 형성된 하우징(20), 상기 하우징(20) 상에 실장된 LED 칩(12), 상기 캐비티(21) 내에 충진된 봉지재(22), 및 비구면 LED 렌즈(14)를 포함할 수 있다.

여기서, 비구면 LED 렌즈(14)는 실리콘, 에폭시, 글래스 또는 플라스틱과 같은 투광성 재질로 형성되고 그 내부에 형광체가 분산될 수도 있으며, 입광면(141)과 출광면(142)을 구비하여, 중심축(y)에 대해 방사상으로 대칭인 구조로 이루어진다.

또한, 입광면(141)은 LED 칩(12)으로부터 봉지재(22)를 거져 나온 광이 입사되는 면으로서, 상기 중심축(y) 상에 꼭지점이 위치하는 원추형 면으로 이루어져 있고, 입광면(141)과 봉지재(22) 사이의 공간에는 공기층(25)이 존재한다. 또한, 출광면(142)은 상기 렌즈(14)를 투과한 광이 외부로 출사되는 면으로서, 그 단면은 두 개의 볼록한 반구형상이 중심축에서 일부 중첩되어 있는 형상이며, 상기 중첩된 영역(중심축 주변 영역)이 오목하게 함몰되어 있다.

이런 구조로 됨으로써, 비구면 렌즈(14)의 중심부(중심축 부분)에서의 광량 또는 광세기는 감소되고 비구면 렌즈(14) 외곽 부근에서의 광량 또는 광세기가 증가되어, 도 6과 같은 광지향각 그래프를 나타내게 된다. 즉, 도 2와 비교할 때, 도 6의 지향각 그래프는 피크값을 갖는 봉우리가 중심부(각도 O)가 아닌 양측 외곽부(약 +/-67도 부근)에 양봉우리가 형성되는 형태로 되고, 중심부의 광량 내지 광세기는 피크 값의 약 30%~40%에 해당하게 된다.

따라서, 이러한 비구면 렌즈(14)를 표시장치의 백라이트 유닛으로서 채용하는 경우, LED 패키지 직상부의 패널에 명부가 형성되고, 인접한 LED 패키지들 사이의 영역 상부의 패널에 암부가 형성되는 문제는 해소되어, 표시장치의 패널 상에서의 조도 및 휘도가 균일해지는 장점이 있다.

다만, 확산제를 포함하지 않는 비구면 렌즈(14)의 경우에는, 도 7의 색수차 그래프와 같이, 렌즈 자체의 형상으로 인하여 색수차가 종래의 반구형 렌즈(4)의 경우보다 심하게 나타날 수 있다. 즉, 지향각 ±90도 이내에서의 X 좌표 변화량(△X)은 약 0.047이고, Y 좌표 변화량(△Y)은 약 0.082로서 색수차가 심하게 나타남을 알 수 있다. 따라서, 패널 상에서는 색수차로 인한 얼룩(예를들어, 옐로우 스팟 내지 옐로우 링 현상)이 생길 수도 있다.

반면, 비구면 렌즈(14) 내부에 확산제를 포함하여, 색수차 문제를 해결하고자 하는 경우에는, 원하지 않게 확산제로 인하여 렌즈로부터 출사되는 광량이 감소되거나 지향각 패턴에 영향을 주는 등 문제점이 발생할 수 있고, 따라서, 확산제만으로는 색수차 감소를 위한 절대적인 해결책이 되기에 부족한 면이 있다.

이하, 도 8 내지 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 비구면 렌즈에 대하여 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 측면 돌기를 포함하는 비구면 LED 렌즈를 채용하는 발광장치의 단면도이고, 도 9 및 10은 각각 도 8의 비구면 LED 렌즈에 의해 발산된 광의 지향각 곡선 그래프와 색수차 그래프이다.

도 8을 참조하면, 발광장치(1000)는 캐비티(321)가 형성된 하우징(320), LED 칩(322), 봉지재(323) 및 비구면 LED 렌즈(360)를 포함할 수 있다.

여기서, 하우징(320)은 소정의 깊이로 함몰된 캐비티(321)가 형성되며, 상기 캐비티(321)는 LED 칩(322)을 둘러싸는 구조로 되어 있다. 바람직하게, 캐비티(321)의 깊이는 LED 칩(322)의 높이 이상으로 형성될 수 있다.

또한, 봉지재(323)는 캐비티(321) 내에 충진되는 투광성 재질(예를들어, 실리콘, 에폭시 등)로서, LED 칩(322)을 덮어 봉지함으로써 LED 칩(322)을 보호한다.

또한, 상기 LED 칩(322)은 상기 하우징(320) 상면에 실장되며, 예를들어, 430 내지 480㎚ 파장을 발광하는 청색 발광 다이오드 칩이거나, 350㎚ 내지 410㎚ 파장을 발광하는 UV 발광 다이오드 칩으로서, 실시예에 따라 LED 칩(322)은 다른 컬러 광을 출사하는 LED 칩으로 변경될 수 있으며, 본 발명의 범위가 특정 LED 칩으로 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 LED 칩(322)은 하우징(320) 상면에 장착되며, 비구면 LED 렌즈(360)의 중심축과 하우징(320)이 만나는 위치에 실장될 수 있다. 즉, 비구면 LED 렌즈(360)의 센터에 배치될 수 있으며, 비구면 LED 렌즈(360)는 LED 칩(322)을 포함하는 하우징(320)의 상면에 접착제를 이용하여 접합되거나 또는 기타 다른 방식으로 상기 하우징(320)의 상면에 결합될 수 있다. 한편, 도 8에서는, 한 개의 LED칩(322)이 비구면 LED 렌즈(360)의 내부에 존재하는 것으로 도시되었지만, 복수개의 LED칩을 이용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 즉, 복수개의 LED칩들이 LED 렌즈(360)의 중심축(또는 센터) 및 그 주변에 배치될 수 있다.

또한, 도시하지는 않았으나, LED 칩(322)으로부터 출사된 광을 여기원으로 하여 특정 컬러의 광을 발생시킬 수 있는 형광물질이 LED 칩(322) 상부에 직접 도포되거나 비구면 LED 렌즈(360)를 구성하는 수지에 포함되거나 봉지재(323)에 포함될 수 있다. 즉, 예를들어, 상기 LED 칩(322)이 430㎚ 내지 480㎚ 파장을 발광하는 반도체 성분으로 이루어진 청색 발광 다이오드 칩인 경우, 그 광의 일부를 여기원으로서 황록색 또는 황색을 발광하는 형광체를 배치시켜 LED 칩(322)의 청색 발광과 형광체의 황록색 또는 황색 발광에 의해 백색광을 얻을 수 있다.

또한, 비구면 LED 렌즈(360)는 입광면(361)과 출광면(362)을 구비하여, 중심축(y)에 대해 방사상으로 대칭인 구조로 이루어진다.

또한, 입광면(361)은 LED 칩(322)으로부터 봉지재(323)를 거져 나온 광이 입사되는 면으로서, 상기 중심축(y) 상에 꼭지점이 위치하는 원추형 면으로 이루어져 있고, 입광면(361)과 봉지재(323) 사이의 공간에는 공기층(324)이 존재한다. 또한, 출광면(362)은 상기 렌즈(360)를 투과한 광이 외부로 출사되는 면으로서, 두 개의 볼록한 반구형상(C1, C2)이 중심축에서 일부 중첩되어 있는 형상이며, 상기 중첩된 영역(중심축 주변 영역)이 오목하게 함몰되어 있다. 또한, 출광면 중 측면 일부에는 복수개의 돌기 내지 거칠기(363)가 포함되며, 바람직하게는 출광면이 최고 높이로부터 낮아지는 지점부터, 예를들어, 출광면을 포함하는 렌즈의 전체 폭을 기준으로 양 끝에서 상기 폭의 약 1/4 내지 1/3이 되는 지점부터, 렌즈의 말단까지의 영역에 복수개의 돌기가 형성될 수 있다. 또한, 상기 복수의 돌기(363)는 예를들어, 금형 자체에 샌드블러스트를 이용하여 약 0.4㎛ 내지 약 1㎛의 돌기(거칠기)를 형성한 후 상기 금형을 이용하여 후술할 액상 실리콘 고무를 사출성형함으로써 형성될 수 있다.

비구면 렌즈(360)는 종래의 반구형 렌즈(4)와 달리, 렌즈 중심부(중심선 부분)에서의 광량 또는 광세기는 감소되고 렌즈 외곽 부근에서의 광량 또는 광세기가 증가되어, 도 9와 같은 광지향각 그래프를 나타내게 된다.

구체적으로, 도 9의 지향각 그래프는 피크값을 갖는 봉우리가 중심부(각도 O)가 아닌 외곽부(약 +/-67도 부근)에 양봉우리가 형성되는 형태이고, 양봉우리 즉, 피크-투-피크, 사이의 각도는 약 110도이며, 중심부의 광량 내지 광세기는 피크 값의 약 30%~40%, 보다 정확히는 약 36%에 해당하게 된다. 즉, 측면 돌기(363)의 형성에 의하여, 원래의 지향각 곡선의 패턴은 변하지 않게 되므로, 이점이 확산제를 이용한 색수차 감소의 경우와 다른 점이라고 할 것이다.

다음으로, 도 10을 참조하면, 도 8의 비구면 LED 렌즈(360)를 채용한 경우의 색수차 정도를 알 수 있는데, 구체적으로, 지향각 ±90도 이내에서의 X 좌표 변화량(△X)은 약 0.028이고, Y 좌표 변화량(△Y)은 약 0.049로서 도 7에 도시된 색수차 그래프(△X= 약 0.047, △Y= 약 0.082임)와 달리, X 좌표 변화량(△X) 및 Y 좌표 변화량(△Y)이 상당히 감소되어 색수차가 개선되었음을 알 수 있다.

결론적으로, 측면 돌기(363)를 포함하는 비구면 렌즈(360)를 표시장치의 백라이트 유닛으로서 채용하는 경우, 표시장치의 패널 상에서의 조도 및 휘도가 균일짐은 물론이고 색수차로 인한 얼룩(예를들어, 옐로우 스팟 내지 옐로우 링 현상)도 제거될 수 있다. 또한, 확산제를 사용하지 않고도, 측면 돌기(363)를 형성함에 의해 색수차를 개선하는 경우, 렌즈를 통과한 광량의 감소도 없으므로 휘도가 떨어지지 않는다.

한편, 본 발명에 따른 비구면 LED 렌즈(360)를 제조함에 있어서는 실리콘, 에폭시, 글래스 및 플라스틱과 같은 투광성 재질이 이용될 수 있는데, 이중 액상 실리콘 고무(Liquid Silicon Rubber, LSR)를 사용하는 경우에는 액상 실리콘 고무가 낮은 점도를 가지고 있어 유연성이 좋고, 고온에서도 점도가 기존 접착성 실리콘 대비 덜 떨어지기 때문에 작업성이 향상된다. 또한, 액상 실리콘 고무는 낮은 점도로 인해 사출성형을 이용한 자동생산이 가능하고 생산성이 매우 뛰어나며, 금형과의 이형성이 없기 때문에 특히 금형표면에 블라스팅 작업이 되어 있는 경우, 렌즈 계면 현상도 없어서 렌즈의 거칠기 내지 복수의 돌기의 성형이 용이하다.

또한, 실시예에 따라서는, 비구면 LED 렌즈(360) 제조시 이용되는 실리콘에 확산제를 혼합함으로써 색수차를 더욱 감소시킬 수도 있는데, 예를들어, 액상 실리콘 고무와 SiO₂ 확산제가 섞인 혼합물을 사출성형하여 비구면 LED 렌즈를 생산할 수 있다. 다만, 확산제를 포함하는 경우, 색수차가 개선되는 만큼 확산제에 의해 광량이 떨어지거나 지향각 패턴이 도 9에 도시된 것과는 차이가 날 수도 있으므로, 확산제의 배합비를 조절하여야 한다.

실험에 따르면, 예를들어, 확산제가 전체 혼합 실리콘 대비 약 0.3% 내지 0.4%로 배합되었을 때, 원하는 휘도를 내면서도 색수차가 개선되는 비구면 렌즈를 형성할 수 있음을 본 발명자는 알게 되었다. 다만, 본 발명이 특정 확산제의 종류 내지 그 배합비율로 제한되는 것은 아니다.

도 11a, 11b 및 11c는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따라 직선부를 포함하는 비구면 LED 렌즈의 단면도이다. 다만, 설명의 간략화를 위하여 이전 실시예에서 설명된 비구면 LED 렌즈에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 11a를 참조하면, 출광면은 직선부를 포함할 수 있는 데, 구체적으로, 비구면 LED 렌즈(400)의 출광면은 오목부 근처의 직선부(420), 곡선을 포함하는 측면부(440) 및 그 사이에 개재된 직선부(430)를 포함할 수 있다. 다만, 도 11c에서와 같이, 비구면 렌즈의 출광면은 오목부 근처에서만 직선부(420)를 포함하고 직선부(430)는 포함하지 않을 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 비구면 LED 렌즈의 출광면은 중심축(y)에서 만나는 적어도 두 개의 직선부(420)를 포함할 수 있다.

또한, 도 11a의 비구면 LED 렌즈(400a)는 직선부(420)가 수평방향에 대하여 약 18도 각도로 경사져 있으며, 도 11b의 비구면 LED 렌즈(400b)는 직선부(420)가 약 30도 각도로 경사져 있고, 도 11c의 비구면 렌즈(400c)는 직선부(420)가 약 40도 각도로 경사져 있다.

이 경우, 도 11a 내지 11c의 각각의 비구면 렌즈에 의한 색수차 정도 및 패널 상부에서의 옐로우 스팟 발생여부에 대하여 살펴보면, 아래 표 1과 같다.

	색수차(지향각 ±90°)	패널 상부(옐로우 스팟)
렌즈(400a)의 경우	△x=0.021/△y=0.069	발생 X
렌즈(400b)의 경우	△x=0.016/△y=0.038	발생 X
렌즈(400c)의 경우	△x=0.032/△y=0.072	발생 O

즉, 색수차 정도를 살펴보면, 지향각 ±90도 이내에서의 X,Y 좌표 변화량(△X, △Y)은, 렌즈(400a)의 경우 △x=0.021/△y=0.069이고, 렌즈(400b)의 경우 △x=0.016/△y=0.038이며, 렌즈(400c)의 경우△x=0.032/△y=0.072 로서, 렌즈(400a, 400b)와 달리 렌즈(400c)에서는 색수차로 인하여 패널상 옐로우 스팟이 발생하였다.

결론적으로, 비구면 렌즈(400)의 출광면이 중심축(y)에서 만나는 적어도 두 개의 직선부(420)를 포함하는 형상일 경우, 그 각각의 직선부(420)가 수평방향과 이루는 각도가 약 35도 내지 약 40도 이상일 때, 색수차가 두드러지게 나타나기 시작함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따라 직선부를 포함하는 비구면 렌즈를 제조하고자 하는 경우, 렌즈의 형상 디자인에 있어서, 비구면 렌즈의 오목부에 인접한 직선부의 경사도에 따라 색수차가 심하게 나타날 수 있음에 주의하고, 상기 직선부의 경사도를 수평방향에 대하여 약 10도 이상 약 40도 이하가 되도록 조절하여야 한다.

한편, 도 11a 내지 11c에서, 도면의 간략화를 위하여, 측면부(440)에는 별도의 거칠기 내지 복수의 돌기가 형성되지 않은 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서, 측면부(440)에 색수차 감소 목적으로 거칠기를 더 형성할 수도 있음을 당업자는 이해할 것이다.

도 12a 및 12b는 각각 본 발명의 또다른 실시예에 따라 출광면이 상이한 곡률 반지름을 갖는 복수개의 곡선부로 이루어진 비구면 LED 렌즈의 단면도이다. 다만, 설명의 간략화를 위하여 이전 실시예들에서 설명된 비구면 LED 렌즈에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 12a, 12b를 참조하면, 비구면 LED 렌즈(500)의 출광면(520)은 단 하나의 곡률반지름을 갖는 곡선 형태가 아니며, 출광면(520)을 이루는 곡선부의 곡률반지름이 영역별로 다르게 형성될 수 있다. 즉, 상기 출광면(520)은 곡률 반지름이 상이한 복수개의 곡선부의 조합으로 이루어질 수 있다. 구체적으로 도 12a에서는 출광면(520)이 각각 곡률 반지름 R1=13.9, R2=1.46에 해당하는 곡선부들의 영역으로 이루어져 있고, 도 12b는 각각 곡률 반지름 R1=0.5, R2=1.054에 해당하는 곡선부들의 영역으로 이루어져 있다.

즉, 도 12a에서 출광면(520)은 대부분 곡률 반지름이 큰(즉, 곡률이 작은) 곡선부들에 의해 형성되고, 즉, 도 12b에서 출광면(520)은 대부분 곡률 반지름이 작은(즉, 곡률이 큰) 곡선부들에 의해 형성되어 있다. 또한, 각각의 경우에 있어서의 색수차의 정도 및 패널 상부에서의 옐로우 스팟 발생여부에 대하여 살펴보면, 아래 표 2와 같다.

	색수차(지향각 ±90°)	패널 상부(옐로우 스팟)
렌즈(500a)의 경우	△x=0.04/△y=0.072	발생 X
렌즈(500b)의 경우	△x=0.072/△y=0.109	발생 O

즉, 색수차 정도를 살펴보면, 지향각 ±90도 이내에서의 X,Y 좌표 변화량(△X, △Y)은, 곡률 반지름이 대체로 큰 곡선부들로 이루어진 출광면(520)을 갖는 렌즈(500a)의 경우 △x=0.04/△y=0.072이고, 일부 영역이라도 곡률 반지름이 작은 곡선부를 포함하는 렌즈(500b)의 경우 △x=0.072/△y=0.109로서, 렌즈(500b)의 경우 렌즈(500a)와 달리 색수차로 인하여 패널상 옐로우 스팟 내지 옐로우 링이 발생하였다.

결론적으로, 비구면 렌즈(500) 형성시 일부 출광면 구간의 곡률 반지름이 작은 영역에서 색수차가 두드러지게 나타남을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 또다른 실시예에 따라 출광면의 곡률 반지름을 영역별로 달리하는 비구면 LED 렌즈를 제조하고자 하는 경우, 렌즈의 형상 디자인에 있어서, 곡률 반지름이 작은 영역에서 색수차가 심하게 나타날 수 있음에 주의하고, 곡률 반지름이 약 1.0 이상 약 5.0 이하가 되도록 조절하여야 한다.

한편, 도 12a 및 12b에서, 도면의 간략화를 위하여, 출광면의 측면부에는 별도의 거칠기 내지 복수의 돌기가 형성되지 않은 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서, 상기 측면부에 색수차 감소 목적으로 거칠기를 더 형성할 수도 있음을 당업자는 이해할 것이다.

본 발명의 LED 렌즈 및 발광장치는 상기 상술한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 구조를 갖는 제품으로의 응용이 가능하다. 예를들어, 모든 실시예에서, 하우징 내에 캐비티가 형성되고, 상기 캐비티 내에 LED 칩이 배치되는 것으로 설명하였지만, 실시예에 따라, 하우징은 캐비티 없이 형성될 수도 있다.

본 발명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

2, 12, 322: 발광다이오드 칩 4: 반구형 LED 렌즈
14, 360, 400, 500: 비구면 LED 렌즈 20, 320: 하우징
21, 321: 캐비티 361: 입광면
362: 출광면

Claims

중심축을 중심으로 방사상 대칭을 이루는 비구면 LED 렌즈에 있어서, 상기 비구면 LED 렌즈는,
상기 중심축 부근이 오목하게 함몰된 출광면과
상기 중심축 상에 꼭지점이 위치하는 원추형 면으로 이루어진 입광면을 포함하며,
상기 출광면 중 외곽 측면 하부에는 복수개의 돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 비구면 LED 렌즈.
청구항 1에 있어서, 상기 비구면 LED 렌즈는 액상 실리콘 고무(Liquid Silicon Rubber, LSR)로 형성되는 것을 특징으로 하는 비구면 LED 렌즈.
청구항 1에 있어서, 상기 출광면은 적어도 두 개의 직선부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 LED 렌즈.
청구항 3에 있어서, 상기 두 개의 직선부는 상기 중심축에서 만나며, 각각의 기울기는 수평방향에 대하여 10도 이상 40도 이하인 것을 특징으로 하는 비구면 LED 렌즈.
청구항 1에 있어서, 상기 출광면은 곡률 반지름이 상이한 복수개의 곡선부의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비구면 LED 렌즈.
청구항 5에 있어서, 상기 곡률 반지름은 1.0 이상 5.0 이하인 것을 특징으로 하는 비구면 LED 렌즈.
하우징;
상기 하우징 상부에 실장된 발광 다이오드 칩; 및
상기 발광다이오드 칩의 상부에 형성되며, 중심축을 중심으로 방사상 대칭을 이루는 비구면 LED 렌즈를 포함하는 백라이트용 발광장치에 있어서,
상기 비구면 LED 렌즈는,
상기 중심축 부근이 오목하게 함몰된 출광면과
상기 중심축 상에 꼭지점이 위치하는 원추형 면으로 이루어진 입광면을 포함하며,
상기 출광면 중 외곽 측면 하부에는 복수개의 돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 7에 있어서, 상기 발광다이오드 칩으로부터 출사되어 상기 비구면 LED 렌즈를 통과한 광은 전체적으로 중앙부의 광량 내지 광세기가 피크 값의 30% 내지 40%에 해당하며, 지향각 곡선의 피크 각도가 ±67도가 되는 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 7에 있어서, 상기 비구면 LED 렌즈는 액상 실리콘 고무(Liquid Silicon Rubber, LSR)로 형성되는 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 7에 있어서, 상기 비구면 LED 렌즈의 상기 출광면은 적어도 두 개의 직선부를 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 10에 있어서, 상기 두 개의 직선부는 상기 중심축에서 만나며, 각각의 기울기는 수평방향에 대하여 10도 이상 40도 이하인 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 7에 있어서, 상기 비구면 LED 렌즈의 상기 출광면은 곡률 반지름이 상이한 복수개의 곡선부의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 12에 있어서, 상기 곡률 반지름은 1.0 이상 5.0 이하인 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 7에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 비구면 LED 렌즈의 상기 중심축과 상기 하우징이 만나는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 14에 있어서, 상기 하우징은 소정 깊이의 캐비티를 포함하며, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 캐비티 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 15에 있어서, 상기 캐비티는 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 봉지재로 채워진 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
청구항 9에 있어서, 상기 비구면 LED 렌즈는 상기 액상 실리콘 고무와 확산제의 혼합물을 사출성형하여 형성되는 것을 특징으로 하는 백라이트용 발광장치.
중심축을 중심으로 방사상으로 대칭을 이루는 비구면 LED 렌즈를 제조하는 방법에 있어서,
금형을 이용한 성형에 의해, 중심축 부근이 오목하게 함몰된 출광면과 상기 중심축 상에 꼭지점이 위치하는 원추형 면으로 이루어진 입광면을 포함하는 비구면 LED 렌즈를 제조하되,
상기 금형에 거칠기를 형성하고, 그 거칠기가 상기 출광면 중 외곽 측면의 하부에 전이되어 복수개의 돌기가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 비구면 LED 렌즈 제조방법.