KR20140146904A - 조명용 광지향 필름 및 이를 이용한 led조명장치 - Google Patents

조명용 광지향 필름 및 이를 이용한 led조명장치 Download PDF

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KR20140146904A
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Abstract

본 발명은 일면에 일 방향으로 연장된 다수의 렌즈 구조물들이 평행하게 배열되며, 상기 각각의 렌즈 구조물은 단면 형상이 하기의 수식으로 특정되는 코닉 형상이고, 상기 렌즈 구조물에는 일정한 간격으로 V모양 홈이 형성되어 있는 조명용 광지향 필름과 이를 포함하는 LED조명에 관한 것이다. 본 발명의 조명용 광지향 필름을 사용할 경우, 광원으로부터 발생한 빛을 필요에 따라 원하는 방향으로 더 많이 방출되도록 할 수 있다.

Description

조명용 광지향 필름 및 이를 이용한 LED조명장치 {LIGHT DIRECTING FILM FOR LIGHT AND LED LIGHTING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 조명용 광지향 필름 및 이를 이용한 조명장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원을 필요에 따라 원하는 방향으로 더 많이 방출되도록 설계된 조명용 광지향 필름 및 이를 이용한 LED조명장치에 관한 것이다.
유기발광소자(OLED)는 발광층이 유기 화합물로 이루어진 박막 발광 다이오드로 형광성 유기화합물에 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 전계 발광현상을 이용한다.
유기발광소자는 일반적으로 투명기판 상에 양극(ITO층), 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 전자주입층 및 음극을 차례로 적층하여 이루어지며, 전원이 공급되면 음극에서는 전자가 전자수송층의 도움으로 발광층으로 이동하고, 상대적으로 양극에서는 전자가 빠져나간 정공(Hole)이 정공 수송층의 도움으로 발광층으로 이동하게 된다. 유기물질인 발광층에서 만난 전자와 홀은 높은 에너지를 갖는 여기자를 생성하게 되는데 이 여기자가 낮은 에너지로 떨어지면서 빛을 발생하게 된다.
한편, 최근 이러한 유기발광소자와 같은 면 광원을 이용하여 실내 조명으로 활용하고자 하는 연구활동이 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 조명은 설치 위치에 따라서 또는 기타 상황에 따라 발광되는 빛의 방향이 달라질 필요가 있다. 그러나, 유기발광소자 자체에서 발진되는 광원은 일반적으로 수직 ?향의 빛의 세기가 가장 세고, 측면으로 갈수록 세기가 약해지는 경향을 갖고 있다. 만일 이와 같은 유기발광소자의 조명이 높은 벽면에 적용될 경우, 측면으로 빛의 세기가 약해져 조명의 효율성이 떨어지는 문제점이 있었다.
즉, 가급적 아래쪽으로 빛을 많이 보내서 실내를 밝게 해줘야 하는 조명이 벽면에 수직방향으로 가장 많은 빛을 방출하게 되면 그 만큼 빛이 불필요한 곳에 사용되고 있었던 것이다.
한편, 이를 개선하기 위해 벽면을 기울이거나 천장에 조명을 설치하는 방안이 제안되기는 하나, 이는 그만큼 실내 조명 디자인에 제약을 주게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 광원 자체를 필요에 따라서 원하는 방향으로 더 많이 방출될 수 있는 조명용 광지향 필름이 필요하다.
본 발명은 원하는 방향으로 광원을 더 많이 방출되도록 설계된 조명용 광지향 필름 및 이를 포함하는 LED조명장치를 제공하고자 한다.
이를 위해 본 발명은 일면에 일 방향으로 연장된 다수의 렌즈 구조물들이 평행하게 배열되며, 상기 각각의 렌즈 구조물은 밑면을 기준으로 수직인 단면 형상이 하기의 수식으로 특정되는 코닉 형상이고, 상기 렌즈 구조물에는 일정한 간격으로 V모양 홈이 형성되어 있는 조명용 광지향 필름을 제공한다.
Figure pat00001

상기 식에서 k는 코닉상수, r은 코닉 렌즈 정점에서의 곡률반경, H는 코닉 렌즈의 밑면에서 정점까지의 높이, x는 렌즈 구조물 밑면의 길이, y는 x에 따른 렌즈 구조물의 높이이며, 상기 x 및 y는 0 이상이고, 상기 코닉상수(k)는 -1 이하이다.
또한, 본 발명은 상기의 조명용 광지향 필름을 포함하는 LED조명을 제공한다.
본 발명의 조명용 광지향 필름을 사용할 경우, 불필요한 부분에 사용되는 광원을 줄이고, 광원을 필요에 따라 원하는 방향으로 더 많이 방출되도록 할 수 있어 조명의 효율성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 조명용 광지향 필름의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 렌즈 구조물의 단면 형상을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 렌즈 구조물 배열을 위에서 아래를 향해 바라본 정면도면이다.
도 4는 본 발명의 렌즈 구조물 배열에 평행한 단면의 일례를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 렌즈 구조물 배열에 수직한 단면의 일례를 보여주는 도면이다.
도 6은 실시예와 비교예의 조명용 광지향 필름의 수직 휘도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예와 비교예의 조명용 광지향 필름의 수평 휘도 분포를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
하기의 도면 1 내지 5는 본 발명의 일례에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 조명용 광지향 필름의 일례를 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 조명용 광지향 필름은 일면에 일 방향으로 연장된 다수의 렌즈 구조물(10)들이 평행하게 배열되며, 상기 각각의 렌즈 구조물은 밑면을 기준으로 수직인 단면 형상이 하기의 식 (1)로 특정되는 코닉 형상이고, 상기 렌즈 구조물에는 일정간격으로 V모양 홈(20)이 형성되어 있다.
Figure pat00002
식 (1)
상기 식에서 k는 코닉상수, r은 코닉 렌즈 정점에서의 곡률반경, H는 코닉 렌즈의 밑면에서 정점까지의 높이, x는 렌즈 구조물 밑면의 길이, y는 x에 따른 렌즈 구조물의 높이이며, 상기 x 및 y는 0 이상이고, 상기 코닉상수(k)는 -1 이하이다.
이때, 상기의 코닉 렌즈 정점에서의 곡률반경(r)과 코닉 렌즈의 밑면에서 정점까지의 높이(H)는 사용목적, 용도, 적용되는 장치의 종류, 제작 용이성 등을 고려하여 설계자가 적절하게 선택할 수 있으나, 상기 r값은 0.1㎛ 내지 10㎛인 것이 바람직하며, 0.1㎛ 내지 5㎛인 것이 더욱더 바람직하다. 또한, 상기 H값은 0.1㎛ 내지 300㎛인 것이 바람직하며, 5㎛ 내지 100㎛인 것이 더욱더 바람직하다. 이때, 상기 H값이 0.1㎛ 내지 300㎛의 범위일 경우, 가시광선의 굴절율 범위에서 특정한 방향으로의 광지향이 가능하다.
또한, 상기 x값은 0.1㎛ 내지 300㎛인 것이 바람직하며, 5㎛ 내지 100㎛인 것이 더욱더 바람직하다. 상기 x값은 0.1㎛ 내지 300㎛의 범위일 경우, 가시광선의 굴절율 범위에서 특정한 방향으로의 광지향이 가능하다.
도 2는 본 발명의 렌즈 구조물의 단면 형상을 보여주는 도면이다.
본 발명의 렌즈 구조물의 단면형상은 코닉 렌즈의 형상에서 절반을 제거한 형상으로, 본 발명의 상기 코닉 렌즈(conic lens)는 렌즈 형상이 곡면으로 이루어진 렌즈를 말하는 것으로, k<-1이면 쌍곡선 형태의 렌즈가 나타난다. 이때, 상기 코닉 렌즈의 형상에서 절반을 제거한 형상을 갖춤으로써, 입사되는 빛을 효과적으로 확산시킬 수 있으며, 굴절되는 빛을 효과적으로 제어할 수 있다.
렌즈 구조물로 입사된 빛은, 렌즈 구조물을 이루는 재질 자체의 굴절율에 의해 굴절되는데, 코닉 렌즈의 형상에서 절반을 제거한 형상을 갖추게 될 경우, 렌즈 구조물은 특정방향으로 치우쳐진 기울기를 갖기 때문에 굴절된 빛이 특정 방향으로 치우쳐지게 굴절되어 출광된다. 따라서, 특정 방향으로의 광지향이 가능하게 된다.
한편, 상기 코닉상수(k)는 -1 내지 -10인 것이 바람직하며, -1 내지 -5인 것이 더욱더 바람직하다. 이때, 코닉상수(k)의 값이 상기 범위를 만족할 경우, 코닉 렌즈의 꼭지각이 프리즘 렌즈 형상에 가까워 고휘도를 구현하면서도 렌즈의 산무너짐 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 렌즈 구조물 배열을 위에서 아래를 향해 바라본 도면이다.
본 발명의 렌즈 구조물(10)은 상기와 같은 식의 코닉 형상의 렌즈가 길이방향으로 연장된 다수의 렌즈 구조물이 평행하게 배열되어 있으며, 상기 렌즈 구조물의 길이 방향에 수직으로 V모양 홈(20)이 형성되어 있다.
도 4는 본 발명의 렌즈 구조물 배열에 평행한 단면의 일례를 보여주는 도면이며, 도 1에서 렌즈 구조물 배열을 A - A' 방향으로 절단한 단면의 모습이다. 렌즈 구조물(10)에 V모양 홈(20)이 파여진 경우 광 추출율이 좋아지고, 광원을 원하는 방향으로 더 많이 방출 되도록 할 수 있어, 조명을 비추고자 하는 위치에 광원을 집중 시킬 수 있다.
이때, 상기 V모양 홈(20)의 사이각은, 10° 내지 170°인 것이 바람직하며, 예를 들면, 10° 내지 130° 또는 10° 내지 90°일 수 있다. 여기서 V모양 홈(20)의 사이각은 도 4에 도시된 바와 같이, V형태로 파여진 부분에서 렌즈 구조물이 만나는 부분의 각도를 말한다. 한편, 상기 범위의 V모양 홈의 사이각을 만족할 경우, 조명용 광지향 필름의 제작이 용이하며, 굴절각을 효과적으로 제어할 수 있다. 또한, 상기 사이각의 범위를 만족할 경우, 렌즈 구조물의 굴절율과의 관계에서 보다 효과적으로 특정 방향으로의 광지향이 가능하다.
또한, 상기 V모양 홈(20)은, 기재면의 법선 방향을 기준으로 대칭형으로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 V모양 홈이 대칭형으로 형성될 경우, 조명용 광지향 필름의 제조할 때, 보다 쉽고 빠르게 제조할 수 있으며, 조명용 광지향 필름의 사용시에 마모도가 줄어들 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 V모양 홈(20)의 폭은, 5㎛ 내지 300㎛인 것이 바람직하며, 예를 들면, 5㎛ 내지 200㎛ 또는 5㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 여기서 V모양 홈의 폭은, 하나의 V모양 홈에서 코닉 렌즈의 정점간의 거리이다. 이때, 상기 V모양 홈의 폭은 렌즈 크기에 종속되며, 상기 수치범위를 만족할 경우, 보다 효과적으로 광지향을 할 수 있다. 또한, V모양 홈의 폭이 5㎛ 보다 작을 경우, 제품의 양산성이 떨어지며, 300㎛ 보다 클 경우, 본 발명에서 얻고자 하는 광 지향의 효과를 낼 수 없는 문제점이 있다.
또한, 상기 V모양 홈(20)은, 렌즈 구조물(10) 길이 방향에 대해서 5㎛ 내지 300㎛의 간격으로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들면, 5㎛ 내지 200㎛ 또는 5㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 상기 간격은 렌즈 구조물(10)의 길이 방향에 대해 인접하는 V모양 홈간의 거리를 말한다. 한편, 상기 V모양 홈의 간격을 만족할 경우, 가시광선의 굴절율 범위에서 광 지향을 효과적으로 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 렌즈 구조물 배열에 수직한 단면의 일례를 보여주는 도면이며, 도 1에서 렌즈 구조물 배열을 B - B' 방향으로 절단한 단면의 모습이다.
상기 렌즈 구조물(10) 배열은 규칙적으로 배열되어있으며, 동일한 형상의 단면으로 배열되어 있다.
한편, 상기 렌즈 구조물(10)의 배열의 정점간의 거리는 5㎛ 내지 300㎛인 것이 바람직하며, 예를 들면, 5㎛ 내지 200㎛ 또는 5㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 이때, 상기 렌즈 구조물의 배열의 정점간의 거리가 상기 범위를 만족할 경우, 보다 균일한 휘도를 구현할 수 있다.
또한, 상기 렌즈 구조물간 이격 거리는 0㎛ 내지 300㎛인 것이 바람직하며, 예를 들면, 0㎛ 내지 200㎛ 또는 0㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 상기 이격 거리는 인접하는 렌즈 구조물간 빈 공간을 말한다. 상기 렌지 구조물간의 이격 거리를 만족할 경우, 특정 방향으로의 효과적인 광지향이 가능하며, 굴절되는 광량의 조절이 가능하여 빛을 특정 방향으로 출광할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은 상기 조명용 광지향 필름에 입사된 빛의 10% 이상을 일면에 대하여 바람직하게는 1° 내지 89° 각도, 1° 내지 70° 또는 1° 내지 30° 각도로 출광시키는 조명용 광지향 필름을 제공한다. 이때, 상기와 같이 입사된 빛의 10 %를 일면에 대해 1° 내지 89° 각도로 출광시키는 경우 빛의 주요 방향을 결정해 원하는 방향으로 빛을 집중시킬 수 있어 측면으로 갈수록 빛의 세기가 약해지는 기존의 단점을 극복할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 특징을 예를 들어 설명하면, 박물관이나, 미술관 전시회 등에서는 조명을 비추고자 하는 특정 진열물들에만 빛이 조사되어야 할 필요가 있으며, 이러한 효과를 위해서는 광원으로부터 입사된 빛을 한쪽 방향으로 편향시켜야 한다. 이때, 본 발명의 조명용 광지향 필름을 사용할 경우, 편향된 방향으로만 빛을 집중시켜, 진열물들만이 집중된 조명을 받을 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 상기의 조명용 광지향 필름을 포함하는 LED조명을 제공한다.
본 발명과 같이 조명용 광지향 필름을 포함하는 LED조명은 원하는 방향으로 빛을 집중시켜 측면으로 갈수록 빛의 세기가 약해지는 단점을 극복할 수 있으며, 출광각도에 따라 원하는 방향으로 빛을 집중시킬 수 있어, 조명 디자인의 제약도 없게 된다.
한편, 본 발명과 같은 조명용 광지향 필름을 제조하는 방법은, 당해 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 본 발명 역시 이러한 종래의 기술을 이용하면 되고, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 수지를 이용하는 경우에는 우선 x축, y축 가공을 통해 원하는 형상이 음각된 금형을 제작하고, 기재와 원하는 형상이 음각된 금형 사이에 상기 경화성 수지를 흘려 넣어 자외선이나 열을 이용하여 경화시키는 방법으로 형성할 수 있으며, 플라스틱이나 유리의 경우는 음각 형태의 사출 금형을 제작한 후, 금형 내로 플라스틱 또는 유리의 용융액을 주입한 후에 냉각하여 얻는 사출 공정을 이용할 수 있다. 또한, 유리의 경우는 RIE(Reactive ion etching) 등의 식각 공정 방법을 통해 형성할 수도 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 더 자세히 설명한다.
실시예 1
기재의 일면에, 단면의 형상이 상기 식으로 표시되는 코닉 형상이고, 기재의 길이방향으로 연장된 다수의 렌즈 구조물이 평행하게 배열되어 있으며, 렌즈 구조물의 길이 방향에 수직으로 V모양 홈이 형성된 조명용 광지향 필름을 제작하였다.
이때, 상기 V모양 홈의 사이각은 50˚, 렌즈 구조물 정점간의 거리는 50㎛, V모양 홈의 렌즈 구조물 길이 방향에 대한 간격은 250㎛, V모양 홈의 폭은 12㎛, 렌즈 구조물간 이격 거리는 0㎛, r= 1㎛, k= -4.5, H= 13㎛ 이였다.
실시예 2
V모양 홈의 사이각은 30˚, 렌즈 구조물 정점간의 거리는 70㎛, V모양 홈의 렌즈 구조물 길이 방향에 대한 간격은 200㎛, V모양 홈의 폭은 15㎛, 렌즈 구조물간 이격 거리는 0㎛, r= 2㎛, k= -1, H= 18㎛ 인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 조명용 광지향 필름을 제작하였다.
비교예 1
V모양 홈의 사이각은 150˚, 렌즈 구조물 정점간의 거리는 300㎛, V모양 홈의 렌즈 구조물 길이 방향에 대한 간격은 600㎛, V모양 홈의 폭은 50㎛, 렌즈 구조물간 이격 거리는 20㎛, r= 5㎛, k= 1.1, H= 17㎛ 인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 조명용 광지향 필름을 제작하였다.
비교예 2
V모양 홈의 사이각은 100˚, 렌즈 구조물 정점간의 거리는 500㎛, V모양 홈의 렌즈 구조물 길이 방향에 대한 간격은 700㎛, V모양 홈의 폭은 30㎛, 렌즈 구조물간 이격 거리는 30㎛, r= 5㎛, k= -30, H= -4㎛ 인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 조명용 광지향 필름을 제작하였다.
비교예 3
렌즈 구조물의 길이 방향에 수직으로 V모양 홈이 형성되지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 조명용 광지향 필름을 제작하였다.
한편, 하기 표 1에는 실시예 및 비교예의 보다 쉬운 이해를 위해 각 수치값이 기재되어 있다.
V모양 홈의 사이각 (˚) 렌즈 정점간거리 (㎛) v모양홈의 길이방향간격 (㎛) V모양홈의 폭 (㎛) 렌즈 이격거리 (㎛) r (㎛) k H (㎛)
1 실시예1 50 50 250 12 0 1 -4.5 13
2 실시예2 30 70 200 15 0 2 -1 18
3 비교예1 150 300 600 50 20 5 1.1 17
4 비교예2 100 500 700 30 30 5 -30 -4
5 비교예3
(실시예1에서v홈이 없는 경우)		 - 50 - - 0 1 -4.5 13
실험예
상기 실시예 및 비교예의 조명용 광지향 필름에 대한 출광 분포 광학 시뮬레이션을 Light tool, Tracepro를 이용하여 수직 휘도 분포와 수평 휘도 분포를 측정하였다. 이때, 하기 도 6에는 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에서 제작한 조명용 광지향 필름의 수직 휘도 분포를 측정하여 그래프로 나타내었으며, 하기 도 7에는 실시예 1과 비교예 3에서 제작한 조명용 광지향 필름의 수평 휘도 분포를 측정하여 그래프로 나타내었다.
일반적인 조명용 필름의 경우, 광원에 근접한 위치인 0˚ 부근에서 가장 높은 휘도 분포를 보이게 된다. 그러나, 하기 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수치범위를 만족하는 실시예 1 및 2의 조명용 광지향 필름의 경우, 0˚ 부근이 아닌 대략 20˚ 내지 40˚ 부근에서 가장 높은 휘도 분포를 보여, 특정 방향으로의 광지향이 우수한 것을 볼 수 있다.
반면에, 본 발명의 수치범위를 만족하지 않는 비교예 1 및 2의 경우, 기존의 일반적인 조명용 필름의 경우와 마찬가지로 광원에 근접한 위치인 0˚ 부근에서 가장 높은 휘도 분포를 보여, 광지향이 되지 않는다는 것을 알 수 있다.
또한, 하기 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 렌즈 구조물의 길이 방향에 수직으로 V모양 홈이 형성된 실시예 1의 조명용 광지향 필름의 경우, 수평 휘도 분포가 한 곳으로 더욱 집중되는 것을 볼 수 있다. 이때, 수평 휘도 분포가 집중되는 것은, 수평 방향으로의 시야각을 좁히는 것을 의미하며, 수평 방향으로의 시야각이 좁혀질 경우, 수직 방향으로 광원의 빛을 한곳으로 더욱 집광할 수 있는 효과가 있다.
10: 렌즈 구조물
20: V모양 홈

Claims (13)

  1. 일면에 일 방향으로 연장된 다수의 렌즈 구조물들이 평행하게 배열되며, 상기 각각의 렌즈 구조물은 밑면을 기준으로 수직단면 형상이 하기의 수식으로 특정되는 코닉 형상이고, 상기 렌즈 구조물에는 일정한 간격으로 V모양 홈이 형성되어 있는 조명용 광지향 필름:
    Figure pat00003

    상기 식에서 k는 코닉상수, r은 코닉 렌즈 정점에서의 곡률반경, H는 코닉 렌즈의 밑면에서 정점까지의 높이, x는 밑면의 길이, y는 x에 따른 렌즈 구조물의 높이이며, 상기 x 및 y는 0 이상이고, 상기 코닉상수(k)는 -1 이하임.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 k 값은, -1 내지 -10인 조명용 광지향 필름.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 r 값은 0.1㎛ 내지 10㎛인 조명용 광지향 필름.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 H 값은 0.1㎛ 내지 300㎛인 조명용 광지향 필름.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 x 값은 0.1㎛ 내지 300㎛인 조명용 광지향 필름.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 V모양 홈의 사이각은, 10° 내지 170°인 조명용 광지향 필름.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 V모양 홈은, 일면의 법선 방향을 기준으로 대칭형으로 형성되는 조명용 광지향 필름.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 V모양 홈의 폭이 5㎛ 내지 300㎛인 조명용 광지향 필름.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 V모양 홈은, 렌즈 구조물 길이 방향에 대해서 5㎛ 내지 300㎛의 간격으로 형성되는 조명용 광지향 필름.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈 구조물 정점간의 거리는 5㎛ 내지 300㎛인 조명용 광지향 필름.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈 구조물간 이격 거리가 0㎛ 내지 300㎛인 조명용 광지향 필름.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 조명용 광지향 필름은 입사된 빛의 10% 이상을 일면에 대하여 1˚ 내지 89˚의 각도로 출광시키는 조명용 광지향 필름.
  13. 제 1항 내지 12항 중 어느 한 항의 조명용 광지향 필름을 포함하는 LED조명.
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