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WO2014069973A1 - 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치 - Google Patents

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

Info

Publication number
WO2014069973A1
WO2014069973A1 PCT/KR2013/009971 KR2013009971W WO2014069973A1 WO 2014069973 A1 WO2014069973 A1 WO 2014069973A1 KR 2013009971 W KR2013009971 W KR 2013009971W WO 2014069973 A1 WO2014069973 A1 WO 2014069973A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
emitting diode
light emitting
lens
incident
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/009971
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김성빈
김병욱
이문재
Original Assignee
주식회사 애니캐스팅
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR20120123976A external-priority patent/KR101488382B1/ko
Priority claimed from KR1020120123970A external-priority patent/KR101398186B1/ko
Application filed by 주식회사 애니캐스팅 filed Critical 주식회사 애니캐스팅
Publication of WO2014069973A1 publication Critical patent/WO2014069973A1/ko

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • G02B19/0061—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a LED
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0028—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed refractive and reflective surfaces, e.g. non-imaging catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F13/00—Illuminated signs; Luminous advertising
    • G09F13/20—Illuminated signs; Luminous advertising with luminescent surfaces or parts
    • G09F13/22—Illuminated signs; Luminous advertising with luminescent surfaces or parts electroluminescent
    • G09F2013/222—Illuminated signs; Luminous advertising with luminescent surfaces or parts electroluminescent with LEDs

Definitions

  • the present invention relates to a lens for a side emission type light emitting diode, a backlight unit and a display device including the same, and specifically, a lens for a side emission type light emitting diode which can be easily manufactured while being able to reduce overall volume, and
  • the present invention relates to a backlight unit (BLU) and a display device provided.
  • BLU backlight unit
  • a display device used as a computer monitor or TV is provided with a liquid crystal display (LCD). Since the liquid crystal display does not emit light by itself, a separate light source is required. .
  • LCD liquid crystal display
  • a light source for a liquid crystal display a plurality of fluorescent lamps such as Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL) and External Electrode Fluorescent Lamp (EEFL) are used, or a plurality of Light Emitting Diodes (LEDs) are used.
  • CCFL Cold Cathode Fluorescent Lamp
  • EEFL External Electrode Fluorescent Lamp
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • Such a light source is provided with a light guide plate, a plurality of optical sheets, a reflecting plate, and the like in a back light unit (BLU).
  • BLU back light unit
  • the light emitting diode of the light source has a low power consumption, good durability and low manufacturing cost, attracting attention as the next generation light source.
  • the light tends to concentrate in a narrow area and diverge, and in order to apply it to a surface light source such as a display device, it is necessary to distribute the light evenly over a wide area.
  • Korean Patent No. 10-0688767 discloses a "lens for an LED light source" as another conventional technology.
  • the prior art 3 is easy to manufacture but has a problem that the overall volume becomes large. have.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and can reduce the overall volume, but is easy to manufacture a lens for a side emission type light emitting diode, a back light unit (BLU) and a display device having the same (display device).
  • BLU back light unit
  • the lens for a side emitting type light emitting diode is a side emitting type light emitting diode lens for emitting light emitted from a light emitting diode (LED) to the side, the light emitted from the light emitting diode The incident bottom; An upper surface reflecting light that is directly incident on the light incident to the bottom surface; And a side surface connecting the bottom surface and the top surface, wherein the side surface is connected to the top surface to emit light reflected from the top surface, and is connected to the bottom surface and the top output surface to the bottom surface. And a lower reflection surface that reflects light incident directly to the side surface to the upper surface, wherein the upper surface reflects the light reflected by the lower reflection surface to the upper emission surface.
  • LED light emitting diode
  • a lens for a side emitting type light emitting diode in a side emitting type light emitting diode lens for emitting light emitted from a light emitting diode (LED) to the side, the light emitted from the light emitting diode The incident bottom; An upper surface reflecting light that is directly incident on the light incident to the bottom surface; And a side surface connecting the bottom surface and the top surface, wherein the side surface is connected to the top surface to emit light reflected from the top surface, and is connected to the bottom surface and the top output surface to the bottom surface. And a lower emission surface to which light incident and incident directly on the side surface is emitted, and the lower emission surface is inclined inwardly toward the lower side.
  • LED light emitting diode
  • the lens for a side emission type light emitting diode According to the lens for a side emission type light emitting diode according to the present invention, it is easy to manufacture during injection molding while reducing the overall volume, thereby reducing the material cost and simplifying the manufacturing process. .
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing a lens for a side-emitting light emitting diode according to an embodiment of the present invention
  • 6 to 8 are views for explaining embodiments of the upper surface
  • 15 and 16 are schematic plan views of a lens according to an exemplary embodiment.
  • 17 is a vertical sectional view showing a lens for a side emitting light emitting diode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a view for explaining the effect of the lens according to FIG.
  • FIG. 22 is a view showing another embodiment of the bottom exit surface.
  • the present invention relates to a lens for a side emission type light emitting diode which is easy to manufacture while reducing the overall volume.
  • the present invention also relates to a back light unit (BLU) and a display device including the light emitting diode lens.
  • BLU back light unit
  • other configurations of the backlight unit and the display device other than the lens for the light emitting diode according to the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, the detailed description thereof Omit.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing a lens for a side emitting light emitting diode according to the present invention.
  • the lens 10 for a side emitting light emitting diode (LED) according to the present invention is incident on a bottom surface 20 and a bottom surface 20 on which light emitted from an LED 11 is incident.
  • the upper surface 30 reflects the light L1 that is directly incident among the light, and the side surface 40 connecting the lower surface 20 and the upper surface 30.
  • the side surface 40 is connected to the upper surface 30 is connected to the upper exit surface 41, the bottom surface 20 and the upper exit surface 41, the light (L2) reflected from the upper surface 30 is emitted
  • a lower reflecting surface 42 which reflects light L3 incident to the 20 and directly incident on the side surface 40 to the upper surface 20, wherein the upper surface 30 includes not only the light L1 directly incident thereto. It is provided to reflect the light L4 reflected from the lower reflection surface 42 to the emission surface 41.
  • the bottom surface 20 may be provided with a convex groove 21 upward, the groove portion 21 may be a space for accommodating the LED 11, the light emitted from the LED 11 is the bottom surface 20 It may be a configuration for refracting in the desired direction when entering, the shape may be made of various forms such as spherical, aspherical, the present invention is not limited thereto.
  • the upper surface 30 and the lower reflection surface 42 may be provided to reflect the light incident directly by using a coating or a separate member, but it is preferably optically designed to totally reflect the incident light. Detailed description thereof will be described later.
  • the upper surface 30 is configured to reflect the light of the center region symmetrically with respect to the optical axis 12 of the LED 11 and radiate within a predetermined angle range with respect to the optical axis 12 among the light emitted from the LED 11,
  • the lower reflection surface 42 is configured to reflect the light of the peripheral area emitted from the LED 11 to the area outside the central area to the upper surface 30. Therefore, in the lens 10 according to the present invention, almost all light emitted from the LED 11 is reflected or totally reflected on the upper surface 30 or the lower reflection surface 42 to the upper emission surface 41 of the side surface 40. You will be able to exit.
  • the lens 10 according to the present invention may further include a leg 50 extending downward from the connection portion between the lower reflection surface 42 and the upper emission surface 41 to support the lens 10.
  • the lower reflection surface 42 may be formed in a downward curved shape, the upper emission surface 41 is connected to the upper surface 30 and the first upper emission surface 43 extending downward, the first The upper emission surface 43 and the lower reflection surface 42 may be connected to each other, but may include a stepped portion 44 stepped inwardly. Then, the overall volume is reduced by the lower reflection surface 42 and the stepped portion 44, thereby reducing the material cost.
  • the light emitting diode lens is a transparent material with excellent transmittance, such as glass, acrylic (Methylmethacrylate), polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), and poly ethlenlen terephthalate (PET).
  • the lens 10 according to the present invention provides an advantage that the material cost can be reduced as well as easy to manufacture as compared to the prior art. .
  • FIG. 2 to 5 are views for explaining the effect of the lens according to the present invention
  • Figure 2 is a view showing a state of manufacturing the prior art 1 by injection molding
  • Figure 3 is produced by the injection molding prior art 2
  • FIG. 4 is a view showing a prior art 3
  • FIG. 5 is a view showing a state of manufacturing a lens according to the present invention by injection molding.
  • the lens 10 according to the present invention can be injection molding using only the upper and lower molds (51, 52). This is possible because the shape of the side surface 40 of the lens 10 according to the present invention, for example, the shape of the lower reflective surface 42 is formed to be curved downward.
  • the lens 10 according to the present invention unlike the prior art 3, for example, because the shape of the step portion 44, the shape of the step 44 and the lower reflection surface 42 is inclined inwardly approximately You can reduce the volume.
  • the lens 10 according to the present invention, the light emitted from the LED 11 of the central region is reflected from the upper surface 30 is emitted to the side surface 40, the light of the peripheral region is the lower reflective surface 42 Is reflected from the upper surface 30 and then reflected from the upper surface 30 and exited to the side surface 40, unlike the prior art 3, all light emitted from the LED 11 is directly directed to the upper surface 30 only. It does not need to be incident and reflected, further reducing the overall volume.
  • the lens 10 according to the present invention has the advantage of being easy to manufacture while reducing the overall volume compared to the prior art.
  • the configuration of the lens according to the present invention will be described in detail.
  • the upper surface 30 is preferably optically designed to totally reflect incident light.
  • exemplary embodiments of the upper surface 30 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
  • FIG. 6 is a view for explaining an embodiment of the upper surface.
  • 7 and 8 are views for explaining another embodiment of the upper surface.
  • the optical condition of the upper surface 30 according to FIGS. 7 and 8 is an applicable condition when considering the light source of the LED 11 as a surface light source instead of a point light source.
  • the lens 10 does not have a much larger volume than the LED 11, it is preferable to consider the LED 11 light source as the surface light source when designing the lens 10.
  • both ends of the LED 11 as well as light emitted from the center point of the LED 11, that is, the first reference point P1.
  • the light emitted from the points P2 and P3 should also be considered.
  • the light emitted from the end point P2 of the LED 11 on the same side as the arbitrary point P with respect to the optical axis 12 will be considered.
  • the angle ⁇ 1 formed by the light L5 incident to P) with the normal line 13 at the arbitrary point P diverges from the side end point P3 different from the first reference point P1 and is incident. It can be seen that less than.
  • the upper surface 30 is provided to totally reflect the incident light L5 diverging from the same side LED 11 end point P2, even if the LED 11 light source is considered as the surface light source, the upper surface 30 is the LED ( It is possible to totally reflect almost all the light emitted from 11) and incident on the upper surface 30.
  • the end point P2 of the LED 11 on the same side as the arbitrary point P on the upper surface 30 with respect to the optical axis 12 is defined as the second reference point P2.
  • the angle formed by the straight line connecting the arbitrary point P on the upper surface 30 and the second reference point P2 and the reference axis 15 is ⁇ 2 , the arbitrary point P on the upper surface 30.
  • the upper surface ( 30) may be configured to satisfy the condition ⁇ R 2 / (R 2 ⁇ 2 )> 1 / ⁇ (n 2 ⁇ 1).
  • the lower reflection surface 42 is preferably optically designed to totally reflect the incident light.
  • embodiments of the lower reflective surface 42 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
  • FIG. 9 is a view for explaining an embodiment of a lower reflective surface. Referring to FIG. 9, when the intersection of the optical axis 12 and the LED 11 is used as the first reference point P1, an arbitrary point P on the lower reflection surface 42 and the first reference point P1 are connected.
  • the lower reflecting surface (42) R 3 wherein ⁇ 3 an increment of R 3 of the increment ⁇ 3, ⁇ 3 ⁇ R 3, assuming that the refractive index of the material of the lens 10 in the n, the lower reflection surface 42 is ⁇ R 3 / (R 3 ⁇ 3 )> 1 / ⁇ (n 2 -1) can be configured to satisfy the condition.
  • the optical conditions of the lower reflection surface 42 according to FIGS. 10 and 11 are applicable conditions when the light source of the LED 11 is considered as a surface light source instead of a point light source.
  • both ends of the LED 11 as well as light emitted from the center point of the LED 11, that is, the first reference point P1.
  • the light emitted from the points P2 and P3 must also be taken into account, in which case any point P on the lower reflecting surface 42 and the end point P3 of the LED 11 on the other side with respect to the optical axis 12 are considered.
  • the angle ⁇ 2 formed by the light L6 incident at the arbitrary point P and the normal line 14 at the arbitrary point P is equal to the side endpoint P2 equal to the first reference point P1. It can be seen that it is smaller than the incident by diverging from the.
  • the lower reflecting surface 42 is made to totally reflect the incident light L6 diverging from the other side LED 11 end point P3, even if the LED 11 light source is considered as the surface light source, the lower reflecting surface 42 ) Can totally reflect almost all the light emitted from the LED 11 and incident on the lower reflection surface 42.
  • the end point P3 of the LED 11 on the side opposite to the arbitrary point P on the lower reflection surface 42 is referred to as the third reference point (see FIG. 11).
  • P3 the angle formed by a straight line connecting an arbitrary point P on the lower reflection surface 42 and the third reference point P3 and the horizontal axis 16 perpendicular to the optical axis 12 is ⁇ 4 , lower an arbitrary point (P) and the distance to R 4, the increment of R 4 to an increment of the ⁇ 4 in ⁇ 4, ⁇ 4 ⁇ R 4, the lens 10 of the third reference point (P3) on the reflecting surface 42
  • the lower reflection surface 42 may be configured to satisfy the condition ⁇ R 4 / (R 4 ⁇ 4 )> 1 / ⁇ (n 2 -1).
  • the stepped portion 44 may include a plurality of discontinuous second emission surfaces 45 emitting light reflected from the upper surface 30, and a connection surface 46 connecting the second emission surfaces 45. It can be made, including).
  • the second exit surface 45 is preferably formed in a shape parallel to the LED 11 optical axis 12 or inclined inward. Then, only the upper and lower molds 51 and 52 may be manufactured when the lens 10 is manufactured by injection molding, and thus the manufacturing process may be simplified.
  • connection surface 46 is preferably made parallel to the path of chief ray of the light L2 reflected from the upper surface 30. Then, since almost all the light L2 reflected from the upper surface 30 can enter and exit the second exit surface 45, it is easy to control the exit angle of the light L2, and the light L2 is connected. It is possible to reduce the light loss generated by incident on the surface 46.
  • the path of chief ray refers to a path through which the center light passes among the paths of the lights l2 reflected from a point on the upper surface 30.
  • 13 and 14 are views for explaining embodiments of the stepped portion.
  • connection surface positioned at a top end of a plurality of connection surfaces 46 and a start end 47 of a step portion 44, which is a contact between the lower reflection surface 42 and the step portion 44.
  • An angle ⁇ 3 of the virtual reference line 15 connecting the upper end 48 of the 46 to the virtual reference axis 15 parallel to the optical axis 12 of the LED 11 is the LED 11.
  • the upper end of each of the second exit surfaces 45 or the upper end of the connection surface 46 is preferably located outside the connection line 17 based on the reference axis 15. Then, the light emitted from the LED 11 is not directly incident to the stepped portion 44 and exits, and thus, the light loss generated by directly entering the stepped portion 44 and exited can be reduced.
  • condition of the stepped portion 44 according to FIG. 14 is a condition applicable when considering the light source of the LED 11 as a surface light source instead of a point light source. That is, when considering the light source of the LED 11 as a surface light source instead of a point light source, not only the light emitted from the first reference point P1, which is the center point of the LED 11, but also at both end points P2 and P3 of the LED 11. The light emitted should also be considered. In this case, the light L8 emitted from the end point P3 of the LED 11 on the opposite side of the start end 47 and incident to the start end 47 forms the reference axis 15.
  • An angle ⁇ 6 is emitted from the first reference point P1 and the start end 47 is referenced to the angle ⁇ 4 and the optical axis 12 at which the light incident on the start end 47 forms the optical axis 12. It can be seen that the light diverging from the end point P2 of the LED 11 on the same side as the incident light into the start end 47 is greater than the angle ⁇ 5 formed with the reference axis 15. Therefore, the angle ⁇ 3 formed by the virtual connecting line 17 with the reference axis 15 is defined as the end point P3 of the LED 11 opposite to the start end 47 with respect to the optical axis 12.
  • the light L8 diverging from the third reference point P3 and entering the start end 47 is made larger than an angle ⁇ 6 formed with the reference axis 15. If the upper end of the second emission surface 45 of the upper end of the connection surface 46 or the outer side of the connecting line 17 with respect to the reference axis 15, even if the light source of the LED 11 is considered as a surface light source There is no light incident directly on the stepped portion 44 and exited, so that the light loss generated by directly entering and exiting the stepped portion 44 can be reduced.
  • 15 and 16 are schematic plan views of a lens according to an exemplary embodiment.
  • the lens 10 may have a substantially circular shape on a horizontal cross section, and the leg 50 may be formed from the LED 11 as shown in FIG. 15.
  • a plurality of predetermined distances may be provided at predetermined distances, and as shown in FIG. 16, the LEDs 11 may be continuously provided at a predetermined distance, that is, in a substantially circular band shape.
  • the leg 50 is configured to extend downward from the connecting portion of the lower reflecting surface 42 and the exit surface 41, all the light emitted from the LED 11 and incident in the direction of the leg 50 is lower half Since the light is reflected or totally reflected from the slope 42 to be incident on the upper surface 30, the light loss due to the light incident on the leg 50 may be significantly reduced.
  • FIG. 17 is a vertical sectional view showing a lens for a side emitting light emitting diode according to another embodiment of the present invention.
  • the lens 10 according to the present embodiment has a difference only in that the configuration of the lower reflection surface 42 is replaced by the lower emission surface 42 as compared with the lens 10 according to the embodiment.
  • Reference numerals and detailed descriptions refer to reference numerals and detailed descriptions in the above embodiments.
  • the lens 10 for side emitting light emitting diodes (LEDs) has a bottom surface 20 and a bottom surface 20 on which light emitted from the LED 11 is incident.
  • the upper surface 30 reflects the directly incident light L1 and a side surface 40 connecting the bottom surface 20 and the upper surface 30, and the side surface 40 is connected to the upper surface 30.
  • the light L2 reflected from the upper surface 30 is connected to the upper emission surface 41, the bottom surface 20 and the upper emission surface 41, and enters the bottom surface 20 to directly enter the side surface 40. It includes a lower emission surface 42 for exiting the incident light (L3) to the outside of the lens 10.
  • the upper surface 30 is configured to reflect the light of the center region symmetrically with respect to the optical axis 12 of the LED 11 and radiate within a predetermined angle range with respect to the optical axis 12 among the light emitted from the LED 11,
  • the lower emission surface 102 is configured to emit the light of the peripheral area, which is emitted from the LED 11, to the area outside the center area, to the outside of the lens 10.
  • the lens 10 may further include a leg 50 extending downward from the connection portion between the bottom surface 20 and the bottom emission surface 42 to support the lens 10.
  • the lower exit surface 42 may be made of an improvement inclined inward toward the lower side.
  • the lower emission surface 42 may be formed of an inclined surface that opens at a constant inclination toward the upper direction based on the optical axis 12 of the LED 11, or the lower reflection surface 42 of FIG. 1. It may be made of a curved shape downward.
  • FIG. 18 is a diagram for describing an effect of the lens of FIG. 17.
  • the lens 10 according to the present exemplary embodiment may be injection molded using only upper and lower molds 51 and 52, unlike the prior arts 1 and 2, similarly to the lens 10 according to FIG. 1. Do. This is possible because the shape of the side surface 40 of the lens 10 according to the present embodiment, for example, the shape of the lower exit surface 42 is inclined inward.
  • the lens 10 according to the present embodiment has a shape of the side surface 40, for example, the shape of the step 44 and the lower exit surface 42 is inclined inwardly. This can reduce the volume.
  • the lens 10 in the present exemplary embodiment, light in the center region of the light emitted from the LED 11 is reflected by the upper surface 30 and is emitted to the side surface 40, and light in the peripheral region is lower emitting surface 42. Since the light emitted directly from the lens 10 to the outside of the lens 10, unlike the prior art 3, all the light emitted from the LED 11 does not need to be incident and reflected directly on the upper surface 30, so that the overall volume can be further reduced. do.
  • the lower emission surface 42 Like the upper surface 30 and the lower reflection surface 42 of the lens 10 according to the embodiment, the lower emission surface 42 according to the present embodiment also emits light that is directly incident to the outside of the lens 10. It is preferably designed optically.
  • exemplary embodiments of the bottom exit surface 42 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
  • FIG. 19 is a view for explaining an embodiment of the lower exit surface. Referring to FIG. 19, when the intersection of the optical axis 12 and the LED 11 is used as the first reference point P1, an arbitrary point P on the lower emission surface 42 and the first reference point P1 are connected.
  • the optical conditions of the lower exit surface 42 according to FIGS. 20 and 21 are applicable conditions when the light source of the LED 11 is considered as a surface light source instead of a point light source.
  • both ends of the LED 11 as well as light emitted from the center point of the LED 11, that is, the first reference point P1.
  • the light emitted from the points P2 and P3 should also be considered, in which case the light emitted from the end point P2 of the LED 11 on the same side as the random point P on the lower exit surface 42 with respect to the optical axis 12 is considered. So that the angle ⁇ 2 formed by the light L6 incident at the arbitrary point P and the normal line 14 at the arbitrary point P is opposite to the first reference point P1, the side end point P3. It can be seen that it is larger than the incident by diverging from).
  • the LED 11 light source is considered as a surface light source.
  • the lower emission surface 42 may emit almost all of the light emitted from the LED 11 and directly incident to the lower emission surface 42 to the outside of the lens 10.
  • the end point P2 of the LED 11 on the same side as the arbitrary point P on the lower exit surface 42 is defined based on the optical axis 12. P2), an angle formed by a straight line connecting an arbitrary point P on the lower emission surface 42 and the second reference point P2 and a horizontal axis 16 perpendicular to the optical axis 12 is ⁇ 4 , lower any of the points (P) and the increment of the 2 R for the distance reference point (P2) the increment of R 4, the ⁇ 4 in ⁇ 4, ⁇ 4 4 ⁇ R 4 , the lens 10 on the emitting surface 42
  • the lower exit surface 42 may be configured to satisfy the condition ⁇ R 4 / (R 4 ⁇ 4 ) ⁇ 1 / ⁇ (n 2 ⁇ 1).
  • the lower exit surface 42 is configured to satisfy the following conditions so that the emitted light is not incident again to the step 44 in the emission of light L3 emitted directly from the LED 11 desirable.
  • 22 is a view for explaining the condition of the bottom exit surface.
  • the angle between the virtual connecting line 18 connecting the LED 11 and the horizontal axis 16 perpendicular to the optical axis 12 of the LED 11 is ⁇ 7 , and the intersection of the LED 11 and the optical axis 12 is defined as a first reference point ( When it is set to P1), the light L3 emitted from the first reference point P1 and directly incident to an arbitrary point P on the lower emission surface 42 is normal 14 at the arbitrary point P.
  • the angle ⁇ formed by the light L4 with the horizontal axis 16 is the connection line 18. It should be equal to or smaller than the angle ⁇ 7 formed with the horizontal axis 16 perpendicular to the optical axis 12 of the LED 11. That is, the condition ⁇ ⁇ ⁇ 7 must be satisfied.
  • the lower exit surface 42 is a condition of ⁇ ⁇ sin -1 (n x sin ⁇ 8 ) ⁇ 7 so that the emitted light L4 does not enter the step portion 44. It is preferably configured to satisfy.
  • ⁇ means an angle at which a tangent at an arbitrary point P on the bottom exit surface 42 forms the reference axis 15. Therefore, as shown in FIG. It may be made of an inclined surface having a constant value, or may be made of a spherical or aspherical surface having no constant value ⁇ .
  • the condition of the lower exit surface 42 is an applicable condition when considering the light source of the LED 11 as a surface light source instead of a point light source. Therefore, when considering the light source of the LED 11 as a surface light source instead of a point light source, not only the light emitted from the center point of the LED 11, that is, the first reference point P1, but also at both end points P2 and P3 of the LED 11.
  • the divergent light must also be considered, in this case, as shown in FIG. 20, the random point P is emitted from the LED 11 end point P2 on the same side as the random point P on the lower exit surface 42.
  • the angle ⁇ 2 formed by the light L6 incident on the beam and the normal line 14 at the arbitrary point P is diverged from the end point P3 opposite to the first reference point P1, It is bigger than.
  • the second reference point P2 when the end point P2 of the same side LED 11 is referred to as the second reference point P2, the light L4 emitted from the second reference point P2 and directly incident to the lower exit surface 42 is emitted. If the angle ⁇ made with (16) is equal to or smaller than the angle ⁇ 7 made with the connecting line 18 with the horizontal axis 16, the bottom emission surface (even if the LED 11 light source is considered as a surface light source) 42 may emit almost all of the light emitted from the LED 11 and directly incident to the lower exit surface 42 so as not to enter the step 44.
  • the present invention relates to a lens for a side-emitting type light emitting diode which can reduce the overall volume and is easy to manufacture, and the embodiment can be modified in various forms. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments disclosed in the present specification, and all forms changeable by those skilled in the art to which the present invention pertains will belong to the scope of the present invention.

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Abstract

본 발명은 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 전체 볼륨(volume)을 감소시킬 수 있으면서도 제조가 용이한 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈와, 이를 구비하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU) 및 표시장치(display device)에 관한 것이다.

Description

측면 방출형 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치
본 발명은 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 전체 볼륨(volume)을 감소시킬 수 있으면서도 제조가 용이한 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈와, 이를 구비하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU) 및 표시장치(display device)에 관한 것이다.
일반적으로 컴퓨터의 모니터나 TV 등으로 사용되는 표시 장치(display device)에는 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)가 구비되는데, 이러한 액정표시장치는 스스로 발광하지 못하기 때문에 별도의 광원을 필요로 한다.
액정표시장치용 광원으로는 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp), EEFL(External Electrode Fluorescent Lamp) 등과 같은 여러 개의 형광램프(fluorescent lamp)가 사용되거나 복수개의 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)가 사용되며, 이러한 광원은 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU)에 도광판, 복수의 광학 시트, 반사판 등과 함께 구비된다.
근래에는 이러한 광원 중 발광다이오드가 전력소모가 적고, 내구성이 좋으며 제조원가를 낮출 수 있어서, 차세대 광원으로 주목받고 있다. 그러나, 광원으로 발광다이오드를 사용하는 경우에는 빛이 좁은 영역으로 집중하여 발산하는 경향이 있어서, 이를 표시 장치와 같은 면 광원에 적용하기 위해서는 빛을 넓은 영역에 고르게 분포되도록 할 필요가 있다.
따라서 근래에는 이러한 기능을 수행하는 발광다이오드용 렌즈에 대한 연구가 활발히 진행 중이며, 이 중 대표적인 종래기술로는 미국등록특허 제6679621호(이하, '선행기술1'이라 한다)에 "SIDE EMITTING LED LENS"가 개시되며, 또한 한국등록특허 제10-0651550호(이하, '선행기술2'라 한다)에는 선행기술1의 문제점을 보완한 "상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈"가 개시된다. 그러나, 선행기술1 및 2는 제조하기가 용이하지 않다는 문제가 있다.
또한 다른 종래기술로서 한국등록특허 제10-0688767호(이하, '선행기술3'이라 한다)에는 "LED 광원용 렌즈"가 개시되는데, 선행기술3은 제조는 용이하나 전체적인 부피가 커진다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전체 볼륨(volume)을 감소시킬 수 있으면서도 제조가 용이한 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU) 및 표시장치(display device)를 제공한다.
본 발명의 일측면에 따른 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈는 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)에서 발산하는 광을 측면으로 출사시키는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 있어서, 상기 발광다이오드에서 발산하는 광이 입사하는 밑면; 상기 밑면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광을 반사시키는 상면; 및 상기 밑면과 상기 상면을 연결하는 측면;을 포함하고, 상기 측면은 상기 상면에 연결되어 상기 상면에서 반사된 광이 출사하는 상부출사면과, 상기 밑면과 상기 상부출사면에 연결되어 상기 밑면으로 입사하여 상기 측면으로 직접 입사되는 광을 상기 상면으로 반사시키는 하부반사면을 포함하고, 상기 상면은 상기 하부반사면에서 반사된 광을 상기 상부출사면으로 반사시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈는 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)에서 발산하는 광을 측면으로 출사시키는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 있어서, 상기 발광다이오드에서 발산하는 광이 입사하는 밑면; 상기 밑면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광을 반사시키는 상면; 및 상기 밑면과 상기 상면을 연결하는 측면;을 포함하고, 상기 측면은 상기 상면에 연결되어 상기 상면에서 반사된 광이 출사하는 상부출사면과, 상기 밑면과 상기 상부출사면에 연결되어 상기 밑면으로 입사하여 상기 측면으로 직접 입사되는 광이 출사하는 하부출사면을 포함하고, 상기 하부출사면은 하방으로 갈수록 내측으로 기울어진 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 의하면, 전체 볼륨(volume)을 줄일 수 있으면서도 사출성형(injectiion molding)시 제조가 용이하기 때문에, 재료비를 절감하고 제조공정을 간단히 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 측면 방출용 발광다이오드용 렌즈를 나타내는 수직단면도이고,
도 2 내지 5는 본 발명에 따른 렌즈의 효과를 설명하기 위한 도면이고,
도 6 내지 도 8은 상면의 실시 예들을 설명하기 위한 도면이고,
도 9 내지 도 11은 하부반사면의 실시 예들을 설명하기 위한 도면이고,
도 12는 단차부를 확대한 부분확대도이고,
도 13 및 도 14는 단차부의 실시 예들를 설명하기 위한 도면이고,
도 15 및 도 16은 본 발명의 일실시 예에 따른 렌즈의 개략적인 평면도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 측면 방출용 발광다이오드용 렌즈를 나타내는 수직단면도이고,
도 18은 도 17에 따른 렌즈의 효과를 설명하기 위한 도면이고,
도 19 내지 도 21은 하부출사면의 실시 예들을 설명하기 위한 도면이고,
도 22는 하부출사면의 다른 실시 예를 나타내는 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 전체적인 볼륨을 줄이면서도 제조가 용이한 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 발광다이오드용 렌즈를 포함하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU) 및 표시장치(display device)에 관한 것이다. 다만 본 발명에 따른 발광다이오드용 렌즈를 제외한 백라이트유닛 및 표시장치의 다른 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 사항이므로, 본 명세서에서는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 측면 방출용 발광다이오드용 렌즈를 나타내는 수직단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 측면 방출용 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)용 렌즈(10)는 엘이디(11)에서 발산하는 광이 입사하는 밑면(20), 밑면(20)으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광(L1)을 반사시키는 상면(30) 및 밑면(20)과 상면(30)을 연결하는 측면(40)을 포함한다.
또한 측면(40)은 상면(30)에 연결되어 상면(30)에서 반사된 광(L2)이 출사하는 상부출사면(41)과, 밑면(20)과 상부출사면(41)에 연결되어 밑면(20)으로 입사하여 측면(40)으로 직접 입사되는 광(L3)을 상면(20)으로 반사시키는 하부반사면(42)을 포함하며, 상면(30)은 직접 입사하는 광(L1)뿐만 아니라 하부반사면(42)에서 반사되된 광(L4)을 출사면(41)으로 반사시키도록 구비된다.
밑면(20)에는 상방으로 볼록한 홈부(21)가 구비될 수 있으며, 상기 홈부(21)는 엘이디(11)를 수용하기 위한 공간일 수 있으며, 엘이디(11)에서 발산된 광이 밑면(20)으로 입사할 때 원하는 방향으로 굴절시키기 위한 구성일 수도 있으며, 그 형상은 구면, 비구면 등 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.
상면(30)과 하부반사면(42)은 코팅 또는 별도의 부재를 이용하여 직접 입사하는 광을 반사시키도록 구비될 수도 있으나, 입사한 광을 전반사시키도록 광학적으로 설계됨이 바람직하다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
상면(30)은 엘이디(11)의 광축(12)에 대칭으로 이루어져 엘이디(11)로부터 발산하는 광 중 광축(12)을 기준으로 소정각도 범위 내로 발산하는 중심영역의 광을 반사시키는 구성이며, 하부반사면(42)은 엘이디(11)에서 발산하는 광 중 상기 중심영역 외의 영역으로 발산하는 주변영역의 광을 상면(30)으로 반사시키는 구성이다. 따라서, 본 발명에 따른 렌즈(10)는 엘이디(11)에서 발산하는 거의 모든 광이 상면(30) 또는 하부반사면(42)에서 반사 또는 전반사되어 측면(40)의 상부출사면(41)으로 출사될 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 렌즈(10)는 하부반사면(42)과 상부출사면(41)의 연결부위로부터 하방으로 연장되어 렌즈(10)를 지지하는 레그(50)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 하부반사면(42)은 하방으로 만곡된 형상으로 이루어질 수 있으며, 상부출사면(41)은 상면(30)에 연결되어 하방으로 연장되는 제1상부출사면(43)과, 제1상부출사면(43)과 하부반사면(42)을 연결하되 내측으로 단차지는 단차부(44)를 포함하여 이루어질 수 있다. 그러면 하부반사면(42)과 단차부(44)에 의해 전체적인 볼륨(volume)이 작아져 재료비를 절감할 수 있게 된다.
발광다이오드용 렌즈는 유리, 아크릴(Methylmethacrylate), PMMA(Polymethylmethacrylate), PC(Polycarbonate), PET(Poly Ethylen Terephthalate) 등의 투과율이 우수한 투명한 물질로 사출성형(injection molding)에 의해 일체로(one-body) 제작됨이 일반적인데, 이와 같이 렌즈를 사출성형으로 제작시 본 발명에 따른 렌즈(10)는 선행기술들과 비교하여 볼륨을 줄여 재료비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 제조가 용이하다는 장점을 제공한다.
이하 본 발명에 따른 렌즈의 효과를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2 내지 5는 본 발명에 따른 렌즈의 효과를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2는 선행기술1을 사출성형으로 제작하는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 선행기술2를 사출성형으로 제작하는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 선행기술3을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 렌즈를 사출성형으로 제작하는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2에서 보이는 바와 같이, 선행기술1(미국등록특허 제6679621호)에 따른 렌즈(1)를 사출성형으로 제조시에는 사출성형 후 각각 상부와 하부로 분리되는 상부금형(51)과 하부금형(52)뿐만 아니라 사출성형 후 측면으로 슬라이딩되어 분리되는 슬라이딩금형(53)도 필요하다. 이는 선행기술1에 따른 렌즈(1)가 측면에 내측으로 기울어지는 제1굴절면(2)과, 외측으로 볼록한 형상으로 하방으로 연장되는 제2굴절면(3)의 형상 때문이다. 그리고 렌즈를 사출성형으로 제작시 슬라이딩금형(53)까지 필요하게 되면, 금형제작을 위한 추가적인 비용뿐만 아니라 제조공정이 복잡해지게 되어 바람직하지 않다.
또한, 도 3에서 보이는 바와 같이, 선행기술1에 따른 문제점을 보완한 선행기술2(한국등록특허 제10-0651550호)에 따른 렌즈(4)의 경우에도 아치형상의 하부굴절면(5)에 의해 사출성형시 슬라이딩금형(53)이 필요하다.
또한, 도 4에서 보이는 바와 같이, 측면 방출형 엘이디 렌즈에 대한 다른 형태로서 선행기술3(한국등록특허 제10-0688767호)에 따른 렌즈(6)의 형태가 개시되는데, 이러한 선행기술3에 따른 렌즈(6)의 경우에는 선행기술1 및 2의 형태와는 달리 측면이 엘이디의 광축과 평행하기 때문에 사출성형시 슬라이딩금형이 필요없이 상하부금형만으로 제작할 수 있는 장점은 있으나, 엘이디에서 발산된 광이 측면으로 입사하지 않도록 거의 모든 광을 상면으로 입사시켜야 하고, 또한 상면으로 입사된 모든 광을 측면으로 반사시켜야 한다는 점에서 전체적인 볼륨이 커져야만 하는 문제가 있다.
반면, 도 5에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 렌즈(10)는 선행기술1 및 2와 달리 상하부금형(51,52)만을 사용하여도 사출성형이 가능하다. 이는 본 발명에 따른 렌즈(10)의 측면(40) 형상 예를 들어, 하부반사면(42)의 형상이 하방으로 만곡된 형상으로 이루어지기 때문에 가능한 것이다.
또한 본 발명에 따른 렌즈(10)는 선행기술3과 달리 측면(40)의 형상 예를 들어, 단차부(44)와 하부반사면(42)의 형상이 대략 내측으로 기울어진 형태로 이루어지기 때문에 볼륨을 줄일 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 렌즈(10)는 엘이디(11)에서 발산한 광 중 중심영역의 광은 상면(30)에서 반사되어 측면(40)으로 출사되며, 주변영역의 광은 하부반사면(42)에서 반사되어 상면(30)으로 입사된 후 다시 상면(30)에서 반사되어 측면(40)으로 출사되기 때문에, 선행기술3과 달리 엘이디(11)에서 발산하는 모든 광을 직접 상면(30)으로만 입사시켜 반사시킬 필요가 없기 때문에 더더욱 전체적인 부피를 줄일 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 렌즈(10)는 선행기술들과 비교하여 전체적인 부피를 줄일 수 있으면서도 제조가 용이하다는 장점을 가진다. 이하에서는 본 발명에 따른 렌즈의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
상면(30)은 입사한 광을 전반사시키도록 광학적으로 설계됨이 바람직하다. 이하 도면을 참조하여 이러한 상면(30)의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 6은 상면의 일실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 엘이디(11)의 광축(12)과 엘이디(11)의 교점을 제1기준점(P1)으로 하였을 때, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)을 연결하는 직선과 광축(12)이 이루는 각을 α1, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)의 거리를 R1, 상기 α1의 증분을 Δα1, Δα1에 대한 R1의 증분(감소량 또는 증가량)을 ΔR1, 상면(30) 상의 임의의 점(P)에서의 법선(13)과 상기 직선 즉, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)을 연결하는 직선이 이루는 각을 β1, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 상면(30)은 ΔR1 / (R1Δα1) 〉 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
도 7 및 도 8은 상면의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서 설명된 실시 예와 달리, 도 7 및 도 8에 따른 상면(30)의 광학적 조건은 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때 적용가능한 조건이다. 실제로 렌즈(10)는 엘이디(11)보다 매우 큰 볼륨으로 이루어지지는 않기 때문에, 렌즈(10) 설계시 이와 같이 엘이디(11) 광원을 면광원으로 고려하여야 함이 바람직하다.
먼저, 도 7을 참조하면, 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때에는 엘이디(11)의 중심점 즉, 제1기준점(P1)에서 발산하는 광뿐만 아니라 엘이디(11)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 광도 고려하여야 하며, 이 경우 광축(12)을 기준으로 상기 임의의 점(P)과 같은 측의 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 광(L5)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(13)과 이루는 각(θ1)이, 제1기준점(P1)과 다른 측 끝점(P3)에서 발산하여 입사하는 경우보다 작음을 알 수 있다.
따라서 상면(30)이 같은 측 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 입사하는 광(L5)을 전반사하도록 구비된다면, 엘이디(11) 광원을 면광원으로 고려한다 하더라도 상면(30)은 엘이디(11)에서 발산하여 상면(30)으로 입사하는 거의 모든 광을 전반사시킬 수 있게 된다.
이러한 광학적 조건을 도 8을 참조하여 설명하면, 광축(12)을 기준으로 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 같은 측의 엘이디(11)의 끝점(P2)을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)을 연결하는 직선과 기준축(15)이 이루는 각을 α2, 상면(30) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)의 거리를 R2, 상기 α2의 증분을 Δα2, Δα2에 대한 R2의 증분을 ΔR2, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 상면(30)은 ΔR2 / (R2Δα2) 〉 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
상면(30)과 마찬가지로 하부반사면(42)도 입사한 광을 전반사시키도록 광학적으로 설계됨이 바람직하다. 이하 도면을 참조하여 이러한 하부반사면(42)의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 9는 하부반사면의 일실시 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, 광축(12)과 엘이디(11) 교점을 제1기준점(P1)으로 하였을 때, 하부반사면(42) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)을 연결하는 직선과 광축(12)과 수직한 수평축(16)이 이루는 각을 α3, 하부반사면(42) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)의 거리를 R3, 상기 α3의 증분을 Δα3, Δα3에 대한 R3의 증분을 ΔR3, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 하부반사면(42)은 ΔR3 / (R3Δα3) 〉 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
도 10 및 도 11은 하부반사면의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9에서 설명된 실시 예와 달리, 도 10 및 도 11에 따른 하부반사면(42)의 광학적 조건은 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때 적용가능한 조건이다.
먼저, 도 10을 참조하면, 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때에는 엘이디(11)의 중심점 즉, 제1기준점(P1)에서 발산하는 광뿐만 아니라 엘이디(11)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 광도 고려하여야 하며, 이 경우 광축(12)을 기준으로 하부반사면(42) 상의 임의의 점(P)과 다른 측의 엘이디(11) 끝점(P3)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 광(L6)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(14)과 이루는 각(θ2)이, 제1기준점(P1)과 같은 측 끝점(P2)에서 발산하여 입사하는 경우보다 작음을 알 수 있다.
따라서 하부반사면(42)이 다른 측 엘이디(11) 끝점(P3)에서 발산하여 입사하는 광(L6)을 전반사하도록 이루어진다면, 엘이디(11) 광원을 면광원으로 고려한다 하더라도 하부반사면(42)은 엘이디(11)에서 발산하여 하부반사면(42)으로 입사하는 거의 모든 광을 전반사시킬 수 있게 된다.
이러한 광학적 조건을 도 11을 참조하여 설명하면, 광축(12)을 기준으로 하부반사면(42) 상의 임의의 점(P)과 반대 측의 엘이디(11)의 끝점(P3)을 제3기준점(P3)으로 하였을 때, 하부반사면(42) 상의 임의의 점(P)과 제3기준점(P3)을 연결하는 직선과 광축(12)과 수직한 수평축(16)이 이루는 각을 α4, 하부반사면(42) 상의 임의의 점(P)과 제3기준점(P3)의 거리를 R4, 상기 α4의 증분을 Δα4, Δα4에 대한 R4의 증분을 ΔR4, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 하부반사면(42)은 ΔR4 / (R4Δα4) 〉 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
도 12는 단차부를 확대한 부분확대도이다.
도 12를 참조하면, 단차부(44)는 상면(30)에서 반사된 광을 출사시키는 다수의 불연속한 제2출사면(45)과, 제2출사면(45)을 연결하는 연결면(46)을 포함하여 이루어질 수 있다.
제2출사면(45)은 엘이디(11) 광축(12)과 평행하거나 또는 내측으로 기울어진 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그러면 사출성형으로 렌즈(10) 제작시 상하부금형(51,52)만으로 제작이 가능하여 제조공정이 간단해질 수 있다.
연결면(46)은 상면(30)에서 반사된 광(L2)의 주광(chief ray)의 경로와 평행하게 이루어지는 것이 바람직하다. 그러면 상면(30)에서 반사된 거의 모든 광(L2)이 제2출사면(45)으로 입사하여 출사할 수 있기 때문에 광(L2)의 출사각을 제어하기가 용이하며, 광(L2)이 연결면(46)으로 입사함으로써 발생하는 광손실을 줄일 수 있게 된다. 여기서, 주광(chief ray)의 경로란 상면(30) 상의 어느 한 지점으로부터 반사된 광(l2)들의 경로 중 센터광이 지나가는 경로를 말한다.
도 13 및 도 14는 단차부의 실시 예들을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 13을 참조하면, 하부반사면(42)과 단차부(44)의 접점인 단차부(44)의 시작단(47)과 상기 다수의 연결면(46) 중 최상단에 위치하는 연결면(46)의 상단(48)을 연결하는 가상의 연결선(17)이 엘이디(11)의 광축(12)과 평행한 가상의 기준축(15)과 이루는 각(θ3)은, 엘이디(11)와 광축(12)의 교점인 제1기준점(P1)에서 발산되어 하부반사면(42)의 상단인 상기 시작단(47)으로 입사하는 광(L7)이 기준축(15)과 이루는 각(θ4)보다 크게 이루어지고, 상기 각각의 제2출사면(45)의 상단 또는 연결면(46)의 상단은 기준축(15)을 기준으로 연결선(17)보다 외측에 존재하는 것이 바람직하다. 그러면 엘이디(11)에서 발산된 광 중 단차부(44)로 직접 입사하여 출사하는 광은 없게 되고, 그에 따라 단차부(44)로 직접 입사하여 출사함으로써 발생하는 광손실을 줄일 수 있게 된다.
도 13에서 설명된 실시 예와 달리, 도 14에 따른 단차부(44)의 조건은 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때 적용가능한 조건이다. 즉, 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때에는 엘이디(11)의 중심점인 제1기준점(P1)에서 발산하는 광뿐만 아니라 엘이디(11)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 광도 고려하여야 하며, 이 경우 시작단(47)과 반대 측의 엘이디(11)의 끝점(P3)에서 발산하여 시작단(47)으로 입사하는 광(L8)이 기준축(15)과 이루는 각(θ6)이, 제1기준점(P1)에서 발산하여 시작단(47)으로 입사하는 광이 광축(12)과 이루는 각(θ4) 및 광축(12)을 기준으로 시작단(47)과 같은 측의 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 시작단(47)으로 입사하는 광이 기준축(15)과 이루는 각(θ5)보다, 큼을 알 수 있다. 따라서 상기 가상의 연결선(17)이 기준축(15)과 이루는 각(θ3)은, 광축(12)을 기준으로 시작단(47)과 반대 측의 엘이디(11)의 끝점(P3)을 제3기준점(P3)으로 하였을 때 상기 제3기준점(P3)에서 발산하여 시작단(47)으로 입사하는 광(L8)이 기준축(15)과 이루는 각(θ6)보다 크게 이루어지고, 상기 각각의 제2출사면(45)의 상단 또는 연결면(46)의 상단은 기준축(15)을 기준으로 연결선(17)보다 외측에 존재하면, 엘이디(11)의 광원을 면광원으로 고려한다 하더라도 단차부(44)로 직접 입사하여 출사하는 광은 없게 되고, 그에 따라 단차부(44)로 직접 입사하여 출사함으로써 발생하는 광손실을 줄일 수 있게 된다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일실시 예에 따른 렌즈의 개략적인 평면도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 렌즈(10)는 수평단면상 대략 원형의 형상으로 이루어질 수 있으며, 레그(50)는 도 15에서 보이는 바와 같이, 엘이디(11)로부터 일정한 거리에 소정각도 간격으로 복수개 구비될 수도 있으며, 도 16에서 보이는 바와 같이, 엘이디(11)로부터 일정한 거리에 연속적으로 즉, 대략 원형의 띠 형상으로 구비될 수도 있다.
또한 레그(50)는 하부반사면(42)과 출사면(41)의 연결부위로부터 하방으로 연장형성되는 구성으로서, 엘이디(11)에서 발산되어 레그(50) 방향으로 입사하는 광들은 모두 하부반사면(42)에서 반사 또는 전반사되어 상면(30)으로 입사하게 되므로, 레그(50)로 입사하는 광에 의한 광손실을 현저히 줄일 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 측면 방출용 발광다이오드용 렌즈를 나타내는 수직단면도이다. 다만 본 실시 예에 따른 렌즈(10)는 상기 실시 예에 따른 렌즈(10)와 비교하여, 하부반사면(42)의 구성이 하부출사면(42)으로 대체된다는 점에서만 차이가 있으므로, 다른 구성에 대한 도면부호와 상세한 설명은 상기 실시예에서의 도면부호와 상세한 설명을 원용한다.
도 17을 참조하면, 본 실시예에 따른 측면 방출용 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)용 렌즈(10)는 엘이디(11)에서 발산하는 광이 입사하는 밑면(20), 밑면(20)으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광(L1)을 반사시키는 상면(30) 및 밑면(20)과 상면(30)을 연결하는 측면(40)을 포함하며, 측면(40)은 상면(30)에 연결되어 상면(30)에서 반사된 광(L2)이 출사하는 상부출사면(41)과, 밑면(20)과 상부출사면(41)에 연결되어 밑면(20)으로 입사하여 측면(40)으로 직접 입사되는 광(L3)을 렌즈(10) 외부로 출사시키는 하부출사면(42)을 포함한다.
상면(30)은 엘이디(11)의 광축(12)에 대칭으로 이루어져 엘이디(11)로부터 발산하는 광 중 광축(12)을 기준으로 소정각도 범위 내로 발산하는 중심영역의 광을 반사시키는 구성이며, 하부출사면(102)은 엘이디(11)에서 발산하는 광 중 상기 중심영역 외의 영역으로 발산하는 주변영역의 광을 렌즈(10) 외부로 출사시키는 구성이다.
또한 본 실시예에 따른 렌즈(10)는 밑면(20)과 하부출사면(42)의 연결부위로부터 하방으로 연장되어 렌즈(10)를 지지하는 레그(50)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 하부출사면(42)은 하방으로 갈수록 내측으로 기울어진 향상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 17에서 보이는 바와 같이, 하부출사면(42)은 엘이디(11)의 광축(12)을 기준으로 상방으로 갈수록 일정한 기울기로 벌어지는 경사면으로 이루어지거나, 도 1의 하부반사면(42)과 같이 하방으로 만곡된 형상으로 이루어질 수 있다.
도 18은 도 17에 따른 렌즈의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 18에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 따른 렌즈(10)는 도 1에 따른 렌즈(10)와 마찬가지로, 선행기술1 및 2와 달리 상하부금형(51,52)만을 사용하여도 사출성형이 가능하다. 이는 본 실시예에 따른 렌즈(10)의 측면(40) 형상 예를 들어, 하부출사면(42)의 형상이 내측으로 기울어진 형태로 이루어지기 때문에 가능한 것이다.
또한 본 실시예에 따른 렌즈(10)는 선행기술3과 달리 측면(40)의 형상 예를 들어, 단차부(44)와 하부출사면(42)의 형상이 대략 내측으로 기울어진 형태로 이루어지기 때문에 볼륨을 줄일 수 있게 된다.
또한 본 실시예에 따른 렌즈(10)는 엘이디(11)에서 발산한 광 중 중심영역의 광은 상면(30)에서 반사되어 측면(40)으로 출사되며, 주변영역의 광은 하부출사면(42)에서 직접 렌즈(10) 외부로 출사하기 때문에, 선행기술3과 달리 엘이디(11)에서 발산하는 모든 광을 직접 상면(30)으로만 입사시켜 반사시킬 필요가 없기 때문에 더더욱 전체적인 부피를 줄일 수 있게 된다.
상기 실시 예에 따른 렌즈(10)에서의 상면(30)과 하부반사면(42)과 마찬가지로, 본 실시예에 따른 하부출사면(42)도 직접 입사한 광을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 광학적으로 설계됨이 바람직하다. 이하 도면을 참조하여 이러한 하부출사면(42)의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 19는 하부출사면의 일실시 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 19를 참조하면, 광축(12)과 엘이디(11) 교점을 제1기준점(P1)으로 하였을 때, 하부출사면(42) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)을 연결하는 직선과 광축(12)과 수직한 수평축(16)이 이루는 각을 α3, 하부출사면(42) 상의 임의의 점(P)과 제1기준점(P1)의 거리를 R3, 상기 α3의 증분을 Δα3, Δα3에 대한 R3의 증분을 ΔR3, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 하부출사면(42)은 ΔR3 / (R3Δα3) 〈 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
도 20 및 도 21은 하부출사면의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 19에서 설명된 실시 예와 달리, 도 20 및 도 21에 따른 하부출사면(42)의 광학적 조건은 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때 적용가능한 조건이다.
먼저, 도 20을 참조하면, 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때에는 엘이디(11)의 중심점 즉, 제1기준점(P1)에서 발산하는 광뿐만 아니라 엘이디(11)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 광도 고려하여야 하며, 이 경우 광축(12)을 기준으로 하부출사면(42) 상의 임의의 점(P)과 같은 측의 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 광(L6)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(14)과 이루는 각(θ2)이, 제1기준점(P1)과 반대 측 끝점(P3)에서 발산하여 입사하는 경우보다 가장 큼을 알 수 있다.
따라서 하부출사면(42)이 같은 측 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 입사하는 광(L6)을 렌즈(10) 외부로 출사시키도록 이루어진다면, 엘이디(11) 광원을 면광원으로 고려한다 하더라도 하부출사면(42)은 엘이디(11)에서 발산하여 하부출사면(42)으로 직접 입사하는 거의 모든 광을 렌즈(10) 외부로 출사시킬 수 있게 된다.
이러한 광학적 조건을 도 21을 참조하여 설명하면, 광축(12)을 기준으로 하부출사면(42) 상의 임의의 점(P)과 같은 측의 엘이디(11)의 끝점(P2)을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 하부출사면(42) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)을 연결하는 직선과 광축(12)과 수직한 수평축(16)이 이루는 각을 α4, 하부출사면(42) 상의 임의의 점(P)과 제2기준점(P2)의 거리를 R4, 상기 α4의 증분을 Δα4, Δα4에 대한 R4의 증분을 ΔR4, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n으로 하면, 하부출사면(42)은 ΔR4 / (R4Δα4) 〈 1 / √(n2-1) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
한편, 하부출사면(42)은 엘이디(11)에서 발산하여 직접 입사하는 광(L3)을 출사시킴에 있어서, 출사된 광이 다시 단차부(44)로 입사하지 않도록 다음 조건을 만족하도록 구성됨이 바람직하다.
도 22는 이러한 하부출사면의 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 22를 참조하면, 상기 다수의 불연속한 제2상부출사면(45) 중 최하단에 위치하는 제2상부출사면(45)의 하단(19)과 제1상부출사면(43)의 하단(49)을 연결하는 가상의 연결선(18)이 엘이디(11)의 광축(12)과 수직한 수평축(16)과 이루는 각을 θ7, 엘이디(11)와 광축(12)의 교점을 제1기준점(P1)으로 하였을 때 상기 제1기준점(P1)에서 발산하여 하부출사면(42) 상의 임의의 점(P)으로 직접 입사하는 광(L3)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(14)과 이루는 각을 θ8, 상기 임의의 점(P)에서의 접선이 광축(12)과 평행한 가상의 기준축(15)과 이루는 각을 Δα, 상기 임의의 점(P)으로 입사된 광(L3)이 하부출사면(42)을 통해 출사한 광(L4)이 법선(14)과 이루는 굴절각을 θ9, 상기 출사한 광(L4)이 수평축(16)과 이루는 각을 θ, 렌즈(10)를 이루는 재료의 굴절률을 n이라 하면, 다음 식을 만족한다.
n×sinθ8 ＝ sinθ9
θ9 ＝ θ ＋ Δα
여기서, 하부출사면(42)을 통해 출사된 광(L4)이 다시 단차부(44)로 입사하지 않기 위해서는 상기 광(L4)이 수평축(16)과 이루는 각(θ)이 상기 연결선(18)이 엘이디(11)의 광축(12)과 수직한 수평축(16)과 이루는 각(θ7)보다 같거나 작아야 한다. 즉, θ ≤ θ7 조건을 만족하여야 한다.
따라서, 상기 식들과 상기 조건을 정리하면, 하부출사면(42)은 출사된 광(L4)이 단차부(44)로 입사하지 않도록 Δα ≥ sin-1(n×sinθ8) ― θ7 조건을 만족하도록 구성됨이 바람직하다.
여기서, Δα는 하부출사면(42) 상의 임의의 점(P)에서의 접선이 기준축(15)과 이루는 각을 의미하며, 따라서 하부출사면(42)은 도 1에서 보이는 바와 같이, Δα이 일정한 값을 가지는 경사면으로 이루어질 수도 있으며, Δα이 일정한 값을 가지지 않는 구면 또는 비구면으로도 이루어질 수 있다.
한편, 상기 하부출사면(42)의 조건은 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때 적용가능한 조건이다. 따라서 엘이디(11)의 광원을 점광원이 아닌 면광원으로 고려할 때에는 엘이디(11)의 중심점 즉, 제1기준점(P1)에서 발산하는 광뿐만 아니라 엘이디(11)의 양끝점(P2,P3)에서 발산하는 광도 고려하여야 하며, 이 경우 도 20에서 보이는 바와 같이, 하부출사면(42) 상의 임의의 점(P)과 같은 측의 엘이디(11) 끝점(P2)에서 발산하여 상기 임의의 점(P)으로 입사하는 광(L6)이 상기 임의의 점(P)에서의 법선(14)과 이루는 각(θ2)이, 제1기준점(P1)과 반대 측 끝점(P3)에서 발산하여 입사하는 경우보다 가장 큼을 알 수 있다.
따라서 같은 측 엘이디(11) 끝점(P2)을 제2기준점(P2)라고 하였을 때, 상기 제2기준점(P2)에서 발산하여 하부출사면(42)으로 직접 입사되어 출사된 광(L4)이 수평축(16)과 이루는 각(θ)이 상기 연결선(18)이 수평축(16)과 이루는 각(θ7)보다 같거나 작게 이루어진다면, 엘이디(11) 광원을 면광원으로 고려한다 하더라도 하부출사면(42)은 엘이디(11)에서 발산하여 하부출사면(42)으로 직접 입사하는 거의 모든 광을 단차부(44)로 입사하지 않도록 출사시킬 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전체적인 볼륨을 줄일 수 있으면서도 제조가 용이한 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 관한 것으로서, 그 실시 형태는 다양한 형태로 변경가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 개시된 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경 가능한 모든 형태도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

Claims (11)

  1. 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)에서 발산하는 광을 측면으로 출사시키는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 있어서,
    상기 발광다이오드에서 발산하는 광이 입사하는 밑면;
    상기 밑면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광을 반사시키는 상면; 및
    상기 밑면과 상기 상면을 연결하는 측면;을 포함하고,
    상기 측면은 상기 상면에 연결되어 상기 상면에서 반사된 광이 출사하는 상부출사면과, 상기 밑면과 상기 상부출사면에 연결되어 상기 밑면으로 입사하여 상기 측면으로 직접 입사되는 광을 상기 상면으로 반사시키는 하부반사면을 포함하고,
    상기 상면은 상기 하부반사면에서 반사된 광을 상기 상부출사면으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  2. 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)에서 발산하는 광을 측면으로 출사시키는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈에 있어서,
    상기 발광다이오드에서 발산하는 광이 입사하는 밑면;
    상기 밑면으로 입사한 광 중 직접 입사하는 광을 반사시키는 상면; 및
    상기 밑면과 상기 상면을 연결하는 측면;을 포함하고,
    상기 측면은 상기 상면에 연결되어 상기 상면에서 반사된 광이 출사하는 상부출사면과, 상기 밑면과 상기 상부출사면에 연결되어 상기 밑면으로 입사하여 상기 측면으로 직접 입사되는 광이 출사하는 하부출사면을 포함하고,
    상기 하부출사면은 하방으로 갈수록 내측으로 기울어진 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 광축을 기준으로 상기 상면 상의 임의의 점과 같은 측의 상기 발광다이오드의 끝점을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 상기 상면은 상기 제2기준점(P2)에서 발산하여 입사한 광을 전반사시키도록 구비되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 광축을 기준으로 상기 하부반사면 상의 임의의 점과 반대 측의 상기 발광다이오드의 끝점을 제3기준점(P3)으로 하였을 때, 상기 하부반사면은 상기 제3기준점(P3)에서 발산하여 입사한 광을 전반사시키도록 구비되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 광축을 기준으로 상기 하부출사면 상의 임의의 점과 같은 측의 상기 발광다이오드의 끝점을 제2기준점(P2)으로 하였을 때, 상기 하부출사면은 상기 제2기준점(P2)에서 발산하여 입사한 광을 출사시키도록 구비되는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부출사면은 상기 상면에 연결되어 하방으로 연장되는 제1상부출사면과, 상기 제1상부출사면과 상기 하부반사면을 연결하되 내측으로 단차지는 단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 상부출사면은 상기 상면에 연결되어 하방으로 연장되는 제1상부출사면과, 상기 제1상부출사면과 상기 하부출사면을 연결하되 내측으로 단차지는 단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 단차부는 상기 상면에서 반사된 광을 출사시키는 다수의 불연속한 제2상부출사면과, 상기 제2상부출사면을 연결하는 연결면을 포함하는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연결면은 상기 상면에서 반사된 광의 주광(chief ray)의 경로와 평행하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 측면 방출형 발광다이오드용 렌즈.
  10. 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 광원으로 사용하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU)에 있어서,
    상기 발광다이오드의 상부에 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 발광다이오드용 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 백라이트유닛.
  11. 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 광원으로 사용하는 표시장치(display device)에 있어서,
    상기 발광다이오드의 상부에 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 발광다이오드용 렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 표시장치.
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CN104295967A (zh) * 2014-10-14 2015-01-21 华南师范大学 Led多面发光平面光源

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