KR20150067861A - 발광다이오드용 광 편향 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 출사 경로를 사각 방향으로 제어하여 정방 배열로 복수 개 배치되는 발광다이오드에 대하여 외관 특성을 개선하는 발광다이오드용 광 편향 렌즈에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 편향 렌즈는, 점광원을 수용하는 홈을 형성하면서 점광원으로부터의 빛이 입사되도록 상측으로 오목하거나 하측으로 볼록한 곡면을 갖는 하부의 입광면; 상기 하면에서 입사된 빛을 반사 및 굴절시키는 상부의 제1출광면; 및 상기 상면에서 반사된 빛을 외측으로 출사시키는 측부의 제2출광면;을 포함하되, 상기 제2출광면은, 서로 대향되는 한 쌍의 제1면과 다른 한 쌍의 제2면이 사각 형상으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 광 편향 렌즈는 점광원의 빛을 가로 및 세로 방향으로 편향시켜 출사시킴으로써, 사각 형상의 배광 분포를 나타낼 수 있으며, 정방 배열되는 점광원에 대하여 대각선 방향에서의 암부가 제거되어 백라이트 장치의 광 균일도를 향상시킬 수 있다.

Description

발광다이오드용 광 편향 렌즈{Light Guide Lens for LED}

본 발명은 발광다이오드용 광학 렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 출사 경로를 사각 방향으로 제어하여 정방 배열로 복수 개 배치되는 발광다이오드에 대하여 외관 특성을 개선하는 발광다이오드용 광 편향 렌즈에 관한 것이다.

발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 함)는 P-N 접합구조에서 전류 인가에 의해 전자와 정공의 재결합으로 빛을 발하는 반도체 발광 소자로서, 표시장치에서 백라이트 장치의 광원으로 각광받고 있다. 다만, LED는 점광원의 특성상 백라이트 광원으로서 사용되는 경우 LED 바로 위쪽의 패널에서는 조도가 크게 나타나고, LED와 LED 사이의 영역에서는 조도가 낮게 나타나서 결국 패널 전체의 조도가 불균일해지는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 LED의 상부에 광 확산 렌즈를 적용하는 기술이 국내등록특허 제10-0789835호, 제10-0661719호 등에서 제안되고 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 일반적인 구조의 LED용 광 확산 렌즈를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 광 확산 렌즈를 나타낸 종단면도이며, 도 3은 도 1의 렌즈를 적용한 백라이트 장치의 광 분포를 나타낸 도면이다. 먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 일반적인 광 확산 렌즈(10)는 하면의 입광면(11)과 상면의 출광면(12)을 형성하면서, 횡단면은 수직 광 축(y)에 대하여 방사상으로 대칭인 원형을 이루고, 종단면은 광 축(y)에 대해 방사상으로 대칭인 구면 또는 비구면 형상을 이룬다. 상기와 같은 구조의 광 확산 렌즈(10)는 기판(30)에 실장된 LED(20)를 덮도록 배치된다.

여기서, 렌즈(10)의 입광면(11)은 LED(20)로부터 나온 빛이 입사되는 면으로, 상측으로 갈수록 반경이 작아지는 원기둥 형상의 공간으로 형성된다. 또한, 출광면(12)은 렌즈(20)를 통과한 빛이 외부로 출사되는 면으로, 중심 광 축(y)에 대하여 소정의 곡률을 가지면서 방사상으로 대칭을 이루는 구면 또는 비구면을 이룬다. 즉, 종래의 광 확산 렌즈는 전체적인 형상이 광 축(y)을 중심으로 원형 또는 방사형의 대칭을 이루고 있다. 이러한 입광면(11) 및 출광면(12) 구조에 의하여 렌즈(10)의 중심부에서는 광 세기는 감소되고, 중심으로부터 멀어지는 외곽 부근에서는 광 세기가 증가되어, 렌즈(10)를 통하여 전체적으로 균일한 빛이 출사될 수 있도록 한다.

그러나, 백라이트 장치에 적용되는 광원은 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(30)에 복수 개의 LED(20)가 가로 및 세로 방향으로 소정의 간격을 가지는 정방 배열로 실장되고, 각 LED(20) 광원에 대하여 광 확산 렌즈(도 2의 10)가 배치된다. 이 경우 렌즈(10)는 평면이 방사상으로 대칭인 원형을 이루므로, 광 분포(L)는 LED(20)를 중심으로 동일한 반경에 대해서는 동일한 광 세기를 나타내는 원형으로 나타난다. 이 경우 가로 및 세로 방향(수평 및 수직 방향)으로는 빛이 중첩되는 영역(A)이 발생하고, 대각선 방향으로는 충분한 양의 빛이 도달하지 못하는 영역(B)이 발생한다. 이러한 광 분포에 따라 외부에서는 빛이 중첩되는 영역에서는 명부로 나타나고, 빛이 도달하지 못하는 영역(B)에서는 암부로 나타나게 되어, 전체적으로 광의 균일도가 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 점광원의 빛을 가로 및 세로 방향으로 편향시켜 출사시킴으로써, 사각 형상의 배광 분포를 나타내는 광 편향 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 정방 배열되는 점광원에 대하여 대각선 방향에서의 암부를 제거하여 백라이트 장치의 균일도를 향상시키면서 동시에 휘도를 향상시킬 수 있는 광 편향 렌즈를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 광 편향 렌즈는, 점광원을 수용하는 홈을 형성하면서, 홈의 상면은 상측으로 오목하거나 하측으로 볼록한 곡면을 이루어 점광원으로부터의 빛이 입사되는 하부의 입광면; 상측으로 볼록한 형상의 굴절면을 형성하거나 하측으로 오목한 형상의 반사면을 형성하는 상부의 제1출광면; 및 상기 입광면에서 입사된 빛과 상기 제1출광면에서 일부 반사되는 빛을 출사시키는 측부의 제2출광면;을 포함하되, 상기 제2출광면은, 서로 대향되는 한 쌍의 제1면과 다른 한 쌍의 제2면이 사각 형상으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제2출광면은 상기 제1면과 제2면이 변의 길이를 달리하고, 이웃하는 제1면과 제2면이 곡면 형상으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 광 편향 렌즈는, 점광원을 수용하는 홈을 형성하면서, 홈의 상면은 상측으로 오목하거나 하측으로 볼록한 곡면을 이루어 점광원으로부터의 빛이 입사되는 하부의 입광면; 상측으로 볼록한 형상의 굴절면을 형성하거나 하측으로 오목한 형상의 반사면을 형성하는 상부의 제1출광면; 및 상기 입광면에서 입사된 빛과 상기 제1출광면에서 일부 반사되는 빛을 출사시키는 측부의 제2출광면;을 포함하되, 상기 입광면은, 측면이 서로 대향되는 한 쌍의 제3면과 다른 한 쌍의 제4면이 사각 형상으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 입광면면은 상기 제3면과 제4면이 변의 길이를 달리하고, 이웃하는 제3면과 제4면이 곡면 형상으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 광 편향 렌즈는 점광원의 빛을 가로 및 세로 방향으로 편향시켜 출사시킴으로써, 사각 형상의 배광 분포를 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명의 광 편향 렌즈는 정방 배열되는 점광원에 대하여 대각선 방향에서의 암부가 제거되어 백라이트 장치의 광 균일도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 LED용 광 확산 렌즈를 나타낸 사시도,
도 2는 도 1의 광 확산 렌즈를 나타낸 종단면도,
도 3은 도 1의 광 확산 렌즈를 이용한 백라이트 장치의 광 분포의 일 예를 나타낸 평면도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 광 편향 렌즈를 나타낸 사시도,
도 5는 도 4의 광 편향 렌즈를 나타낸 종단면도,
도 6은 도 4의 광 편향 렌즈를 나타낸 횡단면도,
도 7은 종래의 광 확산 렌즈 및 본 발명의 광 편향 렌즈에 대한 출광 특성을 나타낸 평면도,
도 8은 종래의 광 확산 렌즈 및 본 발명의 광 편향 렌즈가 적용된 백라이트 장치에 대한 광 특성을 나타낸 평면도,
도 9는 도 4의 광 편향 렌즈의 다양한 변형 예를 나타낸 평면도,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 광 편향 렌즈를 나타낸 평면도, 및
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 광 편향 렌즈를 나타낸 도면이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광 편향 렌즈를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4의 광 편향 렌즈를 나타낸 종단면도이며, 도 6은 도 4의 광 편향 렌즈를 나타낸 횡단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광 편향 렌즈(100)는 돔 형상을 이루며 하면에는 LED 광원(도 2의 20 참조)이 수용되는 홈(100a)이 형성된다. 광 편향 렌즈(100)는 하측의 LED 광원에서 대략 수직 방향으로 출사되는 빛을 흡수하여 내부 전반사와 산란을 통하여 상면 및 측면 방향으로 출사되도록 유도한다. 이러한 광 편향 렌즈(100)는 실리콘, 에폭시, 유리 또는 PMMA와 같은 투광성 재질로 이루어지며, 내부에는 확산제가 첨가될 수 있다. 특히, 본 발명에서의 광 편향 렌즈(100)는 하부의 입광면(110), 상부의 제1출광면 및 측부의 제2출광면(130)으로 구성된다.

구체적으로 살펴보면, 입광면(110)은 LED 광원의 빛을 렌즈 내부로 받아들이기 위한 면으로 LED 광원의 수용 홈(100a)에 의하여 형성된다. 이러한 입광면(110)은 측면과 상면으로 구분될 수 있으며, 상면은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 상측으로 오목한 곡면 형상을 이루거나 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 하측으로 볼록한 곡면 형상을 이룰 수 있다. 이때, 측면은 상측으로 향할수록 직경이 좁아질 수 있으며, 측면과 상면이 연결되는 모서리는 접선이 생기지 않도록 곡면을 이루는 것이 바람직하다. 측면과 상면의 연결부가 접선을 형성하는 경우 접선에 의하여 빛 튐 현상이 발생할 수 있기 때문이다. 이러한 입광면(110)은 중심부의 광 축(y)을 중심으로 대칭을 이룬다.

제1출광면(120)은, 렌즈 내부에서 소정의 각도로 상측으로 진행하는 빛의 일부는 굴절시켜 상측으로 출사시키고, 일부는 측면으로 반사시켜 빛의 출사 방향을 제어한다. 이를 위한 제1출광면(120)은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 상측으로 볼록한 곡면 형상을 이루거나, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 하측으로 오목한 곡면 형상을 이룰 수 있다. 제1출광면(120)이 (a)와 같이 상측으로 볼록한 곡면을 이루는 경우 렌즈 내부의 대부분의 빛은 곡면에서 굴절되면서 상측으로 출사되어 제1출광면(120)은 굴절면으로 기능을 한다. 이와 달리 제1출광면(120)이 (a)와 같이 하측으로 오목한 곡면을 이루는 경우 렌즈 내부의 대부분의 빛은 곡면에서 반사되어 외 측면의 제2출광면(130)을 통하여 외부로 출사되어 제1출광면(120)은 반사면으로 기능을 한다. 따라서, 제1출광면(120)에 대한 곡면의 방향에 따라 상부 또는 측부로 출사되는 빛의 양을 제어할 수 있고, 광 편향 렌즈는 굴절형 렌즈 또는 반사형 렌즈로서 기능을 할 수 있다. 이때, 제1출사면(120)의 곡면은 중심부와 가장자리부에서의 곡률(즉, 경사)을 달리할 수 있다.

제2출광면(130)은, 입광면(110)으로부터 입사된 빛을 직접 출사시키거나 반사면(120)에 반사된 빛을 출사시키며, 가로 및 세로 방향으로의 배광 분포를 제어한다. 이를 위한 제2출광면(130)은 광 축(y)과 평행하거나 소정의 경사를 갖는 경면을 이룬다.

또한, 제2출광면(130)은 도 6에 도시된 바와 같이 서로 대향되는 한 쌍의 제1면(130a)과 다른 한 쌍의 제2면(130b)의 네 면으로 구성된다. 이때, 제1면(130a)과 제2면(130b)이 서로 이웃하도록 연결되어 전체적으로 사각 형상을 이루게 된다. 이때, 이웃하는 제1면(130a)과 제2면(130b)이 연결되는 모서리는 접선이 생기지 않도록 곡면을 이루는 것이 바람직하다. 사각 형상의 제2출광면(130)에 의하여 측면으로 출사되는 빛은 전체적으로 사각 형상의 배광 분포를 나타낸다.

또한, 제2출광면(130)은 제1면(130a)과 제2면(130b)이 변(邊)의 길이(X1,X2)를 서로 달리하도록 형성된다. 즉, 2차원 평면에서 직사각 형상을 이루게 되며, 이 경우 가로 축과 세로 축 방향에 대하여 서로 다른 배광 분포를 나타낸다. 이와 같이 제1면(130a)과 제2면(130b)의 변의 길이를 달리함으로써, 가로 및 세로 방향(즉, 각 변의 방향)에 대한 배광 거리를 제어할 수 있다.

또한, 제2출광면(130)은 제1면(130a)과 제2면(130b) 중 적어도 어느 한 쌍의 면이 곡면으로 형성될 수 있다. 이때, 곡면은 제2출광면(130)이 전체적으로 사각 형상에 가깝도록 비구면 또는 타원 형상을 이루는 것이 바람직하다.

도 7은 종래의 광 확산 렌즈 및 본 발명의 광 편향 렌즈에 대한 출광 특성을 나타낸 평면도이고, 도 8은 종래의 광 확산 렌즈 및 본 발명의 광 편향 렌즈가 적용된 백라이트 장치에 대한 광 특성을 나타낸 평면도로, 각각 (a)는 종래의 기술에 따른 광 확산 렌즈가 적용되었으며, (b)는 본 발명의 제1실시예에 따른 광 편향 렌즈가 적용되었다.

먼저, 도 7을 참조하여 종래의 기술에 본 발명에 따른 렌즈의 광 특성을 살펴보면, 종래의 광 확산 렌즈에서는 빛이 원형으로 분포되는 배광 특성을 나타내지만, 본 발명의 광 편향 렌즈에서는 빛이 사각 형상으로 분포되는 배광 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 배광 분포에 의하여 가로 및 세로 방향으로 다수개 배열되는 점광원에 대하여 균일한 휘도 분포를 제공할 수 있다.

도 8에는 종래의 광 확산 렌즈와 본 발명의 광 편향 렌즈가 가로 및 세로 방향으로 2 x 5 개가 배열되고, 그 상측에 1매의 확산 플레이트가 적층된 백라이트 장치에 대한 광 특성이 도시되어 있다. (a)에 도시된 바와 같이 종래의 광 확산 렌즈가 적용된 백라이트 장치에서는 대각선 방향의 점광원 사이에 빛이 분포되지 않는 암부 영역이 발생하여 전체적으로 휘도 분포가 불균일하게 나타난다. 그러나, (b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 광 편향 렌즈가 적용된 백라이트 장치에서는 암부 영역이 발생하지 않고 전체적으로 균일한 휘도 분포를 나타낸다.

즉, 본 발명의 광 편향 렌즈는 다수개 배열되는 점광원의 LED 광원에 대하여 2차원 평면 상에서 빛이 중첩되는 영역을 최소화함과 동시에 빛이 도달하지 않는 영역을 제거하여 전체적으로 균일한 빛을 분포시킬 수 있다.

도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 광 편향 렌즈의 다양한 변형 예를 나타낸 평면도이다. 도시된 바와 같이 4개의 면으로 이루어지는 제2출광면(130)은 서로 대향하는 한 쌍의 제1면(130a)과 다른 한 쌍의 제2면(130b)이 서로 이웃하도록 연결된다. 이때, 이웃하는 제1면(130a)과 제2면(130b)은 (a)와 같이 소정의 경사를 갖는 평면으로 연결될 수 있으나, (b)와 같이 접선이 생기지 않도록 곡면으로 연결되는 것이 바람직하다. 이웃하는 면의 연결부가 접선을 형성하는 경우 접선에 의하여 빛 튐 현상이 발생할 수 있기 때문이다.

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 광 편향 렌즈를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제2실시예에 따른 광 편향 렌즈(100)는 입광면(110)의 형상에 의하여 사각 형상의 배광 분포를 나타내도록 구성된다. 즉, 도시된 바와 같이 입광면(110)의 측면은 서로 대향하는 한 쌍의 제1면(110a)과 다른 한 쌍의 제2면(110b)으로 구성된다. 이때, 제1면(110a)과 제2면(110b)이 서로 이웃하도록 연결되어 전체적으로 사각 형상을 이루게 된다. 사각 형상의 입광면(110)에 의하여 외부로 출사되는 빛은 전체적으로 사각 형상의 배광 분포를 나타낸다. 이때, 이웃하는 제1면(110a)과 제2면(110b)이 연결되는 모서리는 접선이 생기지 않도록 곡면을 이루는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 광 편향 렌즈(100)의 입광면(110)은 제1실시예에 따른 제2출광면(130)과 마찬가지로 서로 대향하는 한 쌍과 다른 쌍 면은 변의 길이를 서로 달리할 수 있으며, 어느 한 쌍의 면은 비구면 또는 타원 형상의 곡면으로 형성될 수 있다.

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 광 편향 렌즈를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제3실시예에 따른 광 편향 렌즈는 입광면(110)과 제2출광면(130) 모두의 형상에 의하여 사각 형상의 배광 분포를 나타내도록 구성된다. 즉, 도시된 바와 같이, 입광면(110)의 측면과 제2출광면(130)은 각각 서로 대향되는 한 쌍의 제1면(110a,130a)과 다른 한 쌍의 제2면(110b,130b)으로 구분되어 사각 형상을 이룬다. 이때, 입광면(110)의 사각 형상과 제2출광면(130)의 사각 형상은 서로 어긋나도록 형성되며, 도시된 바와 같이 입광면(110)과 제2출광면(130)이 정사각 형상을 이루는 경우 각 모서리의 위치는 광 축(y)을 중심으로 대략 45°각으로 어긋나도록 형성된다.

이러한 구조에서 입광면(110)을 통하여 사각 형상으로 입사되는 빛은 제2출광면(130)을 통하여 제2출광면(130)의 형상에 따라 사각 형상으로 출사되며, 더욱 선명한 사각 형상의 배광 분포를 나타낸다.

이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

100 : 광 편향 렌즈
110 : 입광면
120 : 제1출광면
130 : 제2출광면

Claims (6)

1. 점광원을 수용하는 홈을 형성하면서, 홈의 상면은 상측으로 오목하거나 하측으로 볼록한 곡면을 이루어 점광원으로부터의 빛이 입사되는 하부의 입광면;
   상측으로 볼록한 형상의 굴절면을 형성하거나 하측으로 오목한 형상의 반사면을 형성하는 상부의 제1출광면;
   상기 입광면에서 입사된 빛과 상기 제1출광면에서 일부 반사되는 빛을 출사시키는 측부의 제2출광면;을 포함하되,
   상기 제2출광면은, 서로 대향되는 한 쌍의 제1면과 다른 한 쌍의 제2면이 사각 형상으로 연결되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 광 편향 렌즈.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2출광면은,
   상기 제1면과 제2면이 변의 길이를 달리하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 광 편향 렌즈.
3. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 제2출광면은,
   이웃하는 제1면과 제2면이 곡면 형상으로 연결되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 광 편향 렌즈.
4. 점광원을 수용하는 홈을 형성하면서, 홈의 상면은 상측으로 오목하거나 하측으로 볼록한 곡면을 이루어 점광원으로부터의 빛이 입사되는 하부의 입광면;
   상측으로 볼록한 형상의 굴절면을 형성하거나 하측으로 오목한 형상의 반사면을 형성하는 상부의 제1출광면;
   상기 입광면에서 입사된 빛과 상기 제1출광면에서 일부 반사되는 빛을 출사시키는 측부의 제2출광면;을 포함하되,
   상기 입광면은, 측면이 서로 대향되는 한 쌍의 제3면과 다른 한 쌍의 제4면이 사각 형상으로 연결되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 광 편향 렌즈.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1면과 제2면 또는 상기 제3면과 제4면은 변의 길이를 달리하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 광 편향 렌즈.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 입광면은,
   이웃하는 제3면과 제4면이 곡면 형상으로 연결되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 광 편향 렌즈.
   

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