KR101713276B1

KR101713276B1 - 측면 방출 렌즈 및 이를 이용한 엘이디 백라이트 유닛

Info

Publication number: KR101713276B1
Application number: KR1020160001549A
Authority: KR
Inventors: 박홍균
Original assignee: 주식회사 옵티움
Priority date: 2016-01-06
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2017-03-09

Abstract

본 발명은 백라이트 유닛에 이용되는 측면 방출 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 돔 형태의 렌즈 본체의 중앙 부분에 관통 구멍이 형성되고, 상기 관통 구멍에 역원추형상의 반사체가 삽입되어 있는 측면 방출 렌즈 및 이러한 측면 방출 렌즈를 포함하여 구성되는 LED 백라이트 유닛에 관한 것이다.

Description

측면 방출 렌즈 및 이를 이용한 엘이디 백라이트 유닛{SIDE EMITTING LENS AND LED BACK LIGHT UNIT USING THE SAME}

최근 몇 년간 평판형 디스플레이(FPD: Flat Panel Display) 분야에서 액정 디스플레이 장치(LCD: Liquid Crystal Display)의 약진이 두드러져 왔다. 액정 디스플레이 장치는 전통적으로 사용되어 왔던 중소형 디스플레이 분야뿐 아니라 소형 모바일 디스플레이나 대형 텔레비전, 실외용 스크린 분야에서도 핵심 소자로 각광받고 있다. 그렇지만, 브라운관(CRT: Cathode Ray Tube), 플라즈마 디스플레이(PDP: Plasma Display Panel), 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode) 디스플레이 등의 자발광 디스플레이와는 달리 액정 디스플레이 장치는 스스로 빛을 낼 수 없는 비자발광 또는 수광형 디스플레이로서 자체적으로 빛을 내지 못하므로 영상을 출력하기 위해서는 별도의 광원을 필요로 한다. 백라이트 유닛(BLU: Back Light Unit)은 액정 디스플레이 장치의 화면 후방에 빛을 공급해주는 광원 장치의 일종으로서 영상의 휘도, 색 재현도, 시야각, 명암비, 가독성 등 영상 품질과 소비 전력, 제품 수명 등에 직접적인 영향을 끼칠 뿐 아니라 액정 디스플레이 장치 전체 단가의 약 20~50%를 차지하는 핵심 부품이다.

백라이트 유닛은 광원의 배치 형태에 따라 크게 직하형(direct-lit)과 엣지형(edge-lit)으로 분류된다. 직하형은 화면의 직후방에 광원이 배치되어 액정 패널 방향으로 빛을 출사하는 반면, 엣지형은 화면의 가장자리에 광원이 배치되어 측방으로 빛을 출사하며 도광판이 액정 패널 방향으로 빛이 조사되도록 유도한다. 직하형과 엣지형의 백라이트 유닛을 비교하면, 제품 두께나 비용 면에서 엣지형이 유리한 반면, 휘도, 명암비, 화면 균일도, 영상 재현력 등에서는 직하형이 강점을 가지는 것이 일반적이다.

종래에는 이러한 직하형 방식의 백라이트 광원으로 냉음극 형광 램프(cold cathode fluorescent lamp: CCFL)를 사용하였다. 하지만, 최근에는 고수명, 저전력소모, 경량화 및 박형화가 가능한 발광 다이오드(light emitting diode: LED) 램프의 사용이 증대되고 있는 실정이다. 발광 다이오드를 이용한 직하형 백라이트는 광 출사 방식에 따라 상부 방출(top emitting) 방식과 측면 방출(side emitting) 방식으로 구분된다. 상부 방출 방식이 발광 다이오드의 광 효율적인 측면에서 유리하기 때문에 일반적으로 사용되고 있으나, 상부 방출 방식의 발광 다이오드 백라이트는 광 분포 및 광 균일도가 측면 방출 방식에 비하여 떨어지는 단점이 있다.

도 1 은 종래기술에 따른 발광 다이오드를 이용한 직하형 액정 디스플레이 장치를 나타내는 개략적인 단면도이다.

도 1 에 도시된, 발광 다이오드를 백라이트로 적용한 종래기술에 따른 직하형 액정 디스플레이 장치는 회절렌즈를 사용하는 상부 방출 방식이고, LCD 패널(200) 아래에 순차적으로 배치된 광학 시트(300), 확산판(400), 회절렌즈(600), 발광 다이오드(700), 반사판(800) 및 커버 버텀(500)을 포함하여 이루어진다.

여기서 회절렌즈(600)은 발광 다이오드(700)로부터 출사된 광의 커버 영역을 넓히기 위해서 사용되는 것이다.

한편, 최근 액정 디스플레이 장치는 휴대용 컴퓨터는 물론 데스크톱 컴퓨터 모니터 및 벽걸이형 텔리비전 등 그 사용 영역이 점차 넓어지고 있는 추세로, 넓은 디스플레이 면적을 가지면서도 박형의 액정 디스플레이 장치에 대한 요구가 가장 강하고, 이에 따라 이에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

액정 디스플레이 장치를 박형으로 하기 위해서는 반사판(800)과 확산판(400) 사이의 간격(Optical Distance: 광학 거리)를 줄여야 한다. 그러나, 반사판과 확산판 사이의 광학 거리가 작을 경우 발광 다이오드(700)로부터의 광이 상기 발광 다이오드(700) 상부의 중앙으로 집중되는 특징으로 인해 상기 발광 다이오드에 대응되는 중앙부는 밝지만 그 주변이 어두운 발광 다이오드 무라(mura) 현상을 발생시키게 되고, 이는 휘도 감소 및 휘도 불균일에 의한 액정 디스플레이 장치의 표시 품질을 저하시키는 원인이 된다. 발광 다이오드 수를 증가시켜 발광 다이오드 무라 현상이 보이지 않도록 할 수 있으나, 이는 발광 다이오드 수의 증가에 따른 비용상승의 문제 및 방열 문제 등을 야기하게 된다.

따라서, 상부 방출 방식의 발광 다이오드 백라이트에 비해 광 분포 및 광 균일도가 우수한 측면 방출 방식의 발광 다이오드 백라이트를 제안하고, 측면 방출 방식의 구조적인 특징으로 인해 발생하는 광 손실을 최소화하여 광 효율을 높일 수 있는 측면 방출 렌즈에 대한 연구가 필요하다. 특히, 반사판과 확산판 사이의 광학 거리를 줄여 액정 디스플레이 장치의 슬림화 요구를 만족시킬 수 있는 새로운 측면 방출 렌즈가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 반사판과 확산판 사이의 광학 거리를 최소화하면서도 광 분포 및 광 균일도를 향상시킬 수 있는 측면 방출 렌즈를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 LED로부터의 광의 방사각을 넓혀 액정 디스플레이 장치에 사용되어야 하는 LED 모듈의 사용 개수를 줄이는 데 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들이 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 측면 방출 렌즈는 돔 형태로 형성되고, 그 중앙 부분에 관통 구멍이 형성된 렌즈 본체와, 상기 렌즈 본체의 관통 구멍에 삽입되는 역원추형상의 반사체로 이루어지고, 상기 렌즈 본체의 하면부에 도트 형상의 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 렌즈 본체의 중앙 부분에 형성된 관통 구멍은 상기 렌즈 본체의 상면 외주면으로부터 내주면을 향해 그 직경이 점차 줄어드는 제 1 부분과 상기 제 1 부분에서 하방으로 연장되어 상기 렌즈 본체의 하면부에 이르는 원통 형상의 제 2 부분으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 상기 반사체는 상기 관통 구멍의 상기 제 1 부분의 직경과 끼워 맞춰지도록 형성되고, 상기 관통 구멍의 상기 제 2 부분에서는 상기 반사체의 내부에 중심점을 가지는 소정의 곡률 반경으로 이루어지는 영역 1과 상기 반사체의 외부에 중심점을 가지는 소정의 곡률 반경으로 이루어지는 영역 2로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 반사체는 금속으로 이루어지고, 상기 반사체의 표면에 Ag, Al, Au의 금속막이 도금 또는 증착되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 렌즈 본체의 하면부에 형성된 도트 형상의 패턴은 소정 곡률 반경을 가지는 오목부이고, 상기 오목부는 상기 렌즈 본체의 중심부에서 가장 자리로 갈수록 밀해지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 돔 형태의 렌즈 본체는 회전 대칭형이고, 상기 측면 방출 렌즈의 광축에 수직으로 복수의 층으로 절단하였을 때, 상기 복수의 층의 적어도 일부의 곡률 반경이 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, LED 광원 및 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 방출 렌즈를 포함하여 구성되는 LED 백라이트 유닛을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 액정의 광 투과율을 이용하여 영상을 표시하는 액정 표시 패널 및 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 백라이트 유닛을 포함하여 구성되는 액정 디스플레이 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 LED로부터의 광이 최대한 넓고 균일하게 방사될 수 있기 때문에 LED 백라이트 유닛에 사용할 경우 반사판과 확산판 사이의 광학 거리를 최소화하면서도 광 분포 및 광 균일도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.

또한 LED 모듈의 방사각이 넓어지기 때문에 LED모듈의 사용개수를 줄일 수 있는 부차적인 효과도 있다.

도 1 은 종래기술에 따른 발광 다이오드를 이용한 직하형 액정 디스플레이 장치를 나타내는 개략적인 단면도이고,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 방출 렌즈의 개략 단면도이고,
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 방출 렌즈의 관통 구멍의 형상의 개념도이고,
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사체의 구성을 도시한 도면이고,
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 방출 렌즈의 하면부에 형성된 도트 형상 패턴을 예시하는 도면이고,
도 6 은 LED로부터의 지향각과 광 효율을 나타내는 곡선이고,
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 방출 렌즈을 통한 LED로부터의 광 강도를 시뮬레이션한 결과 값을 도시한 그래프이고,
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 방출 렌즈를 통한 LED로부터의 광 휘도 분포를 나타내는 도면이고,
도 9 는 종래기술에 따른 상부 방출 방식의 렌즈를 이용하는 경우의 LED로부터의 광 강도를 시뮬레이션한 결과 값을 도시한 그래프이고,
도 10 은 종래기술에 따른 상부 방출 방식의 렌즈를 이용하는 경우의 광 휘도 분포를 나타내는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 명세서에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 측면 방출 렌즈는 돔 형태의 렌즈 본체의 중앙 부분에 관통 구멍이 형성되고, 상기 관통 구멍에 역원추형상의 반사체가 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 측면 방출 렌즈의 개략 단면도를 도시하고 있는 도 2 에서 보는 바와 같이, 측면 방출 렌즈(100)는 돔 형상의 렌즈 본체(10), LED 로부터 출사되는 광을 반사하는 반사체(20)로 구성되어 있다.

렌즈 본체(10)는 전체적으로 돔 형상으로 형성되고, 굴절률이 1보다 큰 투명 재질의 수지 예를 들면, 굴절률이 약 1.5 정도의 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 에폭시 수지 또는 아크릴 수지 등으로 이루어진다. 렌즈 본체(10)의 중앙 부분에는 관통 구멍(30)이 형성되어 있다. 도 3 에 이러한 관통 구멍(30)의 형상을 보다 명확히 이해하기 위해 개념도가 도시되어 있다. 관통 구멍(30)은 렌즈 본체(10)의 상면 외주면으로부터 내주면을 향해 그 직경이 점차 줄어드는 제 1 부분(31)과 상기 제 1 부분에서 하방으로 연장되어 상기 렌즈 본체의 하면부에 이르는 원통형의 제 2 부분(32)으로 이루어져 있다. 즉, 제 1 부분(31)의 상면 직경이 하면 직경보다 크게 형성되어 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 관통 구멍을 형성하는 렌즈 본체(10)의 상면 외주면이 렌즈 본체의 돔 형상으로부터 약간 돌출되고 관통 구멍의 직경이 상기 제 1 부분보다 더 커지는 돌출부(33)를 포함하여 형성되어 있음을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반사체(20)는, 도 4 에서 보는 바와 같이, 상기 관통 구멍의 제 1 부분(31)에서는 상기 관통 구멍의 제 1 부분(31)에 끼워 맞춰지도록 형성되고, 상기 관통 구멍의 제 2 부분(32)에서는 상기 반사체의 내부에 중심점을 가지는 소정의 곡률 반경으로 이루어지는 영역 1(z1)과 반사체의 외부에 중심점을 가지는 소정의 곡률 반경으로 이루어지는 영역 2(z2)로 형성된다. 상기 반사체는 고반사율의 금속으로 이루어지고, 한정되지 않은 예로서 Suss, Al, Ag, Zn 등이 이용될 수 있다. 다른 실시예에서는, 반사체(20)의 표면의 반사율을 높이기 위해 상기 반사체(20)의 표면에 고반사율의 Al, Ag 등의 금속막이 증착되거나 도금될 수 도 있다.

렌즈 본체(10)의 하면부는 도 5 에서 보는 바와 같이, 도트 형상의 패턴이 배열되어 있다. 상기 도트 형상의 패턴은 반사체(20)로부터 반사되어 온 빛이 렌즈 본체(10)의 하면으로 소실되어 버리는 것을 최소화하고, 다시 반사체 또는 렌즈 본체의 측면으로 광을 산란시키는 기능을 한다. 상기 도트 형상의 패턴은 빛의 산란과 확산 및 반사를 유도하기 위해 다양한 직경, 폭, 크기를 가질 수 있으나, 대체로 수십 마이크로 미터 단위이다. 본 실시예에서는 0.1mm 반경의 오목부가 렌즈 내부로 돌출 형성된 것으로, 렌즈 본체의 중앙부로부터 가장 자리부로 갈수록 밀하게 배치되어 있다. 상기 렌즈 본체(10)의 하면부의 패턴의 형상과 배열은 렌즈 본체의 하면으로의 광 손실을 최소화하고 입사된 광의 광 산란을 최대화할 수 있도록 적절히 조정될 수 있고, 본 실시예로 한정되지 않음은 당업자에게 명확하다.

도 6 은 LED로부터의 지향각과 광 효율을 나타내는 곡선이다. 상기 곡선에서 보는 바와 같이 LED로부터의 빛의 약 80%가 0~60도 사이에 존재한다. 이와 같은 LED에 본원 발명과 같은 측면 방출 렌즈를 적용하게 되면 그 지향각이 넓어지게 됨을 알 수 있다.

도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 측면 방출 렌즈를 통한 LED로부터의 광 강도를 시뮬레이션한 결과 값을 도시한 그래프이다. LED가 위치한 영역을 기준(0도)으로 하여 보면 -90도 및 90도 근방에서 그 강도가 제일 높다. 또한 렌즈의 중심부 -70도에서 70도 내외에서 광의 경도는 거의 0에 가깝다. 이는 LED로부터 렌즈의 중심부로 향하는 광은 렌즈의 반사체를 통해 모두 렌즈의 측면 방향으로 진행하기 때문이다. 도 8 은 상기 측면 방출 렌즈를 통한 LED로부터의 광 휘도 분포를 나타내는 도면이다. 도면에서 보면 LED가 위치한 중심부와 가장 자리부의 휘도 분포가 거의 균일함을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 측면 방출 렌즈가 장착된 LED모듈은 LED모듈과 확산판 사이의 거리가 짧아도 충분히 LED로부터의 광을 충분히 측면 방향으로 출사시켜 광의 효율을 높히고 LED가 위치한 중심부와 가장 자리부의 색 균일성을 확보할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 측면 방출 렌즈에 의하면 LED모듈과 확산판 거리를 최소화하면서도 LED모듈로부터 출사되는 빛의 방출각을 넓히고 소정 영역에 있어서 광을 균일하게 할 수 있게 하는 이점이 있다.

종래기술에 따른 상부 방출 방식의 렌즈를 이용하는 경우의 LED로부터의 광 강도를 시뮬레이션한 결과 값을 도시한 그래프와 광 휘도 분포를 나타내는 도면인 도 9 과 도 10 이 본원 발명의 측면 방출 렌즈의 경우와 대비된다. 도 9 및 도 10 에 도시된 바와 같이 광 분포 및 색 균일성이 확보되지 않음을 알 수 있습니다. 특히, LED모듈과 확산판의 거리가 짧아지면 짧아질수록 이러한 문제점이 더욱 도드라질 것임을 알 수 있다.

상기에서 예시된 측면 방출 렌즈의 렌즈 본체, 관통 구멍, 반사체 등의 구체적인 형상, 직경 및 수치는 예로서 제시되어 있을 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 동일한 범위내에서 변형이나 변경이 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기 실시예에서 렌즈 본체가 돔 형상으로 제시되어 있으나, 반사체 및 렌즈 본체를 통한 광 경로를 고려하여 설계시 세부적으로 일부 수정이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 측면 방출 렌즈의 광축에 수직으로 복수의 층으로 절단하여, 각각의 층마다 외부 곡면의 곡률 반경을 독립적으로 구성할 수 있다. 이러한 구성은 전체적인 렌즈 본체의 형상은 돔이지만, 렌즈 본체의 외부 곡면의 곡률 반경을 각각의 층마다 달리하여 광 분포 및 광 균일도를 보다 더 향상시킬 수 있다.

본 발명의 측면 방출 렌즈는 LED 광원과 함께 LED 백라이트 유닛을 형성하고, 상기 LED 백라이트 유닛은 액정의 광 투과율을 이용하여 영상을 표시하는 액정 표시 패널과 함께 액정 디스플레이 장치를 구현할 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예들은, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

본 발명은 LED의 빛이 최대한 넓고 균일하게 방사될 수 있기 때문에 LED 백라이트 유닛에 사용하여 반사판과 확산판 사이의 광학 거리를 최소화하면서도 광 분포 및 광 균일도를 크게 향상시킬 수 있다.

Claims

측면 방출 렌즈로서,
돔 형태로 형성되고, 그 중앙 부분에 관통 구멍이 형성된 렌즈 본체와, 상기 렌즈 본체의 관통 구멍에 삽입되는 역원추형상의 반사체로 이루어지고,
상기 렌즈 본체의 하면부에 도트 형상의 패턴이 형성되어 있고,
상기 관통 구멍은 상기 렌즈 본체의 상면 외주면으로부터 내주면을 향해 그 직경이 점차 줄어드는 제 1 부분과 상기 제 1 부분에서 하방으로 연장되어 상기 렌즈 본체의 하면부에 이르는 원통 형상의 제 2 부분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 측면 방출 렌즈.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 반사체는 상기 관통 구멍의 상기 제 1 부분의 직경과 끼워 맞춰지도록 형성되고, 상기 관통 구멍의 상기 제 2 부분에서는 상기 반사체의 내부에 중심점을 가지는 소정의 곡률 반경으로 이루어지는 영역 1과 상기 반사체의 외부에 중심점을 가지는 소정의 곡률 반경으로 이루어지는 영역 2로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 측면 방출 렌즈.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 반사체는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 측면 방출 렌즈.
제 4 항에 있어서,
상기 반사체의 표면에 Ag, Al, Au의 금속막이 도금 또는 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 측면 방출 렌즈.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 하면부에 형성된 도트 형상의 패턴은 소정 곡률 반경을 가지는 오목부이고, 상기 오목부는 상기 렌즈 본체의 중심부에서 가장 자리로 갈수록 밀해지는 것을 특징으로 하는 측면 방출 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 돔 형태의 렌즈 본체는 회전 대칭형이고, 상기 측면 방출 렌즈의 광축에 수직으로 복수의 층으로 절단하였을 때, 상기 복수의 층의 적어도 일부의 곡률 반경이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 측면 방출 렌즈.
LED 광원 및
상기 LED 광원을 측면으로 방출시키는 제 1 항 또는 제 3 항에 따른 측면 방출 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 LED 백라이트 유닛.
액정의 광 투과율을 이용하여 영상을 표시하는 액정 표시 패널 및
상기 액정 표시 패널에 광을 조사하는 제 8 항에 따른 LED 백라이트 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.