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KR20120011185A - 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치 - Google Patents

광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치 Download PDF

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KR20120011185A
KR20120011185A KR1020100072851A KR20100072851A KR20120011185A KR 20120011185 A KR20120011185 A KR 20120011185A KR 1020100072851 A KR1020100072851 A KR 1020100072851A KR 20100072851 A KR20100072851 A KR 20100072851A KR 20120011185 A KR20120011185 A KR 20120011185A
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light diffusing
lens
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한길원
장현우
임주상
권승주
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Abstract

본 발명은 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치에 관한 것이다. 본 발명의 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치는 직사각형의 발광면을 가지는 LED 패키지; 상기 LED 패키지가 실장되는 PCB; 및 상기 LED 패키지를 덮도록 상기 PCB에 접착된 광확산 렌즈를 구비하며, 상기 광확산 렌즈는 외부면과 내부면이 형성된 투명재질로 이루어지고, 상기 내부면은 상기 외부면 쪽으로 오목한 타원형 단면을 포함하며, 상기 외부면은 상기 내부면 쪽으로 오목하고 상기 LED 패키지의 발광면의 정중앙과 대향하는 정중앙부, 상기 정중앙부의 주변에 형성된 전반사부, 상기 전반사부의 아래로 이어지는 측면부를 포함하고, 상기 광확산 렌즈의 두께는 상기 외부면의 정중앙에서 가장 얇으며, 상기 내부면과 상기 PCB 사이의 공간은 공기로 채워지고, 상기 정중앙부는 상기 내부면을 통해 입사되는 빛을 그대로 통과시키며, 상기 전반사부는 상기 내부면을 통해 입사되는 빛을 전반사시키고, 상기 측면부는 상기 내부면을 통해 입사되는 빛을 입사각에 따라 굴절시켜 확산시키는 것을 특징으로 한다.

Description

광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE USING LIGHT DIFFUSION LENS}
본 발명은 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치는 경량, 박형, 저소비 전력구동 등의 특징으로 인해 그 응용범위가 점차 넓어지고 있는 추세에 있다. 액정표시장치는 노트북 PC와 같은 휴대용 컴퓨터, 사무 자동화 기기, 오디오/비디오 기기, 옥내외 광고 표시장치 등으로 광범위하게 이용되고 있다. 액정표시장치는 액정층에 인가되는 전계를 제어하여 백라이트 유닛으로부터 입사되는 빛을 변조함으로써 화상을 표시한다.
액정표시장치는 비디오 데이터를 표시하는 액정표시패널과, 이 액정표시패널에 빛을 조사하는 백라이트 유닛(Back Light Unit)을 포함한다. 액정표시패널과 백라이트 유닛은 적층된 상태로 조립되어 액정모듈로 구현된다. 액정모듈은 액정표시패널과 백라이트 유닛을 고정하기 위한 가이드/케이스 부재와, 액정표시패널의 구동회로 보드를 더 포함한다.
백라이트 유닛은 직하형(direct type)과 에지형(edge type)으로 대별된다. 직하형 백라이트 유닛은 액정표시패널의 아래에 다수의 광원들이 배치되는 구조를 가지며, 에지형 백라이트 유닛은 도광판의 측면에 대향되도록 광원이 배치되고 액정표시패널과 도광판 사이에 다수의 광학시트들이 배치되는 구조를 가진다.
도 1은 직하형 백라이트 유닛을 포함한 액정모듈을 나타내는 단면도이다. 직하형 백라이트 유닛은 표시패널(6)의 아래에 다수의 광학시트들(5)과 확산판(4)이 적층되고 확산판(4) 아래에 다수의 광원들이 배치되는 구조를 갖는다. 광원들로부터 발생한 빛은 확산판(4) 및 광학시트들(5)을 통해 산란 및 굴절되어 표시패널(6)의 전면으로 퍼져나가게 된다.
최근에 백라이트 유닛의 광원으로 고효율, 고휘도, 저소비 전력 등의 장점을 가지는 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 "LED"라 함)가 각광을 받고 있다. 옵티컬 갭(Optical Gap)은 PCB(2)와 확산판(4) 사이의 거리(G)로 정의되는데, LED는 빛이 퍼지는 각도(θ)가 협소하여 일정한 높이의 옵티컬 갭(G)이 확보되지 않으면, 휘도 불균형이 발생하는 문제가 있다. 예를 들어, 도 2와 같이 LED 패키지(1) 간의 거리가 멀거나, 도 3과 같이 일정한 높이의 옵티컬 갭(G)이 확보되지 않는 경우, LED 패키지(1)로부터의 빛이 확산판(4)의 일부에 닿지 않으므로, 빛이 닿는 부분만 밝게 보이는 휘점(Hot spot Mura)이 나타날 수 있다. 따라서, 직하형 백라이트 유닛의 경우 일정한 높이의 옵티컬 갭(G)이 확보되어야 하므로, 백라이트 유닛의 두께가 두꺼워지게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, LED 패키지(1)로부터 발생한 빛을 넓게 확산시킬 수 있는 광확산 렌즈가 제안되고 있다. 광확산 렌즈의 하나의 예로, 공개특허 10-2006-0051465호에 개시된 광확산 렌즈가 알려져 있다. 하지만, 공개특허 10-2006-0051465호에 개시된 광확산 렌즈는 가로, 세로의 길이의 비가 1:1이 아닌 직사각형 형태의 발광면을 가지는 LED 패키지(1)를 배치하는 경우, 도 4와 같이 광확산 렌즈를 통과한 빛의 분포가 원형이 아닌 타원형의 광분포를 이루게 된다.
도 5는 확산판에 보여지는 광확산 렌즈를 통과한 빛의 분포를 나타낸다. 도 5와 같이 LED 패키지(1)가 삼각으로 배열된 구조(T)에서 빛의 분포가 타원형을 이루는 경우, A지점과 B지점의 빛의 균일도가 다르다. A지점과 B지점의 빛의 균일도가 다른 경우, 광학시트들을 이용하더라도 A지점과 B지점의 빛의 균일도를 같게 만들기 어려우므로, 휘도 불균형이 발생하게 된다.
본 발명의 목적은 직사각형 형태의 LED 패키지의 발광면에서 휘도 불균형 없는 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치는 직사각형의 발광면을 가지는 LED 패키지; 상기 LED 패키지가 실장되는 PCB; 및 상기 LED 패키지를 덮도록 상기 PCB에 접착된 광확산 렌즈를 구비하며, 상기 광확산 렌즈는 외부면과 내부면이 형성된 투명재질로 이루어지고, 상기 내부면은 상기 외부면 쪽으로 오목한 타원형 단면을 포함하며, 상기 외부면은 상기 내부면 쪽으로 오목하고 상기 LED 패키지의 발광면의 정중앙과 대향하는 정중앙부, 상기 정중앙부의 주변에 형성된 전반사부, 상기 전반사부의 아래로 이어지는 측면부를 포함하고, 상기 광확산 렌즈의 두께는 상기 외부면의 정중앙에서 가장 얇으며, 상기 내부면과 상기 PCB 사이의 공간은 공기로 채워지고, 상기 정중앙부는 상기 내부면을 통해 입사되는 빛을 그대로 통과시키며, 상기 전반사부는 상기 내부면을 통해 입사되는 빛을 전반사시키고, 상기 측면부는 상기 내부면을 통해 입사되는 빛을 입사각에 따라 굴절시켜 확산시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 직사각형 형태의 발광면을 가지는 LED 패키지 각각에 광확산 렌즈를 배치하고, 광확산 렌즈를 통과한 빛의 분포가 원형을 이루도록 광확산 렌즈를 설계한다. 그 결과, 본 발명은 LED 패키지 어레이에서 휘도의 불균형을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명은 옵티컬 갭을 줄일 수 있어 백라이트 유닛의 두께를 감소시킬 수 있으며, LED 패키지의 개수를 줄일 수 있어 백라이트 제조비용을 절감할 수 있다.
도 1은 직하형 백라이트 유닛을 포함한 액정모듈을 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 직하형 백라이트 유닛의 옵티컬 갭을 나타내는 단면도이다.
도 4는 기존의 광확산 렌즈가 배치된 LED 패키지의 광분포를 나타내는 도면이다.
도 5는 기존의 광확산 렌즈가 배치된 LED 패키지 어레이의 광분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광확산 렌즈를 이용하는 백라이트 유닛을 포함한 액정모듈을 나타내는 단면도이다.
도 7은 LED 패키지의 발광 영역을 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광확산 렌즈를 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 8의 광확산 렌즈를 통한 빛의 확산을 보여주는 단면도이다.
도 10은 도 8의 광확산 렌즈의 바닥면 형상을 보여주는 사시도이다.
도 11은 도 8의 광확산 렌즈의 외부면 형상을 보여주는 사시도이다.
도 12는 도 8의 광확산 렌즈의 내부면 형상을 보여주는 사시도이다.
도 13은 도 8의 광확산 렌즈의 내부면과 LED 패키지를 보여주는 평면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 광확산 렌즈가 배치된 LED 패키지의 광분포를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 광확산 렌즈가 배치된 LED 패키지 어레이의 광분포를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로, 실제 제품의 명칭과는 상이할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광확산 렌즈를 이용하는 백라이트 유닛을 포함한 액정모듈을 나타내는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 액정모듈은 표시패널(106), 도시하지 않은 표시패널(106)의 구동부, 백라이트 유닛, 백라이트 유닛을 지지하는 가이드/케이스 부재 등을 구비한다. 본 발명의 백라이트 유닛은 LED 패키지(101), PCB(102), 반사시트(103), 확산판(104), 광학시트들(105) 등을 구비하며, LED 패키지(101) 상에 광확산 렌즈(110)가 배치된다.
본 발명의 LED 패키지(101)는 가로, 세로 길이의 비가 1:1이 아닌 직사각형 형태의 발광면을 가진다. LED 패키지(101)는 도 7과 같이 수평 발광면에 대한 수직방향(V)으로 최대 발광 휘도의 밝기의 빛을 내보내며, 수직방향(V)을 기준으로 좌우 방위각 60도에서 최대 발광 휘도의 대략 50%의 밝기를 가진다. 따라서, LED 패키지(101)로부터 광확산 렌즈(110)를 통과한 빛은 도 14와 같이 나타난다.
광확산 렌즈(110)의 외부면(111)과 내부면 각각은 특정한 형상으로 가공되며, 렌즈의 내부면(112)은 LED 패키지(101)로부터의 빛을 1차적으로 굴절시키고, 렌즈의 외부면(111)은 렌즈의 내부면(112)에 의해 1차적으로 굴절된 빛을 2차적으로 굴절시킨다. 이하에서, 광확산 렌즈(110)에 대하여 도 8 내지 도 15를 결부하여 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광확산 렌즈(110)를 나타내는 단면도이고, 도 9는 도 8의 광확산 렌즈(110)를 통한 빛의 확산을 보여주는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 광확산 렌즈(110)는 렌즈의 외부면(111), 렌즈의 내부면(112), 렌즈의 바닥면(113), 및 렌즈의 내부면(112)과 바닥면 사이의 공간인 내부 공간부(114)를 포함한다.
도 8 및 도 9에서, 렌즈의 외부면(111)은 내부면 쪽으로 오목한 정중앙부(111a), 정중앙부(111a) 주변에 볼록하게 형성된 전반사부(111b), 전반사부(111b)로부터 아래로 이어지는 측면부(111c)로 구분된다. 정중앙부(111a)는 렌즈의 내부면(112)을 통해 입사되는 빛을 굴절없이 그대로 진행(L1)시킨다. 정중앙부(111a)를 통해 그대로 진행된 빛(L1)은 확산판(104)에 입사된다. 전반사부(111b)는 렌즈의 내부면(112)을 통해 입사되는 빛을 전반사시킨다. 전반사부(111b)에 의해 전반사된 빛은 렌즈의 바닥면 방향으로 진행(L2)되며, PCB(102) 또는 반사시트(103)에 의해 반사되어 확산판(104)에 입사된다. 측면부(111c)는 렌즈의 내부면(112)을 통해 입사되는 빛을 그 입사각에 따라 굴절시켜 확산(L3)시킨다. 측면부(111c)에 의해 굴절된 빛은 반사시트(103)에 의해 반사되어 확산판(104)에 입사된다.
결국, 광확산 렌즈(110)의 일부의 빛은 그대로 진행(L1)하여 확산판(104)에 입사되고, 광확산 렌즈(110)의 전반사부(111b)에 의해 전반사되거나, 측면부(111c)에 의해 굴절된 다량의 빛(L2, L3)은 PCB(102) 또는 반사시트(103)에 의해 반사되어 확산판(104)에 입사된다. 따라서, 본 발명의 광확산 렌즈(110)를 이용한 액정표시장치의 경우, LED 패키지의 빛을 넓게 확산시킬 수 있기 때문에, 옵티컬 갭(G)을 줄이거나, LED 패키지의 수를 줄이더라도 휘도 불균형이 없는 화면을 구현할 수 있다.
렌즈의 내부면(112)은 외부면(111) 쪽으로 오목한 타원형 단면의 형태를 가지며, 따라서, 광확산 렌즈(110)의 두께는 외부면(111)의 정중앙부(111a)에서 가장 얇다. 렌즈의 내부면(112)의 정중앙을 향하는 빛은 굴절되지 않으며, 이 빛은 렌즈의 외부면(111)의 정중앙부(111a)를 통해 수직방향(L1)으로 진행하게 된다.
렌즈의 바닥면(113)은 PCB(102)와 접착되며, 광확산 렌즈(110)를 지지하는 역할을 한다. 광확산 렌즈(110)와 PCB(102)의 접착은 자외선 경화 접착제를 PCB(102)에 도포한 후 광확산 렌즈(110)를 부착한 후, 자외선을 가하여 접착제를 경화시키는 방식으로 이루어진다.
렌즈의 바닥면(113)은 렌즈의 외부면(111) 및 내부면(112)과 이어진다. 렌즈의 바닥면(113)과 렌즈의 내부면(112) 사이는 LED 패키지(101)를 수납하기 용이하도록 단차진 형태(115)로 이어질 수 있다.
내부 공간부(114)는 렌즈의 내부면(112)과 바닥면(113) 사이의 공간이며, 내부 공간부(114)의 정중앙에 LED 패키지(101)가 위치한다. 내부 공간부(114)에서 LED 패키지(101)를 수납하고 남은 공간은 공기층으로 채워질 수 있다.
도 10은 도 8의 광확산 렌즈(110)의 바닥면 형상을 보여주는 사시도이다. 광확산 렌즈(110)의 바닥면(113)은 타원형 형태를 가진다. LED 패키지(101)가 가로, 세로 길이의 비가 1:1이 아닌 직사각형의 형태의 발광면을 가지므로, LED 패키지(101)로부터의 빛을 원형 형태로 균일하게 확산시키기 위해, 광확산 렌즈(110)의 바닥면(113)은 원형이 아닌 타원형으로 형성된다. 이에 대한 상세한 설명은 도 13을 결부하여 후술한다.
도 11은 도 8의 광확산 렌즈(110)의 외부면(111) 형상을 보여주는 사시도이다. 도 11을 참조하면, 광확산 렌즈(110)는 비구면(非球面) 렌즈의 형태를 가진다. 비구면 렌즈는 렌즈의 표면이 구면이나 평면이 아닌 비구면인 렌즈를 의미한다. 렌즈의 외부면(111)의 형상은 수학식 1으로 표현된 곡선(C)을 도 11과 같이 360도 회전하여 구현된 형상이다.
Figure pat00001
수학식 1에서, r은 렌즈 바닥면의 반지름, c는 곡면의 곡률, k는 코닉 상수(conic constant), A는 4차항의 비구면 계수, B는 6차항의 비구면 계수, C는 8차항의 비구면 계수, 및 D는 10차항의 비구면 계수이다. 곡면의 곡률(c)은 렌즈의 외부면(111)의 정중앙부(111a)의 내부면 쪽으로 오목한 형태의 곡률을 의미한다. 4차항 내지 10차항은 전반사부(111b) 및 측면부(111c)의 비구면 형상으로 정의되며, 비구면 계수들(A, B, C, D)은 전반사부(111b) 및 측면부(111c)를 설계하는데 필요한 계수들이다.
수학식 1에서, 렌즈 바닥면의 반지름은 0.25보다 크고, 5와 같거나 작은 값을 가지고, 코닉 상수(k)는 -12보다 크고, 0과 같거나 작은 값을 가진다. 또한, 비구면 계수 A는 -0.01보다 크고 0과 같거나 작은 값을 가지고, 비구면 계수 B는 0보다 크고 0.0001과 같거나 작은 값을 가지며, 비구면 계수 C는 -0.000001보다 크고 0과 같거나 작은 값을 가지고, 비구면 계수 D는 0보다 크고 0.000000001과 같거나 작은 값을 가진다. 또한, 렌즈의 외부면(111)의 비구면을 더욱 정교하게 만들기 위해, A, B, C, D 이외의 비구면 계수를 가지는 고차항이 추가될 수 있다.
도 12는 도 8의 광확산 렌즈(110)의 내부면(112) 형상을 보여주는 사시도이다. 도 12를 참조하면, 렌즈의 내부면(112) 형상은 타원형의 반구 형태로 형성된다. 렌즈의 내부면(112) 형상은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
도 12를 참조하면, 수학식 2에서 x는 타원형 반구의 장축 반지름, y는 타원형 반구의 단축 반지름, cx는 x방향의 곡면의 곡률, cy는 y방향의 곡면의 곡률, kx는 x방향의 코닉 상수, ky는 y방향의 코닉 상수를 의미한다. 또한, 렌즈의 내부면(112)의 비구면을 더욱 정교하게 만들기 위해, 비구면 계수를 가지는 고차항이 추가될 수 있다. 수학식 2에 비구면 계수가 추가된 고차항은 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
수학식 3에서, Ax는 x방향의 4차 비구면 계수, Ay는 y방향의 4차 비구면 계수, Bx는 x방향의 6차 비구면 계수, By는 y방향의 6차 비구면 계수, Cx는 x방향의 8차 비구면 계수, Cy는 y방향의 8차 비구면 계수를 의미한다. 렌즈의 내부면(112)의 비구면을 더욱 정교하게 만들기 위해, Ax, Ay, Bx, By, Cx, 및 Cy 이외의 비구면 계수를 가지는 고차항이 추가될 수 있다. 광확산 렌즈의 내부면(112)의 형상은 LED 패키지(101)의 발광면의 크기에 따라 달라지며, 이에 대하여는 도 13을 결부하여 후술한다.
도 13은 도 12의 광확산 렌즈(110)의 내부면(112)과 LED 패키지(101)를 보여주는 평면도이다. 도 13을 참조하면, 타원형 반구의 장축 반지름(x)과 단축 반지름(y)은 직사각형 형태의 LED 패키지(101)의 발광면의 길이와 관계가 있다. 직사각형 형태의 LED 패키지(101)의 발광면을 위에서 내려다 본 평면도는 도 13과 같다. LED 패키지(101)의 발광면에서 길이가 긴 변(l)은 타원형 반구의 장축 반지름(x)과 대응되고, 길이가 짧은 변(s)은 타원형 반구의 단축 반지름(y)과 대응된다. 타원형 반구의 장축 반지름(x)과 단축 반지름(y)의 비(x/y)는 LED 패키지(101)의 긴 변(l)과 짧은 변(s)의 길이의 비(l/s)의 0.2배 내지 2배이다. 따라서, 직사각형 형태의 LED 패키지(101)의 발광면의 가로, 세로 길이에 맞게 타원형 반구의 장축 반지름(x)과 단축 반지름(y)을 조정함으로써, LED 패키지(101)로부터의 빛을 원형 형태로 균일하게 확산시킬 수 있다. 결국, 직사각형 형태의 LED 패키지(101)의 발광면에 최적화된 광확산 렌즈(110)가 설계될 수 있다.
광확산 렌즈(110)의 외부면(111)과 내부면(112)은 매끄러운 곡면으로 되어 있으며, LED 패키지(101)로부터의 빛은 광확산 렌즈(110)를 통과하면서, 렌즈의 외부면(111)과 내부면(112)에서 각각 굴절된다. 이 경우, 푸른색 계열의 짧은 파장의 빛과 붉은색 계열의 긴 파장의 빛의 굴절각이 다르므로, 빛이 색분산되는 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해, 렌즈의 외부면(111)과 내부면(112)의 표면을 거칠게 하는 마이크로 패턴을 형성하거나, 산란제 코팅을 하여 색분산을 제거할 수 있다.
마이크로 패턴은 광확산 렌즈(110)의 매끄러운 금형 틀을 규칙적 또는 불규칙적인 패턴으로 부식시키는 것이다. 마이크로 패턴 형성 방법은 사출성형으로 만들어지는 광확산 렌즈(110)의 표면에 마이크로 패턴을 형성하는 것이며, 규칙적 또는 불규칙적인 패턴에 의해 광확산 렌즈(110)의 표면은 거칠게 된다.
산란제 코팅은 산란 비즈(beads)가 포함된 수지를 광확산 렌즈(110)의 표면에 코팅하는 것이다. 산란제 코팅 방법은 사출성형으로 만들어진 광확산 렌즈(110)의 표면에 산란 비즈를 코팅하여 산란효과를 내는 것이며, 산란제 코팅을 통해 광확산 렌즈(110)의 표면은 거칠게 된다.
광확산 렌즈(110)의 외부면(111)과 내부면(112) 모두에 마이크로 패턴 또는 산란제 코팅을 하거나, 외부면(111)과 내부면(112) 중 한 면에만 마이크로 패턴 또는 산란제 코팅을 할 수 있다. 하지만, 외부면(111) 및 내부면(112) 각각은 마이크로 패턴 또는 산란제 코팅 중 어느 하나만 적용될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 광확산 렌즈(110)가 배치된 LED 패키지(101)의 광분포를 나타내는 도면이고, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 광확산 렌즈(110)가 배치된 LED 패키지 어레이의 광분포를 나타내는 도면이다. 도 14를 참조하면, LED 패키지(101)로부터 광확산 렌즈(110)를 통해 나타나는 빛의 분포가 타원형이 아닌 원형을 이룬다. 빛의 분포가 원형을 이루게 됨으로써, 도 15와 같이 LED 패키지(101)를 삼각으로 배열한 구조(T)에서 원형 광분포의 서로 이웃하는 A지점과 B지점의 빛의 균일도가 거의 같게 된다. 따라서, LED 패키지(101)로부터 광확산 렌즈(110)를 통해 확산판(104)에 나타나는 빛의 분포가 원형을 이루는 경우, 광학시트들(105)을 통해 표시패널 전면에 휘도 불균형 없는 빛이 조사될 수 있다.
한편, 광확산 렌즈(110)는 투명한 플라스틱 재질의 렌즈로 PMMA (Polymethylmethacrylate) 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate)를 재료로 할 수 있다. PMMA (Polymethylmethacrylate) 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate)로 만들어진 광확산 렌즈(110)의 굴절률은 1.49이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 광확산 렌즈(110)를 이용한 액정표시장치는 표시패널(106), 도시하지 않은 표시패널(106)의 구동부, 도 8 내지 도 15를 통해 설명한 광확산 렌즈(110)를 LED 패키지(101) 상에 배치한 직하형 백라이트 유닛, 및 백라이트 유닛을 지지하는 가이드/케이스 부재 등을 구비한다.
표시패널(106)은 두 장의 유리기판 사이에 액정층이 형성된다. 표시패널(106)의 하부 유리기판(106b)에는 다수의 데이터라인들과 다수의 게이트라인들이 교차된다. 데이터라인들과 게이트라인들의 교차 구조에 의해 표시패널(106)에는 액정셀들이 매트릭스 형태로 배치된다. 또한, 표시패널(106)의 하부 유리기판(106b)에는 박막트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT), 박막트랜지스터(TFT)에 접속된 액정셀의 화소전극, 및 스토리지 커패시터(Storage Capacitor) 등이 형성된다. 액정셀들은 데이터라인들을 통해 화소전극에 공급되는 데이터전압과, 공통전극에 공급되는 공통전압의 전위차에 의해 발생되는 전계에 의해 구동되어 표시패널(106)에서 투과되는 광양을 조정한다.
표시패널(106)의 상부 유리기판(106a) 상에는 블랙매트릭스, 컬러필터 및 공통전극이 형성된다. 공통전극은 TN(Twisted Nematic) 모드와 VA(Vertical Alignment) 모드와 같은 수직전계 구동방식에서 상부 유리기판(106a) 상에 형성되며, IPS(In Plane Switching) 모드와 FFS(Fringe Field Switching) 모드와 같은 수평전계 구동방식에서 화소전극과 함께 하부 유리기판(106b) 상에 형성된다. 표시패널(106)의 상부 유리기판(106a)과 하부 유리기판(106b) 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다.
도시하지 않은 표시패널(106)의 구동회로 보드는 게이트 구동부, 데이터 구동부, 및 타이밍 컨트롤러를 포함한다. 데이터 구동부는 클럭신호를 샘플링하기 위한 쉬프트 레지스터, 디지털 비디오 데이터(RGB)를 일시저장하기 위한 레지스터, 쉬프트 레지스터로부터의 클럭신호에 응답하여 데이터를 1 라인분씩 저장하고 저장된 1 라인분의 데이터를 동시에 출력하기 위한 래치, 래치로부터의 디지털 데이터값에 대응하여 감마기준전압의 참조하에 정극성/부극성의 감마전압을 선택하기 위한 디지털/아날로그 변환기, 정극성/부극성 감마전압에 의해 변환된 아날로그 데이터가 공급되는 데이터라인을 선택하기 위한 멀티플렉서 및 멀티플렉서와 데이터라인 사이에 접속된 출력버퍼 등을 각각 포함하는 다수의 데이터 드라이브 집적회로들로 구성된다. 이 데이터 구동부는 타이밍 콘트롤러의 제어 하에 디지털 비디오 데이터(RGB)를 래치하고, 이 래치된 디지털 비디오 데이터(RGB)를 정극성/부극성 감마보상전압을 이용하여 정극성/부극성 아날로그 데이터전압으로 변환한 후 데이터라인들에 공급한다.
게이트 구동부는 쉬프트 레지스터, 쉬프트 레지스터의 출력신호를 액정셀의 TFT 구동에 적합한 스윙폭으로 변환하기 위한 레벨 쉬프터, 및 출력 버퍼 등을 각각 포함하는 다수의 게이트 드라이브 집적회로들로 구성된다. 이 게이트 구동부는 타이밍 콘트롤러의 제어 하에 대략 1 수평기간의 펄스폭을 가지는 게이트펄스(또는 스캔펄스)를 순차적으로 출력하여 게이트라인들에 공급한다.
타이밍 콘트롤러는 외부 비디오 소스가 실장된 시스템 보드로부터 입력되는 디지털 비디오 데이터(RGB)와 타이밍신호들(Vsync, Hsync, DE, DCLK)을 입력받아 디지털 비디오 데이터(RGB)를 데이터 구동부에 공급한다. 타이밍신호들(Vsync, Hsync, DE, DCLK)은 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블신호(DE), 도트 클럭신호(DCLK) 등을 포함한다. 타이밍 콘트롤러는 시스템 보드로부터의 타이밍신호들(Vsync, Hsync, DE, DCLK)에 기초하여 데이터 구동부와 게이트 구동부의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어신호들(DDC, GDC)을 발생한다. 타이밍 콘트롤러는 60Hz의 프레임 주파수로 입력되는 입력 영상 신호의 프레임들 사이에 보간 프레임을 삽입하고 데이터 타이밍 제어신호(DDC)와 게이트 타이밍 제어신호(GDC)를 체배하여 60×N(N은 2 이상의 양의 정수)Hz의 프레임 주파수로 데이터 구동부와 게이트 구동부의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 직하형 백라이트 유닛은 LED 패키지(101), PCB(102), 반사시트(103), 확산판(104), 광학시트들(105) 등을 구비하며, LED 패키지(101) 상에 광확산 렌즈(110)가 배치된다. 본 발명의 직하형 백라이트 유닛은 표시패널(106)의 아래에 다수의 광학시트들(105)과 확산판(104)이 적층되고 확산판(104) 아래에 다수의 LED 패키지(101)들이 배치되는 구조를 갖는다. 각각의 LED 패키지(101) 상에는 광확산 렌즈(110)가 배치된다.
LED 패키지(101)는 PCB(102)를 통해 광원 구동부로부터 전기적인 신호를 받아 LED를 점등 및 소등시킨다. PCB(102)에는 LED 패키지(101)와 광원 구동부를 전기적으로 연결하기 위한 회로가 형성된다. PCB(102)는 메탈 PCB로 형성될 수 있고, 메탈 PCB는 방열에 유리하도록 알루미늄으로 제작될 수 있다.
광확산 렌즈(110)로부터의 빛을 재반사할 수 있는 반사시트(103)가 보텀 커버(107) 상에 접착될 수 있다. 도 9와 같이, 광확산 렌즈(110)의 외부면(111)의 전반사부(111b)를 통해 렌즈의 바닥면(113) 방향으로 굴절되는 빛(L2) 및 측면부(111c)를 통해 수평방향으로 굴절되는 빛(L3)은 PCB(102) 또는 반사시트(103)를 통해 재반사되어 확산판(104)으로 입사된다.
확산판(104)은 비즈들(beads)을 포함하여 LED 패키지(101)들로부터의 빛을 확산한다. 확산판(104)은 LED 패키지(101)들로부터 입사되는 빛을 확산시켜 표시면의 휘도를 균일하게 한다. 광학시트들(105)은 1 매 이상의 프리즘 시트와 1 매 이상의 확산시트를 포함하여 확산판(104)으로부터 입사되는 빛을 확산하고 표시패널(106)의 광입사면에 대하여 실질적으로 수직인 각도로 빛의 진행경로를 굴절시킨다. 광학시트들(105)은 DBEF(dual brightness enhancement film)를 포함할 수도 있다.
가이드/케이스 부재는 보텀 커버(107), 가이드 패널(108), 및 케이스 탑(109) 등을 포함한다. 보텀 커버(107)는 사각 프레임의 금속으로 제작되어 백라이트 유닛의 측면과 저면을 감싼다. 보텀 커버(107)는 고강도 강판으로 제작되며, 예를 들어 전기아연도금강판(EGI), 스테인레스(SUS), 갈바륨(SGLC), 알루미늄도금강판(일명 ALCOSTA), 주석도금강판(SPTE) 등으로 제작될 수 있다.
가이드 패널(108)은 표시패널(106)의 상면 가장자리와 측면을 감싸고 백라이트 유닛의 측면을 감싸도록 표시패널(106)과 백라이트 유닛의 측면과 대향하는 단턱면을 포함한다. 가이드 패널(108)의 단턱부는 표시패널(106)을 아래에서 지지하고 표시패널(106)과 확산판(104) 및 광학시트들(105) 사이에 패널 갭(panel gap)을 확보한다.
케이스 탑(109)은 가이드 패널(108)의 상면 및 측면을 감싸는 구조를 갖는다. 케이스 탑(109)은 가이드 패널(108) 및 보텀 커버(107) 중 적어도 어느 하나에 후크나 스크류로 고정된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
1, 101: LED 패키지 2, 102: PCB
3, 103: 반사시트 4, 104: 확산판
5, 105: 광학시트들 6, 106: 표시패널
6a, 106a: 상부 유리기판 6b, 106b: 하부 유리기판
7, 107: 보텀 커버 8, 108: 가이드 패널
9, 109: 케이스 탑 110: 광확산 렌즈
111: 렌즈의 외부면 111a: 정중앙부
111b: 전반사부 111c: 측면부
112: 렌즈의 내부면 113: 렌즈의 바닥면
114: 내부 공간부 G: 옵티컬 갭

Claims (8)

  1. 직사각형의 발광면을 가지는 LED 패키지;
    상기 LED 패키지가 실장되는 PCB; 및
    상기 LED 패키지를 덮도록 상기 PCB에 접착된 광확산 렌즈를 구비하며,
    상기 광확산 렌즈는 외부면과 내부면이 형성된 투명재질로 이루어지고,
    상기 내부면은 상기 외부면 쪽으로 오목한 타원형 단면을 포함하며,
    상기 외부면은 상기 내부면 쪽으로 오목하고 상기 LED 패키지의 발광면의 정중앙과 대향하는 정중앙부, 상기 정중앙부의 주변에 형성된 전반사부, 상기 전반사부의 아래로 이어지는 측면부를 포함하고,
    상기 광확산 렌즈의 두께는 상기 외부면의 정중앙에서 가장 얇으며,
    상기 내부면과 상기 PCB 사이의 공간은 공기로 채워지고,
    상기 정중앙부는 상기 내부면을 통해 입사되는 빛을 그대로 통과시키며, 상기 전반사부는 상기 내부면을 통해 입사되는 빛을 전반사시키고, 상기 측면부는 상기 내부면을 통해 입사되는 빛을 입사각에 따라 굴절시켜 확산시키는 것을 특징으로 하는 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부면은,
    Figure pat00004
    를 만족하는 곡선을 360도 회전하여 구현된 형상이고,
    상기 곡선은 z1에 대한 함수로, 상기 r은 상기 광확산 렌즈의 바닥면의 반지름, 상기 c는 상기 외부면의 정중앙부의 곡률, 상기 k는 코닉 상수이며, 상기 정중앙부의 형상은 상기 c로 정의되고, 상기 전반사부 및 상기 측면부의 형상은 4차항 내지 10차항으로 정의되며,
    상기 r은 0.25보다 크고 5와 같거나 작고, 상기 k는 -12보다 크고 0과 같거나 작으며, 상기 A는 -0.01보다 크고 0과 같거나 작고, 상기 B는 0보다 크고 0.0001과 같거나 작으며, 상기 C는 -0.000001보다 크고 0과 같거나 작고, 상기 D는 0보다 크고 0.000000001과 같거나 작은 것을 특징으로 하는 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부면의 형상은,
    Figure pat00005
    를 만족하며,
    상기 형상은 z2에 대한 함수로, 상기 x는 상기 타원형 반구의 장축 반지름, 상기 y는 상기 타원형 반구의 단축 반지름, 상기 cx는 상기 장축 반지름 방향의 곡면의 곡률, 상기 cy는 상기 단축 반지름 방향의 곡면의 곡률, 상기 kx는 상기 장축 반지름 방향의 코닉 상수, 상기 ky는 상기 단축 반지름 방향의 코닉 상수인 것을 특징으로 하는 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 장축 반지름과 상기 단축 반지름의 비는 상기 LED 패키지의 긴 변과 짧은 변의 길이의 비의 0.2배 내지 2배인 것을 특징으로 하는 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광확산 렌즈의 재료는 아크릴 PMMA, 및 폴리카보네이트 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 패키지는 수평 발광면에 대한 수직방향으로 60° 내지 120°의 각도에서 최대 발광 휘도의 50%의 밝기의 빛을 발산하는 것을 특징으로 하는 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광확산 렌즈를 통해 상기 전반사되거나 상기 굴절된 빛을 반사하는 반사시트를 더 포함하는 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광확산 렌즈로부터 굴절된 빛이 색분산되는 것을 방지하기 위해 상기 외부면, 및/또는 상기 내부면의 표면을 거칠게 가공하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 광확산 렌즈를 이용한 액정표시장치.
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