WO2014107075A1 - 측면 방출형 엘이디 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치 - Google Patents

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

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Abstract

본 발명은 엘이디에서 발산하는 빛을 측면으로 방출시키는 측면 방출형 엘이디 렌즈와, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 엘이디칩에서 발산한 빛을 측면으로 전반사시키는 반사면을 형성함에 있어서, 상면에 반사코팅없이 상면이 입사한 빛을 전반사시키도록 형성하면서도 상면에서 전반사되지 않고 상면을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있는 측면 방출형 엘이디 렌즈에 관한 것이다.

Description

측면 방출형 엘이디 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치
본 발명은 엘이디에서 발산하는 빛을 측면으로 방출시키는 측면 방출형 엘이디 렌즈와, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치에 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 엘이디(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 엘이디가 전력소모가 적고, 내구성이 좋으며 제조원가를 낮출 수 있어서, 차세대 광원으로 주목받고 있다. 그러나, 광원으로 엘이디를 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 엘이디 렌즈에 대한 연구가 활발히 진행 중이며, 이 중 대표적인 종래기술로는 미국등록특허 제6679621호에 "SIDE EMITTING LED LENS"가 개시된다.
이러한 측면방출형 엘이디 렌즈는 엘이디에서 발산하는 빛을 측면으로 방출시키는 렌즈로서, 엘이디에서 발산하여 렌즈 내부로 입사한 빛을 측면으로 반사시키는 반사면이 구비되는데, 반사면은 상면을 반사코팅하여 형성하거나 또는 상면이 입사한 빛을 전반사시키도록 형성할 수도 있다.
그러나 반사면을 상면에 반사코팅하여 형성하는 경우에는 투명한 물질로 사출성형으로 렌즈를 제작한 후 상면에 별도로 반사코팅하여야 한다는 점에서 제조원가가 상승하는 문제가 있으며, 반사코팅없이 상면이 입사한 빛을 전반사시키도록 형성시키는 경우에는 상면에서 전반사되지 않고 상면을 통해 상부로 방출되는 빛이 많아지게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 반사면을 형성함에 있어서 상면에 반사코팅없이 상면이 입사한 빛을 전반사시키도록 형성하면서도 상면에서 전반사되지 않고 상면을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있는 측면 방출형 엘이디 렌즈를 제공한다.
본 발명에 따른 측면 방출형 엘이디 렌즈는 면광원으로 빛을 발산하는 엘이디칩(LED chip)에서 나오는 빛을 측면으로 방출시키는 측면 방출형 엘이디 렌즈에 있어서, 상기 엘이디칩에서 발산하는 빛이 입사하는 입사면이 구비되는 밑면; 상기 입사면으로 입사한 빛 중 직접 입사하는 빛을 전반사시키도록 형성되는 상면; 및 상기 밑면과 상기 상면을 연결하며, 상기 상면에서 전반사된 빛과 상기 입사면으로 입사한 빛 중 직접 입사하는 빛을 상기 렌즈 외부로 출사시키도록 형성되는 측면;을 포함하고, 상기 상면은 상기 엘이디칩의 광축을 기준으로 상기 상면 상의 임의의 점과 같은 측에 존재하는 상기 엘이디칩의 발광면의 끝점에서 발산하여 상기 상면 상의 임의의 점으로 입사하는 빛을 상기 측면으로 전반사시키도록 형성될 수 있다.
다른 측면에서의 본 발명에 따른 측면 방출형 엘이디 렌즈는 입체광원으로 빛을 발산하는 엘이디칩(LED chip)에서 나오는 빛을 측면으로 방출시키는 측면 방출형 엘이디 렌즈에 있어서, 상기 엘이디칩에서 발산하는 빛이 입사하는 입사면이 구비되는 밑면; 상기 입사면으로 입사한 빛 중 직접 입사하는 빛을 전반사시키도록 형성되는 상면; 및 상기 밑면과 상기 상면을 연결하며, 상기 상면에서 전반사된 빛과 상기 입사면으로 입사한 빛 중 직접 입사하는 빛을 상기 렌즈 외부로 출사시키는 측면;을 포함하고, 상기 상면은 상기 엘이디칩의 광축을 기준으로 상기 상면 상의 임의의 점과 같은 측에 존재하는 상기 엘이디칩의 측면 하부 끝점에서 발산하여 상기 상면 상의 임의의 점으로 입사하는 빛을 상기 측면으로 전반사시키도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 백라이트유닛은 상기 엘이디칩(LED chip)을 광원으로 사용하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU)에 있어서, 상기 엘이디칩 상부에 상술한 바와 같은 구성을 가지는 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 표시장치는 상기 엘이디칩(LED chip)을 광원으로 사용하는 표시장치(display device)에 있어서, 상기 엘이디칩 상부에 상술한 바와 같은 구성을 가지는 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 측면 방출형 엘이디 렌즈는 렌즈 내부로 입사한 빛을 측면으로 전반사시키도록 상면을 형성함에 있어서 엘이디칩(LED chip)에서 발산하는 빛을 점광원(point source)이 아닌 면광원(flat source) 또는 입체광원(volume source)으로 고려하여 형성하기 때문에 그 만큼 상면을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 측면 방출형 엘이디 렌즈는 렌즈 내부로 입사한 빛을 측면으로 전반사시키도록 상면을 형성함에 있어서 엘이디칩에서 발산하여 렌즈 내부로 입사하는 입사면의 형상을 고려하여 형성하기 때문에 그 만큼 상면을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 측면 방출형 엘이디 렌즈를 나타내는 수직단면도이고,
도 2는 종래의 측면 방출형 엘이디 렌즈의 상면이 입사한 빛을 전반사시키도록 형성되는 상태를 나타내는 도면이고,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 렌즈에서와 같이 엘이디칩에서 발산하는 빛을 면광원으로 고려한 경우의 상면 조건을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 입사면의 형상을 고려한 상면의 조건을 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 상면에 발광면을 가지는 엘이디칩의 일실시 예를 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 7은 입체광원의 엘이디칩을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 8은 엘이디칩에서 발산하는 빛을 입체광원으로 고려한 경우의 상면 조건을 설명하는 도면이고,
도 9 및 도 10은 엘이디칩에서 발산하는 빛을 면광원으로 고려한 경우의 측면 조건을 설명하기 위한 도면이고,
도 11은 엘이디칩에서 발산하는 빛을 입체광원으로 고려한 경우의 측면 조건을 설명하기 위한 도면이다.
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 엘이디칩(LED chip)에서 발산한 빛을 측면으로 방출시키는 반사면을 형성함에 있어서 상면에 반사코팅없이 상면이 입사한 빛을 전반사시키도록 형성하면서도 상면에서 전반사되지 않고 상면을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있는 측면 방출형 엘이디 렌즈에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 엘이디 렌즈를 포함하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU) 및 표시장치(display device)에 관한 것이다. 다만 본 발명에 따른 엘이디 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 1은 본 발명에 따른 측면 방출용 엘이디 렌즈를 나타내는 수직단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 측면 방출용 엘이디(Light Emitting Diode, LED) 렌즈(10)는 밑면(20), 상면(30) 및 밑면(20)과 상면(30)을 연결하는 측면(40)으로 이루어진다.
밑면(20)은 회로기판(circuit board)(9) 상에 장착된 엘이디칩(LED chip)(11)에서 발산하는 빛이 렌즈(10) 내부로 입사하는 입사면(100)이 구비되며, 입사면(100)은 밑면(20)의 중심부에 형성된 홈부(21)의 내면으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 홈부(21)의 내면으로 이루어지는 입사면(100)의 형상은 도 1에서 보이는 바와 같이, 엘이디칩(11)에서 발산하는 빛이 굴절없이 그대로 렌즈(10) 내부로 입사하도록 대략 원형의 형상으로 이루어질 수도 있으나, 본 발명은 그에 한정하는 것은 아니며, 엘이디칩(11)에서 발산하는 빛이 굴절되어 렌즈(10) 내부로 입사하도록 입사면(100)의 형상은 다양한 형태로 이루어질 수도 있다.
상면(30)은 엘이디칩(11)에서 발산하여 입사면(100)을 통해 렌즈(10) 내부로 입사한 빛 중 상면(30)으로 직접 입사하는 빛(L1)을 측면(40)으로 전반사시키도록 형성되며, 측면(40)은 상면(30)에서 전반사된 빛(L2)이 렌즈(10) 외부로 출사되도록 형성된다. 특히 측면(40)은 엘이디칩(11)에서 발산하여 입사면(100)을 통해 렌즈(10) 내부로 입사한 빛 중 측면(40)으로 직접 입사하는 빛(L3)을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 형성된다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
또한 측면(40)은 상방으로 갈수록 광축(12)을 기준으로 소정각도(θ) 벌어지는 형상으로 이루어지거나 또는 하방으로 갈수록 광축(12)을 기준으로 소정각도(θ) 벌어지는 형상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 보이는 바와 같이 측면(40)은 광축(12)을 기준으로 상방으로 갈수록 일정한 기울기(θ)로 벌어지는 경사면으로 이루어질 수도 있으며, 또는 도면에는 도시되지 않지만 하방으로 만곡된 형상으로 이루어지거나, 광축(12)을 기준으로 하방으로 갈수록 일정한 기울기로 벌어지는 경사면으로 이루어질 수도 있으며, 상방으로 만곡된 형상으로도 이루어질 수 있다. 즉, 측면(40)은 광축(12)을 기준으로 상방으로든 하방으로든 어느 한 방향으로 벌어지는 형태로 이루어질 수 있는데, 그러면 사출성형으로 렌즈(10)를 제작하는 경우에 하부금형이 쉽게 분리될 수 있어서 그 제조가 쉽게 이루어질 수 있게 된다.
일반적으로, 엘이디 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) 제작될 수 있으며, 이와 같이 렌즈를 사출성형으로 제작시에는 다수의 금형이 필요하지만, 본 발명에 따른 렌즈(10)는 측면(40) 형상이 광축(12)을 기준으로 상방으로든 하방으로든 어느 한 방향으로 벌어지는 형태로 이루어지기 때문에 상부금형과 하부금형 2개의 금형만으로 사출성형이 가능하며, 또한 상부금형의 상방으로의 분리 및 하부금형의 하방으로의 분리가 쉽게 이루어질 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 렌즈(10)는 밑면(20)의 소정위치로부터 하방으로 연장되어 회로기판(9) 상에 결합됨에 따라 렌즈(10)를 지지하는 레그(50)를 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 상면(30)은 엘이디칩(11)에서 발산하여 입사면(100)으로 입사한 빛 중 직접 입사하는 빛(L1)을 측면(40)으로 전반사시키도록 형성되는데, 이하에서는 이러한 상면(30)에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 종래의 측면방출형 엘이디 렌즈의 상면이 입사한 빛을 전반사시키도록 형성되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 2에서 보이는 바와 같이, 종래의 측면방출형 엘이디 렌즈(1)는 상면(30)이 직접 입사하는 빛(L1)을 측면(40)으로 전반사시키도록 형성함에 있어서, 엘이디칩(11)에서 발산하는 빛을 점광원(one point source) 즉, 엘이디칩(11)과 광축(12)이 만나는 교점인 제1기준점(P1)에서 발산하는 빛에 대해서만 전반사시키도록 형성되었다.
그러나 본 발명에 따른 측면방출형 엘이디 렌즈(10)의 볼륨은 엘이디칩(11)보다 매우 크게 이루어지지 않기 때문에, 종래에서와 같이 엘이디칩(11)에서 발산하는 빛을 점광원으로 가정하여 제1기준점(P1)에서 발산하는 빛에 대해서만 상면(30)이 전반사시키도록 형성하는 경우에는 그 만큼 상면(30)에서 전반사되지 않고 상면(30)을 통해 상부로 방출되는 빛이 많아지게 되는 문제가 발생하게 된다.
따라서 본 발명에 따른 측면방출형 엘이디 렌즈(10)는 상면(30)이 직접 입사하는 빛(L1)을 전반사시키도록 형성함에 있어서, 엘이디칩(11)에서 발산하는 빛을 점광원이 아닌 면광원(flat suurce) 또는 입체광원(volume source)으로 고려하여 형성됨이 바람직하며, 그러면 상면(30)에서 전반사되지 않고 상면(30)을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있다. 여기서 엘이디칩(11)에서 발산하는 빛을 면광원으로 고려할 지 아니면 입체광원으로 고려할 지는 엘이디칩(11)의 형태에 따라 달라지게 되는데, 이에 대해서는 후술한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 렌즈에서와 같이 엘이디칩에서 발산하는 빛을 면광원으로 고려한 경우의 상면 조건을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 3을 참조하면, 엘이디칩(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때에는 엘이디칩(11)의 중심점 즉, 제1기준점(P1)에서 발산하는 빛뿐만 아니라 엘이디칩(11)의 발광면(112)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 빛도 고려하여야 하며, 이 경우 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 광축(12)을 기준으로 같은 측에 존재하는 발광면(112)의 끝점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 빛(L)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(13)과 이루는 각(θ)이, 제1기준점(P1)과 다른 측 끝점(P3)에서 발산하여 입사하는 경우보다 작음을 알 수 있다. 따라서 상면(30)이 상기 같은 측 발광면(112) 끝점(P2)에서 발산하여 입사하는 빛(L)을 전반사시키도록 형성된다면, 상면(30)은 엘이디칩(11)의 발광면(112)에서 발산하여 상면(30)으로 직접 입사하는 거의 모든 빛을 전반사시킬 수 있게 되고, 그에 따라 상면(30)을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있게 된다.
이러한 상면(30) 조건을 도 4를 참조하여 설명하면, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 광축(12)을 기준으로 같은 측의 엘이디칩(11) 발광면(112)의 끝점(P2)을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 상기 제2기준점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 이루는 각을 α, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)의 거리를 R, 상기 α의 증분을 Δα, Δα에 대한 R의 증분을 ΔR, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 상면(30)은 ΔR / (RΔα) 〉 1 / √(n2-1) 조건(이하, '조건 1'이라 한다)을 만족하도록 구성될 수 있다.
즉, 조건 1 : ΔR / (RΔα) 〉 1 / √(n2-1)
(단, α: 제2기준점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 이루는 각, Δα: α의 증분, R: 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)의 거리, ΔR: Δα에 대한 R의 증분, n: 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률)
상술한 바와 같이, 상면(30)이 상기 조건1을 만족하도록 구성되면, 엘이디칩(11)의 발광면(112)에서 발산하여 입사면(100)을 통해 렌즈(10) 내부로 입사된 빛 중 직접 상면(30)으로 입사하는 거의 모든 빛을 측면(40)으로 전반사시킬 수 있으며, 그에 따라 상면(30)을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 조건 1은 입사면(100)의 형상을 고려하지 않은 경우에 만족하는 조건인데, 실제로는 엘이디칩(11)에서 발산하는 빛(L)은 입사면(100)의 형상에 따라 굴절되어 렌즈(10) 내부로 입사하게 되므로, 상면(30)에서 전반사되지 않고 상부로 방출되는 빛을 최소화시키기 위해서는 상면(30)이 입사면(100)의 형상을 고려하여 형성됨이 바람직하며, 이를 위해서는 상기 조건 1은 제2기준점(P2)에서 발산하여 상기 상면(30) 상의 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L)이 아니라, 상기 빛(L)이 입사면(100)에서 굴절된 빛(L')이 광축(12)과 이루는 각에 대하여 정의되어야 한다.
도 5는 입사면의 형상을 고려한 상면의 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제2기준점(P2)에서 발산하는 빛(L)이 광축(12)과 이루는 각을 α, 상기 빛(L)이 입사면(100)에서 굴절된 빛(L')이 광축(12)과 이루는 각을 α', 제2기준점(P2)에서 발산하는 빛(L)이 입사면(100)에 도달하는 임의의 점(P')에서의 법선(14)과 이루는 각을 β, 상기 굴절된 빛(L')이 상기 법선(14)과 이루는 각을 β'라 하면, 다음 식이 성립한다.
Sinβ=n×Sinβ'
α' = α + β - β' = α + β - sin-1((1/n)×sinβ)
따라서, 입사면(100)의 형상을 고려한 상면(30)의 조건(이하, '조건 2'라 한다)을 다음과 같이 정의할 수 있다.
조건 2 : ΔR' / (R'Δα') 〉 1 / √(n2-1)
α' = α + β - β' = α + β - sin-1((1/n)×sinβ)
(단, α: 제2기준점(P2)에서 발산하여 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 이루는 각, β: 제2기준점(P2)에서 발산하여 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에 도달하는 빛(L)이 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에서의 법선(14)과 이루는 각, α': 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')으로 도달한 빛(L)이 굴절되어 상면(30) 상의 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L')이 광축(12)과 이루는 각, Δα': α'의 증분, R: 상기 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')의 거리, ΔR': Δα'에 대한 R'의 증분, n: 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률)
한편, 도면에는 엘이디칩(11)의 상면 양끝점이 발광면(112)의 양끝점(P2,P3)으로 도시되어 있으나, 이는 설명 편의상 개략적으로 도시된 것에 불과하며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.
이하에서는 엘이디칩(11)의 다양한 실시 예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 6은 상면에 발광면을 가지는 엘이디칩의 일실시 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 면광원의 엘이디칩(11)의 일형태는 케이스(111), 케이스(111)에 형성된 홈(113)에 안착하여 빛을 발산하는 발광부(114), 홈(113)의 측면에 형성되어 발광부(114)에서 발산하는 빛을 상부로 반사시키는 반사면(115), 홈(113)을 덮는 투명판(116)을 포함하여 이루어질 수 있다.
이러한 형태를 가지는 엘이디칩(11)의 경우에는, 발광부(114)에서 직접 발산하는 빛과 반사면(113)에서 반사되는 빛이 투명판(116)을 통해 엘이디칩(11)으로부터 방출되므로, 엘이디칩(11)은 면광원으로 빛을 발산하게 되며, 이때 엘이디칩(11)의 발광면(112)은 투명판(116)의 윗면이 된다. 다만 이러한 면광원의 엘이디칩(11)의 형태는 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 본 발명은 그에 한정하는 것은 아니다.
한편, 엘이디칩(11)이 빛을 발산하는 형태는 상술한 바와 같이 면광원의 형태로 이루어질 수도 있지만, 입체광원(volume source) 형태로도 이루어질 수 있는데, 이러한 입체광원의 엘이디칩(11)을 개략적으로 나타내면 도 7과 같다.
도 7에서 보이는 바와 같이, 엘이디칩(11)이 입체광원으로 빛을 발산하는 경우에는 면광원의 엘이디칩(11)과 달리 엘이디칩(11)의 상면(117)뿐만 아니라 측면(118)에서 발산하는 빛도 고려하여야 상면(30)을 통해 렌즈(10) 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있게 된다.
도 8은 엘이디칩에서 발산하는 빛을 입체광원으로 고려한 경우의 상면 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 엘이디칩(11)의 광원을 입체광원으로 고려할 때에는 엘이디칩(11)의 상면(117)에서 발산하는 빛뿐만 아니라 엘이디칩(11)의 측면(118)에서 발산하는 빛도 고려하여야 하며, 이 경우 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 광축(12)을 기준으로 같은 측에 존재하는 엘이디칩(11)의 측면(118) 하부 끝점(P4)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 빛(L)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(13)과 이루는 각(θ)이, 제1기준점(P1)과 상면(117) 상의 양측 끝점(P2,P3)에서 발산하여 입사하는 경우보다 작음을 알 수 있다. 따라서 상면(30)이 상기 같은 측 엘이디칩(11)의 측면(118) 하부 끝점(P4)에서 발산하여 입사하는 빛(L)을 전반사시키도록 형성된다면, 상면(30)은 입체광원인 엘이디칩(11)으로부터 입체적으로 발산하여 상면(30)으로 직접 입사하는 거의 모든 빛을 전반사시킬 수 있게 되고, 그에 따라 상면(30)을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있게 된다.
이러한 상면(30) 조건(이하, '조건 3'이라 한다)은 다음과 같이 정의될 수 있다.
조건 3 : ΔR / (RΔα) 〉 1 / √(n2-1)
(단, α: 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 광축(12)을 기준으로 같은 측의 엘이디칩(11) 측면(118)의 하부 끝점(P4)을 제4기준점(P4)으로 하였을 때, 상기 제4기준점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 이루는 각, Δα: α의 증분, R: 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제4기준점(P2)의 거리, ΔR: Δα에 대한 R의 증분, n: 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률)
또한, 상술한 바와 같이 이 경우 입사면(100)의 형상을 고려한 상면(30)의 조건(이하, '조건 4'라 한다)을 다음과 같이 정의할 수 있다.
조건 4 : ΔR' / (R'Δα') 〉 1 / √(n2-1)
α' = α + β - β' = α + β - sin-1((1/n)×sinβ)
(단, α: 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 광축(12)을 기준으로 같은 측의 엘이디칩(11) 측면(118)의 하부 끝점(P4)을 제4기준점(P4)으로 하였을 때, 상기 제4기준점(P4)에서 발산하여 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 이루는 각, β: 제4기준점(P4)에서 발산하여 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에 도달하는 빛(L)이 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에서의 법선(14)과 이루는 각, α': 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')으로 도달한 빛(L)이 굴절되어 상면(30) 상의 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L')이 광축(12)과 이루는 각, Δα': α'의 증분, R: 상기 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')의 거리, ΔR': Δα'에 대한 R'의 증분, n: 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률)
한편, 측면(40)은 엘이디칩(11)에서 발산하여 입사면(100)을 통해 렌즈(10) 내부로 입사한 빛 중 직접 입사한 빛(L3)을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 형성되는데, 상면(30)과 마찬가지로 본 발명에 따른 측면방출형 엘이디 렌즈(10)는 측면(40)이 직접 입사하는 빛(L3)을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 형성함에 있어서, 엘이디칩(11)에서 발산하는 빛을 점광원이 아닌 면광원(flat suurce) 또는 입체광원(volume source)으로 고려하여 형성됨이 바람직하며, 그러면 측면(40)에서 내부전반사에 의해 렌즈(10) 외부로 출사하지 않는 빛을 최소화시킬 수 있다.
이하 도면을 참조하여 이러한 측면(40) 조건에 대하여 상세히 설명한다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 렌즈에서와 같이 엘이디칩에서 발산하는 빛을 면광원으로 고려한 경우의 측면 조건을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 9를 참조하면, 엘이디칩(11)의 광원을 면광원으로 고려할 때에는 엘이디칩(11)의 중심점 즉, 제1기준점(P1)에서 발산하는 빛뿐만 아니라 엘이디칩(11)의 발광면(112)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 빛도 고려하여야 하며, 이 경우 광축(12)을 기준으로 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 같은 측의 발광면(112) 끝점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 빛(L6)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(15)과 이루는 각(θ)이, 제1기준점(P1)과 반대 측 끝점(P3)에서 발산하여 입사하는 경우보다 가장 큼을 알 수 있다. 따라서 측면(40)이 상기 같은 측 발광면(112) 끝점(P2)에서 발산하여 입사하는 빛(L)을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 형성된다면, 엘이디칩(11) 광원을 면광원으로 고려한다 하더라도 측면(40)은 엘이디칩(11)에서 발산하여 측면(40)으로 직접 입사하는 거의 모든 빛을 렌즈(10) 외부로 출사시킬 수 있게 된다.
이러한 측면(40) 조건을 도 10을 참조하여 설명하면, 광축(12)을 기준으로 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 같은 측의 발광면(112)의 끝점(P2)을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 상기 제2기준점(P2)에서 발산하여 측면(40) 상의 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 이루는 각을 α, 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)의 거리를 R, 상기 α의 증분을 Δα, Δα에 대한 R의 증분을 ΔR, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 측면(40)은 ΔR / (RΔα) 〈 1 / √(n2-1) 조건(이하, '조건 5'이라 한다)을 만족하도록 구성될 수 있다.
즉, 조건 5 : ΔR / (RΔα) 〈 1 / √(n2-1)
(단, α: 제2기준점(P)에서 발산하여 측면(40) 상의 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 수직한 수평축(16)과 이루는 각, Δα: α의 증분, R: 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)의 거리, ΔR: Δα에 대한 R의 증분, n: 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률)
상술한 바와 같이, 측면(40)이 상기 조건 5를 만족하도록 구성되면, 엘이디칩(11)의 발광면(112)에서 발산하여 입사면(100)을 통해 렌즈(10) 내부로 입사된 빛 중 직접 측면(40)으로 입사하는 거의 모든 빛을 렌즈(10) 외부로 출사시킬 수 있으며, 그에 따라 측면(40)에 의해 내부전반사되는 빛을 최소화시킬 수 있게 된다.
또한, 이 경우 입사면(100)의 형상을 고려한 측면(40)의 조건(이하, '조건 6'라 한다)을 다음과 같이 정의할 수 있다.
조건 6 : ΔR' / (R'Δα') 〈 1 / √(n2-1)
α' = α + β - β' = α + β - sin-1((1/n)×sinβ)
(단, α: 제2기준점(P2)에서 발산하여 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 수직한 수평축(16)과 이루는 각, β: 제2기준점(P2)에서 발산하여 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에 도달하는 빛(L)이 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에서의 법선(14)과 이루는 각, α': 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')으로 도달한 빛(L)이 굴절되어 측면(40) 상의 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L')이 광축(12)과 수직한 수평축(16)과 이루는 각, Δα': α'의 증분, R: 상기 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')의 거리, ΔR': Δα'에 대한 R'의 증분, n: 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률)
도 11은 엘이디칩(11)에서 발산하는 빛을 입체광원으로 고려한 경우의 측면(40) 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 엘이디칩(11)의 광원을 입체광원으로 고려할 때에는 엘이디칩(11)의 상면(117)에서 발산하는 빛뿐만 아니라 엘이디칩(11)의 측면(118)에서 발산하는 빛도 고려하여야 하며, 이 경우 측면(30) 상의 임의의 점(P)과 광축(12)을 기준으로 같은 측에 존재하는 엘이디칩(11)의 측면(118) 하부 끝점(P4)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 빛(L)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(15)과 이루는 각(θ)이, 제1기준점(P1)과 엘이디칩(11)의 상면(117) 상의 양측 끝점(P2,P3)에서 발산하여 입사하는 경우보다 큼음 알 수 있다. 따라서 측면(30)이 상기 같은 측 엘이디칩(11)의 측면(118) 하부 끝점(P4)에서 발산하여 입사하는 빛(L)을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 형성된다면, 측면(40)은 입체광원인 엘이디칩(11)으로부터 입체적으로 발산하여 측면(40)으로 직접 입사하는 거의 모든 빛을 렌즈(10) 외부로 출사시킬 수 있게 되고, 그에 따라 측면(40)에서 내부전반사되는 빛을 최소화시킬 수 있게 된다.
이러한 측면(40) 조건(이하, '조건 7'이라 한다)은 다음과 같이 정의될 수 있다.
조건 7 : ΔR / (RΔα) 〈 1 / √(n2-1)
(단, α: 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 광축(12)을 기준으로 같은 측의 엘이디칩(11) 측면(118)의 하부 끝점(P4)을 제4기준점(P4)으로 하였을 때, 상기 제4기준점(P4)에서 발산하여 측면(40) 상의 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 수직한 수평축(16)과 이루는 각, Δα: α의 증분, R: 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 제4기준점(P4)의 거리, ΔR: Δα에 대한 R의 증분, n: 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률)
상술한 바와 같이, 측면(40)이 상기 조건7을 만족하도록 구성되면, 입체광원인 엘이디칩(11)에서 발산하여 입사면(100)을 통해 렌즈(10) 내부로 입사된 빛 중 직접 측면(40)으로 입사하는 거의 모든 빛을 렌즈(40) 외부로 출사시킬 수 있으며, 그에 따라 측면(40)에서 내부전반사되는 빛을 최소화시킬 수 있게 된다.
또한, 이 경우 입사면(100)의 형상을 고려한 측면(40)의 조건(이하, '조건 8'이라 한다)을 다음과 같이 정의할 수 있다.
조건 8 : ΔR' / (R'Δα') 〈 1 / √(n2-1)
α' = α + β - β' = α + β - sin-1((1/n)×sinβ)
(단, α: 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 광축(12)을 기준으로 같은 측의 엘이디칩(11) 측면(118)의 하부 끝점(P4)을 제4기준점(P4)으로 하였을 때, 상기 제4기준점(P4)에서 발산하여 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에 도달하는 빛(L)이 광축(12)과 수직한 수평축(16)과 이루는 각, β: 제4기준점(P2)에서 발산하여 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에 도달하는 빛(L)이 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')에서의 법선(14)과 이루는 각, α': 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')으로 도달한 빛(L)이 굴절되어 측면(40) 상의 임의의 점(P)에 도달하는 빛(L')이 광축(12)과 수직한 수평축(16)과 이루는 각, Δα': α'의 증분, R: 상기 측면(40) 상의 임의의 점(P)과 상기 입사면(100) 상의 임의의 점(P')의 거리, ΔR': Δα'에 대한 R'의 증분, n: 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률)
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 엘이디칩(LED chip)에서 발산한 빛을 측면으로 방출시키는 반사면을 형성함에 있어서 상면에 반사코팅없이 상면이 입사한 빛을 전반사시키도록 형성하면서도 상면에서 전반사되지 않고 상면을 통해 상부로 방출되는 빛을 최소화시킬 수 있는 측면 방출형 엘이디 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 (12)

  1. 면광원으로 빛을 발산하는 엘이디칩(LED chip)에서 나오는 빛을 측면으로 방출시키는 측면 방출형 엘이디 렌즈에 있어서,
    상기 엘이디칩에서 발산하는 빛이 입사하는 입사면이 구비되는 밑면;
    상기 입사면으로 입사한 빛 중 직접 입사하는 빛을 전반사시키도록 형성되는 상면; 및
    상기 밑면과 상기 상면을 연결하며, 상기 상면에서 전반사된 빛과 상기 입사면으로 입사한 빛 중 직접 입사하는 빛을 상기 렌즈 외부로 출사시키도록 형성되는 측면;을 포함하고,
    상기 상면은 상기 엘이디칩의 광축을 기준으로 상기 상면 상의 임의의 점과 같은 측에 존재하는 상기 엘이디칩의 발광면의 끝점에서 발산하여 상기 상면 상의 임의의 점으로 입사하는 빛을 상기 측면으로 전반사시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상면은 다음 조건을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
    조건 : ΔR' / (R'Δα') 〉 1 / √(n2-1)
    α' = α + β - β' = α + β - sin-1((1/n)×sinβ)
    (단, α: 상기 엘이디칩의 발광면의 끝점에서 발산하여 상기 입사면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 광축과 이루는 각, β: 상기 엘이디칩의 발광면의 끝점에서 발산하여 상기 입사면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 입사면 상의 임의의 점에서의 법선과 이루는 각, α': 상기 입사면 상의 임의의 점으로 도달한 빛이 굴절되어 상기 상면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 광축과 이루는 각, Δα': α'의 증분, R: 상기 상면 상의 임의의 점과 상기 입사면 상의 임의의 점의 거리, ΔR': Δα'에 대한 R'의 증분, n: 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률)
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측면은 상기 엘이디칩의 광축을 기준으로 상기 측면 상의 임의의 점과 같은 측에 존재하는 상기 엘이디칩의 발광면의 끝점에서 발산하여 상기 측면 상의 임의의 점으로 입사하는 빛을 상기 렌즈 외부로 출사시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 측면은 다음 조건을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
    조건 : ΔR' / (R'Δα') 〈 1 / √(n2-1)
    α' = α + β - β' = α + β - sin-1((1/n)×sinβ)
    (단, α: 상기 엘이디칩의 발광면의 끝점에서 발산하여 상기 입사면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 광축과 수직한 수평축과 이루는 각, β: 상기 엘이디칩의 발광면의 끝점에서 발산하여 상기 입사면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 입사면 상의 임의의 점에서의 법선과 이루는 각, α': 상기 입사면 상의 임의의 점으로 도달한 빛이 굴절되어 상기 측면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 광축과 수직한 수평축과 이루는 각, Δα': α'의 증분, R: 상기 측면 상의 임의의 점과 상기 입사면 상의 임의의 점의 거리, ΔR': Δα'에 대한 R'의 증분, n: 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률)
  5. 입체광원으로 빛을 발산하는 엘이디칩(LED chip)에서 나오는 빛을 측면으로 방출시키는 측면 방출형 엘이디 렌즈에 있어서,
    상기 엘이디칩에서 발산하는 빛이 입사하는 입사면이 구비되는 밑면;
    상기 입사면으로 입사한 빛 중 직접 입사하는 빛을 전반사시키도록 형성되는 상면; 및
    상기 밑면과 상기 상면을 연결하며, 상기 상면에서 전반사된 빛과 상기 입사면으로 입사한 빛 중 직접 입사하는 빛을 상기 렌즈 외부로 출사시키는 측면;을 포함하고,
    상기 상면은 상기 엘이디칩의 광축을 기준으로 상기 상면 상의 임의의 점과 같은 측에 존재하는 상기 엘이디칩의 측면 하부 끝점에서 발산하여 상기 상면 상의 임의의 점으로 입사하는 빛을 상기 측면으로 전반사시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 상면은 다음 조건을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
    조건 : ΔR' / (R'Δα') 〉 1 / √(n2-1)
    α' = α + β - β' = α + β - sin-1((1/n)×sinβ)
    (단, α: 상기 엘이디칩의 측면 하부 끝점에서 발산하여 상기 입사면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 광축과 이루는 각, β: 상기 엘이디칩의 측면 하부 끝점에서 발산하여 상기 입사면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 입사면 상의 임의의 점에서의 법선과 이루는 각, α': 상기 입사면 상의 임의의 점으로 도달한 빛이 굴절되어 상기 상면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 광축과 이루는 각, Δα': α'의 증분, R: 상기 상면 상의 임의의 점과 상기 입사면 상의 임의의 점의 거리, ΔR': Δα'에 대한 R'의 증분, n: 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률)
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 측면은 상기 엘이디칩의 광축을 기준으로 상기 측면 상의 임의의 점과 같은 측에 존재하는 상기 엘이디칩의 측면 하부 끝점에서 발산하여 상기 측면 상의 임의의 점으로 입사하는 빛을 상기 렌즈 외부로 출사시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 측면은 다음 조건을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
    조건 : ΔR' / (R'Δα') 〈 1 / √(n2-1)
    α' = α + β - β' = α + β - sin-1((1/n)×sinβ)
    (단, α: 상기 엘이디칩의 측면 하부 끝점에서 발산하여 상기 입사면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 광축과 수직한 수평축과 이루는 각, β: 상기 엘이디칩의 측면 하부 끝점에서 발산하여 상기 입사면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 입사면 상의 임의의 점에서의 법선과 이루는 각, α': 상기 입사면 상의 임의의 점으로 도달한 빛이 굴절되어 상기 측면 상의 임의의 점에 도달하는 빛이 상기 광축과 수직한 수평축과 이루는 각, Δα': α'의 증분, R: 상기 측면 상의 임의의 점과 상기 입사면 상의 임의의 점의 거리, ΔR': Δα'에 대한 R'의 증분, n: 상기 렌즈를 이루는 재료의 굴절률)
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측면은 상기 광축을 기준으로 상방으로 갈수록 벌어지는 형상으로 이루어지거나 또는 하방으로 갈수록 벌어지는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 밑면의 소정위치로부터 하방으로 연장되어 상기 렌즈를 지지하는 레그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 엘이디 렌즈.
  11. 상기 엘이디칩(LED chip)을 광원으로 사용하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU)에 있어서,
    상기 엘이디칩 상부에 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 엘이디 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.
  12. 상기 엘이디칩(LED chip)을 광원으로 사용하는 표시장치(display device)에 있어서,
    상기 엘이디칩 상부에 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 엘이디 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 표시장치.
PCT/KR2014/000110 2013-01-04 2014-01-06 측면 방출형 엘이디 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치 WO2014107075A1 (ko)

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CN201480004012.XA CN104885239A (zh) 2013-01-04 2014-01-06 侧向出射型led透镜、具备该透镜的背光单元及显示装置
US14/758,805 US20150338057A1 (en) 2013-01-04 2014-01-06 Side-emitting led lens, and backlight unit and display device comprising same

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