KR101229874B1 - 광학 렌즈와, 이를 갖는 광학 패키지, 백라이트 어셈블리및 표시장치 - Google Patents

광학 렌즈와, 이를 갖는 광학 패키지, 백라이트 어셈블리및 표시장치 Download PDF

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Abstract

대형화 및 슬림화를 위해 대면적 커버가 가능한 하이브리드 발광 방식의 광학 렌즈와, 이를 갖는 광학 패키지, 백라이트 어셈블리 및 표시장치가 개시된다. 광학 렌즈는 볼록 형상을 갖는 중심 렌즈부와, 중심 렌즈부를 수용하는 오목 형상을 갖고서 중심 렌즈부의 외측에 형성된 주변 렌즈부를 포함하고, 바닥부에서 광이 인가됨에 따라, 상대적으로 중심 방향 광을 저감시켜 출사하고, 상대적으로 주변 방향 광을 증가시켜 출사한다. 이에 따라, 탑 발광 방식과 사이드 발광 방식이 혼재된 하이브리드 발광 방식의 버튼형 광학 렌즈를 제공하므로써, 하나의 발광소자가 커버하는 영역을 상대적으로 확장시킬 수 있다.
렌즈, 도광, 오목 형상, 볼록 형상, 발광 다이오드, 광균일도

Description

광학 렌즈와, 이를 갖는 광학 패키지, 백라이트 어셈블리 및 표시장치{OPTIC LENS, OPTIC PACKAGE, BACKLIGHT ASSEMBLY AND DISPLAY DEVICE HAVING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버튼형 광학 렌즈를 설명하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 버튼형 광학 렌즈의 원리를 설명하는 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 버튼형 광학 렌즈의 가변 곡률을 설명하는 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 버튼형 광학 렌즈의 사이즈를 설명하는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 버튼형 광학 렌즈의 두께 변화에 따른 광분포 시뮬레이션 결과를 나타낸 이미지들이다.
도 6은 버튼형 광학 렌즈의 날개 부위의 높이 변화에 따른 광출사율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 버튼형 광학 렌즈의 지향각 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 광학계가 20㎜일 때, 버튼형 광학 렌즈의 광출사 분포를 측정한 시뮬레이션 결과 이미지이다.
도 9는 본 발명의 비교예에 따른 사발형 광학 렌즈를 설명하는 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 사발형 광학 렌즈의 광출사 분포를 측정한 시뮬레이션 결과 이미지이다.
도 11은 광학계가 40㎜일 때, 버튼형 광학 렌즈의 광출사 분포를 측정한 시뮬레이션 결과 이미지이다.
도 12는 광학계가 40㎜일 때, 버튼형 광학 렌즈의 탑 방향과 사이드 방향으로의 광출사율 각각을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 어셈블리의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 버튼형 광학 렌즈 12 : 중심 렌즈부
14 : 주변 렌즈부 20 : 사발형 광학 렌즈
100 : 백라이트 어셈블리 110 : 광학 패키지
120 : 전원 공급 기판 130 : 수납 용기
140 : 반사판 150 : 광 믹싱부재
200 : 디스플레이 유닛 300 : 탑 샤시
400 : 리어 케이스 500 : 프론트 케이스
본 발명은 광학 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대면적 커버가 가능한 하이브리드 발광 방식의 광학 렌즈와, 이를 갖는 광학 패키지, 백라이트 어셈블리 및 표시장치에 관한 것이다.
일반적으로, 액정표시장치는 전계에 대응하여 광 투과도가 변경되는 특성을 갖는 액정을 정밀하게 제어하여 영상을 표시한다. 상기 액정표시장치는 영상을 표시하기 위하여 광을 필요로 한다. 상기 액정표시장치는 외부의 자연광을 이용하거나 내부에 구비된 광원으로부터 제공되는 인공광을 이용하여 영상을 표시한다.
상기 광원으로는 냉음극선관램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL), 평판형광램프(Flat Fluorescent Lamp, FFL) 및 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED) 등이 사용된다.
광원으로 사용되는 발광 다이오드는 일종의 점광원이므로 광의 휘도의 균일성을 유지하는 것이 어렵다. 상기한 광의 휘도 균일성을 확보하기 위해 상기 발광 다이오드를 커버하는 광학 렌즈가 채용된다.
상기 광학 렌즈는 탑 발광 방식(Top emitting type)의 광학 렌즈와 사이드 발광 방식(Side emitting type)의 광학 렌즈로 구분된다. 상기 탑 발광 방식의 광학 렌즈는 광손실율을 최소화시킨 고효율성의 장점을 갖는 반면, 상기 사이드 발광 방식의 광학 렌즈는 광의 휘도 분포를 균일하게 하는 고균일성의 장점을 갖는다. 따라서, 사이드 발광 방식의 장점과 탑 발광 방식의 장점을 갖는 하이브리드 발광 방식(Hybrid emitting type)의 광학 렌즈가 필요한 실정이다.
한편, 발광 다이오드가 채용되는 액정 표시 장치의 사이드가 증가할수록 낮은 소비 전력과 낮은 가격을 고려하면 발광 다이오드의 개수를 적게 사용해야 한다.
또한, 액정 표시 장치의 슬림화를 달성하기 위해서는 반드시 하나의 발광 다 이오드가 커버하는 영역은 확장되어야 한다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 광의 추출효율을 높게 유지하면서 대면적 커버가 가능한 하이브리드 발광 방식의 광학 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 광학 렌즈를 갖는 광학 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 광학 패키지를 갖는 백라이트 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 더욱 다른 목적은 상기한 광학 패키지를 갖는 표시장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 광학 렌즈는 볼록(convex) 형상의 중심 렌즈부와, 상기 중심 렌즈부의 외측에 형성되면서, 오목(concave) 형상의 주변 렌즈부를 포함하고, 바닥부에서 광이 인가됨에 따라, 상대적으로 중심 방향 광을 저감시켜 출사하고, 상대적으로 주변 방향 광을 증가시켜 출사한다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 광학 패키지는 발광부 및 광학 렌즈를 포함한다. 상기 광학 렌즈는 볼록 형상의 중심부와, 오목 형상의 주변부에 의해 정의되는 버튼 형상을 갖고서, 바닥부에 배치된 상기 발광부에서 광이 인가됨에 따라, 상대적으로 중심 방향 광을 저감시켜 출사하고, 상대적으로 주변 방향 광을 증가시켜 출사한다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 백라이트 어셈블리는 기판, 발광 다이오드, 광학 렌즈 및 반사판을 포함한다. 상기 발광 다이오드는 상기 기판에 탑재되어 광을 출사한다. 상기 광학 렌즈는 볼록 형상의 중심부와, 오목 형상의 주변부에 의해 정의되는 버튼 형상을 갖고서, 바닥부에 배치된 상기 발광 다이오드에서 광이 인가됨에 따라, 상대적으로 중심 방향 광을 저감시켜 출사하고, 상대적으로 주변 방향 광을 증가시켜 출사한다. 상기 반사판은 상기 발광 다이오드와 광학 렌즈간에 배치되어, 상기 광학 렌즈로부터 누설된 광을 반사한다.
상기한 본 발명의 더욱 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 표시장치는 표시패널 및 백라이트 어셈블리를 포함한다. 상기 표시패널은 광을 이용하여 화상을 표시한다. 상기 백라이트 어셈블리는 광을 출사하는 발광 다이오드와, 상기 발광 다이오드 위에 배치되면서 중심부가 볼록 형상이고, 주변부가 오목 형상인 버튼 형상의 광학 렌즈를 갖고서, 상기 발광 다이오드에서 광이 인가됨에 따라 상대적으로 저감된 강도의 중심 방향의 광빔과, 상대적으로 상승된 강도의 주변 방향의 광빔을 상기 표시패널에 광을 제공한다.
이러한 광학 렌즈와, 이를 갖는 광학 패키지, 백라이트 어셈블리 및 표시장치에 의하면, 하이브리드 발광 방식의 버튼형 광학 렌즈, 특히 중심이 오목한 버튼형 광학 렌즈를 제공하므로써, 하나의 발광소자가 커버하는 영역을 상대적으로 확 장시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버튼형 광학 렌즈를 설명하는 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 버튼형 광학 렌즈의 원리를 설명하는 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 버튼형 광학 렌즈(10)는 중심 렌즈부(12) 및 주변 렌즈부(14)를 포함한다. 상기 중심 렌즈부(12)의 배면에는 발광 다이오드(LED) 따위의 발광 소자를 수용하기 위한 홈(16)이 형성된다. 상기 홈(16)의 형상은 상기 발광 소자의 형상에 적응한다. 상기 버튼형 광학 렌즈(10)는 바닥부에 배치된 발광 다이오드(LED)에서 광이 인가됨에 따라, 상대적으로 저감된 강도의 중심 방향 광과, 상대적으로 증가된 강도의 주변 방향 광을 출사한다. 통상적으로 광학 렌즈의 크기가 크면 넓은 면적을 커버하는 것은 자명하다.
상기 중심 렌즈부(12)는 탑 방향(z-축)을 향해 상대적으로 돌출된 볼록 형상을 갖는다. 상기 중심 렌즈부(12)는 평면(x-y 평면)에서 관찰할 때 원형 형상을 갖는다. 상기 중심 렌즈부(12)는 서로 다른 곡률들에 의해 정의되는 곡면에 의해 정의된다. 상기 볼록 형상의 중심 렌즈부(12)는 일종의 볼록 렌즈(convex lens)의 역할을 수행한다. 상기 중심 렌즈부(12)의 등고선들은 서로 평행할 수도 있고, 어느 한쪽으로 치우칠 수도 있다. 즉, 임의의 영역들에 존재하는 등고선들은 밀하고, 다른 영역들에 존재하는 등고선들은 소하다.
상기 주변 렌즈부(14)는 상기 중심 렌즈부(12)를 수용하는 오목 형상을 갖고서, 상기 중심 렌즈부(12)의 외측에 형성된다. 상기 주변 렌즈부(14)는 탑 방향(z- 축)을 향해 상대적으로 오목한 형상을 갖는다. 상기 주변 렌즈부(14)는 평면(x-y 평면)에서 관찰할 때 상기 중심 렌즈부(12)를 둘러싸는 도넛 형상을 갖는다. 상기 주변 렌즈부(14)는 서로 다른 곡률들에 의해 정의되는 곡면에 의해 정의된다. 상기 오목 형상의 주변 렌즈부(14)는 일종의 오목 렌즈(concave lens)의 역할을 수행한다. 상기 주변 렌즈부(14)의 등고선들은 서로 평행할 수도 있고, 어느 한쪽으로 치우칠 수도 있다. 즉, 임의의 영역들에 존재하는 등고선들은 밀하고, 다른 영역들에 존재하는 등고선들은 소하다.
상기 중심 렌즈부(12)와 주변 렌즈부(14)는 일체로 형성된다. 본 실시예에 따른 버튼형 광학 렌즈는 폴리메틸메탈크리스탈레이트-계열 레진(polymethylmethacrylate-serises resin, PMMA)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 PMMA 재질의 굴절율은 대략 1.5이다.
도 2를 참조하면, 중심 렌즈부(12)에 도시된 제1 및 제2 광경로(PATH1, PATH2)는 탑 방향으로 출사되는 광을 보다 넓은 영역으로 퍼트려 주는 역할을 수행한다.
구체적으로, 제1 입사각(θ1i)의 광이 중심 렌즈부(12)의 상부 계면에 입사됨에 따라, 상기 제1 입사각(θ1i)보다 큰 제1 출사각(θ1t)의 광이 제1 광경로(PATH1)를 따라 출사된다. 상기 제1 입사각(θ1i)이나 제1 출사각(θ1t)은 스넬의 법칙(Snell' law)에 의해 정해진다. 즉, 광학 렌즈의 굴절율이 공기층의 굴절률보다 크므로 상기 제1 출사각(θ1t)은 상기 제1 입사각(θ1i)보다 크다.
제2 입사각(θ2i)의 광이 중심 렌즈부(12)의 측면 계면에 입사됨에 따라, 상 기 제2 입사각(θ2i)보다 큰 제2 출사각(θ2t)의 광이 제2 광경로(PATH2)를 따라 출사된다.
통상적으로 발광 다이오드(LED)에서 출사되는 광의 강도는 중심 부분이 가장 강하다. 따라서, 균일한 광분포를 얻어내기 위해서는 중심 방향의 광강도를 작게 하면서 동시에 사이드 방향의 광강도를 증가시켜 주는 것이 바람직하다. 이를 위해서 본 실시예에서는 중심 방향의 렌즈 중심(A)을 상대적으로 요입되도록 설계를 하였다.
한편, 제3 광경로(PATH3)는 상기 주변 렌즈부(14)를 정의하는 오목 형상의 계면에 의해 전반사되고, 버튼형 광학 렌즈(10)의 측벽 부분을 통해 외부에 출사된다. 즉, 제3 입사각(θ3i1)의 광이 주변 렌즈부(14)의 상면 계면에 입사됨에 따라, 상기 제3 입사각과 동일한 각도의 반사각(θ3r)으로 반사되고, 제4 입사각(θ4i)의 광이 광학 렌즈(10)의 측벽 부분에 입사됨에 따라, 상기 제4 입사각보다는 큰 제4 출사각(θ4t)의 광이 제3 광경로(PATH3)를 따라 출사된다.
이처럼, 제1 및 제2 광경로(PATH1, PATH2)는 탑 발광(Top emitting) 방식이 가지는 광경로이고, 제3 광경로(PATH3)는 사이드 발광(Side emitting) 방식이 가지는 광경로이다. 따라서, 본 발명에 따른 버튼형 광학 렌즈는 상기한 탑 발광 방식과 사이드 발광 방식이 혼재된 하이브리드 발광 방식을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 버튼형 광학 렌즈의 가변 곡률을 설명하는 개념도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 중심 렌즈부(12)는 정점부가 후퇴된 볼록 형상 을 갖고, 상기 정점부가 후퇴된 볼록 형상은 복수의 가변 곡률들에 의해 정의되고, 상기 오목 형상은 복수의 가변 곡률들에 의해 정의된다.
구체적으로, 상기 중심 렌즈부(12)는 상기 광학 렌즈(10)의 중심에서 외곽으로 진행함에 따라, 배면측에서 정의되는 센터를 갖고서 2.76㎜의 곡률 반경을 갖는 제1 곡면과, 상기 제1 곡면과 연결되면서 1.98㎜의 곡률 반경을 갖는 제2 곡면과, 상기 제2 곡면과 연결되면서 2.15㎜의 곡률 반경을 갖는 제3 곡면과, 정면측에서 정의되는 센터를 갖고서 상기 제3 곡면과 연결되면서 4.07㎜의 곡률 반경을 갖는 제4 곡면과, 상기 제4 곡면과 연결되면서 22.97㎜의 곡률 반경을 갖는 제5 곡면에 의해 정의된다. 이에 따라, 상기 중심 렌즈부(12)는 단면에서 관찰할 때 상대적으로 볼록한 형상을 정의한다.
또한, 상기 주변 렌즈부(14)는 상기 광학 렌즈(10)의 중심에서 외곽으로 진행함에 따라, 상기 광학 렌즈(10)의 탑 방향에서 정의되는 센터를 갖고서 상기 제5 곡면과 연결되면서 13.74㎜의 곡률 반경을 갖는 제6 곡면과, 제6 곡면과 연결되면서 2.70㎜의 곡률 반경을 갖는 제7 곡면에 의해 정의된다. 이에 따라, 상기 주변 렌즈부(14)는 단면에서 관찰할 때 상대적으로 오목한 형상을 정의한다.
상기한 본 발명의 일 실시예에서는 중심 렌즈부의 정점부가 후퇴된 볼록 형상을 갖는 것을 설명하였으나, 상기 중심 렌즈부의 정점부가 후퇴하지 않은 볼록 형상을 가지면서 복수의 가변 곡률들에 의해 정의되도록 구현할 수도 있다.
상기한 본 발명의 일 실시예에서는 하나의 발광 다이오드에 대응하여 물리적으로 분리된 하나의 광학 렌즈를 설명하였다. 하지만 당업자라면 복수의 발광 다이 오드에 대응하여 일체로 구현된 광학 렌즈의 구현도 가능하다.
도 4는 도 1에 도시된 버튼형 광학 렌즈의 사이즈를 설명하는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 버튼형 광학 렌즈(10)의 반지름(L1)은 실질적으로 6㎜이고, 최대 높이(T1)는 실질적으로 3.6㎜이며, 중심부의 높이(T2)는 3㎜이다.
상기 중심 렌즈부(12)의 반지름(L2)은 3.5㎜이다. 상기 중심 렌즈부(12)의 최외측부의 높이(T3)는 광학 렌즈의 최소 높이로서, 실질적으로 2.1㎜이다. 상기 중심 렌즈부(12)의 최대 높이는 상기 광학 렌즈(10)의 최대 높이보다 작다.
상기 주변 렌즈부(14)의 최외측부의 높이는 상기 광학 렌즈(10)의 최대 높이이다. 상술한 광학 렌즈(10)의 사이즈를 정의하는 수치들은 서로 비례하는 값이다. 예를들어, 버튼형 광학 렌즈의 사이즈가 커진다면, 상기한 반지름들(L1, L2) 및 높이들(T1, T2, T3)은 증가한다.
도 5a 내지 도 5c는 버튼형 광학 렌즈의 두께 변화에 따른 광분포 시뮬레이션 결과를 나타낸 이미지들이다. 특히, 버튼형 광학 렌즈의 두께가 각각 3.7㎜, 4.1㎜ 및 4.5㎜일 때, 광분포 시뮬레이션 결과를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 5a 내지 도 5c에서 확인할 수 있듯이, 광학 렌즈의 두께가 3.7㎜ 및 4.1㎜일 때, 광분포는 큰 변화가 보여지지 않으나, 광학 렌즈의 두께가 4.5㎜ 이상이면 중심부의 광강도가 약해지는 것을 확인할 수 있다. 이는 하기하는 도 6에 나타낸 것과 같이, 광출사율이 다소 감소했기 때문이다.
도 6은 버튼형 광학 렌즈의 두께 변화에 따른 광출사율의 변화를 나타낸 그래프이다. 설명의 편의를 위해 하나의 그래프에 탑 방향의 광출사율과 사이드 방향 의 광출사율을 병기하였다.
도 6을 참조하면, 버튼형 광학 렌즈의 날개 부위의 높이가 3.0㎜일 때, 탑 방향의 광출사율은 대략 84%이고, 사이드 방향의 광출사율은 12%이다. 이때 전체적인 광출사율은 대략 96%이다. 버튼형 광학 렌즈의 날개 부위의 높이가 증가하여 3.55㎜일 때, 탑 방향의 광출사율은 83.56%이고, 사이드 방향의 광출사율은 13.61%이다. 이때 전체적인 광출사율은 97.17%이다.
따라서, 본 발명에 따른 버튼형 광학 렌즈는 광손실이 3% 이하의 값을 가지므로 백라이트 유닛에 사용할 광학 렌즈로서 최적화된 것임을 확인할 수 있다.
한편, 버튼형 광학 렌즈의 날개 부위의 높이가 4.5㎜일 때, 탑 방향의 광출사율은 77.91%이고, 사이드 방향의 광출사율은 16.2%이다. 이때 전체적인 광출사율은 94.11%이다.
이처럼, 날개 부위의 높이가 증가되어 대략 4.5㎜일 때, 실질적으로 유효한 광출사율이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
가장 높은 광 출사효율은 버튼형 광학 렌즈의 날개 부위의 높이가 3.7㎜인 경우이다. 3.7㎜ 이하에서는 높이 변화에 따른 광출사율의 변화가 무시할 수 있을 정도로 미비한 것임을 확인할 수 있다. 즉, 작업시 공차를 고려하면, 광학 렌즈의 높이가 3.7㎜ 이하에서는 광학 렌즈의 성능에는 크게 영향이 없다.
도 7은 버튼형 광학 렌즈의 지향각 특성을 나타낸 그래프이다. 특히, 수직 방향의 지향각과 수평 방향의 지향각을 병기하였다.
도 7을 참조하면, 탑 방향으로 출사되는 광은 ±60°정도의 지향각을 갖고 출사된다. 상기한 ±60°정도의 지향각은 일반적인 사발형 렌즈에서 출사되는 탑 방향의 지향각에 비해 10°정도 증가한 각도이다. 따라서, 버튼형 광학 렌즈는 탑 방향으로 넓은 광을 출사시키는 구조임을 확인할 수 있다.
한편, 사이드 방향으로 출사되는 광은 ±80°정도의 지향각을 갖고서 출사된다. 이때 출사되는 광량은 대략 ±50°정도의 지향각을 갖고 탑 방향으로 출사되는 광량 정도이다.
이처럼, 버튼형 광학 렌즈는 탑 방향으로 광을 출사할 뿐만 아니라, 사이드 방향으로 광을 출사하므로 탑 발광 방식과 사이드 발광 방식이 혼재된 하이브리드 발광 방식을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 광학계가 20㎜일 때, 버튼형 광학 렌즈의 광출사 분포를 측정한 시뮬레이션 결과 이미지이다. 설명의 편의를 위해 수직 방향의 광출사 레벨과 수평 방향의 광출사 레벨을 병기한다.
도 8을 참조하면, 반지름 38㎜에 해당되는 영역까지 커버 가능함을 확인할 수 있다. 일반적인 사발형 광학 렌즈에 의해 반지름 20㎜ 원형 영역이 커버되었음을 감안하면 90% 정도 증가된 값이다.
그러면, 사발형 광학 렌즈를 비교예로서 간략히 설명한다.
도 9는 본 발명의 비교예에 따른 사발형 광학 렌즈를 설명하는 사시도이고, 도 10은 도 9에 도시된 사발형 광학 렌즈의 광출사 분포를 측정한 시뮬레이션 결과 이미지이다. 특히, 설명의 편의를 위해 일부 영역을 절개하였다. 광검출기와의 거리는 40㎜이고, 검출각도는 70도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 사발형 광학 렌즈(20)는 중심부가 상대적으로 돌출된 형상이다. 도면부호 22는 오목 형상의 날개 부위를 지칭하고, 24는 발광 다이오드(LED) 따위의 발광 소자를 포획하는 가이드부를 지칭한다. 상기 가이드부에는 홈(26)이 형성되어 상기 발광 다이오드가 수용된다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 사발형 광학 렌즈는 반지름이 42㎜ 정도의 영역까지 커버함을 확인할 수 있다. 42㎜의 영역을 벗어나면 출사되는 광량이 급격히 줄어든다. 또한, 사발형 광학 렌즈의 중심부의 광 출사량은 주변부의 광 출사량에 비해 상대적으로 적음을 확인할 수 있다.
도 11은 광학계가 40㎜일 때, 버튼형 광학 렌즈의 광출사 분포를 측정한 시뮬레이션 결과 이미지이다. 설명의 편의를 위해 수직 방향의 광출사 레벨과 수평 방향의 광출사 레벨을 병기한다.
도 11을 참조하면, 버튼형 광학 렌즈는 반지름이 83㎜인 영역을 커버할 수 있는 광 출사분포를 갖는다. 기존의 사발형 광학 렌즈가 반지름이 42㎜인 영역을 커버했음을 감안하면, 상기한 83㎜의 값은 97% 정도 증가된 값이다. 이때, 상기 사발형 광학 렌즈의 날개 부위의 길이, 즉 반지름은 20㎜인 반면, 본 발명에 따른 버튼형 광학 렌즈의 날개 부위의 길이, 즉 반지름은 6㎜이다.
따라서, 광학 렌즈의 크기가 크다면 대면적 커버에 유리하기 때문에 동일한 크기의 광학 렌즈라면 본 발명에 따른 버튼형 광학 렌즈가 더욱 큰 면적을 커버할 수 있다.
도 12는 광학계가 40㎜일 때, 버튼형 광학 렌즈의 탑 방향과 사이드 방향으 로의 광출사율 각각을 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 가장 높은 광 출사효율은 버튼형 광학 렌즈의 날개 부위의 높이가 대략 3.7㎜인 경우이다. 한편, 대략 3.7㎜ 이하에서는 높이 변화에 따른 광출사율의 변화가 무시할 수 있을 정도로 미비한 것임을 확인할 수 있다. 작업시 공차를 고려하면, 광학 렌즈의 높이가 3.7㎜ 이하에서는 광학 렌즈의 성능에는 크게 영향이 없다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 버튼형 광학 렌즈는 사이드 발광 방식과 탑 발광 방식의 장점만을 갖는 하이브리드 발광 방식인 것을 확인할 수 있다. 즉, 버튼형 광학 렌즈는 광의 출사 효율이 매우 뛰어나고, 광학 렌즈를 통해서 추출되는 광의 분포와 광강도의 균일성에서도 매우 우수함을 알 수 있다.
실시예에 따른 버튼형 광학 렌즈는 사발형 광학 렌즈에 비해서 광분포 영역을 획기적으로 넓힌 것으로 기존대비 97% 정도 넓은 영역을 커버할 수 있도록 설계된 광학 렌즈이다. 광손실율 측면에서 사발형 광학 렌즈와 비교할 때 실질적으로 균일함을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 백라이트 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 13을 참조하면, 백라이트 어셈블리(100)는 광학 패키지(110), 상기 광학 패키지(110)를 지지하는 전원 공급 기판(120), 상기 전원 공급 기판(120)을 지지하는 수납 용기(130), 상기 전원 공급 기판(120)과 광학 패키지(110)간에 개재된 반사판(140), 상기 광학 패키지(110) 위에 배치된 광 믹싱부재(150)를 포함한다.
상기 광학 패키지(110)는 발광 다이오드(112) 및 버튼형 광학 렌즈(114)를 포함한다. 상기 버튼형 광학 렌즈(114)는 도 1에 도시한 바와 같이 볼록 형상의 중심부와, 오목 형상의 주변부에 의해 정의되는 버튼 형상을 갖는다. 상기 버튼형 광학 렌즈(114)는 배면에 배치된 상기 발광 다이오드(112)에서 광이 인가됨에 따라, 상대적으로 저감된 강도의 중심 방향 광과, 상대적으로 증가된 강도의 주변 방향 광을 출사한다.
상기 전원 공급 기판(120)은 상기 광학 패키지(110)를 지지하면서 상기 발광 다이오드(112)를 발광하기 위한 소정의 전원을 발광 다이오드(112)에 공급한다.
상기 수납 용기(130)는 상기 광학 패키지(110) 및 전원 공급 기판(120) 뿐 아니라, 상기 광 믹싱부재(150)까지 수납한다. 도 1에서는 수납 용기(130)의 바닥면만이 도시되었다.
상기 반사판(140)은 상기 전원 공급 기판(120)과 광학 패키지(110)간에 개재되어, 상기 광학 렌즈(114)에서 광이 입사됨에 따라, 상기 광 믹싱부재(150)로 반사시킨다. 상기 반사판(140)은 리지드 타입일 수도 있고, 프렉서블 타입(시트 타입)일 수도 있다.
상기 광 믹싱부재(150)는 상기 광학 패키지(110) 위에 배치되어, 상기 광학 패키지(110)에서 출사된 광을 보다 균일하게 변환하여 탑 방향으로 출사한다. 상기 광 믹싱부재에는 광의 균일도를 보다 향상시키기 위해 확산 입자들이 포함될 수도 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이다.
도 14를 참조하면, 액정 표시 장치는 백라이트 어셈블리(100), 디스플레이 유닛(200), 탑 샤시(300), 리어 케이스(400) 및 프론트 케이스(500)를 포함한다.
상기 백라이트 어셈블리(100)는 복수의 광학 패키지(110)들, 상기 광학 패키지(110)들을 지지하는 전원 공급 기판(120), 상기 전원 공급 기판(120)을 지지하는 수납 용기(130), 상기 전원 공급 기판(120)과 광학 패키지(110)간에 개재된 반사판(140), 상기 광학 패키지(110) 위에 배치된 광 믹싱부재(150) 및 광학 시트들(160)을 포함한다. 도 13과 비교하여 동일한 구성요소에는 동일한 도면 번호를 부여한다.
상기 광학 패키지(110)들은 상기 기판(120) 상에 배치되며, 각각 백색광을 출사할 수도 있으나 일반적으로는 적색광, 녹색광 및 청색광 중 어느 한 광을 출사한다.
상기 반사판(140)은 상기 광학 패키지(110)로부터 출사된 광이 상기 광 믹싱 부재(150)가 미형성된 방향으로 누출되는 것을 방지한다.
상기 광 믹싱 부재(150)는 상기 광학 패키지(110)의 상부에 대향하여 형성된다. 상기 광 믹싱 부재(150)는 상기 광학 패키지(110)로부터 출사된 광이 상기 광학 패키지(110) 바깥에 형성된 공기에서 혼합되도록 상기 광을 반사 및 투과시킨다. 이때, 상기 광학 패키지(110)들에서 출사된 적색광, 녹색광 및 청색광은 서로 혼합되어 백색광을 형성한다.
상기 광학 시트들(160)은 확산 시트(162)와 프리즘 시트(164)를 포함한다. 상기 확산 시트(162)는 상기 광학 패키지(110)로부터 출사되어 상기 광 믹싱 부재(150)를 투과한 광을 확산시키고, 상기 프리즘 시트(164)는 상기 확산된 광을 집광 한다.
상기 수납 용기(130)는 일부가 개구된 바닥 부재(132) 및 상기 바닥 부재(132)로부터 수직하게 연장된 측벽 부재(134)를 포함한다. 상기 수납 용기(130)의 바닥 부재(132)에는 상기 광학 패키지(110)가 배치된 기판(120), 반사판(140), 광 믹싱 부재(150) 및 광학 시트들(160)이 순차적으로 수납된다.
상기 디스플레이 유닛(200)은 화상을 표시하는 액정 패널부(210), 복수의 데이터측 및 게이트측 테이프 캐리어 패키지(Tape Carrier Package : 이하, TCP)(220, 230) 및 통합 인쇄 회로 기판(240)을 포함한다.
상기 액정 패널부(210)는 화소를 표시하는 어레이 기판(212), 상기 어레이 기판(212)과 서로 대향하는 컬러필터 기판(214) 및 상기 어레이 기판(212)과 컬러필터 기판(214)의 사이에 주입된 액정층(미도시)을 포함한다.
상기 어레이 기판(212)의 소스측에는 상기 복수의 데이터측 TCP(220)가 부착되고, 상기 어레이 기판(212)의 게이트측에는 상기 복수의 게이트측 TCP(230)가 부착된다. 상기 데이터측 및 게이트측 TCP(220, 230)는 상기 액정 패널부(210)의 구동 및 그 구동 시기를 제어하기 위한 구동 신호와 타이밍 신호를 상기 액정 패널부(210)로 인가한다.
상기 데이터측 TCP(220)는 일측이 어레이 기판(212)에 부착되고, 타측이 통합 인쇄 회로 기판(240)에 부착되어, 상기 액정 패널부(210)를 상기 통합 인쇄 회로 기판(240)과 전기적으로 연결시킨다. 상기 게이트측 TCP(230)는 상기 어레이 기판(212)에 부착되어, 상기 액정 패널부(210)를 상기 통합 인쇄 회로 기판(240)과 전기적으로 연결시킨다. 상기 통합 인쇄 회로 기판(240)은 외부로부터 전기적인 신호를 인가받아 상기 데이터측 및 게이트측 TCP(220, 230)로 인가한다.
상기 액정 패널부(210)에 연결된 상기 데이터측 및 게이트측 TCP(220, 230)는 상기 수납 용기(190)의 상기 측벽 부재(194) 바깥면을 따라 절곡되고, 상기 통합 인쇄 회로 기판(240)은 상기 바닥 부재(192)의 배면에 안착된다.
상기 액정 패널부(210)의 상부에는 고정 수단인 탑 샤시(300)가 배치된다. 상기 탑 샤시(300)는 상기 액정 패널부(210)의 유효 디스플레이 영역이 노출되도록 덮으면서 상기 수납 용기(190)와 서로 대향하게 결합하여 상기 디스플레이 유닛(200)을 고정한다.
상기 백라이트 어셈블리(100), 디스 플레이 유닛(200) 및 탑 샤시(300)는 상기 리어 케이스(400)에 수납되고, 상기 리어 케이스(400)는 상기 탑 샤시(300)의 상부에 배치되는 프론트 케이스(500)와 서로 대향하게 결합하여 상기 액정 표시 장치가 완성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 탑 발광 방식과 사이드 발광 방식이 혼재된 하이브리드 발광 방식의 버튼형 광학 렌즈, 특히 중심이 오목한 버튼형 광학 렌즈를 제공하므로써, 하나의 발광 다이오드가 커버하는 영역을 상대적으로 확장시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 발광 다이오드를 채용하는 백라이트 어셈블리나 액정표시장치가 대형화 및 슬림화되더라도 소비 전력이나 가격을 다운시킬 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업 자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (31)

  1. 볼록(convex) 형상의 중심 렌즈부; 및
    상기 중심 렌즈부의 외측에 형성되면서, 오목(concave) 형상의 주변 렌즈부를 포함하고,
    바닥부에서 광이 인가됨에 따라, 상대적으로 중심 방향 광을 저감시켜 출사하고, 상대적으로 주변 방향 광을 증가시켜 출사하는 광학 렌즈에 있어서,
    상기 중심 렌즈부의 최외측부의 높이는 상기 광학 렌즈의 최소 높이이고, 상기 주변 렌즈부의 최외측부의 높이는 상기 광학 렌즈의 최대 높이인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 주변 렌즈부의 최소 높이는 실질적으로 2.1㎜이고, 상기 주변 렌즈부의 최대 높이는 실질적으로 3.6㎜인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 주변 렌즈부의 높이는 4.5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 주변 렌즈부의 높이는 3.6㎜ 이하인 것을 특징으로 하 는 광학 렌즈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중심 렌즈부는 정점부가 후퇴한 볼록 형상을 갖고서, 배면에서 광이 제공됨에 따라, 중심 방향의 광의 강도를 상대적으로 저감시켜 출사하는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 정점부의 높이는 실질적으로 3㎜인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  8. 제6항에 있어서, 상기 주변 렌즈부는 배면에서 광이 제공됨에 따라, 사이드 방향의 광의 강도를 상대적으로 증가시켜 출사하는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 중심 렌즈부와 주변 렌즈부의 굴절률은 1.5인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 중심 렌즈부와 주변 렌즈부의 재질은 P㎜A인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  11. 제1항에 있어서, 평면에서 관찰할 때, 상기 중심 렌즈부는 원 형상이고, 상기 주변 렌즈부는 상기 중심 렌즈부를 둘러싸는 도우넛 형상인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 도우넛의 폭은 상기 중심 렌즈부의 반지름보다 같거나 큰 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  13. 제1항에 있어서, 상기 볼록 형상은 복수의 가변 곡률(curvature)들에 의해 정의되고, 상기 오목 형상은 복수의 가변 곡률들에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  14. 제13항에 있어서, 상기 볼록 형상은 후퇴한 정점부를 구비하고, 상기 정점부가 후퇴한 볼록 형상은 중심부에서 주변부로 진행함에 따라,
    상기 중심 렌즈부에 센터를 갖는 2.76㎜의 곡률 반경, 1.98㎜의 곡률 반경 및 2.15㎜의 곡률 반경에 의해 정의되는 곡면들과, 정면측에 센터를 갖는 4.04㎜의 곡률 반경 및 22.97㎜의 곡률 반경에 의해 정의되는 곡면들에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  15. 제13항에 있어서, 상기 오목 형상은 중심부에서 주변부로 진행함에 따라, 정면측에 센터를 갖고서 13.74㎜의 곡률 반경 및 2.70㎜의 곡률 반경에 의해 정의되는 곡면들에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  16. 제1항에 있어서, 상기 중심 렌즈부의 반경은 실질적으로 3.5㎜이고, 주변 렌즈부의 폭은 실질적으로 2.5㎜인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  17. 발광부; 및
    볼록(convex) 형상의 중심 렌즈부, 및 상기 중심 렌즈부의 외측에 형성되면서, 오목(concave) 형상의 주변 렌즈부를 포함하고, 바닥부에 배치된 상기 발광부에서 광이 인가됨에 따라, 상대적으로 중심 방향 광을 저감시켜 출사하고, 상대적으로 주변 방향 광을 증가시켜 출사하는 광학 렌즈를 포함하고,
    상기 중심 렌즈부의 최외측부의 높이는 상기 광학 렌즈의 최소 높이이고, 상기 주변 렌즈부의 최외측부의 높이는 상기 광학 렌즈의 최대 높이인 것을 특징으로 하는 광학 패키지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 발광부는 점광원인 것을 특징으로 하는 광학 패키지.
  19. 제17항에 있어서, 상기 발광부는 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 광학 패키지.
  20. 제17항에 있어서, 상기 중심 렌즈부의 바닥부에는 상기 발광부를 수용하는 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 광학 패키지.
  21. 제20항에 있어서, 상기 광학 렌즈는 상기 홈을 경유하여 상기 발광부와 밀착하는 것을 특징으로 하는 광학 패키지.
  22. 제20항에 있어서, 상기 홈에는 공기층이 형성되고, 상기 발광부에서 발산된 광은 상기 공기층을 경유하여 상기 광학 렌즈에 인가되는 것을 특징으로 하는 광학 패키지.
  23. 제17항에 있어서, 상기 중심 방향 광은 중심을 기준으로 실질적으로 ±60도의 지향각을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 패키지.
  24. 제17항에 있어서, 상기 주변 방향 광은 중심을 기준으로 실질적으로 ±80도의 지향각을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 패키지.
  25. 기판;
    상기 기판에 탑재되어 광을 출사하는 발광 다이오드;
    볼록(convex) 형상의 중심 렌즈부, 및 상기 중심 렌즈부의 외측에 형성되면서, 오목(concave) 형상의 주변 렌즈부를 포함하고, 바닥부에 배치된 상기 발광 다이오드에서 광이 인가됨에 따라, 상대적으로 중심 방향 광을 저감시켜 출사하고, 상대적으로 주변 방향 광을 증가시켜 출사하는 광학 렌즈; 및
    상기 발광 다이오드와 광학 렌즈간에 배치되어, 상기 광학 렌즈에서 누설된 광을 반사하는 반사판을 포함하고,
    상기 중심 렌즈부의 최외측부의 높이는 상기 광학 렌즈의 최소 높이이고, 상기 주변 렌즈부의 최외측부의 높이는 상기 광학 렌즈의 최대 높이인 것을 특징으로 하는 백라이트 어셈블리.
  26. 제25항에 있어서, 상기 중심 렌즈부는 정점부가 후퇴한 볼록 형상을 갖고서, 상기 발광 다이오드에서 제공되는 광의 중심 방향 광의 강도를 상대적으로 저감시켜 출사하는 것을 특징으로 하는 백라이트 어셈블리.
  27. 제25항에 있어서, 상기 볼록 형상은 복수의 가변 곡률(curvature)들에 의해 정의되고, 상기 오목 형상은 복수의 가변 곡률들에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 백라이트 어셈블리.
  28. 제27항에 있어서, 상기 볼록 형상은 중심부에서 주변부로 진행함에 따라, 2.76㎜의 곡률 반경, 1.98㎜의 곡률 반경, 2.15㎜의 곡률 반경, 4.07㎜의 곡률 반경 및 22.97㎜의 곡률 반경에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 백라이트 어셈블리.
  29. 광을 이용하여 화상을 표시하는 표시패널; 및
    광을 출사하는 발광 다이오드, 및 상기 발광 다이오드 위에 배치되면서 볼록(convex) 형상의 중심 렌즈부, 및 상기 중심 렌즈부의 외측에 형성되면서, 오목(concave) 형상의 주변 렌즈부를 포함하는 광학 렌즈를 포함하고, 상기 발광 다이오드에서 광이 인가됨에 따라 상대적으로 저감된 중심 방향의 광빔과, 상대적으로 상승된 주변 방향의 광빔을 상기 표시패널에 광을 제공하는 백라이트 어셈블리를 포함하고,
    상기 중심 렌즈부의 최외측부의 높이는 상기 광학 렌즈의 최소 높이이고, 상기 주변 렌즈부의 최외측부의 높이는 상기 광학 렌즈의 최대 높이인 것을 특징으로 하는 표시장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 백라이트 어셈블리는 상기 상대적으로 저감된 중심 방향의 광빔과, 상기 상대적으로 상승된 주변 방향의 광빔을 확산시켜 상기 표시패널에 제공하는 확산판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표시장치.
  31. 제29항에 있어서, 상기 백라이트 어셈블리는 상기 발광 다이오드와 광학 렌즈간에 배치되어, 상기 광학 렌즈로부터 누설된 광을 반사하는 반사판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표시장치.
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