KR20090120860A - 빛 방출각도를 확장하기 위한 렌즈 구성을 갖는 엘이디광원유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 다양한 색상의 빛을 방출하는 LED 소자의 선단에 빛의 방출각도를 적어도 180°이상의 각도로 확장시킬 수 있도록 한 비구면 렌즈를 결합하여 다수 배열된 각 LED 광원의 사이에서 발생되는 암역을 해소하므로써, LED를 광원으로 하는 백라이트 유닛 등의 제품에 적용될 때 설치개수의 감소에 따른 열발생 및 제작단가를 최소화하고, 제품을 보다 슬림하게 제작할 수 있도록 한 빛 방출각도를 확장하기 위한 렌즈 구성을 갖는 LED 광원유닛에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 기판에 실장되는 SMD 형태로 구현되며, 다양한 색상의 빛을 선단에서 방출하는 LED 소자와; 상기 LED 소자의 선단에 결합되며, LED 소자에서 방출되는 빛이 선단에서 내측으로 함몰된 확산경사부를 통해 반사, 회절, 굴절되어 적어도 180°각도 이상으로 최대 250°각도로 확장방출되도록 형성된 비구면 렌즈를 포함하여 구성된다.

LED 소자, 비구면 렌즈

Description

빛 방출각도를 확장하기 위한 렌즈 구성을 갖는 엘이디 광원유닛{LED LIGHT SOURCE HAVING LENS FOR EXPAND OF LIGHT EMISSION ANGLE}

본 발명은 빛 방출각도를 확장하기 위한 렌즈 구성을 갖는 LED 광원유닛에 관한 것이다.

상세하게 본 발명은, 다양한 색상의 빛을 방출하는 LED 소자의 선단에 빛의 방출각도를 적어도 180°이상의 각도로 확장시킬 수 있도록 한 비구면 렌즈를 결합하여 다수 배열된 각 LED 광원의 사이에서 발생되는 암역을 해소하므로써, LED를 광원으로 하는 백라이트 유닛 등의 제품에 적용될 때 설치개수의 감소에 따른 열발생 및 제작단가를 최소화하고, 제품을 보다 슬림하게 제작할 수 있도록 한 빛 방출각도를 확장하기 위한 렌즈 구성을 갖는 LED 광원유닛에 관한 것이다.

LED는 빛을 방출하기 위한 소자로 대표적이다. 이와 같은 LED에서 방출된 빛은 사용목적에 따라 백라이트 유닛(BLU)의 광원, 실내, 외부의 조명 등으로 적용된다.

도 1은 상기 LED를 광원으로 적용하는 백라이트 유닛을 예시한다.

도면을 참조하면, 상기 백라이트 유닛은 직하방식의 광원을 갖는 것으로 면광원이 되는 도광판(P)의 하측에 도광판(P)으로 빛을 방출하는 다수의 LED 소자(1)가 배치되어 구성된다.

상기 LED 소자(1)는 방출되는 빛을 확산시켜 도광판(P)으로 입사되는 빛이 보다 넓은 영역에 걸쳐 입사될 수 있도록 하기 위해 프리즘 렌즈, 확산 렌즈 등을 다수 조합하여서 된 렌즈 어셈블리(2)를 수반하여 구성된다. 이와 같은 구성에서 상기 LED 소자(1)와 렌즈 어셈블리(2)는 LED 광원유닛이 된다.

상기와 같이 LED 소자(1)에서 출사된 빛은 렌즈 어셈블리(2)를 통과하며 확장방출되는데 이러한 확장방출되는 영역은 대략 빛이 방출되는 중심선상을 기준으로 양측 60°각도, 즉, 전체 110°~ 120°각도를 초과하기 어렵게 된다.

이에 따라, 상기 LED 소자(1) 간의 배치된 간격에는 빛이 조사되지 않는 구간인 암역(Dark zone)(D)이 발생된다. 이러한 암역(D)에 의해 도광판(P)은 빛이 출사되는 LED 소자(1)의 렌즈 어셈블리(2)와 일정한 간격을 유지해야 하는 이유가 된다. 이는 도광판(P)이 암역(D)구간을 무시하고 렌즈 어셈블리(2)와 근접될 경우, 암역(D)에 의해 주변의 발광구간에 대한 밝기가 감소하게 되어 휘도가 대폭 낮아지는 현상에 기인한다.

도면 중 부호 S는 도광판(P)에 의해 면광원이 구현되면, 면광원에서 발생된 빛을 보다 밝고 균일하게 출사하기 위한 프리즘 시트, 확산 시트 등의 시트 어레이를 나타낸다.

상기와 같은 종래의 LED 광원유닛에 의해 구성된 백라이트 유닛은 LED 광원에서 방출되는 120°이하의 각도에 의한 암역구간을 최소화하기 위해 상당한 개수로 LED 광원유닛을 설치하게 된다. 이 때, 상기 LED 소자는 열 발생이 높은 특성을 갖는 전자부품이기 때문에 상당한 개수의 LED 광원유닛은 백라이트 유닛 전체에서 상당한 열을 발생시켜 이를 적용한 제품에 악영향을 끼치는 문제점이 노출된다.

또한, 상기 암역구간에 의해 도광판이 상당한 간격을 유지하며 배치되면, 백라이트 유닛 자체의 폭이 두껍게 제작되어 이를 채용한 제품의 크기를 대형화시켜야 하는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 발명한 것이다.

이에, LED 소자의 선단에 빛의 방출각도를 적어도 180°이상의 각도로 확장시킬 수 있도록 한 비구면 렌즈를 결합하여 광원의 구성을 구현하므로써, 이를 백라이트 유닛 등의 제품에 적용할 때 설치개수의 감소에 따른 열발생 및 제작단가를 최소화하며, 동시에 보다 슬림화된 제품을 제작할 수 있도록 한 LED 광원유닛을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 아래의 구성을 갖는다.

본 발명은, 기판에 실장되는 SMD 형태로 구현되며, 다양한 색상의 빛을 선단에서 방출하는 LED 소자와; 상기 LED 소자의 선단에 결합되며, LED 소자에서 방출되는 빛이 선단에서 내측으로 함몰된 확산경사부를 통해 반사, 회절, 굴절되어 적어도 180°각도 이상으로 최대 250°각도로 확장방출되도록 형성된 비구면 렌즈를 포함하여 구성된다.

상기 비구면 렌즈는 빛이 투과되는 렌즈몸체의 선단 외주에서 빛이 방출되는 중심선상의 내측으로 좁아지도록 확산경사부가 함몰형성된다. 여기서, 상기 비구면 렌즈는 확산경사부의 내측 중심부에 빛이 직진성을 가지며 방출되도록 하기 위해 선단측으로 돌출 형성된 직진돌출부가 형성된다.

이 때, 상기 확산경사부는 선단에서 내측으로 함몰되는 경사면이 빛이 방출되는 중심측으로 융기된 곡면부로 형성된다. 또한, 상기 직진돌출부는 돌출된 끝단이 반원형의 라운드 형태로 형성된다.

특히, 상기 비구면 렌즈는 빛 방출면적을 증가시키기 위해 선단의 외주 모서리에 경사절단부가 형성된다. 여기서, 상기 경사절단부는 그 지점을 통해 방출되는 빛이 확산방출되도록 하기 위해 라운드 형태로 함몰형성된다.

한편, 상기 비구면 렌즈(20)는 전체 100중량부의 렌즈 원료수지에 대해 0.01중량부 이상 5중량부 이하의 광확산제를 혼합하여 제작된다. 이 때, 상기 렌즈 원료수지는 투명성질을 갖는 실리콘, 에폭시, PMMA, PC, PVC, ABS, PS 수지 중 적어도 하나 이상으로 선택적용하여 구성된다.

이러한 본 발명은 직하방식의 백라이트 유닛의 선광원으로 적용된다.

이상에서와 같이 본 발명은, LED 소자의 선단에 결합된 비구면 렌즈에 의해 빛이 적어도 180°이상의 각도로 확장 방출되어, 이를 적용한 백라이트 유닛 등의 제품에서 설치개수의 감소에 따른 열발생, 제작단가 등이 최소화되고, 제품을 보다 슬림하게 구성할 수 있게 되어 보다 우수한 제품의 생산에 기여하는 효과를 얻게 된다.

또한, 본 발명은 상기 비구면 렌즈가 LED 소자에서 방출된 빛을 적어도 180°이상, 최대 250°각도까지 확장방출시키며, 방출되는 빛이 보다 높은 휘도특성을 갖도록 한 구성을 제시하여 이를 적용한 제품의 품질향상에 기여할 수 있도록 한 효과를 얻게 된다.

<실시예>

도 2는 본 발명에 의한 LED 광원유닛의 사시도, 도 3은 본 발명에 의한 LED 광원유닛의 분해사시도, 도 4는 본 발명에 의한 LED 광원유닛 중 비구면 렌즈의 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 의한 LED 광원유닛은 인쇄회로기판(PCB) 등에 실장되는 표면실장(Surface Mount Devices; SMD)형의 LED 소자(10)와, LED 소자()의 빛이 방출되는 선단에 결합된 비구면 렌즈(20)로 이루어진 기본 구성을 갖는다.

상기 LED 소자(10)는 빛을 선단으로 방출하기 위한 칩형태의 구성이다. 도면에서 상기 LED(10)는 사각 형태로 형성되었지만 그 외형은 돔형태, 원통형태 등의 여러 형태로 형성될 수 있다.

상기 비구면 렌즈(20)는 LED 소자(10)의 선단에 결합된다. 이 때, 상기 LED 소자(10)가 결합되기 위한 면에는 LED 소자(10)의 끝단이 끼워지기 위한 결합홈 등을 형성하거나, 접착등의 방식에 의해 구성될 수 있다.

상기 비구면 렌즈(20)는 빛이 투과되는 렌즈몸체(22)의 선단 외주에서 빛이 방출되는 중심선상의 내측으로 좁아지도록 확산경사부(23)가 함몰형성된다. 특히, 이와 같은 확산경사부(23)는 선단에서 내측으로 함몰되는 경사면이 빛의 방출 중심측으로 융기된 곡면부(24)로 형성된다.

이 때, 상기 확산경사부(23)가 내측으로 좁아지는 경사각도는 비구면 렌즈(20)의 전체 직경 11(mm), 높이 5.5(mm)의 크기에 대해 일측기준 수평면에서 38°내지 42°의 각도로 형성하며, 40°의 각도를 유지함이 바람직하다. 또한, 상기 곡면부(24)는 R6 ~ R9(mm)의 곡률로 형성하며, R8의 곡률을 유지함이 바람직하다.

이와 같은 비구면 렌즈(20)는 확산경사부(23)의 내측 중심부에 빛이 직진성을 가지며 방출되도록 하기 위해 선단측으로 돌출 형성된 직진돌출부(25)가 형성된 다. 이와 같은 직진돌출부(25)는 돌출된 끝단이 반원형의 라운드 형태로 형성된다.

이 때, 상기 직진돌출부(25)의 라운드 형태는 전술한 확산경사부(23)의 크기에 대응하여 R0.2 ~ R0.4(mm)로 형성하며, R0.3의 곡률로 형성됨이 바람직하다.

또한, 상기 비구면 렌즈(20)는 빛의 방출면적을 증가시키기 위해 선단의 외주 모서리에 경사절단부(26)가 형성된다. 특히, 상기 경사절단부(26)는 그 지점을 통해 방출되는 빛이 확산방출되도록 하기 위해 라운드 형태로 함몰형성된다.

이 때, 상기 경사절단부(26)의 라운드 형태는 비구면 렌즈(20)의 전체 직경 11(mm), 높이 5.5(mm)의 크기에 대해 R2.5 ~ R3.5(mm)의 곡률로 형성하며, R3의 곡률로 형성됨이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 의한 LED 광원유닛에서 빛이 방출되는 영역을 나타낸 그래프이다.

도면에서와 같은 그래프는, 상기 구성된 비구면 렌즈(20)를 LED 소자(10)에 결합하여 LED 광원유닛을 구성하고, LED 소자(10)에서 방출된 일정 색상의 빛이 비구면 렌즈(20)를 통과하여 출사되는 선상을 수직으로 두고 얻어진 방출영역이다.

상기 그래프에 의하면, 본 발명에 의한 LED 광원유닛을 통해 방출된 빛은 적빛이 직진 방출되는 수직선상을 기준하여 양측으로 90°이상 확산되어 방출됨을 알 수 있다. 이는 빛이 방출되는 영역이 전체 180°이상의 각도로 확산방출되는 상태로 최대 250°각도로 확산되어 방출됨을 알 수 있다.

<사용상태 실시예>

도 6은 본 발명에 의한 LED 광원유닛이 백라이트 유닛에 적용된 상태의 예시도, 도 7은 도 6의 LED 광원유닛을 확대하여 나타낸 예시도.

도면을 참조하면, 상기 실시예의 LED 광원유닛은 직하방식의 백라이트 유닛에서 선광원으로 적용된 구성을 예시한다. 이와 같은 구성에서 상기 LED 광원유닛은 목적하는 색상의 빛을 방출하는 LED 소자(10)와, 상기 LED 소자(10)의 빛이 방출되는 전방에 배치된 비구면 렌즈(20)로 이루어진 것임은 원 실시예에서와 같다.

상기와 같은 구성에서 비구면 렌즈(20)는 도 6에서와 같이 LED 소자(10)에서 방출된 빛이 확산경사부(23)에서 반사, 회절, 굴절되며 방출되어 방출영역의 각도가 확장된다. 특히, 상기 확산경사부(23)의 곡면부(24)는 빛의 반사, 회절, 굴절되는 정도를 더 외측으로 유도하여 도 5의 방출영역 그래프에서와 같이 빛이 최대 250°까지 확산방출된다.

또한, 상기 비구면 렌즈(20)의 직진돌출부(25)는 확산경사부(23)에 비해 방출각도가 좁지만, 빛의 직진성에 의해 보다 높은 휘도의 빛을 도광판(P) 측으로 입사시킬 수 있게 된다.

<조성 실시예>

본 발명의 조성 실시예에서는 상기 비구면 렌즈(20)에 광확산제를 첨가하여 제작하는 조성을 제시한다.

본 실시예에서, 상기 비구면 렌즈(20)는 전체 100중량부의 렌즈 원료수지에 대해 0.01중량부 이상 5중량부 이하의 광확산제를 혼합하여 제작된다. 이 때, 상기 렌즈를 제작하기 위한 원료수지는 투명성질을 갖는 합성수지물을 제작할 수 있는 실리콘, 에폭시, PMMA, PC, PVC, ABS, PS 등의 수지 중 1종 이상을 혼합하거나 단독으로 선택하여 적용할 수 있다.

상기와 같이 조성되는 비구면 렌즈(20)는 아래의 실험예를 통해 그 휘도특성을 알 수 있었다.

<실험예>

도 8은 상기 조성 실시예에서 광확산제의 변화되는 함량에 대해 휘도가 변화되는 상태를 측정한 결과의 그래프이다. 이 때, 상기 실험을 수행하기 위한 비구면 렌즈(20)는 광확산제를 0.01중량부, 1중량부 - 5중량부 까지 첨가한 각각의 시편을 원 실시예 구성으로 제작하였다. 또한, 실험을 수행하기 위해 암실 내에서 리모콘의 송신포트와 6m 거리에 휘도계를 배치한 후 비구면 렌즈(20)를 통과하여 방출되는 빛의 휘도를 측정하였다.

도면을 참조하면, 상기 광확산제의 함량이 0.01중량부 미만으로 첨가될 경우 광확산제 성분이 너무 미미하여 원 실시예의 비구면 렌즈(20)를 통과한 빛의 휘도 특성에 변함이 없었다.

이에 반하여, 상기 광확산제의 함량이 5중량부를 초과하여 첨가된 경우, 광확산제 성분이 과도하게 첨가되어 빛이 비구면 렌즈(20)를 통과하는 광량이 감소되 어 빛의 휘도 특성이 불안정하게 낮아지는 현상이 발생되었다.

즉, 상기와 같은 결과에 의해 조성 실시예의 조성함량 내에서 제작된 비구면 렌즈(20)의 휘도가 가장 높은 특성을 갖는 것을 알 수 있었다.

<다른 실시예>

도 9는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 예시도이다.

다른 실시예의 LED 광원유닛은, 백라이트 유닛(BLU) 또는 프론트 라이트 유닛(FLU)의 면광원으로 적용되는 도광판(P)에 적용되어 구성한 것으로, 이 때, 상기 도광판(P)에 적용된 상태는 원 실시예와는 다르게 측면에 선광원을 결합하는 측광원 방식의 것을 적용한 구성을 예시한다.

즉, 상기 LED 광원유닛은 다양한 색체의 빛을 발광할 수 있는 LED 소자(10)를 비구면 렌즈(20)에 결합하고, 이 비구면 렌즈(20)를 도광판(P)의 일측에 결합하여 도광판(P)으로 빛을 출사하는 선광원으로 적용된다.

이와 같은 측광원 방식의 백라이트 유닛 또는 프론트 라이트 유닛의 구성에서 도광판(P)이 LED 소자(10)를 선광원으로 할 때에도 각 LED 소자(10)의 간격 사이에 발생되는 암역(Dark zone)을 빛의 방출영역이 180°이상이 되는 LED 광원유닛에 의해 해소할 수 있게 된다. 또한, 상기 LED 광원유닛은 일반 도광판(P)에 결합된 LED 소자(10)의 개수보다 적은 개수로 결합하여 백라이트 유닛 또는 프론트 라이트 유닛을 구성할 때의 제작비용 역시 낮출 수 있게 된다.

도 1은 본 종래 LED 모듈이 백라이트 유닛에 적용된 예시도.

도 2는 본 발명에 의한 LED 광원유닛의 사시도.

도 3은 본 발명에 의한 LED 광원유닛의 분해사시도.

도 4는 본 발명에 의한 LED 광원유닛 중 비구면 렌즈의 단면도.

도 5는 본 발명에 의한 LED 광원유닛에서 빛의 방출영역 그래프.

도 6은 본 발명에 의한 LED 광원유닛이 백라이트 유닛에 적용된 예시도.

도 7은 도 6의 LED 광원유닛을 확대하여 나타낸 예시도.

도 8은 본 발명에 의한 LED 광원유닛의 휘도 특성 그래프.

도 9는 본 발명의 다른 실시예 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: LED 소자 20: 비구면 렌즈

22: 렌즈몸체 23: 확산경사부

24: 곡면부 25: 직진돌출부

26: 경사절단부 R: 리모콘

P: 도광판

Claims (10)

1. 기판에 실장되는 SMD 형태로 구현되며, 다양한 색상의 빛을 선단에서 방출하는 LED 소자(10)와;

   상기 LED 소자(10)의 선단에 결합되며, LED 소자(10)에서 방출되는 빛이 선단에서 내측으로 함몰된 확산경사부(23)를 통해 반사, 회절, 굴절되어 적어도 180°각도 이상으로 최대 250°각도로 확장방출되도록 형성된 비구면 렌즈(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 비구면 렌즈(20)는

   빛이 투과되는 렌즈몸체(22)의 선단 외주에서 빛이 방출되는 중심선상의 내측으로 좁아지도록 확산경사부(23)가 함몰형성된 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 비구면 렌즈(20)는

   확산경사부(23)의 내측 중심부에 빛이 직진성을 가지며 방출되도록 하기 위해 선단측으로 돌출 형성된 직진돌출부(25)가 형성된 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 확산경사부(23)는

   선단에서 내측으로 함몰되는 경사면이 빛이 방출되는 중심측으로 융기된 곡면부(24)로 형성된 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 직진돌출부(25)는

   돌출된 끝단이 반원형의 라운드 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 비구면 렌즈(20)는

   빛 방출면적을 증가시키기 위해 선단의 외주 모서리에 경사절단부(26)가 형성된 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 경사절단부(26)는

   그 지점을 통해 방출되는 빛이 확산방출되도록 하기 위해 라운드 형태로 함 몰형성된 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 한 항에 있어서, 상기 비구면 렌즈(20)는,

   전체 100중량부의 렌즈 원료수지에 대해 0.01중량부 이상 5중량부 이하의 광확산제를 혼합하여 제작된 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 렌즈 원료수지는

   투명성질을 갖는 실리콘, 에폭시, PMMA, PC, PVC, ABS, PS 수지 중 적어도 하나 이상으로 선택적용한 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.
10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 한 항에 있어서,

    직하방식의 백라이트 유닛의 선광원으로 적용된 것을 특징으로 하는 빛 방출각도 확장기능을 갖는 LED 광원유닛.

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