KR20090113535A - 마이크로 렌즈 어레이를 가지는 발광 다이오드의 렌즈 및이를 포함하는 발광 다이오드 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드에서 출사되는 광의 분포를 제어하는 발광 다이오드의 렌즈 및 이를 포함하는 발광 다이오드 모듈을 개시한다. 본 발명의 발광 다이오드 렌즈는 다수의 마이크로 렌즈로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이가 표면에 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 LED의 빛이 마이크로 렌즈 어레이를 거치면서 최대한 넓고 균일하게 방사될 수 있기 때문에 직하형 LED백라이트 유닛에 사용할 경우 LED모듈과 LCD패널의 간극을 최소화하면서도 색균일성을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 또한 LED모듈의 방사각이 넓어지기 때문에 LED모듈의 사용개수를 줄일 수 있고, 이를 통해 열방출 특성을 개선할 수도 있다.

발광 다이오드, 마이크로 렌즈

Description

마이크로 렌즈 어레이를 가지는 발광 다이오드의 렌즈 및 이를 포함하는 발광 다이오드 모듈{Lens of light emitting diode having micro lens array and light emitting diode module comprising the same}

본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED)의 렌즈 및 이를 포함하는 LED모듈에 관한 것으로서, 구체적으로는 표면에 마이크로 스케일의 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이를 구비하는 LED렌즈에 관한 것이다.

LED는 직접 천이형 화합물 반도체 물질을 이용한 발광소자로서 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있고 기존 광원에 비하여 에너지 절감효과가 매우 뛰어나기 때문에 최근 들어 LCD의 백라이트유닛, 자동차, 광고판, 신호등, 조명장치 등 이용분야가 산업전반으로 급격히 확대되고 있다.

한편 최근에는 평판디스플레이장치에 대한 수요가 증가하여 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)의 보급이 널리 확대됨에 따라 보다 고품위의 기능을 갖는 LCD에 대한 요구가 증가하고 있다.

액정표시장치는 액정층을 사이에 두고 서로 대향하는 2개의 투명 전계생성전극을 합착시킨 LCD패널과, 상기 LCD패널에 빛을 공급하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU)을 포함하며, 전계생성전극 사이의 전기장을 제어하여 액정층의 분자배열을 인위적으로 조절함으로써 백라이트유닛에서 발광된 빛의 투과율을 제어하여 목적하는 화상을 표시하는 평판디스플레이장치이다.

이러한 LED백라이트유닛에 사용되는 광원은 여러 종류가 있다. 종래에는 가는 관 형태의 냉음극관(CCFL)이 주로 이용되었으나, 최근 LED를 광원으로 채용한 46인치 QUALIA LCD TV가 개발되어 우수한 색 표현력을 보여준 이후에는 3색 LED를 이용한 백라이트유닛이 크게 주목 받고 있다.

기존의 CCFL을 사용하면, 색재현성이 NTSC 대비 75% 수준에 불과하지만, 3색 LED를 이용한 백라이트 모듈은 CCFL보다 훨씬 넓은 색재현 범위를 보여 주어 NTSC 색재현 범위 사양의 100%를 초과할 뿐만 아니라 수명도 훨씬 더 길다는 장점이 있다.

또한 LED 백라이트유닛은 기본적으로 임펄스 구동이 가능하여, 기존의 LCD TV에서는 재현하기 힘들고 CRT TV 에서나 볼 수 있는 보다 역동적인 섬광 장면 등을 재현할 수 있어 비디오 성능 향상에도 도움을 준다.

3색 LED를 이용한 직하형 LED 백라이트유닛의 개략적인 구성은 도 1에 도시된 바와 같다. 즉, 방열판(10), 상기 방열판(10)의 표면에 실장되는 R,G,B 의 다수의 LED모듈(20), 상기 LED모듈(20)의 상부에 소정 간격 이격되어 설치되는 확산 판(30)을 포함한다.

LED모듈(20)의 패키지 구조는 매우 다양하지만 도 2에 도시된 바와 같이, 상면에 그루브(23)가 형성된 서브마운트(22)의 상기 그루브(23)의 바닥면에 LED(24)를 실장하고 광 분포를 제어하기 위한 렌즈(26)를 그 상부에 부착한 구조의 LED패키지가 주로 사용되고 있다.

LED(24)가 실장되는 그루브(23)의 바닥면에는 LED(24)를 외부의 기판 또는 방열판과 전기적으로 연결하기 위한 전극배선(미도시)이 형성되는데, 이때 상기 전극배선과 외부기판과의 연결은 솔더본딩 또는 와이어본딩을 통해 이루어지며 이것은 패키지의 구조에 따라 선택된다.

한편 LED 백라이트유닛에서 확산판(30)의 상부에는 LCD패널(미도시)이 결합되며, 따라서 다수의 LED모듈(20)에서 방사된 빛은 확산판(30)의 하부공간에서 혼색되어 확산판(30)을 거쳐 LCD패널의 전면에 걸쳐 균일하게 입사하게 되는 것이다.

그런데 LED백라이트유닛은 전술한 많은 장점에도 불구하고 해결해야 할 몇 가지 기술적인 문제점을 가지고 있으며, 그 중에서 가장 큰 문제점으로 대두되고 있는 것은 색 불균일성의 문제이다.

특히 LED모듈(20)은 기본적으로 점광원이기 때문에 균일한 혼색을 위해서는 LED모듈과 LCD 패널이 일정 거리 이상으로 유지되어야 하므로 색 불균일성을 해결하는 가장 일반적인 방법은 LED모듈과 LCD 패널 사이의 거리를 늘려 빛의 진행 거리를 늘리는 것이다.

그런데 갈수록 제품의 두께가 얇아지는 추세에 있기 때문에 LED모듈(20)과 확산판(30) 사이의 거리를 늘리는 것은 적용에 한계가 있다.

다른 방법으로는 도 3에 도시된 바와 같이 LED모듈(20)과 확산판(30)의 사이에 도광판(light guide)(40)을 설치하는 방법이 있다. 그런데 이 방법을 적용하면 빛이 도광판(40)을 통해 가로로 전파하도록 유도함으로써 한정된 공간에서 빛의 진행거리를 늘릴 수는 있으나 도광판의 내부에서 에너지 손실이 발생하기 때문에 빛의 이용효율이 나빠지는 문제점이 있고, 도광판(40)의 존재로 인해 제품 두께를 줄이는데도 근본적인 한계가 있다.

일반적으로 LCD TV의 경우 휘도가 최소한 400 ~ 500 cd/m² 정도가 되어야 하므로, 이 점을 감안하면 LED의 빛을 LCD패널에 직접 조명하여 빛의 이용효율을 높이는 것이 바람직하다.

그런데 직접 조명 방식은 전술한 바와 같이 색 균일도의 확보가 어렵기 때문에 LED모듈(20)과 확산판(30)의 간격을 일반적으로 50mm 이상으로 유지시켜야 한다. 더 좁은 공간에서 색 균일도를 확보하기 위해서 LED모듈(20)을 보다 조밀하게 설치할 수도 있는데, LED모듈(20)의 간격 간격이 너무 조밀해지면 LED모듈(20)에서 발생하는 열을 방출하는 것이 어려워지는 문제점이 있다.

색 불균일성을 해결하면서도 제품의 두께를 줄이는 또 다른 방법으로서 도 4에 도시된 바와 같이 특수한 구조의 도광판(40)을 이용하는 기술도 소개된 바 있다. 그러나 이 방법도 도광판(40)의 존재로 인해 빛의 이용효율이 나빠지고 장치의 구조가 복잡해지는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LED백라이트유닛을 구성하는 LED모듈과 LCD패널의 간극을 최소화하면서도 색균일성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 발광 다이오드에서 출사되는 광의 분포를 제어하는 렌즈에 있어서, 다수의 마이크로 렌즈로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이가 표면에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈를 제공한다.

상기 렌즈는 저면에 다수의 마이크로 렌즈로 이루어진 제2의 마이크로 렌즈 어레이가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 내부에 상기 발광 다이오드의 빛을 표면의 상기 다수의 마이크로 렌즈까지 가이드하는 광도파로가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명은, 상면에 그루브를 가지는 서브마운트; 상기 그루브의 바닥면에 실장되는 발광소자; 상기 발광소자에서 출사되는 광의 분포를 제어하기 위해 상기 서브마운트의 상부에 결합되며, 표면에 다수의 마이크로 렌즈로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이를 구비하는 렌즈를 포함하는 발광 다이오드 모듈을 제공한다.

본 발명에 따르면 LED의 빛이 마이크로 렌즈 어레이를 거치면서 최대한 넓고 균일하게 방사될 수 있기 때문에 직하형 LED백라이트 유닛에 사용할 경우 LED모듈과 LCD패널의 간극을 최소화하면서도 색균일성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

또한 LED모듈의 방사각이 넓어지기 때문에 LED모듈의 사용개수를 줄일 수 있고, 이를 통해 열방출 특성을 개선할 수도 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 LED모듈(100)은 도 5의 개략 단면도에 도시된 바와 같이, LED(120)에서 출사되는 광의 분포를 제어하기 위해 사용되는 렌즈(130)의 표면에 마이크로 렌즈 어레이(132)가 형성된 점에 특징이 있다.

여기서 마이크로 렌즈 어레이(132)를 구성하는 다수의 마이크로 렌즈는 균일하게 형성되는 것이 바람직하며, 수 내지 수십 마이크로미터의 직경으로 형성된다.

렌즈(130)의 표면에 이와 같은 마이크로 렌즈 어레이(132)를 형성하면 LED(120)에서 출사되는 빛의 방출각을 넓힐 수 있을 뿐만 아니라 방출량을 최대한 균일하게 할 수 있는 이점이 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 렌즈(130)를 이용하면 등광방출거리를 최소화할 수 있어 LED모듈(100)과 LCD패널 사이의 거리를 최소화하면서도 우수한 색 균일성을 확보할 수 있게 된다.

이러한 렌즈(100)는 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 LED(120)가 실장된 서브마운트(110)의 상부에 접합용 투명시트(133)를 이용하여 결합될 수 있다.

이때 서브마운트(110)의 상부에는 경사진 내측벽을 가진 그루브(112)가 형성되고, LED(120)는 상기 그루브(112)의 바닥면에 실장될 수 있다. 그러나 이러한 패키지 구조는 예시에 불과한 것이므로 다른 유형의 패키지 구조가 적용될 수도 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명에 의한 LED모듈(100)을 이용한 직하형 LED백라이트유닛의 개략적인 구성을 나타낸 도면으로서, 전술한 바와 같이 LED모듈(100)의 방출각이 매우 넓어지기 때문에 짧은 거리에서도 균일한 혼색이 이루어지므로 종래의 LED 백라이트 유닛에 비하여 그 두께를 현저하게 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 렌즈(130)는 방출각을 최대화시키기 위해 표면에 마이크로 렌즈 어레이(132)를 형성한 점에 특징이 있으므로 여러 가지 변형된 형태가 가능하다.

예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 반구형 렌즈(130)의 표면뿐만 아니라 렌즈(130)의 저면이나 접합용 투명시트(133)의 저면에 제2의 마이크로 렌즈 어레이(134)를 형성할 수도 있다. 이때 제2의 마이크로 렌즈 어레이(134)를 구성하는 마이크로 렌즈는 도시된 바와 같이 하방으로 볼록한 형태일 수도 있고 상방으로 볼록한 형태일 수도 있다.

또한 도 8에 도시된 바와 같이 광 분포 제어를 위해 특수한 형태로 제작된 렌즈인 경우에도 그 표면에 마이크로 렌즈 어레이를 형성할 수도 있다.

이하에서는 도 9a 내지 도 9i를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 렌즈(130)를 제작하는 과정을 설명한다.

먼저 실리콘 기판(210) 상에 포토레지스트를 사용해서 마이크로 렌즈 템플릿(template)(220)을 형성한다. (도 9a)

이어서 기판(210)의 상부에 PDMS(polydimethylsiloxane)(230)를 도포하여 1차 몰딩공정을 수행한다. 이하에서는 편의상 기판(210)에 도포된 PDMS층을 PDMS멤브레인(230')이라 칭하기로 한다. (도 9b)

이어서 상기 PDMS멤브레인(230')을 PDMS구조물(240)의 상부에 본딩하여 하부에 공동(cavity)을 형성하고 기판(210)을 PDMS멤브레인(230')으로부터 분리시킨다. 따라서 기판(210)으로부터 분리된 PDMS멤브레인(230')은 마이크로 렌즈 어레이에 대응하는 다수의 오목부를 상면에 구비하게 된다. (도 9c)

이어서 PDMS구조물(240)과 PDMS멤브레인(230') 사이의 공동을 펌핑하여 PDMS멤브레인(230')을 렌즈모양으로 변형시킨다. (도 9d)

이어서 PDMS멤브레인(230')의 상부에 UV경화성 레진(250)을 충진하고 그 상부에 글래스(260)나 접합용 투명시트를 부착한 다음 UV를 조사하여 레진(250)을 경화시킨다. (도 9e)

이어서 경화된 레진(250)을 PDMS멤브레인(230)으로부터 떼어내면 표면에 마 이크로 렌즈 어레이에 대응하는 다수의 볼록부를 구비한 렌즈모형(250')이 만들어진다.

실제 렌즈를 제작하기 위해서는 상기 렌즈모형(250')을 이용하여 렌즈용 마스터를 제작하여야 하며, 이를 위해 렌즈모형(250')의 상부에 PDMS(270)를 도포하여 2차 몰딩공정을 수행한다. (도 9f)

이어서 렌즈모형(250')에서 PDMS(270)를 떼어내면 렌즈마스터(270')가 제작된다. (도 9g)

최종적으로 렌즈마스터(270')의 내부에 렌즈 재질인 폴리머 레진(280)을 충진하고 그 상부에 글래스(290)나 접합용 투명시트를 부착하여 떼어냄으로써 표면에 마이크로 렌즈 어레이(132)를 구비한 본 발명에 따른 렌즈(130)가 제작된다. (도 9h, 도 9i)

도면에서는 마이크로 렌즈 어레이(132)가 반구형의 형상을 가지는 것으로만 도시되어 있으나, 도 9a의 렌즈 템플릿(template)(220) 형성단계에서 렌즈 템플릿(220)의 형상을 달리하면 다른 형태의 마이크로 렌즈 어레이(132)를 얻을 수 있다.

한편 렌즈(130)의 출사광 분포를 제어하기 위하여 도 10에 도시된 바와 같이 렌즈(130)의 내부에 LED에서 출사된 빛을 표면의 마이크로 렌즈까지 전달하는 광도파로(136)를 형성할 수도 있다. 이를 위해서는 전술한 도 9h의 공정에서 광감음성 폴리머 레진을 이용하여 렌즈(130)를 제작하고 상기 렌즈(130)의 상부에서 콘 덴서 렌즈 등을 이용하여 UV를 조사하는 방법이 이용될 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 렌즈(130)는 직하형 LED백라이트유닛 뿐만 아니라 측면형 LED백라이트 유닛에 사용되는 LED모듈에도 적용될 수 있음은 물론이다.

도 1은 종래 직하형 LED백라이트 유닛의 개략적인 구성도

도 2는 LED모듈의 패키지 구조

도 3 및 도 4는 각각 도광판을 포함한 여러 유형의 직하형 LED백라이트 유닛의 개략적인 구성도

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 LED모듈의 개략 단면도

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 LED모듈을 이용한 LED백라이트 유닛의 개략 단면도

도 7은 렌즈 저면에 제2의 마이크로 렌즈 어레이가 형성된 모습을 나타낸 도면

도 8은 본 발명의 실시예가 적용된 특수한 형태의 렌즈를 나타낸 도면

도 9a 내지 도 9i는 마이크로 렌즈 어레이를 가지는 렌즈를 제작하는 과정을 나타낸 도면

도 10은 마이크로 렌즈 어레이를 가지는 렌즈의 내부에 광도파로가 형성된 모습을 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100: LED모듈 110: 서브마운트

112: 그루브 120: LED

130: 렌즈 132: 마이크로 렌즈 어레이

133: 접합용 투명시트

Claims (4)

1. 발광 다이오드에서 출사되는 광의 분포를 제어하는 렌즈에 있어서,

   다수의 마이크로 렌즈로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이가 표면에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈
2. 제1항에 있어서,

   저면에 다수의 마이크로 렌즈로 이루어진 제2의 마이크로 렌즈 어레이가 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈
3. 제1항에 있어서,

   내부에 상기 발광 다이오드의 빛을 표면의 상기 다수의 마이크로 렌즈까지 가이드하는 광도파로가 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈
4. 상면에 그루브를 가지는 서브마운트;

   상기 그루브의 바닥면에 실장되는 발광소자;

   상기 발광소자에서 출사되는 광의 분포를 제어하기 위해 상기 서브마운트의 상부에 결합되며, 표면에 다수의 마이크로 렌즈로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이를 구비하는 렌즈;

   를 포함하는 발광 다이오드 모듈

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