KR20120006731A - 엘이디 조명모듈 및 이를 이용한 백라이트 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엘이디 조명모듈에 관한 것으로, 특히 다수의 엘이디를 포함하는 엘이디모듈과 상기 엘이디의 출사방향상에 배치되는 표면에 광학패턴이 형성된 마이크로렌즈어레이시트 및 상기 엘이디 모듈과 마이크로렌즈 어레이시트 사이에 배치되는 형광시트 또는 확산시트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, LED 조명 모듈에 마이크로렌즈 어레이 시트를 포함하여 LED 효율, 연색성 및 정면조도를 향상시킬 수 있도록 하며, 지향각(Beam angle)의 조절을 용이하게 하며 핫스팟(Hot spot)을 제거할 수 있으며, 마이크로렌즈 어레이시트와 형광시트를 배치하여 조명의 백색광을 구현함에 있어 직하 조도를 향상시킬 수 있으며, 조명용 백색광을 효율적으로 형성하고 조명의 수명을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

엘이디 조명모듈 및 이를 이용한 백라이트 유닛{LED lamp module and Back light unit using the same}
본 발명은 LED의 광특성을 개선하기 위한 광학시트가 포함된 조명모듈 및 백라이트 유닛에 관한 것이다.
엘이디(LED)는 특정한 화합물로 된 반도체의 특성을 이용하여 전기 에너지를 빛 에너지로 변환시키는 반도체 소자의 일종으로서, 광 변환 효율이 높기 때문에 소비전력이 매우 적으며, 광원이 소형이므로 소형화, 박형화 및,경량화에 적합하면서도 무한 확장 설치가 가능하고, 수명이 반영구적으로 매우 길며(청색, 보라색, 또는 자외선 LED의 경우 수명은 대략 100,000 시간이고 백색 LED의 경우 대략 30,000 시간)이고, 열적 또는 방전 발광이 아니므로 예열이 불필요하여 응답 속도가 대단히 신속하고, 점등회로가 매우 간단하며, 방전용 기체 및 필라멘트를 사용하지 않으므로 내충격성이 크고 안전하며 환경오염 유발 요인이 적고, 고(高)반복 펄스 동작이 가능하며, 시신경의 피로가 덜하고, 풀 칼라의 구현이 가능하다는 장점이 있으므로, 휴대폰, 캠코더, 디지털 카메라 및 개인 휴대 정보 단말기(PDA) 등의 액정 디스플레이(LCD) 배면 조명(back light)용 광원, 신호등, 전광판, 차량 전조등 및 후미등, 각종 전자기기, 사무기기, Fax 기기 등의 디스플레이부 발광등, 리모콘이나 감시카메라의 야간조명, 적외선 통신용, 적녹청 픽셀(pixel)의 다양한 조합에 의한 옥외 광고판의 정보전달용 디스플레이용, 초정밀 전광판 디스플레이용, 고급 실내외 조명용으로 널리 사용되고 있으며, 특히 종래 LED의 일반적인 문제점이었던 저휘도 문제를 개선한 고휘도 LED가 상업적 규모로 시판됨으로 인하여 그 용도 및 사용처는 급속히 확대되고 있다.
도 1에 도시된 이러한 LED가 적용된 평판형 조명등을 도시한 도면이다.
종래의 평판형 LED 조명등은 다수개의 엘이디 장착 유니트(11)가 매트릭스 형태로 설치되도록 복수개의 장착홀(13)되는 돗트(dot)형 엘이디 모듈판(10)과, 상기 엘이디장착 유니트(11)에 장착되어 설치되며 인쇄회로 기판(40)에 전기적으로 연결되는 다수개의 엘이디(12)와, 상기 엘이디(12)로부터 발광되는 발광색을 변환하는 조명색 변환용 형광판(20)과, 상기 조명색 변환용 형광판(20)에 서 변환되어 방출되는 광을 외부로 발광하기 위한 투명 발광판(30)과, 상기 엘이디 모듈판(10), 상기 조명색 변환용 형광판(20), 상기 투명 발광판(30) 등을 그 내부에 수용하여 고정하는 사각 하우징(60)으로 구성된다. 이러한 구조는 매트릭스 형태로 설치되는 돗트(dot)형 엘이디 모듈판의 전면에 내열성 투명 수지 매트릭스(matrix)에 조명색 변환용 형광체 및/또는 광학산체가 혼입된 조명색 변환용 형광판과 광확산판을 설치함으로써, 고가인 고휘도 백색 LED를 사용하지 않고서도 장수명의 고휘도 청색 LED나 보라색 LED 또는 자외선 LED로부터 간단하고도 저렴하게 조명용 백색광 내지 황백색광을 구현하고자 하는 목적에서 제조되고 있다.
그러나, 이러한 평판형 조명등의 경우, LED 소자를 발광원으로 사용시 발생하는 핫 스팟(Hot spot)을 없애기 위해 상기 확산판(21)을 매우 두꺼운 재질의 구조물을 이용하게 되며, 이로 인해 LED 효율이 저하되며, 연색성 및 정면조도가 나빠지게 되며, 지향각(Beam angle)을 조절할 수 없게 되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 LED 조명 모듈에 마이크로렌즈 어레이 시트를 포함하여 LED 효율, 연색성 및 정면조도를 향상시킬 수 있도록 하며, 지향각(Beam angle)의 조절을 용이하게 하며 핫스팟(Hot spot)을 제거할 수 있는 조명 모듈을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 구성은 다수의 엘이디를 포함하는 엘이디모듈;과 상기 엘이디의 출사방향상에 배치되는 표면에 광학패턴이 형성된 마이크로렌즈어레이시트; 상기 엘이디 모듈과 마이크로렌즈 어레이시트 사이에 배치되는 형광시트 또는 확산시트;를 포함하는 엘이디 조명모듈을 제공할 수 있도록 한다.
또한, 상술한 구조의 상기 마이크로 렌즈 어레이시트는, 표면에 양각의 마이크로렌즈 패턴이 균일 또는 불균일하게 배치될 수 있다.
이 경우 상기 마이크로 렌즈 어레이시트는, 투명필름상에 양각의 마이크로렌즈 패턴이 형성된 구조로 구현되며, 구체적으로는 PET 필름상에 에폭시 또는 실리콘 계열의 레진으로 형성되는 양각의 마이크로렌즈 패턴이 어레이된 구조로 형성될 수 있다.
또는, 이와는 달리 상기 마이크로 렌즈 어레이시트는, 광학패턴을 형성함에 있어 표면에 양각의 마이크로렌즈 패턴이 배치되며, 각 양각의 마이크로렌즈 패턴의 사이에는 음각의 곡률 패턴이 형성구조로 구현될 수 있으며, 전체적인 광학패턴과 광학패턴이 형성되는 하부의 베이스 부재를 일체형으로 구현할 수 있다.
상술한 광학패턴에서의 상기 양각의 마이크로렌즈 패턴은 직경이 30~100um의 범위에서 구현될 수 있다.
아울러, 상기 형광시트 또는 확산시트는, 일체형 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 형광시트는, 베이스필름 내부에 실리콘 수지가 충진되며, 상기 실리콘 수지 내에는 적색형광체 또는 황색형광체를 포함하는 구조로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 황색형광체는 Silicate계, 상기 적색형광체는 Nitride계의 물질을 이용할 수 있다.
또한, 상기 엘이디 조명모듈은, 반사 시트, 프리즘 시트(BEF), 이중 휘도 향상 필름(DBEF), 렌즈 패턴 시트를 포함하는 복합 시트 중 어느 하나 이상을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 발명에 따른 엘이디 모듈은 반사 시트, 프리즘 시트(BEF), 이중 휘도 향상 필름(DBEF), 렌즈 패턴 시트와 결합하여 백라이트 유닛을 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면, LED 조명 모듈에 마이크로렌즈 어레이 시트를 포함하여 LED 효율, 연색성 및 정면조도를 향상시킬 수 있도록 하며, 지향각(Beam angle)의 조절을 용이하게 하며 핫스팟(Hot spot)을 제거할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 마이크로렌즈 어레이시트와 형광시트를 배치하여 조명의 백색광을 구현함에 있어 직하 조도를 향상시킬 수 있으며, 조명용 백색광을 효율적으로 형성하고 조명의 수명을 개선할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 종래의 LED 조명 모듈의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 조명 모듈을 제조하는 순서를 개략적으로 도시한 제조 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 조명 모듈을 도시한 요부 개념도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 2는 본 발명에 따른 조명 모듈을 제조하는 순서를 개략적으로 도시한 제조 순서도이며, 도 3a는 본 발명에 따른 조명 모듈을 도시한 요부 개념도이다.
이를 참조하면, 본 발명에 따른 엘이디 조명모듈은 도 3에 도시된 것과 같이, 다수의 엘이디(110)를 포함하는 엘이디모듈(100)과 상기 엘이디(110)의 광 출사방향 상에 배치되는 표면에 광학패턴이 형성된 마이크로렌즈어레이시트(230), 그리고 상기 엘이디 모듈(100)과 마이크로렌즈 어레이시트(230) 사이에 배치되는 형광시트(210) 또는 확산시트(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 엘이디 모듈(100)은 적어도 하나 이상, 이를 테면 수십, 수백개의 엘이디(110)를 포함하는 구조로 구현될 수 있음은 물론이며, 본 발명에서는 이를 간략화하여 하나의 LED 모듈 상에 형성되는 조명모듈을 일례로 설명하기로 한다. 즉 엘이디 모듈이라함은 도시된 것과 같이 엘이디가 장착되는 장착유닛과 엘이디를 포함하는 개념이다.
아울러, 상기 형광시트(210)은 기본적으로 엘이디 광원에서 발광된 빛의 일부분을 흡수하여 다른 파장의 빛을 발광하고, 광원에서 발광된 빛의 나머지 부분을 투과시키는 기능을 수행한다.
상기 확산시트(220)은 광원에서 출사된 빛이 고르게 퍼지도록 하는 기능을 수행한다. 상기 형광시트와 확산시트는 그 적층순서가 바뀔 수 있다.
상기 마이크로렌즈어레이시트(230)는 표면에 양각의 마이크로렌즈패턴(231)이 형성된 구조로, 상기 형광시트 또는 확산시트를 통과한 빛의 각도를 조절하고, 정면조도를 향상시키며, 핫스팟을 제거하는 기능을 수행한다.
도 3b를 참조하면, 이러한 마이크로렌즈어레이시트(230)는 투명필름(230), 이를 테면 PET 필름상에 마이크로렌즈어레이(MLA)가 형성된 구조로 형성될 수 있다. 이 경우 마이크로렌즈어레이(MLA)는 양각의 렌즈 패턴(231)이 균일 또는 불균일하게 배치되는 구조로 구현될 수 있으며, 일반적으로 에폭시 또는 실리콘 계열의 레진 등의 투과율이 우수한 재료를 상기 투명필름상에 인쇄하여 패터닝함으로써 구현할 수 있다. 상기 마이크로렌즈의 크기는 30~100㎛의 범위에서 형성됨이 바람직하다.
또는, 이와는 달리, 별도의 투명필름에 별개의 마이크로렌즈 패턴을 형성하는 것이아니라 투명 기재의 표면에 마이크로렌즈 어레이를 형성하여 일체형으로 형성하는 것도 가능하다.
또는, 도 3b의 (b)에 도시된 것과 다양한 렌즈 형상을 형성함에 있어서 양각의 곡률을 가지는 마이크로렌즈 패턴(231)의 사이에 음각의 곡률부(232)를 가지는 구조로 형성하는 것도 가능하다. 이러한 음각의 곡률부의 존재는 마이크로렌즈어레이시트상에 형성되는 양각의 렌즈 패턴의 사이에 존재하는 평면부의 존재로 인한 휘선 발생 및 광균일도의 하락하는 현상을 제거하여 우수한 광효율을 확보할 수 있게 된다. 물론, 이 경우에도 양각의 렌즈 패턴을 투명시트 상에 형성하고, 투명시트의 하부로 음각의 곡률부를 형성하는 구조로 구현하거나, 양각의 렌즈패턴과 음각의 곡률부 및 투명시트를 일체형 구조로 형성할 수 있음은 물론이다.
도 3c는 투명시트 상에 음각의 곡률부를 형성하는 형성하는 다른 구현예를 도시한 것이다. 즉, 투명 평판시트의 상부에 양각과 음각의 패턴(T1~T3)이 형성된 구조를 예시한 것이며, 물론 이 역시 일체형 구조로 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 형광시트의 구조를 개념적으로 도시한 것이다.
본 발명에 따른 형광시트(210)는 PET와 같은 투명재질로 형성되는 투명 필름(211) 내부에 실리콘 수지(212)가 충진되고, 상기 실리콘 수지의 내부에는 형광체(Red, Yellow)가 포함되는 구조로 형성될 수 있다.
여기에서 상기 투명필름(211)은 실리콘(silicon) 수지, 폴리메칠 펜텐(polymethyl pentene) 수지, 폴리에테르 설폰(polyether sulfon) 수지, 폴리에테르 이미드(polyether imide) 수지, 폴리아릴레이트(polyarylate) 수지 및,폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacylate) 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 이용할 수 있다.
즉, 본 발명에서의 형광시트(210)은 기본적으로 엘이디 광원에서 발광된 빛의 일부분을 흡수하여 다른 파장의 빛을 발광하고, 광원에서 발광된 빛의 나머지 부분을 투과시키는 기능을 수행하며, 특히 Blue LED 광원으로부터, 백색광을 구현하는 기능을 수행할 수 있다. Yellow 형광체로는 Silicate계(Sr2SiO4:Eu)물질이 사용될 수 있으며, Red 형광체로는 Nitride계(CaAlSiN3:Eu3+)물질이 사용될 수 있다.
물론, 상기 형광체는 기본적으로 Blue LED 광원에서 백색광을 구현하는 일례를 설명한 것이나, 상기 형광체가 황색 형광체로서 청색 LED 광원으로부터 백색광을 구현하는 일례 이외에도, 상기 형광체가 적색 형광체와 녹색 형광체로서 청색 LED 광원을 백색광으로의 전환시킬 수 있도록 구현되거나, 상기 형광체가 적색 형광체와 녹색 형광체와 청색 형광체를 이용하여 보라색 LED 또는 자외선 LED의 백색 LED로의 전환하는 것도 가능함은 물론이다. 이러한 형광체의 조합의 예는 다양하게 구성할 수 있다. 이를 테면, 황색형광체를 이용하여 청색 LED를 백색광으로 구현하는 경우 황색형광체는 YAG계의 (YGd)3Al5O12: Ce를 이용할 수 있다.
또는, 적색, 녹색 형광체를 조합하여 백색광을 구현하는 경우, 적색형광체는 Y2O2S:Eu,Gd, Li2TiO3: Mn, LiAlO2: Mn, 6MgO·As2O5:Mn4+, 또는 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2: Mn4+이고, 상기한 녹색 형광체가 ZnS:Cu,Al, Ca2MgSi2O7:Cl, Y3(GaxAl1-x)5O12: Ce(0<x<1), La2O3·11Al2O3: Mn, 또는 Ca8Mg(SiO4)4Cl2: Eu,Mn를 이용하여 청색 LED를 백색광으로 전환하는 것도 가능하다.
또는, 적색, 녹색, 청색형광체를 조합하는 경우에는 적색 형광체가 Y2O2S:Eu,Gd, Li2TiO3: Mn, LiAlO2: Mn, 6MgO·As2O5:Mn4+, 또는 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2: Mn4+이고, 상기한 녹색 형광체가 ZnS:Cu,Al, Ca2MgSi2O7:Cl, Y3(GaxAl1-x)5O12: Ce(0<x<1), La2O3·11Al2O3: Mn, 또는 Ca8Mg(SiO4)4Cl2: Eu, Mn이며, 상기한 청색 형광체가 BaMgAl10O17 또는 (Sr,Ca,BaMg)10(PO4)6Cl2:Eu로서, 보라색 LED 또는 자외선 LED의 광원을 백색광으로 전환시킬 수도 있다.
아래의 표 1은 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이시트가 적용된 엘이디 조명모듈의 효율의 변화를 실험한 비교결과를 도시한 것이다.
{표 1}
Figure pat00001
즉, 도시된 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로렌즈어레이시트가 적용된 구조의 엘이디 적용모듈의 경우, 마이크로렌즈 어레이시트로 인해 연색성(CRI)과 직하조도, 조향각의 조절, 핫스팟 현상의 완화의 기능을 현저하게 향상됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엘이디 조명모듈은 상술한 발명에 따른 엘이디 모듈은 반사 시트, 프리즘 시트(BEF), 이중 휘도 향상 필름(DBEF), 렌즈 패턴 시트와 결합하여 LCD의 백라이트 유닛으로 구현하는 것도 가능하다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 엘이디모듈
110: 엘이디
210: 형광시트
211: 투명필름
212: 실리콘수지
213, 214: 형광체
220: 확산시트
230: 마이크로렌즈어레이(MLA)시트
231: 렌즈 패턴
232: 음각의 곡률부

Claims (12)

  1. 다수의 엘이디를 포함하는 엘이디모듈;
    상기 엘이디의 출사방향상에 배치되는 표면에 광학패턴이 형성된 마이크로렌즈어레이시트;
    상기 엘이디 모듈과 마이크로렌즈 어레이시트 사이에 배치되는 형광시트 또는 확산시트;
    를 포함하는 엘이디 조명모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이시트는,
    표면에 양각의 마이크로렌즈 패턴이 균일 또는 불균일하게 배치되는 엘이디 조명 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이시트는,
    투명필름상에 양각의 마이크로렌즈 패턴이 형성된 구조인 엘이디 조명 모듈.
  4. 청구항 4에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 패턴은,
    PET 필름 상에 에폭시 또는 실리콘 계열의 레진으로 형성되는 양각의 마이크로렌즈 패턴인 엘이디 조명 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이시트는,
    상기 광학패턴을 형성함에 있어 표면에 양각의 마이크로렌즈 패턴이 배치되며,
    각 양각의 마이크로렌즈 패턴의 사이에는 음각의 곡률 패턴이 형성되는 엘이디 조명모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 어레이시트는,
    상기 광학패턴을 일체형 구조로 형성한 엘이디 조명 모듈.
  7. 청구항 2 또는 5에 있어서,
    상기 양각의 마이크로렌즈 패턴은 직경이 30~100um로 이루어지는 엘이디 조명모듈.
  8. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형광시트 또는 확산시트는, 일체형 구조로 형성되는 엘이디 조명모듈.
  9. 청구항 1 내지 6 증 어느 한 항에 있어서,
    상기 형광시트는,
    베이스필름 내부에 실리콘 수지가 충진되며, 상기 실리콘 수지 내에는 적색형광체 또는 황색형광체를 포함하는 엘이디 조명모듈.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 황색형광체는 Silicate계, 상기 적색형광체는 Nitride계인 엘이디 조명모듈.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 엘이디 조명모듈은,
    반사 시트, 프리즘 시트(BEF), 이중 휘도 향상 필름(DBEF), 렌즈 패턴 시트를 포함하는 복합 시트 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 엘이디 조명 모듈.
  12. 다수의 엘이디를 포함하는 엘이디모듈;과 상기 엘이디의 출사방향상에 배치되는 표면에 광학패턴이 형성된 마이크로렌즈어레이시트; 상기 엘이디 모듈과 마이크로렌즈 어레이시트 사이에 배치되는 형광시트 또는 확산시트;를 포함하는 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항의 엘이디 조명모듈을 포함하여 구성되는 백라이트 유닛.









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