KR20120079363A - 광원용 렌즈, 이를 갖는 광원 모듈 및 백라이트 어셈블리 - Google Patents

Abstract

광원의 상부영역에서 광의 휘도가 균일하도록 광을 굴절시키는 광원용 렌즈, 이를 이용한 광원 모듈 및 이를 갖는 백라이트 어셈블리가 개시되어 있다. 광원용 렌즈는 광원을 수용하고, 상기 광원을 지나는 중심축상에 오목부가 형성된 굴절면을 가지며, 상기 중심축을 기준으로 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 중심축과 이루는 각을 θ 라 하고, 상기 출사된 광이 상기 굴절면에서 굴절되어 상기 중심축과 이루는 각을 θ′라 하면, 상기 굴절면에서 굴절되어 출사되는 광의 θ′에 따른 분포 값(F(θ′))은

를 만족한다. 상기의 렌즈를 통해 광원으로부터 출사된 광을 굴절시켜 광원의 상부영역에서 전체적으로 균일한 휘도를 갖도록 할 수 있다.

Description

광원용 렌즈, 이를 갖는 광원 모듈 및 백라이트 어셈블리{LENS FOR LIGHT SOURCE, LIGHT SOURCE MODULE HAVING THE SAME AND BACKLIGHT ASSEMBLY HAVING THE SAME}

본 발명은 광원용 렌즈, 이를 갖는 광원 모듈 및 백라이트 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원의 상부영역에서 광의 휘도가 균일하도록 광을 굴절시키는 광원용 렌즈, 이를 갖는 광원 모듈 및 백라이트 어셈블리에 관한 것이다.

일반적으로 액정표시장치는 전계에 대응하여 광 투과도가 변경되는 특성을 갖는 액정을 정밀하게 제어하여 영상을 표시하는 장치를 말한다. 상기 액정표시장치는 영상을 표시하기 위하여 다양한 종류의 광원을 이용한다. 특히, 상기 액정표시장치가 이동통신 단말기, 디지털 카메라 또는 멀티 미디어 플레이어와 같은 소형 전자 장치에 사용될 경우에 상기 광원으로 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 주로 사용한다. 또한 상기 액정표시장치는 박형화, 소형화 및 원가 절감의 추세에 따라, 도광판의 두께를 줄이거나 또는 발광 다이오드들의 개수를 감소시키고 있다.

상기 액정 표시 장치는 그 구조에 따라서 광원이 액정패널의 측면에 배치되어 그 두께가 상대적으로 작은 에지형과 상기 광원이 액정패널의 후면에 배치되어 그 두께가 상대적으로 큰 직하형으로 구분될 수 있다. 특히 직하형 액정 표시 장치의 경우, 그 두께를 줄이기 위해서는 상기 LED 광원과 상부 확산판 사이의 거리를 줄여야 하는데, 상기 LED 자체의 광분포 특성상 상기 거리가 가까워지면, 상기 LED에 수직한 영역에 더 큰 광량이 분포되어 전체적인 휘도의 균일성이 낮아지게 된다. 또한 상기 LED 광원의 개수를 줄이는 경우에도 휘도의 균일성을 보장하기 위해 상기 광원과 확산판 사이의 거리가 일정 이상 필요하거나 확산필름등의 추가가 필요하다. 따라서 액정표시장치의 두께를 줄이기 어렵게 된다.

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 광원의 상부영역에서 광의 휘도가 균일하도록 광을 굴절시키는 광원용 렌즈를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 광원용 렌즈를 갖는 광원 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 광원 모듈을 갖는 백라이트 어셈블리를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 광원용 렌즈는 광원을 수용하고, 상기 광원을 지나는 중심축상에 오목부가 형성된 굴절면을 가지며, 상기 중심축을 기준으로 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 중심축과 이루는 각을 θ라 하고, 상기 출사된 광이 상기 굴절면에서 굴절되어 상기 중심축과 이루는 각을 θ′라 하면, 상기 굴절면에서 굴절되어 출사되는 광의 θ′에 따른 분포 값(F(θ′))은

를 만족한다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 실시예에 따른 광원 모듈은 광원 및 렌즈를 포함한다. 상기 렌즈는 상기 광원을 수용하고, 상기 광원을 지나는 중심축상에 오목한 홈이 형성된 굴절면을 가지며, 상기 중심축을 기준으로 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 중심축과 이루는 각을 θ 라 하고, 상기 출사된 광이 상기 굴절면에서 굴절되어 상기 중심축과 이루는 각을 θ′라 하면, 상기 굴절면에서 굴절되어 출사되는 광의 θ′에 따른 분포 값(F(θ′))은

를 만족한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 렌즈의 굴절률은 1.4일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원은 상기 렌즈의 저면에 밀착되고, 상기 광원으로부터 출사되는 광의 θ에 따른 분포 값(F(θ))은

를 만족할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 렌즈의 저면에 형성되는 광의 입사면은 대응되는 상기 광원의 형상과 일치되도록 형성되어, 상기 광원과 상기 렌즈의 입사면은 완전히 밀착될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 굴절면은 평면상에서는 원형 형상을 가지고, 단면상에서는 상기 중심축을 기준으로 대칭되며, 상기 단면상에서 상기 중심축을 기준으로 일측의 형상은 상기 오목부의 최저점으로부터 연장되어 상기 중심축과의 각도가 40 내지 45도인 지점에서 최고점을 가지며 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 원호 형태의 곡선으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 오목부의 최저점의 높이는 1.7mm~2.0mm이고, 상기 굴절면의 최고점의 높이는 2.6mm~2.8mm이고, 상기 굴절면이 평면상에서 정의되는 원의 반경은 4.5mm~5.5mm이며, 단면상에서 상기 오목부로부터 상기 최고점까지 연장되는 원호의 곡률반지름은 상기 최고점에서 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 원호의 곡률반지름보다 작을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원은 상기 렌즈의 저면과 일정거리 이격되어 배치되고, 상기 광원으로부터 출사되어 상기 렌즈 내부로 입사되어 들어오는 광의 θ에 따른 분포 값(F(θ))은

를 만족하며, 상기 n은 상기 렌즈의 굴절률일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 굴절면은 평면상에서는 원형 형상을 가지고, 단면상에서는 상기 중심축을 기준으로 대칭되며, 상기 단면상에서 상기 중심축을 기준으로 일측의 형상은 상기 오목부의 최저점으로부터 연장되어 상기 중심축과의 각도가 40 내지 45도인 지점에서 최고점을 이루는 원호 형태의 곡선과, 상기 곡선으로부터 연장되어 상기 중심축과의 각도가 40 내지 50도인 지점에서 상기 중심축과 평행하게 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 직선으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 오목부의 최저점의 높이는 3.2mm~3.7mm이고, 상기 굴절면의 최고점의 높이는 4.5mm~5.0mm이고, 상기 굴절면이 평면상에서 정의되는 원의 반경은 4.5mm~5.5mm일 수 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 실시예에 따른 백라이트 어셈블리는 광원, 렌즈, 상기 렌즈에 인접하게 위치하는 광학 시트들 및 상기 광원, 렌즈 및 광학 시트들을 수납하는 수납용기를 포함할 수 있다. 상기 렌즈는 상기 광원을 수용하고, 상기 광원을 지나는 중심축상에 오목한 홈이 형성된 굴절면을 가지며, 상기 중심축을 기준으로 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 중심축과 이루는 각을 θ 라 하고, 상기 출사된 광이 상기 굴절면에서 굴절되어 상기 중심축과 이루는 각을 θ′라 하면, 상기 굴절면에서 굴절되어 출사되는 광의 θ′에 따른 분포 값(F(θ′))은

를 만족한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원은 복수개의 발광 다이오드들을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원 및 렌즈는 상기 광학 시트들의 하부에 위치할 수 있다.

상기한 본 발명에 의하면, 광원으로부터 출사된 광을 굴절시켜 광원의 상부영역에서 전체적으로 균일한 휘도를 갖도록 할 수 있다. 이에 따라 백라이트 어셈블리의 두께를 줄일 수 있고, 또한 상기 백라이트 어셈블리에 포함되는 광원의 개수도 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 어셈블리를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 광원 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 광원 모듈에서 렌즈의 형상을 결정하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 도 3에서 결정된 렌즈의 단면 형상을 수치로 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 2의 광원 모듈에서 광의 출사경로를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 2의 광원 모듈의 상부 영역에서의 광도를 나타내는 그래프들이다.
도 7a 및 도 7b는 도 2의 광원 모듈이 복수 개가 배치된 경우에 상부 영역에서의 광도를 나타내는 그래프들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 백라이트 어셈블리를 나타낸 분해 사시도이다.
도 9는 도 8의 광원 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 10은 도 9의 렌즈의 단면 형상을 수치로 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 9의 광원 모듈에서 광의 출사경로를 설명하기 위한 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 도 9의 광원 모듈의 상부 영역에서의 광도를 나타내는 그래프들이다.
도 13a 및 도 13b는 도 9의 광원 모듈이 복수 개가 배치된 경우에 상부 영역에서의 광도를 나타내는 그래프들이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 어셈블리를 나타낸 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 광원 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 어셈블리는 광원 모듈(100), 광학 시트류(200) 및 수납용기(300)를 포함한다.

상기 광원 모듈(100)은 광원(130) 및 상기 광원을 수용하는 렌즈(110)를 포함한다. 상기 광원(130)은 반도체 특성을 이용하여 외부의 구동 전원을 통해 광을 발생하는 발광 다이오드를 포함한다. 상기 발광 다이오드는 일방향을 따라 지향성을 갖는 점 형태의 광을 발생한다. 즉, 상기 발광 다이오드는 임의의 점으로부터 대략적으로 퍼지는 광을 발생하며, 상기 광은 일반적으로 모든 방사면에서 동일한 분포를 나타내는 램버시안(Lambertian) 분포를 나타낸다고 가정할 수 있다. 상기 발광 다이오드는 상기 발광 다이오드에 구동 전원을 인가하는 광원구동필름(150)에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 렌즈(110)는 상기 렌즈의 중심축상에 오목부(114)가 형성된 굴절면(112)을 가진다. 상기 렌즈의 저면에 수용된 광원에서 출사된 광은 상기 굴절면(112)을 통해 굴절되어 상기 렌즈 상부로 출사된다. 상기 렌즈는 일반적으로 약 1.41의 굴절률을 가진다.

상기 광원 모듈(100)은 상기 백라이트 어셈블리 내부에 복수 개가 배치될 수 있다. 상기 백라이트 어셈블리 상단에 배치되는 액정패널에 필요한 광을 제공하기 위해, 복수 개의 광원 모듈들이 일정한 간격을 유지하며 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.

상기 광학 시트류(200)는 상기 광원 모듈(1000) 상부에 배치된다. 상기 광학 시트류는 일반적으로 복수 개의 시트로 형성되며, 상기 광원으로부터 출사된 광의 휘도 특성을 향상시킨다.

상기 수납용기(300)는 사각 프레임 형상을 갖는다. 상기 수납용기의 지정된 위치에는 상기 광원 모듈(100) 및 광학 시트류(200)가 수납되고 고정된다.

이하에서는 상기 광원 모듈(100)에 대해서 상세히 설명한다.

상기 광원 모듈(100)은 광원(130) 및 렌즈(110)를 포함하며, 상기 렌즈는 상기 렌즈의 중심축을 지나는 저면에 상기 광원을 수용한다. 상기 광원(130)은 상기 렌즈의 저면에 밀착되어 수용된다. 예를 들면, 상기 렌즈의 저면에 형성되는 광의 입사면은 대응되는 상기 광원의 형상과 완전히 일치되도록 형성되어, 상기 광원과 상기 렌즈의 입사면이 완전히 밀착되도록 할 수 있다. 따라서 상기 광원과 렌즈 사이에는 공간이 실질적으로 존재하지 않도록 수용되며, 상기 광원으로부터 출사되는 광은 상기 렌즈 내부로 굴절 없이 진행하게 된다. 상기 광원으로부터 출사된 광은 상기 렌즈를 투과하고, 상기 렌즈의 굴절면(112)을 지나면서 굴절하게 된다. 상기 굴절된 광은 상기 렌즈 상부에 배치되는 광학 시트류(200)를 통과하며 휘도 및 광학적 성질이 개선되고, 상기 광학 시트류 상부에 배치되는 액정패널(미도시)에 광을 공급하게 된다.

상기 광의 출광 분포가 모든 방사면에서 균일하다는 전제하에, 상기 광원 상부에 배치되는 광학 시트류의 하면에 도달하는 광의 밀도는, 상기 광원에 수직한 영역에서 가장 높고 이로부터 멀어질수록 낮아지게 된다. 이로 인해, 표시패널에서 디스플레이되는 영상의 휘도가 균일하지 못하게 되므로, 이러한 문제를 해결하기 위해 상기 광원을 수용하는 렌즈의 형상을 조절하여 광을 분산시키거나, 또는 상기 광학 시트류에 확산필름을 포함시켜 상기 출사광의 휘도를 균일하게 만든다. 또는 상기 광학 시트류와 상기 광원과의 거리를 조절하거나 광원의 개수를 증가시켜 전체적인 휘도의 균일성을 유지하게 된다.

본 실시예에 따른 광원 모듈(100)은 광원을 수용하는 렌즈(110)가 중심축상에 오목부(114)가 형성된 굴절면(112)을 가짐으로써, 상기 렌즈로부터 출사하는 광이 상기 광원 모듈의 상부 영역에 대응되는 광학 시트류의 하면에서 전체적으로 균일하게 분포하게 된다. 상기 렌즈의 굴절면의 형상을 결정하는 방법에 대해서는 하기에서 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 도 2의 광원 모듈에서 렌즈의 형상을 결정하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4는 도 3에서 결정된 렌즈의 단면 형상을 수치로 나타낸 그래프이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 광원에(130)서 출사된 광은 상기 렌즈의 굴절면(112)에서 굴절되어 상기 광원 모듈 상부에 위치하는 광학 시트류의 하면(10)에 도달하게 된다. 여기서 상기 광원(130)을 지나는 상기 렌즈의 중심축을 기준으로 상기 광원에서 출사된 광이 상기 중심축과 이루는 각을 θ라 하고, 상기 출사된 광이 상기 렌즈의 굴절면에서 굴절되어 상기 중심축과 이루는 각을 θ′라 하면, 상기 광학 시트류 하면(10)에서 미소 영역(dS)에 대한 광도(J)의 비는 하기의 식으로 구할 수 있다.

[수학식 1]

여기서 J₀는 상기 광원의 광도이고, R은 상기 광원과 상기 광학 시트류 하면(10)의 미소영역까지의 거리이며, F(θ′)는 상기 렌즈의 굴절면(112)에서 굴절된 광의 θ′에 따른 광분포이다.

상기 광학 시트류의 하면(10)에서 상기 광원 상부에 대응되는 영역이 전체적으로 균등한 광도를 가지기 위해서는 상기 수학식 1로 구한 값이 일정한 상수여야 한다. 따라서 상기 수학식 1이 일정(constant)하다고 가정하고, 이로부터 F(θ′) 값을 구하면 하기의 식이 성립한다.

[수학식 2]

여기서 h는 상기 광원으로부터 상기 광학 시트류 하면까지의 수직 거리이다.

결과적으로, 상기 광학 시트류의 하면(10)에서 상기 광원 상부에 대응되는 영역이 전체적으로 균등한 광도를 가지기 위해서는 상기 F(θ′)는 1/cos³(θ′)에 비례하는 관계를 가지면 된다.

상기 광원(130)은 모든 방사면에서 동일한 분포를 나타내는 램버시안(Lambertian) 분포를 나타낸다고 볼 수 있으므로, 상기 광원을 기준으로 한 상기 광원의 θ에 따른 광분포는 다음의 식으로 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

따라서 상기 수학식 3과 같은 광분포를 가지는 출사광이 상기 렌즈의 굴절면을 지나면서 상기 수학식 2와 같은 광분포를 가지도록 굴절되면, 상기 광학 시트류의 하면에서 상기 광원 상부에 대응되는 영역이 전체적으로 균등한 광도를 가지게 할 수 있다. 결국 상기의 식들로부터 θ 및 θ′의 관계는 하기의 식으로 구할 수 있다.

[수학식 4]

[수학식 5]

상기 광원(130)에서 출광된 광은 상기 렌즈(110)의 굴절면(112)에서 굴절되므로, 상기 굴절면(112)의 접선이 수평선과 이루는 각을 β라 하면, 하기의 스넬의 법칙(Snell′s law)을 이용하여 β(θ) 값을 구할 수 있다.

[수학식 6]

여기서 n은 상기 렌즈의 굴절률이다.

상기의 식들로부터 β(θ) 값을 구하고, 0＜θ＜90°의 범위에서 상기 β값을 구하면, 상기 렌즈의 중심축을 기준으로 상기 렌즈의 일측에서의 굴절면의 단면 형상을 결정할 수 있다. 이는 도 4에 도시된 바와 같다.

다시 도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 렌즈(110)의 굴절면(112)은 평면상에서 원형 형상을 가진다. 상기 렌즈를 단면상에서 보면, 상기 렌즈의 중심축을 기준으로 양쪽이 대칭되는 모양을 가진다. 상기 렌즈의 단면상에서, 상기 중심축의 일측에 나타나는 굴절면의 형상은, 상기 오목부(114)로부터 연장되어 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 원호 형태의 곡선을 이룬다. 상기 원호 형태의 곡선은 상기 중심축과의 각도가 40 내지 45도인 지점에서 최고점을 가지며, 상기 오목부로부터 상기 최고점까지 연장되는 원호의 곡률반지름은 상기 최고점에서 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 원호의 곡률반지름보다 작다.

상기 렌즈의 형상에 대한 구체적인 데이터를 살펴보면, 상기 오목부(114)의 최저점의 높이는 약 1.7mm~2.0mm이고, 상기 굴절면의 최고점의 높이는 약 2.6mm~2.8mm이고, 상기 굴절면이 평면상에서 정의되는 원의 반경은 약 4.5mm~5.5mm이다. 이러한 형상을 가짐으로써, 상기 렌즈를 통과하며 굴절된 광은 상기 수학식 2를 만족하게 되고, 결과적으로 상부영역으로 균일한 광도를 가지면서 출사하게 된다.

도 5는 도 2의 광원 모듈에서 광의 출사경로를 설명하기 위한 단면도이다. 도 6a 및 도 6b는 도 2의 광원 모듈의 상부 영역에서의 광도를 나타내는 그래프들이다. 도 7a 및 도 7b는 도 2의 광원 모듈이 복수 개가 배치된 경우에 상부 영역에서의 광도를 나타내는 그래프들이다.

도 5를 참조하면, 상기 렌즈(110)의 중심축을 지나는 광은 굴절없이 상부로 진행되고, 상기 렌즈의 중심축을 기준으로 상기 광의 출사각이 커질수록 상기 출사된 광은 상기 렌즈의 굴절면에서 굴절되어 퍼지게 된다. 따라서 상기 렌즈의 임의의 상부영역에 도달하는 광은 전체적으로 균일한 분포를 가지게 된다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 광원으로부터의 일정한 수직 높이(H)에 위치하는 영역에서 상기 렌즈의 중심축으로부터의 거리(R)에 따른 광도의 분포가 거의 일정함을 알 수 있다. 상기 수직 높이가 10mm인 영역에서는 상기 중심축으로부터의 거리가 약 20mm가 되는 지점까지 광도가 고르게 분포됨을 알 수 있다. 상기 수직 높이가 20mm인 영역에서는 상기 광도의 절대값은 작아지지만 상기 중심축으로부터의 거리에 따른 광도의 분포는 여전히 균일하게 나타나며, 약 60mm 이상이 되는 지점까지 광도가 고르게 분포됨을 알 수 있다.

따라서 상기 광학 시트류 및 상기 광원 모듈의 거리가 가까워지는 경우에도 상기 광원 상부의 일정한 영역에서 균일한 광도를 얻을 수 있어, 균일한 휘도를 유지하면서도 상기 백라이트 어셈블리의 전체 두께를 줄일 수 있다. 또한 상기 광학 시트류에 광을 확산시키기 위한 확산 시트를 포함하지 않고도 균일한 휘도를 얻을 수 있어, 상기 확산 시트를 제거할 수 있고, 따라서 상기 백라이트 어셈블리의 전체 두께를 줄일 수 있다.

도 1, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 광원 모듈은 일반적으로 백라이트어셈블리에 복수 개가 배치된다. 이 경우, 상기 복수 개의 광원들로부터 출사된 광이 상부영역에서 서로 중첩하게 되는데, 상부영역에서의 광도의 분포는 상기 광원들의 전체 개수에 의해 영향을 받게 된다. 본 실시예에 따른 광원 모듈을 백라이트 어셈블리에 복수 개 배치한 경우, 상기 광원으로부터 일정한 수직 높이(H)에 위치하는 영역에서 상기 렌즈의 중심축으로부터의 거리에 따른 광도의 분포가 거의 일정함을 알 수 있다. 또한 인접한 상기 광원 모듈간의 거리를 멀게 하는 경우에도, 즉 상기 광원 모듈의 개수를 줄이는 경우에도 상기 광도의 분포는 균일함을 알 수 있다. 여기서 L은 인접한 광원 모듈간의 거리이다. 상기 광원 모듈간의 거리가 50mm에서 60mm로 커지는 경우에도, 광도의 절대값은 줄어들지만 전체적인 광도의 분포는 여전히 균일함을 알 수 있다.

따라서 상기 광원 모듈의 개수를 줄이는 경우에도 상기 광원 상부의 일정한 영역에서 균일한 광도를 얻을 수 있어, 전체적으로 균일한 휘도를 유지할 수 있다. 이로써 백라이트 어셈블리에 포함되는 광원의 개수를 줄일 수 있으며, 동시에 상기 백라이트 어셈블리의 두께를 줄일 수 있다.

상기에서는 상기 광원(130)이 모든 방사면에서 동일한 분포를 나타내는 램버시안(Lambertian) 분포를 나타낸다고 가정하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광원에서 출사되는 광분포는 가우시안(Gaussian) 분포를 나타낼 수도 있고, 다른 형태의 분포를 나타낼 수도 있다. 이러한 경우에는 단지 광분포값인 F(θ) 값이 상기 광원의 광분포에 해당되는 값으로 대체될 뿐이며, 상기에서 설명한 수학식들을 그대로 적용하면 된다. 즉, 상기 수학식 3만을 새로운 광분포에 해당되는 식으로 변경하여 적용하면 된다.

결국 어떠한 광분포를 가지는 광원이라도, 렌즈를 통하여 출사되는 광분포가 상기 수학식 2를 만족하도록 상기 렌즈의 형상을 결정하면 된다. 즉, 상기 수학식 1 내지 6을 이용하여 설명한 방법을 통해, 렌즈를 통과한 광의 분포가 상기 수학식 2를 만족하도록 렌즈의 형상을 결정하고, 이러한 렌즈를 이용하여 결과적으로 상부영역으로 균일한 광도를 가지는 광을 출사시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 백라이트 어셈블리를 나타낸 분해 사시도이다. 도 9는 도 8의 광원 모듈을 나타낸 사시도이다. 본 실시예에 따른 백라이트 어셈블리는 광원 모듈의 구성을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명한 실시예의 백라이트 어셈블리와 동일하므로, 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 이를 생략한다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 어셈블리는 광원 모듈(400), 광학 시트류(200) 및 수납용기(300)를 포함한다.

상기 광원 모듈(400)은 광원(430) 및 상기 광원을 수용하는 렌즈(410)를 포함한다. 상기 광원(430)은 반도체 특성을 이용하여 외부의 구동 전원을 통해 광을 발생하는 발광 다이오드를 포함한다. 상기 발광 다이오드는 상기 발광 다이오드에 구동 전원을 인가하는 광원구동필름(450)에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 렌즈(410)는 상기 렌즈의 중심축상에 오목부(414)가 형성된 굴절면(412)을 가진다. 상기 렌즈(410)의 저면에 수용된 광원(430)에서 출사된 광은 상기 굴절면(412)을 통해 굴절되어 상기 렌즈 상부로 출사된다. 상기 렌즈는 일반적으로 약 1.41의 굴절률을 가진다.

상기 광원 모듈(400)은 광원(430) 및 렌즈(410)를 포함하며, 상기 렌즈는 상기 렌즈의 중심축을 지나는 저면에 상기 광원을 수용한다. 상기 광원(130)은 상기 렌즈의 저면과 일정거리 이격되어 수용된다. 즉, 상기 렌즈의 저면에 형성되는 광의 입사면과 상기 광원은 완전히 밀착되지 않고 미소 거리만큼 이격되어 배치된다. 따라서 상기 광원과 렌즈의 입사면 사이에는 미소한 공간이 존재하게 되고, 상기 광원으로부터 출사되는 광은 상기 광원과 렌즈의 공간을 지나 상기 렌즈로 진입한다. 이때, 상기 렌즈의 저면에 형성되는 입사면에서 광의 굴절이 일어나게 된다. 결국 상기 광원으로부터 출사된 광은 상기 렌즈의 입사면에서 1차적으로 굴절하여 상기 렌즈를 투과하고, 상기 렌즈의 굴절면(412)을 지나면서 2차적으로 굴절하게 된다. 상기 굴절된 광은 상기 렌즈 상부에 배치되는 광학 시트류를 통과하며 휘도가 개선되고, 상기 광학 시트류 상부에 배치되는 액정패널(미도시)에 광을 공급하게 된다.

본 실시예에 따른 광원 모듈(400)은 광원을 수용하는 렌즈(410)가 중심축상에 오목부(414)가 형성된 굴절면(412)을 가짐으로써, 상기 렌즈로부터 출사하는 광이 상기 광원 모듈의 상부 영역에 대응되는 광학 시트류의 하면에서 전체적으로 균일하게 분포하게 된다. 이러한 굴절면(412)의 형상을 결정하는 방법은도 3 및도 4를 참조하여 설명한 방법과 실질적으로 동일하다. 다만 본 실시예에 따른 광원 모듈은 상기 광원이 상기 렌즈의 저면에 형성되는 입사면과 미소한 거리만큼 이격된 채로 수용되므로, 상기 광원에서 출사된 광이 상기 렌즈의 입사면에 입사하면서 굴절되고, 상기 렌즈를 투과하여 상기 렌즈의 굴절면을 지나면서 다시 굴절하게 된다. 따라서 상기 렌즈로 입사되어 들어오는 광의 분포는 상기 렌즈의 굴절률에 따라 달라지게 되며 이는 하기의 식으로 나타낼 수 있다.

[수학식 7]

여기서 n은 상기 렌즈의 굴절률이고, θc는 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 렌즈의 입사면에서 전반사되는 각도이다.

따라서 상기 수학식 3을 상기 수학식 7의 F(θ) 값으로 대체하고, 이를 상기 수학식 4 내지 6에 대입하여 β(θ) 값을 구하면, 0＜θ＜θc의 범위에서 상기 β값에 따른 상기 렌즈의 굴절면(412)의 형상을 결정할 수 있다. 상기 렌즈의 굴절면의 형상은 상기 렌즈의 중심축을 기준으로 상기 렌즈의 일측에서의 굴절면의 단면 형상에 해당되고, 이는 도 10에 도시된 바와 같다.

도 10은 도 9의 렌즈의 단면 형상을 수치로 나타낸 그래프이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 렌즈(410)의 굴절면(412)은 평면상에서 원형 형상을 가진다. 상기 렌즈를 단면상에서 보면, 상기 렌즈의 중심축을 기준으로 양쪽이 대칭되는 모양을 가진다. 상기 렌즈의 단면상에서, 상기 중심축의 일측에 나타나는 굴절면의 형상은, 상기 오목부로부터 연장되는 원호 형태의 곡선과 상기 곡선으로부터 연장되어 상기 중심축과 평행하게 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 직선으로 이루어져 있다. 상기 원호 형태의 곡선은 상기 중심축과의 각도가 약 40 내지 45도인 지점에서 최고점을 이루고 약 40도 내지 50도인 지점까지 연장되며, 상기 중심축과 평행한 직선은 상기 곡선의 단부로부터 상기 렌즈의 하면까지 연장된다.

상기 렌즈의 형상에 대한 구체적인 데이터를 살펴보면, 상기 오목부(414)의 최저점의 높이는 약 3.2mm~3.7mm이고, 상기 굴절면의 최고점의 높이는 약 4.5mm~5.0mm이고, 상기 굴절면이 평면상에서 정의되는 원의 반경은 약 4.5mm~5.5mm이다. 이러한 형상을 가짐으로써, 상기 렌즈를 통과하며 굴절된 광은 상기 수학식 2를 만족하게 되고, 결과적으로 상부영역으로 균일한 광도를 가지면서 출사하게 된다.

도 11은 도 9의 광원 모듈에서 광의 출사경로를 설명하기 위한 단면도이다. 도 12a 및 도 12b는 도 9의 광원 모듈의 상부 영역에서의 광도를 나타내는 그래프들이다. 도 13a 및 도 13b는 도 9의 광원 모듈이 복수 개가 배치된 경우에 상부 영역에서의 광도를 나타내는 그래프들이다.

도 11을 참조하면, 상기 렌즈의 중심축을 지나는 광은 굴절없이 상부로 진행되고, 상기 렌즈의 중심축을 기준으로 상기 광의 출사각이 커질수록 상기 출사된 광은 상기 렌즈의 굴절면에서 굴절되어 퍼지게 된다. 따라서 상기 렌즈의 임의의 상부영역에 도달하는 광은 전체적으로 균일한 분포를 가지게 된다. 다만 상기 광의 출사각이 θc를 넘는 범위에서는 상기 렌즈의 입사면에서 전반사가 일어나므로, 상기 렌즈의 굴절면은 0＜θ＜θc의 범위에서 형성된다.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 상기 광원으로부터의 일정한 수직 높이(H)에 위치하는 영역에서 상기 렌즈의 중심축으로부터의 거리(R)에 따른 광도의 분포가 거의 일정함을 알 수 있다. 상기 수직 높이가 10mm인 영역에서는 상기 중심축으로부터의 거리가 약 24mm가 되는 지점까지 광도가 고르게 분포됨을 알 수 있다. 상기 수직 높이가 20mm인 영역에서는 상기 광도의 절대값은 작아지지만 여전히 상기 중심축으로부터의 거리에 따른 광도의 분포는 균일하게 나타나며, 약 50mm 이상이 되는 지점까지 광도가 고르게 분포됨을 알 수 있다.

따라서 상기 광학 시트류 및 상기 광원 모듈의 거리가 가까워지는 경우에도 상기 광원 상부의 일정한 영역에서 균일한 광도를 얻을 수 있어, 균일한 휘도를 유지하면서도 상기 백라이트 어셈블리의 전체 두께를 줄일 수 있다. 또한 상기 광학 시트류에 광을 확산시키기 위한 확산 시트를 포함하지 않고도 균일한 휘도를 얻을 수 있어, 상기 확산 시트를 제거할 수 있다. 따라서 상기 백라이트 어셈블리의 전체 두께를 줄일 수 있다.

도 8, 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 상기 광원 모듈은 일반적으로 백라이트 어셈블리에 복수 개가 배치된다. 이 경우, 상기 복수 개의 광원들로부터 출사된 광이 상부영역에서 서로 중첩하게 되는데, 상부영역에서의 광도의 분포는 상기 광원들의 전체 개수에 의해 영향을 받게 된다. 본 실시예에 따른 광원 모듈을 복수 개 배치한 경우, 상기 광원으로부터 일정한 수직 높이(H)에 위치하는 영역에서 상기 렌즈의 중심축으로부터의 거리에 따른 광도의 분포가 거의 일정함을 알 수 있다. 또한 인접한 광원 모듈간의 거리를 멀게 하는 경우에도, 즉 광원 모듈의 개수를 줄이는 경우에도 상기 광도의 분포는 균일함을 알 수 있다. 여기서 L은 인접한 광원 모듈간의 거리이다. 상기 L의 값이 50mm에서 60mm로 커지는 경우에도, 광도의 절대값은 줄어들지만 전체적인 광도의 분포는 여전히 균일함을 알 수 있다.

따라서 상기 광원 모듈의 개수를 줄이는 경우에도 상기 광원 상부의 일정한 영역에서 균일한 광도를 얻을 수 있어, 전체적으로 균일한 휘도를 유지할 수 있다. 이로써 백라이트 어셈블리에 포함되는 광원의 개수를 줄일 수 있으며, 동시에 상기 백라이트 어셈블리의 두께를 줄일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 광원 모듈은 중심축상에 오목부가 형성된 굴절면을 가지는 렌즈를 포함함으로써, 광원의 상부영역에서 광의 휘도가 전체적으로 균일하도록 만들 수 있다. 또한 상기 광의 휘도를 균일하게 함으로써 백라이트 어셈블리에 포함되는 광원의 개수를 줄일 수 있으며, 동시에 상기 백라이트 어셈블리의 두께를 줄일 수 있다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100, 400 : 광원 모듈 110, 410 : 렌즈
112, 412 : 굴절면 114, 414 : 오목부
130, 430 : 광원 150, 550 : 광원구동필름
200 : 광학 시트류 300 : 수납용기

Claims (18)

1. 광원을 수용하고,
   상기 광원을 지나는 중심축상에 오목부가 형성된 굴절면을 가지며,
   상기 중심축을 기준으로 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 중심축과 이루는 각을 θ 라 하고, 상기 출사된 광이 상기 굴절면에서 굴절되어 상기 중심축과 이루는 각을 θ′라 하면, 상기 굴절면에서 굴절되어 출사되는 광의 θ′에 따른 분포 값(F(θ′))은

   

   를 만족하는 광원용 렌즈.
2. 제1항에 있어서, 상기 굴절면은 평면상에서는 원형 형상을 가지고, 단면상에서는 상기 중심축을 기준으로 대칭되며, 상기 단면상에서 상기 중심축을 기준으로 일측의 형상은 상기 오목부의 최저점으로부터 연장되어 상기 중심축과의 각도가 40 내지 45도인 지점에서 최고점을 가지며 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 원호 형태의 곡선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광원용 렌즈.
3. 제1항에 있어서, 상기 굴절면은 평면상에서는 원형 형상을 가지고, 단면상에서는 상기 중심축을 기준으로 대칭되며, 상기 단면상에서 상기 중심축을 기준으로 일측의 형상은 상기 오목부의 최저점으로부터 연장되어 상기 중심축과의 각도가 40 내지 45도인 지점에서 최고점을 이루는 원호 형태의 곡선과, 상기 곡선으로부터 연장되어 상기 중심축과의 각도가 40 내지 50도인 지점에서 상기 중심축과 평행하게 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 직선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광원용 렌즈.
4. 광원; 및
   상기 광원을 수용하고, 상기 광원을 지나는 중심축상에 오목한 홈이 형성된 굴절면을 가지며, 상기 중심축을 기준으로 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 중심축과 이루는 각을 θ 라 하고, 상기 출사된 광이 상기 굴절면에서 굴절되어 상기 중심축과 이루는 각을 θ′라 하면, 상기 굴절면에서 굴절되어 출사되는 광의 θ′에 따른 분포 값(F(θ′))은

   

   를 만족하는 렌즈를 포함하는 광원 모듈.
5. 제4항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
6. 제4항에 있어서, 상기 렌즈의 굴절률은 1.4인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
7. 제4항에 있어서, 상기 광원은 상기 렌즈의 저면에 밀착되고, 상기 광원으로부터 출사되는 광의 θ에 따른 분포 값(F(θ))은

   

   를 만족하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
8. 제 7항에 있어서, 상기 렌즈의 저면에 형성되는 광의 입사면은 대응되는 상기 광원의 형상과 일치되도록 형성되어, 상기 광원과 상기 렌즈의 입사면은 완전히 밀착되는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
9. 제8항에 있어서, 상기 굴절면은 평면상에서는 원형 형상을 가지고, 단면상에서는 상기 중심축을 기준으로 대칭되며, 상기 단면상에서 상기 중심축을 기준으로 일측의 형상은 상기 오목부의 최저점으로부터 연장되어 상기 중심축과의 각도가 40 내지 45도인 지점에서 최고점을 가지며 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 원호 형태의 곡선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
10. 제9항에 있어서, 상기 오목부의 최저점의 높이는 1.7mm~2.0mm이고, 상기 굴절면의 최고점의 높이는 2.6mm~2.8mm이고, 상기 굴절면이 평면상에서 정의되는 원의 반경은 4.5mm~5.5mm이며, 상기 단면상에서 상기 중심축을 기준으로 일측의 형상은 복수의 곡률 반경들에 의해 정의되는 원호 형태의 곡선인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
11. 제4항에 있어서, 상기 광원은 상기 렌즈의 저면과 일정거리 이격되어 배치되고, 상기 광원으로부터 출사되어 상기 렌즈 내부로 입사되어 들어오는 광의 θ에 따른 분포 값(F(θ))은

    

    를 만족하며, 상기 n은 상기 렌즈의 굴절률인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
12. 제11항에 있어서, 상기 굴절면은 평면상에서는 원형 형상을 가지고, 단면상에서는 상기 중심축을 기준으로 대칭되며, 상기 단면상에서 상기 중심축을 기준으로 일측의 형상은 상기 오목부의 최저점으로부터 연장되어 상기 중심축과의 각도가 40 내지 45도인 지점에서 최고점을 이루는 원호 형태의 곡선과, 상기 곡선으로부터 연장되어 상기 중심축과의 각도가 40 내지 50도인 지점에서 상기 중심축과 평행하게 상기 렌즈의 모서리까지 연장되는 직선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
13. 제12항에 있어서, 상기 오목부의 최저점의 높이는 3.2mm~3.7mm이고, 상기 굴절면의 최고점의 높이는 4.5mm~5.0mm이고, 상기 굴절면이 평면상에서 정의되는 원의 반경은 4.5mm~5.5mm인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
14. 광원;
    상기 광원을 수용하고, 상기 광원을 지나는 중심축상에 오목한 홈이 형성된 굴절면을 가지며, 상기 중심축을 기준으로 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 중심축과 이루는 각을 θ 라 하고, 상기 출사된 광이 상기 굴절면에서 굴절되어 상기 중심축과 이루는 각을 θ′라 하면, 상기 굴절면에서 굴절되어 출사되는 광의 θ′에 따른 분포 값(F(θ′))은

    

    를 만족하는 렌즈;
    상기 렌즈에 인접하게 위치하는 광학 시트들; 및
    상기 광원, 렌즈 및 광학 시트들을 수납하는 수납용기를 포함하는 백라이트 어셈블리.
15. 제14항에 있어서, 상기 광원은 복수개의 발광 다이오드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트 어셈블리.
16. 제14항에 있어서, 상기 광원 및 렌즈는 상기 광학 시트들의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 백라이트 어셈블리.
17. 제14항에 있어서, 상기 광원은 상기 렌즈의 저면에 밀착되고, 상기 광원으로부터 출사되는 광의 θ에 따른 분포 값(F(θ))은

    

    를 만족하는 것을 특징으로 하는 백라이트 어셈블리.
18. 제14항에 있어서, 상기 광원은 상기 렌즈의 저면과 일정거리 이격되어 배치되고, 상기 광원으로부터 출사되어 상기 렌즈 내부로 입사되어 들어오는 광의 θ에 따른 분포 값(F(θ))은

    

    를 만족하며, 상기 n은 상기 렌즈의 굴절률인 것을 특징으로 하는 백라이트 어셈블리.

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