WO2023146004A1 - 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치 - Google Patents

반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치 Download PDF

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WO2023146004A1
WO2023146004A1 PCT/KR2022/001564 KR2022001564W WO2023146004A1 WO 2023146004 A1 WO2023146004 A1 WO 2023146004A1 KR 2022001564 W KR2022001564 W KR 2022001564W WO 2023146004 A1 WO2023146004 A1 WO 2023146004A1
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WO
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light emitting
light
emitting device
light source
source device
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PCT/KR2022/001564
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천정인
문은아
강석훈
우기석
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엘지전자 주식회사
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/15—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • H01L33/60—Reflective elements

Definitions

  • the present invention is applicable to display device-related technical fields, and relates to, for example, a surface light source device using a micro LED (Light Emitting Diode).
  • a surface light source device using a micro LED Light Emitting Diode
  • LCD Liquid Crystal Display
  • OLED Organic Light Emitting Diodes
  • LED Light Emitting Diode
  • GaAsP compound semiconductors in 1962, along with GaP:N series green LEDs, It has been used as a light source for display images of electronic devices including information communication devices.
  • LEDs light emitting diodes
  • micro LED technology shows characteristics of low power, high luminance, and high reliability compared to other display devices/panels, and can be applied to flexible devices. Therefore, in recent years, research institutes and companies have been actively researching.
  • Lighting methods using LEDs can be classified into a direct method, a reflection method, and a light guide method.
  • a reflection method or a light guide method has been used in flat lighting.
  • the light guiding method it is possible to secure excellent light quality as it is widely used in flat panel lighting and backlights for displays, but there is an increase in cost due to the use of optical parts and a bezel part for arranging a light source.
  • Such a conventional LED surface light source device has a limitation in that it can only be used in a flat form due to the rigidity of a printed circuit board on which LED packages are mounted. For this reason, the conventional surface light source device has a limitation that it cannot be applied to and installed on various surface shapes of various objects, and can only be installed only on the surface of an object having a flat surface.
  • a technical problem to be solved by the present invention is to provide a surface light source device using an ultra-thin semiconductor light emitting device using a light emitting device.
  • the present invention is intended to provide a surface light source device using a semiconductor light emitting device having flexibility and high luminance uniformity.
  • the present invention is to provide a surface light source device using a semiconductor light emitting device having high luminance uniformity by using a smaller number of subminiature light emitting devices compared to the same area.
  • the present invention is intended to provide a surface light source device using a semiconductor light emitting device capable of preventing hot spots from being visually recognized and providing a bezel-less structure in which a separation line is not visible.
  • the present invention is to provide a surface light source device using a semiconductor light emitting device capable of improving product quality and productivity at a lower cost in general lighting and display fields as well as special lighting fields such as health care and automotive lighting.
  • the present invention a substrate; a plurality of light emitting devices arranged at regular intervals on the substrate; barrier ribs surrounding each of the light emitting elements; a reflector positioned above the light emitting element and having a reflective surface facing the light emitting element; a support layer forming an optical distance having a predetermined thickness on the light emitting device; a light reflecting pattern disposed on the support layer to reflect light emitted from the light emitting device; and a diffusion layer positioned on the light reflection pattern.
  • the substrate may be a flexible substrate.
  • a reflective layer in which a hole is formed at a portion where the light emitting element is located may be positioned on the substrate.
  • an interval between the plurality of light emitting devices may be twice or more than the optical distance.
  • a size of the reflection unit may be defined by the barrier rib.
  • a reflective surface of the reflective unit may be convex toward the light emitting device.
  • a surface opposite to the reflective surface of the reflective unit may be flat.
  • the reflector may convert a Lambertian light distribution of light emitted from the light emitting device into a bat wing-shaped light distribution.
  • a transparent resin may be positioned inside the barrier rib.
  • the light reflection pattern may selectively transmit light emitted from the light emitting device.
  • the size of the light reflection pattern may decrease as the distance from the corresponding light emitting element increases.
  • the density of the light reflection pattern may decrease as the distance from the corresponding light emitting element increases.
  • the present invention a substrate; a reflective layer positioned on the substrate and formed with holes at regular intervals; a light emitting element installed in a hole position on the substrate; barrier ribs surrounding each of the light emitting elements; a reflector positioned above the light emitting element and having a convex reflective surface toward the light emitting element; a support layer forming an optical distance having a predetermined thickness on the light emitting device; a light reflection pattern positioned on the supporting layer to selectively transmit and reflect light emitted from the light emitting device; and a diffusion layer positioned on the light reflection pattern.
  • a surface light source device having a high luminance uniformity with a relatively simple optical structure can be provided.
  • the present invention while maintaining a minimum optical distance between the substrate and the diffusion layer, it is possible to remove a hot spot where the light source is visually recognized, and the light distribution of the light source is widened. It can be transformed into a shape that spreads.
  • the light distribution converted in this way may enable uniform irradiation over a wider area through the light reflection pattern.
  • product quality can be improved at a lower cost and productivity can be improved in special lighting fields such as health care and automotive lighting as well as general lighting and display fields.
  • the surface light source device can provide an ultra-thin flexible structure and a bezel-less module structure, thereby providing diversity and flexibility in product design.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a unit light source of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating light emission of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a first example of a light reflection pattern of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a second example of a light reflection pattern of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a third example of a light reflection pattern of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating optical characteristics of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a light distribution of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor light emitting device mentioned in this specification is a concept including an LED, a micro LED, and the like, and may be used interchangeably.
  • 1 is an exploded perspective view illustrating a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view showing a unit light source of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the surface light source device 10 using a semiconductor light emitting device may implement a flexible display.
  • the flexible display may include, for example, a display that can be bent by an external force, or which can be bent, twisted, folded, or rolled.
  • a flexible display may be a display fabricated on a thin and flexible substrate that can be bent, bent, folded, or rolled, such as paper, while maintaining display characteristics of a conventional flat panel display. .
  • the display area of the flexible display becomes a flat surface.
  • the display area in a state bent by an external force (eg, a state having a finite radius of curvature, hereinafter referred to as a second state), the display area may be a curved surface.
  • a unit pixel of such a flexible display may be implemented by a semiconductor light emitting device.
  • a light emitting device is exemplified as a type of semiconductor light emitting device that converts current into light.
  • An example of the light emitting device may include a light emitting diode (LED).
  • LED light emitting diode
  • Such a light emitting diode is formed in a small size, and through this, it can serve as a unit pixel even in the second state.
  • a plurality of light emitting devices 120 may be arranged on a substrate 100 at regular intervals.
  • the substrate 100 may be a flexible (flexible) substrate.
  • the substrate 100 may include glass or polyimide (PI).
  • PI polyimide
  • the substrate 100 may be formed of a transparent material or an opaque material.
  • the substrate 100 may be a wiring substrate on which an electrode pattern (not shown) is disposed.
  • the wiring board 100 may be a flexible printed circuit board (PCB). However, a general printed circuit board (PCB) or glass substrate may be used.
  • the wiring board 100 may include polyimide (PI) to implement a flexible display device.
  • PI polyimide
  • the light emitting element 120 may be electrically connected to the electrode pattern of the substrate 100 .
  • the light emitting device 120 may be a miniature light emitting diode.
  • the light emitting device 120 may be a micro LED having a size of a micrometer ( ⁇ m) unit or a mini LED having a size of a millimeter unit.
  • a reflective layer 200 may be positioned on the substrate 100 .
  • a hole 210 may be formed in a portion of the reflective layer 200 where the light emitting element 120 is located. That is, the reflective layer 200 may be provided with a hole 210 arranged at a portion where the light emitting element 120 is disposed.
  • the reflective layer 200 may be implemented as a reflective film laminated or formed on the substrate 100 .
  • the reflective layer 200 may be a white ink layer sprayed on the substrate 100 .
  • the light emitting device 120 mounted on the substrate 100 may have a horizontal LED flip-chip bonded form.
  • a barrier rib 130 surrounding the light emitting device 120 may be provided. In this way, the barrier rib 130 may be formed around the light emitting element 120 .
  • the barrier rib 130 may be substantially transparent.
  • the barrier rib 130 may be formed of a transparent resin material such as silicone resin.
  • the barrier rib 130 may be arranged in a one-to-one (1:1) correspondence with the light emitting element 120 . That is, the barrier rib 130 may be formed for each individual light emitting element 120 .
  • a transparent resin may be positioned inside the space formed by the barrier rib 130 .
  • the barrier rib 130 may be filled with a transparent sealant to completely cover the light emitting device 120 .
  • the transparent resin may be a transparent silica gel or a transparent epoxy resin.
  • the transparent resin used as the barrier rib 130 and the transparent resin filled in the barrier rib 130 may include at least one of PS, PC, PMMA, PE, PET, PP, and MMA-styrene resin.
  • a light scattering material (not shown) may be included in the transparent resin filled in the barrier rib 130 .
  • the light scattering material may be evenly dispersed and distributed in the transparent resin.
  • the barrier rib 130 may form a rectangular or tetrahedral space around the light emitting device 120 .
  • the height of the barrier rib 130 may be at least greater than the thickness of the light emitting device 120 .
  • a reflector 110 having a reflective surface facing the light emitting element 120 may be positioned above the light emitting element 120 .
  • the size of the reflector 110 may be defined by the barrier rib 130 .
  • the reflector 110 may have a size corresponding to a space formed by the barrier rib 130 . That is, the end of the reflector 110 may contact and be fixed to the barrier rib 130 .
  • the reflector 110 may have a size that covers at least the light emitting element 120 .
  • the reflector 110 may have an area 5 to 10 times that of the corresponding light emitting element 120 .
  • the reflector 110 may be positioned to be spaced apart from the light emitting element 120 . That is, the reflector 110 may be positioned at a predetermined distance from the light emitting element 120 .
  • a reflective surface of the reflector 110 may be formed in a convex shape toward the light emitting device 120 . That is, the reflector 110 may form a main reflective surface on a surface facing the light emitting device 120, and this reflective surface may have a curved shape. Also, a surface opposite to the reflective surface of the reflector 110 may have a flat surface. For example, the reflector 110 may have a reflective surface such as a downwardly convex convex mirror.
  • the reflector 110 having such a shape may convert a Lambertian light distribution of light emitted from the light emitting device 120 into a bat wing-shaped light distribution. Meanwhile, for this purpose, the size and shape of the reflector 110 may vary according to the light distribution of the light emitting element 120 . This will be described with reference to the drawings below.
  • the reflectance of the reflector 110 may be 90% or more, and light that is not reflected may pass through the reflector 110 as it is.
  • the reflector 110 may be implemented as a mixed material composed of a transparent material, for example, SiO 2 , TiO 2 , silica gel, or the like.
  • the component ratio of the mixed material may vary depending on the type of the light emitting device 120 . For example, it may change according to the color of light (blue, green, red, infrared, etc.) emitted from the light emitting device 120 .
  • a support layer 300 forming an optical distance having a certain thickness may be positioned on the light emitting device 120 .
  • the supporting layer 300 may be made of transparent silicon or transparent epoxy material capable of transmitting light emitted from the light emitting device 120 with high transmittance.
  • the support layer 300 may be formed to contact all of the top and side surfaces of the barrier rib 130 surrounding the light emitting device 120 and the top surface of the substrate 100 (eg, the top surface of the reflective layer 200). That is, in this way, the support layer 300 may be applied to cover all of the upper and side surfaces of the barrier rib 130 surrounding the light emitting device 120 and the upper surface of the substrate 100 .
  • the upper surface of the support layer 300 may be formed parallel to the upper surface of the substrate 100 .
  • the support layer 300 may have flexibility enough to be deformed simultaneously with the substrate 100 when the substrate 100 is formed of a flexible material and deformed. Therefore, when the substrate 100 is deformed, the light emitting device 120 and the barrier rib 130 mounted on the substrate 100 may play a role of supporting the substrate 100 so that they do not fall off.
  • a light reflection pattern 310 for reflecting light emitted from the light emitting device 120 may be positioned on the support layer 300 .
  • the light reflection pattern 310 may selectively transmit light emitted from the light emitting device 120 . That is, the light whose light distribution is changed in the process of being emitted from the light emitting element 120, reflected by the reflector 110, and passing through the barrier 130 (hereinafter, referred to as converted light) is reflected again by the light reflection pattern 310 Alternatively, it may transmit through the space 310a between the light reflection patterns 310 .
  • a diffusion layer 400 may be positioned on the light reflection pattern 310 .
  • the diffusion layer 400 may function to spread and mix the converted light transmitted through the space 310a between the light reflection patterns 310 evenly.
  • the diffusion layer 400 may be positioned above the support layer 300 . That is, it may be positioned to cover the light reflection pattern 310 on the support layer 300 .
  • the diffusion layer 400 may be implemented in the form of a diffusion film or diffusion sheet made of a flexible material.
  • Such a surface light source device can be used for special lighting such as health care and automotive lighting by adjusting the characteristics of the light source.
  • it can be used as a treatment device using light by adjusting the intensity and wavelength of a light source.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating light emission of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 a state in which the light emitting element 120, the barrier rib 130, and the reflector 110 form a unit light source unit and are arranged at regular intervals is shown.
  • Light emitted from the light emitting device 120 may be reflected by the reflector 110 and emitted through the barrier rib 130 or may be emitted directly through the barrier rib 130 . Light emitted from the light emitting device 120 in this process may be emitted as converted light having a changed light distribution.
  • the transparent barrier rib 130 may be reflected by the reflective layer 200 and diffused while passing through the support layer 300 .
  • the supporting layer 300 may serve as a light guide plate.
  • the converted light may be reflected from the light reflection pattern 310 or transmitted through the space 310a between the light reflection patterns 310 and passed through the diffusion layer 400 to be emitted. That is, the final transmitted light R may be emitted through the diffusion layer 400 .
  • the light reflective pattern 310 may be formed by spraying or screen-printing a reflective ink in which a light reflective pigment is dispersed in a resin on the surface of the diffusion layer 400 .
  • the light reflection pattern 310 may be formed as a dot pattern having a predetermined diameter or size, and the dot pattern may have various shapes.
  • the light reflection pattern 310 may be formed using a reflective ink containing any one of TiO 2 and Al 2 O 3 .
  • the dot-shaped light reflection pattern 310 may be formed while varying in diameter or density depending on a distance from the light emitting element 120 around a vertical axis where the light emitting element 120 is located. That is, the center of the vertical direction where the light emitting element 120 is located may have a large diameter, and may have a smaller diameter as the light emitting element 120 is farther away.
  • the light reflective pattern 310 may be formed with a relatively high density in the center of the vertical direction where the light emitting element 120 is located, and the density may decrease as the distance from the light emitting element 120 increases.
  • FIG. 4 is a diagram showing a first example of a light reflection pattern of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the light reflection pattern 311 according to the first example may include a plurality of unit patterns 311a whose size varies from the position of the light emitting element 120 .
  • the size of the light reflection pattern 311 may decrease as the distance from the corresponding light emitting element 120 increases.
  • the density of the light reflection pattern 311 may decrease as the distance from the corresponding light emitting element 120 increases.
  • the unit pattern 311a may have a square shape. These unit patterns 311a may be arranged radially from the position of the corresponding light emitting element 120 . In other words, the size of the unit pattern 311a may change according to the distance from the position of the light emitting element 120 . That is, the unit pattern 311a may have the smallest size at an intermediate distance from neighboring light emitting devices 120 . Accordingly, strong brightness light emitted from a short distance from the light emitting device 120 may be reflected by the light reflection pattern 311 having a relatively large size. Accordingly, uniformity of light passing through the light reflection pattern 311 may be improved.
  • FIG. 5 is a view showing a second example of a light reflection pattern of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the light reflection pattern 312 according to the second example may include a plurality of unit patterns 312a having a uniform size.
  • the size of the light reflection pattern 312 may have the same size regardless of the position from the corresponding light emitting element 120 .
  • the substrate 100 When the substrate 100 is a flexible substrate, it may have such a light reflection pattern 312 .
  • the distance from the light emitting element 120 to each unit pattern 312a may change. Accordingly, the density of the light reflection pattern 312 may decrease as the distance from the corresponding light emitting element 120 increases. Accordingly, uniformity of light passing through the light reflection pattern 312 may be improved.
  • FIG. 6 is a view showing a third example of a light reflection pattern of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the light reflection pattern 313 according to the third example may include a plurality of unit patterns 313a whose density varies from the location of the light emitting element 120 .
  • the size of the light reflection pattern 313 may have the same size regardless of the position from the corresponding light emitting element 120 .
  • the density of the unit pattern 313a may change as the distance from the corresponding light emitting element 120 increases. In other words, the density of the light reflection pattern 313 may decrease as the distance from the corresponding light emitting element 120 increases.
  • the unit pattern 313a may have a square shape. These unit patterns 313a may be arranged radially from the position of the corresponding light emitting element 120 .
  • the density of the unit pattern 313a may vary according to the distance from the position of the light emitting element 120 . That is, the unit pattern 313a may have the smallest density at an intermediate distance from neighboring light emitting devices 120 . In other words, the unit patterns 313a may be more densely arranged at locations close to the corresponding light emitting devices 120 . In addition, the distance between the unit patterns 313a may gradually increase as the distance from the corresponding light emitting element 120 increases.
  • the light reflection pattern 313 having a relatively high density. Accordingly, uniformity of light passing through the light reflection pattern 313 may be improved.
  • the unit pattern 313a whose density changes according to the distance from the position of the light emitting element 120 can exert a greater effect when the substrate 100 is a flexible substrate. That is, even when the substrate 100 is bent or not bent, light uniformity can be improved to the same extent.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating optical characteristics of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • an LED light source as an embodiment of the light emitting device 120 emits light as a point light source upward while having a predetermined beam angle (Lambertian light distribution) in a top-view manner. At this time, the light emitted upward may be controlled to be emitted with uniform luminance while passing through the diffusion layer 400 .
  • a light reflection pattern 310 may be formed on the lower surface of the diffusion layer 400 to prevent this phenomenon.
  • Some of the light emitted from the LED light source passes through the diffusion layer 400 as it is in the region 310a where the light reflection pattern 310 is not formed, but the other part of the light is directed downward by the light reflection pattern 310. It is reflected.
  • the light reflected by the light reflection pattern 310 is reflected again by the reflection layer 200 and travels upward, some of these lights pass through the diffusion layer 400 and are emitted, and the rest of the light passes through the light reflection pattern 310 again.
  • the distance (optical distance) between the LED light source and the diffusion layer 400 is equal to the interval between the LEDs (LED pitch), uniform luminance is obtained.
  • the distance between the light emitting elements 120 may be designed to be 2 mm in order to design a surface light source having a uniform luminance and having a thickness of 1 mm.
  • the light reflectance is increased in the area where the light emitting element 120 is located to decrease the amount of transmitted light, and in the area far from the light emitting element 120, the light reflectance is decreased to increase the amount of transmitted light. , it is possible to emit a uniform amount of light as a whole.
  • FIG. 8 is a diagram showing a light distribution of a surface light source device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the LED light source emits light as a point light source upward while having a predetermined beam angle (Lambertian light distribution) in a top-view manner.
  • a of FIG. 8 shows such a Lambertian light distribution.
  • a light source that is, a light source in which a transparent barrier rib 130 is formed around the light emitting element 120 and a reflector 110 is positioned on the barrier rib 130, Lambertian light distribution (A) can be converted into bat wing shape light distribution (B).
  • the bat wing-shaped light distribution (B) has a wide light distribution ranging from approximately -60 degrees to 60 degrees and has a relatively weak light output in the center (0 degrees). can have
  • this light distribution may mainly pass through the barrier rib 130 and be emitted in the lateral direction of the light emitting device 120 .
  • the light emitted in the lateral direction may be uniformized and emitted through a multiple reflection process through the reflective layer 200 and the light reflective pattern 310 as described above. As a result, an overall uniform amount of light can be emitted.
  • a surface light source device having high luminance uniformity with a relatively simple optical structure can be provided.
  • the present invention while maintaining a minimum optical distance between the substrate 100 and the diffusion layer 400, it is possible to remove a hot spot where the light source is visually recognized, and The light distribution can be converted into a wide spreading shape.
  • the light distribution converted in this way may enable uniform irradiation over a wider area through the light reflection pattern 310 .
  • product quality can be improved at a lower cost and productivity can be improved in not only general lighting and display fields but also special lighting fields such as health care and automobile lighting. .
  • the surface light source device can provide an ultra-thin flexible structure and a bezel-less module structure, thereby providing diversity and flexibility in product design.
  • a surface light source device using a semiconductor light emitting device such as a micro LED.

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Abstract

본 발명은 디스플레이 장치 관련 기술 분야에 적용 가능하며, 예를 들어 마이크로 LED(Light Emitting Diode)를 이용한 면광원 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 일정 간격을 두고 배열되는 다수의 발광 소자; 상기 각 발광 소자를 둘러싸는 격벽; 상기 발광 소자 상측에 위치하고 상기 발광 소자를 향하여 반사면을 가지는 반사부; 상기 발광 소자 상에서 일정 두께의 광학 거리를 형성하는 지지층; 상기 지지층 상에 위치하여 상기 발광 소자에서 방출된 빛을 반사시키는 광 반사 패턴; 및 상기 광 반사 패턴 상에 위치하는 확산층을 포함할 수 있다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치
본 발명은 디스플레이 장치 관련 기술 분야에 적용 가능하며, 예를 들어 마이크로 LED(Light Emitting Diode)를 이용한 면광원 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술 분야에서 박형, 플렉서블 등의 우수한 특성을 가지는 디스플레이 장치가 개발되고 있다. 현재 상용화된 주요 디스플레이는 LCD(Liquid Crystal Display)와 OLED(Organic Light Emitting Diodes)로 대표되고 있다.
한편, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 것으로 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.
최근, 이러한 발광 다이오드(LED)는 점차 소형화되어 마이크로미터 크기의 LED로 제작되어 디스플레이 장치의 화소나 평면 조명으로 이용되고 있다.
이와 같은 마이크로 LED 기술은 다른 디스플레이 소자/패널에 비해 저 전력, 고휘도, 고 신뢰성의 특성을 보이고, 유연 소자에도 적용 가능하다. 따라서, 최근 들어 연구 기관 및 업체에서 활발히 연구 되고 있다.
LED를 사용하는 조명 방식은 직하방식, 반사방식, 도광방식으로 구분될 수 있다. 일반적으로 평면조명에서는 반사방식 또는 도광방식이 사용되어왔다.
직하방식의 경우 타방식 대비 높은 광학효율을 확보할 수 있으나 핫 스폿(hot spot)을 제거하기 위해서는 LED 수량의 증가, 광학거리 확보를 위한 두께 증가, 확산렌즈 사용에 따른 비용 증가 등의 단점을 가지게 된다.
반사방식의 경우 균일한 광품질을 가지는 조명의 구현은 가능하나, 광학효율이 낮고, 핫 스폿(hot spot)이 시인되는 것을 방지하기 위하여 베젤이 필요한 구조적인 문제점을 가진다.
도광방식의 경우 평판조명 및 디스플레이용 백라이트에 많이 사용되는 방식으로 우수한 광품질의 확보가 가능하나 광학 부품 사용에 따른 비용 증가 및 광원 배치를 위한 베젤부가 존재하게 된다.
이와 같은 종래의 LED 면광원 장치는 LED 패키지들이 실장되는 인쇄 회로 기판의 강성으로 인해 평판 형태로만 이용될 수 있는 한계가 있다. 그로 인해, 종래 면광원 장치는 다양한 객체들의 다양한 표면 형상들에 적용되어 설치되지 못하고, 항상 평면을 갖는 객체 표면에만 설치될 수 밖에 없는 한계를 가지고 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자를 이용한 초박형 형태의 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 유연성을 가지고 휘도 균일도가 높은 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 동일 면적 대비 더 적은 수의 초소형 발광 소자를 이용하여 휘도 균일도가 높은 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 핫 스폿(hot spot)이 시인되는 것을 방지하고 분리선이 보이지 않는 베젤이 없는 구조 제공할 수 있는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 일반 조명 및 디스플레이 분야뿐만 아니라 헬스케어, 자동차용 조명 같은 특수 조명 분야에서 더 적은 비용으로 제품의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 일정 간격을 두고 배열되는 다수의 발광 소자; 상기 각 발광 소자를 둘러싸는 격벽; 상기 발광 소자 상측에 위치하고 상기 발광 소자를 향하여 반사면을 가지는 반사부; 상기 발광 소자 상에서 일정 두께의 광학 거리를 형성하는 지지층; 상기 지지층 상에 위치하여 상기 발광 소자에서 방출된 빛을 반사시키는 광 반사 패턴; 및 상기 광 반사 패턴 상에 위치하는 확산층을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 기판은 유연 기판일 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 기판 상에는 상기 발광 소자가 위치하는 부분에 홀이 형성된 반사층이 위치할 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 다수의 발광 소자 사이의 간격은 상기 광학 거리의 두 배 이상일 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 반사부의 크기는 상기 격벽에 의하여 정의될 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 반사부의 반사면은 상기 발광 소자를 향하여 볼록할 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 반사부의 반사면의 반대면은 평평할 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 반사부는 상기 발광 소자에서 방출되는 광의 램버시안 광분포를 배트윙(bat wing) 형상의 광분포로 변환시킬 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 격벽 내부에는 투명 수지가 위치할 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 광 반사 패턴은 상기 발광 소자에서 방출된 빛을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 광 반사 패턴의 크기는 대응되는 발광 소자로부터 멀어질수록 작아질 수 있다.
예시적인 실시예로서, 상기 광 반사 패턴의 밀도는 대응되는 발광 소자로부터 멀어질수록 작아질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 위치하고 일정 간격으로 홀이 형성된 반사층; 상기 기판 상의 홀 위치에 설치되는 발광 소자; 상기 각 발광 소자를 둘러싸는 격벽; 상기 발광 소자 상측에 위치하고 상기 발광 소자를 향하여 볼록한 반사면을 가지는 반사부; 상기 발광 소자 상에서 일정 두께의 광학 거리를 형성하는 지지층; 상기 지지층 상에 위치하여 상기 발광 소자에서 방출된 빛을 선택적으로 투과 및 반사시키는 광 반사 패턴; 및 상기 광 반사 패턴 상에 위치하는 확산층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 비교적 간단한 광학구조로 휘도 균일도가 높은 면광원 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 기판과 확산층 사이의 최소한의 광학거리(Optical distance)를 두면서, 광원이 외부에 시인되는 핫 스폿(hot spot)을 제거할 수 있고, 광원의 광분포를 넓게 퍼뜨리는 형상으로 변환시킬 수 있다.
이와 같이 변환된 광분포는 광 반사 패턴을 통하여 더 넓은 영역에 걸쳐 균일한 조사가 가능하게 할 수 있다.
이에 따라, 동일 면적 대비 더 적은 수의 발광 소자를 이용하여 휘도 균일도가 높은 초박형의 면광원을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 면광원 장치를 이용하면 일반 조명 및 디스플레이 분야뿐만 아니라 헬스케어, 자동차용 조명 같은 특수조명 분야에서 더 적은 비용으로 제품의 품질을 향상시킬 수 있고 또한 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 면광원 장치는 초박형의 유연한 구조와 베젤이 없는 모듈 구조를 제공할 수 있어, 제품 디자인의 다양성과 유연성을 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 여기에서 언급하지 않은 추가적인 기술적 효과들도 있다. 당업자는 명세서 및 도면의 전 취지를 통해 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치를 나타내는 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 단위 광원을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광 방출을 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광 반사 패턴의 제1 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광 반사 패턴의 제2 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광 반사 패턴의 제3 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광학적 특성을 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 배광분포를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
나아가, 설명의 편의를 위해 각각의 도면에 대해 설명하고 있으나, 당업자가 적어도 2개 이상의 도면을 결합하여 다른 실시예를 구현하는 것도 본 발명의 권리범위에 속한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
당해 명세서에서 언급된 반도체 발광 소자는 LED, 마이크로 LED 등을 포함하는 개념이며, 혼용되어 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치를 나타내는 분해사시도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 단위 광원을 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치(10)는 플렉서블 디스플레이(flexible display)를 구현할 수 있다.
플렉서블 디스플레이는, 예를 들어, 외력에 의하여 휘어질 수 있는, 또는 구부러질 수 있는, 또는 비틀어질 수 있는, 또는 접힐 수 있는, 또는 말려질 수 있는 디스플레이를 포함할 수 있다.
나아가, 플렉서블 디스플레이는, 예를 들어 기존의 평판 디스플레이의 디스플레이 특성을 유지하면서, 종이와 같이 휘어지거나, 또는 구부리거나, 또는 접을 수 있거나 또는 말려질 수 있는 얇고 유연한 기판 위에 제작되는 디스플레이가 될 수 있다.
플렉서블 디스플레이가 휘어지지 않는 상태(예를 들어, 무한대의 곡률반경을 가지는 상태, 이하 제1상태라 한다)에서는 플렉서블 디스플레이의 디스플레이 영역이 평면이 된다. 이러한 제1상태에서 외력에 의하여 휘어진 상태(예를 들어, 유한의 곡률 반경을 가지는 상태, 이하, 제2상태라 한다)에서는 디스플레이 영역이 곡면이 될 수 있다.
이러한 플렉서블 디스플레이의 단위 화소는 반도체 발광 소자에 의하여 구현될 수 있다. 본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자의 일 종류로서 발광 소자를 예시한다. 발광 소자의 일례는 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 들 수 있다. 이러한 발광 다이오드는 작은 크기로 형성되며, 이를 통하여 상기 제2상태에서도 단위 화소의 역할을 할 수 있게 된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 면광원 장치(10)에는 기판(100) 상에 다수의 발광 소자(120)가 일정 간격을 두고 배열될 수 있다.
이때, 기판(100)은 플렉서블(유연) 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 기판(100)은 유리나 폴리이미드(PI, Polyimide)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이라면, 예를 들어 PEN(Polyethylene Naphthalate), PET(Polyethylene Terephthalate) 등 어느 것이라도 사용될 수 있다. 또한, 기판(100)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질로 형성될 수 있다.
이러한 기판(100)은 전극 패턴(도시되지 않음)이 배치되는 배선 기판일 수 있다. 배선 기판(100)은 연성인쇄회로기판(Flexible PCB)일 수 있다. 그러나 일반적인 인쇄회로기판(PCB) 또는 유리 기판이 이용될 수도 있다. 일례로, 배선 기판(100)은 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이하, 기판(100)과 배선 기판(100)은 동일 도면부호를 이용하여 설명한다. 이하, 전극 패턴과 관련된 사항에 대한 설명은 생략한다.
발광 소자(120)는 이러한 기판(100)의 전극 패턴에 전기적으로 연결될 수 있다. 예시적인 실시예로서, 발광 소자(120)는 초소형 발광 다이오드일 수 있다. 일례로, 발광 소자(120)는 마이크로미터(㎛) 단위의 크기를 가지는 마이크로 LED 또는 밀리미터 단위의 크기를 가지는 미니 LED일 수 있다.
예시적인 실시예로서, 기판(100) 상에는 반사층(200)이 위치할 수 있다. 이러한 반사층(200)은 발광 소자(120)가 위치하는 부분에 홀(210)이 형성될 수 있다. 즉, 반사층(200)에는 발광 소자(120)가 배치되는 부분에 홀(210)이 배열되어 구비될 수 있다.
일례로, 이러한 반사층(200)은 기판(100) 상에 적층 또는 형성되는 반사 필름으로 구현될 수 있다. 다른 예로, 반사층(200)은 기판(100) 상에 스프레이된 백색 잉크층일 수 있다.
예시적인 실시예로서, 기판(100) 상에 실장되는 발광 소자(120)는 수평형 LED가 플립칩 본딩된 형태를 가질 수 있다.
발광 소자(120)를 둘러싸는 격벽(130)이 구비될 수 있다. 이와 같이, 발광 소자(120)의 주위에는 격벽(130)이 형성될 수 있다. 이러한 격벽(130)은 실질적으로 투명할 수 있다. 예를 들어, 격벽(130)은 실리콘 수지와 같은 투명한 수지 물질로 형성될 수 있다. 이러한 격벽(130)은 발광 소자(120)와 일대일(1:1) 대응되도록 배열될 수 있다. 즉, 개별 발광 소자(120)마다 격벽(130)이 형성될 수 있다.
별도의 도면부호를 이용하여 설명하지는 않지만 격벽(130)으로 형성되는 공간의 내부에는 투명 수지가 위치할 수 있다. 일례로, 투명 실란트가 발광 소자(120)를 완전히 덮을 수 있도록 격벽(130) 내에 채워질 수 있다. 일례로, 이러한 투명 수지는 투명 실리카 겔 또는 투명 에폭시 수지일 수 있다.
그 외에도, 격벽(130)으로 이용되는 투명 수지 및 격벽(130) 내에 채워지는 투명 수지는 PS, PC, PMMA, PE, PET, PP, MMA-styrene 수지 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
한편, 이러한 격벽(130) 내에 채워지는 투명 수지에는 광 산란재(도시되지 않음)가 포함될 수 있다. 이러한 광 산란재는 투명 수지에 고르게 분산되어 분포할 수 있다.
도 1을 참조하면, 격벽(130)은 발광 소자(120) 주변에 직사면체 또는 정사면체 형상의 공간을 형성할 수 있다. 이러한 격벽(130)의 높이는 적어도 발광 소자(120)의 두께보다 높을 수 있다.
한편, 발광 소자(120) 상측에는 발광 소자(120)를 향하여 반사면을 가지는 반사부(110)가 위치할 수 있다.
도 2를 참조하면, 반사부(110)의 크기는 격벽(130)에 의하여 정의될 수 있다. 일례로, 반사부(110)의 크기는 격벽(130)에 의하여 형성되는 공간에 해당하는 크기를 가질 수 있다. 즉, 반사부(110)의 단부는 격벽(130)에 접촉하여 고정될 수 있다.
따라서, 반사부(110)는 적어도 발광 소자(120)를 덮는 크기를 가질 수 있다. 예시적인 실시예로서, 반사부(110)는 대응하는 발광 소자(120)의 5배 내지 10배의 면적을 가질 수 있다.
또한, 반사부(110)는 발광 소자(120)와 이격되어 위치할 수 있다. 즉, 반사부(110)는 발광 소자(120)로부터 일정 거리 이격되어 위치할 수 있다.
도 2를 참조하면, 반사부(110)의 반사면은 발광 소자(120)를 향하여 볼록한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 반사부(110)는 발광 소자(120)를 향하는 면에서 주 반사면을 형성할 수 있고, 이러한 반사면은 굴곡진 형상을 가질 수 있다. 또한, 반사부(110)의 반사면의 반대면은 평평한 면을 가질 수 있다. 일례로, 반사부(110)는 아래로 볼록한 볼록거울과 같은 반사면을 가질 수 있다.
이와 같은 형상을 가지는 반사부(110)는 발광 소자(120)에서 방출되는 광의 램버시안 광분포를 배트윙(bat wing) 형상의 광분포로 변환시킬 수 있다. 한편, 이를 위하여 반사부(110)의 크기와 형상은 발광 소자(120)의 광분포에 따라 달라질 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.
이러한 반사부(110)의 반사율은 90% 이상일 수 있으며, 반사되지 않은 빛은 그대로 반사부(110)를 투과할 수 있다.
반사부(110)는 투명 물질, 일례로, SiO2, TiO2, 실리카 겔 등으로 구성된 혼합재료로 구현될 수 있다. 이때, 이러한 혼합재료의 성분비는 발광 소자(120)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 발광 소자(120)에서 방출되는 빛의 색상(청색, 녹색, 적색, 적외선, 등)에 따라 변화할 수 있다.
발광 소자(120) 상에서 일정 두께의 광학 거리를 형성하는 지지층(300)이 위치할 수 있다. 일례로, 지지층(300)은 발광 소자(120)에서 방출되는 광을 높은 투과율로 투과시킬 수 있는 투명 실리콘 또는 투명 에폭시 소재로 구성될 수 있다.
이러한 지지층(300)은 발광 소자(120)를 둘러싼 격벽(130)의 상면, 측면, 및 기판(100)의 상면(일례로, 반사층(200) 상면)을 모두 접촉하도록 형성될 수 있다. 즉, 이와 같이, 지지층(300)은 발광 소자(120)를 둘러싼 격벽(130)의 상면, 측면, 및 기판(100)의 상면을 모두 포함하도록 도포가 될 수 있다.
지지층(300)의 상면은 기판(100)의 상면과 평행하게 형성될 수 있다. 지지층(300)은 기판(100)이 유연한 물질로 형성되어 변형될 때, 기판(100)과 동시에 변형 가능할 정도의 유연성을 가질 수 있다. 따라서, 기판(100)의 변형시 기판(100)에 실장된 발광 소자(120)와 격벽(130)이 기판(100)에서 탈락되지 않도록 지지하는 역할을 할 수 있다.
이러한 지지층(300) 상에는 발광 소자(120)에서 방출된 빛을 반사시키는 광 반사 패턴(310)이 위치할 수 있다. 예시적인 실시예로서, 광 반사 패턴(310)은 발광 소자(120)에서 방출된 빛을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 즉, 발광 소자(120)에서 방출되어 반사부(110)에서 반사되고 격벽(130)을 통과하는 과정에서 광분포가 변화된 빛(이하, 변환광이라 칭한다)은 다시 광 반사 패턴(310)에서 반사되거나 광 반사 패턴(310) 사이의 공간(310a)을 통하여 투과할 수 있다.
광 반사 패턴(310) 상에는 확산층(400)이 위치할 수 있다. 이러한 확산층(400)은 광 반사 패턴(310) 사이의 공간(310a)을 통하여 투과된 변환광이 고르게 섞이면서 확산되게 하는 작용을 할 수 있다.
이러한 확산층(400)은 지지층(300) 상측에 위치할 수 있다. 즉, 지지층(300) 상의 광 반사 패턴(310)을 덮도록 위치할 수 있다. 확산층(400)은 유연한 재질의 확산 필름 또는 확산 시트 형태로 구현될 수 있다.
이와 같은 면광원 장치는 광원의 특성을 조절하여 헬스케어, 자동차용 조명 같은 특수조명에 이용될 수 있다. 일례로, 광원의 세기 및 파장대역을 조절함으로써 광을 이용한 치료기 등으로 이용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광 방출을 나타내는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 발광 소자(120), 격벽(130) 및 반사부(110)가 단위 광원부를 이루어 일정 간격으로 배열된 상태를 도시하고 있다.
발광 소자(120)에서 방출된 빛은 반사부(110)에서 반사되어 격벽(130)을 통과하여 방출되거나 바로 격벽(130)을 통과하여 방출될 수 있다. 이러한 과정에서 발광 소자(120)에서 방출된 광은 광분포가 변화된 변환광으로 방출될 수 있다.
일례로, 이와 같이 투명한 격벽(130)을 투과한 광은 반사층(200)에서 반사하여 지지층(300)을 통과하면서 확산 과정이 이루어질 수 있다. 이러한 지지층(300)은 도광판 역할을 수행할 수 있다.
이러한 변환광은 다시 광 반사 패턴(310)에서 반사되거나 광 반사 패턴(310) 사이의 공간(310a)을 통하여 투과하여 확산층(400)을 통과하여 출사될 수 있다. 즉, 확산층(400)을 통과하여 최종 투과광(R)이 출사될 수 있다.
광 반사 패턴(310)은 광반사 안료를 수지에 분산시킨 반사 잉크를 확산층(400)의 표면에 스프레이 분사시키거나 스크린 프린팅하는 방법으로 형성할 수 있다. 이때 광 반사 패턴(310)은 소정의 직경 또는 크기를 갖는 도트 패턴으로 형성될 수 있으며, 도트 패턴은 다양한 형상을 이룰 수 있다.
일례로, 이러한 광 반사 패턴(310)은 TiO2, Al2O3 중 어느 하나를 포함하는 반사 잉크를 이용하여 형성할 수 있다.
도트 형상의 광 반사 패턴(310)은 발광 소자(120)가 위치하는 수직 방향 축을 중심으로 발광 소자(120)로부터 거리에 따라 직경이나 밀도를 달리하면서 형성될 수 있다. 즉, 발광 소자(120)가 위치하는 수직 방향의 중심부에서는 큰 직경으로 형성되고, 발광 소자(120)가부터 멀어질수록 작은 직경으로 형성될 수 있다. 또한 광 반사 패턴(310)은 발광 소자(120)가 위치하는 수직방향의 중심부에서는 상대적으로 높은 밀도로 형성되고, 발광 소자(120)로부터 멀어질수록 밀도가 감소하도록 형성될 수 있다. 아래에서 이러한 각 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광 반사 패턴의 제1 예를 나타내는 도면이다.
제1 예에 의한 광 반사 패턴(311)은 발광 소자(120)의 위치로부터 크기가 변화하는 다수의 단위 패턴(311a)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예로서, 광 반사 패턴(311)의 크기는 대응되는 발광 소자(120)로부터 멀어질수록 작아질 수 있다. 다른 말로 하면, 광 반사 패턴(311)의 밀도는 대응되는 발광 소자(120)로부터 멀어질수록 작아질 수 있다.
도 4를 참조하면, 일례로, 단위 패턴(311a)은 정사각형 형상을 가질 수 있다. 이러한 단위 패턴(311a)은 대응되는 발광 소자(120)의 위치로부터 방사선상으로 배열될 수 있다. 말하자면, 발광 소자(120)의 위치로부터의 거리에 따라 단위 패턴(311a)의 크기는 변화할 수 있다. 즉, 이웃하는 발광 소자(120)와의 중간 거리에서 단위 패턴(311a)은 가장 작은 크기를 가질 수 있다. 이에 따라, 발광 소자(120)에서 가까운 거리에서 방출되는 강한 밝기 광은 상대적으로 큰 크기를 가지는 광 반사 패턴(311)에 의하여 반사될 수 있다. 이에 따라, 광 반사 패턴(311)을 통과하는 광의 균일성이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광 반사 패턴의 제2 예를 나타내는 도면이다.
제2 예에 의한 광 반사 패턴(312)은 균일한 크기를 가지는 다수의 단위 패턴(312a)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예로서, 광 반사 패턴(312)의 크기는 대응되는 발광 소자(120)로부터의 위치와 관계 없이 동일한 크기를 가질 수 있다.
기판(100)이 유연 기판일 경우에 이와 같은 광 반사 패턴(312)을 가질 수 있다. 일례로, 기판(100)이 휘어지는 경우에는 발광 소자(120)로부터 각 단위 패턴(312a)까지의 거리가 변화할 수 있다. 이에 따라, 효과적으로 광 반사 패턴(312)의 밀도는 대응되는 발광 소자(120)로부터 멀어질수록 작아질 수 있다. 이에 따라, 광 반사 패턴(312)을 통과하는 광의 균일성이 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광 반사 패턴의 제3 예를 나타내는 도면이다.
제3 예에 의한 광 반사 패턴(313)은 발광 소자(120)의 위치로부터 밀도가 변화하는 다수의 단위 패턴(313a)을 포함할 수 있다.
광 반사 패턴(313)의 크기는 대응되는 발광 소자(120)로부터의 위치와 관계 없이 동일한 크기를 가질 수 있다. 그러나 대응되는 발광 소자(120)로부터 멀어질수록 단위 패턴(313a)의 밀도가 변화할 수 있다. 다른 말로 하면, 광 반사 패턴(313)의 밀도는 대응되는 발광 소자(120)로부터 멀어질수록 작아질 수 있다.
도 6을 참조하면, 일례로, 단위 패턴(313a)은 정사각형 형상을 가질 수 있다. 이러한 단위 패턴(313a)은 대응되는 발광 소자(120)의 위치로부터 방사선상으로 배열될 수 있다.
예시적인 실시예로서, 발광 소자(120)의 위치로부터의 거리에 따라 단위 패턴(313a)의 밀도는 변화할 수 있다. 즉, 이웃하는 발광 소자(120)와의 중간 거리에서 단위 패턴(313a)은 가장 작은 밀도를 가질 수 있다. 다시 말하면, 대응되는 발광 소자(120)와 가까운 위치에는 단위 패턴(313a)이 더 조밀하게 배열될 수 있다. 또한, 대응되는 발광 소자(120)에서 멀어질수록 단위 패턴(313a) 사이의 거리는 점점 커질 수 있다.
이에 따라, 발광 소자(120)에서 가까운 거리에서 방출되는 강한 밝기 광은 상대적으로 큰 밀도를 가지는 광 반사 패턴(313)에 의하여 반사될 수 있다. 이에 따라, 광 반사 패턴(313)을 통과하는 광의 균일성이 향상될 수 있다.
이와 같이, 발광 소자(120)의 위치로부터의 거리에 따라 밀도가 변화하는 단위 패턴(313a)은 기판(100)이 유연 기판일 경우에 더 큰 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 기판(100)이 휘어지거나 휘어지지 않은 경우에도 광의 균일성이 동일한 정도로 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 광학적 특성을 나타내는 개념도이다.
일반적으로, 발광 소자(120)의 실시예로서 LED 광원은 탑뷰(top-view) 방식으로 소정의 지향각을 가지면서(램버시안 광분포) 상측으로 점광원으로서의 빛을 출사한다. 이때, 상측으로 출사되는 빛은 확산층(400)을 통과하면서 균일한 휘도로 출사되도록 제어될 수 있다.
그러나, LED 광원과 확산층(400)의 간격이 좁아지는 경우 점광원의 특성상 LED 광원이 배치되는 영역에서는 주위보다 밝게 빛나는 휘점이 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 이러한 현상을 방지하기 위해 확산층(400) 하면에 광 반사 패턴(310)이 형성될 수 있다.
LED 광원에서 출사되는 일부의 빛은 일부는 광 반사 패턴(310)이 형성되지 않은 영역(310a)에서 확산층(400)을 그대로 통과하지만, 다른 일부의 빛은 광 반사 패턴(310)에 의하여 하측으로 반사된다.
이와 같이 광 반사 패턴(310)에 반사된 빛은 반사층(200)에서 다시 반사되어 상측으로 진행하며, 이들 빛 중 일부는 확산층(400)을 통과하여 출사되고, 나머지는 다시 광 반사 패턴(310)에 의하여 하측으로 반사될 수 있다. 즉, 발광 소자(120; LED 광원)에서 출사되는 빛은 확산층(400) 하측의 광 반사 패턴(310)과 반사층(200)에 의하여 반사를 반복하는 과정에서 광 산란 공간의 전체 영역에서 고르게 분포되면서 확산층(400)을 통하여 균일한 휘도로 출사될 수 있다(R).
일반적으로 LED 광원과 확산층(400)과의 거리(광학거리; Optical distance)가 LED 간 간격(LED pitch)과 동일할 때, 균일한 휘도를 가지게 된다.
본 발명의 실시예에서와 같이 반사부(110), 격벽(130) 및 발광 소자(120)를 포함한 광원과 광 반사 패턴(130)을 적용하면 LED 간 간격(LED pitch)이 광학거리의 2배 이상이 되었을 경우에도 매우 균일한 휘도를 유지할 수 있다(LED pitch = 2 × Optical distance).
일례로, 100㎛의 소형 LED를 발광 소자(120)로 사용할 경우, 균일한 휘도를 가지는 1mm 두께의 면광원을 설계하기 위해서는 발광 소자(120) 사이의 간격은 2mm 가 되도록 설계할 수 있다.
이러한 광 반사 패턴(310)의 분포에 의하여 발광 소자(120)가 위치하는 영역에서는 광 반사율을 높여 투과되는 광량을 감소시키고 발광 소자(120)로부터 먼 영역에서는 광 반사율을 낮추어 투과되는 광량을 증가시켜, 전체적으로 균일한 광량이 출사되도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치의 배광분포를 나타내는 도면이다.
위에서 언급한 바와 같이, LED 광원은 탑뷰(top-view) 방식으로 소정의 지향각을 가지면서(램버시안 광분포) 상측으로 점광원으로서의 빛을 출사한다. 도 8의 A는 이러한 램버시안 광분포를 나타내고 있다.
본 발명의 실시예에 의한 광원, 즉, 발광 소자(120) 주변부에 투명 격벽(130)이 형성되고, 이 격벽(130) 상에 반사부(110)가 위치하는 광원에 의하여, 램버시안 광분포(A)는 배트윙(bat wing) 형상의 광분포(B)로 변환될 수 있다.
도 8을 참조하면, 이러한 배트윙(bat wing) 형상의 광분포(B)는 대략 -60도에서 60도에 이르는 넓은 광분포를 가지고 중앙부(0도)에서는 상대적으로 약한 광출력을 가지는 광분포를 가질 수 있다.
따라서, 이러한 광분포는 주로 격벽(130)을 통과하여 발광 소자(120)의 측방향으로 방출될 수 있다. 이와 같이, 측방향으로 출사된 광은 위에서 설명한 바와 같이 반사층(200)과 광 반사 패턴(310)을 통한 다중 반사 과정에 의하여 균일화되어 출사될 수 있다. 결과적으로 전체적으로 균일한 광량이 출사될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 비교적 간단한 광학구조로 휘도 균일도가 높은 면광원 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 기판(100)과 확산층(400) 사이의 최소한의 광학거리(Optical distance)를 두면서, 광원이 외부에 시인되는 핫 스폿(hot spot)을 제거할 수 있고, 광원의 광분포를 넓게 퍼뜨리는 형상으로 변환시킬 수 있다.
이와 같이 변환된 광분포는 광 반사 패턴(310)을 통하여 더 넓은 영역에 걸쳐 균일한 조사가 가능하게 할 수 있다.
이에 따라, 동일 면적 대비 더 적은 수의 발광 소자(120)를 이용하여 휘도 균일도가 높은 초박형의 면광원을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 면광원 장치를 이용하면 일반 조명 및 디스플레이 분야 뿐만 아니라 헬스케어, 자동차용 조명 같은 특수조명 분야에서 더 적은 비용으로 제품의 품질을 향상시킬 수 있고 또한 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 면광원 장치는 초박형의 유연한 구조와 베젤이 없는 모듈 구조를 제공할 수 있어, 제품 디자인의 다양성과 유연성을 제공할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 의하면 마이크로 LED와 같은 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치를 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 일정 간격을 두고 배열되는 다수의 발광 소자;
    상기 각 발광 소자를 둘러싸는 격벽;
    상기 발광 소자 상측에 위치하고 상기 발광 소자를 향하여 반사면을 가지는 반사부;
    상기 발광 소자 상에서 일정 두께의 광학 거리를 형성하는 지지층;
    상기 지지층 상에 위치하여 상기 발광 소자에서 방출된 빛을 반사시키는 광 반사 패턴; 및
    상기 광 반사 패턴 상에 위치하는 확산층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 유연 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에는 상기 발광 소자가 위치하는 부분에 홀이 형성된 반사층이 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다수의 발광 소자 사이의 간격은 상기 광학 거리의 두 배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반사부의 크기는 상기 격벽에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반사부의 반사면은 상기 발광 소자를 향하여 볼록한 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반사부의 반사면의 반대면은 평평한 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반사부는 상기 발광 소자에서 방출되는 광의 램버시안 광분포를 배트윙(bat wing) 형상의 광분포로 변환시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 격벽 내부에는 투명 수지가 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광 반사 패턴은 상기 발광 소자에서 방출된 빛을 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광 반사 패턴의 크기는 대응되는 발광 소자로부터 멀어질수록 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광 반사 패턴의 밀도는 대응되는 발광 소자로부터 멀어질수록 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  13. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고 일정 간격으로 홀이 형성된 반사층;
    상기 기판 상의 홀 위치에 설치되는 발광 소자;
    상기 각 발광 소자를 둘러싸는 격벽;
    상기 발광 소자 상측에 위치하고 상기 발광 소자를 향하여 볼록한 반사면을 가지는 반사부;
    상기 발광 소자 상에서 일정 두께의 광학 거리를 형성하는 지지층;
    상기 지지층 상에 위치하여 상기 발광 소자에서 방출된 빛을 선택적으로 투과 및 반사시키는 광 반사 패턴; 및
    상기 광 반사 패턴 상에 위치하는 확산층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 다수의 발광 소자 사이의 간격은 상기 광학 거리의 두 배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 반사부의 크기는 상기 격벽에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 반사부는 상기 발광 소자에서 방출되는 광의 램버시안 광분포를 배트윙(bat wing) 형상의 광분포로 변환시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 광 반사 패턴의 크기는 대응되는 발광 소자로부터 멀어질수록 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
  18. 제13항에 있어서, 상기 광 반사 패턴의 밀도는 대응되는 발광 소자로부터 멀어질수록 작아지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 이용한 면광원 장치.
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