KR102199107B1

KR102199107B1 - 편중된 광원의 확산 보정 렌즈

Info

Publication number: KR102199107B1
Application number: KR1020190066780A
Authority: KR
Inventors: 고석채
Original assignee: 주식회사 에이치엘옵틱스
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2021-01-06
Also published as: KR20200140059A

Abstract

본 발명은 확산 보정 렌즈에 관한 것으로, 광원인 엘이디 칩들의 배치에 따라 편중된 배광 특성을 가지는 엘이디 패키지의 광을 확산시키는 확산 렌즈로서, 중앙을 지나는 가상의 광축을 중심으로 회전 대칭 구조의 방출면을 제공하는 확산부와, 상기 확산부의 저면 중앙에 위치하여 상기 엘이디 패키지가 수용되는 오목 수용홈과, 상기 확산부의 상기 오목 수용홈과의 경계면이며, 상기 엘이디 패키지의 광이 상기 확산부로 입사되는 입사면을 포함하되, 상기 입사면의 가장 높은 위치의 중심점은 상기 광축에 대하여 편중되어, 상기 입사면은 상기 중심점을 수직으로 지나는 가상의 중심선에 대하여 회전 대칭이 아닌 것을 특징으로 한다.

Description

편중된 광원의 확산 보정 렌즈{Diffusion correction lens for a decentered light source}

본 발명은 편중된 광원의 확산 보정 렌즈에 관한 것으로, 더 상세하게는 저가형의 POB 방식의 엘이디 칩의 편중된 광을 보정할 수 있는 렌즈에 관한 것이다.

최근 조명장치, 백라이트유닛(BLU)을 비롯한 산업 전반에 걸쳐 에너지 절감 및 수명의 확보를 위해 광원으로 LED(Light Emitting Diode)를 채택하는 경우가 많아지고 있으며, 이에 따라 LED를 효과적이면서 효율적으로 사용하기 위한 각 산업분야에서의 연구 또한 활발히 진행되고 있다.

이러한 LED 광원은 다수의 광원에 개별 렌즈가 사용되는 POB(package on board) 타입 LED와, 하나의 광원에 하나의 렌즈가 결합되는 COB(chip on board) 타입 LED로 구분할 수 있으며, 최근에는 CSP(Chip Scale Package) 타입의 LED가 보편화되고 있다.

POB 타입의 LED의 장점은 가격이 상대적으로 저렴한 것이지만, 다수의 광원(LED Chip)에 하나의 렌즈를 적용하기 때문에 광원의 배열에 따라 광이 편중되는 문제점이 있다.

최근 양산되는 CSP 타입 LED는 LED 칩의 크기로 패키지가 되기 때문에 전체적으로 균일한 확산 분포를 나타내지만, POB 타입 LED의 경우 편중된 확산 분포를 나타내기도 한다.

POB의 경우 높은 균일도가 요구되지 않으며, 저가격인 휴대용 조명장치 등에 적용되고 있지만, 저가형 디스플레이의 백라이트 유닛에 사용하기도 한다.

저가형 디스플레이의 백라이트 유닛에 사용하는 경우, LED 칩 자체의 편중된 배치에 의해 확산 렌즈를 통해서도 광의 편중 분포 현상이 나타나게 되며, 이는 디스플레이 화질의 저하의 원인이 된다.

도 1은 편중된 확산 분포를 가지는 LED 패키지의 예시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 편중된 확산 분포를 가지는 LED 패키지의 경우 회전 대칭형의 확산 렌즈를 사용하는 경우에도 고른 확산 분포를 나타내기 어렵다.

도 2는 도 1의 편중된 확산 분포를 가지는 LED 패키지에 회전 대칭형 확산 렌즈를 적용한 예의 단면 구성도이다.

도 2를 참조하면 편중된 확산 분포의 LED 패키지(100)의 광은 확산 렌즈(200)를 통해 확산된다.

상기 확산 렌즈(200)는 반구형의 렌즈를 도시하였으나, 다양한 형태의 회전 대칭형 확산 렌즈를 적용할 때에도 동일한 문제점이 발생할 수 있다.

여기서 회전 대칭형은 LED 패키지(100)의 중심으로부터 수직방향으로의 광축(202)을 중심으로 회전하였을 때 전체 구조가 대칭이라는 의미이다.

확산 렌즈(200)의 상부 외면인 출사면(201)은 반구형으로 이루어질 수 있다.

확산 렌즈(200)의 구조는 통상 LED 패키지(100)이 수용되는 오목 수용홈(210)가 마련되어 있으며, 상기 오목 수용홈(210)는 상기 광축(202)을 기준으로 회전 대칭형의 입사면(211)을 제공한다.

이와 같은 구조의 확산 렌즈(200)는 오목 수용홈(210)의 형상이 광축(202)을 기준으로 회전 대칭형이며, 편중된 확산 분포를 가지는 LED 패키지(100)의 광을 보정 없이 그대로 방출하기 때문에 확산 렌즈(200)를 통해 확산되는 광 또한 균일성이 저하되는 문제점이 있었다.

이처럼 확산 렌즈(200)를 통해 방출되는 광의 분포 불균일성에 의하여 백라이트 유닛에 편중된 광 출력 위치를 가지는 LED 패키지(100)를 적용하는 경우, 화질이 저하되는 문제점이 있었다.

도 3은 종래 LED 패키지(100)의 광원(엘이디 칩) 위치의 편중 정도를 설명하기 위한 설명도이다.

도 3을 참조하면 광원(110)이 LED 패키지(100)의 중심(c)으로부터 편중된 정도인 광원 편중도인 DR(Decenter Ratio)을 산출할 수 있다.

광원(110)의 중심과 가장 가까운 LED 패키지(100)의 외곽영역까지의 거리를 b라하고, 광원(110)의 중심과 가장 먼 LED 패키지(100)의 외곽영역까지의 거리를 a라고 하면, 편중 정도를 나타내는 광원 편중도 DR은 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

DR = (a-b)/(a+b)

DR이 0인 경우 즉, a와 b가 동일한 값이면 광원(110)의 중심이 LED 패키지(100)의 중심(c)과 일치하는 경우로 이때에는 편중된 확산 분포에 의한 화질저하 문제는 발생하지 않게 된다.

도 4는 상기 DR의 값에 따른 광원 위치 및 배광 형태를 보인 사진이다.

광원(110)의 위치가 LED 패키지(100)의 중심(c)과 일치하는 DR=0인 상태에서는 배광에 스팟이나 암부가 생기지 않지만, DR이 0.15인 경우 대칭되는 부분과는 다르게 더 밝은 점인 스팟이 발생하게 된다.

또한 광원(110)의 편중도가 더 커져 DR=0.30인 경우에는 스팟과 함께 상대적으로 암부가 발생하여 균일한 배광특성을 가질 수 없게 된다.

이러한 문제는 패키지나 렌즈에 의해 발생되는 화질 저하가 아닌 LED 칩 패키지 자체의 문제로 보정이 어렵게 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상대적으로 비용을 절감할 수 있는 POB 타입 엘이디 패키지에 적용하여 편중된 광원의 배광을 보정할 수 있는 편중된 광원의 확산 보정 렌즈를 제공함에 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 광원인 엘이디 칩들의 배치에 따라 편중된 배광 특성을 가지는 엘이디 패키지의 광을 확산시키는 확산 렌즈로서, 중앙을 지나는 가상의 광축을 중심으로 회전 대칭 구조의 방출면을 제공하는 확산부와, 상기 확산부의 저면 중앙에 위치하여 상기 엘이디 패키지가 수용되는 오목 수용홈과, 상기 확산부의 상기 오목 수용홈과의 경계면이며, 상기 엘이디 패키지의 광이 상기 확산부로 입사되는 입사면을 포함하되, 상기 입사면의 가장 높은 위치의 중심점은 상기 광축에 대하여 편중되어, 상기 입사면은 상기 중심점을 수직으로 지나는 가상의 중심선에 대하여 회전 대칭이 아닌 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 중심점의 편중도는 아래의 수학식a로 정의될 수 있다.

[수학식 a]

LDR=(La-Lb)/(La+Lb)

상기 LDR은 중심점의 편중도, La는 중심점과 입사면의 하단 가장자리의 수평 길이 중 가장 먼 길이, Lb는 중심점과 입사면의 하단 가장자리의 수평 길이 중 가장 가까운 길이

본 발명의 실시예에서, 중심점의 편중도(LDR)는 0 초과 0.2 미만으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 엘이디 패키지의 광원 편중도(DR)는 아래의 수학식b로 정의될 수 있다.

[수학식b]

DR=(a-b)/(a+b)

a는 광원 중심점과 엘이디 패키지 가장자리의 가장 먼 길이, b는 광원 중심점과 엘이디 패키지 가장자리의 가장 짧은 길이

본 발명의 실시예에서, 상기 광원 편중도(DR)는 0 초과 0.35 미만인 것으로 할 수 있다.

본 발명은 편중된 위치에 광원이 위치하는 엘이디 패키지의 확산 광경로를 보정하여 균일한 확산 분포를 가지도록 함으로써, 저가형의 POB 타입의 엘이디 칩을 이용한 백라이트 유닛의 제작시 광 확산 균일도를 개선하여, 화질저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 POB 타입 엘이디 패키지의 구성도이다.
도 2는 도 1의 회전 대칭형 확산 렌즈를 적용한 상태의 광경로 모식도이다.
도 3은 POB 타입 엘이디 패키지의 광원 편중 정도를 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 편중 정도에 따른 배광 형태를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 편중된 광원의 보정 렌즈의 단면 구성도이다.
도 6은 편중된 광원을 가지는 엘이디 패키지에 본 발명의 보정 확산 렌즈를 적용한 상태의 광경로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제한적인 사항으로 상기 중심점의 위치의 산출 설명도이다.
도 8은 본 발명과 종래 확산 렌즈의 배광 형태 사진이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 편중된 광원의 확산 보정 렌즈를 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 편중된 광원의 보정 렌즈의 단면 구성도이다.

도 5를 참조하면 본 발명 보정 렌즈(10)는, 광축(15)을 기준으로 회전 대칭의 출사면(13)을 가지는 확산부(11)와, 상기 확산부(11)의 저면 중앙으로부터 소정의 높이로 마련되에 광원이 편중된 엘이디 패키지(도면 미도시)가 수용되는 공간을 제공하는 오목 수용홈(14)와, 상기 오목 수용홈(14)와 상기 확산부(11) 사이의 경계면이며, 상기 광축(15)을 기준으로 회전 비대칭인 입사면(12)과, 상기 확산부(11)의 저면 일부에 마련되어 상대품과의 안정적인 접합을 위한 접합 돌출부(16)를 포함하여 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보정 렌즈(10)의 구성과 작용에 대하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 확산부(11)는 실질적으로 보정 렌즈(10)의 외형을 이루는 것으로 다양한 소재 및 형상을 이용하여 입사면(12)을 통해 입사된 광을 확산시켜 출사면(13)을 통해 균일한 분포의 광을 방출한다.

도 5에서는 확산부(11)의 예로서 돔형의 확산부(11)를 도시하고 설명하였으나 확산부(11)는 매우 다양한 형상으로 제공될 수 있다. 확산부(11)는 중심을 수직 방향으로 지나는 가상의 광축(15)을 기준으로 회전 대칭형의 출사면(13)을 가지는 것이면 본 발명에 적용될 수 있다.

예를 들어, 도 5에는 광축(15)이 지나는 출사면(13)의 높이가 가장 높은 돔형의 구조로 도시하였으나, 광축(15)이 지나는 출사면(13)의 높이가 가장 낮은, 상면 중앙이 오목한 구조의 확산부(11)를 적용할 수 있으며, 상면이 평탄한 구조의 확산부(11)를 사용할 수도 있다.

상기 확산부(11)는 LED 패키지가 수용되는 오목 수용홈(14)이 저면의 중앙부에 마련되어 있다.

오목 수용홈(14)의 형상은 다양한 구조로 형성할 수 있으나, 통상 확산부(11)의 오목 수용홈(14)과 접하는 면인 입사면(12)의 형상이 출사면(13)과 유사한 형태를 가지는 것이 보통이다.

도 5에서 상기 입사면(12)은 출사면(13)과 유사한 돔형의 구조이며, 돔형 입사면(12)의 가장 높은 부분인 중심점(17)에서 하향으로 소정의 곡률로 굽은 면이 된다.

이때 중심점(17)은 앞서 설명한 광축(15)과 동일한 위치에 있지 않고 광축(15)에 대하여 편중된 위치에 위치하게 된다.

즉, 상기 입사면(12)은 중심점(17) 및 광축(15)에 대하여 회전 대칭이 되지 않는 형태를 나타낸다.

도 5에서 중심점(17)은 광축(15)으로부터 좌측으로 편중된 상태를 도시하였으나, 보는 방향에 따라서 중심점(17)이 광축(15)의 우측에 있는 것으로도 설명될 수 있다.

즉, 광축(15)을 중심으로 확산부(11)를 회전시키면 상기 중심점(17)은 광축(15)을 중심으로 소정의 반지름을 가지는 원의 형태를 그리며 회전하게 된다.

이와 같이 중심점(17)의 편중에 따라 중심점을 기준으로 입사면(12)을 따라 하향으로 연장되는 가상의 선분들을 고려하면, 각 선분들의 곡률과 길이에는 차이가 있게 되며 이러한 차이에 의해 입사면(12)에 입사된 광은 종래의 렌즈와는 다른 확산 상태를 나타낸다.

도 6은 편중된 광원을 가지는 엘이디 패키지(20)에 본 발명의 보정 확산 렌즈(10)를 적용한 상태의 광경로를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면 엘이디 패키지(20)의 편중된 광원에 의해 가장 강한 빛이 발산되는 위치가 상기 광축(15)과는 다른 위치로 편중된 경우, 그 편중된 광을 소정의 각도의 광경로로 상기 입사면(12)을 통해 확산부(11) 내로 입사될 수 있도록 입사면(12)을 회전 대칭이 되지 않는 형태로 제작하여 확산 균일도를 높일 수 있다.

특히 엘이디 패키지(20)는 상기 광축(15)에 대하여 0 내지 5도의 범위에서 가장 강한 빛을 방출하며, 본 발명에서는 편중된 광원을 가지는 엘이디 패키지(20)에 의한 스팟이나 암부의 발생을 방지할 수 있다.

상기 엘이디 패키지(20)의 DR은 0보다 크고 0.35보다 작은 것에 대하여 본 발명을 적용하여 확산 균일도의 효과적인 보정이 가능하다.

도 7은 본 발명의 제한적인 사항으로 상기 중심점(17)의 위치의 산출 설명도이다.

도 7을 참조하면 광축(15)에 대하여 상기 입사면(12)의 하단 가장자리는 동일한 거리(r)에 있으며, 중심점(17)은 광축(15)으로부터 소정 거리 이격되어 있다.

따라서 중심점(17)의 편중도 LDR는 중심점(17)이 평면상에서 가장 가까운 입사면(12) 하단 가장자리까지 거리 Lb와 가장 먼 거리 La를 이용하여 구할 수 있다.

상기 LDR는 아래의 수학식 2로 정의될 수 있다.

[수학식 2]

LDR=(La-Lb)/(La+Lb)

이때 중심점(17)의 편중도(LDR)는 0보다는 크고, 0.2보다는 작은 범위 내에서 결정되는 것으로 한다. 편중도가 0인 경우는 종래와 동일한 구조로서 편중된 광원을 가지는 엘이디 패키지에 대한 확산 보정이 이루어지지 않으며, 0.2와 같거나 큰 경우에는 중심점(17)의 편중에 의해 확산 균일도가 오히려 저하된다.

즉, 본 발명은 편중도(DR)가 0 초과 0.35 미만인 엘이디 패키지에 적용되는 보정 렌즈로서 입사면(12)의 중심점 편중도(LDR)가 0 초과 0.2 미만인 특징이 있다.

이와 같이 출사면(13)은 회전 대칭형이고, 입사면(12)은 회전 대칭형이 아닌 확산 렌즈를 적용하여, 저가격인 광원이 편중된 엘이디 패키지의 확산 분포를 균일하게 함으로써, 화질 저하 없이 저가격으로 백라이트 유닛을 구현할 수 있게 된다.

도 8은 본 발명과 종래 확산 렌즈의 배광 형태 사진이다.

도 8에 도시한 바와 같이 편중된 광원을 포함하는 엘이디 패키지에 LDR이 0인 종래 확산 렌즈와 LDR이 0.15인 본 발명의 보정 확산 렌즈를 적용하였을 때의 배광 형태 사진을 도시하였다.

본 발명은 스팟이나 암부의 발생 없이 편중된 광원을 포함하는 엘이디 패키지의 광의 확산 균일도를 확보할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

11:확산부 12:입사면
13:출사면 14:오목 수용홈
15:광축 17:중심점
20:엘이디 패키지

Claims

광원인 엘이디 칩들의 배치에 따라 편중된 배광 특성을 가지는 엘이디 패키지의 광을 확산시키는 확산 렌즈로서,
중앙을 지나는 가상의 광축을 중심으로 회전 대칭 구조의 방출면을 제공하는 확산부;
상기 확산부의 저면 중앙에 위치하여 상기 엘이디 패키지가 수용되는 오목 수용홈;
상기 확산부의 상기 오목 수용홈과의 경계면이며, 상기 엘이디 패키지의 광이 상기 확산부로 입사되는 입사면을 포함하되,
상기 입사면의 가장 높은 위치의 중심점은 상기 광축에 대하여 편중되어, 상기 입사면은 상기 중심점을 수직으로 지나는 가상의 중심선에 대하여 회전 대칭이 아닌 것을 특징으로 하는 확산 보정 렌즈.
제1항에 있어서,
상기 중심점의 편중도는 아래의 수학식1로 정의되는 확산 보정 렌즈.
[수학식 1]
LDR=(La-Lb)/(La+Lb)
상기 LDR은 중심점의 편중도, La는 중심점과 입사면의 하단 가장자리의 수평 길이 중 가장 먼 길이, Lb는 중심점과 입사면의 하단 가장자리의 수평 길이 중 가장 가까운 길이
제2항에 있어서,
상기 중심점의 편중도(LDR)는 0 초과 0.2 미만인 확산 보정 렌즈.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 엘이디 패키지의 광원 편중도(DR)는 아래의 수학식2로 정의되는 확산 보정 렌즈.
[수학식2]
DR=(a-b)/(a+b)
a는 광원 중심점과 엘이디 패키지 가장자리의 가장 먼 길이, b는 광원 중심점과 엘이디 패키지 가장자리의 가장 짧은 길이
제4항에 있어서,
상기 광원 편중도(DR)는 0 초과 0.35 미만인 것을 특징으로 하는 확산 보정 렌즈.