KR20140147918A - 광학 구조체 및 백라이트 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직하형 LED 백라이트 유닛의 광원으로부터 나온 광을 광학 렌즈 대신에 분포시키는데 사용되는 광학 구조체를 제공한다. 상기 광학 구조체는 직하형 LED 백라이트 유닛에서 LED 패키지의 위쪽에 위치하도록 설치되고, 상기 광학 구조체는, 상기 LED 패키지의 발광면을 향하는 방향으로 볼록한 형상을 가지며, 상기 발광면을 향하는 볼록한 면이 반사면을 형성하는 몸체부; 및 상기 몸체부를 상기 LED 패키지로부터 이격되게 지지하기 위해 상기 몸체부의 주변에 형성된 하나 이상의 다리부;를 포함한다.

Description

광학 구조체 및 백라이트 유닛{OPTICAL STRUCTURE AND BACKLIGHT UNIT}

본 발명은 광학 구조체에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 직하형 LED 백라이트 유닛의 광원으로부터 나온 광을 분포시키는데 사용되는 광학 구조체 및 이를 구비하는 백라이트 유닛에 대한 것이다.

액정 표시 장치(LCD)는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치 중 하나로서, 일반적으로 공통 전극, 컬러 필터 등이 형성되어 있는 상부 기판과 박막 트랜지스터, 화소 전극 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 주입하고 화소 전극과 공통 전극에 서로 다른 전위를 인가하여 전계를 형성함으로써 액정 분자들의 배열을 변경시키고, 이를 통해 빛의 투과율을 조절하여 화상을 표현하는 장치이다.

액정 표시 장치의 액정 표시 패널은 그 자체가 비발광성인 수광 소자이므로, 일반적으로 액정 표시 패널 하부에서 액정 표시 패널에 광을 제공하기 위한 백라이트 유닛을 구비한다.

백라이트 유닛에는 광원으로 냉음극 형광램프(CCFL)와 발광 다이오드(LED)가 일반적으로 사용된다. 종래에는 전력 소모가 적고 밝은 백색광을 제공하는 장점이 있는 CCFL이 주로 사용되었으나, 최근에는 CCFL에 비해 색재현성이 우수하고 매우 수명이 길며 소비 전력이 작은 LED가 점점 더 사용되고 있는 추세이다.

백라이트 유닛은 액정 표시 패널에 대한 광원의 위치에 따라서 에지형(edge type)과 직하형(direct type)으로 나뉜다. 에지형은 액정 표시 패널의 측면에 광원이 위치하여 측면에서 도광판을 통해 빛을 제공하는 방식이며, 직하형은 액정 표시 패널의 뒷면에 광원이 위치하여 액정 표시 패널에 빛을 제공하는 방식이다. 이 중에서 직하형 백라이트 유닛은 광 이용률이 높고 취급이 간단하며 표시 패널의 크기에 제한이 없고 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다.

직하형 백라이트 유닛의 광원으로 LED가 사용되는 경우, 직진성이 강한 LED 광이 발광면 위쪽에 집중되지 않고 액정 표시 패널 전체에 걸쳐 고르게 분포하도록 하기 위해, LED 패키지의 발광면 위에 광학 렌즈를 설치하여 LED 광을 굴절시키는 방식이 적용되어 오고 있다.

비용 절감 및 공정 효율화를 위해서 설치되는 LED 패키지의 개수를 줄이는 것이 필요한데, 이를 위해서는 보다 대형의 또는 고광량의 LED 패키지의 사용이 요구된다. 이 경우, LED 패키지의 증가한 발광면에 대응하는 크기의 렌즈를 또한 사용해야 하는데, 렌즈가 커짐에 따라서 렌즈 제작 비용이 지나치게 증가하고, 더욱이 렌즈의 두께 증가로 인한 백라이트 유닛의 두께 증가를 초래한다. 또한, 고색 재현 LED 패키지가 사용되는 경우, LED 패키지 내에서 각각의 색이 출광하는 영역의 차이로 인해 렌즈 상면에서 색 분리 현상이 발생한다. 따라서 대형, 고광량 또는 고색 재현 LED 패키지에는 종래와 같이 렌즈를 적용하기에 어려움이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 직하형 LED 백라이트 유닛에서 렌즈를 대체할 수 있는 광학 구조체 및 이를 포함하는 백라이트 유닛을 제공하는 것이다.

본 발명은 직하형 LED 백라이트 유닛에서 LED 패키지의 발광면 측에 위치하도록 설치되는 광학 구조체를 제공한다. 상기 광학 구조체는 본질적으로 LED 광을 반사시켜 확산시킴으로써 광을 분포시키도록 적용된다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 광학 구조체는, 상기 LED 패키지의 발광면을 향하는 방향으로 볼록한 형상을 가지며, 상기 발광면을 향하는 볼록한 면이 반사면을 형성하는 몸체부; 및 상기 몸체부를 상기 LED 패키지로부터 이격되게 지지하기 위해 상기 몸체부의 주변에 형성된 하나 이상의 다리부;를 포함한다.

상기 반사면은 상기 광학 구조체의 수직 중심축을 중심으로 대칭일 수 있다.

상기 반사면은 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 증가하는 곡면일 수 있다.

상기 반사면은 광의 지향각도(θ)와 반사면의 설계각도(α) 간의 관계가 식 (60-θ)/2 ≤ α ≤ (120-θ)/2를 만족하도록 형성될 수 있고, 여기서 상기 광의 지향각도(θ)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 광학 구조체의 수직 중심축 사이의 각도로 정의되고, 상기 반사면의 설계각도(α)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 상기 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 임의의 한 점에서의 접선 사이의 각도로 정의된다.

상기 반사면은 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 일정 또는 증가하다가 감소하는 곡면일 수 있다.

상기 반사면의 기울기의 절대값이 일정한 또는 증가하는 구간에서, 광의 지향각도(θ)와 반사면의 설계각도(α) 간의 관계가 식 (60-θ)/2 ≤ α ≤ (120-θ)/2를 만족하도록 형성될 수 있고, 여기서 상기 광의 지향각도(θ)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 광학 구조체의 수직 중심축 사이의 각도로 정의되고, 상기 반사면의 설계각도(α)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 상기 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 임의의 한 점에서의 접선 사이의 각도로 정의된다.

상기 반사면은 프레넬 렌즈 구조를 가질 수 있다.

상기 광학 구조체는 수지에 광 반사성 물질이 혼합된 재료로 형성되거나, 수지로 형성된 후 볼록한 형상의 외면에 광 반사성 물질이 도포 또는 코팅되어 있을 수 있다.

상기 반사면은 반사율이 60% 이상일 수 있다.

상기 몸체부는 상기 발광면의 이면이 곡면 또는 요철면일 수 있다.

상기 몸체부는 수직 중심축을 지나는 한 수직 평면인 제1 수직 평면의 가로 방향인 제1 방향의 길이보다 상기 수직 중심축을 지나며 상기 제1 수직 평면과 직교하는 제2 수직 평면의 가로 방향인 제2 방향의 길이가 더 길 수 있다.

상기 반사면은 상기 제1 수직 평면을 중심으로 대칭이고 상기 제2 수직 평면을 중심으로 대칭일 수 있다.

상기 반사면은 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 증가하는 곡면일 수 있다.

상기 반사면은 상기 제1 가로 방향으로는 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 일정 또는 증가하다가 감소하는 곡면이고 상기 제2 가로 방향으로는 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 일정 또는 증가하다가 감소하거나, 일정 또는 증가하다가 감소한 후 일정할 수 있다.

상기 반사면의 기울기의 절대값이 일정 또는 증가하는 구간에서, 상기 반사면은 광의 지향각도(θ)와 반사면의 설계각도(α) 간의 관계가 식 (60-θ)/2 ≤ α ≤ (120-θ)/2을 만족하도록 형성될 수 있고, 여기서 상기 광의 지향각도(θ)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 광학 구조체의 수직 중심축 사이의 각도로 정의되고, 상기 반사면의 설계각도(α)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 상기 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 임의의 한 점에서의 접선 사이의 각도로 정의된다.

상기 반사면은 프레넬 렌즈 구조를 가질 수 있다.

상기 광학 구조체는 수지에 광 반사성 물질이 혼합된 재료로 형성되거나, 수지로 형성된 후 볼록한 형상의 외면에 광 반사성 물질이 도포 또는 코팅되어 있을 수 있고, 상기 반사면은 반사율이 60% 이상일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 기판; 상기 기판에 실장된 하나 이상의 LED 패키지; 상기 LED 패키지 위쪽에 이격되게 위치하도록 설치된 하나 이상의 광학 구조체; 및 상기 광학 구조체 위쪽에 위치하도록 설치된 하나 이상의 광학 시트;를 포함하는 직하형 LED 백라이트 유닛이 제공되고, 여기서 상기 광학 구조체는, 상기 LED 패키지의 발광면을 향하는 방향으로 볼록한 형상을 가지며, 상기 발광면을 향하는 볼록한 면이 반사면을 형성하는 몸체부; 및 상기 몸체부를 상기 LED 패키지로부터 이격되게 지지하기 위해 상기 몸체부의 주변에 형성된 하나 이상의 다리부;를 포함한다.

상기 몸체부는 수직 중심축을 지나는 한 수직 평면인 제1 수직 평면의 가로 방향인 제1 방향의 길이보다 상기 수직 중심축을 지나며 상기 제1 수직 평면과 직교하는 제2 수직 평면의 가로 방향인 제2 방향의 길이가 더 길 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 하나의 광학 구조체가 복수의 LED 패키지를 커버할 수 있다.

상기 광학 구조체는 상기 다리부를 통해 상기 기판에 실장될 수 있다.

그 밖에, 상기 광학 구조체와 관련하여 전술한 구조 및/또는 특징은 본 발명의 실시예에 따른 직하형 LED 백라이트 유닛에 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 광학 구조체는 직하형 LED 백라이트 유닛에서 LED 광을 분포시키는 배광(light distribution) 수단으로서 사용될 수 있다. 특히, 광학 렌즈의 적용이 곤란한 고광량 LED 또는 고색 재현 LED에서 광학 렌즈의 역할을 대신할 수 있다.

상기 광학 구조체는 광학 렌즈보다 저가의 재질 예컨대, 광학 등급의 수지가 아닌 일반 기구용 등급의 수지를 사용하여 일반 수준의 사출 성형으로 제작이 가능하므로 원가를 절감할 수 있고, 기존의 광학 렌즈를 고정시키는 설비를 그대로 이용하여 고정시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체를 구비하는 직하형 LED 백라이트 유닛을 개략적으로 나타낸 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체의 사시도이다.
도 3은 LED 패키지에 대한 도 2의 광학 구조체의 설치 위치를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2의 광학 구조체에서 A-A'를 따라 취한 단면도이다.
도 5는 도 2의 광학 구조체의 변형 예의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학 구조체의 사시도이다.
도 7은 LED 패키지에 대한 도 6의 광학 구조체의 설치 위치를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 6의 광학 구조체에서 B-B'를 따라 취한 단면도이다.
도 9는 도 6의 광학 구조체의 변형 예의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체에서 반사면의 설계각도를 보여주는 도면이다.
도 11 내지 도 14는 발광면이 W 12.5 mm X D 10 mm인 하나의 초고광량 LED 패키지의 LED 광이 확산되는 것을 시뮬레이션에 의해 도시한 도면으로서, 도 11은 광학 구조체가 적용되지 않고 확산판만이 적용된 경우이고, 도 12 내지 도 14는 LED 패키지 위에 직경이 40 mm인 하나의 원뿔형 광학 구조체를 그 상측으로 확산판과 함께 적용한 경우이다. 도 12는 반사면의 설계각도가 15도인 경우를, 도 13은 반사면의 설계각도가 30도인 경우를, 도 14는 반사면의 설계각도가 45인 경우를 도시한다.
도 15는 광학 구조체의 반사면이 직선이 경우 광 진행 경로를 나타낸 도면이다.
도 16은 도 15의 광학 구조체를 적용할 경우 LED 광이 확산되는 것을 시뮬레이션에 의해 도시한 도면이다.
도 17은 광학 구조체의 반사면이 곡선인 경우 광 진행 경로를 나타낸 도면이다.
도 18은 도 17의 광학 구조체를 적용한 경우 LED 광이 확산되는 것을 시뮬레이션에 의해 도시한 도면이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 직하형 LED 백라이트 유닛의 광학 구조체에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체를 구비하는 직하형 LED 백라이트 유닛을 개략적으로 나타낸 부분 단면도이다. 도 1에는 아래에서부터 위쪽으로 기판(10), 반사 시트(20), LED 패키지(200), 광학 구조체(100), 확산판(30), 광학 시트(40)가 위치하는 경우가 도시되고 있다. 백라이트 유닛의 다른 구성요소들을 포함한 전체적인 구조, 액정 표시 패널과의 결합 관계 등은 당해 기술 분야에서 잘 알려져 있고, 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있으므로, 여기서는 도 1에 도시된 구성요소들에 대해서만 상세하게 설명한다.

바람직하게는 인쇄회로기판(PCB)인 상기 기판(10)의 상면에는 광원인 LED 패키지(200)가 실장되고, 그 위로 광학 구조체(100)가 상기 LED 패키지(200)의 상부로부터 실질적으로 이격된 채 상기 LED 패키지(200)를 커버하도록 실장된다. 따라서 측방에서 볼 때는 LED 패키지(200)와 광학 구조체(100)가 기판(10)에 대한 동일한 수직축 상에서 서로 떨어져 위치하는 것으로 보이지만, 상방에서 볼 때는 LED 패키지(200)는 광학 구조체(100)에 가려 전혀 보이지 않게 된다. 종래의 직하형 LED 백라이트 유닛의 경우, LED 패키지(200) 위에 LED 광을 굴절시켜 확산시키기 위해 광학 렌즈가 위치하지만, 본 발명의 경우 독특하게 설계된 광학 구조체(100)가 위치한다.

상기 광학 구조체(100)는 LED 패키지(200) 측으로 반사면이 있는 몸체부(110) 및 몸체부(110)를 LED 패키지(200)으로부터 이격되게 지지하는 다리부(120)를 포함한다. 본질적으로, 상기 광학 구조체(100)는 상방으로 향하는 LED 광을 측방으로 반사시켜 LED 광을 확산시키는 역할을 한다.

상기 LED 패키지(200)는 액정 표시 패널의 크기, 액정 표시 장치의 요구되는 휘도, LED 패키지의 발광면의 크기 등에 따라 소정 크기의 기판(10)에 소정의 간격으로 수 개에서 수십 개 실장될 수 있다. 예컨대, 40인치의 액정 표시 패널에 대하여 W 5.9 mm X D 2.5mm의 발광면의 크기를 가진 고광량 LED 패키지가 약 20개 내지 약 25개 실장될 수 있다.

상기 LED 패키지(200)로는 백색광을 내는 백색 LED 패키지가 사용되거나 적색, 녹색 및 청색 LED 패키지들을 혼합 배치되어 사용될 수 있다. 상기 LED 패키지(200)는 발광면의 크기가 큰 고광량 또는 초고광량 LED 패키지일 수 있다. 상기 LED 패키지(200)는 예컨대 녹색과 마젠타색(magenta)을 발광하는 고색 재현 LED 패키지일 수 있다. 상기 LED 패키지(200)는 하나 또는 그 이상의 LED 칩을 포함할 수 있다.

상기 광학 구조체(100)는 기판(10)에 실장된 상기 LED 패키지(200)의 개수에 대응하는 개수로 상기 LED 패키지(200)를 개별적으로 커버하도록 상기 기판(10)에 실장될 수 있다. 상기 광학 구조체(100)는 상기 LED 패키지(200)와 일대일 대응 관계 외에, 하나의 광학 구조체(100)가 복수의 LED 패키지(200)를 커버하도록 실장될 수 있다. 이 경우, 기판(10)에 실장되는 광학 구조체(100)의 개수는 기판(10)에 실장되는 LED 패키지(200)의 개수보다 적을 것이다.

상기 광학 구조체(100)의 위쪽으로는 액정 패널(도시되지 않음) 쪽으로 광을 확산시키기 위한 확산판(30) 및 복수의 광학 시트(40)가 위치한다. 상기 광학 시트(40)는 광의 진행 방향을 조절하기 위한 프리즘 시트, 액정 표시 장치의 휘도 효율을 높이기 위한 반사 편광 시트 등을 포함할 수 있고, 이러한 광학 시트는 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다. 일반적으로, LED 패키지(200)의 발광면으로부터 상향으로 나온 광은 광학 구조체(100)에 의해 측방으로 반사된 후 확산판(30)과 복수의 광학 시트(40)를 거쳐 최종적으로 액정 표시 패널(도시되지 않음)에 조사된다.

상기 기판(10) 위에는 반사 시트(20)가 형성될 수 있다. LED 패키지(200)가 기판(10)에 실장될 수 있도록 반사 시트(20)에는 LED 패키지(200)가 위치할 자리에 구멍이 뚫려 있을 수 있다. 상기 반사 시트(20)는 상기 LED 패키지(200)에서 나온 광, 상기 광학 구조체(100)나 상기 확산판(30)에 의해 반사된 광을 반사시켜 최종적으로 확산판(30) 쪽으로 향하게 하여 광 효율을 증가시킨다.

이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 광학 구조체를 도 2 내지 도 18을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체의 사시도이고, 도 3은 LED 패키지에 대한 상기 광학 구조체의 설치 위치를 보여주는 도면이고, 도 4는 상기 광학 구조체에서 A-A'를 따라 취한 단면도이다.

광학 구조체(100)는 몸체부(110)와 다리부(120)로 이루어진다. 상기 몸체부(110)는 LED 패키지(200)의 발광면을 향하는 방향으로 볼록한 입체 형상을 가지는데, 예컨대 도시된 바와 같이, 꼭지가 아래를 향하는 원뿔과 유사한 형태를 가질 수 있다. 광학 구조체(100)를 위에서 아래로 내려다 볼 때 상기 몸체부(110)는 곡률이 일정한 원형이지만, 반드시 이에 한정될 필요는 없다. 예컨대, 타원형이거나 다각형일 수 있고, 특히 다각형인 경우 꼭지점이 둥글게 형성된 다각형일 수 있다.

상기 다리부(120)는 몸체부(110)의 대략 주변부(테두리 부근)에서 하향 연장하는 기둥 형태일 수 있고, 몸체부(110)의 하단을 LED 패키지(200)의 발광면으로부터 소정 높이로 이격되게 할 수 있는 길이를 갖는다. 도면에서, 상기 다리부(120)는 3개가 형성된 것으로 도시되었을지라도, 그 개수는 설계에 따라 증감될 수 있다.

상기 다리부(120)는 상기 몸체부(110)의 반사면에 의해 반사된 광의 진로를 가급적 방해하지 않도록 가늘게 형성될 수 있고, 광이 부딪혔을 때 넓게 확산될 수 있도록 원기둥 형태일 수 있다. 각각의 다리부(120)의 말단은 기판 상면의 지정된 위치에 부착 고정될 수 있고, 이에 의해 광학 구조체(100)는 수직 중심축이 LED 패지키(200)의 발광면의 중앙에 위치하도록 설치될 수 있다.

상기 몸체부(110)의 볼록한 면인 하향 외면은 광학 구조체(100)의 반사면을 형성한다. 상기 몸체부(110)의 최하단을 지나는 수직선 또는 위에서 볼 때 원의 중심을 지나는 수직선으로 정의될 수 있는 상기 광학 구조체(100)의 중심축을 따라 수직으로 절단한 단면도인 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 반사면은 광학 구조체(100)의 수직 중심축을 중심으로 대칭일 수 있다. 다만, 기판에서 설치되는 위치나 이웃하는 광학 구조체와의 관계 등에 따라서 비대칭으로 형성될 수도 있다. 상기 몸체부(110)의 상향 외면은 실질적으로 평평하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 상향 외면은 곡면이거나 요철이 형성되어 있을 수 있다.

상기 몸체부(110)의 최하단에 해당하는 반사면의 최하단은 뾰족할 수 있지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 둥글게 형성될 수 있다. 상기 최하단이 둥글게 형성될 경우 광학 구조체(100)의 중심축이 LED 패키지(200)의 발광면의 중심에 정확하게 정렬되지 않게 광학 구조체(100)가 설치되더라도, 광이 둥근 반사면에 의해 LED의 주변으로 반사되어 확산 및 재반사가 유도되고, 이에 의해 광량 쏠림 현상이 줄어들 수 있다.

상기 반사면은 "V"자형으로 형성될 수 있을지라도, 적어도 일정 부분이 곡면으로 형성되는 것이 바람직하고, 기울기가 불연속적일 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 반사면은 LED 패키지(200)의 발광면에 가장 가까운 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 증가하다가 감소하는 곡면일 수 있다. 선택적으로, 상기 반사면은 상기 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 증가하는 곡면이거나, 상기 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 일정하다가 감소하는 곡면일 수 있다. 발광면은 기울기의 절대값이 최하단으로 갈수록 증가하는 곡면으로 형성될 경우, LED 광이 보다 고르게 확산되도록 반사시킬 수 있다.

상기 반사면은 도 5에 도시된 바와 같이, 프레넬 렌즈와 같은 형상으로 형성될 수 있다. 이 경우 몸체부(110)의 두께가 줄어들고 이로 인해 광학 구조체(100)의 전체적인 두께를 줄일 수 있어서, 보다 얇은 백라이트 유닛의 제작이 가능해진다.

상기 광학 구조체(100)는 광 손실을 줄이기 위해 반사면의 반사율이 높을수록 유리하고, 60% 이상인 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 광학 구조체(100)는 수지에 광 반사성 물질이 혼합된 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 광학 구조체(100)는 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 아크릴 같은 성형이 유리한 플라스틱 물질에 이산화티탄(TiO₂) 같은 광 반사성 물질을 혼합한 재료로 사출 성형(injection molding)에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 상기 수지를 사출 성형하여 광학 구조체(100)의 전체적인 외형을 형성하고, 볼록한 형상의 외면에 예컨대 금속 같은 광 반사성 물질을 도포하거나 코팅하여 반사면을 형성할 수 있다. 후자의 경우 사출 성형 후 추가 공정이 요구되지만 보다 높은 반사성의 반사면을 형성하는데 유리할 것이다.

상기 실시예에서는 몸체부가 원뿔과 유사한 형태인 경우를 예시하였지만, 그 외에도, 삼각뿔, 사각뿔 같은 다각뿔과 유사한 입체 형태, 바람직하게는 정다각뿔과 유사한 입체 형태를 가질 수 있고, 이 경우 경사면들 간의 모서리는 둥글게 형성되는 것이 광을 보다 고르게 확산시키는데 유리하다.

이제 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학 구조체에 대하여, 전술한 도 2 내지 도 5와 관련된 실시예와 다른 점들을 중심으로 설명한다. 도 6은 상기 광학 구조체의 사시도이고, 도 7은 LED 패키지에 대한 상기 광학 구조체의 설치 위치를 보여주는 도면이고, 도 8는 상기 광학 구조체에서 B-B'를 따라 취한 단면도이고, 도 9는 상기 광학 구조체의 변형 예의 단면도이다.

도 6에 도시된 광학 구조체(300)는, 도 2의 실시예에 따른 광학 구조체(100)와 달리, 위쪽에서 볼 때 길이와 너비가 다른 비대칭 형상 즉, 길이가 너비보다 긴 형상을 가진다. 이것은 광학 구조체(300)의 아래에 위치하는 LED 패키지(400)의 발광면의 형상에 대응하기 위함이다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이 LED 패키지(400)의 발광면은 길이가 너비보다 긴 직사각형이고, 이러한 LED 패키지(400)를 커버하기 위해서 광학 구조체(300) 역시 길이가 너비보다 긴 직사각뿔과 유사한 형태를 가질 수 있다. 상기 광학 구조체(300)는 위쪽에서 볼 때, 마치 육상 트랙과 같이 길이 방향의 양단은 반원이고 너비 방향 양단은 직선인 형상을 갖는 것이 직사각형 LED 패키지(400)의 광을 비교적 고르게 확산시키는데 유리할 것이다.

광학 구조체(300)는 몸체부(310)와 다리부(320)로 이루어지고, 상기 몸체부(310)는 LED 패키지(400)의 발광면을 향하는 방향으로 볼록한 입체 형상을 가진다. 도면에서 네 개인 것으로 도시된 상기 다리부(320)는 몸체부(310)의 대략 주변부에서 하향 연장하는 기둥 형태로서 몸체부(310)의 하단을 LED 패키지(400)의 발광면으로부터 소정 높이로 이격되게 하할 수 있는 길이를 갖지며, 각각의 다리부의 길이는 동일하다. 상기 몸체부(310)의 하향 외면은 반사면을 이루고, 상기 반사면은 적어도 일정 부분이 곡면으로 형성될 수 있다.

상기 광학 구조체(300)는 LED 패키지(400)의 너비 방향에 대응하는 도 6의 A-A'를 따라 취한 수직 단면은 도 4에 도시된 단면과 같을 수 있지만, LED 패키지(400)의 길이 방향에 대응하는 도 6의 B-B'를 따라 취한 수직 단면은 도 8에 도시된 바와 같이, 대야(basin)와 유사한 형상을 가질 수 있다. 즉, 몸체부(310)에 있는 반사면이 LED 패키지(400)의 발광면에 가장 가까운 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 점점 증가하다가 하단부 부근에서 점점 감소한 후 하단부에서는 기울기가 제로가 되는 평저형 곡면일 수 있다. 또는, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 반사면은 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 점점 증가하다가 점점 감소하여, 하단부 부근이 완만한 곡선을 이루도록 형성될 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 구조체에서 반사면의 설계각도를 보여주는 도면이다. 도면에서 θ는 광의 지향각도를 α는 반사면의 설계각도를 나타낸다. 지향각도(θ)는 광원인 LED의 발광면의 중심에서 반사면의 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 광학 구조체의 수직 중심축(X) 사이의 각도로 정의될 수 있고, 설계각도(α)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 상기 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 임의의 한 점에서의 접선 사이의 각도로 정의될 수 있다.

광원인 LED에서 방출된 광을 최대한 넓게 퍼뜨리도록 반사시키기 위해, LED 광이 상기 광학 구조체의 반사면에서 반사되어 수평으로 진행하는 것을 가정할 때, 상기 반사면의 설계각도(α)는 광원의 중심에서 반사면으로 향하는 지향각도(θ)에 의하여 결정될 수 있다. 이러한 관계를 수식으로 정리하면 반사면의 설계각도(α)는 다음과 같다:

α = (90-θ)/2.

상기 반사면은 반사된 광이 수평으로 진행하는 것뿐만 아니라 ±30도의 범위 내에서 진행하도록 설계될 수 있다. 이 경우 광의 지향각도(θ)에 따른 반사면의 설계각도(α)는 다음과 같이 표현된다:

(60-θ)/2 ≤ α ≤ (120-θ)/2.

이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 가장 단순한 구조의 광학 구조체를 적용하여 광이 확산되는 것을 시뮬레이션한 결과에 대하여 설명한다. 도 11 내지 도 14는 발광면이 W 12.5 mm X D 10.0 mm인 하나의 초고광량 LED 패키지의 LED 광이 약 32인치의 패널 크기에 해당하는 면적으로 확산되는 것을 시뮬레이션에 의해 도시한 도면으로서, 도 11은 광학 구조체가 적용되지 않고 확산판만이 경우이고, 도 12 내지 도 14는 LED 패키지 위에 직경이 40 mm인 하나의 원뿔형 광학 구조체를 그 상측으로 확산판과 함께 적용한 경우이다. 도 12는 반사면의 설계각도가 15도인 경우를, 도 13은 반사면의 설계각도가 30도인 경우를, 도 14는 반사면의 설계각도가 45인 경우를 도시한다.

확산판만이 적용된 도 11을 보면, 중심부의 조도는 매우 높고 주변부로 갈수록 조도가 급격히 떨어져, 중심부에만 광이 집중되는 것을 알 수 있다. 반면, 상기 원뿔형 광학 구조체가 적용된 경우, 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 중심부는 미적용 시보다 조도가 절반 이하로 낮아지면서, 주변부로 갈수록 조도가 떨어지는 것이 완만해지고, 중심부에서 상당히 먼 주변부까지 광이 확산되는 것을 확인할 수 있다. 단, 반사면의 설계각도에 따라서 확산되는 양상이 다르게 나타나는데, 조도가 높은 부분이 중심부 양측으로 분리되어 위치하는 설계각도가 45도인 경우보다, 조도가 높은 부분이 중심부에 위치하는 설계각도가 15도 및 30도인 경우가 바람직한 것으로 인식된다. 복수의 LED 칩과 복수의 광학 구조체를 일정 간격으로 설치하게 되면, 이웃하는 광학 구조체에 의해 확산된 광이 더해져 고른 광 확산 분포를 얻는 것이 가능해진다.

이하에서는 광학 구조체의 반사면의 기울기가 일정한 광학 구조체와 반사면의 기울기가 변하는 광학 구조체에 대하여 확산되는 것을 시뮬레이션한 결과에 대하여 도 15 내지 도 18을 참고하여 설명한다. 전술한 시뮬레이션과 마찬가지로, 발광면이 W 12.5 mm X D 10 mm인 하나의 초고광량 LED 패키지의 LED 광이 32인치 면적으로 확산되는 경우를 시뮬레이션 하였다.

도 15는 광학 구조체의 반사면이 직선인 경우 광 확산 경로를 나타낸 도면이고, 도 16은 상기 광학 구조체를 적용할 경우 LED 광이 확산되는 것을 시뮬레이션에 의해 도시한 도면이다. 광학 구조체는 원뿔형의 몸체부를 갖고, 반사면의 기울기는 변하지 않고 일정하다. 도 15에 도시된 바와 같이, LED에서 나온 광은 반사면의 위치에 따라 대략 수평 방향으로 진행하도록 반사되기도 하지만, 반사면의 대부분의 위치에서는 수평 방향보다 상향으로 또는 하향으로 반사된다. 이 경우 광 확산을 시뮬레이션하면, 도 16에 도시된 바와 같이, 주변부까지 광의 확산이 일어나더라도 그러한 확산이 충분하지 않고, 중심부의 조도가 주변부의 조도보다 상당히 높게 나타난다. 즉, 광이 중심부에 집중되고 멀리 퍼지지 못한다.

도 17은 광학 구조체의 반사면이 곡선인 경우 광 확산 경로를 나타낸 도면이고, 도 18은 상기 광학 구조체를 적용한 경우 LED 광이 확산되는 것을 시뮬레이션에 의해 도시한 도면이다. 원뿔형인 도 15의 광학 구조체와 달리, 도 17의 광학 구조체는 원뿔형과 유사한 외형을 가지는데, 반사면의 기울기의 절대값이 하단부로 갈수록 증가하는, 마치 갈매기의 날개와 같은 형상을 갖는다. 반사면의 기울기의 변화를 기울기 변화를 적절하게 설계함으로써, 예컨대, 반사면의 모든 지점에서 설계각도(α)가 대략 (90-θ)/2을 만족하도록 반사면을 형성시킴으로써 (여기서 θ는 지향각도임), 반사면에 의해 반사된 광이 도 17에 도시된 바와 같이 실질적으로 수평 방향으로 진행하도록 할 수 있다. 그 결과, 도 18에 도시된 바와 같이, 중심부로 광 쏠림 현상이 현저하게 줄어들고 주변부에 이르기까지 조도 저하가 크지 않아서, 확산판을 통과하는 LED 광이 보다 고르게 분포할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 기판 20: 반사 시트
30: 확산판 40: 광학 시트
100, 300: 광학 구조체 110, 310: 몸체부
120, 320: 다리부 200,400: LED 패키지

Claims (21)

1. LED 패키지의 발광면 측에 위치하도록 설치되는 광학 구조체로서,
   상기 LED 패키지의 발광면을 향하는 방향으로 볼록한 형상을 가지며, 상기 발광면을 향하는 볼록한 면이 반사면을 형성하는 몸체부; 및
   상기 몸체부를 상기 LED 패키지로부터 이격되게 지지하기 위해 상기 몸체부의 주변에 형성된 하나 이상의 다리부;
   를 포함하는 광학 구조체.
2. 제1항에서,
   상기 반사면은 상기 광학 구조체의 수직 중심축을 중심으로 대칭인 광학 구조체.
3. 제2항에서,
   상기 반사면은 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 증가하는 곡면인 광학 구조체.
4. 제3항에서,
   상기 반사면은 광의 지향각도(θ)와 반사면의 설계각도(α) 간의 관계가 하기 식을 만족하도록 형성되고,
   (60-θ)/2 ≤ α ≤ (120-θ)/2
   여기서 상기 광의 지향각도(θ)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 광학 구조체의 수직 중심축 사이의 각도로 정의되고, 상기 반사면의 설계각도(α)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 임의의 한 점에서의 접선 사이의 각도로 정의되는 광학 구조체.
5. 제2항에서,
   상기 반사면은 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 일정 또는 증가하다가 감소하는 곡면인 광학 구조체.
6. 제5항에서,
   상기 반사면의 기울기의 절대값이 일정한 또는 증가하는 구간에서, 상기 반사면은 광의 지향각도(θ)와 반사면의 설계각도(α) 간의 관계가 하기 식을 만족하도록 형성되고,
   (60-θ)/2 ≤ α ≤ (120-θ)/2
   여기서 상기 광의 지향각도(θ)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 광학 구조체의 수직 중심축 사이의 각도로 정의되고, 상기 반사면의 설계각도(α)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 상기 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 임의의 한 점에서의 접선 사이의 각도로 정의되는 광학 구조체.
7. 제1항에서,
   상기 반사면은 프레넬 렌즈 구조를 가진 광학 구조체.
8. 제1항에서,
   상기 광학 구조체는 수지에 광 반사성 물질이 혼합된 재료로 형성되거나, 수지로 형성된 후 볼록한 형상의 외면에 광 반사성 물질이 도포 또는 코팅되어 있는 광학 구조체.
9. 제1항에서,
   상기 반사면은 반사율이 60% 이상인 광학 구조체.
10. 제1항에서,
    상기 몸체부는 상기 발광면의 이면이 곡면 또는 요철면인 광학 구조체.
11. 제1항에서,
    상기 몸체부는 수직 중심축을 지나는 한 수직 평면인 제1 수직 평면의 가로 방향인 제1 방향의 길이보다 상기 수직 중심축을 지나며 상기 제1 수직 평면과 직교하는 제2 수직 평면의 가로 방향인 제2 방향의 길이가 더 긴 광학 구조체.
12. 제11항에서,
    상기 반사면은 상기 제1 수직 평면을 중심으로 대칭이고 상기 제2 수직 평면을 중심으로 대칭인 광학 구조체.
13. 제12항에서,
    상기 반사면은 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 증가하는 곡면인 광학 구조체.
14. 제12항에서,
    상기 반사면은 상기 제1 가로 방향으로는 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 일정 또는 증가하다가 감소하는 곡면이고 상기 제2 가로 방향으로는 하단부로 갈수록 기울기의 절대값이 일정 또는 증가하다가 감소하거나, 일정 또는 증가하다가 감소한 후 일정한 광학 구조체.
15. 제14항에서,
    상기 반사면의 기울기의 절대값이 일정 또는 증가하는 구간에서, 상기 반사면은 광의 지향각도(θ)와 반사면의 설계각도(α) 간의 관계가 하기 식을 만족하도록 형성되고,
    (60-θ)/2 ≤ α ≤ (120-θ)/2
    여기서 상기 광의 지향각도(θ)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 광학 구조체의 수직 중심축 사이의 각도로 정의되고, 상기 반사면의 설계각도(α)는 상기 발광면의 중심에서 상기 반사면의 상기 임의의 한 점을 향하는 직선과 상기 임의의 한 점에서의 접선 사이의 각도로 정의되는 광학 구조체.
16. 제11항에서,
    상기 반사면은 프레넬 렌즈 구조를 가진 광학 구조체.
17. 제11항에서,
    상기 광학 구조체는 수지에 광 반사성 물질이 혼합된 재료로 형성되거나, 수지로 형성된 후 볼록한 형상의 외면에 광 반사성 물질이 도포 또는 코팅되어 있고, 상기 반사면은 반사율이 60% 이상인 광학 구조체.
18. 기판;
    상기 기판에 실장된 하나 이상의 LED 패키지;
    상기 LED 패키지 위쪽에 이격되게 위치하도록 설치된 하나 이상의 광학 구조체; 및
    상기 광학 구조체 위쪽에 위치하도록 설치된 하나 이상의 광학 시트;
    를 포함하며, 상기 광학 구조체는,
    상기 LED 패키지의 발광면을 향하는 방향으로 볼록한 형상을 가지며, 상기 발광면을 향하는 볼록한 면이 반사면을 형성하는 몸체부; 및
    상기 몸체부를 상기 LED 패키지로부터 이격되게 지지하기 위해 상기 몸체부의 주변에 형성된 하나 이상의 다리부;
    를 포함하는 직하형 LED 백라이트 유닛.
19. 제18항에서,
    상기 몸체부는 수직 중심축을 지나는 한 수직 평면인 제1 수직 평면의 가로 방향인 제1 방향의 길이보다 상기 수직 중심축을 지나며 상기 제1 수직 평면과 직교하는 제2 수직 평면의 가로 방향인 제2 방향의 길이가 더 긴 직하형 LED 백라이트 유닛.
20. 제19항에서,
    하나의 광학 구조체가 복수의 LED 패키지를 커버하는 직하형 LED 백라이트 유닛.
21. 제18항에서,
    상기 광학 구조체는 상기 다리부를 통해 상기 기판에 실장되는 직하형 LED 백라이트 유닛.

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