KR20060120810A - Ｌｅｄ 확산 렌즈 - Google Patents

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KR20060120810A KR1020050042985A KR20050042985A KR20060120810A KR 20060120810 A KR20060120810 A KR 20060120810A KR 1020050042985 A KR1020050042985 A KR 1020050042985A KR 20050042985 A KR20050042985 A KR 20050042985A KR 20060120810 A KR20060120810 A KR 20060120810A
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Abstract

본 발명은 LED의 발산광을 확산시키는 렌즈에 관한 것으로서, LED의 발산광이 입사하는 저면과; 렌즈의 중심축 상에 상방으로 돌출되어 측면으로 경사지며 상기 저면을 통해 입사한 광을 렌즈의 상부로 전반사시키는 원추형 제1 렌즈면과; 상기 원추형 제1 렌즈면의 주변으로부터 상방으로 경사지게 연장되며 상기 저면을 통해 입사한 광을 렌즈의 주변부로 전반사시키는 제2 렌즈면과; 상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면으로 연장되며 상기 저면을 통해 입사한 광을 측면으로 굴절시키는 제3 렌즈면을 포함한다. 본 발명에 따르면, LED 확산 렌즈의 제조를 위한 금형 제작 및 성형후 취출이 용이하며, LED 발산광을 렌즈의 중앙부, 주변부 및 측면으로 고르게 확산시킬 수 있다.
LED, LCD, 확산 렌즈, Secondary Lens, 백라이트

Description

ＬＥＤ 확산 렌즈{SECONDARY LENS FOR DIFFUSING LED LIGHT}
도 1은 종래 기술에 따른 LED 확산 렌즈의 단면 형상 및 LED 발산광의 궤적도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 단면 형상 및 LED 발상광의 궤적도.
도 3은 본 발명의 대체 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 단면 형상 및 LED 발상광의 궤적도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 3차원 사시도.
도 5a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 제1 렌즈면에 의한 광량 분포도.
도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 제2 렌즈면 및 제3 렌즈면에 의한 광량 분포도.
도 5c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 전체 렌즈면에 의한 광량 분포도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 100: 저면 15, 115: 수용홈(수용부)
20, 120: 제1 렌즈면 30, 130: 제2 렌즈면
40, 140: 제3 렌즈면 L: LED 칩
본 발명은 LED 확산 렌즈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 LCD의 백라이트용 광원으로 채용되는 LED의 발산광을 렌즈의 중앙부, 주변부 및 하부로 고르게 확산시키기 위한 LED 확산 렌즈에 관한 것이다.
LCD와 같이 자체 발광 기능이 없는 표시 장치의 경우에는 별도의 백라이트용 광원을 사용하여야 한다. 이를 위해 종래에는 CCFL과 같은 형광등이 주로 사용되었으나, 최근들어 발광다이오드(LED; Light Emission Diode, 이하 "LED"라 함)의 밝기 및 성능이 향상되어 LCD의 백라이트에 적용되는 사례가 증가하고 있다.
그런데, LED는 하나의 점 위치에서 발광하는 점광원이기 때문에, LCD와 광원과의 짧은 이격 거리에서 조명 면적을 넓히고 균일한 조도를 얻기 위해서는 LED 칩으로부터 발산되는 광을 확산시키기 위한 확산 렌즈("Secondary Lens"라고도 칭함)를 사용한다.
도 1은 종래 기술에 따른 LED 확산 렌즈의 형상 및 LED 발산광의 궤적을 예시한 것이다.
도시된 바와 같이, 종래의 LED 확산 렌즈는 LED 칩(L)을 수용하는 저면(10)과, 렌즈의 중심축으로부터 상방을 향하여 경사지게 연장된 제1 렌즈면(20)과, 상기 제1 렌즈면의 외측으로부터 연장되어 렌즈의 중심축으로부터의 반경이 축소되는 제2 렌즈면(30)과, 상기 제2 렌즈면의 외측으로부터 상기 저면까지 완만한 경사로 이어진 제3 렌즈면(40)으로 이루어져 있다.
먼저, 렌즈의 저면(10)에는 LED 칩(L)을 수용하기 위한 수용홈(15)이 형성되어 있어서, 이 수용홈의 계면을 따라 LED 발산광이 입사한다.
제1 렌즈면(20)은 렌즈의 중심축(점선으로 표시됨)으로부터 상부로 연장된 경사면을 형성하고 있으며, 제2 렌즈면(30)과 함께 깔때기 형태(funnel shaped)로 돌출면을 형성하고 있다, 이에 따라, 렌즈의 중심축에 인접한 범위에서는, 저면(10)을 통과한 LED 발산광이 제1 렌즈면(20)에 임계각(θC) 미만으로 입사하여 렌즈의 상부로 굴절된다. 반면에, LED 발산광의 입사 각도가 임계각 이상인 경우에는 제1 렌즈면에서 전반사되고, 이어서 제2 렌즈면(30)을 통과하여 렌즈의 주변으로 확산된다.
제2 렌즈면(30)과 제3 렌즈면(40)은 도시된 바와 같이 측면이 잘록한 요입부를 형성하고 있으며, 제2 렌즈면(30)에 직접 입사하는 LED 발산광은 그 면에서 굴절되어 렌즈의 주변으로 진행한다.
이러한 종래의 확산 렌즈는 그 형상이 매우 복잡하기 때문에, 유리를 연마 가공하여 제작하기에는 부적합하며, 플라스틱을 재료로 사용하여 사출 제조하는 것이 일반적이다. 그러나, 플라스틱 사출 공정을 채용하더라도, 깔때기 형태의 돌출부 및 측면 요입부로 인하여 플라스틱 렌즈의 성형이 완료된 후 금형으로부터 렌즈를 추출하기가 곤란할 뿐만 아니라, 렌즈 금형의 제작도 용이하지 않은 단점이 있 다.
또한, 제1 렌즈면(20)에 입사하는 LED 발산광은 렌즈 중심축과 근접한 범위에서 상부로 굴절되고, 이보다 측면으로 입사하는 경우에는 전반사되기 때문에, 제1 렌즈면에서 굴절되는 상부 굴절광을 이용하여 렌즈 중앙부의 조명 광량을 조절하는 것이 용이하지 않다. 즉, 제1 렌즈면에 입사하는 LED 발산광은 대부분 전반사되고, 렌즈 중심축 부근에서만 극히 제한적으로 굴절이 이루어지기 때문에, 렌즈의 중앙부가 주변부에 비하여 어두운 현상이 발생하기 쉽다.
전술한 문제점을 해결하고자, 본 발명은 LED 확산 렌즈를 제조함에 있어서 금형 제작 및 성형후 취출이 용이하도록 함과 아울러, LED 발산광을 렌즈의 중앙부, 주변부 및 측면(하부)으로 고르게 확산시키기 위한 LED 확산 렌즈의 형상을 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면 LED의 발산광을 확산시키는 렌즈가 제공되며, LED의 발산광이 입사하는 저면과; 렌즈의 중심축 상에 상방으로 돌출되어 측면으로 경사지며 상기 저면을 통해 입사한 광을 렌즈의 상부로 전반사시키는 원추형 제1 렌즈면과; 상기 원추형 제1 렌즈면의 주변으로부터 상방으로 경사지게 연장되며 상기 저면을 통해 입사한 광을 렌즈의 주변부로 전반사시키는 제2 렌즈면과; 상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면으로 연장되며 상기 저면을 통해 입사한 광을 측면으로 굴절시키는 제3 렌즈면을 포함한다.
이 때, 상기 제1 렌즈면과 상기 제2 렌즈면은 렌즈의 하방으로 요입된 V자형 경사면을 형성하는 것이 바람직하며, 상기 상방으로 돌출된 원추형 제1 렌즈면의 중심부는 곡면 형상일 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈면 및/또는 제2 렌즈면은 직선 형상 및 비구면 형상 중 하나로 제작될 수 있으며, 상기 제3 렌즈면은 렌즈 중심측으로부터 반경이 확대되면서 상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면까지 연장되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 저면은 렌즈의 중심축을 따라 수직으로 요입되어 LED를 수용하는 LED 수용부가 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 반도체 발광 소자 및 이로부터 발산되는 광을 확산시키는 확산 렌즈로 이루어진 발광 소자 조립체가 제공된다. 그리고, 상기 확산 렌즈는, 상기 반도체 발광 소자로부터 발산되는 광이 입사하는 저면과; 렌즈의 중심축 상에 상방으로 돌출되어 측면으로 경사지며 상기 저면을 통해 입사한 광을 렌즈의 상부로 전반사시키는 원추형 제1 렌즈면과; 상기 원추형 제1 렌즈면의 주변으로부터 상방으로 경사지게 연장되며 상기 저면을 통해 입사한 광을 렌즈의 주변부로 전반사시키는 제2 렌즈면과; 상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면으로 연장되며 상기 저면을 통해 입사한 광을 측면으로 굴절시키는 제3 렌즈면을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명토록 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 형상 및 확산 궤적을 예시한 것이며, 도시된 바와 같이 공지된 방법에 따라 LED 칩(L)과 함께 하나 의 발광 소자 조립체로서 패키징될 수 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈는 LED 발산광이 입사하는 저면(110)과, 렌즈의 중심축 상에 상방으로 돌출되어 측면으로 경사진 원추(Cone)형 제1 렌즈면(120)과, 상기 원추형 제1 렌즈면의 주변으로부터 상방으로 경사지게 연장된 제2 렌즈면(130)과, 상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면으로 연장된 측면의 제3 렌즈면(140)으로 이루어져 있다.
먼저, 렌즈의 저면(110)은 LED 칩(L)을 수용하기 위한 수용홈(115)이 중앙에 형성되어 있으며, 이 수용홈의 계면을 따라 LED 발산광이 입사한다. 수용홈(115)은 렌즈의 중심축(점선으로 도시됨)을 따라 수직으로 요입되어, 수용홈의 천정부가 렌즈의 저면과 수평을 이루고 있다.
제1 렌즈면(120)은 제2 렌즈면(130)과 함께 렌즈의 전면을 구성하며, 렌즈의 중심축 근방에서 저면(110)을 통해 입사한 광을 렌즈의 중심부에 대응하는 상부로 전반사시킨다. 한편, 도 2에는 상방으로 돌출된 제1 렌즈면(120)의 중심부가 뾰족한 것으로 도시되어 있으나, 대안으로서 도 3에 도시된 바와 같이 이를 곡면 형상으로 성형할 수 있다.
제2 렌즈면(130)은 제1 렌즈면보다 완만한 경사로 연장되어, 제1 렌즈면(120)과 함께 렌즈의 하방으로 요입된 비대칭 V자 경사면을 형성한다. 저면을 통해 입사하는 빛은 수용홈(115)의 천정부에서 1차 굴절된 후, 제2 렌즈면에서 전반사된다. 이를 통해, 제2 렌즈면(130)에서 전반사되어 진행되는 LED 발산광은 제1 렌즈면(120)에서 전반사된 빛의 확산 범위보다 외곽인 주변부로 확산된다.
제2 렌즈면에 입사하는 광은 제1 렌즈면(120) 비하여 입사각이 상대적으로 크기 때문에 제2 렌즈면을 제1 렌즈면보다 완만한 경사로 설계될 수 있으며, 이에 따라 렌즈의 중심축을 기준으로 할 때 제1 렌즈면의 전반사광보다 보다 큰 각도로 확산시키기에 유리하다.
즉, 제1 렌즈면(120)의 전반사광이 렌즈 중심축에 대하여 제1 각도(θ1)로 전반사되어 진행하는 경우에, 제2 렌즈면(130)의 전반사광은 상기 제1 각도보다 큰 제2 각도(θ2) (θ2>θ1)로 전반사하여 렌즈의 주변부로 확산시킬 수 있다.
한편, 도 1에서는 제1 렌즈면 및 제2 렌즈면이 직선 형상으로 제작되어 있으나, 대안으로서 이들 전체 또는 그 일부가 비구면 형상을 취할 수 있다.
마지막으로, 제3 렌즈면(140)은 렌즈의 측면을 구성하며, 렌즈 중심측으로부터 반경이 확대되면서 상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면으로 연장된다. 제3 렌즈면으로 입사한 광은 제2 렌즈면(130)의 전반사광보다 더 넓은 범위로 확산되도록 측면으로 굴절된다.
즉, 제3 렌즈면(130)의 하부굴절광은 렌즈 중심축에 대하여 상기 제2 각도보다 큰 제3 각도(θ3) (θ3>θ2)로 굴절되어 진행하며, 제3 각도가 90도에 근접하면 굴절광은 렌즈의 측면 방향으로 진행한다. 한편, 제3 렌즈면(140)에서 굴절되는 LED 발산광은 사전에 수용홈(115)의 측벽에서 1차 굴절된 후 제3 렌즈면에 입사될 수 있으며, 이에 따라 보다 큰 굴절 각도를 확보할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 단면만을 예시하였으나, 당업자라면 예컨대, 렌즈의 중심축을 중심으로 회전 대칭, 좌우 대칭 및/또는 면대칭이 되도록 렌즈를 설계할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 확산 렌즈 형상에 있어서, 제1 렌즈면, 제2 렌즈면 및 제3 렌즈면의 크기 및/또는 경사도를 조절함으로써 중앙부, 주변부 및 측면에 확산되는 광을 적절히 배분하여, 전 영역에 걸쳐 광을 고르게 확산시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 설계 패러미터에 구체적 수치를 적용하여 그 효과를 살펴보도록 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 3차원 형상을 도시한 것으로서, LED 확산 렌즈의 제1 렌즈면 및 제2 렌즈면은 비구면 형상으로 이루어져 있으며, 당업자에게 공지된 바와 같이 다음의 수학식 1과 같은 비구면 방정식을 만족시킨다.
Figure 112005026865949-PAT00001
여기서, Z는 sag량, H는 광축기준 높이, R은 곡률 반경, k는 conic constant, 그리고, A, B, C, D는 비구면 계수이다.
예컨대, LED 발광부로부터 LCD까지의 거리가 25 mm라고 가정할 때, 도 4의 제1 렌즈면 및 제2 렌즈면은 표 1과 같이 설계할 수 있으며, 제3 렌즈면은 렌즈의 중심축과 11도의 각도로 경사지도록 할 수 있다.
설계 패러미터 제1 렌즈면 제2 렌즈면
R 0.01 -0.00001
k -1.1819 -2.0
A 0.0 0.2×10-1
B 0.0 -0.14×10-2
C 0.0 0.35×10-4
D 0.0 0.0
도 5a 내지 도 5b는 전술한 도 4의 LED 확산 렌즈에 있어서, 제1 렌즈면, 제2 렌즈면 및 제3 렌즈면, 그리고 전체 렌즈면에 의한 광량 분포를 각각 도시한 것이다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 확산 렌즈의 제1 렌즈면으로부터 전반사된 광은 렌즈의 중심부, 즉 렌즈의 중심축(광축)을 기준으로 25 mm의 범위에서 0.025 Lumens/cm2의 고른 조도 분포를 이루고 있으며, 렌즈의 중심축(광축)을 기준으로 25 내지 50 mm 범위에서 급격히 감소하고 있다.
이와 반대로, 제2 렌즈면에 의한 전반사광 및 제3 렌즈면에 의한 굴절광은 도 5b에 도시된 바와 같이, 렌즈의 주변부 및 측면으로 확산된다. 즉, 제2 렌즈면 및 제3 렌즈면에 의한 광은 렌즈의 중심축(광축)을 기준으로 25 내지 50 mm 범위에서 급격히 증가하여, 50 내지 100 mm의 범위에서 0.025 Lumens/cm2의 고른 조도 분포를 이루고 있다.
마지막으로, 렌즈 전체를 살펴보면 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1 렌즈면, 제2 렌즈면 및 제3 렌즈면에 의한 광량 분포가 중첩됨으로써, 렌즈의 중앙부, 주변부 및 측면으로 확산되는 광이 고른 분포를 이루고 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 여타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 이하의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 확산 렌즈 구조와 달리 측면의 요입부를 구비하지 않기 때문에, LED 확산 렌즈를 제조하기 위한 금형의 제작이 용이할 뿐만 아니라, 성형 이후에 렌즈를 취출하는 것도 수월하다.
또한, LED 발산광을 렌즈의 중앙부와 주변부로 확산하는 렌즈면이 별도로 마련되어 있어서, 렌즈 중앙부의 조명 광량을 조절하는 것이 용이하며, 이러한 렌즈 형상에 의하여 제공되는 제1 내지 제3 렌즈면의 크기 및 경사도를 조절함으로써 렌즈의 중앙부, 주변부 및 측면으로 광을 고르게 확산시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

  1. LED의 발산광을 확산시키는 렌즈로서,
    LED의 발산광이 입사하는 저면과,
    렌즈의 중심축 상에 상방으로 돌출되어 측면으로 경사지며, 상기 저면을 통해 입사한 광을 렌즈의 상부로 전반사시키는 원추형 제1 렌즈면과,
    상기 원추형 제1 렌즈면의 주변으로부터 상방으로 경사지게 연장되며, 상기 저면을 통해 입사한 광을 렌즈의 주변부로 전반사시키는 제2 렌즈면과,
    상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면으로 연장되며, 상기 저면을 통해 입사한 광을 측면으로 굴절시키는 제3 렌즈면
    을 포함하는 LED 확산 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈면과 상기 제2 렌즈면은 렌즈의 하방으로 요입된 V자형 경사면을 형성하는 것인 LED 확산 렌즈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 상방으로 돌출된 원추형 제1 렌즈면의 중심부는 곡면 형상인 LED 확산 렌즈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 렌즈면은 직선 형상 및 비구면 형상 중 하나로 제작되는 것인 LED 확산 렌즈.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 렌즈면은 직선 형상 및 비구면 형상 중 하나로 제작되는 것인 LED 확산 렌즈.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제3 렌즈면은 렌즈 중심측으로부터 반경이 확대되면서 상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면까지 연장되는 것인 LED 확산 렌즈.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저면은
    렌즈의 중심축을 따라 수직으로 요입되어 LED를 수용하는 LED 수용부가 형성되는 것인 LED 확산 렌즈.
  8. 반도체 발광 소자 및 이로부터 발산되는 광을 확산시키는 확산 렌즈로 이루어진 발광 소자 조립체에 있어서, 상기 확산 렌즈는,
    상기 반도체 발광 소자로부터 발산되는 광이 입사하는 저면과,
    렌즈의 중심축 상에 상방으로 돌출되어 측면으로 경사지며, 상기 저면을 통 해 입사한 광을 렌즈의 상부로 전반사시키는 원추형 제1 렌즈면과,
    상기 원추형 제1 렌즈면의 주변으로부터 상방으로 경사지게 연장되며, 상기 저면을 통해 입사한 광을 렌즈의 주변부로 전반사시키는 제2 렌즈면과,
    상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면으로 연장되며, 상기 저면을 통해 입사한 광을 측면으로 굴절시키는 제3 렌즈면
    을 포함하는 발광 소자 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 렌즈면과 상기 제2 렌즈면은 렌즈의 하방으로 요입된 비대칭 V자형 경사면을 형성하는 것인 발광 소자 조립체.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제3 렌즈면은 렌즈 중심측으로부터 반경이 확대되면서 상기 제2 렌즈면의 외측 단부로부터 상기 저면까지 연장되는 것인 발광 소자 조립체.
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