WO2014098476A1 - 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치 - Google Patents

측면 방출형 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치 Download PDF

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WO2014098476A1
WO2014098476A1 PCT/KR2013/011818 KR2013011818W WO2014098476A1 WO 2014098476 A1 WO2014098476 A1 WO 2014098476A1 KR 2013011818 W KR2013011818 W KR 2013011818W WO 2014098476 A1 WO2014098476 A1 WO 2014098476A1
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WO
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emitting diode
lens
optical axis
light emitting
light
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PCT/KR2013/011818
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김성빈
김병욱
이문재
정재유
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주식회사 애니캐스팅
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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
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    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133602—Direct backlight
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to a lens for a side emitting type light emitting diode capable of reducing overall volume, a back light unit (BLU) and a display device having the same.
  • BLU back light unit
  • a display device used as a computer monitor or TV is provided with a liquid crystal display (LCD). Since the liquid crystal display does not emit light by itself, a separate light source is required. .
  • LCD liquid crystal display
  • a light source for a liquid crystal display a plurality of fluorescent lamps such as Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL) and External Electrode Fluorescent Lamp (EEFL) are used, or a plurality of Light Emitting Diodes (LEDs) are used.
  • CCFL Cold Cathode Fluorescent Lamp
  • EEFL External Electrode Fluorescent Lamp
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • Such a light source is provided with a light guide plate, a plurality of optical sheets, a reflecting plate, and the like in a back light unit (BLU).
  • BLU back light unit
  • the light emitting diode of the light source has a low power consumption, good durability and low manufacturing cost, attracting attention as the next generation light source.
  • the light tends to concentrate in a narrow area and diverge, and in order to apply it to a surface light source such as a display device, it is necessary to distribute the light evenly over a wide area.
  • Korean Patent No. 10-0639873 discloses a “side emitting light emitting diode and a lens suitable for it".
  • FIG. 1 is a view showing a lens according to the prior art.
  • the lens 1 As shown in FIG. 1, the lens 1 according to the prior art is composed of an incident surface, an image surface 2, and a side surface 3, and the incident surface is a convex surface 4, and incident surfaces 5 alternately connected to each other. ) And lower total reflection surfaces (6).
  • the light emitted from the LED 7 and incident on the convex surface 4 of the incident surface enters the upper surface 2 in a substantially perpendicular state through the convex surface 4, and enters the incident surfaces 5.
  • the height of the entire lens 1 becomes very large because the top surface 2 must be steeply inclined upward in order to totally reflect the light incident in a substantially vertical state. Accordingly, there is a problem that the overall volume of the lens 1 becomes very large. In addition, when the overall volume of the lens 1 is increased in this way, a material cost for manufacturing the lens 1 is increased, resulting in a problem of an increase in manufacturing cost.
  • the present invention is to solve the above problems, and provides a lens for a side emission type light emitting diode that can reduce the overall volume (volume).
  • the present invention provides a lens for a side-emitting light emitting diode that can improve the overall light efficiency by considering the light source of the light emitting diode as a surface light source instead of a point light source.
  • the lens for a side emission type light emitting diode is a side emitting type light emitting diode lens for emitting light emitted from a light emitting diode (LED) to the side, the light emitted from the light emitting diode is incident A bottom surface having an incident surface; An upper surface which totally reflects light that is directly incident on the light incident on the incident surface; And a side surface connecting the bottom surface and the upper surface, the light incident directly from the light incident on the incident surface and the light totally reflected from the upper surface exiting the incident surface, wherein the incident surface includes an optical axis of the light emitting diode.
  • LED light emitting diode
  • the backlight unit according to the present invention is a backlight unit (BLU) using a light emitting diode (Light Emitting Diode, LED) as a light source, the lens having the configuration described above on the light emitting diode is provided It is characterized by.
  • BLU backlight unit
  • LED Light Emitting Diode
  • the display device is a display device using a light emitting diode (LED) as a light source, wherein a lens having the above-described configuration is provided on the light emitting diode. It features.
  • LED light emitting diode
  • the height of the lens can be reduced by the center region of the incident surface, and the width of the lens can be reduced by the peripheral region of the incident surface.
  • the total volume of the lens can be reduced, thereby reducing the manufacturing cost by reducing the material cost.
  • the lens for a side emission type light emitting diode since the light source of the light emitting diode is considered as a surface light source instead of a point light source, there is an effect that can improve the overall light efficiency.
  • FIG. 1 is a vertical sectional view showing a lens according to the prior art
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing a lens for a side emitting light emitting diode according to an embodiment of the present invention
  • 3 to 5 are views for explaining embodiments of the upper surface
  • FIG. 11 is a vertical sectional view showing a lens according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view for explaining an example of the volume determination of the lens according to the present invention.
  • the present invention relates to a lens for a side emission type light emitting diode that can reduce the overall volume (volume) to reduce the material cost, and can improve the light efficiency by considering the light source of the light emitting diode as a surface light source.
  • the present invention also relates to a back light unit (BLU) and a display device including the light emitting diode lens.
  • BLU back light unit
  • other configurations of the backlight unit and the display device other than the lens for the light emitting diode according to the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, the detailed description thereof Omit.
  • Figure 2 is a vertical cross-sectional view showing a lens for a side emitting light emitting diode according to the present invention.
  • the lens 10 for side emitting light emitting diodes (LEDs) may connect the bottom surface 20, the top surface 30, and the bottom surface 20 and the top surface 30. Side 40.
  • the bottom surface 20 is provided with an incident surface 100 through which light emitted from a light emitting diode (LED) 11 is incident, and the incident surface 100 is formed at the center of the bottom surface 20. It may be made of the inner surface of the groove 21.
  • LED light emitting diode
  • the incident surface 100 is the upper incident surface 110 for injecting the light (L1, L2) emitted within the predetermined angle range with respect to the optical axis 12 of the light emitted from the LED 11 to the upper surface 30
  • the light incident from the LED 11 may be made of the side incident surface 120 for injecting the light (L3) other than the light incident on the upper incident surface 110 to the side surface 40.
  • the upper incident surface 110 includes an LED 11 optical axis 12 and a central region 112 that refracts the light emitted from the LED 11 in a direction away from the optical axis 12 and enters the upper surface 30.
  • the peripheral region 114 may be connected to the central region 112 and refracted by the LED 11 toward the optical axis 12 to be incident on the upper surface 30.
  • the central area 112 is a direction away from the optical axis 12 of the light L1 near the optical axis 12 among the light emitted from the LED 11, that is, the light L1 emitted to the center of the upper incidence plane 110.
  • the light is incident on the upper surface 30 by being refracted, and the peripheral area 114 is closer to the optical axis 12 with the light L2 emitted to the periphery of the upper incident surface 110 among the light emitted from the LED 11. Is refracted in the direction to enter the upper surface 30.
  • the side incident surface 120 connects the peripheral region 114 and the bottom surface 20 and refracts the light L3 incident to the upper incident surface 110 to enter the side surface 40.
  • Lens 10 according to the present invention having such a configuration, it is possible to reduce the height (H) of the lens 10 by the center region 112, the width (10) of the lens 10 by the peripheral region 114 ( W) can be reduced. Detailed description thereof will be described later.
  • the upper surface 30 may be provided to reflect light incident directly using a coating or a separate member, but is preferably optically designed to totally reflect incident light.
  • the side surface 40 is preferably optically designed to emit light directly incident to the outside of the lens 10. Detailed description thereof will be described later.
  • the upper surface 30 is symmetrically formed on the optical axis 12 of the LED 11 and enters the upper incident surface 110 of the incident surface 100, and then is refracted to directly enter the upper surface 30 (L1 and L2).
  • the side surface 40 is the total reflection of the light from the upper surface 30, and the light (L3) that is refracted after being incident to the side incident surface 120 directly enters the side surface (40) 10) It is a configuration to emit to the outside.
  • the side surface 40 may be formed in a shape inclined downward by a predetermined angle ⁇ toward the lower side.
  • the side surface 40 may be formed of an inclined surface that opens at a predetermined slope toward the upper direction based on the optical axis 12 of the LED 11 or may have a shape curved downward. Then, in the case of manufacturing the lens 10 by injection molding, the lower mold can be easily separated so that the manufacture can be easily made.
  • the light emitting diode lens is a transparent material with excellent transmittance such as glass, acrylic (Methylmethacrylate), PMMA (Polymethylmethacrylate), PC (Polycarbonate), PET (Poly Ethylen Terephthalate), and one-body by injection molding.
  • a plurality of molds are required when manufacturing the lens by injection molding.
  • the lens 10 according to the present invention has an upper mold because the side surface 40 is inclined inwardly. Injection molding is possible with only two molds and the lower mold, and the lower mold can be easily separated below.
  • the lens 10 according to the present invention may further include a leg 50 extending downward from a predetermined position of the bottom surface 20 to support the lens 10.
  • the upper surface 30 is preferably optically designed to totally reflect incident light.
  • embodiments of the upper surface 30 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
  • 3 is a view for explaining an embodiment of the upper surface.
  • 4 and 5 are views for explaining another embodiment of the upper surface.
  • the optical condition of the upper surface 30 according to FIGS. 4 and 5 is an applicable condition when considering the light source of the LED 11 as a surface light source instead of a point light source.
  • the lens 10 does not have a much larger volume than the LED 11, it is preferable to consider the LED 11 light source as the surface light source when designing the lens 10.
  • both ends of the LED 11 as well as light emitted from the center point of the LED 11, that is, the first reference point P1.
  • the light emitted from the points P2 and P3 should also be considered.
  • the light emitted from the end point P2 of the LED 11 on the same side as the arbitrary point P with respect to the optical axis 12 will be considered.
  • the angle ⁇ 1 formed by the light L5 incident to P) with the normal line 13 at the arbitrary point P diverges from the side end point P3 different from the first reference point P1 and is incident. It can be seen that less than.
  • the upper surface 30 is provided to totally reflect the incident light L5 diverging from the same side LED 11 end point P2, even if the LED 11 light source is considered as the surface light source, the upper surface 30 is the LED ( It is possible to totally reflect almost all the light emitted from 11) and incident on the upper surface 30.
  • the end point P2 of the LED 11 on the same side as the arbitrary point P on the upper surface 30 is defined as the second reference point P2 based on the optical axis 12.
  • the angle formed by the straight line connecting the arbitrary point P on the upper surface 30 and the second reference point P2 and the reference axis 15 is ⁇ 2 , the arbitrary point P on the upper surface 30.
  • the upper surface ( 30) may be configured to satisfy the condition ⁇ R 2 / (R 2 ⁇ 2 )> 1 / ⁇ (n 2 ⁇ 1).
  • the side surface 40 is also preferably optically designed to emit light that is incident directly outside the lens 10. Embodiments of this aspect 40 will now be described in detail with reference to the drawings.
  • FIG. 6 is a view for explaining an embodiment of the side.
  • a straight line connecting an arbitrary point P on the side surface 40 and the first reference point P1 may be used.
  • the angle formed by the horizontal axis 16 perpendicular to the optical axis 12 is ⁇ 3
  • the distance between any point P on the side surface 40 and the first reference point P1 is R 3
  • the increment of ⁇ 3 is ⁇ 3.
  • lens 10 for ⁇ 3 is ⁇ R 3 / (R 3 ⁇ 3 ) ⁇ 1 / ⁇ (n 2 -1 ) Can be configured to satisfy the condition.
  • 7 and 8 are views for explaining another embodiment of the side.
  • the optical condition of the side surface 40 according to FIGS. 7 and 8 is an applicable condition when considering the light source of the LED 11 as a surface light source instead of a point light source.
  • both ends of the LED 11 as well as light emitted from the center point of the LED 11, that is, the first reference point P1.
  • the light emitted from the points P2 and P3 should also be considered, in which case the light emitted from the end point P2 of the LED 11 on the same side as the arbitrary point P on the side 40 with respect to the optical axis 12 will be considered.
  • the angle ⁇ 2 of the light L6 incident at an arbitrary point P and the normal line 14 at the arbitrary point P is at the opposite end point P3 from the first reference point P1. It can be seen that it is larger than the incident by diverging.
  • the LED 11 light source is considered as a surface light source.
  • the side surface 40 may emit almost all of the light emitted from the LED 11 and directly incident on the side surface 40 to the outside of the lens 10.
  • the end point P2 of the LED 11 on the same side as an arbitrary point P on the side 42 with respect to the optical axis 12 is defined as the second reference point P2.
  • the angle formed by the straight line connecting the arbitrary point P on the side surface 42 and the second reference point P2 and the horizontal axis 16 perpendicular to the optical axis 12 is ⁇ 4 , on the side surface 40.
  • side 40 may be configured to satisfy the condition ⁇ R 4 / (R 4 ⁇ 4 ) ⁇ 1 / ⁇ (n 2 ⁇ 1).
  • the lens 10 according to the present invention can reduce the height (H) by the center region 112 of the incident surface 100, by the peripheral region 114 of the incident surface 100
  • the width W can be reduced.
  • FIG. 9 is a view for explaining the configuration and operation of the central region.
  • the angle formed with the optical axis 12 becomes larger when such light L1 is incident on the upper surface 30. Therefore, the inclination of the upper surface 30 for total reflection of the light L1 can be small.
  • the lens 10 according to the present invention can reduce the height of the lens 10 by approximately H by the central region 112.
  • the center region 112 is thus directed downward toward the further away from the optical axis 12 in order to deflect the light L1 incident at an arbitrary point P4 on the center region 112 in a direction away from the optical axis 12. It may be inclined in a direction away from the optical axis 12, in this case, the intersection point P5 of the central region 112 and the peripheral region 114 is the lowest end of the central region 112.
  • the central region 112 may be formed as a curve having a peak point at the optical axis 12 on the vertical cross section, and in another embodiment, a straight line inclined downward by a predetermined angle, a convex shape downward or upward. It may also be made in a convex shape.
  • an arbitrary inflection point P6 may exist on the central region 112 so that the central region 112 may be formed in the form of a smooth curve at the intersection point P5.
  • FIG. 10 is a view for explaining the configuration and operation of the peripheral region.
  • the direction in which the light L2 incident on the peripheral region 114 of the incident surface 100 at an arbitrary point P7 on the peripheral region 114 approaches the optical axis 12 (arrow direction).
  • the light L2 is incident on the upper surface 30 by refraction, the light L2 is closer to the optical axis 12 when the light L2 is incident on the upper surface 30, thereby reducing the width (or radius) of the lens 10. It becomes possible.
  • the point where the light L8 incident to the edge end point P8 of the peripheral region 114 is refracted at the end point P8 and enters the image surface 30 is the image surface 30 of the lens 10 according to the present invention.
  • the corner end point of the upper surface 30 is P9 'to P9.
  • the movement may reduce the width of the lens 10 by approximately W. Therefore, as the peripheral region 114 refracts more light L2 incident at an arbitrary point P7 of the peripheral region 114 in the direction closer to the optical axis 12, the width of the lens 10 is further reduced. In particular, the greater the angle of refraction toward the edge of the peripheral region 114, the more directly the width of the lens 10 can be reduced.
  • the peripheral region 114 is thus upwardly further away from the optical axis 12 in order to deflect the light L2 incident at an arbitrary point P7 on the central region 114 in a direction closer to the optical axis 12.
  • the peripheral region 114 may be formed in a curved upward direction as it moves away from the optical axis 12 on a vertical cross section, and in another embodiment, a straight or downwardly convex shape inclined upward at a predetermined angle. It may also be made.
  • the peripheral region 114 may have a shape in which the slope of the tangent line increases toward the edge, and as such, the increase rate of the upward slope toward the edge of the peripheral region 114 increases, that is, the slope of the tangent line increases.
  • the angle of refraction toward the optical axis 12 at the end point P8 of the peripheral region 114 is the maximum, and therefore, the width of the lens 10 can be directly reduced to the greatest extent.
  • FIG. 11 is a vertical sectional view showing a lens according to another embodiment of the present invention.
  • the lens 10 according to the present exemplary embodiment is inclined downward as the center region 112 moves away from the optical axis 12 on a vertical cross section, but in a straight line slope in a direction away from the optical axis 12.
  • Peripheral region 114 is inclined upward as the distance from the optical axis 12 on the vertical cross-section is inclined in a direction away from the optical axis 12, in this case the central region 112 and the peripheral region
  • the intersection point P5 of 114 is a discontinuous point, and becomes the lowest end of the upper incident surface 110.
  • the lens 10 according to the present invention is not limited by the specific shapes of the central region 112 and the peripheral region 114, and reduces the height H of the lens 10 and the width ( It can be made in any shape that can reduce W).
  • the peripheral region 114 is emitted from the LED 11 to the edge end point P8 of the peripheral region 114.
  • the incident light L9 must be made so as not to enter any other point of the peripheral region 114 in the middle thereof.
  • the light source of the LED 11 as a surface light source instead of a point light source, not only the light emitted from the first reference point P1, which is the center point of the LED 11, but also at both end points P2 and P3 of the LED 11.
  • the divergent light should also be considered, as shown in this figure, in this case the end point of the LED 11 located opposite to the end point P8 with respect to the edge end point P8 of the peripheral region 114 and the optical axis 12. If light L9 emitted from P3 enters the end point P8 and the optical path is not interfered by the peripheral region 114, the light emitted from the points P1 and P2 of the other LEDs 11 may be subjected to such a condition. You will be satisfied.
  • the position of the intersection point P5 of the peripheral region 114 and the central region 112, that is, the lowest end point P5 of the upper incident surface 110, is the edge end point P8 of the peripheral region 114 and the optical axis 12. It is preferably located on the imaginary straight line 17 connecting the end point P3 of the LED 11 located on the opposite side of the end point (P8), and the peripheral region 114 is also a virtual straight line It is preferably located above (17).
  • FIG. 13 is a view for explaining an example of determining a volume of a lens according to the present invention.
  • the lens 10 may be calculated by calculating a position of an upper edge end point P9 of the lens 10 according to the shape of the peripheral region 114. It is a figure explaining an example of determining the overall volume of the lens 10 by determining the width (or radius) of the lens 10.
  • the volume that is, the height and the width of the lens 10 according to the present invention may be determined by the central region 112 and the peripheral region 114 of the incident surface 100.
  • the light L9 diverging from the LED 11 and incident on the edge end point P8 of the peripheral region 114 is refracted to approach the optical axis 12 at the end point P8, and the refracted light L8.
  • the point reaching the upper surface 30 is the upper edge end point P9 of the lens 10. That is, the width (or radius) of the lens 10 is determined by the angle of refraction of the light L9 emitted from the LED 11 at the end point P8 of the peripheral region 114, and the angle of refraction is determined by the peripheral region.
  • the light L9 incident to the end point P8 of the peripheral region 114 is emitted from the first reference point P1 which is the center point of the LED 11 when the LED 11 is considered as a point light source.
  • the light may be light emitted from an end point P3 opposite to the end point P8 based on the optical axis 12. This will be described below in detail with reference to the drawings.
  • the refractive index of the material constituting the lens 10 is n, and the width (or radius) of the lens 10 is W 1 (that is, the lens from which the refracted light L8 from the optical axis 12 reaches the image plane 30).
  • Distance or radius from the upper edge end point P9 of (10)), the distance (width or radius) from the optical axis 12 to the edge end point P8 of the peripheral area 114, W 2 , peripheral area 114 The distance from the edge end point P8 of the lens 10 to the upper edge end point P9 of W 3 , the height of the lens 10 (ie, the height at the upper edge end point P9) of H 1 , region 114 to dissipate the height of the edge end points (P8) in H 2, the first reference point (P1) to each of the light (L9) that is incident to the end point (P8) forming the optical axis 12 of the ⁇ 1, ⁇ 1 'is the angle of incidence at which the light L9 is incident to the end point P8, and an angle at which
  • the width W 1 of the lens 10 is,
  • W 1 W 2 + (H 1 -H 2 ) ⁇ tan (sin -1 ((1 / n) ⁇ sin ( ⁇ 1 + ⁇ ))- ⁇ )
  • W 1 Width (or radius) of the lens 10 (that is, the upper edge end point P9 of the lens 10 in which the refracted light L8 reaches the image surface 30 from the optical axis 12).
  • Distance or radius W 2 : distance (width or radius) from the optical axis 12 to the end point P8, H 1 : height of the lens 10 (ie, at the upper edge end point P9).
  • the lens 10 may be formed in a substantially circular shape on a horizontal cross section, and the leg 50 may be formed from the LED 11 as shown in FIG. 14.
  • a plurality of predetermined distances may be provided at predetermined distances, and as shown in FIG. 15, the LEDs 11 may be continuously provided at a predetermined distance, that is, in a substantially circular band shape.
  • the present invention relates to a lens for a side emission type light emitting diode that can reduce the overall volume (volume) to reduce the material cost, and improve the light efficiency by considering the light source of the light emitting diode as a surface light source,
  • the embodiment may be changed in various forms. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments disclosed in the present specification, and all forms changeable by those skilled in the art to which the present invention pertains will belong to the scope of the present invention.

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Abstract

본 발명은 전체적인 볼륨(volume)을 줄여 재료비를 절감할 수 있으며, 발광다이오드의 광원을 면광원으로 고려하여 광효율을 향상시킬 수 있는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 관한 것이다. 본 발명에 따른 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈는 발광다이오드에서 발산하는 광이 입사하는 입사면이 구비되는 밑면; 상기 입사면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광을 반사시키는 상면; 및 상기 밑면과 상기 상면을 연결하며, 상기 입사면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광과 상기 상면에서 반사된 광이 출사하는 측면;을 포함하고, 상기 입사면은, 렌즈의 높이를 줄일 수 있도록 상기 발광다이오드에서 발산하는 광을 광축으로부터 멀어지는 방향으로 굴절시켜 상기 상면으로 입사시키는 중심영역과, 상기 중심영역에 연결되며, 상기 렌즈의 폭(또는, 반지름)을 줄일 수 있도록 상기 발광다이오드에서 발산하는 광을 광축에 가까워지는 방향으로 굴절시켜 상기 상면으로 입사시키는 주변영역을 포함한다.

Description

측면 방출형 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치
본 발명은 전체 볼륨(volume)을 감소시킬 수 있는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈와, 이를 구비하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU) 및 표시장치(display device)에 관한 것이다.
일반적으로 컴퓨터의 모니터나 TV 등으로 사용되는 표시 장치(display device)에는 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)가 구비되는데, 이러한 액정표시장치는 스스로 발광하지 못하기 때문에 별도의 광원을 필요로 한다.
액정표시장치용 광원으로는 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp), EEFL(External Electrode Fluorescent Lamp) 등과 같은 여러 개의 형광램프(fluorescent lamp)가 사용되거나 복수개의 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)가 사용되며, 이러한 광원은 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU)에 도광판, 복수의 광학 시트, 반사판 등과 함께 구비된다.
근래에는 이러한 광원 중 발광다이오드가 전력소모가 적고, 내구성이 좋으며 제조원가를 낮출 수 있어서, 차세대 광원으로 주목받고 있다. 그러나, 광원으로 발광다이오드를 사용하는 경우에는 빛이 좁은 영역으로 집중하여 발산하는 경향이 있어서, 이를 표시 장치와 같은 면 광원에 적용하기 위해서는 빛을 넓은 영역에 고르게 분포되도록 할 필요가 있다.
따라서 근래에는 이러한 기능을 수행하는 발광다이오드용 렌즈에 대한 연구가 활발히 진행 중이며, 이 중 대표적인 종래기술로는 미국등록특허 제6679621호에 "SIDE EMITTING LED LENS"가 개시되는데, 이러한 종래기술은 제조하기가 용이하지 않다는 문제가 있다.
또 다른 종래기술로서 한국등록특허 제10-0639873호(이하, '선행기술'이라 한다)에는 "측면 방출 발광 다이오드 및 그것에 적합한 렌즈"가 개시된다.
도 1은 선행기술에 따른 렌즈를 나타내는 도면이다.
도 1에서 보이는 바와 같이, 선행기술에 따른 렌즈(1)는 입사면과 상면(2) 및 측면(3)으로 이루어지며, 입사면은 볼록면(4), 교번하여 연결되는 입사면들(5)과 하부전반사면들(6)로 이루어진다.
따라서 엘이디(7)에서 발산하여 입사면의 볼록면(4)으로 입사하는 광은 볼록면(4)을 통해 대략 수직한 상태로 상면(2)으로 입사하며, 입사면들(5)로 입사하는 광은 하부전반사면들(6)을 통해 대략 수직한 상태로 상면(2)으로 입사한다. 그리고, 이와 같이 대략 수직한 상태로 상면(2)으로 입사한 광은 상면(2)에서 전반사되어 측면(3)을 통해 외부로 출사된다.
그러나, 선행기술에 따른 렌즈(1)와 같이, 상면(2)이 대략 수직한 상태로 입사하는 광을 전반사시키기 위해서는 상방으로 가파르게 경사져야 하기 때문에 렌즈(1) 전체의 높이가 매우 커지게 되며, 그에 따라 렌즈(1)의 전체적인 부피(volume)가 매우 커지는 문제가 있다. 또한, 이와 같이 렌즈(1)의 전체적인 부피가 커지게 되면, 이러한 렌즈(1)를 제조하기 위한 재료비가 증가하여 제조원가가 상승하는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전체 볼륨(volume)을 감소시킬 수 있는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈를 제공한다.
또한, 본 발명은 발광다이오드의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려하여 전체의 광효율을 향상시킬 수 있는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈를 제공한다.
본 발명에 따른 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈는 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)에서 발산하는 광을 측면으로 출사시키는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 있어서, 상기 발광다이오드에서 발산하는 광이 입사하는 입사면이 구비되는 밑면; 상기 입사면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광을 전반사시키는 상면; 및 상기 밑면과 상기 상면을 연결하며, 상기 입사면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광과 상기 상면에서 전반사된 광이 출사하는 측면;을 포함하고, 상기 입사면은, 상기 발광다이오드의 광축을 포함하며, 상기 렌즈의 높이를 줄일 수 있도록 상기 발광다이오드에서 발산하는 광을 상기 광축으로부터 멀어지는 방향으로 굴절시켜 상기 상면으로 입사시키는 중심영역과, 상기 중심영역에 연결되며, 상기 렌즈의 폭(또는, 반지름)을 줄일 수 있도록 상기 발광다이오드에서 발산하는 광을 상기 광축에 가까워지는 방향으로 굴절시켜 상기 상면으로 입사시키는 주변영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 백라이트유닛은 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 광원으로 사용하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU)에 있어서, 상기 발광다이오드 상부에 상술한 바와 같은 구성을 가지는 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 표시장치는 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 광원으로 사용하는 표시장치(display device)에 있어서, 상기 발광다이오드의 상부에 상술한 바와 같은 구성을 가지는 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 의하면, 입사면의 중심영역에 의해 렌즈의 높이를 줄일 수 있으며, 또한 입사면의 주변영역에 의해 렌즈의 폭을 줄일 수 있어서, 렌즈의 전체 볼륨(volume)을 줄일 수 있게 되어 재료비를 절감하여 제조원가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 의하면, 발광다이오드의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려하기 때문에, 전체적인 광효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 선행기술에 따른 렌즈를 나타내는 수직단면도이고,
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 측면 방출용 발광다이오드용 렌즈를 나타내는 수직단면도이고,
도 3 내지 5는 상면의 실시 예들을 설명하기 위한 도면이고,
도 6 내지 도 8은 측면의 실시 예들을 설명하기 위한 도면이고,
도 9는 중심영역의 구성 및 작용을 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 주변영역의 구성 및 작용을 설명하기 위한 도면이고,
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 렌즈를 나타내는 수직단면도이고,
도 12는 주변영역의 바람직한 조건을 설명하기 위한 도면이고,
도 13은 본 발명에 따른 렌즈의 부피 결정에 대한 일예를 설명하기 위한 도면이고,
도 14 및 도 15는 본 발명의 일실시 예에 따른 렌즈의 개략적인 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
한편, 첨부 도면에서, 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이며, 따라서 본 발명은 첨부도면에 도시된 상대적인 크기나 두께에 의해 제한되지 않는다.
본 발명은 전체적인 볼륨(volume)을 줄여 재료비를 절감할 수 있으며, 발광다이오드의 광원을 면광원으로 고려하여 광효율을 향상시킬 수 있는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 발광다이오드용 렌즈를 포함하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU) 및 표시장치(display device)에 관한 것이다. 다만 본 발명에 따른 발광다이오드용 렌즈를 제외한 백라이트유닛 및 표시장치의 다른 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 사항이므로, 본 명세서에서는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 측면 방출용 발광다이오드용 렌즈를 나타내는 수직단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 측면 방출용 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)용 렌즈(10)는 밑면(20), 상면(30) 및 밑면(20)과 상면(30)을 연결하는 측면(40)으로 이루어진다.
밑면(20)은 발광다이오드(LED, 이하 '엘이디'라 한다)(11)에서 발산하는 광이 입사하는 입사면(100)이 구비되며, 입사면(100)은 밑면(20)의 중심부에 형성된 홈부(21)의 내면으로 이루어질 수 있다.
또한, 입사면(100)은 엘이디(11)에서 발산하는 광 중 광축(12)을 기준으로 소정각도 범위 내로 발산하는 광(L1,L2)을 상면(30)으로 입사시키는 상부입사면(110)과, 엘이디(11)에서 발산하는 광 중 상부입사면(110)으로 입사하는 광 외의 광(L3)을 측면(40)으로 입사시키는 측부입사면(120)으로 이루어질 수 있다.
상부입사면(110)은 엘이디(11) 광축(12)을 포함하며 엘이디(11)에서 발산하는 광을 광축(12)으로부터 멀어지는 방향으로 굴절시켜 상면(30)으로 입사시키는 중심영역(112)과, 중심영역(112)에 연결되며 엘이디(11)에서 발산하는 광을 광축(12)에 가까워지는 방향으로 굴절시켜 상면(30)으로 입사시키는 주변영역(114)을 포함하여 이루어질 수 있다.
중심영역(112)은 엘이디(11)에서 발산하는 광 중 광축(12) 부근의 광(L1) 즉, 상부입사면(110)의 중심부로 발산하는 광(L1)을 광축(12)으로부터 멀어지는 방향으로 굴절시켜 상면(30)으로 입사시키는 것이며, 주변영역(114)은 엘이디(11)에서 발산하는 광 중 상부입사면(110)의 주변부로 발산하는 광(L2)을 광축(12)에 가까워지는 방향으로 굴절시켜 상면(30)으로 입사시키는 것이다. 측부입사면(120)은 주변영역(114)과 밑면(20)을 연결하며 상부입사면(110)으로 입사하는 광 외의 광(L3)을 굴절시켜 측면(40)으로 입사시키는 것이다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 렌즈(10)는, 중심영역(112)에 의해 렌즈(10)의 높이(H)를 줄일 수 있으며, 주변영역(114)에 의해 렌즈(10)의 폭(W)을 줄일 수 있게 된다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
상면(30)은 코팅 또는 별도의 부재를 이용하여 직접 입사하는 광을 반사시키도록 구비될 수도 있으나, 입사한 광을 전반사시키도록 광학적으로 설계됨이 바람직하다. 또한 측면(40)은 직접 입사한 광을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 광학적으로 설계됨이 바람직하다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
상면(30)은 엘이디(11)의 광축(12)에 대칭으로 이루어져 입사면(100)의 상부입사면(110)으로 입사한 후 굴절되어 상면(30)으로 직접 입사하는 광(L1,L2)을 광학적으로 전반사시키는 구성이며, 측면(40)은 상면(30)에서 전반사된 광과, 측부입사면(120)으로 입사한 후 굴절되어 측면(40)으로 직접 입사하는 광(L3)을 렌즈(10) 외부로 출사시키는 구성이다.
측면(40)은 하방으로 갈수록 내측으로 소정각도(θ) 기울어진 형상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 측면(40)은 엘이디(11)의 광축(12)을 기준으로 상방으로 갈수록 일정한 기울기로 벌어지는 경사면으로 이루어지거나 또는 하방으로 만곡된 형상으로 이루어질 수 있다. 그러면, 사출성형으로 렌즈(10)를 제작하는 경우에 하부금형이 쉽게 분리될 수 있어서 그 제조가 쉽게 이루어질 수 있게 된다.
발광다이오드용 렌즈는 유리, 아크릴(Methylmethacrylate), PMMA(Polymethylmethacrylate), PC(Polycarbonate), PET(Poly Ethylen Terephthalate) 등의 투과율이 우수한 투명한 물질로 사출성형(injection molding)에 의해 일체로(one-body) 제작됨이 일반적이며, 이와 같이 렌즈를 사출성형으로 제작시에는 다수의 금형이 필요하지만, 본 발명에 따른 렌즈(10)는 측면(40) 형상이 내측으로 기울어진 형태로 이루어지기 때문에 상부금형과 하부금형 2개의 금형만으로 사출성형이 가능하며, 또한 하부금형의 하방으로의 분리가 쉽게 이루어질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 렌즈(10)는 밑면(20)의 소정위치로부터 하방으로 연장되어 렌즈(10)를 지지하는 레그(50)를 더 포함할 수 있다.
한편, 상면(30)은 입사한 광을 전반사시키도록 광학적으로 설계됨이 바람직한데, 이하 도면을 참조하여 이러한 상면(30)의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 3은 상면의 일실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 엘이디(11)의 광축(12)과 엘이디(11)의 교점을 제1기준점(P1)으로 하였을 때, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)을 연결하는 직선과 광축(12)이 이루는 각을 α1, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)의 거리를 R1, 상기 α1의 증분을 Δα1, Δα1에 대한 R1의 증분(감소량 또는 증가량)을 ΔR1, 상면(30) 상의 임의의 점(P)에서의 법선(13)과 상기 직선 즉, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)을 연결하는 직선이 이루는 각을 β1, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 상면(30)은 ΔR1 / (R1Δα1) 〉 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
도 4 및 도 5는 상면의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서 설명된 실시 예와 달리, 도 4 및 도 5에 따른 상면(30)의 광학적 조건은 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때 적용가능한 조건이다. 실제로 렌즈(10)는 엘이디(11)보다 매우 큰 볼륨으로 이루어지지는 않기 때문에, 렌즈(10) 설계시 이와 같이 엘이디(11) 광원을 면광원으로 고려하여야 함이 바람직하다.
먼저, 도 4를 참조하면, 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때에는 엘이디(11)의 중심점 즉, 제1기준점(P1)에서 발산하는 광뿐만 아니라 엘이디(11)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 광도 고려하여야 하며, 이 경우 광축(12)을 기준으로 상기 임의의 점(P)과 같은 측의 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 광(L5)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(13)과 이루는 각(θ1)이, 제1기준점(P1)과 다른 측 끝점(P3)에서 발산하여 입사하는 경우보다 작음을 알 수 있다. 따라서 상면(30)이 같은 측 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 입사하는 광(L5)을 전반사하도록 구비된다면, 엘이디(11) 광원을 면광원으로 고려한다 하더라도 상면(30)은 엘이디(11)에서 발산하여 상면(30)으로 입사하는 거의 모든 광을 전반사시킬 수 있게 된다.
이러한 광학적 조건을 도 5를 참조하여 설명하면, 광축(12)을 기준으로 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 같은 측의 엘이디(11)의 끝점(P2)을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)을 연결하는 직선과 기준축(15)이 이루는 각을 α2, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)의 거리를 R2, 상기 α2의 증분을 Δα2, Δα2에 대한 R2의 증분을 ΔR2, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 상면(30)은 ΔR2 / (R2Δα2) 〉 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
마찬가지로, 측면(40)도 직접 입사한 광을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 광학적으로 설계됨이 바람직하다. 이하 도면을 참조하여 이러한 측면(40)의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 6은 측면의 일실시 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 광축(12)과 엘이디(11) 교점을 제1기준점(P1)으로 하였을 때, 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)을 연결하는 직선과 광축(12)과 수직한 수평축(16)이 이루는 각을 α3, 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)의 거리를 R3, 상기 α3의 증분을 Δα3, Δα3에 대한 R3의 증분을 ΔR3, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 측면(40)은 ΔR3 / (R3Δα3) 〈 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
도 7 및 도 8은 측면의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서 설명된 실시 예와 달리, 도 7 및 도 8에 따른 측면(40)의 광학적 조건은 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때 적용가능한 조건이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때에는 엘이디(11)의 중심점 즉, 제1기준점(P1)에서 발산하는 광뿐만 아니라 엘이디(11)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 광도 고려하여야 하며, 이 경우 광축(12)을 기준으로 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 같은 측의 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 광(L6)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(14)과 이루는 각(θ2)이, 제1기준점(P1)과 반대 측 끝점(P3)에서 발산하여 입사하는 경우보다 가장 큼을 알 수 있다. 따라서 측면(40)이 같은 측 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 입사하는 광(L6)을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 이루어진다면, 엘이디(11) 광원을 면광원으로 고려한다 하더라도 측면(40)은 엘이디(11)에서 발산하여 측면(40)으로 직접 입사하는 거의 모든 광을 렌즈(10) 외부로 출사시킬 수 있게 된다.
이러한 광학적 조건을 도 8을 참조하여 설명하면, 광축(12)을 기준으로 측면(42) 상의 임의의 점(P)과 같은 측의 엘이디(11)의 끝점(P2)을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 측면(42) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)을 연결하는 직선과 광축(12)과 수직한 수평축(16)이 이루는 각을 α4, 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)의 거리를 R4, 상기 α4의 증분을 Δα4, Δα4에 대한 R4의 증분을 ΔR4, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 측면(40)은 ΔR4 / (R4Δα4) 〈 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 렌즈(10)는 입사면(100)의 중심영역(112)에 의해 높이(H)를 줄일 수 있으며, 입사면(100)의 주변영역(114)에 의해 폭(W)을 줄일 수 있다. 이하 본 발명에 따른 렌즈(10)의 부피를 줄일 수 있는 이러한 중심영역(112)과 주변영역(114)의 구성 및 작용에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 9는 중심영역의 구성 및 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 9에서 보이는 바와 같이, 입사면(100)의 중심영역(112)이 엘이디(11)의 광축(12) 부근에서 발산하는 광(L1) 즉, 상부입사면(110)의 중심부로 발산하는 광(L1)을 광축(12)으로부터 멀어지는 방향(화살표방향)으로 굴절시켜 상면(30)으로 입사시키면, 이러한 광(L1)이 상면(30)으로 입사할 때 광축(12)과 이루는 각은 커지게 되며, 따라서 이러한 광(L1)을 전반사시키기 위한 상면(30)의 상방으로의 기울기는 작아질 수 있다. 반면, 선행기술과 같이 엘이디(11)에서 발산하여 광축(12)과 평행하게 대략 수직한 상태로 상면(30)으로 입사되면, 이러한 광(L7)을 전반사시키기 위한 상면(30)의 상방으로의 기울기는 매우 커져야 한다. 즉, 도면에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 렌즈(10)는 중심영역(112)에 의해 렌즈(10)의 높이를 대략 H 만큼 감소시킬 수 있게 된다.
중심영역(112)은 이와 같이 중심영역(112) 상의 임의의 점(P4)으로 입사하는 광(L1)을 광축(12)으로부터 멀어지는 방향으로 굴절시키기 위하여, 광축(12)으로부터 멀어질수록 하방으로 경사지되 광축(12)으로부터 멀어지는 방향으로 경사지는 형상으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 중심영역(112)과 주변영역(114)의 교차점(P5)은 중심영역(112)의 최하단이 된다.
예를들어, 도면에서 보이는 바와 같이 중심영역(112)은 수직단면상 광축(12)에서 피크점을 갖는 곡선으로 이루어질 수 있으며, 다른 실시 예로 하방으로 소정각도로 경사진 직선, 하방으로 볼록한 형상 또는 상방으로 볼록한 형상으로도 이루어질 수도 있다. 또한, 중심영역(112)은 교차점(P5)에서 부드러운(smooth) 곡선의 형태로 이루어질 수 있도록 중심영역(112) 상에는 임의의 변곡점(P6)이 존재할 수 있다.
도 10은 주변영역의 구성 및 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 10에서 보이는 바와 같이, 입사면(100)의 주변영역(114)이 주변영역(114) 상의 임의의 점(P7)으로 입사하는 광(L2)을 광축(12)에 가까워지는 방향(화살표방향)으로 굴절시켜 상면(30)으로 입사시키면, 이러한 광(L2)이 상면(30)으로 입사할 때 광축(12)에 보다 근접하게 되므로, 그만큼 렌즈(10)의 폭(또는, 반지름)을 줄일 수 있게 된다. 특히, 주변영역(114)의 가장자리 끝점(P8)으로 입사하는 광(L8)이 상기 끝점(P8)에서 굴절되어 상면(30)으로 입사하는 지점이 본 발명에 따른 렌즈(10)의 상면(30) 모서리 끝점(P9)을 이루게 되는데, 도면에서 보이는 바와 같이 주변영역(114)이 상기 광(L8)을 광축(12) 방향으로 굴절시키게 되면, 상기 상면(30) 모서리 끝점이 P9'에서 P9로 이동하게 되어 대략 W 만큼 렌즈(10)의 폭을 감소시킬 수 있게 된다. 따라서 주변영역(114)이 주변영역(114)의 임의의 점(P7)으로 입사하는 광(L2)을 광축(12)에 가까워지는 방향으로 많이 굴절시킬수록 렌즈(10)의 폭은 그만큼 더욱 줄어들 수 있게 되며, 특히 주변영역(114)의 가장자리로 갈수록 그 굴절각이 클수록 직접적으로 렌즈(10)의 폭을 줄일 수 있게 된다.
주변영역(114)은 이와 같이 중심영역(114) 상의 임의의 점(P7)으로 입사하는 광(L2)을 광축(12)에 가까워지는 방향으로 굴절시키기 위하여, 광축(12)으로부터 멀어질수록 상방으로 경사지되 광축(12)으로부터 멀어지는 방향으로 경사지는 형상으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 중심영역(112)과 주변영역(114)의 교차점(P5)은 중심영역(112)의 최하단임과 동시에 주변영역(114)의 최하단이 된다. 즉, 교차점(P5)은 상부입사면(110)의 최하단이 된다.
예를들어, 도면에서 보이는 바와 같이 주변영역(114)은 수직단면상 광축(12)으로부터 멀어질수록 상방을 향하는 곡선으로 이루어질 수 있으며, 다른 실시 예로 상방으로 소정각도로 경사진 직선 또는 하방으로 볼록한 형상으로도 이루어질 수도 있다. 바람직하게, 주변영역(114)은 가장자리로 갈수록 접선의 기울기가 증가하는 형상으로 이루어질 수 있으며, 이와 같이 주변영역(114)의 가장자리로 갈수록 상방을 향하는 기울기의 증가율 즉, 접선의 기울기가 커지는 형태로 이루어지면, 주변영역(114)의 끝점(P8)에서의 광축(12) 방향으로의 굴절각이 가장 최대가 되며, 따라서 렌즈(10)의 폭을 직접적으로 가장 크게 줄일 수 있게 되므로 바람직하다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 렌즈를 나타내는 수직단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 실시 예에 따른 렌즈(10)는 중심영역(112)이 수직단면상 광축(12)으로부터 멀어질수록 하방으로 경사지되 광축(12)으로부터 멀어지는 방향으로 경사진 직선의 형태로 이루어지며, 주변영역(114)은 수직단면상 광축(12)으로부터 멀어질수록 상방으로 경사지되 광축(12)으로부터 멀어지는 방향으로 경사진 직선의 형태로 이루어지며, 이 경우 중심영역(112)과 주변영역(114)의 교차점(P5)은 불연속한 점으로써, 상부입사면(110)의 최하단이 된다. 다만, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 렌즈(10)는 중심영역(112)과 주변영역(114)의 구체적인 형상에 의해서 한정하지 않으며, 렌즈(10)의 높이(H)를 줄이고, 폭(W)을 줄일 수 있는 어떠한 형상으로도 이루어질 수 있다.
도 12는 주변영역의 바람직한 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 엘이디(11)에서 발산하는 광의 손실을 줄이고 원하는 대로 제어가능하게 하기 위해서는, 주변영역(114)은 엘이디(11)에서 발산하여 주변영역(114)의 가장자리 끝점(P8)으로 입사하는 광(L9)이 그 중간에 주변영역(114)의 다른 임의의 점으로 입사하지 않도록 이루어져야 한다. 특히, 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때에는 엘이디(11)의 중심점인 제1기준점(P1)에서 발산하는 광뿐만 아니라 엘이디(11)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 광도 고려하여야 하며, 도면에서 보이는 바와 같이, 이 경우 주변영역(114)의 가장자리 끝점(P8)과 광축(12)을 기준으로 상기 끝점(P8)의 반대측에 위치하는 엘이디(11)의 끝점(P3)에서 발산하는 광(L9)이 상기 끝점(P8)으로 입사하는 광로가 주변영역(114)에 의해 간섭받지 않으면 다른 엘이디(11)의 점(P1,P2)에서 발산하는 광도 그러한 조건을 만족하게 된다.
따라서, 주변영역(114)과 중심영역(112)의 교차점(P5)의 위치 즉, 상부입사면(110)의 최하단점(P5)은 주변영역(114)의 가장자리 끝점(P8)과 광축(12)을 기준으로 상기 끝점(P8)의 반대측에 위치하는 엘이디(11)의 끝점(P3)을 연결하는 가상의 직선(17) 위에 위치함이 바람직하며, 또한 주변영역(114)도 상기 가상의 직선(17) 위에 위치함이 바람직하다.
도 13은 본 발명에 따른 렌즈의 부피 결정에 대한 일예를 설명하기 위한 도면으로서, 주변영역(114)의 형상에 따른 렌즈(10)의 상부 테두리 끝점(P9)의 위치를 계산하여 렌즈(10)의 폭(또는, 반지름)를 결정함으로써, 렌즈(10)의 전체적인 부피를 결정하는 일예를 설명하는 도면이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 렌즈(10)의 부피 즉, 높이와 폭은 입사면(100)의 중심영역(112)과 주변영역(114)에 의해 결정될 수 있다. 특히 엘이디(11)에서 발산하여 주변영역(114)의 가장자리 끝점(P8)으로 입사한 광(L9)은 상기 끝점(P8)에서 광축(12)에 가까워지도록 굴절되고, 상기 굴절된 광(L8)이 상면(30)에 도달하는 지점이 바로 렌즈(10)의 상부 테두리 끝점(P9)이 된다. 즉, 엘이디(11)에서 발산하는 광(L9)이 주변영역(114)의 끝점(P8)에서 굴절되는 굴절각에 따라 렌즈(10)의 폭(또는, 반지름)이 결정되며, 이러한 굴절각은 주변영역(114)의 끝점(P8)에서의 형상에 따라 달라지게 된다. 여기서, 상기 주변영역(114)의 끝점(P8)으로 입사한 광(L9)은, 엘이디(11)를 점광원으로 고려하는 경우에는 엘이디(11)의 중심점인 제1기준점(P1)에서 발산하는 광이며, 엘이디(11)를 면광원으로 고려하는 경우에는 광축(12)을 기준으로 상기 끝점(P8)과 반대측의 끝점(P3)에서 발산하는 광일 수 있다. 이하 이에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n, 렌즈(10)의 폭(또는, 반지름)을 W1(즉, 광축(12)으로부터 상기 굴절된 광(L8)이 상면(30)에 도달된 렌즈(10)의 상부 테두리 끝점(P9)까지의 거리 또는 반지름), 광축(12)에서 상기 주변영역(114)의 가장자리 끝점(P8)까지 거리(폭 또는 반지름)를 W2, 주변영역(114)의 가장자리 끝점(P8)에서 렌즈(10)의 상부 테두리 끝점(P9)까지의 거리를 W3, 렌즈(10)의 높이(즉, 상기 상부 테두리 끝점(P9)에서의 높이)를 H1, 주변영역(114)의 가장자리 끝점(P8)에서의 높이를 H2, 제1기준점(P1)에서 발산하여 상기 끝점(P8)으로 입사하는 광(L9)이 광축(12)과 이루는 각을 θ1, 상기 광(L9)이 상기 끝점(P8)으로 입사하는 입사각을 θ1', 상기 끝점(P8)에서의 법선(18)이 광축(12)과 평행한 가상의 수직선(19)과 이루는 각을 α, 상기 입사한 광(L9)이 상기 끝점(P8)에서 굴절된 광(L8)이 상기 수직선(19)과 이루는 각을 θ2, 상기 광(L8)이 상기 끝점(P8)에 굴절된 굴절각을 θ2' 이라 하면, 다음 식을 만족한다.
W1 = W2 + W3
tanθ2 = W3/(H1-H2) --> W3 = (H1-H2)×tanθ2
n×sinθ'2 ＝ sinθ'1 (θ'1=θ1+α, θ'2=θ2+α)
--> θ2 = sin-1((1/n)×sin(θ1+α)) - α
따라서, 상기 식들을 정리하면, 렌즈(10)의 폭 W1은,
W1 = W2 + (H1 - H2)×tan(sin-1((1/n)×sin(θ1+α)) - α)
이 된다.
(단, W1: 렌즈(10)의 폭(또는, 반지름)(즉, 광축(12)으로부터 상기 굴절된 광(L8)이 상면(30)에 도달된 렌즈(10)의 상부 테두리 끝점(P9)까지의 거리 또는 반지름), W2: 광축(12)에서 상기 끝점(P8)까지 거리(폭 또는 반지름), H1: 렌즈(10)의 높이(즉, 상기 상부 테두리 끝점(P9)에서의 높이), H2: 주변영역(114)의 끝점(P8)에서의 높이, n: 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률, θ1: 광축(12)과 엘이디(11)의 교점(P1)(또는, 광축(12)을 기준으로 상기 끝점(P8)과 반대측의 엘이디(11) 끝점(P2))에서 발산하여 상기 끝점(P8)으로 입사하는 광(L9)이 광축(12)과 이루는 각, α:주변영역(114)의 가장자리 끝점(P8)에서의 법선(18)이 광축(12)과 평행한 가상의 수직선(19)과 이루는 각)
도 14 및 도 15는 본 발명의 일실시 예에 따른 렌즈의 개략적인 평면도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 렌즈(10)는 수평단면상 대략 원형의 형상으로 이루어질 수 있으며, 레그(50)는 도 14에서 보이는 바와 같이, 엘이디(11)로부터 일정한 거리에 소정각도 간격으로 복수개 구비될 수도 있으며, 도 15에서 보이는 바와 같이, 엘이디(11)로부터 일정한 거리에 연속적으로 즉, 대략 원형의 띠 형상으로 구비될 수도 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전체적인 볼륨(volume)을 줄여 재료비를 절감할 수 있으며, 발광다이오드의 광원을 면광원으로 고려하여 광효율을 향상시킬 수 있는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 관한 것으로서, 그 실시 형태는 다양한 형태로 변경가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 개시된 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경 가능한 모든 형태도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

Claims (17)

  1. 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)에서 발산하는 광을 측면으로 출사시키는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 있어서,
    상기 발광다이오드에서 발산하는 광이 입사하는 입사면이 구비되는 밑면;
    상기 입사면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광을 반사시키는 상면; 및
    상기 밑면과 상기 상면을 연결하며, 상기 입사면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광과 상기 상면에서 전반사된 광이 출사하는 측면;을 포함하고,
    상기 입사면은,
    상기 발광다이오드의 광축을 포함하며, 상기 렌즈의 높이를 줄일 수 있도록 상기 발광다이오드에서 발산하는 광을 상기 광축으로부터 멀어지는 방향으로 굴절시켜 상기 상면으로 입사시키는 중심영역과,
    상기 중심영역에 연결되며, 상기 렌즈의 폭(또는, 반지름)을 줄일 수 있도록 상기 발광다이오드에서 발산하는 광을 상기 광축에 가까워지는 방향으로 굴절시켜 상기 상면으로 입사시키는 주변영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 광축과 상기 발광다이오드의 교점을 제1기준점(P1)으로 하였을 때, 상기 상면 상의 임의의 점과 상기 제1기준점(P1)을 연결하는 직선과 상기 광축이 이루는 각을 α1, 상기 상면 상의 임의의 점과 상기 제1기준점(P1)의 거리를 R1, 상기 α1의 증분을 Δα1, Δα1에 대한 R1의 증분을 ΔR1, 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면,
    상기 상면은 ΔR1 / (R1Δα1) 〉 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 광축을 기준으로 상기 상면 상의 임의의 점과 같은 측의 상기 발광다이오드의 끝점을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 상기 상면 상의 임의의 점과 상기 제2기준점(P2)을 연결하는 직선과 상기 광축과 평행한 가상의 기준축이 이루는 각을 α2, 상기 상면 상의 임의의 점과 상기 제2기준점(P2)의 거리를 R2, 상기 α2의 증분을 Δα2, Δα2에 대한 R2의 증분을 ΔR2, 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면,
    상기 상면은 ΔR2 / (R2Δα2) 〉 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 광축과 상기 발광다이오드의 교점을 제1기준점(P1)으로 하였을 때, 상기 측면 상의 임의의 점과 상기 제1기준점(P1)을 연결하는 직선과 상기 광축과 수직한 수평축이 이루는 각을 α3, 상기 측면 상의 임의의 점과 상기 제1기준점(P1)의 거리를 R3, 상기 α3의 증분을 Δα3, Δα3에 대한 R3의 증분을 ΔR3, 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면,
    상기 측면은 ΔR3 / (R3Δα3) 〈 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 광축을 기준으로 상기 측면 상의 임의의 점과 같은 측의 상기 발광다이오드의 끝점을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 상기 측면 상의 임의의 점과 상기 제2기준점(P2)을 연결하는 직선과 상기 광축과 수직한 수평축이 이루는 각을 α4, 상기 측면 상의 임의의 점과 상기 제2기준점(P2)의 거리를 R4, 상기 α4의 증분을 Δα4, Δα4에 대한 R4의 증분을 ΔR4, 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면,
    상기 측면은 ΔR4 / (R4Δα4) 〈 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 측면은 상기 발광다이오드의 광축과 평행하거나 또는 내측으로 기울어진 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 밑면의 소정위치로부터 하방으로 연장되어 상기 렌즈를 지지하는 레그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심영역은 상기 광축으로부터 멀어질수록 하방으로 경사지되 상기 광축으로부터 멀어지는 방향으로 경사지는 형상으로 이루어지며, 상기 주변영역은 상기 광축으로부터 멀어질수록 상방으로 경사지되 상기 광축으로부터 멀어지는 방향으로 경사지는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 중심영역은 수직단면상 상기 광축에서 피크점을 갖는 곡선으로 이루어지고, 상기 주변영역은 수직단면상 상기 광축으로부터 멀어질수록 상방을 향하는 곡선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 중심영역은 수직단면상 상기 광축으로부터 멀어질수록 하방으로 경사지되 상기 광축으로부터 멀어지는 방향으로 경사진 직선의 형태로 이루어지며, 상기 주변영역은 수직단면상 상기 광축으로부터 멀어질수록 상방으로 경사지되 상기 광축으로부터 멀어지는 방향으로 경사진 직선의 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심영역과 상기 주변영역의 교차점 및 상기 주변영역은 상기 주변영역의 가장자리 끝점과 상기 광축을 기준으로 상기 가장자리 끝점의 반대측에 위치하는 상기 발광다이오드의 끝점을 연결하는 가상의 직선 위에 위치하는 것을 특징으로 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광축과 상기 발광다이오드의 교점에서 발산하여 상기 주변영역의 가장자리 끝점으로 입사한 광이 상기 주변영역의 가장자리 끝점에서 굴절되어 상기 상면에 도달하는 지점은 수직단면상 상기 상면 테두리 끝점인 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광축을 기준으로 상기 주변영역의 가장자리 끝점과 반대측의 상기 발광다이오드 끝점에서 발산하여 상기 주변영역의 가장자리 끝점으로 입사한 광이 상기 주변영역의 가장자리 끝점에서 굴절되어 상기 상면에 도달하는 지점은 수직단면상 상기 상면 테두리 끝점인 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    수직단면상 상기 광축으로부터 상기 상면 테두리 끝점까지의 거리(또는 반지름)를 W1라 할 때,
    W1 = W2 + (H1 - H2)×tan(sin-1((1/n)×sin(θ1+α)) - α)
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
    (단, W2: 상기 광축에서 상기 주변영역의 가장자리 끝점까지 거리(폭 또는 반지름), H1: 상기 렌즈의 높이(또는, 상기 상면 테두리 끝점에서의 높이), H2: 상기 주변영역의 가장자리 끝점에서의 높이, n: 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률, θ1: 상기 광축과 상기 발광다이오드의 교점에서 발산하여 상기 주변영역의 가장자리 끝점으로 입사하는 광이 상기 광축과 이루는 각, α: 상기 주변영역의 가장자리 끝점에서의 법선이 상기 광축과 평행한 가상의 수직선과 이루는 각)
  15. 제 1 항에 있어서,
    수직단면상 상기 광축으로부터 상기 상면 테두리 끝점까지의 거리(또는 반지름)를 W1라 할 때,
    W1 = W2 + (H1 - H2)×tan(sin-1((1/n)×sin(θ1+α)) - α)
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
    (단, W2: 상기 광축에서 상기 주변영역의 가장자리 끝점까지 거리(폭 또는 반지름), H1: 상기 렌즈의 높이(또는, 상기 상면 테두리 끝점에서의 높이), H2: 상기 주변영역의 가장자리 끝점에서의 높이, n: 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률, θ1: 상기 광축을 기준으로 상기 주변영역의 가장자리 끝점과 반대측의 상기 발광다이오드 끝점에서 발산하여 상기 주변영역의 가장자리 끝점으로 입사하는 광이 상기 광축과 이루는 각, α: 상기 주변영역의 가장자리 끝점에서의 법선이 상기 광축과 평행한 가상의 수직선과 이루는 각)
  16. 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 광원으로 사용하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU)에 있어서,
    상기 발광다이오드의 상부에 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 발광다이오드용 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.
  17. 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 광원으로 사용하는 표시장치(display device)에 있어서,
    상기 발광다이오드의 상부에 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 발광다이오드용 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 표시장치.
PCT/KR2013/011818 2012-12-18 2013-12-18 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치 WO2014098476A1 (ko)

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