KR101293061B1 - 레이저 다이오드를 이용한 발광 구조물 및 이를 포함하는 백라이트 장치 - Google Patents

레이저 다이오드를 이용한 발광 구조물 및 이를 포함하는 백라이트 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 다이오드에서 방출되는 UV 파장의 빛을 RGB 형광체에 조사하여 백색광을 현출하는 레이저 다이오드를 이용한 발광 구조물과 백라이트 장치에 관한 것으로, 본 발명의 발광 구조물은 판 상의 기판; 상기 기판의 양 측부에서 서로 마주하도록 배치되는 적어도 한 쌍의 미러(Mirror); 일 측의 미러 측부에 배치되어 타 측의 미러를 향하여 수평 입사각을 갖도록 레이저 빔을 조사하는 UV LD; 및 RGB 형광체가 혼합된 수지가 상기 기판 상에서 상기 레이저 빔의 경로를 따라 형성되는 복수개의 발광체;를 포함한다.

Description

레이저 다이오드를 이용한 발광 구조물 및 이를 포함하는 백라이트 장치{Lighting Apparatus using Laser Diode and Backlight unit having the same}
본 발명은 백라이트 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 다이오드에서 방출되는 UV 파장의 빛을 RGB 형광체에 조사하여 백색광을 현출하는 레이저 다이오드를 이용한 발광 구조물과 백라이트 장치에 관한 것이다.
액정표시장치(LCD; Liquid Crystal Display)는 그 자체가 비 발광성이므로 정보표시패널에 균일하게 빛을 조사하는 백라이트 장치가 필수적으로 요구된다. 일반적으로, 액정표시장치에 채용되는 백라이트 장치는 광원의 위치에 따라 직하형(direct type)의 백라이트 장치와 측면형(edgy type) 백라이트 장치로 구분된다. 또한, 광원으로는 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하, 'LED'라 함)가 형광램프를 대체하여 주로 사용되고 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 직하형 및 측면형 백라이트 장치의 주요 구성을 개략적으로 도시한 분리 사시도이며, 도 2는 도 1의 백라이트 장치에 사용되는 LED 광원을 나타낸 종단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 직하형 백라이트 장치는 도광판(30) 하부에 광원(10)이 배치되어 도광판(30)에 전면적으로 빛을 조사시키는 구조로서(a), 대화면의 백라이트 장치에 유리하다. 또한, 측면형 백라이트 장치는 도광판(30)의 측부에 광원(10)이 배치되어 도광판 내부로 빛을 조사시키는 구조로서(b), 백라이트 장치의 슬림화에 유리하다.
한편, 백라이트 장치의 광원으로 사용되는 LED는 기존의 형광램프에 비하여 수명이 길고, 전력 소비 효율이 우수한 장점을 나타낸다. 백라이트 장치의 광원으로 사용되는 LED는 도 2에 도시된 바와 같이, 일 측에 개구부가 형성된 프레임(11)의 내측에 발광 칩(12)이 안착되고, 투명 수지의 몰딩부(13)에 의하여 밀봉되는 패키지(10) 형태로 사용된다. 이러한 LED 패키지(10)를 청색 파장의 빛을 발하는 발광 칩(12)을 사용하고 몰딩부(13)에 황색 형광체(14)를 혼합하거나, UV 파장의 빛을 발하는 발광 칩(12)을 사용하고 몰딩부(13)에 RGB 형광체(14)를 혼합함으로써, 파장 변환에 의한 백색광을 현출하는 방식이 주로 이용되고 있다. 이러한 방식의 LED 패키지가 사용되는 백라이트 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 일정 간격으로 복수개의 LED 패키지(10)가 실장된 기판(20)이 도광판(30)의 하측 또는 측부에 배치되어, 도광판(30)을 통하여 백색광의 면광원의 빛을 방출하게 된다.
그러나, 이러한 직하형 또는 측면형 백라이트 장치에는 점광원의 빛을 면광원으로 전환시키거나 확산시키기 위하여 도광판 또는 확산판이 필수적으로 구비되어야 한다. 또한, 도광판의 하측 또는 측부에는 수십 내지 수백 개의 많은 LED 패키지가 배치되어야 한다. 도광판, 확산판 및 LED 패키지는 백라이트 장치 제조 비용의 상당부분을 차지하는데, 이로 인하여 백라이트 장치의 제조 비용을 절감시키는데 한계를 나타내고 있으며, 구조적으로도 복잡해지는 문제를 초래하고 있다.
최근에는 광원으로 UV LED 패키지를 사용하고, 도광판 또는 확산판으로 RGB 형광체를 이용한 구조가 제안된 바 있다. 이러한 구조는 RGB 형광체가 UV 파장의 빛에 의하여 각각 R,G,B 파장의 빛을 방출하고, R,G,B 빛의 혼합으로 도광판 또는 화산판이 백색광을 현출하게 된다. UV LED 패키지와 RGB 형광체를 이용한 백색 발광은 색의 연색성과 안정성이 우수하고, 상대적으로 수명이 길고 높은 발광 효율을 나타내는 장점이 있으나, RGB 혼합에 의한 백색 구현으로 색상의 균일성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 이러한 구조의 백라이트 장치에서도 UV LED 패키지의 수를 다소 줄일 수는 있으나, 도광판 또는 확산판 전면(全面)에 빛을 조사하기 위해서는 여전히 많은 수의 LED 패키지가 사용되어야 하는 단점이 있다.
본 발명은 레이저 다이오드와 RGB 형광체를 이용하여 광특성이 우수한 백색광을 얻을 수 있는 발광 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 발광 구조물을 이용하여, 제조 비용의 상당부분을 차지하는 도광판 또는 확산판을 제거하고, 빛을 방출하는 다이오드의 수를 현저히 줄임으로써, 제조 비용을 절감시킬 수 있는 백라이트 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발과 구조물은, 판 상의 기판; 상기 기판의 양 측부에서 서로 마주하도록 배치되는 적어도 한 쌍의 미러(Mirror); 일 측의 미러 측부에 배치되어 타 측의 미러를 향하여 수평 입사각을 갖도록 레이저 빔을 조사하는 UV LD; 및 RGB 형광체가 혼합된 수지가 상기 기판 상에서 상기 레이저 빔의 경로를 따라 형성되는 복수개의 발광체;를 포함한다.
여기서, 제1항에 있어서, 상기 UV LD는 진동체와, 상기 진동체에 의하여 전후방으로 진동하는 진동 미러(Vibrator Mirror);를 포함하는 모듈을 이루며, 상기 진동 미러를 향하여 레이저 빔을 조사하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 백라이트 장치는, 기판, 상기 기판의 양 측부에서 서로 마주하도록 배치되는 한 쌍의 미러, 일 측의 미러 측부에 배치되어 타 측의 미러를 향하여 레이저 빔을 조사하는 UV LD 모듈, 및 RGB 형광체가 혼합된 수지가 상기 기판 상에 도포되어 형성된 발광체가 구비된 발광 구조물;을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 발광 구조물은, 대화면을 구현하기 위하여 가로 및 세로 방향으로 다수개 배열될 수 있다.
상기와 같은 구조의 본 발명은, 레이저 다이오드와 RGB 형광체를 통하여 백색광을 방출하므로 광특성이 우수한 백색광을 얻을 수 있다.
또한, 점광원의 빛을 면광원으로 확산시키기 위한 별도의 도광판이나 확산판이 요구되지 않고, 적은 수의 광원만이 요구되므로 백라이트 장치의 제조 비용을 절감시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 백라이트 장치의 주요부를 나타낸 분리 사시도,
도 2는 도 1의 백라이트 장치에 사용되는 LED 광원을 나타낸 종단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 장치를 나타낸 분리 사시도,
도 4는 도 3의 주요부인 발광 구조물을 나타낸 평면도,
도 5는 도 4의 발광 구조물을 나타내 A-A 단면도,
도 6은 도 4의 발광 구조물에 대한 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프,
도 7은 도 4의 발광 구조물에 대한 발광 특성을 나타낸 B-B 단면도,
도 8은 도 4의 주요부인 UV LD 빔의 입사각을 나타낸 평면도,
도 9는 도 4의 주요부인 UV LD의 빔 폭을 나타낸 평면도,
도 10은 도 9의 주요부인 광원 모듈을 나타낸 확대도,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 백라이트 장치를 나타낸 분리 사시도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 장치를 나타낸 분리 사시도이고, 도 4는 도 3의 주요부인 발광 구조물을 나타낸 평면도이다. 먼저, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 백라이트 장치는, 커버버텀(200) 내부에는 기판(110), 미러(120), UV LD(UltraViolet LaserDiode, 130) 및 발광체(140)로 구성되는 발광 구조물(100)이 안착되고, 발광 구조물(100)의 상측에는 가이드 패널(300)이 커버버텀(200)에 체결된다. 한편, 도시되지는 않았지만, 발광 구조물(100)의 상측에는 출사되는 면광원 빛의 광학 특성을 제어하기 위한 광학시트나 발광 구조물을 보호하기 위한 보호시트가 더 적층될 수 있다.
여기서, 커버버텀(200)은 통상 상측이 개방된 사각의 함체 형상으로, 내부에 수납공간이 마련되어 발광 구조물(100)을 수용한다. 가이드 패널(300)은 커버버텀(200)에 대응하는 사각 프레임 형상으로, 빛이 출사되기 위한 개구부가 형성되어 발광 구조물을 고정하면서 커버버텀(200)에 체결된다.
발광 구조물(100)은 백라이트 장치 전체 면에 대하여 백색광을 방출하도록 하는 구성이다. 백색광을 방출하기 위한 구조물로서, 특히, 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 판 상의 기판(Reflect sheet, 110), 기판(110)의 양 측부에서 서로 마주보도록 배치되는 한 쌍의 미러(Mirrorm 120), 일 측의 미러(120) 측부에 배치되는 UV LD(130) 및 기판(110)의 상부면에 다수개 마련되는 발광체(140)로 이루어진다.
여기서, 기판(110)은 발광체(140)에서 방출되는 빛의 누설을 방지하고, 상측으로 반사시켜 휘도를 향상시키며, 반사 재질의 패널, 필름 또는 시트로 구성될 수 있다.
미러(120)는 UV LD(130)에서 출사되는 빛을 서로 반사시켜 기판(110) 전체 면에 대하여 지그재그 형상으로 레이저 빔(laser beam)이 조사될 수 있도록 한다. 즉, 일 측에서 출사되는 레이저 빔은 타 측의 미러에서 일 측의 미러로 반사되고, 일 측의 미러에서 다시 타 측의 미러로 반사되는 과정이 반복된다.
UV LD(130)는 자외선 영역의 파장을 가진 레이저 빔을 출사하는 광원이다. 하나의 UV LD(130)에서 출사되는 레이저 빔은 한 쌍의 미러(120)에 의한 반사가 반복되어 기판(110) 전체 면에 대하여 빛을 출사하게 된다.
발광체(140)는 UV LD(130)에서 출사되는 자외선 영역의 파장에 의하여 백색의 빛을 방출하는 발광 소자이다. 이러한 발광체(140)는 투명 수지에 RGB 형광체가 혼합된 발광 수지로서, 기판(110)의 상부 면에 도트 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 발광체(140)는 UV LD(130)의 레이저 빔에 의하여 발광하므로 레이저 빔이 진행하는 경로를 따라 형성되는 것이 바람직하다. 발광체(140)는 RGB 형광체가 혼합된 UV 레진을 기판 상에 스크린 인쇄(screen printing) 방식으로 도포하거나 디스펜서(dispensor) 방식으로 도포하여 형성할 수 있다.
도 5는 도 4의 발광 구조물을 나타내 A-A 단면도이고, 도 6은 도 4의 발광 구조물에 대한 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프이다. 먼저, 도 5를 참조하면, UV LD(130)에서 출사되는 자외선 파장의 레이저 빔(L)은 기판 상부 면에 형성된 다수의 발광체(140)를 순차적으로 통과하게 된다. 이때, 발광체(140) 내에 혼합된 RGB 형광체는 서로 다른 파장대의 빛을 방출하게 되고, 이러한 파장대의 빛이 혼합되어 백색광을 방출한다.
백색 발광 메커니즘을 살펴보면, UV LD(130)에서 출사되는 레이저 빔(L)은 380nm 내외의 자외선 영역의 파장대를 가지며, 이러한 파장의 빔(L)이 발광체(140)를 통과하면서 RGB 형광체를 자극하게 된다. 레이저 빔(L)의 자극에 의하여 여기된 RGB 형광체의 최외각 전자는 안정된 상태로 돌아오는 과정에서 고유한 파장대의 빛을 방출한다. 이때, RGB 형광체는 도 6에 도시된 바와 같이 590nm, 520nm 및 420nm 영역의 파장대의 빛을 방출하는데, 이는 각각 적색, 녹색 및 청색 계열에 해당하는 빛이다. 이러한 세 파장대의 빛의 조합에 의하여 발광체(140)는 전체적으로 백색광을 발하게 된다.
본 발명에서와 같이 하나의 발광체 내에서 RGB의 조합으로 방출되는 백색광은, 청색 파장을 발하는 발광 칩과 황색 형광체의 조합만으로 백색광을 방출하는 LED에 비하여 연색성, 색 안정성, 수명 및 효율이 우수한 광 특성을 나타낸다. 또한, 발광체(140)는 상측뿐만 아니라 측방의 모든 방향으로 빛을 방출하므로, LED와 같이 상측으로만 출사되는 빛을 확산시키기 위한 별도의 도광판이나 확산판이 요구되지 않는다.
도 7은 도 4의 발광 구조물에 대한 발광 특성을 나타낸 B-B 단면도이고, 도 8은 도 4의 주요부인 UV LD 빛의 입사각을 나타낸 평면도이다. 본 발명의 실시예에 따른 발광 구조물은 UV LD(130)의 레이저 빔(L)이 진행하는 경로를 따라 백색광이 방출된다. UV LD(130)는 기판(110) 전체 면에 걸쳐 레이저 빔을 조사하기 위하여, 도 8에 도시된 바와 같이 소정의 입사각(α)으로 빔을 출사한다. 이때, 발광체(140)로부터 소정의 간격(g)으로 이격 배치된 액정표시패널(미도시)에 대하여 균일한 빛으로 백라이팅 하기 위해서는 UV LD(130)의 입사각(tilting angle, α)이 주요한 요인이 된다. UV LD(130)의 입사각(α)은, 발광체(140)와 액정표시패널의 간격(g), 발광체(140)의 휘도 반치각(θ) 및 미러 사이의 거리(d)에 의해 정해질 수 있다.
이를 구체적으로 살펴보면, 먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 발광체(140)를 관통하여 레이저 빔(L)이 진행하는 피치(p)는, 발광체(140)의 휘도 반치각(θ)과 균일한 휘도가 나타나는 발광체(140) 상측의 높이(g)에 대하여, p = g * tanθ로 산출된다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(L)이 반사되는 미러(120)에서의 최대 피치(p)는 레이저 빔(L)의 입사각(α)과 미러 사이의 거리(d)에 대하여, p = 2d*tanα로 산출된다. 따라서, p = 2d*tanα = g * tanθ의 관계가 성립되고, 레이저 빔의 입사각(α)이 매우 작은 경우 tanα = α의 관계가 성립될 수 있다. 이로 인하여 결국 레이저 빔(L)의 입사각 α = (g * tanθ)/(2d) 에 의하여 조절될 수 있다.
도 9는 도 4의 주요부인 UV LD의 빔 폭을 나타낸 평면도이고, 도 10은 도 9의 주요부인 광원 모듈을 나타낸 확대도이다. 일반적으로 UV LD에서 출사되는 레이저 빔은 좁은 빔 폭(beam width)을 가진다. 또한, 레이저 빔은 진행 중 발광체(140)의 형광체에 출동하여 형광체를 여기시키는 과정에서 해당 영역의 빔은 소멸된다. 결국, 도시된 바와 같이 발광체(140)를 통과할수록 빔 폭은 점점 좁아지며, 레이저 빔의 빔 폭과 발광체 수는 상호 의존적인 관계가 발생한다.
도 9를 참조하면, 레이저 빔 폭이 b 일 때, 종단면의 폭(도 7 참조)이 s 인 발광체(140)가 형성될 수 있는 최대 패턴 수 n = b/s 로 산출된다. 또한, 발광 구조물의 가로 및 세로 방향의 크기가 d * w 일 때, 레이저 빔(L)이 반사되는 최대 피치(p)에 대하여, 발광체(140)의 최대 패턴 수 m = (d/p) * (w/p) 로 산출된다. 여기서, m = n 이므로, 레이저 빔 폭 b = (d*w*s)/(p^2)의 관계가 성립한다.
이러한 상관 관계에 의하여 다양한 사이즈의 액정표시장치에 적용되는 발광 구조물에서 요구되는 발광체의 최대 소요량은, 각 스펙에 따라 다음 표와 같이 산출된다(단위 : mm).

사이즈		 발광 구조물 UV LD 발광체
소요량
두께
(g)		 너비
(d)		 폭
(w)		 입사각
(α)		 빔폭
(b)		 피치
(p)		 패턴폭
(s)		 반치각
(θ)
19" 2 263 35.0 0.60˚ 6.10 5.49

0.02

70˚

 12 ea
23" 2 295 32.5 0.53˚ 6.35 5.49 15 ea
32" 2.5 416 37.0 0.47˚ 6.52 6.87 19 ea
47" 3 593 36.1 0.40˚ 6.30 8.24 29 ea
55" 3 691 32.1 0.34˚ 6.53 8.24 36 ea
한편, UV LD(130)에서 출사되는 레이저 빔(L)은 좁은 빔 폭을 가지는데 반하여, 발광체(140)를 통과할수록 빔 폭은 점점 좁아지기 때문에 많은 수의 발광체(140)에 빔을 조사하여 휘도를 향상시키기 위해서는 레이저 빔의 폭을 최대로 할 필요성이 있다. 이를 위해서 본 발명의 발광 구조물(100)에서는 레이저 빔의 폭을 넓히기 위한 진동체(131)와 진동 미러(132)가 구비된다.
즉, 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, UV LD(130), 진동체(131) 및 진동 미러(132)가 하나의 광원 모듈(130')을 이루며, 광원 모듈(130')에 의하여 확대된 빔 폭의 레이저 빔이 발광체(140)를 향하여 조사된다. 여기서, 진동체(131)는 수평으로 왕복 진동하는 바이브레이터(vibrator)로 구성될 수 있으며, 진동 미러(132)는 진동체(131)의 일 측에 체결되어 진동체(131)의 축(131a)과 함께 소정의 폭(b)으로 왕복 진동한다. 이때, UV LD(130)는 진동 미러(132)를 향하여 레이저 빔을 조사하도록 배치되고, 진동 미러(132)는 UV LD(130)에서 출사되는 레이저 빔(L)이 소정의 입사각(α)으로 미러 사이를 진행하도록 비스듬히 경사를 이루면서 체결된다. 이러한 광원 모듈(130')에 의하여 UV LD(130)에서 출사되는 레이저 빔(L)의 빔 폭을 진동 미러(132)의 왕복 진동 폭(b) 만큼 확장시킬 수 있다.
또한, UV LD(130)는 LED에 비하여 많은 열이 발생하는데, 왕복 진동하는 진동 미러(132)는 UV LD(130)의 열 방출에 기여한다. 진동 미러(132)의 평면은 소정의 면적을 이루고, UV LD(130)를 향하여 왕복 진동한다. 이때, 진동 미러(132)는 왕복 진동으로 그 평면적에 해당하는 공기를 반복적으로 밀거나 당김으로써, UV LD(130) 주위의 공기를 강제 순환시킨다. 이러한 공기의 강제 순환은 결국 UV LD(130)에서 발생하는 열을 외부로 신속히 방출시키게 된다.
상기와 같은 구조의 광원 모듈(130')에서는 진동체(131)에 체결된 진동 미러(132)를 이용하여 레이저 빔(L)의 입사각(α)을 용이하게 조절할 수 있으며, 진동 폭의 조절에 따른 빔 퍼짐 폭을 자유롭게 결정할 수 있고, UV LD(130)에서 발생하는 열을 식혀주는 다양한 효과를 나타낸다.
도 11는 본 발명의 다른 실시예에 따른 백라이트 장치를 나타낸 분리 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 백라이트 장치는 발광 구조물(100)을 다수개 배열하여 대화면의 백라이트 장치를 구현한다.
발광 구조물(100)은 가로 및 세로 방향으로 다수개 배열될 수 있으며, 이러한 구조에서는 각 발광 구조물(100)의 개별 구동에 의하여 스캐닝(scanning)이나 디밍(dimming) 효과를 구현할 수 있다. 특히, 발광 구조물(100)의 세로 방향 폭(w)을 최소로 하는 경우 단위 면적당 상대적으로 많은 양의 발광체를 형성할 수 있으므로, 높은 휘도에 의하여 스캐닝 및 디밍 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100 : 발광 구조물 200 : 커버버텀
300 : 가이드 패널
110 : 기판 120 : 미러(Mirror)
130 : UV LD 130' : 광원 모듈
131 : 진동체 132 : 진동 미러
140 : 발광체

Claims (4)

  1. 판 상의 기판;
    상기 기판의 양 측부에서 서로 마주하도록 배치되는 적어도 한 쌍의 미러(Mirror);
    일 측의 미러 측부에 배치되어 타 측의 미러를 향하여 수평 입사각을 갖도록 레이저 빔을 조사하는 UV LD; 및
    RGB 형광체가 혼합된 수지가 상기 기판 상에서 상기 레이저 빔의 진행 경로를 따라 형성되는 복수개의 발광체;를 포함하는 발광 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 UV LD는,
    진동체;와,
    상기 진동체에 의하여 전후방으로 진동하는 진동 미러(Vibrator Mirror);를 포함하는 모듈을 이루며,
    상기 진동 미러를 향하여 레이저 빔을 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 구조물.
  3. 기판, 상기 기판의 양 측부에서 서로 마주하도록 배치되는 한 쌍의 미러, 일 측의 미러 측부에 배치되어 타 측의 미러를 향하여 레이저 빔을 조사하는 UV LD 모듈, 및 RGB 형광체가 혼합된 수지가 상기 기판 상에 상기 레이저 빔의 진행 경로를 따라 도포되어 형성된 발광체가 구비된 발광 구조물;을 포함하는 백라이트 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 발광 구조물은,
    대화면을 구현하기 위하여 가로 및 세로 방향으로 다수개 배열되는 것을 특징으로 하는 백라이트 장치.
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