KR20070090323A

KR20070090323A - 상향 방출형 led 렌즈 및 후면 광 유닛

Info

Publication number: KR20070090323A
Application number: KR1020060019908A
Authority: KR
Inventors: 유종선
Original assignee: 옵토프로(주)
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-09-06

Abstract

빛을 상향으로 방출시키는 본 발명의 LED(Light Emitting Device) 렌즈는 LED를 마주보는 렌즈의 안쪽 표면(29,37), LED의 중심축에 가까운 렌즈의 바깥 제1표면(30,38), LED의 중심축으로부터 가장 먼 렌즈의 바깥 제2표면(31,39), 및 제1표면(30,38)과 제2표면(31,39) 사이의 중간인 바깥 제3표면(32,40)으로 이루어져 있다. 본 발명의 LED 렌즈는 빛을 중심축으로부터 먼 방향으로도 보낼 수 있기 때문에 발광소자들의 평면 배열(LED Planar Array)에 의하여 발광소자들의 상부에 있는 도광판(Light Guide Panel) 또는 확산판(Diffuser Sheet) 상에 더욱 균일한 휘도 분포를 얻을 수 있다.

LED 렌즈, 도광판

Description

상향 방출형 LED 렌즈 및 후면 광 유닛{Top Emitting LED and Back Light Unit}

도 1a 및 도 1b는 일반적인 측면 방출 방식과 상향 방출 방식의 LED 광원들을 포함한 후면 광 유닛을 나타낸 개략도이다.

도 2는 일반적인 LED와 렌즈를 포함하는 광학부품으로부터 방출되는 빛의 통상적인 강도를 방향각의 함수로 나타낸 것이다.

도 3은 일반적인 매트릭스 형태의 LED 배열에서 도광판 하면에 형성되는 빛의 강도 분포를 인접한 두 LED 사이의 위치의 함수로 나타낸 것이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 BLU용 LED 렌즈의 단면도를 나타낸 것이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 BLU용 LED 렌즈의 단면도를 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 BLU용 LED 렌즈를 PCB 위에 배열된 각 LED 위에 덮어씌워 상향 방출 방식의 광원장치를 구현한 일 예를 보인 것이다.

본 발명은 액상 결정 표시기용 후면 광 유닛에 관한 것으로, 특히 빛을 상향으로 방출시키는 LED 렌즈에 관한 것이다.

액상 결정 표시기(Liquid Crystal Display: LCD), 표시판(Display Panel), 등에는 후면 광 유닛(Back Light Unit: BLU)을 필수적으로 포함한다. 후면 광 유닛에는 발광체로서 지금까지 냉음극형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp: CCFL)를 주로 채택하여 왔으나, 수은이 포함되지 않아 친환경적이고, 저전압에서 동작할 수 있어 저소비전력에 적합하며, 색조(color gamut)가 더 우수한 LED(Light Emitting Device)를 냉음극형광램프에 대체하려는 시도가 이루어지고 있다. 현재까지는 LED의 중심축에 수직인 방향으로, 즉 BLU의 바닥과 수평으로 빛이 나오는 측면 방출(Side Emitting) 방식이 많이 개발되어 왔으나 LCD의 크기가 점점 대형화함에 따라 LED의 중심축 방향으로 빛이 나오는 상향 방출(Top Emitting) 방식이 부각되고 있으며, 빛의 방향과 강도를 조절하기 위하여 LED에 렌즈, 미러, 그 혼합 형태의 물질 또는 부품을 채택하려 하고 있다.

도 1a 및 1b는 일반적인 측면 방출 방식 및 상향 방출 방식의 LED 광원들을 포함한 후면 광 유닛을 각각 나타낸 것으로서, 측면 방출 방식의 BLU용 광원장치(13)는 도 1a에 나타낸 바와 같이, LED 광원(14)의 중심축 방향으로 방출되는 빛을 렌즈 또는 반사경(15)를 이용하여 LED 중심축에 수직으로, 즉 BLU 바닥에 수평으로 꺾어서 도광판(16)에 입사시킨다.

상향 방출 방식의 BLU용 광원장치(17)는 도 1b에 나타낸 바와 같이, 평면 배치된 광원 또는 렌즈를 포함한 LED 광원(18)들로부터 위쪽 방향으로 도광판(19)에 입사시키기 위해 LED 광원(18)을 도광판(19) 하부에 배열시킨다. 상향 방출 방식에서 PCB(도시되지 않음) 상의 LED 또는 LED에 렌즈를 얹고 있는 LED 광원(18)으로부터 빛이 방출되어 공기 또는 렌즈를 통과한 빛이 상향으로 진행하여 도광판(19)에 입사된다. 여기서, PCB의 크기, LED와 렌즈의 개수 및 배열 방식은 여러 가지 형태가 나올 수 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, LED(20) 광원의 중심축 가까이로 빛을 집중시킴으로써 중심축 방향으로 밝기를 증대시키기 위하여 볼록형 렌즈(21)를 LED 위에 씌운 광원에서 방출되는 빛의 형태를 나타낸 것으로써, 화살표 선의 굵기는 빛의 강도를 나타낸다. 볼록형 렌즈(21)를 LED(20) 위에 씌우면 중심축으로부터 먼 방향으로 방출되는 빛의 진로를 중심축 가까운 쪽으로 굴절시키기 때문에 중심축 방향으로 빛이 모이게 된다. 즉, 중심축에서 떨어질수록 빛의 강도가 급격하게 약해진다. 다시 말하면, 볼록 렌즈(21)를 씌우지 않을 경우와 비교하면 중심축에 인접한 방향의 빛의 강도(22)와 중심축으로부터 먼 방향의 빛의 강도(23)의 비는 볼록 렌즈를 씌우지 않았을 경우에 비하여 급격하게 커지게 된다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 삼각형, 사각형(매트릭스), 육각형 또는 지그재그 형태로 배열시킨 LED에 볼록 렌즈를 씌우거나 씌우지 않은 LED에서 방출되는 빛에 의하여 도광판에 형성된 휘도 분포가 점선(25)과 같이 나타나기 때문에 BLU에 적용할 시 도광판 또는 확산판에서 빛의 휘도 분포를 측정하면 실선(26)과 같은 패턴이 된다. 즉, 각 LED 위치(24가, 24나, 24다)의 바로 위의 도광판 하면에서는 밝은 영역이 형성되나 LED들(매트릭스 형태의 배치에서는 정사각형 꼭지점의 4개)의 중간 지점의 바로 위의 도광판 하면에서는 상대적으로 어두운 영역이 형성된다. 이것은 LED의 중심축을 기준으로 빛이 방출되는 각도에 따른 강도 프로파일의 특성에 기인한다. 이를 해소하기 위해서는 도광판과 LED 사이의 간격을 띄우거나 LED와 LED 사이의 간격을 줄이면 가능하나 각각의 경우 BLU의 두께가 두꺼워지거나 소요되는 LED의 개수가 많아지게 되어 기존의 측면 방출형 LED를 사용한 BLU에 비하여 코스트 측면에서 불리해진다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은 LED 상에 렌즈를 씌워서 LED 배열을 마주하는 도광판의 하면에 균일한 밝기를 형성하도록 LED 중심축에 가까운 곳으로 입사되는 빛은 중심축에서 멀어지는 방향으로 굴절시키고, 중심축에서 과도하게 먼 곳으로 입사되는 빛은 중심축으로부터 적절한 방향으로 굴절되어 진행할 수 있도록 하는 상향 방출형 LED 렌즈를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상향 방출형 LED 렌즈는 LED를 마주보는 렌즈의 안쪽 표면(29,37), LED의 중심축에 가까운 렌즈의 바깥 제1표면(30,38), LED의 중심축으로부터 가장 먼 렌즈의 바깥 제2표면(31,39), 및 제1표면(30,38)과 제2표면(31,39) 사이의 중간인 렌즈의 바깥 제3표면(32,40)으로 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 렌즈의 바깥 제1표면(30,38)에 입사된 빛은 중심축으로부터 보다 멀어지는 방향으로 굴절되고, 렌즈의 바깥 제2표면(31,39)에 입사된 빛은 중심축에 보다 가까운 방향으로 굴절되며, 렌즈의 바깥 제3표면(32,40)에 입사된 빛은 거의 굴절되지 않는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈의 안쪽 표면(29,37)은 곡면 또는 반구면 형상인 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈의 안쪽 표면(29,37)과 렌즈의 바깥 제1표면(30,38)은 오목한 렌즈의 형상을 이루고, 상기 렌즈의 안쪽 표면(29,37)과 렌즈의 바깥 제2표면(31,39)은 볼록한 렌즈의 형상을 이루며, 상기 렌즈의 안쪽 표면(29,37)과 렌즈의 바깥 제3표면(32,40)은 평면이거나 곡면인데, 제3표면(32,40)이 곡면일 경우 곡면인 안쪽 표면(29,37)과 곡률반경의 중심이 거의 일치하는 평면형 렌즈의 형상인 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈는 빛에 투명한 물질로서 굴절률이 1.4~2.0인 유리, 실리콘(Silicone), 폴리카보네이트(Polycarbonate) 또는 폴리메틸메타크롤레이트(Polymethylmetahcrolate: PMMA) 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈의 안쪽 표면(29,37)이 LED와 접촉하거나 소정의 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈는 조명등, 전조등, 신호등에 적용되어 소정의 거리에서 균일한 밝 기의 빛을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상향 방출형 LED 렌즈를 도광판 하부에 삼각형, 사각형(매트릭스), 육각형 또는 지그재그 형태 중 어느 하나의 형태로 배열시켜 후면 광 유닛에 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기 LED는 발광소자이고 백색 광을 방출하는 것을 특징으로 한다.

상기 LED는 적색, 녹색, 청색중 두 개 이상의 색이 혼합된 광을 방출하는 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4a 및 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 상향 방출형 LED 렌즈의 단면을 나타낸 것이다. LED는 기본적으로 중심축을 기준으로 한 회전체이나 실린더형이라도 가능하다.

도 4a에 나타낸 바와 같이, 렌즈(28)의 재질은 빛에 투명한 물질로서, 굴절률이 1보다 크고, 보다 바람직하게는 1.4~2.0인 물질이면 족하다. 일반적으로 LED용 몰딩 컵(Molding Cup) 또는 렌즈(28)의 용도로서 사용되는 재질로서는 유리, 실리콘(Silicone), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리메틸메타크롤레이트(Polymethylmetahcrolate: PMMA) 등이 사용된다. 렌즈(28)는 상기 재질을 주입 몰딩(Injection Molding), 깎기, 연마 등의 방법을 이용하여 제조한다.

본 발명의 렌즈(28)는 LED를 마주보는 렌즈(28)의 안쪽 표면(29), LED(27)의 중심축에 가까운 렌즈(28)의 바깥 제1표면(30), LED(27)의 중심축으로부터 가장 먼 렌즈(28)의 바깥 제2표면(31), 그리고 LED(27)의 바깥 제1표면(30)과 바깥 제2표면 (31) 사이의 중간인 렌즈(28)의 바깥 제3표면(32)으로 구성되어 있다. 여기서, LED(27)를 마주보는 안쪽 표면(29)은 곡면 또는 반구면을 취하고, LED와 접촉하거나 소정의 간격을 두고 형성한다.

렌즈(28)의 안쪽 표면(29)과 바깥 제1표면(30) 사이는 오목렌즈의 형상을 하고 있고, 안쪽 표면(29)과 바깥 제2표면(31) 사이는 볼록렌즈의 형상을 하고 있으며, 안쪽 표면(29)과 바깥 제3표면(32) 사이는 방출된 빛을 거의 굴절시키지 않는 평면형 렌즈의 형상이다.

렌즈(28)의 중심축에 가까운 구역은 오목렌즈의 형상을 하고 있으므로 이 구역으로 입사된 빛은 중심축으로부터 멀어지는 쪽으로 휘게 되고, 렌즈(28)의 중심축으로부터 가장 먼 구역은 볼록렌즈의 형상을 하고 있으므로 중심축으로부터 가장 먼 구역으로 입사된 빛은 LED(27)의 중심축에 가까워지는 방향으로 휘게 됨을 알 수 있다.

도 4b에 나타낸 바와 같이, 광선 추적에서 쉽게 파악할 수 있는 바와 같이 중심축에 가까운 빛, 예를 들면 광선(33가)은 도광판(34)의 a 지점에 가지 않고 렌즈에 의하여 a' 지점으로 향한다. 즉, LED(27) 위에 렌즈(28)가 없다면 중심축에 가까운 지점 a로 향할 광선(33가)은 LED(27) 위에 씌운 렌즈(28)에 의하여 중심축에서보다 먼 지점 a'로 향하게 된다. 한편, 중심축으로부터 가장 먼 빛, 예를 들면 광선(33나)은 도광판(34)의 b 지점에 가지 않고 렌즈에 의하여 b' 지점으로 향한다. 즉, LED(27) 위에 렌즈(28)가 없다면 중심축으로부터 아주 먼 지점 b로 향할 광선(33나)은 LED(27) 위에 씌운 렌즈(27)에 의하여 중심축으로부터 보다 가까운 지점 b'로 향하게 된다. 그리고 중간 구역에 입사한 광선(33다)은 거의 굴절하지 않고 도광판(34)의 c(c') 지점으로 향하게 된다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상향 방출형 LED 렌즈의 단면을 나타낸 것이다.

도 5a에 나타낸 바와 같이, LED(35) 또는 렌즈(36)의 중심축에 가까운 렌즈(36)의 바깥 제1표면(38)과 안쪽 표면(37) 사이는 오목한 렌즈의 형상을, 렌즈(36)의 중심축에서 가장 먼 렌즈(36)의 바깥 제2표면(39)과 안쪽 표면(37) 사이는 볼록한 렌즈의 형상을 취하고 있고, 바깥 제1표면(38)과 바깥 제2표면(39) 사이의 중간인 렌즈(36)의 바깥 제3표면(40)과 안쪽 표면(37) 사이는 평면형 렌즈가 형성되어 거의 굴절되지 않고 도광판으로 진행된다.

도 5b에 나타낸 바와 같이, 광선 추적에서 쉽게 파악할 수 있는 바와 같이 중심축에 가까운 빛, 예를 들면 광선(41가)은 도광판(42)의 d 지점에 가지 않고 렌즈에 의하여 d' 지점으로 향한다. 즉, LED(35) 위에 렌즈가 없다면 중심축에 가까운 지점 d로 향할 광선(41가)은 LED(35) 위에 씌운 렌즈에 의하여 중심축으로부터보다 멀어지는 지점 d'으로 향하게 된다. 한편, 중심축으로부터 가장 먼 빛, 예를 들면 광선(41나)은 도광판(42)의 e 지점에 가지 않고 렌즈(36)에 의하여 e' 지점으로 향한다. 즉, LED(35) 위에 렌즈가 없다면 중심축으로부터 아주 먼 지점 e로 향할 광선(41나)은 LED(35) 위에 씌운 렌즈에 의하여 중심축에보다 가까운 지점 e'로 향하게 된다. 그리고 중간 구역(40)에 입사한 광선(41다)은 거의 굴절하지 않고 도광판(42)의 f(f') 지점으로 향하게 된다.

본 발명에서 평면형 렌즈는 렌즈를 구성하는 두 면이 평면을 취하거나 두 표면의 곡률반경의 중심이 일치하거나 거의 일치하여, 두 면에 수직 또는 수직에 가까운 방향으로 입사한 빛이 거의 굴절이 되지 않고 렌즈를 빠져나가는 경우이다.

본 발명에서 제1표면(30,38), 제2표면(31,39), 제3표면(32,40)과 안쪽 표면(29,37)은 곡면, 평면 또는 이들 두 개가 혼합된 형상을 취할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 BLU용 LED 렌즈를 PCB 위에 배열된 각 LED 위에 덮어씌워 상향 방출 방식의 광원장치를 구현한 일 예를 보인 것이다. 도 6에서 LED를 받치는 프레임은 생략되어 있다.

도 6에 나타낸 바와 같이, PCB(43)상에 장착된 각 LED(44)마다 도 4a와 도 5a에서 예시한 렌즈(28,36)와 동일한 형상의 렌즈(45)가 얹혀지는데, 이때 프레임에 담긴 LED(44)는 삼각형, 사각형(매트릭스), 육각형 또는 지그재그 형태의 반복적인 형태로 배열되어 있다. LED(44)가 배열된 위쪽에는 도광판 또는 확산판(도시되지 않음)이 얹혀진다. 상기에 설명한 바와 같이 LED(44) 배열 위 소정의 거리에서 도광판에 형성되는 휘도 분포는 거의 균일하므로 BLU로서 적절한 빛을 LCD에 공급할 수 있다. 여기서, LED는 발광소자로서 백색 광을 방출하거나 적색, 녹색, 청색중 두 개 이상의 색이 혼합된 광을 방출하여 후면 광 유닛에 사용된다.

본 발명에서 BLU용 LED 렌즈에 국한하여 상세하게 서술하였으나 가정용 전등, 자동차용 전등, 휴대용 전등, 등의 일반적인 조명 기구에도 응용할 수 있다. 즉, 광원의 중심축에 몰려 있는 빛을 중심축에서보다 먼 바깥쪽으로 분산시키면서 중심축과 너무 멀리 떨어진 방향으로는 빛을 보내지 않는 용도에 적합하다.

본 발명에서 보인 렌즈의 형상은 본 발명을 예시한 것에 불과하다. 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명에서 보인 렌즈의 형상 이외에도 여러 가지 다양한 렌즈의 형상을 고안해낼 수 있으나, 그 형상은 본 발명에서 제시한 렌즈의 기본 개념을 벗어나지 않는다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 LED 렌즈는 중심축에 집중된 발광소자의 빛을 중심축으로부터 먼 방향으로도 보낼 수 있기 때문에 발광소자들의 평면 배열(LED Planar Array)에 의하여 발광소자들의 상부에 있는 도광판(Light-Guide Panel) 또는 확산판(Diffuser Sheet) 상에 더욱 균일한 휘도 분포를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims

상향 방출형 LED 렌즈에 있어서,

상기 LED를 마주보는 렌즈의 안쪽 표면(29,37)과;

상기 LED의 중심축에 가까운 렌즈의 바깥 제1표면(30,38)과;

상기 LED의 중심축으로부터 가장 먼 렌즈의 바깥 제2표면(31,39); 및

상기 제1 표면(30,38)과 제2표면(31,39) 사이의 제3표면(32,40)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 제1표면(30,38)에 입사된 빛이 중심축으로부터보다 멀어지는 방향으로 굴절되는 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 제2표면(31,39)에 입사된 빛이 중심축에보다 가까운 방향으로 굴절되는 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 제3표면(32,40)에 입사된 빛이 거의 굴절되지 않는 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 안쪽 표면(29,37)은 곡면 또는 반구면 형상인 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 제1표면(30,38)은 안쪽 표면(29,37) 사이는 오목한 렌즈의 형상인 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 제2표면(31,39)과 안쪽 표면(29,37) 사이는 볼록한 렌즈의 형상인 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 제3표면(32,40)과 안쪽 표면(29,37) 사이는 평면이거나, 곡면일 경우 마주보는 두 표면의 곡률반경 중심이 일치하거나 거의 일치하는 평면형 렌즈의 형상인 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 제1표면, 제2표면(31) 및 제3표면(32)과 안쪽 표면(37) 사이는 곡면, 평면 또는 이들 두 개가 혼합된 형상을 취하는 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 렌즈는 빛에 투명한 물질로서 굴절률이 1.4~2.0인 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제10항에 있어서,

상기 재질은 유리, 실리콘(Silicone), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리메틸메타크롤레이트(Polymethylmetahcrolate: PMMA) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 안쪽 표면(29,37)은 LED와 접촉하거나 소정의 간격을 두고 형성하는 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 렌즈는 조명등, 전조등, 신호등에 적용되어 균일한 밝기의 빛을 제공하는 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 LED 렌즈를 도광판 하부에 규칙적인 형 태로 배열시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 후면 광 유닛.
제14항에 있어서,

상기 LED는 발광소자인 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제14항에 있어서,

상기 LED는 백색 광을 방출하는 소자인 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제14항에 있어서,

상기 LED는 적색, 녹색, 청색 광을 방출하는 소자인 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제15항에 있어서,

상기 발광소자는 적색, 녹색, 청색중 두 개 이상을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 LED 렌즈.
제14항에 있어서,

상기 규칙적인 형태는 삼각형, 사각형(매트릭스), 육각형 또는 지그재그 형태 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 후면 광 유닛.