KR20060055706A - 측면 방출 발광 다이오드 및 그것에 적합한 렌즈 - Google Patents
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Abstract
측면 방출 발광 다이오드 및 그것에 적합한 렌즈가 개시된다. 상기 렌즈는 중심축에 대해 상대적인 각도로 서로 교번하며 연결된 입사면들 및 하부 전반사면들을 포함하는 하부면; 외부로 볼록하고, 중심축에서 측면으로 갈 수록 기울기가 감소하는 상부 전반사면; 및 상기 상부 전반사면과 상기 하부면을 연결하는 출사면을 포함한다. 발광 다이오드 다이로부터 직접 상기 입사면들을 통해 상기 렌즈로 들어간 광은 상기 각 입사면들에서 상기 각 입사면들에 이웃하는 하부 전반사면으로 굴절되고, 상기 하부 전반사면에서 상기 상부 전반사면으로 전반사되고, 이어서 상기 상부 전반사면에서 상기 출사면으로 전반사되어 상기 출사면을 통해 상기 중심축에 거의 수직한 방향으로 외부로 방출된다. 또한, 상기 입사면들에 입사되어 상기 입사면들에서 반사된 광의 적어도 일부는 상기 각 입사면들에 이웃하는 다른 하부 전반사면을 통해 상기 렌즈로 들어간다. 이에 따라, 광 추출효율을 개선할 수 있다.
발광 다이오드(light emitting diode), 도광판, 렌즈, 전반사(total internal reflection), 굴절
Description
도 1은 종래의 백 라이트용 발광 다이오드를 설명하기 위한 정면도이다.
도 2는 도 1의 발광 다이오드를 사용한 측면 조명 도광판을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1의 발광 다이오드들을 탑재한 도 2의 도광판의 사시도이다.
도 4는 종래의 측면 방출 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 4의 측면 방출 발광 다이오드를 사용하는 도광판을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 4의 측면 방출 발광 다이오드를 탑재한 도 5의 도광판의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈의 하부면을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈의 상부 전반사면 및 출사면을 설명하기 위한 부분 단면도들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도 이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명 *
110: 발광 다이오드 다이, 116: 렌즈의 중심축,
120: 렌즈, 121a, 122a, 123a: 입사면들,
121b, 122b, 123b: 하부 전반사면들, 121d, 122d, 123d: 모서리들,
127: 볼록면, 128: 상부 전반사면,
129: 출사면
본 발명은 측면 방출 발광 다이오드 및 그것에 적합한 렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광의 전반사 특성을 이용하여 광 추출효율을 개선할 수 있는 측면 발광 다이오드 및 그것에 적합한 렌즈에 관한 것이다.
액정 디스플레이(liquid crystal display)와 같은 수동 디스플레이 장치는 주위의 태양광 또는 실내 광을 반사하거나 흡수하여 이미지를 구현할 수 있다. 따라서, 디스플레이되는 이미지를 보기 위해, 주위의 태양광 또는 실내 광이 요구된다. 그러나, 주위의 태양광 또는 실내 광의 강도가 디스플레이 패널을 조명하기에 충분하지 않을 경우 디스플레이되는 이미지를 볼 수 없는 문제점이 있다. 이러한 문제점에 대한 대안으로 디스플레이 패널을 백라이팅하기 위한 백라이트 패널이 일반적으로 채택된다.
일반적으로, 백라이트 패널은 백열 램프, 형광 램프 또는 발광 다이오드(LED)와 같은 광원과 도광판을 포함한다. 광원에서 방출된 광이 도광판에 입사되어 균일한 광으로 혼합된 후, 상기 LCD 패널을 조명함으로써 이미지가 구현된다. 한편, LED는 색재현성이 우수하여 백라이트 광원으로 종종 사용되며, 환경친화적이어서 앞으로 그 사용이 더욱 증가할 것으로 기대된다.
도 1은 종래의 백 라이트용 발광 다이오드(10)를 설명하기 위한 정면도이고, 도 2는 도 1의 발광 다이오드를 사용한 측면 조명 도광판(20)을 설명하기 위한 단면도이며, 도 3은 도 1의 발광 다이오드들(10)을 탑재한 도 2의 도광판(20)의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 발광 다이오드(10)는 반구형 렌즈(12)를 갖는다. 또한, 상기 발광 다이오드(10)는 반사컵(도시하지 않음)을 가지며, 상기 반사컵 내부에 발광 다이오드 다이(도시하지 않음)가 안착된다. 상기 발광 다이오드 다이에서 방출된 광은 상기 반사컵 및 상기 렌즈(12)에 의해 소정의 지향각을 가지고 외부로 방출된다. 상기 발광 다이오드(10)에서 외부로 방출된 광은 렌즈의 중심축(16)을 따라 일정한 광출력 패턴(14)을 갖는다. 상기 반구형 렌즈(12)를 갖는 발광 다이오드(10)에서 방출된 광출력 패턴(14)은, 도시한 바와 같이, 상기 반구형 렌즈(12)의 상부에 형성되며, 소정의 폭을 갖는다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 종래의 발광 다이오드(10)는 도광판(20)의 측면에 결합된다. 상기 발광 다이오드(10)에서 방출된 광은 상기 도광판(20)에 입사되어 도광판(20)의 길이 방향으로 전파된다. 한편, 도 3에 도시한 바와 같이, 상 기 도광판(20)의 측면을 따라 다수의 발광 다이오드(10)들이 탑재된다.
종래의 발광 다이오드(10)를 사용하면, 도광판(20)의 측면에 다수의 발광 다이오드(10)들을 탑재하여 균일한 백라이트가 가능하다. 그러나, 종래의 발광 다이오드(10)와 도광판(20)을 결합하는 것은 다수의 발광 다이오드(10)들을 요구하기 때문에 비효율적이다. 또한, 상기 발광 다이오드(10)의 광출력 패턴(14)은 소정의 폭을 갖기 때문에, 도광판(20)의 폭이 감소할 수록, 상기 발광 다이오드(10)와 도광판(20)의 결합 효율이 떨어진다. 즉, 상기 발광 다이오드(10)에서 방출된 광에서 상기 도광판(20)에 입사되는 광의 비율이 감소한다.
위의 문제점들을 해결하기 위한 발광 다이오드 및 렌즈가 미국특허 제6,679,621호에 “측면 방출 LED 및 렌즈(side emitting LED and lens)"라는 제목으로 웨스트 등(West et al.)에 의해 개시된 바 있다.
도 4는 상기 미국특허 제6,679,621호에 개시된 측면 방출 LED(30)의 단면도이고, 도 5는 도 4의 측면 방출 발광 다이오드(30)를 사용하는 도광판(42)을 설명하기 위한 사시도이고, 도 6은 도 4의 측면 방출 발광 다이오드(30)를 탑재한 도 5의 도광판(42)의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 측면 방출 LED(30)는 본체(32), 발광 다이오드 다이(36) 및 렌즈(34)를 포함한다. 상기 발광 다이오드 다이(36)는 상기 본체(32) 상부면에 탑재된다. 상기 렌즈(34)는 상기 본체(32)에 결합되어 상기 발광 다이오드 다이(36)의 상부에 위치한다.
상기 렌즈(34)는 렌즈의 중심축(43)에 대해 대칭인 깔때기 모양(funnel- shape)의 전반사면(total internal reflection surface; TIR surface, 40) 및 굴절면(38)을 포함한다. 상기 전반사면(40)은 렌즈(34)로부터 광이 상기 중심축(43)에 수직 방향으로 출사하도록 광을 반사시킨다. 한편, 상기 굴절면(38)은 톱니 모양으로 형성되어 광을 상기 중심축(43)에 수직 방향으로 굴절시켜 방출한다.
즉, 상기 발광 다이오드 다이(36)에서 상기 렌즈(34)의 하부면을 통해 상기 전반사면(40)에 도달한 광은 상기 전반사면(40)에서 전반사되고, 상기 굴절면(38)에서 굴절되어 상기 중심축(43)에 수직 방향으로 출사된다. 또한, 상기 발광 다이오드 다이(36)에서 상기 렌즈(34)의 하부면을 통해 상기 굴절면(38)에 도달한 광은 상기 굴절면(38)에서 굴절되어 상기 중심축(43)에 수직 방향으로 외부로 방출된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 발광 다이오드(30)들은 도광판(42)의 내부에 탑재된다. 상기 발광 다이오드(30)들을 탑재하기 위해, 상기 도광판(42)에 홀들(46)이 형성된다. 한편, 광이 상기 도광판(42)의 측면을 통해 외부로 방출되는 것을 방지하기 위해, 상기 도광판(42)의 측면에 반사 코팅(44)이 형성된다. 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 발광 다이오드(30)에서 방출된 광은 상기 렌즈(34)의 측면으로 방출되어 상기 도광판(42)에 입사된다.
상기 미국특허 제6,679,621호에 따르면, 측면 방출 발광 다이오드(30)를 채택하여, 발광 다이오드(30)들의 수를 감소시킬 수 있으며, 발광 다이오드(30)와 도광판(42)의 결합효율을 증가시킬 수 있다. 그러나, 발광 다이오드 다이(36)에서 방출된 광이 상기 렌즈(34)로 입사할 때, 일부는 상기 렌즈(34)의 하부면에서 반사된다. 상기 하부면에서 반사된 광은 상기 본체(32)에서 재반사되어 상기 렌즈(34)로 입사될 수 있으나, 재반사에 따른 광의 강도는 감소한다. 따라서, 상기 렌즈(34)로 입사하는 광의 강도가 감소되며, 결과적으로 상기 발광 다이오드(30)에서 방출되는광의 추출효율이 감소된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광추출 효율을 개선할 수 있는 측면 방출 발광 다이오드용 렌즈를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 광추출 효율을 개선할 수 있는 측면 방출 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여, 본 발명은 측면 방출 발광 다이오드 및 그것에 적합한 렌즈를 제공한다. 본 발명의 일 태양에 따른 측면 방출 발광 다이오드에 적합한 렌즈는 중심축에 대해 상대적인 각도로 서로 교번하며 연결된 입사면들 및 하부 전반사면들을 포함하는 하부면; 외부로 볼록하고, 중심축에서 측면으로 갈 수록 기울기가 감소하는 상부 전반사면; 및 상기 상부 전반사면과 상기 하부면을 연결하는 출사면을 포함한다.
이때, 발광 다이오드 다이로부터 직접 상기 입사면들을 통해 상기 렌즈로 들어간 광은 상기 각 입사면들에서 상기 각 입사면들에 이웃하는 하부 전반사면으로 굴절되고, 상기 하부 전반사면에서 상기 상부 전반사면으로 전반사되고, 이어서 상기 상부 전반사면에서 상기 출사면으로 전반사되어 상기 출사면을 통해 상기 중심축에 거의 수직한 방향으로 외부로 방출된다. 또한, 상기 입사면들에 입사되어 상 기 입사면들에서 반사된 광의 적어도 일부는 상기 각 입사면들에 이웃하는 다른 하부 전반사면을 통해 상기 렌즈로 들어간다. 이에 따라, 발광 다이오드 다이에서 방출된 광을 상기 렌즈를 통해 측면 방출할 수 있으며, 광추출효율을 개선할 수 있다.
한편, 상기 출사면은 상기 출사면을 통해 방출되는 광을 소정의 확산각으로 방출하는 확산면으로 이루어질 수 있다. 상기 확산면은 방출되는 광을 0.2 ~ 3°의 확산각으로 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입사면들에서 반사되어 상기 각 입사면들에 이웃하는 다른 하부 전반사면을 통해 상기 렌즈로 들어간 광의 적어도 일부는 상기 다른 하부 전반사면에서 상기 다른 하부 전반사면에 이웃하는 입사면으로 굴절되고, 상기 이웃하는 입사면에서 상기 상부 전반사면으로 반사되고, 이어서 상기 상부 전반사면에서 전반사되어 상기 측면을 통해 외부로 방출된다. 상기 외부로 방출되는 광은 상기 중심축에 대해 거의 수직한 방향으로 방출될 수 있다.
이에 더하여, 상기 입사면들 및 하부 전반사면들은 모두 상기 중심축을 향해 오목면 또는 볼록면일 수 있다. 상기 입사면들 및 하부 전반사면들은 모두 상기 중심축을 향해 오목면인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 다른 태양에 따른 측면 방출 발광 다이오드는 렌즈와 상기 렌즈의 하부면 아래에 위치하는 적어도 하나의 발광 다이오드 다이를 포함한다. 상기 렌즈는 상기 중심축에 대해 상대적인 각도로 서로 교번하며 연결된 입사면들 및 하부 전반사면들을 포함하는 하부면; 외부로 볼록하고, 중심축에서 측면으로 갈 수록 기 울기가 감소하는 상부 전반사면; 및 상기 상부 전반사면과 상기 하부면을 연결하는 출사면을 포함한다.
이때, 상기 발광 다이오드 다이로부터 직접 상기 입사면들을 통해 상기 렌즈로 들어간 광은 상기 각 입사면들에서 상기 각 입사면들에 이웃하는 하부 전반사면으로 굴절되고, 상기 하부 전반사면에서 상기 상부 전반사면으로 전반사되고, 이어서 상기 상부 전반사면에서 상기 출사면으로 전반사되어 상기 출사면을 통해 상기 중심축에 거의 수직한 방향으로 외부로 방출된다. 또한, 상기 입사면들에 입사되어 상기 입사면들에서 반사된 광의 적어도 일부는 상기 각 입사면들에 이웃하는 다른 하부 전반사면을 통해 상기 렌즈로 들어간다. 이에 따라, 상기 발광 다이오드 다이에서 방출된 광을 상기 렌즈를 통해 측면 방출할 수 있으며, 광추출효율을 개선할 수 있다.
한편, 상기 출사면은 상기 출사면을 통해 방출되는 광을 소정의 확산각으로 방출하는 확산면으로 이루어질 수 있다. 상기 확산면은 방출되는 광을 0.2 ~ 3°의 확산각으로 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입사면들에서 반사되어 상기 각 입사면들에 이웃하는 다른 하부 전반사면을 통해 상기 렌즈로 들어간 광의 적어도 일부는 상기 다른 하부 전반사면에서 상기 다른 하부 전반사면에 이웃하는 입사면으로 굴절되고, 상기 이웃하는 입사면에서 상기 상부 전반사면으로 반사되고, 이어서 상기 상부 전반사면에서 전반사되어 상기 측면을 통해 외부로 방출된다. 상기 외부로 방출되는 광은 상기 중심축에 대해 거의 수직한 방향으로 방출될 수 있다.
이에 더하여, 상기 입사면들 및 하부 전반사면들은 모두 상기 중심축을 향해 오목면 또는 볼록면일 수 있다. 상기 입사면들 및 하부 전반사면들은 모두 상기 중심축을 향해 오목면인 것이 더 바람직하다.
한편, 상기 적어도 하나의 발광 다이오드는 상기 렌즈의 중심축선 상에 우치하거나, 중심축선을 중심으로 대칭적으로 위치할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈(120)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 렌즈(120)는 중심축(116)에 대해 대칭인 하부면, 상부 전반사면(128) 및 상기 하부면과 상기 상부 전반사면(128)을 연결하는 출사면(129)을 포함한다. 상기 렌즈(120)는 사이클릭 올레핀 코폴리머(cyclic olefin copolymer; COC), 폴리메틸메타아크롤레이트(polymethylmethacrolate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), PC/PMMA, 실리콘(silicone), 플루오로카본 폴리머(fluorocarbon polymer) 또는 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI) 등으로 제조될 수 있으며, 인젝션 몰딩 또는 성형(casting) 등과 같은 다양한 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
상기 하부면의 중앙 영역에는 볼록면(127)이 위치한다. 상기 볼록면(127)은 상기 중심축(116)에 대해 작은 각으로 입사되는 광을 상기 중심축(116)에 거의 평행한 광으로 굴절시킨다. 따라서, 상기 볼록면(127)은 도시한 바와 같은 단일 볼록면에 한정되는 것은 아니고, 프레넬(fresnel) 면과 같이 다중 볼록면으로 형성될 수 있다. 상기 볼록면(127)에서 외부로 입사면들(121a, 122a, 123a 등) 및 하부 전반사면들(121b, 122b, 123b 등)이 교번하여 연결된다. 상기 입사면들(121a, 122a, 123a 등) 및 하부 전반사면들(121b, 122b, 123b 등)은 중심축에 대해 상대적인 각도를 이루며 서로 교차하여 모서리들(121d, 122d, 123d 등)을 형성한다. 한편, 상기 입사면들(121a, 122a, 123a 등) 및 하부 전반사면들(121b, 122b, 123b 등)은 상기 중심축(116) 둘레를 둘러싸는 회전면이거나, 지면을 수직하게 가로지르는 면들일 수 있다.
상기 상부 전반사면(128)은 외부로 볼록하고, 중심축에서 측면으로 갈 수록 기울기가 감소한다. 상기 상부 전반사면(128)은 발광 다이오드 다이(110)에서 방출된 광이 전반사되어 상기 중심축(116)에 수직 방향으로 외부로 방출되도록 설계된다. 상기 상부 전반사면(128)은 알루미늄과 같은 반사물질로 코팅될 수 있다. 상기 상부 전반사면(128)은 상기 입사면들(121a, 122a, 123a 등) 및 하부 전반사면들(121b, 122b, 123b 등)에 대응하여 상기 중심축(116)을 둘레를 둘러싸는 회전면이거나, 지면을 수직하게 가로지르는 면들일 수 있다. 상기 상부 전반사면(128)이 상기 중심축(116) 둘레를 둘러싸는 회전면일 경우, 상기 상부 전반사면(128)은 깔때기 모양이 된다.
한편, 상기 출사면(129)은 상기 상부 전반사면(128)에서 전반사된 광이 상기 중심축(116)에 수직 방향으로 방출되도록 설계된다. 또한, 상기 출사면(129)은 광추출 효율을 개선하기 위해 확산면으로 이루어질 수 있다. 확산면에 대해서는 도 9 또는 도 10을 참조하여 후술한다.
상기 발광 다이오드 다이(110)로부터 방출된 광은 상기 볼록면(127) 및 상기 입사면들(121a, 122a, 123a 등)에 직접 입사되어 상기 렌즈로 들어가며, 상기 입사면들(121a, 122a, 123a 등)에 의해 상기 하부 전반사면들(121b, 122b, 123b 등)에 직접 입사되는 것은 방지된다. 상기 볼록면(127)에 입사된 광은 상기 중심축(116)에 거의 평행한 광으로 진행하여 상기 상부 전반사면(128)에 도달하고, 상기 상부 전반사면(128)에서 상기 출사면(129)으로 전반사된 후, 상기 출사면(129)을 통해 상기 중심축(116)에 수직 방향으로 외부로 방출된다. 또한, 상기 입사면들(121a, 122a, 123a 등)에 직접 입사된 광은 상기 입사면들에서 굴절되어 각각 인접하는 하부 전반사면들(121b, 122b, 123b 등)로 진행하고, 상기 하부 전반사면들(121b, 122b, 123b 등)에서 상기 중심축(116)에 거의 평행한 방향으로 전반사되어 상기 상부 전반사면(128)으로 향한다. 그 후, 상기 상부 전반사면(128)에서 상기 출사면(129)으로 전반사되어 상기 중심축(116)에 거의 수직 방향으로 외부로 방출된다. 또한, 상기 입사면들(121a, 122a, 123a 등)에 입사된 광의 일부는 상기 입사면들에서 반사된다. 상기 반사된 광의 적어도 일부는 상기 각 입사면들(121a, 122a, 123a 등)에 이웃하는 다른 하부 전반사면을 통해 상기 렌즈로 들어간다.
상술한 바와 같이, 상기 입사면들(121a, 122a, 123a 등), 상기 하부 전반사 면들(121b, 122b, 123b 등), 상기 상부 전반사면(128) 및 상기 출사면(129)의 곡률 및 기울기는 상기 발광 다이오드 다이(110)에서 방출된 광이 상기 중심축(116)에 수직 방향으로 외부로 방출되도록 서로 유기적으로 관련된다. 이하에서는, 상기 입사면들(121a, 122a, 123a 등) 및 상기 하부 전반사면들(121b, 122b, 123b 등)의 상대적인 관련성과 상기 상부 전반사면(128) 및 상기 출사면(129)의 상대적인 관련성을 도 8 내지 도 10을 참조하여 차례로 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈(120)의 하부면을 설명하기 위해 입사면(122a, 123a) 및 하부 전반사면(122b, 123b)을 확대한 부분 단면도이다.
도 8을 참조하면, 발광 다이오드 다이(110)에서 상기 입사면(123a)에 입사된 광의 일부는 상기 입사면(123a)에서 굴절되어 상기 하부 전반사면(123b)으로 진행한다. 상기 입사면(123a)에서 굴절각은 상기 렌즈(120)의 굴절률 및 상기 광의 입사각에 의해 결정된다. 한편, 상기 입사면(123a)에 입사된 광의 일부는 상기 입사면(123a)에서 반사되어 하부 전반사면(122b)으로 진행한다. 이때, 상기 입사면(123a)에서 반사각은 상기 광의 입사각에 의해 결정된다. 여기서, 상기 입사면(123a)이, 도시한 바와 같이, 상기 중심축(116)을 향해 오목면인 경우를 고려한다. 그러나, 본 발명은 상기 입사면들이 오목면인 경우에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한, 볼록면 또는 평면일 수 있다.
우선, 모서리(122d)에 가장 인접하여 상기 입사면(123a)에 입사되는 광(111)을 보면, 상기 광(111)은 상기 입사면(123a)에서 굴절 및 반사되어 광(112) 및 광(113)으로 분리된다. 상기 광(112)은 상기 입사면(123a)에서 하부 전반사면(123b) 으로 굴절되고, 상기 하부 전반사면(123b)에서 전반사된다. 이때, 상기 하부 전반사면(123b)은 상기 광(112)이 상기 중심축(116)에 거의 평행한 방향으로 상기 광(112)을 전반사시키는 기울기를 갖는다. 한편, 상기 반사된 광(113)은 상기 하부 전반사면(122b)을 통해 상기 렌즈(120)로 들어간다. 이어서, 상기 광(113)은 상기 입사면(122a)에서 전반사된다. 이때, 상기 입사면(122a)의 기울기에 따라 상기 광(113)은 중심축(116)에 평행한 방향으로 전반사될 수 있다.
한편, 모서리(123d)에 인접하여 상기 입사면(123a)에 입사되는 광(115)을 보면, 상기 광(115)은 상기 입사면(123a)에서 굴절 및 반사되어 광(116) 및 광(117)으로 분리된다. 상기 광(116)은 상기 입사면(123a)에서 하부 전반사면(123b)으로 굴절되고, 상기 하부 전반사면(123b)에서 전반사된다. 이때, 상기 하부 전반사면(123b)은 상기 광(112)이 상기 중심축(116)에 거의 평행한 방향으로 상기 광(112)을 전반사시키는 기울기를 갖는다. 한편, 상기 반사된 광(117)은 상기 하부 전반사면(122b)을 통해 상기 렌즈(120)로 들어간다. 이어서, 상기 광(113)은 상기 입사면(122a)에서 전반사된다. 이때, 상기 입사면(122a)의 기울기에 따라 상기 광(117)은 중심축(116)에 평행한 방향으로 전반사될 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드 다이(110)에서 상기 입사면(123a)에 입사되는 광은 상기 광(111)과 광(115) 사이로 입사된다. 이러한 광이 상기 입사면(123a)에서 굴절될 때, 상기 광(112)과 광(116) 사이에서 발산하도록 굴절된다. 따라서, 상기 하부 전반사면(123b)이 도시한 바와 같이 일정한 곡률을 가질 경우, 굴절된 광은 상기 하부 전반사면(123b)에서 전반사되어 상기 광(112)과 광(116) 사이에서 상부 로 진행한다. 또한, 상기 입사면(123a)에 입사되는 광은 상기 입사면(123a)에서 반사될 때, 상기 광(113)과 광(117) 사이로 반사되어 상기 광(113)과 광(117) 사이의 경로를 따라 진행한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈(120)의 상부 전반사면(128) 및 출사면(129)을 설명하기 위한 부분 단면도들이다.
도 9를 참조하면, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 볼록면(127)에서 굴절된 광 및 하부 전반사면들(121b, 122b, 123b 등)에서 중심축(116)에 거의 평행하게 전반사된 광들(R1, R2, R3 등)은 상부 전반사면(128)에 도달한다. 상기 광들(R1, R2, R3 등)은 중심축(116)에서 멀어질 수록 기울기가 감소한다. 한편, 상기 상부 전반사면(128)은 상기 중심축(116)에서 멀어질 수록 기울기가 감소한다. 따라서, 상기 광들(R1, R2, R3 등)의 기울기 감소율과 상부 전반사면(128)의 기울기 감소율을 조정하면, 상기 광들(R1, R2, R3 등)을 상부 전반사면(128)에서 중심축(116)에 수직 방향으로 전반사시킬 수 있다. 이때, 출사면(129)은 중심축(116)과 평행하게 설계되어 상기 중심축(116)에 수직 방향으로 전반사된 광이 동일 방향으로 방출된다. 바람직하게는, 상기 출사면(129)은 확산면으로 이루어질 수 있다. 확산면은 방출되는 광을 소정의 확산각으로 방출시킨다. 이때, 상기 확산각은 0.2~3°일 수 있다.
한편, 상기 광들(R1, R2, R3 등)의 기울기 감소율은 상대적으로 작을 수 있다. 이 경우, 상기 광들(R1, R2, R3 등)의 기울기 감소율과 동일한 비율로 상기 상부 전반사면(128)의 기울기를 설계하면, 렌즈(120)의 높이가 증가된다. 상기 렌즈 (120)의 높이를 상대적으로 감소시킬 수 있는 방법을 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 상부 전반사면(128a)의 기울기 감소율은 상기 광들(R1, R2, R3 등)의 기울기 감소율에 비해 상대적으로 크다. 따라서, 중심축(116)에서 멀어질 수록, 상기 상부 전반사면(128a)에서 전반사된 광은 상기 렌즈(120)의 하부면을 향해 출사면(129a)에 도달한다. 상기 출사면(129a)은 상기 전반사된 광들이 중심축(116)에 수직 방향으로 상기 광들이 방출되도록 상기 광들을 굴절시킨다. 이때, 상기 출사면(129a)은, 도시한 바와 같이, 오목면이 된다. 이러한 오목면의 곡률을 조절하여, 중심축(116)에 수직 방향으로 광들을 방출할 수 있다. 상기 출사면(129a)은 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이 확산면으로 이루어질 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드의 일 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 발광 다이오드 다이(110) 및 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한 렌즈(120)를 포함한다. 상기 발광 다이오드 다이(110)는 상기 렌즈(120) 하부에 위치하며, 상기 렌즈의 중심축(116) 상에 위치한다. 한편, 상기 발광 다이오드 다이(110)는 두개 이상의 발광 다이오드 다이들일 수 있다. 이때, 상기 발광 다이오드 다이들은 상기 렌즈(120)의 중심축(116)선을 중심으로 대칭적으로 위치한다.
한편, 상기 발광 다이오드 다이(110)는 본체(130) 상에 탑재된다. 상기 본체(130) 상부에는 반사컵(도시하지 않음)이 마련될 수 있으며, 상기 발광 다이오드 다이(110)는 상기 반사컵 내부에 안착될 수 있다. 또한, 상기 본체(130)에는 상기 발광 다이오드 다이(110)를 외부전원에 연결하기 위한 전극들이 마련된다. 상기 발광 다이오드 다이(110)는 상기 전극들에 전기적으로 연결된다.
상기 렌즈(120)는 다양한 결합부재(도시하지 않음)를 사용하여 상기 본체(130)에 결합될 수 있다. 예컨대, 상기 렌즈(120)에 후크를 일체로 형성하여 상기 본체(130)에 결합시킬 수 있으며, 본딩물질을 사용하여 상기 렌즈(120)와 상기 본체(130)을 접합시킬 수 있다.
한편, 상기 렌즈(120)와 상기 본체(130) 사이의 공간은 공기 상태 또는 진공 상태일 수 있으며, 수지, 실리콘, 에폭시 등과 같은 몰딩부재를 사용하여 채워질 수 있다. 상기 몰딩부재는 굴절률을 가지며, 상기 몰딩부재의 굴절률은 상기 렌즈(120)의 굴절률 보다 작은 것이 바람직하다. 상기 몰딩부재는 형광체를 함유할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래기술에 비해 발광 다이오드 다이에서 방출되어 렌즈 내부로 들어가는 광의 강도를 증가시키어 광추출 효율을 개선할 수 있는 측면 방출 발광 다이오드용 렌즈를 제공할 수 있으며, 상기 렌즈를 사용하여 광추출 효율을 개선할 수 있은 측면 방출 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
Claims (6)
- 측면 방출 발광 다이오드에 적합한 렌즈에 있어서,중심축에 대해 상대적인 각도로 서로 교번하며 연결된 입사면들 및 하부 전반사면들을 포함하는 하부면;외부로 볼록하고, 중심축에서 측면으로 갈 수록 기울기가 감소하는 상부 전반사면; 및상기 상부 전반사면과 상기 하부면을 연결하는 출사면을 포함하는 렌즈.
- 청구항 1에 있어서,상기 출사면은 상기 출사면을 통해 방출되는 광을 0.2 ~ 3°의 확산각으로 방출하는 확산면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 렌즈.
- 청구항 1에 있어서,발광 다이오드 다이로부터 직접 상기 입사면들을 통해 상기 렌즈로 들어간 광은 상기 각 입사면들에서 상기 각 입사면들에 이웃하는 하부 전반사면으로 굴절되고, 상기 하부 전반사면에서 상기 상부 전반사면으로 전반사되고, 이어서 상기 상부 전반사면에서 상기 출사면으로 전반사되어 상기 출사면을 통해 상기 중심축에 거의 수직한 방향으로 외부로 방출되고,상기 입사면들에 입사되어 상기 입사면들에서 반사된 광의 적어도 일부는 상 기 각 입사면들에 이웃하는 다른 하부 전반사면을 통해 상기 렌즈로 들어가는 것을 특징으로 하는 렌즈.
- 청구항 3에 있어서,상기 입사면들에서 반사되어 상기 각 입사면들에 이웃하는 다른 하부 전반사면을 통해 상기 렌즈로 들어간 광의 적어도 일부는 상기 다른 하부 전반사면에서 상기 다른 하부 전반사면에 이웃하는 입사면으로 굴절되고, 상기 이웃하는 입사면에서 상기 상부 전반사면으로 반사되고, 이어서 상기 상부 전반사면에서 전반사되어 상기 측면을 통해 외부로 방출되는 것을 특징으로 하는 렌즈.
- 청구항 1에 있어서,상기 입사면들 및 하부 전반사면들은 모두 상기 중심축을 향해 오목면인 것을 특징으로 하는 렌즈.
- 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항의 렌즈; 및상기 렌즈의 하부면 아래에 위치하는 적어도 하나의 발광 다이오드 다이를 포함하는 발광 다이오드.
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Legal Events
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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