KR20190107433A

KR20190107433A - 엘이디 확산렌즈

Info

Publication number: KR20190107433A
Application number: KR1020180028690A
Authority: KR
Inventors: 박부고; 김만겸; 신은별
Original assignee: (주)엔디에스
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-09-20
Also published as: KR102077388B1

Abstract

엘이디 확산렌즈에 관한 발명이 개시된다. 개시된 엘이디 확산렌즈는:
엘이디가 있고, 엘이디 상방에 위치하여 오목한 형상을 가져, 엘이디로부터 발산된 빛을 굴절시켜 출광면으로 빛을 전달하는 입광면, 입광면으로부터 전달 받은 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출사시키는 출광면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 엘이디 확산렌즈.

Description

엘이디 확산렌즈{LED DIFFUSION LENS}

본 발명은 엘이디 확산렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엘이디로부터 발산한 빛을 색 분리 없이 확산시켜주는 엘이디 확산렌즈에 관한 것이다.

최근 엘이디(발광 다이오드) 소자를 이용한 조명이 각광 받고 있다. 엘이디 조명은 전구나 형광등에 비하여 소비 전력이 매우 적으며, 또한 백열 전구와 같이 필라멘트 단락 등과 같은 현상이 없기 때문에, 수명은 통상 50,000 ~ 100,000 시간으로 알려져 있으며, 반영구적이라는 장점이 있다. 또한 대부분의 엘이디는 에폭시, 실리콘 패키징과 같은 소재로 몰딩되어 있기 때문에 충격에 강해 내구성 면에서 우수한 장점을 갖는다.

이런 엘이디 소자 중 백색 엘이디는 도1에 도시된 바와 같이 청색 chip(11)에 노란색 형광체(12)를 도포하는 방식으로 구현을 하는데, 형광체(12)를 청색 chip(11)의 발광면 보다 넓게 도포하는 엘이디와, 형광체(12)를 청색 chip(11)과 동일한 넓이로 도포하는 엘이디가 있다. 이 중 형광체(12)를 청색 chip(11)의 발광면 보다 넓게 도포하는 엘이디의 방식은 가격이 저렴하고, 광 효율이 우수한 반면, 청색 chip(11)에 의한 청색 광의 발광면과, 형광체(12)에 의한 노란색 광의 발광면의 크기가 다르므로, 도2에 도시된 바와 같이 렌즈가 함께 구비될 경우, 엘이디에서 청색 광과 노란색 광의 출발 위치가 차이가 나는 이유로 렌즈 투과 후 색이 분리되는 현상이 발생하게 된다. 반면에 형광체를 청색 chip(11)과 동일한 넓이로 도포하는 방식의 엘이디는 가격이 비싸고, 광 효율이 낮지만 청색 광과 노란색 광의 발광면의 위치와 넓이가 동일하여, 렌즈가 함께 구비되더라도, 청색, 노란색의 발광면 편차에 의한 색 분리가 발생하지 않는 특징이 있다.

종래의 확산렌즈는 청색광과 노란색광의 발광면적이 다른 엘이디를 사용할 경우 색 분리를 일으킨다. 이를 해결하기 위해 청색광과 노란색광의 발광면적이 동일한 엘이디를 사용해 왔으며, 이러한 엘이디는 전력 효율이 낮은 단점이 있다. 본 발명은 전력 효율이 높은 일반적인 엘이디를 사용하면서도 색 분리가 발생하지 않는 엘이디 확산렌즈를 제공하는 것이다.

엘이디가 있고, 엘이디 상방에 위치하여 오목한 형상을 가져, 엘이디로부터 발산된 빛을 굴절시켜 출광면으로 빛을 전달하는 입광면, 입광면으로부터 전달 받은 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출사시키는 출광면으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 출광면은 제1 출광면 및 제2 출광면으로 구성되고, 상기 제1 출광면은 위로 볼록한 형상을 가지고, 상기 제2 출광면은 제1 출광면의 외측 끝단과 연결되어, 하방으로 갈수록 직경이 커지는 형상을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 출광면은 무광면, 제2 출광면은 유광면 인것을 특징으로 한다.

또한, 광축을 포함하는 어느 면에 의한 상기 엘이디 확산렌즈의 단면 상에서, 상기 제1 출광면의 외측 끝점을 P라고 하고, 점 P를 지나면서 광축과 평행한 선을 L이라고 할 때, L과 평행하면서 광축과 가까워 지는 방향으로 Δx 만큼 떨어진 선이 제1 출광면과 만나는 점으로부터 P점까지의 높이 차이를 Δy1, L과 평행하면서 광축과 멀어지는 방향으로 Δx 만큼 떨어진 선이 제2 출광면과 만나는 점과 P점 사이의 높이 차이를 Δy2 라고 할 때, Δx

0 일 때, ┃Δy1┃ > ┃Δy2┃ 인 것을 특징으로 한다.

또한, 광축과 60°의 각을 이루면서 엘이디로부터 출사한 빛이 출광면과 만나는 점과 상기 엘이디 렌즈의 바닥면으로 부터의 높이를 H1, 광축과 80°의 각을 이루면서 엘이디로부터 출사한 빛이 출광면과 만나는 점과 상기 엘이디 렌즈의 바닥면으로부터의 높이를 H2라고 할 때, 상기 점 P와 바닥면으로 부터의 높이 HP는 H1 > HP > H2 인 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 색 분리가 발생하지 않는 엘이디 확산렌즈를 제공하여, 균일한 색 분포를 가지는 조명장치를 만들 수 있도록 해준다.

도 1은 종래 기술에 따른 엘이디의 구조를 나타내는 개념도 이다.
도 2는 종래 기술에 따른 렌즈와 엘이디의 결합에 따른 색 분해를 나타내는 개념도 이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 구성을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제1 출광면이 유광면 일 때의 광 경로를 보인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제1 출광면이 무광면일 때의 광 경로를 보인 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제1 출광면이 유광면일 때의 조도 분포를 보인 도면이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제1 출광면이 무광면일 때의 조도 분포를 보인 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제1 출광면 조건을 보인 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제1 출광면 조건에 따른 조도 분포를 보인 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제2 출광면 구성을 보인 도면이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제2 출광면에서의 광 경로를 보인 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제1 출광면과 제2 출광면의 구성 조건을 보인 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제2 출광면의 기능에 대해 보인 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제1 변형의 예를 보인 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 확산렌즈의 제2 변형의 예를 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 엘이디 확산렌즈의 일 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 확산렌즈(20)는 색 분리 없이 균일한 조명을 하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 엘이디 확산렌즈(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 엘이디(100)로부터 출사한 빛이 오목한 형상을 가진 입광면(200)에서 굴절된다. 또한, 엘이디 확산렌즈(20)의 출광면(300)은 제1 출광면(310)과 제2 출광면(320)으로 구성되며, 제1 출광면(310)은 무광인 특징을 가진다.

보다 자세히는, 도 4에 도시된 바와 같이, 출사한 청색광과 노란색광을 발산하는 면의 면적이 서로 다른 엘이디(100)가 있고, 상기 엘이디(100) 상부에 위치한 엘이디 확산렌즈(20)의 제1 출광면(310)상에 어떤 점을 S1이라고 할 때, S1에 입사하는 청색광과 노란색광은 서로 다른 입사각을 가지게 되고, 이로 인해 제1 출광면(310)이 유광인 경우, 제1 출광면(310)에서 출사한 빛도 서로 다른 방향으로 빛이 출사하게 된다. 그러므로, 제1 출광면(310)에서 출사하는 빛은 청색광과 노란색광이 명확히 분리된다. 이를 극복하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 출광면(310)이 무광인 특징을 가지면, 제1 출광면(310)에 도달한 빛은 산란되어 출사되므로 청색광과 노란색광의 분리가 현격히 줄어들게 된다. 여기서 유광은 일반적인 렌즈처럼 표면이 매끈한 투명한 면을 가져 스넬의 법칙에 따라 빛이 굴절하는 것을 말하고, 무광은 렌즈 표면이 부식이나 샌딩을 통해 거칠게 되어 빛이 확산 및 산란되는 특성을 가지는 것을 말한다.

도 6a를 참고하면, 제1 출광면(310)이 유광인 경우에 대한 Simulation 결과를 도시한 것으로 엘이디(100)의 상방 15mm 높이에서의 청색광과 노란색광에 의한 조도 분포를 최대 조도 1로 규격화 하여 표현한 것이다. 이를 보면 청색광의 조도 분포와, 노란색광의 조도 분포가 확연히 다름을 볼 수 있다. 또한 도 6b를 참고하면, 제1 출광면(310)이 무광인 경우에 대한 Simulation 결과를 도시한 것으로 엘이디(100)의 상방 15mm 높이에서의 조도 분포를 최대 조도1로 규격화 하여 표현한 것이다. 청색광의 조도 분포와, 노란색광의 조도 분포가 유사해 색 분리가 현저히 줄어든 것을 볼 수 있다.

도 7을 참조하면, 엘이디(100)로부터 광축(400)과 θ의 각을 가지고 출사한 빛의 광 경로 중, 입광면(200)과 제1 출광면(310) 사이의 광 경로 길이를 OL1, 엘이디(100)로부터 광축(400)과 θ+5°의 각을 가지고 출사한 빛의 광 경로중, 입광면(200)과 제1 출광면(310) 사이의 광 경로 길이를 OL2라고 하면, 10°< θ < 30°일 때, 1.10 < OL2/OL1 < 1.39를 만족하고, 30°< θ < 60°일 때, 1.0 < OL2/OL1 < 1.2를 만족한다.

도8은 상기 OL2/OL1의 조건에 따른, 엘이디(100)의 상방 15mm 높이에서의 조도 분포를 최대 조도1로 규격화 하여 표현한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 OL2/OL1 조건들을 만족하면, 렌즈와 떨어져 있는 광축(400)과 수직인 면에서, 제1 출광면(310)에서 출사된 빛에의한 최대 조도는 광축(400) 혹은 광축(400) 근처가 되고, 광축(400)과 멀어질수록 조도가 일정하게 감소한다. 이는, 상기 엘이디 확산렌즈(20)가 어레이 되었을 때, 균일한 조도를 구현이 가능하도록 해준다. 반면에 OL2/OL1 조건들을 만족하지 못하면, 위치에 따른 조도 변화가 일정하지 않아, 엘이디 확산렌즈(20)가 어레이 되었을 때, 균일한 조도를 구현하는 것이 불가능하다.

도 9a을 참조하면, 제1 출광면(310)의 외측 끝단을 점 P, 광축과 60°의 각을 이루면서 엘이디(100)로부터 출사한 빛이 출광면(300)과 만나는 점과 엘이디 확산렌즈(20)의 바닥면으로부터의 높이를 H1, 광축과 80°의 각을 이루면서 엘이디(100)로부터 출사한 빛이 출광면(300)과 만나는 점과 엘이디 확산렌즈(20)의 바닥면으로부터의 높이를 H2라고 할 때, 점 P와 바닥면으로부터의 높이 HP는 H1 > HP > H2 인 조건을 만족해야 한다.

상기 조건을 만족할 경우 도 9b에 도시된 바와 같이, 제2 출광면(320)상의 어떤 점을 S2라고 할 때, S2에 입사하는 청색광과 노란색광의 입사각 편차는 매우 작기 때문에, 제2 출광면(320)에서 출사한 청색광과 노란색광의 각 편차도 매우 작아진다. 이로인해 제2 출광면(320)은 유광면으로 구성되어도 색분리가 거의 일어나지 않게 된다.

도10에 도시된 바와 같이, 광축(400)을 포함하는 어느 면에 의한 상기 엘이디 확산렌즈(20)의 단면 상에서, 상기 제1 출광면(310)의 외측 끝점을 P라고 하고, 점 P를 지나면서 광축(400)과 평행한 선을 L이라고 할 때, L과 평행하면서 광축(400)과 가까워 지는 방향으로 Δx 만큼 떨어진 선이 제1 출광면(310)과 만나는 점으로부터 P점까지의 높이 차이를 Δy1, L과 평행하면서 광축(400)과 멀어지는 방향으로 Δx 만큼 떨어진 선이 제2 출광면(320)과 만나는 점과 P점 사이의 높이 차이를 Δy2 라 하면, Δx

0 일 때, ┃Δy1┃ > ┃Δy2┃ 인 것을 만족한다.

또한, 제2 출광면(320)과 입광면(200)이 만드는 굴절능은 양의 굴절능(Positive Power)을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 출광면(320)은┃Δy1┃ > ┃Δy2┃과 양의 굴절능을 동시에 만족하면, 제1 출광면(310)에 의해 조명된 영역 보다 먼 곳에 빛을 보낼 수 있어, 보다 넓은 곳을 조명할 수 있게 된다.

보다 상세히는, 도11a에 도시된 바와 같이, 엘이디 확산렌즈(20)는 일반적으로 확산판과 확산반사시트가 함께 쓰인다. 제2 출광면(320)은 빛을 집광하여 확산반사시트를 향해 빛을 투사하여, 확산반사시트에 반사된 빛이 확산판에 조사되어, 확산판에 조사되는 조명의 면적을 넓힐 수 있다. 또한, 도11b에 도시된 바와 같이, 제2 출광면(320)을 적절히 조절하여, 제2 출광면(320)에서 출사한 빛을 확산판으로 직접 보내 확산판에 조사되는 면적을 넓힐 수도 있다.

한편, 도 12 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 변형의 예를 보인 도면이다. 도 12를 참조하면, 입광면(200)은 제1 입광면(210), 제2 입광면(220)으로 구성되고, 제1 입광면(210)으로 입사한 빛은 제1 출광면(310)을 통해 렌즈 외부로 빛을 출사 하고, 제2 입광면(220)으로 입사한 빛은 제2 출광면(320)을 통해 렌즈 외부로 빛을 출사 한다.

또한, 도 13을 참조하면, 제 2 출광면(320)은 2개의 면으로 나눠질 수 있고, 각기 나눠진 면은 다른 곳으로 빛을 출사 시킬 수 있다.

20: 엘이디 확산렌즈
100: 엘이디
200: 입광면
210: 제1 입광면
220: 제2 입광면
300: 출광면
310: 제1 출광면
320: 제2 출광면
400: 광축

Claims

엘이디 확산렌즈에 있어,
엘이디가 있고, 엘이디 상방에 위치하여 오목한 형상을 가져, 엘이디로부터 발산된 빛을 굴절시켜 출광면으로 빛을 전달하는 입광면, 입광면으로부터 전달 받은 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출사시키는 출광면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 엘이디 확산렌즈.
제1 항에 있어;
상기 출광면은 제1 출광면 및 제2 출광면으로 구성되고, 상기 제1 출광면은 위로 볼록한 형상을 가지고, 상기 제2 출광면은 제1 출광면의 외측 끝단과 연결되어, 하방으로 갈수록 직경이 커지는 형상을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엘이디 확산렌즈.
제2 항에 있어;
상기 제1 출광면은 무광면, 제2 출광면은 유광면 인것을 특징으로 하는 엘이디 확산 렌즈.
제1 및 2항에 있어;
광축을 포함하는 어느 면에 의한 상기 엘이디 확산렌즈의 단면 상에서, 상기 제1 출광면의 외측 끝점을 P라고 하고, 점 P를 지나면서 광축과 평행한 선을 L이라고 할 때, L과 평행하면서 광축과 가까워 지는 방향으로 Δx 만큼 떨어진 선이 제1 출광면과 만나는 점으로부터 P점까지의 높이 차이를 Δy1, L과 평행하면서 광축과 멀어지는 방향으로 Δx 만큼 떨어진 선이 제2 출광면과 만나는 점과 P점 사이의 높이 차이를 Δy2 라고 하면, Δx
0 일 때, ┃Δy1┃ > ┃Δy2┃ 인 것을 특징으로 하는 엘이디 확산렌즈.
제2 항에 있어;
광축과 60°의 각을 이루면서 엘이디로부터 출사한 빛이 출광면과 만나는 점과 상기 엘이디 렌즈의 바닥면으로부터의 높이를 H1,
광축과 80°의 각을 이루면서 엘이디로부터 출사한 빛이 출광면과 만나는 점과 상기 엘이디 렌즈의 바닥면으로부터의 높이를 H2라고 할 때, 상기 점 P와 바닥면으로 부터의 높이 HP는 H1 > HP > H2 인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 엘이디 확산렌즈.