KR101861233B1 - 발광유닛 어레이 및 그에 적합한 광 확산 렌즈 - Google Patents

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Abstract

타겟면 아래에 매트릭스 형태로 배열된 발광유닛들을 포함하는 발광유닛 어레이가 개시된다. 이 어레이에서, 상기 발광유닛들 각각은 중심축을 갖는 광 확산 렌즈 및 상기 광 확산 렌즈 아래에 위치한 엘이디를 포함하며, 상기 발광유닛들은 상기 중심축과 직각을 이루는 일 축 방향으로 기다란 형상의 광 패턴들을 상기 타겟면에 형성하며, 상기 광 패턴들 각각은 중앙 영역과 상기 중앙 영역보다 조도가 작은 주변 영역들을 포함하고, 상기 중앙 영역은 하나의 광 패턴에만 의존하며, 상기 주변 영역들 각각에서는 복수의 광 패턴들이 중첩한다.

Description

발광유닛 어레이 및 그에 적합한 광 확산 렌즈{LIGHT EMITTING UNIT ARRAY AND LIGHT DIFFUSING LENS ADJUSTABLE FOR THE SMAE}

본 발명은 발광유닛 어레이 및 그에 적합한 광 확산 렌즈에 관한 것으로서, 특히, 면 조명 또는 액정 디스플레이의 백라이트용으로 적합한 발광유닛 어레이에 관한 것이다.

액정패널 또는 광 확산판 등과 같은 대략 평판형 객체 아래에 일정 간격으로 복수의 엘이디를 배치하여 해당 객체를 조명하는 직하형 백라이팅 유닛이 면 조명 또는 액정 디스플레이의 백라이트용으로 이용되고 있다. 복수의 엘이디만으로 객체를 균일하게 조명하기 위해서는, 많은 개수의 엘이디를 조밀하게 배열해야 하며, 이에 따라 전력 소모가 증가한다. 나아가, 엘이디들 사이에 품질 편차가 있을 경우, 객체가 불균일하게 백라이팅된다. 엘이디의 사용 개수를 줄이기 위해, 각 엘이디에 광 확산 렌즈를 배치하여 광을 분산시키는 기술이 사용될 수 있다. 이 기술에 있어서는 광 확산 렌즈 및 그에 대응되는 적어도 하나의 엘이디가 하나의 발광유닛을 구성한다.

종래의 광 확산 렌즈는 입광부와 출광부 모두가 중심축에 대하여 축 대칭(axis symmetry) 구조를 갖는다. 이와 같은 광 확산 렌즈를 엘이디와 함께 이용하는 발광유닛은, 도 1에 도시한 바와 같이, 원형의 광 패턴(Lp)을 타겟면에 형성한다. 타겟면 아래에 여러 개의 발광유닛들을 일정 간격으로 배열하면, 타겟면에는 인접한 두개의 광 지향 패턴(Lp, Lp) 사이에 광이 서로 교차하는 밝은 부분들(Wp)이 생기고 인접한 네개의 광 지향 패턴(Lp, Lp, Lp, Lp) 사이에 광이 거의 조사되지 않는 어두운 부분(Bp)들이 생긴다.

또한, 이와 같은 어두운 부분들을 줄이고, 조도의 균일도를 높이기 위해, 광 확산 렌즈를 포함하는 발광유닛들을 불규칙하게 배열하는 것이 고려된 바 있는데, 이 경우, 발광유닛들에 의한 전체 광 패턴의 외곽 부분에서 조도 분포 조절이 어렵다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 타겟면에서 균일한 조도 분포를 만들 수 있는 발광유닛들의 어레이를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 발광유닛 어레이 각각의 발광유닛에 적용될 때 타겟면에서 균일한 조도 분포에 기여할 수 있는 광 확산 렌즈를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 발광유닛 어레이는 타겟면 아래에 매트릭스 형태로 배열된 발광유닛들을 포함한다. 상기 발광유닛들 각각은 중심축을 갖는 광 확산 렌즈 및 상기 광 확산 렌즈 아래에 위치한 엘이디를 포함한다. 상기 발광유닛들은 상기 중심축과 직각을 이루는 일 축 방향으로 기다란 형상의 광 패턴들을 상기 타겟면에 형성한다. 상기 광 패턴들 각각은 중앙 영역과 상기 중앙 영역보다 조도가 작은 주변 영역들을 포함하고, 상기 중앙 영역은 하나의 광 패턴에만 의존하며, 상기 주변 영역들 각각에서는 복수의 광 패턴들이 중첩한다.

일 실시예에 따라, 상기 주변 영역들은 장축 방향으로 대칭을 이루는 한 쌍의 제1 측방 영역과, 단축 방향으로 대칭을 이루는 한 쌍의 제2 측방 영역과, θ축(θ = tan-1(y/x)) 방향으로 대칭을 이루는 4개의 코너 영역들을 포함하며, 상기 제1 측방 영역 및 상기 제2 측방 영역 각각에서는 2개의 인접하는 패턴이 중첩하고, 상기 코너 영역들 각각에서는 4개의 인접하는 광 패턴들이 중첩할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 주변 영역들 각각에서의 광 패턴들의 중첩에 의한 조도는 상기 중앙 영역의 단일 광 패턴에 의한 조도의 70 ~ 130 %일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 광 확산 렌즈는 하부의 오목한 입광부와 상부의 출광면을 포함하며, 상기 출광면의 외곽 형상은 상기 중심축과 직각을 이루는 장축을 가지며 상기 중심축에 대하여 180도 회전 대칭 형상일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 광 확산 렌즈는 하부의 오목한 입광부와 상부의 출광면을 포함하며, 상기 입광부는 상기 중심축과 직각을 이루는 장축을 가지며 상기 중심축에 대하여 180도 회전 대칭 형상일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 광 확산 렌즈는 하부의 오목한 입광부와 상부의 출광면을 포함하며, 상기 입광부와 상기 상기 출광면의 외곽 형상 각각은 중심축과 직각을 이루는 장축을 가지며 180도 회전 대칭 형상이며, 상기 외곽 형상의 장축과 상기 입광부의 장축은 직각으로 교차할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 엘이디는 상기 입광부의 장축과 나란한 장축을 가지며, 상기 장축을 따라 형성된 기다란 발광면을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 엘이디는 상기 중심축에 대해 대칭을 이루는 한 쌍의 발광 다이오드 칩이 상기 엘이디의 장축을 따라 배열될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 입광부의 입구 영역은 직사각형, 타원형 또는 모서리가 라운딩된 직사각형 형상을 가질 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 입광부는 일 축 방향을 따른 오목부의 단면 형상이 상기 중심축에 대해 대칭이며 측면이 직선인 사다리꼴 형상 또는 측면이 곡선인 사다리꼴 형상일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 일 축 방향에 직교하는 방향을 따른 오목부의 단면 형상은 중심축에 대해 대칭이며 측면이 직선인 사다리꼴 형상 또는 측면이 곡선인 사다리꼴 형상일 수 있다.

일 실시예에 따라, 출광면의 외곽 형상은 상기 중심축에 대해 축 대칭 구조를 가질 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 출광면은 두개의 반구를 중첩시킨 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 발광유닛 어레이의 각 발광유닛에 적합한 광 확산 렌즈가 제공된다. 이 렌즈는 엘이디의 광을 받아 상기 광 확산 렌즈의 중심축과 직각을 이루는 일 축 방향으로 기다란 형상의 광 패턴을 상기 타겟면에 형성한다. 상기 광 패턴들 각각은 중앙 영역과 상기 중앙 영역보다 조도가 작은 주변 영역들을 포함한다. 상기 광 확산 렌즈는 입광부와 출광면을 포함하고, 상기 입광부와 상기 출광면 중 적어도 하나는 상기 중심축에 대하여 180도 회전 대칭 형상을 갖는다.

일 실시예에 따라, 상기 출광면의 외곽 형상은 상기 중심축과 직각을 이루는 장축을 가지며 상기 중심축에 대하여 180도 회전 대칭 형상일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 입광부는 상기 중심축과 직각을 이루는 장축을 가지며 상기 중심축에 대하여 180도 회전 대칭 형상일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 입광부와 상기 상기 출광면의 외곽 형상 각각은 중심축과 직각을 이루는 장축을 가지며 180도 회전 대칭 형상이며, 상기 외곽 형상의 장축과 상기 입광부의 장축은 직각으로 교차할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 입광부의 입구 영역은 직사각형, 타원형 또는 모서리가 라운딩된 직사각형 형상을 가질 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 입광부는 일 축 방향을 따른 오목부의 단면 형상이 상기 중심축에 대해 대칭이며 측면이 직선인 사다리꼴 형상 또는 측면이 곡선인 사다리꼴 형상일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 일 축 방향에 직교하는 방향을 따른 오목부의 단면 형상은 중심축에 대해 대칭이며 측면이 직선인 사다리꼴 형상 또는 측면이 곡선인 사다리꼴 형상일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 출광면의 외곽 형상은 상기 중심축에 대해 축 대칭 구조를 가질 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 출광면은 두개의 반구를 중첩시킨 형상을 갖는 광 확산 렌즈.

본 발명에 따르면, 일 축 방향으로 기다란 광 패턴을 타겟면에 형성하는 발광유닛들의 어레이에 의해, 상기 타겟면에 거의 균일한 조도 분포를 만들 수 있으며, 이에 의해, 균일한 조도 분포를 갖는 면 조명 또는 액정 디스플레이의 구현이 가능하다.

도 1은 종래기술을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 발광유닛이 소정 타겟면 상에 광 패턴을 형성하는 것을 설명하기 위한 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 발광유닛을 포함하는 발광유닛 어레이 및 이 발광유닛 어레이에 의한 전체 광 패턴을 설명하기 위한 도면.
도 4a 및 도 4b 각각은 축 대칭 구조를 갖는 종래 단일 발광유닛의 광 패턴 조도 분포와 지향각 분포를 보여주는 도면.
도 5a와 도 5b 각각은 180도 회전 대칭이자 축 비대칭 구조를 갖는 본 발명에 따른 단일 발광유닛의 광 패턴 조도 분포와 지향각 분포를 보여주는 도면.
도 6a와 도 6b 각각은 도 4a 및 도 4b에 도시된 조도 분포 및 광 지향 분포를 갖는 종래 발광유닛들을 규칙적으로 어레이한 경우 전체 광 패턴의 조도 분포와, 종래 발광유닛들을 비규칙적으로 어레이한 경우 전체 광 패턴의 조도 분포를 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따라 도 5a 및 도 5b에 도시된 조도 분포 및 광 지향각 분포를 제공하는 발광유닛을 15세트로 배열한 발광유닛 어레이의 조도 분포를 보여주는 도면.
도 8은 전술한 본 발명의 발광유닛 어레이에 적용될 수 있는 발광유닛의 일 실시예를 도시한 사시도.
도 9는 도 8의 발광유닛의 단면도들로서, (a)는 장축(y) 방향을 따라 취해진 단면도이고, (b)는 단축(x) 방향을 따라 취해진 단면도.
도 10은 본 발명의 발광유닛에 적용될 수 있는 엘이디의 한 예를 설명하기 위한 사시도.
도 11 및 도 14는 본 발명의 발광유닛의 광 확산 렌즈에 적용될 수 있는 입광부의 실시 형태들을 설명하기 위한 도면들.
도 15 본 발명의 다른 실시예예 따른 발광유닛을 설명하기 위한 분해사시도.
도 16의 (a) 및 (b)는 도 15에 도시된 발광유닛을 서로 교차하는 두 방향으로 각각 절단하여 도시한 단면도들.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 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 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 발광유닛이 소정 타겟면 상에 만들어 낼 수 있는 광의 패턴을 개념적으로 보여준다. 발광유닛(1) 각각은 엘이디와 광 확산 렌즈를 포함한다. 상기 발광유닛(1)은 상기 광 확산 렌즈의 중심축에 대하여 축 대칭은 아니지만 180도 회전 대칭인, 대략 직사각형 또는 타원형과 유사한 형상의 광 패턴을 소정 타겟면 상에 형성한다. 이러한 광 패턴은 광 확산 렌즈의 중심축과 직각을 이루는 x축(단축)과 y축(장축)을 동일 평면 상에 갖는다. 또한, 상기 광 패턴은 상기 동일 평면 상에서 x축과 y축 사이에 θ = tan-1(y/x)로 정의되는 방향의 대각선 축(또는,θ축)을 갖는다. 이 경우, x축 방향의 조도 분포, y축 방향의 조도 분포, 그리고 대각선 축 방향의 조도 분포가 다르게 나타난다.

도 2에서는 발광유닛(1) 및 그에 의한 광 패턴(Lp)을 완전한 직사각형으로 도시하였지만, 실제 광 패턴은 라운드들을 갖는 직사각형 또는 타원형 등과 같이 y축 방향으로 기다란 다양한 형상을 가질 수 있다.

광 패턴(Lp)을 조도에 따라 9개의 영역으로 나누고, 부호 Ao1, Ax2, Ay2, Az3을 부여하였다. Ao1은 조도 또는 광 세기가 가장 큰, 직사각형의 중앙 영역을 지시한다. Ay2는 중앙 영역(Ao1)을 기준으로 y축 방향으로 대칭을 이루는 한 쌍의 제1 측방 영역(Ay2)를 지시하며, Ax2는 중앙 영역(Ao1)을 기준으로 x축 방향으로 대칭을 이루는 한 쌍의 제2 측방 영역(Ax2)을 지시한다. 제1 측방 영역(Ay2) 각각은, 상기 중앙 영역(Ao1) 다음으로 광이 많이 집중되는 영역이며, 제2 측방 영역(Ax2) 각각은 제1 측방 영역(Ay2) 다음으로 광이 집중되는 영역이다. Az3는 중앙 영역(Ao1)을 기준으로 45도 대각선 축 방향으로 대칭을 이루는 4개의 코너 영역(Az3)을 지시한다. 코너 영역(Az3)에 가장 많은 광이 집중된다.

도 3은 도 2에 도시된 발광유닛을 포함하는 발광유닛 어레이 및 이 발광유닛 어레이에 의한 전체 광 패턴을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 전술한 것과 같은 발광유닛(1)이 2행 2열로 배열되어 있는 발광유닛 어레이를 볼 수 있다. 더 많은 개수의 발광유닛들이 N행 n열(N 및 n은 2 이상의 정수)로 배열된 발광유닛 어레이가 본 발명의 범위 내에 있으며, 단지 설명의 편의를 위해, 2행 2열로 배열된 발광유닛 어레이를 예로서 설명한다.

발광유닛(1)들 각각은 엘이디와 광 확산 렌즈를 포함하며(도 8, 9, 15 및 16 참조), 이때, 4개의 발광유닛(1, 1, 1, 1)에 의해 4개의 광 패턴(Lp, Lp, Lp, Lp)이 수직 방향으로 상기 발광유닛과 일정거리 떨어진 소정 타겟면에 형성된다.

하나의 발광유닛(1)에 의한 광 패턴의 중앙 영역(Ao1)은 다른 발광유닛의 광 패턴과 중첩됨 없이 해당 발광유닛(1)으로부터의 광에 90% 이상, 이상적으로는 100% 의존한 조도를 갖는다.

또한, 서로 인접하는 두 발광유닛의 광 패턴들이 두 제1 측방 영역(Ay2, Ay2)에서 중첩하며, 이 중첩에 의해, 상기 두 제1 측방 영역(Ay2, Ay2)에서의 조도는 중앙 영역(Ao1)의 조도와 거의 비슷해질 수 있다. 또한, 서로 인접하는 두 발광유닛의 광 패턴들이 두 제2 측방 영역(Ax2, Ax2)에서 중첩하며, 이 중첩에 의해, 상기 두 제2 측방 영역(Ax2, Ax2)에서의 조도도 중앙 영역(Ao1)의 조도와 비슷해질 수 있다.

또한, 4개의 발광유닛의 광 패턴들이 네개의 코너 영역(Az3, Az3, Az3, Az3)에서 중첩하며, 이 중첩에 의해 상기 네개의 코너 영역(Az3, Az3, Az3, Az3) 각각에서 조도가 중앙 영역(Ao1)의 조도와 비슷해질 수 있다.

소정 타겟면에는 전술한 발광유닛(1)들에 의해 일 축 방향으로 기다란 개개의 광 패턴들이 하나의 큰 통합 광 패턴을 빈틈 없이 형성하고, 이 통합 광 패턴에서 조도나 광 세기가 중앙 영역에 비해 상대적으로 작은 복수의 제1 측방 영역들 및 제2 측방 영역들 각각과 복수의 코너 영역들 각각이 이웃하는 다른 광 패턴의 동일 영역들과 중첩하므로 소정 타겟면의 전체 광 패턴은 조도 분포가 좀더 균일해질 수 있다.

대략 직사각형 또는 타원형과 같이 렌즈 중심축에 대해 180도 회전 대칭인 광 패턴(Lp)들이 타겟면에 배열되기 때문에, 그 광 패턴의 측방 영역 또는 코너 영역을 이웃하는 광 패턴의 측방 영역 또는 코너 영역과 중첩하는 방식으로 더 어두운 부분 또는 더 밝은 부분이 형성되는 것을 방지하거나 최소화할 수 있다. 따라서, 소정 타겟면에서 균일한 조도를 갖는 면 광원 또는 직하형 백라이트를 쉽게 구현할 수 있다.

도 4a와 도 4b 각각은 렌즈의 중심축에 대하여 축 대칭 구조를 갖는 종래 단일 발광유닛의 광 패턴 조도 분포와 곽 지향각 분포를 보여주며, 도 5a와 도 5b 각각은 렌즈의 중심축에 대하여 180도 회전 대칭이되 축 대칭은 아닌 본 발명에 따른 단일 발광유닛의 광 패턴 조도 분포와 지향각 분포를 보여준다.

먼저 도 4a를 참조하면, 축 대칭 구조의 렌즈를 포함하는 종래 발광유닛을 이용하는 경우, 전술한 중심축과 직각을 이루는 동일 평면 상의 모든 축 방향으로 조도 분포가 대칭적인 원형의 광 패턴이 타겟면에 형성된다. 도 4a에서 상기 모든 축 방향 중 x축 방향과 y축 방향만을 도시하였지만, 원형인 광 패턴으로부터 모든 축 방향으로 조도 분포가 대칭적이다는 것은 쉽게 이해할 수 있을 것이며, 이러한 광 패턴은 중심축에 대하여 축 대칭인 광 패턴이다. 또한, 도 4b를 참조하면, 중심축으로부터 78도 부근에서 광도 피크를 갖는 지향각 분포 패턴을 볼 수 있으며, 이 지향각 분포 패턴은 중심축과 직각을 이루는 동일 평면 상의 모든 축 방향으로 동일하다. 즉, 종래 발광유닛 이용시 축방향과 관계 없이 지향각 분포 패턴은 항상 동일하다.

다음 도 5a를 참조하면, 중심축에 대하여 축 대칭이 아니고 180도 회전 대칭인 광 확산 렌즈를 포함하는 발광유닛을 이용하는 경우, 광 확산 렌즈의 중심축과 직각을 이루는 동일 평면 상의 x축, y축 및 θ축(θ = tan-1(y/x))의 조도 분포가 다르게 된다. 그리고, 이러한 조도 분포의 광 패턴은 중심축에 대해 180도 회전 대칭인 대략 직사각형 또는 타원형으로 이루어진다.

또한, 5b를 참조하면, 광도 피크가 다른 3개의 광 지향각 분포 패턴을 볼 수 있다. 3개의 광 지향각 분포 패턴 중 광도 피크가 크게 나타나는 패턴은 장축인 y축 방향 패턴이며, 다음으로 θ축 방향 패턴이며, 단축인 x축 방향 광 지향각 분포 패턴에서 광도 피크가 가장 작게 나타나다. 도 5b에 보이는 3개의 광 지향각 분포 패턴 모두 70도 내지 80도 부근에서 광도 피크를 갖는다. 도 5b로부터, 축 대칭이 아닌 180도 회전 대칭의 광 확산 렌즈 이용시, x축 방향, y축 방향 및 θ축 방향의 광 지향각 분포 패턴이 모두 상이한 광 지향각 분포가 생김을 알 수 있다.

도 6a는 도 4a 및 도 4b의 조도 분포와 지향각 분포를 갖는 종래 발광유닛들을 규칙적으로 어레이한 경우 통합 광 패턴의 조도 분포를 보여준다. 또한, 도 6b는 도 4a 및 도 4b의 조도 분포와 지향각 분포를 갖는 종래 발광유닛들을 비규칙적으로 어레이한 경우 통합 광 패턴의 조도 분포를 보여준다. 도 7은 도 5a의 조도 분포와 도 5b의 지향각 분포를 갖는 본 발명에 따른 발광유닛을 15세트로 배열한 발광유닛 어레이의 조도 분포를 보여준다.

도 6a를 참조하면, 규칙적으로 배열된 축 대칭 발광유닛의 광 패턴들은 타겟면에 형성되는 휘선과 암부로 인해 불규칙한 조도 분포를 갖는다. 도 6b 를 참조하면, 중심축에 대해 축 대칭인 발광유닛을 비규칙적으로 배열하여 휘선과 암부를 어느 정도 줄일 수 있지만, 그 줄이는 정도에 한계가 있고 통합 광 패턴의 외곽 조도를 조절하는 것이 어렵게 된다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따르는 발광유닛 어레이는, 중심축에 대하여 축 대칭은 아니지만 180도 회전 대칭 구조를 갖는 광 확산 렌즈를 포함하는 발광유닛들 및 그에 따른 180도 회전 대칭 광 패턴들의 특정 배열을 통해 휘선과 암부가 거의 없는 균일한 조도 분포를 얻을 수 있다. 이러한 균일한 조도 분포는 발광유닛 어레이를 구성하는 발광유닛 각각이 도 5a 및 도 5b에 보이는 것과 같은 조도 분포 및 지향각 분포를 가짐으로써 가능하다.

본 명세에서, 조도 분포가 균일하다는 것은 확산판과 같이 광 확산을 위한 별도의 광학 장치가 없는 경우 광 균일도가 70% 이상인 경우를 의미하고, 렌즈 이외에 확산판 등과 같이 광 확산에 기여하는 별도의 장치가 있는 경우 광 균일도가 80% 이상인 경우를 의미한다.

또한, 상기 발광유닛 어레이에 의한 상기와 같은 균일한 조도 분포는 광 패턴 각각의 중앙 영역의 조도와, x축 방향 및 y축 방향으로 인접해 있는 두 광 패턴이 중첩해서 생기는 제 및 제2 측방 영역들의 조도와, 4개의 광 패턴이 중첩해서 생기는 코너 영역들의 조도를 거의 비슷하게 함으로써 얻을 수 있다.

전술한 것과 같이 중심축에 대해 180도 회전 대칭인 광 패턴을 타겟면에 형성할 수 있는 본 발명의 여러 실시예들에 따른 발광유닛에 대해 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광유닛을 설명하기 위한 개략적인 사시도이고, 도 9는 도 8의 발광유닛의 단면도들로서, (a)는 장축(y) 방향을 따라 취해진 단면도이고, (b)는 단축(x) 방향을 따라 취해진 단면도이다. 한편, 도 10은 상기 발광유닛에 사용되는 엘이디의 한 예를 설명하기 위한 사시도이다.

도 8 및 9를 참조하면, 상기 발광유닛은 인쇄회로기판(10) 상에 엘이디(20) 및 광 확산 렌즈(30)를 포함한다. 인쇄회로기판(10)은 일부가 도시되어 있지만, 실제로는 하나의 인쇄회로기판(10) 상에 복수의 엘이디(20)가 매트릭스 형상으로 배열된다.

상기 인쇄회로기판(10)은 상기 엘이디(20)의 단자들이 본딩되는 도전성의 랜드 패턴들을 상면에 포함한다. 또한, 상기 인쇄회로기판(10)은 상면에 반사막을 포함할 수 있다. 상기 인쇄회로기판(10)은 열전도성이 좋은 금속을 기반으로 하는 MCPCB(Metal-Core PCB)일 수 있으며, FR4와 같은 절연성 기판 재료를 기반으로 할 수도 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 인쇄회로기판(10)의 하부에는 엘이디(20)에서 발생된 열을 방출하기 위해 히트싱크가 배치될 수 있다.

상기 엘이디(20)는, 도 10에 잘 도시된 바와 같이, 하우징(21)과, 상기 하우징(21) 상에 실장된 발광다이오드 칩(23) 및 상기 발광다이오드 칩(23)을 덮는 파장변환층(25)을 포함할 수 있다. 상기 엘이디(20)는 또한 상기 하우징(21)에 지지된 리드 단자들(도시하지 않음)을 포함한다.

한편, 패키지 몸체를 구성하는 상기 하우징(21)은 PA 또는 PPA 등과 같은 플라스틱 수지를 사출 성형하여 만들어질 수 있다. 이 경우, 하우징(21)은 사출 성형 공정에 의해 리드 단자들을 지지하는 상태로 성형될 수 있으며, 또한 발광다이오드 칩(23)을 실장하기 위한 캐비티(21a)를 가질 수 있다. 상기 캐비티(21a)는 엘이디(20)의 광 출사 영역을 정의한다.

리드 단자들은 하우징(21) 내에서 서로 이격되게 배치되며, 하우징(21) 외부로 연장되어 인쇄회로기판(10) 상의 랜드 패턴에 본딩된다.

상기 발광다이오드 칩(23)은 상기 캐비티(21a) 바닥에 실장되어 리드 단자들에 전기적으로 연결된다. 상기 발광다이오드 칩(23)은 자외선 또는 청색광을 방출하는 질화갈륨 계열의 발광다이오드일 수 있다.

한편, 파장변환층(25)이 상기 발광다이오드 칩(23)을 덮는다. 일 실시예에서, 상기 파장변환층(25)은 발광다이오드 칩(23)을 실장한 후, 형광체를 함유하는 몰딩수지로 캐비티(21a)를 채워 형성될 수 있다. 이때, 파장변환층(25)은 하우징(21)의 캐비티(21a)를 채우고 상면이 실질적으로 평평하거나 또는 볼록할 수 있다. 또한, 파장변환층(25) 상에 렌즈 형상을 갖는 몰딩 수지가 더 형성될 수도 있다.

다른 실시예에서, 컨포멀한 형광체 코팅층이 형성된 발광다이오드 칩(23)이 하우징(21) 상에 실장될 수 있다. 즉, 발광다이오드 칩(23) 상에 형광체의 컨포멀 코팅층을 적용하고, 이 형광체 코팅층을 갖는 발광다이오드 칩(23)을 하우징(21) 상에 실장할 수 있다. 상기 컨포멀 코팅층을 갖는 발광다이오드 칩(23)은 투명 수지에 의해 몰딩될 수 있다. 나아가, 이 몰딩 수지는 렌즈 형상을 가질 수 있으며, 따라서 1차 렌즈로서 기능할 수 있다.

상기 파장변환층(25)은 상기 발광다이오드 칩(23)에서 방출된 광을 파장 변환하여 혼색광, 예컨대 백색광을 구현한다.

상기 엘이디(20)는 거울면 대칭 구조의 광 지향 분포를 갖도록 설계되며, 특히 회전 대칭 구조의 광 지향 분포를 갖도록 설계될 수 있다. 이때, 광 지향 분포의 중심을 향하는 엘이디의 축이 광축(L)으로 정의된다. 즉, 상기 엘이디(20)는 광축(L)을 중심으로 좌우 대칭인 광 지향 분포를 갖도록 설계된다. 광축(L)은 캐비티(21a)의 중심을 지나는 직선으로 정의될 수 있다. 그리고, 상기 광축(L)은 발광유닛 또는 광 확산 렌즈의 중심축(C)와 일치하는 축일 수 있다.

상기 발광다이오드 칩(23) 및 하우징(21)을 포함하는 엘이디(20)가 인쇄회로기판(10) 상에 실장된 것으로 설명하였지만, 이와 달리, 발광다이오드 칩(23)이 직접 인쇄회로기판(20) 상에 실장되고, 파장변환층(25)이 인쇄회로기판(10) 상에서 발광다이오드 칩(23)을 덮을 수도 있다.

다시, 도 9(a) 및 9(b)를 참조하면, 광 확산 렌즈(30)는 하부면(31) 및 상부면(35)을 포함하고, 또한 플랜지(37) 및 다리부(39)를 포함할 수 있다. 상기 하부면(31)은 오목한 입광부(31a)를 포함하며, 상기 상부면(35)은 오목면(35a)과 볼록면(35b)을 포함한다.

상기 하부면(31)은 대략 원판 형상의 평면으로 이루어지며, 입광부(31a)는 하부면 중앙 부분에 위치한다. 상기 하부면(31)은 평면일 필요는 없으며, 다양한 요철 패턴이 형성될 수도 있다.

상기 입광부(31a)는 엘이디(20)로부터 방출된 광이 렌즈(30)로 입사되는 부분으로, 엘이디(20), 더 나아가 그에 포함된 발광다이오드 칩(23)은 입광부(31a)의 중앙부분 아래에 위치한다. 상기 입광부(31a)의 입구 영역은 기다란 형상을 갖는다. 도면에서, 상기 입광부(31a)의 입구 영역은 y축(장축) 방향을 따라 기다란 형상으로, x축 방향이 단축 방향이 되고, y축 방향이 장축 방향이 된다.

상기 입광부(31a)의 입구 영역은 다양한 형상을 가질 수 있으며, 예컨대, 도 11에 도시한 바와 같이, (a) 직사각형 형상, (b) 타원형, (c) 모서리가 라운딩된 직사각형 형상 등일 수 있다. 여기서, 입광부(31a)의 입구 영역에 대해, 장축 방향의 폭을 a, 단축 방향의 폭을 b로 나타내었다.

한편, 상기 입구 영역에서 상기 입광부(31a)의 내부로 들어갈수록 입광부의 폭이 좁아진다. 도 12(a) 및 12(b)에 도시한 바와 같이, 상기 입광부(31a)의 단면 형상은 좌우 대칭 구조를 갖는 사다리꼴 형상일 수 있다. 여기서, 도 12(a)는 장축(y) 방향을 따라 취해진 입광부(31a)의 단면을 나타내고, 도 12(b)는 단축(x) 방향을 따라 취해진 입광부(31a)의 단면을 나타낸다.

도 12(a)에서 사다리꼴의 아랫변의 길이를 a1으로, 윗변의 길이를 a2로 나타내고, 아랫변의 중심에서 윗변의 가장자리를 지나는 선의 중심축에 대한 각을 α로 나타내었다. 여기서, a2는 a1보다 작다. 한편, 도 12(b)에서, 사다리꼴의 아랫변의 길이를 b1으로, 윗변의 길이를 b2로 나타내고, 아랫변의 중심에서 윗변의 가장자리를 지나는 선의 중심축에 대한 각을 β로 나타내었다. 여기서, b2는 b1보다 작다. 이때, a2는 b2보다 크고, 따라서 α는 β보다 큰 것이 바람직하다.

도 12(a) 및 (b)에서 입광부(31a)의 단면 형상에서 측면이 직선인 사다리꼴 형상인 것에 대해 설명했지만, 도 12(a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 입광부(31a)의 단면 형상에서 측면이 곡선인 사다리꼴 형상일 수도 있다.

상기 입광부(31a)의 입구 영역을 기다란 형상으로 함으로써 전술한 것과 같은 180도 회전 대칭의 기다란 광 패턴을 구현할 수 있다.

다시, 도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 입광부(31a)의 내면은 측면(33a)과 상단면(upper end surface, 33b)을 가질 수 있으며, 상기 상단면(33b)은 중심축(C)에 수직하고, 상기 측면(33a)은 상단면(33b)으로부터 입광부(31a)의 입구로 이어진다. 여기서, 중심축(C)은 엘이디(20)의 광축(L)과 일치하도록 정렬될 경우, 렌즈(30)에서 출사되는 광 지향 분포의 중심이 되는 축으로 정의된다. 도 9의 (a) 및 (b)에서 입광부(31a)가 평평한 상단면을 포함하는 것으로 도시되어 있지만 상기 입광부는 상단에 정점을 가질 수 있다.

앞에서 설명한 바와 같이, 상기 입광부(31a)는 입구에서부터 위로 올라갈수록 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 측면(33a)은 입구로부터 상단면(33b)으로 갈수록 중심축(C)에 가까워진다. 따라서, 상단면(33b)의 영역을 입구보다 상대적으로 작게 만들 수 있다. 상기 측면(33a)은 상기 상단면(33b) 근처에서 상대적으로 경사가 완만할 수 있다.

상기 상단면(33b) 영역은 입광부(31a)의 입구 영역보다 좁은 영역 내에 한정된다. 특히, 상기 상단면(33b)의 단축(x) 방향 폭은 상부면(35)의 오목면(35a)과 볼록면(35b)에 의해 형성되는 변곡선으로 둘러싸인 영역보다 좁은 영역 내에 한정될 수 있다. 더욱이, 상단면(33b)의 단축(x) 방향 폭은 엘이디(20)의 캐비티(21a) 영역, 즉 광 출사 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치할 수 있다.

상기 상단면(33b) 영역은 엘이디의 광축(L)과 렌즈(30)의 중심축(C)이 오정렬 될 때, 렌즈(30)의 상부면(35)을 통해 출사되는 광의 지향 분포 변화를 완화한다. 따라서, 상기 상단면(33b)의 영역은 엘이디(20)와 렌즈(30)의 정렬 오차를 고려하여 최소화할 수 있다.

한편, 렌즈(30)의 상부면(35)은 중심축(C)을 기준으로 오목면(35a) 및 오목면(35a)에서 연속적으로 이어진 볼록면(35b)을 포함한다. 오목면(35a)과 볼록면(35b)이 만나는 선이 변곡선이 된다. 상기 오목면(35a)은 렌즈(30)의 중심축(C) 근처에서 출사되는 광을 상대적으로 큰 각도로 굴절시켜 중심축(C) 근처의 광을 분산시킨다. 또한, 상기 볼록면(35b)은 중심축(C) 바깥쪽으로 출사되는 광량을 늘린다.

상기 상부면(35) 및 입광부(31a)는 x축 또는 y축을 따라 중심축(C)을 지나는 면에 대해 거울면 대칭 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 상부면(35) 또는 출광면은 중심축(C)에 대해 축 대칭인 회전체 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 입광부(31a) 및 상부면(35)의 형상은 요구되는 광 지향 분포에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다.

한편, 상기 플랜지(37)는 상부면(35)과 하부면(31)을 연결하며 렌즈의 외형 크기를 한정한다. 플랜지(37)의 측면과 하부면(31)에 요철 패턴이 형성될 수 있다. 한편, 상기 렌즈(30)의 다리부(39)가 인쇄회로기판(10)에 결합되어 하부면(31)을 인쇄회로기판(10)으로부터 이격되도록 지지한다. 상기 결합은 다리부(39)들 각각의 선단이 예를 들면 접착제에 의해 인쇄회로기판(10) 상에 접착되거나 다리부(39) 각각이 인쇄회로기판(10)에 형성된 홀에 끼워지는 방식으로 이루어진다.

상기 렌즈(30)는 엘이디(20)로부터 이격되어 위치하며, 따라서, 입광부(31a)는 외부의 공기와 경계를 이룬다. 상기 엘이디(20)의 하우징(21)은 하부면(31) 아래에 위치하며, 나아가, 상기 엘이디(20)의 파장변환층(25)이 입광부(31a)로부터 떨어져 하부면(31) 아래에 위치할 수 있다. 따라서, 입광부(31a)내에서 진행하는 광이 하우징(21)이나 파장변환층(25)에 흡수되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 입광부(31a)의 입구 영역을 중심축(C)에 대하여 180도 회전 대칭인 기다란 형상으로 함으로서, 렌즈(30)를 통해 출사되는 광의 지향 패턴이 단축(x) 방향으로 기다란 180도 회전 대칭 형상을 갖게 할 수 있다.

앞서 입광부(31a)의 형상이 사다리꼴 형상인 것에 대해 설명하였지만, 입광부(31a)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 다양하게 변형될 수 있다. 도 14는 입광부의 다양한 변형예를 설명하기 위한 단면도들이다. 여기서는 도 4의 입광부(31a)의 다양한 변형예를 설명한다.

도 14(a)는 도 9(a) 및 (b)에서 설명한 중심축(C)에 수직한 상단면(33b) 중 중심축(C) 근처의 일부분이 아래로 볼록한 면을 형성하는 것을 보여준다. 이 볼록한 면에 의해 중심축(C) 근처로 입사되는 광을 1차적으로 제어하여 광을 분산시킬 수 있다.

도 14(b)는 도 14(a)와 유사하나, 도 14(a)의 상단면 중 중심축(C)에 수직한 면이 위로 볼록하게 형성된 것에 차이가 있다. 상단면이 위로 볼록한 면과 아래로 볼록한 면이 혼합되어 있어, 엘이디와 렌즈의 정렬 오차에 따른 광 지향 분포 변화를 완화할 수 있다.

도 14(c)는 도 9(a) 및 (b)에서 설명한 중심축(C)에 수직한 상단면(33b) 중 중심축(C) 근처의 일부분이 위로 볼록한 면을 형성하는 것을 보여준다. 이 볼록한 면에 의해 중심축(C) 근처로 입사되는 광을 더 분산시킬 수 있다.

도 14(d)는 도 14(c)와 유사하나, 도 14(c)의 상단면 중 중심축(C)에 수직한 면이 아래로 볼록하게 형성된 것에 차이가 있다. 상단면이 위로 볼록한 면과 아래로 볼록한 면이 혼합되어 있어, 엘이디와 렌즈의 정렬 오차에 따른 광 지향 분포 변화를 완화할 수 있다.

앞에서는 입광부가 180도 회전 대칭의 기다란 형상을 가져 기다란 광 패턴을 소정 타겟면에 형성할 수 있는 광 확산 렌즈에 대해 설명이 주로 이루어졌다. 이하에서는, 중심축에 대해 출광면 외곽 형상, 특히, 하부면 형상이 180도 회전 대칭을 가짐으로써 기다란 광 패턴을 타겟면에 형성할 수 있는 광 확산 렌즈의 실시예들에 대해 설명될 것이다

도 15는 기다란 외곽 형상을 갖는 광 확산 렌즈를 포함하는 발광유닛의 분해사시도이고, 16의 (a) 및 (b) 광 확산 렌즈의 서로 직교하는 방향으로 절단하여 도시한 발광유닛의 단면도들을 나타낸다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 광 확산 렌즈(30)의 출광면(35)의 외곽 형상은 입광부(31a)의 장축 방향에 직교하는 방향, 즉, 입광부(31a)의 단축 방향으로 기다란 형상을 갖는다. 특히, 상기 광 확산 렌즈(30)의 상부면은 두개의 반구를 중첩시킨 형상을 가질 수 있다. 이들 두 개의 반구의 대칭면은 입광부(31a)의 장축 방향을 따라 상기 입광부(31a)의 중심을 지나는 면과 일치할 수 있다.

광 확산 렌즈(30)의 출광면 외곽 형상이 입광부(31a)의 단축 방향을 따라 기다란 형상을 갖도록 함으로써, 입광부(31a)의 형상과 함께 출광면(35) 외곽 형상에 의해 광을 분산시킬 수 있어, 소정 타겟면에서의 광 패턴을 더 기다란 형상으로 만들 수 있다. 출광면(35) 외곽 형상이 중심축(C)에 대해 180도 회전 대칭인 형상 또는 장축 방향으로 기다란 형상을 갖는 경우, 입광부(31a)가 중심축에 대해 축 대칭인 형상을 가져도, 일 축 방향으로 기다란 광 패턴을 타겟면에 형성하는 것이 가능할 것이다.

한편, 발광유닛은 상기 광 확산 렌즈(30)의 입광부(31a) 아래에 배치된 엘이디(20)를 포함하며, 이 엘이디(20)는 180도 회전 대칭의 캐비티(21a)를 포함한다. 캐비티(21a) 내부에 봉지재가 채워져서 발광면이 된다. 봉지재는 파장 변환 물질을 포함할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 엘이디(20)의 캐비티 및 발광면은 상기 입광부(31a)의 장축과 나란한 장축을 가지며, 또한 상기 입광부(31a)의 단축과 나란한 단축을 갖는다. 또한, 상기 엘이디(20)의 캐비티 및 발광면의 장축은 광 확산 렌즈(30)의 출광면 외곽 형상의 단축과 나란하며, 상기 출광면 외곽 형상의 장축 방향과는 수직으로 교차한다. 상기 엘이디(20)는 렌즈의 중심축에 대하여 자신의 장축 방향으로 대칭되게 배열된 한 쌍의 발광다이오드 칩(25, 25)를 포함한다. 광 확산 렌즈(30)의 출광면 외곽 형상이 입광부(31a)의 단축 방향을 따라 기다란 형상을 갖도록 하고, 엘이디(20)가 입광부(31a)의 장축 방향을 따라 길게 그리고 대칭적으로 배열됨으로써, 발광 효율을 높일 수 있고 180도 회전 대칭의 기다란 광 패턴을 타겟면에 더 효과적으로 형성할 수 있다.

Claims (22)

  1. 타겟면 아래에 매트릭스 형태로 배열된 발광유닛들을 포함하고,
    상기 발광유닛들 각각은 중심축을 갖는 광 확산 렌즈 및 상기 광 확산 렌즈 아래에 위치한 엘이디를 포함하며,
    상기 발광유닛들은 상기 중심축과 직각을 이루는 일 축 방향으로 기다란 형상의 광 패턴들을 상기 타겟면에 형성하며,
    상기 광 패턴들 각각은 중앙 영역과 상기 중앙 영역보다 조도가 작은 주변 영역들을 포함하고,
    상기 중앙 영역은 하나의 광 패턴에만 의존하며,
    상기 주변 영역들 각각에서는 복수의 광 패턴들이 중첩하고,
    상기 광 확산 렌즈는 하부의 오목한 입광부와 상부의 출광면을 포함하며,
    상기 출광면은 상기 중심축을 기준으로 회전체 형상을 가지고,
    상기 발광 유닛들은 상기 중심축과 직각을 이루는 일 축 방향으로 기다란 형상의 광 패턴들을 상기 타겟면에 형성하도록 상기 입광부의 입구 영역은 상기 일 축 방향으로 기다란 형상을 갖는 발광유닛 어레이.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 주변 영역들은 장축 방향으로 대칭을 이루는 한 쌍의 제1 측방 영역과, 단축 방향으로 대칭을 이루는 한 쌍의 제2 측방 영역과, θ축(θ = tan-1(y/x)) 방향으로 대칭을 이루는 4개의 코너 영역들을 포함하며, 상기 제1 측방 영역 및 상기 제2 측방 영역 각각에서는 2개의 인접하는 패턴이 중첩하고, 상기 코너 영역들 각각에서는 4개의 인접하는 광 패턴들이 중첩하는 것을 특징으로 하는 발광유닛 어레이.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 주변 영역들 각각에서의 광 패턴들의 중첩에 의한 조도는 상기 중앙 영역의 단일 광 패턴에 의한 조도의 70 ~ 130 %인 것을 특징으로 하는 발광유닛 어레이.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 입광부는 상기 중심축과 직각을 이루는 장축을 가지며 상기 중심축에 대하여 180도 회전 대칭 형상인 것을 특징으로 하는 발광유닛 어레이.
  6. 삭제
  7. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 상기 엘이디는 상기 입광부의 장축과 나란한 장축을 가지며, 상기 장축을 따라 형성된 기다란 발광면을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광유닛 어레이.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 엘이디는 상기 중심축에 대해 대칭을 이루는 한 쌍의 발광 다이오드 칩이 상기 엘이디의 장축을 따라 배열된 것을 특징으로 하는 발광유닛 어레이.
  9. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 상기 입광부의 입구 영역은 직사각형, 타원형 또는 모서리가 라운딩된 직사각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광유닛 어레이.
  10. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 상기 입광부는 일 축 방향을 따른 오목부의 단면 형상이 상기 중심축에 대해 대칭이며 측면이 직선인 사다리꼴 형상 또는 측면이 곡선인 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 발광유닛 어레이.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 일 축 방향에 직교하는 방향을 따른 오목부의 단면 형상은 중심축에 대해 대칭이며 측면이 직선인 사다리꼴 형상 또는 측면이 곡선인 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 발광유닛 어레이.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 발광유닛 어레이의 각 발광유닛에 적합한 광 확산 렌즈로서,
    엘이디의 광을 받아 상기 광 확산 렌즈의 중심축과 직각을 이루는 일 축 방향으로 기다란 형상의 광 패턴을 타겟면에 형성하되,
    상기 광 패턴들 각각은 중앙 영역과 상기 중앙 영역보다 조도가 작은 주변 영역들을 포함하며,
    상기 광 확산 렌즈는 입광부와 출광면을 포함하고, 상기 입광부는 상기 중심축에 대하여 180도 회전 대칭 형상을 가지며,
    상기 출광면은 상기 중심축을 기준으로 회전체 형상을 가지고,
    상기 엘이디의 광을 받아 상기 광 확산 렌즈의 중심축과 직각을 이루는 일 축 방향으로 기다란 형상의 광 패턴을 타겟면에 형성하도록 상기 입광부의 입구 영역은 상기 일 축 방향으로 기다란 형상을 갖는 광 확산 렌즈.
  15. 삭제
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 입광부는 상기 중심축에 대하여 180도 회전 대칭 형상인 것을 특징으로 하는 광 확산 렌즈.
  17. 삭제
  18. 청구항 14에 있어서, 상기 입광부의 입구 영역은 직사각형, 타원형 또는 모서리가 라운딩된 직사각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광 확산 렌즈.
  19. 청구항 14에 있어서, 상기 입광부는 일 축 방향을 따른 오목부의 단면 형상이 상기 중심축에 대해 대칭이며 측면이 직선인 사다리꼴 형상 또는 측면이 곡선인 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 광 확산 렌즈.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 일 축 방향에 직교하는 방향을 따른 오목부의 단면 형상은 중심축에 대해 대칭이며 측면이 직선인 사다리꼴 형상 또는 측면이 곡선인 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 광 확산 렌즈.
  21. 삭제
  22. 삭제
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