KR20100015715A - 얇은 도광체를 위한 ｌｅｄ 광 추출 바아 및 주입 광학체 - Google Patents

얇은 도광체를 위한 ｌｅｄ 광 추출 바아 및 주입 광학체 Download PDF

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Abstract

디스플레이를 후방 조명하기 위한 광학 시스템은 구속 방향을 갖는 도광체 및 도광체의 제1 에지에 근접하게 배치되는 제1의 복수의 광원을 갖는다. 광원 중 적어도 하나로부터의 광은 구속 방향에 대체로 평행한 발광 축을 한정한다. 고체 광 주입기는 광원으로부터의 광을 도광체 내로 결합시키도록 배치된다. 광 주입기의 표면은 제1의 복수의 광원으로부터의 광을 내부 전반사에 의해 구속 방향으로 구속하기 위한 구속 곡선으로서 형상화될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 광원으로부터의 조명 광의 일부는 도광체로부터 멀리 지향되는 성분을 갖는 방향을 따라 제1 광 주입기로 진입하고 주입기 내에서 내부 전반사된다.
광학 시스템, 디스플레이, 도광체, 광원, 광 주입기

Description

얇은 도광체를 위한 ＬＥＤ 광 추출 바아 및 주입 광학체{LED LIGHT EXTRACTION BAR AND INJECTION OPTIC FOR THIN LIGHTGUIDE}
본 발명은, 예를 들어 디스플레이를 조명하기 위해 사용되는 도광체(lightguide)에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 광을 발광 다이오드(light emitting diode)로부터 도광체 내로 주입하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 처음에 작은 핸드헬드형 디스플레이에서 백라이트형 액정 디스플레이(LCD)에 도입되었다. 그러한 백라이트는 전형적으로 도광체를 포함하며, 하나 이상의 백색 LED가 광을 도광체의 하나의 에지 또는 하나의 코너 내로 주입하도록 구성된다. 핸드헬드형 백라이트를 위한 표면 장착 측면 발광형 LED는 전형적으로 높이가 0.6 내지 0.8 ㎜인 발광 개구(emission aperture)를 갖는다. 따라서, 모든 광을 수광할 가장 얇은 도광체는 0.6 ㎜ 또는 그보다 더 두껍다.
핸드헬드형 백라이트에서, LED 패키지는 도광체의 입력 에지 옆으로 배향되고, 광은 공기를 통해 LED로부터 도광체에 결합된다. 광학 산란 표면이 도광체의 하부 상에 패터닝되어 광을 상향으로 액정 패널로 지향시킴으로써 광을 추출한다. 도광체 입력 에지에 입사하는 광의 최대 90%가 공기로부터 도광체 내로 굴절된다. 그러나, 도광체의 평면에서의 전파를 위한 광학적 확산각은 도광체 내에서의 광의 임계각에 의해 제한된다. 따라서, 도광체의 에지를 통해 진입하는 광은 도광체의 에지에의 법선에 대해 42°의 절반 각도로 도광체 내에서 확산된다. 그러므로, 광은 약하게 확산되고 균일성이 저하된다.
많은 핸드헬드형 도광체는 구조화된 입력 에지를 갖도록 제조된다. 구조물은 전형적으로 미세-원주형(micro-columnar) 렌즈, 프리즘, 또는 도광체의 상부 표면으로부터 하부 표면으로 연장하는 다른 렌즈형 홈(lenticular groove)이다. 그러한 홈은 임계각보다 넓지만 여전히 90도 미만의 전파 원추(propagation cone) 내로 광을 확산시키는 경향이 있다. 그러므로, 도광체 내에서의 더 큰 전파 발산(propagation divergence)에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
최근, 고상 조명(solid state lighting)의 구현이 백색 LED 또는 RGB LED를 가진 더 큰 디스플레이, 예컨대 노트북, 모니터 및 TV로 이행되기 시작하였다. 핸드헬드형으로부터 가장 큰 TV까지의 각각의 경우에, 백라이트는 상당한 봉지 광학체(encapsulant optic)를 가진 큰 LED 패키지를 수용하도록 구성된다. 이러한 수용은 전형적으로 개별 LED로부터의 광을 균질한 백색 광으로 혼합하기 위해 제공되는 큰 영역 및 두꺼운 백라이트를 형성하게 된다. 특히, 에지형(edgelit) 디스플레이는 최대 100 ㎜ 길이의 혼합 영역을 필요로 한다. 따라서, 백라이트의 상당한 부분이 넓은 베젤(bezel) 내의 디스플레이 영역을 넘어 연장하여야 하거나, 혼합 영역이 디스플레이의 시야 영역 외측에 놓이는 것을 보장하기 위해 디스플레이 영역 아래로 접힐 수 있다.
종래 접근법의 4가지 결함은 다음과 같이 요약될 수 있다:
1. LED 패키지로부터 도광체 내로의 공기-결합은 주입된 광의 각도를 도광체의 임계각에 의해 경계가 정해진 전파 원추로 제한하고, 그에 따라 도광체 내의 광 혼합 영역이 길어진다.
2. 표준 LED 패키지는 크고, 그에 따라 방출된 광은 얇은 도광체 내로 효율적으로 결합되지 못한다.
3. 봉지재의 굴절률은 전형적으로 발광 LED 다이의 굴절률보다 훨씬 더 낮고, 그에 따라 다이로부터의 광의 추출이 비효율적이다.
4. LED는 도광체의 입력 에지에 평행한 평면에 놓인다. 이러한 배향은 LED가 부착되는 PC 보드에 수직하다. 결과적으로, 전도 열 추출이 제한되고 구현하기 어렵다.
본 발명의 일 실시예는 구속 방향(confinement direction)을 갖는 도광체 및 도광체의 제1 에지에 근접하게 배치되는 제1의 복수의 광원을 갖는 광학 시스템에 관한 것이다. 제1의 복수의 광원 중 적어도 제1 광원으로부터의 광은 구속 방향에 대체로 평행한 발광 축 둘레로 실질적으로 지향된다. 제1의 복수의 광원으로부터의 광을 도광체 내로 결합시키도록 배치되는 제1 고체 광 주입기(solid first light injector)가 존재한다. 제1 광 주입기는 제1 표면을 갖고, 제1 표면의 적어도 제1 부분은 제1의 복수의 광원으로부터의 광을 내부 전반사에 의해 구속 방향으로 구속하기 위한 구속 곡선(confinement curve)으로서 형상화된다.
본 발명의 다른 실시예는 구속 방향을 갖는 도광체 및 구속 방향에 평행한 각각의 발광 축 둘레로 대체로 광을 방출할 수 있는 제1의 복수의 광원을 갖는 광학 시스템에 관한 것이다. 제1 비-반사기화된(non-reflectorized) 광 주입기가 제1의 복수의 광원으로부터의 광을 도광체에 결합시키도록 배치되고, 제1 주입기는 제1의 복수의 광원으로부터의 광을 도광체로 지향시킨다.
본 발명의 다른 실시예는 구속 방향을 한정하는 도광체 및 조명 광을 발생시킬 수 있는 제1 세트의 하나 이상의 광원을 갖는 광학 시스템에 관한 것이다. 제1 고체 광 주입기가 하나 이상의 광원으로부터의 광을 도광체에 결합시키도록 배치된다. 하나 이상의 광원으로부터의 조명 광의 적어도 제1 부분은 도광체로부터 멀리 지향되는 성분을 갖는 방향을 따라 제1 광 주입기로 진입한다. 조명 광의 제1 부분은 주입기 내에서 내부 전반사된다.
본 발명의 상기 요약은 본 발명의 각각의 예시된 실시예 또는 모든 구현예를 설명하고자 하는 것은 아니다. 하기의 도면 및 상세한 설명은 이들 실시예를 더욱 구체적으로 예시한다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시예의 이하의 상세한 설명을 고려하여 보다 완벽하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 에지형 백라이트를 갖는 디스플레이 시스템의 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 원리에 따른 구속 곡선 주입기의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.
도 3은 상이한 굴절률의 재료로 형성된 예시적인 주입기들에 대한 상이한 임계 곡선 형상을 도시하는 그래프.
도 4, 도 5A 및 도 5B는 본 발명의 원리에 따른 구속 곡선 주입기의 추가의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 원리에 따라 구속 곡선 주입기를 사용하는 발광 다이오드(LED)로부터의 광의 도광체 내로의 결합에 대한 계산된 손실 및 주입 효율을 도시하는 그래프.
도 7A 및 도 7B는 본 발명의 원리에 따라 LED로부터의 광을 도광체 내로 주입하기 위해 주입기를 사용하는 조명 유닛의 다양한 실시예에 대한, 도광체를 가로지르는 위치의 함수로서 플럭스 프로파일(flux profile)을 도시하는 그래프.
도 8A 및 도 8B는 본 발명의 원리에 따른 구속 곡선 주입기의 상이한 실시예의 평면도를 개략적으로 도시하는 도면.
도 9A 내지 도 9C는 본 발명의 원리에 따라 LED로부터의 광을 구속 곡선 주입기 내로 광학적으로 결합시키기 위한 상이한 접근법을 개략적으로 도시하는 도면.
본 발명이 다양한 변형과 대안적 형태를 따르고 있지만, 그 특정 형태가 예로서 도면에 도시되었고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명된 특정 실시예로 제한할 의도는 아니라는 것을 이해하여야 한다. 반대로, 첨부된 청구의 범위에 한정된 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 변형, 등가물 및 대안을 포함하고자 하는 것이다.
본 발명은 광학 시스템에 적용가능하며, 더욱 상세하게는 디스플레이 패널이 도광체를 사용하여 후방에서 조명되는 광학 디스플레이 시스템에 적용가능하다. 그러한 디스플레이에서, 광원 또는 광원들은 디스플레이 패널의 측면에 배치되고, 도광체는 광원(들)으로부터의 광을 디스플레이 패널 후방의 위치로 운반하기 위해 사용된다. 본 발명은 발광 다이오드(LED)와 같은 광원으로부터의 광을 도광체 내로 결합시키기 위한 접근법에 관한 것이다.
에지형 디스플레이 장치(100)의 예시적인 실시예의 개략적인 분해도가 도 1에 제공되어 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 디스플레이 장치(100)는 패널 판(106)들 사이에 배치된 액정(LC) 층(104)을 전형적으로 포함하는 LC 디스플레이 패널(102)을 사용한다. 판(106)은 흔히 유리 또는 다른 강성 재료로 형성되고, LC 층(104) 내의 액정의 배향을 제어하기 위해 그 내부 표면 상에 전극 구조물 및 정렬 층을 포함할 수 있다. 전극 구조물은 통상 LC 패널 픽셀, 즉 액정의 배향이 인접 픽셀과는 독립적으로 제어될 수 있는 LC 층의 영역을 형성하도록 배열된다. 또한, 디스플레이되는 이미지에 색상을 부여하기 위해 컬러 필터가 하나 이상의 판(106)과 함께 포함될 수 있다.
상부 흡수 편광기(absorbing polarizer)(108)는 LC 층(104) 위에 위치되고, 하부 흡수 편광기(110)는 LC 층(104) 아래에 위치된다. 도시된 실시예에서, 상부 및 하부 흡수 편광기(108, 110)는 LC 패널(102)의 외측에 위치된다. 흡수 편광기(108, 110) 및 LC 패널(102)은 조합되어 백라이트(112)로부터의 광의 디스플레 이(100)를 통한 시청자로의 투과를 제어한다. 몇몇 예시적인 실시예에서, LC 층(104)의 픽셀이 활성화되지 않은 때, LC 층의 픽셀은 이를 통과하는 광의 편광을 변경시키지 않는다. 따라서, 흡수 편광기들(108, 110)이 수직하게 정렬된 때에는 하부 흡수 편광기(110)를 통과하는 광은 상부 흡수 편광기(108)에 의해 흡수된다. 반면에, 픽셀이 활성화될 때, 통과하는 광의 편광이 회전되어, 하부 흡수 편광기(110)를 통해 투과되는 광의 적어도 일부가 또한 상부 흡수 편광기(108)를 통해 투과된다. 예컨대, 제어기(113)에 의해 LC 층(104)의 상이한 픽셀들이 선택적으로 활성화되면, 그 결과 소정의 요구되는 위치에서 광이 디스플레이를 통과해 나와서 시청자가 보는 이미지가 형성된다. 제어기(113)는, 예컨대 텔레비전 이미지를 수신하여 디스플레이하는 컴퓨터 또는 텔레비전 제어기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 선택적인 층(109)이, 예를 들어 디스플레이 표면에 대한 기계적 및/또는 환경적 보호를 제공하기 위해 상부 흡수 편광기(108) 위에 제공될 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 층(109)은 흡수 편광기(108) 위의 하드코트(hardcoat)를 포함할 수 있다.
몇몇 유형의 LC 디스플레이는 전술한 방식과는 상이한 방식으로 동작할 수 있으며, 그러므로 설명된 시스템과는 세부적으로는 상이할 수 있다. 예를 들어, 흡수 편광기들은 평행하게 정렬될 수 있고, LC 패널은 비활성 상태에 있을 때 광의 편광을 회전시킬 수 있다. 이에 무관하게, 그러한 디스플레이의 기본 구조는 전술한 바와 유사하게 유지된다.
백라이트(112)는 조명 광을 생성하여 조명 광을 도광체(118) 내로 지향시키 는 하나 이상의 광원(114)을 포함한다. 광원(114)은, 예를 들어 발광 다이오드(LED)일 수 있다. 광원(114)으로부터의 광은 이하 더욱 상세하게 설명되는 주입기(injector)(116)에 의해 도광체(118) 내로 결합될 수 있다. 도광체(118)는 광원(114)으로부터의 조명 광을 디스플레이 패널(102) 후방의 영역으로 안내하고, 광을 디스플레이 패널(102)로 지향시킨다. 도광체(118)는 하나 이상의 에지, 하나 이상의 코너, 또는 에지와 코너의 조합을 통해 조명 광을 수광할 수 있다.
기부 반사기(base reflector)(120)가 디스플레이 패널(102)로부터 도광체(118)의 반대측 상에 위치될 수 있다. 도광체(118)는 디스플레이 패널(102)을 조명하기 위해 도광체(118)로부터 광을 추출하는 데 사용되는 광 추출 특징부(122)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 추출 특징부(122)는 광을 디스플레이 패널(102)을 직접 향하거나 기부 반사기(120)를 향해 지향시키는 확산 스폿(diffusing spot)을 도광체(118)의 표면 상에 포함할 수 있다. 다른 접근법이 도광체(118)로부터 광을 추출하기 위해 사용될 수 있다.
기부 반사기(120)는 또한 후술되는 바와 같이 디스플레이 장치(100) 내에서 광을 재생하는 데 유용할 수 있다. 기부 반사기(120)는 정반사기(specular reflector)일 수 있거나, 확산 반사기(diffuse reflector)일 수 있다.
성능을 향상시키기 위한 광 관리 층들(124)의 배열이 백라이트(112)와 디스플레이 패널(102) 사이에 위치될 수 있다. 예를 들어, 광 관리 층(124)은 반사 편광기(126)를 포함할 수 있다. 광원(116)은 전형적으로 비편광 광을 생성하지만, 하부 흡수 편광기(110)는 단지 단일 편광 상태만을 투과시키며, 따라서 광원(116) 에 의해 생성된 광의 대략 절반은 LC 층(104)을 통한 투과에 적합하지 않다. 그러나, 반사 편광기(126)는, 그렇지 않을 경우 하부 흡수 편광기(110)에 흡수될 광을 반사하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 이러한 광이 반사 편광기(126)와 기부 반사기(120) 사이에서 반사에 의해 재생될 수 있다. 반사 편광기(126)에 의해 반사된 광의 적어도 일부는 편광이 제거될 수 있으며, 후속하여 반사 편광기(126)와 하부 흡수 편광기(110)를 통해 LC 패널(102)로 투과되는 편광 상태로 반사 편광기(126)로 복귀될 수 있다. 이러한 방식으로, 반사 편광기(126)는 광원(116)에 의해 방출되어 LC 패널(102)에 도달하는 광의 비율(fraction)을 증가시키는 데 사용될 수도 있으며, 따라서 디스플레이 장치(100)에 의해 생성되는 이미지가 더 밝아진다.
임의의 적합한 유형의 반사 편광기, 예를 들어 다층 광학 필름(multilayer optical film, MOF) 반사 편광기; 확산 반사 편광 필름(diffusely reflective polarizing film, DRPF), 예컨대 연속/분산 상(continuous/disperse phase) 편광기; 와이어 그리드(wire grid) 반사 편광기 또는 콜레스테릭(cholesteric) 반사 편광기가 사용될 수 있다.
MOF 및 연속/분산 상 반사 편광기 둘 모두는, 광을 직교 편광 상태로 투과시키면서 하나의 편광 상태의 광을 선택적으로 반사하기 위해, 통상 중합체 재료인 적어도 2가지 재료들 사이의 굴절률 차이에 의존한다. MOF 반사 편광기의 몇몇 예가 공동 소유의 미국 특허 제5,882,774호에 설명되어 있다. MOF 반사 편광기의 구매가능한 예는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능한, 확산 표면을 포함하는 비퀴티(Vikuiti™) DBEF-D200 및 DBEF-D400 다층 반사 편광기를 포함한다.
본 발명과 관련하여 유용한 DRPF의 예는 공동 소유의 미국 특허 제5,825,543호에 설명된 것과 같은 연속/분산 상 반사 편광기, 및 예컨대 공동 소유의 미국 특허 제5,867,316호에 설명된 것과 같은 확산 반사 다층 편광기를 포함한다. 다른 적합한 유형의 DRPF가 미국 특허 제5,751,388호에 설명되어 있다.
본 발명과 관련하여 유용한 와이어 그리드 편광기의 몇몇 예는 미국 특허 제6,122,103호에 설명된 것을 포함한다. 와이어 그리드 편광기는 특히 미국 유타주 오렘 소재의 목스텍 인크.(Moxtek Inc.)로부터 구매가능하다.
본 발명과 관련하여 유용한 콜레스테릭 편광기의 몇몇 예는, 예컨대 미국 특허 제5,793,456호 및 미국 특허 출원 공개 제2002/0159019호에 설명된 것을 포함한다. 콜레스테릭 편광기는 흔히 출력측 상의 사분파 지연 층(quarter wave retarding layer)과 함께 제공되어, 콜레스테릭 편광기를 통해 투과되는 광은 선형 편광으로 변환된다.
편광 혼합 층(128)이 반사 편광기(126)에 의해 반사된 광의 편광을 혼합하는 것을 돕기 위해 백라이트(112)와 반사 편광기(126) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 편광 혼합 층(128)은 사분파 지연 층과 같은 복굴절 층일 수 있다.
광 관리 층(124)은 또한 하나 이상의 프리즘형 휘도 향상 층(130a, 130b)을 포함할 수 있다. 프리즘형 휘도 향상 층은 디스플레이 장치(100)의 축(132)에 더 가까운 진행 방향으로 축외(off-axis) 광을 방향전환시키는 표면 구조를 포함하는 층이다. 이는 디스플레이 패널(102)을 통과하는 조명 광의 시야각을 제어하여, 전 형적으로 디스플레이 패널(102)을 통해 축상(on-axis)으로 전파되는 광의 양을 증가시킨다. 따라서, 시청자가 보는 이미지의 축상 휘도가 증가된다.
휘도 향상 층의 일례는 굴절 및 반사의 조합을 통해 조명 광을 방향전환시키는 다수의 프리즘형 리지(prismatic ridge)를 갖는다. 디스플레이 장치에 사용될 수 있는 프리즘형 휘도 향상 층의 예는 BEFII 90/24, BEFII 90/50, BEFIIIM 90/50, 및 BEFIIIT를 포함하는, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 프리즘형 필름인 비퀴티™ BEFII 및 BEFIII 계열을 포함한다. 하나의 휘도 향상 층만이 사용될 수 있지만, 서로 약 90°로 배향된 구조를 가진 2개의 휘도 향상 층(130a, 130b)이 사용될 수 있다. 이러한 교차 구성은 2차원의 조명 광의 시야각, 즉 수평 시야각 및 수직 시야각의 제어를 제공한다.
고체 광 주입기(200)의 예시적인 실시예가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 주입기(200)는 상부 표면(208)을 포함한다. 발광 다이오드(LED)와 같은 광원(202)이 고체 주입기(200) 내로 광(204)을 방출한다. 광은 주입기(200)의 상부 표면(208)에 의해 내부 전반사되고, 도광체(206)의 에지 내로 지향된다. 주입기(200)의 상부 표면(208) 중 적어도 일부는 구속 곡선(confinement curve), 즉 LED(202)의 발광 표면의 모든 지점으로부터 표면에 입사하는 모든 광에 대해 내부 전반사를 제공하는 곡선으로 형상화된다. 표면(208)의 곡선은 LED 다이(202)의 먼 에지로부터 방출된 광에 대한 임계선(critical line)을 따른다. 표면은 좌측 하부에서 시작하는 선분으로부터, 이 선분을 정확히 LED 다이(202)의 우측 코너로부터 방출된 광에 대한 임계각 내에 있는 각도로 기울어지게 함으로써 증분식으로 구성 되는 것으로 고려될 수 있다. 각각의 선분의 길이는 연속적인 곡선에 가까워지도록 하기에 충분히 짧게 만들어질 수 있다. LED 다이(202)의 발광 표면으로부터 방출된 광은 이러한 절차를 사용하여 주입기(200) 내에서 내부 전반사된다. 따라서, 도광체(206)로부터 멀어지는 방향의 성분을 갖는, 즉 음의 x-방향의 성분을 갖는 방향으로 최초에 방출된 광선(204a)은 도광체를 향해 다시 내부 전반사된다. 달리 말하면, 광(204a)은 음의 x-방향의 성분을 갖는 것으로부터 양의 x-방향의 성분으로 방향이 바뀌게 된다. 주입기(200)는 비-반사기화(non-reflectorized)될 수 있는데, 즉 LED 다이(202)로부터의 광을 도광체(206)로 반사하기 위한 어떠한 반사 코팅도 없을 수 있다.
도면에서, 좌표계는 도면의 평면이 x-z 평면에 놓이고 y-방향이 도면의 평면 내부로 놓이도록 된다.
주입기(200)는 임의의 적합한 투명 재료로부터 제조될 수 있다. 몇몇 예시적인 적합한 유리 재료는 광학 유리, 예컨대 스콧 노스 어메리카 인크.(Schott North America Inc.)로부터 입수가능한 스콧(Schott) 유리 타입 LASF35 또는 N-LAF34, 및 미국 특허 출원 공개 제2007-0257267호에 설명된 것을 포함한다. 다른 적합한 무기 재료는 세라믹, 예컨대 사파이어, 산화아연, 산화지르코늄 및 탄화규소를 포함한다. 적합한 유기 재료의 예는 중합체, 예컨대 아크릴, 에폭시, 실리콘, 폴리카르보네이트 및 환형 올레핀을 포함한다. 중합체 재료는 도펀트(dopant), 예를 들어 2006년 11월 17일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/866280호에 논의된 바와 같은 세라믹 나노입자를 포함할 수 있다. 이러한 재료 목록은 모두를 망라하고자 하는 것이 아니며, 다른 유형의 유리, 세라믹 및 중합체가 또한 사용될 수 있다.
주입기(200)는 다양한 상이한 적합한 방법을 사용하여 도광체(206)에 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 주입기(200)의 출력 표면(210)은 도광체(206)의 에지(212)와 광학적으로 접촉하여 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 중간 결합 재료(도시 안됨)가 주입기(200)와 도광체(206) 사이에 배치될 수 있다. 중간 결합 재료의 일례는 주입기(200)를 도광체(208)에 부착하는 데 사용되는 접착제이다.
도광체(206)는 수직 방향, 즉 z-방향으로 광을 구속한다. LED(202)는 LED(202)로부터 방출된 광의 전파의 평균 방향을 나타내는 조명 축(214)을 갖는다. LED(202)가 평면형 발광 표면을 갖는 경우, 조명 축은 평면형 발광 표면에 대체로 수직하다.
구속 곡선의 형상은 주입기(200)를 위해 사용되는 재료의 굴절률에 의해 부분적으로 결정된다. 임계 곡선의 몇몇 상이한 예가 도 3의 그래프에 도시되어 있다. 곡선(302, 304, 306, 308, 310)은 각각 1.6, 1.5, 1.4, 1.35, 1.3의 굴절률을 갖는 주입기에 대한 임계 곡선을 각각 나타낸다. 이들 임계 곡선은, 원점에 중심을 두었고 한 변이 300 ㎛인 정사각형인 LED 발광 표면에 대해 모델링하였다. 알 수 있는 바와 같이, 임계 곡선은 더 높은 굴절률 값의 경우에 더 조밀하다.
LED의 발광 표면으로부터 임계 곡선 표면에의 광의 가장 낮은 입사각이 내부 전반사를 위한 임계각이다. "구속 곡선"이라는 용어는 임계 곡선을 포함하는 것으로 이해되지만, LED로부터의 광의 최소 입사각이 임계각보다 더 큰 각도가 되도록 형상화될 수 있다.
주입기(400)의 다른 실시예가 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 주입기(400)는 하나 이상의 LED(402)로부터의 광(404)을 도광체(406)에 결합시키기 위해 사용된다. 주입기(400)의 상부 표면(408)은 구속 곡선의 형상을 갖는 적어도 일부분을 갖도록 형성된다. 하부 표면(410)은 x-y 평면에 평행하지 않도록 경사져 있다. 하부 표면(410)에 입사하는 광(404a)은 내부 전반사되어 도광체(404)로 지향된다. 이러한 실시예는 도 2에 도시된 실시예보다 더 얇은 도광체(404)에 주입기를 결합하는 것을 허용한다. 하부 표면(410)은 평평한 표면일 수 있으며, 임의의 적합한 각도로 배향될 수 있다. 예를 들어, 대략 27°의 각도(θ)가 300 ㎛ 정사각형 발광 표면을 갖는 LED로부터의 광을 결합시키기 위한 모델링에 적합한 것으로 알려졌지만, 다른 각도가 또한 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 하부 표면(410)은, 예를 들어 포물선 또는 다른 평활한 곡선을 갖도록 만곡될 수 있거나, 일부 다른 형상을 취할 수도 있다.
주입기(500)의 다른 실시예가 도 5A 및 도 5B에 개략적으로 도시되어 있다. 주입기(500)는 하나 이상의 LED(502)로부터의 광(504)을 도광체(506)에 결합시키기 위해 사용된다. 주입기(500)의 상부 표면(508)은 적어도 구속 곡선의 형상을 갖는 제1 부분(508a) 및 일부 다른 형상을 갖는 제2 부분(508b)을 갖도록 형성된다. 제2 부분(508b)의 형상은 도시된 바와 같이 평평할 수 있거나, 예를 들어 포물선형 곡선 또는 일부 다른 평활한 곡선을 갖도록 만곡될 수 있거나, 일부 다른 형상을 취할 수도 있다. 하부 표면(510)은 x-y 평면에 대해 경사져 있다. 도시된 실시예 에서, 하부 표면(510)은 포물선으로 만곡되어 있지만, 다른 곡선, 평평한 형상 등과 같은 다른 형상을 취할 수도 있다.
도면은 상부 표면 상에 구속 곡선만을 갖는 더 큰 주입기를 점선으로 도시한다. 주입기(500)는 그의 상부 표면 상에 구속 곡선만을 갖는 주입기보다 더 작고, 따라서 더 소형으로 제조될 수 있으며 더 얇은 도광체에 결합하기 위해 사용될 수 있다.
도 5A 및 도 5B에 도시된 유형의 주입기는 주입 효율을 계산하기 위해 모델링하였다. 상부 표면의 제1 부분(508a)은 1.7의 굴절률에 대한 임계 곡선으로 가정한 구속 곡선이었다. 상부 표면의 제2 부분(508b)은 평평한 것으로 가정하였다. 하부 표면(510)은 포물선으로 가정하였다. LED(502)는 한 변이 300 ㎛인 정사각형 발광 영역을 갖는 것으로 가정하였다. 도광체(506)는 두께가 0.85 ㎜인 것으로 가정하였다.
도 6에 도시된 그래프는 도광체(506) 내로의 주입 효율(상부 곡선, 다이아몬드) 및 도광체(506) 내에서 TIR에 의해 구속되지 않은 광선으로 인한 도광체(506)로부터의 누설(하부 곡선, 정사각형)을 도시한다. 주입 효율은 주입기 재료의 굴절률의 함수로서 모델링하였다. 따라서, 광 구속은 1.7 미만의 굴절률(n1) 값인 경우의 주입 광학체 내에서 불완전하다. 물론, 주입기(500)는 더 낮은 굴절률을 갖는 주입기 재료의 사용을 수용하는 구속 곡선을 갖도록 설계될 수도 있다.
모델은 수개의 LED 다이(502)가 4 ㎜의 중심간 간격으로 도광체의 길이를 따 라 사용된 것으로 가정하였다. LED로부터의 광 출력은 램버시안(Lambertian) 프로파일인 것으로 가정하였다. 도광체(506) 내의 광의 균일성은 도광체(506)의 입력 에지로부터의 거리의 함수로서 조사하였다.
플럭스 프로파일(flux profile)은 도광체 내의 다양한 위치에서 광의 입력 표면(506a)으로부터 다양한 거리에 대해 도광체를 가로질러 계산하였다. 도 7A에 도시된 결과는 입력 표면(506a)으로부터 거리 0 ㎜(곡선 702), 1 ㎜(곡선 704), 2 ㎜(곡선 706) 및 4 ㎜(곡선 708)에서의 플럭스 프로파일을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 플럭스 프로파일은 입력 표면(506a)에서 매우 불균일하였다. 그러나, 도광체 내로의 증가된 깊이에서, 플럭스 프로파일은 보다 더 균일하게 되었다. 입력 표면(506a)으로부터 2 및 4 ㎜의 거리에서, 균일성을 구별할 수 없었거나, 불균일성이 시뮬레이션의 노이즈 내에 있었다. 이러한 경우, 도광체(506)는 44 ㎜의 길이 및 250 ㎜의 길이를 갖는 것으로 가정하였다. 주입기(500)는 1.5의 굴절률을 갖는 것으로 가정하였고, 임계 곡선인 반사 표면을 가졌다.
시뮬레이션을 반복하였지만, 이번에는 중심간 간격이 8 ㎜였고 도광체 길이가 48 ㎜였다. 도광체는, 도광체를 가로질러 출력을 균형잡히게 하기 위해 도광체의 두 에지에서 다이 간격의 1/2의 거리를 추가하도록, 도 7B의 결과를 생성하기 위해 사용되었던 것보다 더 길다. 결과가 도 7B에 제공되어 있으며, 곡선 712, 714, 716 및 718은 0 ㎜, 2 ㎜, 4 ㎜ 및 8 ㎜에서의 계산된 플럭스를 각각 나타낸다. 이러한 경우, 플럭스는 시뮬레이션 노이즈보다 도광체 내로 2 ㎜ 위치에서 약간 더 불균일하다.
광이 단색성이었음을 가정하여 모델링을 수행하였다. 결과는 단색성 광이 확산되어 4 ㎜ 이격된 LED의 경우 도광체 입력 표면의 1 ㎜ 내에서 그리고 8 ㎜ 이격된 LED의 경우 약 3 ㎜에서 균일하게 됨을 나타낸다. 따라서, 4 ㎜ 이하 간격의 백색 LED(광을 추가의 파장으로 변환하기 위한 인광체(phosphor) 또는 적색, 녹색 및 청색 LED들의 그룹이 제공된 LED) 또는 단색 LED로부터의 광 주입은 입력 표면으로부터 짧은 거리에서 도광체 내에서 균일하다.
LED들은 반복 색상 클러스터(cluster), 즉 상이한 색상의 광을 생성하는 LED들의 반복 패턴으로서 배열될 수 있다. 클러스터의 개별 색상은 중심간 분리된 단색 광원으로서 취급될 수 있다. 개별 색상이 균일하게 확산되는 경우, 색상 클러스터로부터 생성되는 혼합 색상이 또한 균일할 것이다.
이 예에서의 치수는 다이들의 크기 및 분리에 따라 비율이 정해질 수 있다.
주입기는 도광체 내로 결합되는 광의 양을 증가시키도록 추가로 구성될 수 있다. 주입기의 단부가 정사각형인 경우, 일부 광은 주입기로부터 빠져나갈 수 있다. 이러한 손실을 감소시키기 위해, 주입기 단부의 끝부분은 도광체를 향해 광을 반사하도록 형상화될 수 있다. 그러한 주입기(800)의 예시적인 일 실시예가 도 8A에 개략적으로 도시되어 있으며, 이 도면은 도광체(806)를 내려다보는 평면도를 도시한다. LED(802)로부터의 광(804)은 주입기(800)를 통해 도광체(806) 내로 주입된다. 도면에서 좌표계의 축은 이전 도면의 좌표계의 축에 대응한다. 주입기(800)의 단부 표면(808)은 x-축에 대해 소정 각도로 설정되며, 그 결과 주입기(800)의 단부에 근접하게 위치된 LED(802a)로부터의 광(804a)은 주입기(800)의 단부로부터 손실되는 대신에 주입기(800)에 의해 내부 전반사되어 도광체(806)를 향해 지향될 수 있다. 도시된 실시예에서, 단부 표면(808)은 평평하지만, 반드시 그러할 필요는 없으며 단부 표면(808)이 만곡될 수도 있다. 예를 들어, 도 8B에 도시된 예시적인 실시예에서, 단부 표면(818)에는 구속 곡선이 제공된다.
LED들의 상이한 배열이 본 발명과 함께 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, LED는 다이 형태로 사용되며, 생성되는 광을 방출하는 평평한 상부 표면을 갖는다. 이러한 실시예가 도 9A에 개략적으로 도시되어 있다. LED 다이(900)는, 예를 들어 회로 기판일 수 있거나 회로 기판 상의 서브마운트(submount)를 포함할 수 있는 마운트(902)에 부착된다. 전형적으로, 마운트(902)는 LED 다이(900)에 전력을 제공하고, 또한 소정의 열 관리 능력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 마운트(902)는 LED 다이(900)를 위한 수동(passive) 또는 능동(active) 히트싱크(heatsink)로서 작용할 수 있다.
LED 다이(900)의 발광 표면(904)은 주입기(908)의 입력 표면(906)에 광학적으로 결합된다. 표면(904)은 간단하게 입력 표면(906)과 접촉하여 배치될 수 있거나, 발광 표면(904)과 입력 표면(906) 사이에 소정의 결합 재료가 존재할 수 있다. 예를 들어, 결합 재료는 접착제일 수 있다.
상이한 유형의 LED 다이(900)가 이러한 실시예 및 이하 설명되는 실시예에 사용될 수 있다. 예를 들어, LED 다이는 두 전기 접점이 주입기(908)로부터 멀리 향하는 다이(900)의 하부 표면 상에 있는 플립-칩(flip-chip) LED 다이일 수 있거나, 전기 접점 중 하나가 주입기(908)를 향하는 다이(900)의 면 상에 있는 경우인 와이어-본드(wire-bonded) LED 다이일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 광은 LED의 에지로부터 방출될 수 있다. 이러한 상황은 도 9B에 개략적으로 도시되어 있다. LED 다이(920)는 마운트(922)에 부착되고, 주입기(928)의 리세스(924) 내에 배치된다. 리세스(924)는 LED 다이(920)의 형상에 정합하도록 형상화될 수 있지만, 이는 필수 조건은 아니다. 이러한 실시예에서, 광(930)은 LED 다이(920)의 에지 표면(932)으로부터 방출되고, 또한 상부 표면(934)으로부터 방출될 수 있다. 결합 재료가 또한 LED 다이(920)와 주입기(928)의 리세스 표면 사이에서 리세스(924) 내에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예에서, LED는 노출된 LED 다이이기보다는 봉지될 수 있다. 이러한 상황은 도 9C에 개략적으로 도시되어 있고, 이 경우 마운트(942)에 부착된 봉지된 LED(940)는 주입기(948)의 리세스(944) 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 리세스(944)는 LED(940)의 봉지재의 형상에 정합하도록 형상화될 수 있지만, 이는 필수 조건은 아니다. 결합 재료가 또한 봉지된 LED 다이(940)와 주입기(948)의 리세스 표면 사이에서 리세스(944) 내에 배치될 수 있다.
본 발명은 전술된 특정한 예로 제한되는 것으로 고려되어서는 안 되며, 오히려 첨부된 청구의 범위에 적절히 기재된 본 발명의 모든 태양을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서의 개관시, 본 발명에 적용될 수 있는 다양한 변형, 동등한 공정뿐만 아니라, 많은 구조는 본 발명과 관계된 분야의 당업자에게 쉽게 명확해질 것이다. 청구의 범위는 이러한 변형 및 장치를 포함하고자 한다.

Claims (45)

  1. 구속 방향(confinement direction)을 갖는 도광체;
    도광체의 제1 에지에 근접하게 배치되는 제1의 복수의 광원 - 상기 제1의 복수의 광원 중 적어도 제1 광원으로부터의 광은 구속 방향에 대체로 평행한 발광 축 둘레로 실질적으로 지향됨 - ; 및
    제1의 복수의 광원으로부터의 광을 도광체 내로 결합시키도록 배치되는 제1 고체 광 주입기(solid first light injector) - 상기 제1 광 주입기는 제1 표면을 갖고, 제1 표면의 적어도 제1 부분은 제1의 복수의 광원으로부터의 광을 내부 전반사에 의해 구속 방향으로 구속하기 위한 구속 곡선(confinement curve)으로서 형상화됨 -
    를 포함하는 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 표면의 제2 부분은 직선인 광학 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 제1 표면의 제2 부분은 만곡되는 광학 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 제1 표면의 제2 부분은 포물선 표면을 포함하는 광학 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 제1 표면의 제2 부분은 반사기화된(reflectorized) 표면을 포함하는 광학 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 제1 광 주입기는 제2 표면을 포함하고, 제2 표면의 적어도 일부분은 직선인 광학 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 제1 광 주입기는 제2 표면을 포함하고, 제2 표면의 적어도 일부분은 만곡되는 광학 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 제2 표면은 포물선 표면 부분을 포함하는 광학 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 도광체의 제2 에지에 근접하게 배치되는 제2의 복수의 광원, 및 제2의 복수의 광원으로부터의 광을 도광체 내로 결합시키도록 배치되는 제2 고체 광 주입기를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 제2 광 주입기는 제1 표면을 갖고, 제1 표면의 적어도 제1 부분은 제2의 복수의 광원으로부터의 광을 내부 전반사에 의해 구속 방향으로 구속하기 위한 구속 곡선으로서 형상화되는 광학 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 광은 도광체로부터 추출되고, 도광체로부터 추출되는 광에 의해 조명되도록 배치되는 디스플레이 패널 및 디스플레이 패널에 의해 디스플레이되는 이미지를 제어하도록 디스플레이 패널에 결합되는 제어기를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 도광체와 디스플레이 패널 사이에 배치되는 하나 이상의 광 관리 필름을 추가로 포함하는 광학 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 제1 주입기는 비-반사기화된(non-reflectorized) 광학 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 적어도 제1 광원은 발광 다이오드(LED)를 포함하는 광학 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 제1 광원은 LED에 의해 방출되는 제1 파장의 광의 적어도 일부를 제1 파장과 상이한 제2 파장의 광으로 변환하도록 배치되는 인광체(phosphor)를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 제1의 복수의 광원은 제1 색상의 광을 방출할 수 있는 적어도 제1 LED 및 제1 색상과 상이한 제2 색상의 광을 방출할 수 있는 적어도 제2 LED를 포함하는 광학 시스템.
  17. 구속 방향을 갖는 도광체;
    구속 방향에 평행한 각각의 발광 축 둘레로 대체로 광을 방출할 수 있는 제1의 복수의 광원; 및
    제1의 복수의 광원으로부터의 광을 도광체에 결합시키도록 배치되고, 제1의 복수의 광원으로부터의 광을 도광체로 지향시키는 제1 비-반사기화된 광 주입기
    를 포함하는 광학 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 제1 광 주입기는 제1 주입기로 진입하는 광이 일회 이상의 내부 전반사를 통해 도광체를 향해 실질적으로 모두 반사되도록 형상화되는 광학 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 제1 광 주입기는 제1 표면을 갖고, 제1 표면의 적어도 제1 부분은 제1의 복수의 광원으로부터의 광을 구속 방향으로 구속하기 위한 구속 곡선으로서 형상화되는 광학 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 제1 표면의 제2 부분은 직선인 광학 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 제1 표면의 제2 부분은 만곡되는 광학 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 제1 표면의 제2 부분은 포물선 표면을 포함하는 광학 시스템.
  23. 제19항에 있어서, 제1 광 주입기는 제2 표면을 포함하고, 제2 표면의 적어도 일부분은 직선인 광학 시스템.
  24. 제19항에 있어서, 제1 광 주입기는 제2 표면을 포함하고, 제2 표면의 적어도 일부분은 만곡되는 광학 시스템.
  25. 제17항에 있어서, 도광체의 제2 에지에 근접하게 배치되는 제2의 복수의 광원, 및 제2의 복수의 광원으로부터의 광을 도광체 내로 결합시키도록 배치되는 제2 고체 광 주입기를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 제2 광 주입기는 제1 표면을 갖고, 제1 표면의 적어도 제1 부분은 제2의 복수의 광원으로부터의 광을 내부 전반사에 의해 구속 방향으로 구속하기 위한 구속 곡선으로서 형상화되는 광학 시스템.
  27. 제17항에 있어서, 광은 도광체로부터 추출되고, 도광체로부터 추출되는 광에 의해 조명되도록 배치되는 디스플레이 패널 및 디스플레이 패널에 의해 디스플레이되는 이미지를 제어하도록 디스플레이 패널에 결합되는 제어기를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 도광체와 디스플레이 패널 사이에 배치되는 하나 이상의 광 관리 필름을 추가로 포함하는 광학 시스템.
  29. 제17항에 있어서, 제1의 복수의 광원은 발광 다이오드(LED)를 포함하는 광학 시스템.
  30. 제29항에 있어서, LED 중 적어도 하나는 LED 중 적어도 하나에 의해 방출되는 제1 파장의 광의 적어도 일부를 제1 파장과 상이한 제2 파장의 광으로 변환하도록 배치되는 인광체를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 제1의 복수의 광원은 제1 색상의 광을 방출할 수 있는 적어도 제1 LED 및 제1 색상과 상이한 제2 색상의 광을 방출할 수 있는 적어도 제2 LED를 포함하는 광학 시스템.
  32. 구속 방향을 한정하는 도광체;
    조명 광을 발생시킬 수 있는 제1 세트의 하나 이상의 광원; 및
    하나 이상의 광원으로부터의 광을 도광체에 결합시키도록 배치되는 제1 고체 광 주입기 - 상기 하나 이상의 광원으로부터의 조명 광의 적어도 제1 부분은 도광 체로부터 멀리 지향되는 성분을 갖는 방향을 따라 제1 광 주입기로 진입하고, 조명 광의 제1 부분은 주입기 내에서 내부 전반사됨 -
    를 포함하는 광학 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 하나 이상의 광원은 구속 방향에 평행한 발광 축을 따라 대체로 광을 방출하는 광학 시스템.
  34. 제32항에 있어서, 제1 광 주입기는 제1 표면을 갖고, 제1 표면의 적어도 제1 부분은 조명 광의 제1 부분을 내부 전반사하기 위한 구속 곡선으로서 형상화되는 광학 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 제1 표면의 제2 부분은 직선인 광학 시스템.
  36. 제34항에 있어서, 제1 표면의 제2 부분은 만곡되는 광학 시스템.
  37. 제34항에 있어서, 제1 광 주입기는 제2 표면을 포함하고, 제2 표면의 적어도 일부분은 직선인 광학 시스템.
  38. 제34항에 있어서, 제1 광 주입기는 제2 표면을 포함하고, 제2 표면의 적어도 일부분은 만곡되는 광학 시스템.
  39. 제32항에 있어서, 도광체의 제2 에지에 근접하게 배치되는 제2 세트의 광원, 및 제2 세트의 광원으로부터의 광을 도광체 내로 결합시키도록 배치되는 제2 고체 광 주입기를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 제2 광 주입기는 제1 표면을 갖고, 제2 광 주입기의 제1 표면의 적어도 제1 부분은 제2 세트의 광원으로부터의 광을 내부 전반사에 의해 구속 방향으로 구속하기 위한 구속 곡선으로서 형상화되는 광학 시스템.
  41. 제32항에 있어서, 광은 도광체로부터 추출되고, 도광체로부터 추출되는 광에 의해 조명되도록 배치되는 디스플레이 패널 및 디스플레이 패널에 의해 디스플레이되는 이미지를 제어하도록 디스플레이 패널에 결합되는 제어기를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  42. 제41항에 있어서, 도광체와 디스플레이 패널 사이에 배치되는 하나 이상의 광 관리 필름을 추가로 포함하는 광학 시스템.
  43. 제32항에 있어서, 하나 이상의 광원은 발광 다이오드(LED)를 포함하는 광학 시스템.
  44. 제43항에 있어서, LED 중 적어도 하나는 LED 중 적어도 하나에 의해 방출되는 제1 파장의 광의 적어도 일부를 제1 파장과 상이한 제2 파장의 광으로 변환하도록 배치되는 인광체를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  45. 제43항에 있어서, 제1의 복수의 광원은 제1 색상의 광을 방출할 수 있는 적어도 제1 LED 및 제1 색상과 상이한 제2 색상의 광을 방출할 수 있는 적어도 제2 LED를 포함하는 광학 시스템.
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