JP6840817B2 - 発光素子用光拡散レンズ - Google Patents

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Description

本発明は発光素子用光拡散レンズに関する。
平面ディスプレイ装置である液晶表示装置（Liquid Crystal Display Device 、以下「ＬＣＤ」という。）は他の表示装置とは異なり、それ自体で光を発しないため、画像を具現するためには必ず別途の外部光源を必要とする。したがって、ＬＣＤは液晶パネルの他に、面光源のバックライトユニット（Backlight unit）をさらに含み、バックライトユニットが液晶パネルに高輝度の光源を均一に供給することによって画像を具現することになる。
このように、バックライトユニットはＬＣＤのようなディスプレイ装置の画像を具現するための照明装置を指し、光源が配置される位置により側面型（Edge Lighting type）または直下型（Direct Lighting type）バックライトユニットに区分される。バックライトユニットの光源としては、小型、低消費電力、高信頼性などの長所を有する発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下「ＬＥＤ」という。）が主に利用される。
直下型バックライトユニットは液晶パネルの真下に一定の間隔で多数のＬＥＤを配置して液晶パネルを直接光を照明するものであって、角部分と中央領域間の明暗差を克服することができ、高画質を具現することができ、特に、大画面のバックライトユニットの具現に有利な長所がある。
ＬＥＤを直下型バックライトユニットの光源として使う場合、点光源の特性上ＬＥＤの垂直上部では輝度が大きく表れるが、ＬＥＤから遠くなるほど輝度が急激に低下しながら全体的な輝度が不均一となる問題がある。輝度の偏差を解消するためにはＬＥＤ間の間隔を狭める方法があるが、多数のＬＥＤが要求されるため製造費用が増加することになる。
このような問題を解決するために、各ＬＥＤに光拡散レンズを配置することによって光を分散させる技術が使われている。レンズを利用したバックライトユニットは、ＬＥＤの垂直上部とその周辺の間に輝度の偏差を解消し、ＬＥＤの配置間隔を広くすることによって、適用されるＬＥＤの数を相対的に減らすことができる長所がある。
図１は、従来技術に係る直下型バックライトユニットの主な構成を示した断面図である。
図示された通り、バックライトユニットは、基板１０に実装されたＬＥＤ２０を光源溝３１に収容し、かつ光拡散レンズ３０が基板１０に結合されて、ＬＥＤ２０の光が光拡散レンズを通過するように構成される。また、基板１０の上面には反射シート４０が載置される。
光拡散レンズ３０は本体３１の下面の中央部に凹んだ入射部３２を形成し、上面は膨らんだ曲面状の出射部３３を形成し、下面は反射部３４を形成する。また、光拡散レンズ３０は出射部３３の下端部の縁に沿って外側に突出するフランジ３５を具備する。フランジ３５は隣り合うレンズと接触または干渉して出射部３３が損傷することを防止する。また、光拡散レンズ３０は下面に基板１０に結合されるための一つ以上の固定突起３６が形成される。また、光拡散レンズ３０はフランジ３５の外周面に沿って所定の間隔をなしながら外側に突出する多数の押圧突起３７を具備する。
上述のような構成のバックライトユニットは、基板１０にＬＥＤ２０が実装され、光拡散レンズ３０がＬＥＤ２０を収容しつつ基板１０に結合された後、反射シート４０が光拡散レンズ３０を露出させながら基板１０に載置される。このために、反射シート４０は光拡散レンズ３０と対応する位置に形成される多数のシートホールを具備する。
この時、光拡散レンズ３０が結合された位置と反射シート４０のシートホールの位置およびこれらの大きさ（直径）は正確に一致しなければならない。光拡散レンズ３０とシートホールの位置や大きさが正確に一致しない場合、反射シート４０は端部が押圧突起３７に密着したり押圧突起３７に加圧されて部分的に浮きが発生するか捩れる歪曲（warpage ）が現れる。
反射シート４０の歪曲はバックライトユニットの駆動過程でＬＥＤモジュールの発熱による反射シート４０の熱膨張によっても現れ得る。
このような反射シート４０の歪曲は、出射する光に対してモアレ（Moire ）のような縞模様で現れ、つまりは光特性を阻害する原因となる。
一方、ＬＥＤから出射する光はレンズを通過して液晶パネルに提供されるため、ＬＥＤとレンズの間に若干の整列変化が発生してもレンズを介して放出される光の分布に大きな変化が発生し得、これに伴い、高品質のバックライティングがさらに難しくなる。
ディスプレイ装置は大画面化およびスリム化とともに画質も高画質化されており、最近のディスプレイ装置は４Ｋ（３８４０×２１６０）の解像度を越えて８Ｋ（７６８０×４３２０）の解像度を提供している。
したがって、バックライトユニットは８Ｋ以上の解像度を提供するディスプレイ装置に適用されるためには、これに対応する高品質の光を提供しなければならない。このためのバックライトユニットは、反射シートの歪曲による光損傷を防止しなければならず、ＬＥＤとレンズの間の整列を制御してレンズを通過して出射する光の出光特性をさらに精密に制御する必要性がある。
本発明は上述のような問題点を解決するために提案されたものであり、反射シートの歪曲を防止して光特性の損傷と変化を防止することによって、高品質の光を提供できる光拡散レンズを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、ＬＥＤと整列を正確に制御し、出射する光の出光特性を精密に制御することによって、高品質の光を提供する光拡散レンズを提供することである。
上述のような目的を達成するための本発明の一実施例に係る光拡散レンズは、本体の下面の中央部が凹んで形成される入射部と、本体の上面が湾曲した形状に形成される出射部、入射部の周囲に沿って本体の下面に形成される反射部と、出射部の下端部で本体の外周面に沿って外側に突出するフランジと、を含み、フランジは、反射シートがフランジの下端に逃避された一定の空間と結合可能である。
また、フランジは、外側に突出する押圧突起を含む。
また、入射部は、フランジが上側に移動して上昇した領域に進行する光が入射する領域の円周に沿って形成されて光の進行方向を変更させる第１光パターンを含む。
反射部は、外側へ向かうほど上向き傾斜をなす傾斜面を含む。
また、出射部は、フランジの上側に形成されて光の出射を誘導する第２光パターンを含む。
そして、本発明の他の実施例に係る光拡散レンズは、本体の下面の中央部が凹んで形成される入射部、本体の上面が湾曲した形状に形成される出射部、入射部の周囲に沿って本体の下面に形成される反射部、および、出射部の下端部で外側に突出する押圧突起を含み、押圧突起は、反射シートのシートホールの端部が逃避するシート逃避溝を下部に形成して反射部と離隔して形成されている。
また、入射部は、押圧突起領域に進行する光が入射する領域に沿って形成されて光の進行方向を変更させる第１光パターンを含む。
また、押圧突起は、反射シートが押圧突起下端に逃避された一定の空間と結合可能である。
本発明は反射シートのシートホールの端部が光拡散レンズのフランジまたは押圧突起の下部に逃避することによって、製作過程での誤差や熱膨張による反射シートの歪曲が防止され、これによる光特性の低下を招かない。
また、本発明は光拡散レンズのフランジの移動による光損失や輝度の偏差を発生しないため高品質の光特性を維持することができる。
従来技術に係る直下型バックライトユニットの主な構成を示した断面図。 本実施例に係る直下型バックライトユニットの主要部を示した斜視図。 図２の直下型バックライトユニットを示した断面図。 図２の主要部である光拡散レンズの第１実施例を示した底面斜視図。 図４の光拡散レンズの光進行経路を示した断面図。 図４の光拡散レンズの主要部であるフランジを示した拡大断面図。 光拡散レンズの第２実施例を示した断面図。 図７の光拡散レンズの入射部を示した拡大断面図。 図７の光拡散レンズの出射部を示した拡大断面図。 従来および本実施例に係る光拡散レンズの光特性を示した図面。 光拡散レンズの第３実施例を示した断面図。 図１１の光拡散レンズが適用されたバックライトユニットを示した断面図。
本発明と本発明の実施によって達成される技術的課題は下記で説明する好ましい実施例によって明確になるであろう。以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
後述される各実施例間の差は相互に排他的ではない事項として理解されるべきである。すなわち、本発明の技術思想および範囲を逸脱することなく、記載されている特定の形状、構造および特性は、一実施例に関連して他の実施例で具現され得、それぞれの開示された実施例内の個別構成要素の位置または配置は変更され得ることが理解されるべきであり、図面で類似する参照符号は多様な側面に亘って同一または類似する機能を指し示し、製造原材料、長さ、面積および厚さなどとその形態は便宜のために誇張して表現され得る。
図２は本実施例に係る直下型バックライトユニットの主要部を示した斜視図であり、図３は図２の直下型バックライトユニットを示したＩ−Ｉ方向の断面図であり、図４は図２の主要部である光拡散レンズの第１実施例を示した底面斜視図である。
図２および図３を参照すると、基板１００上にＬＥＤ２００が実装され、光拡散レンズ３００がＬＥＤ２００を覆いながら基板１００に結合され、基板１００上には反射シート４００が載置される。また、基板１００はフレーム（図示されず）に収容されて固定され、光拡散レンズ３００と所定間隔離隔する上部には拡散板やプリズムシートのような光学シート（図示されず）が積層され得る。
具体的には、基板１００はバー状（bar-type）またはプレート状（plate-type）を有し得、ＬＥＤ２００、光拡散レンズ３００および反射シート４００を結合させる。また、基板１００はＬＥＤ２００が実装されて駆動されるための所定の回路が印刷された印刷回路基板で構成され、上面には光拡散レンズ３００が結合される結合溝が一つ以上形成される。
ＬＥＤ２００はバックライトユニットの光源であって、バー状の基板１００上には長さ方向に沿って所定の間隔を有して複数個実装され、プレート状の基板１００上には横、縦、対角線または任意の方向に所定の間隔を有して複数個実装される。ＬＥＤ２００は白色光を発する素子で構成されるか青色光を発する素子で構成され得る。ＬＥＤ２００が青色光素子で構成される場合、光拡散レンズ３００の上部に白色光に切り替えるための量子ドット（Quantum dot ）シートが配置され得る。
光拡散レンズ３００はＬＥＤ２００から出射する光を拡散させるための構成であって、中央にＬＥＤ２００を収容しながら基板１００に結合される。光拡散レンズ３００は各ＬＥＤ２００を収容しながら、基板１００の形状により長さ方向または横、縦、対角線または任意の方向に複数個結合される。光拡散レンズ３００は所定の屈折率を有する透明アクリル系列の樹脂で構成され得、一例としてＰＭＭＡ（Polymethylmethacrylate）、ＰＳ（Poly styrene）、ＭＳ（Meta styrene）またはＰＣ（Polycarbonate ）等の樹脂が利用され得る。
本実施例の光拡散レンズ３００は半球状またはドーム状をなす本体３１０と、本体３１０の下面の中央部に凹んで形成される入射部３２０と、本体３１０の上面に形成される出射部３３０と、入射部３２０の周囲に沿って本体３１０の下面に形成される反射部３４０を含む。また、光拡散レンズ３００は出射部３３０の下端部で本体３１０の外周面に沿って突出するフランジ３５０と、基板１００と結合するために本体３１０の下面に形成される固定突起３７０をさらに含む。固定突起３７０は基板１００の結合溝に対応する位置に沿って複数個形成され得る。
また、フランジ３５０の円周方向に沿って外側に突出する押圧突起３８０が所定の間隔で多数個形成される。フランジ３５０または押圧突起３８０は光拡散レンズ３００が反射シート４００と組立時、反射シート４００がフランジ３５０または押圧突起３８０の下端に反射部３４０から出射部３３０方向に、そして円周方向に沿って逃避（Recess）された一定の空間と結合可能である。
押圧突起３８０はシートホール４１０の端部４１１を加圧して反射シート４００が組み立てられた後、外力や熱膨張などによってシートが流動する時に反射シート４００が基板１００から分離されることを防止する。
また、フランジ３５０および押圧突起３８０の下部には反射シート４００が逃避するシート逃避溝３６０が形成される。すなわち、フランジ３５０は反射部３４０と離隔しながら、その間にシート逃避溝３６０を形成する。シート逃避溝３６０は反射シート４００が組み立てられた後、外力や熱膨張などによってシートが流動する場合、シートホール４１０の端部４１１が逃避するようにして反射シート４００が歪曲されることを防止する。
上述のような構成のバックライトユニットは、基板１００に実装されたＬＥＤ２００が入射部３１０に収容されるように光拡散レンズ３００が基板１００に結合され、シートホール４１０を通じて光拡散レンズ３００が露出するように反射シート４００が基板１００に載置される。この時、反射シート４００は組立完成後にシートホール４１０が形成された端部４１１が押圧突起３８０の下部のシート逃避溝３６０にで逃避されながら、押圧突起３８０に固定されて分離が防止される。
図５は図４の光拡散レンズの光進行経路を示したＩＩ−ＩＩ方向の断面図であり、図６は図４の光拡散レンズの主要部であるフランジを示したＩＩＩ−ＩＩＩ方向の拡大断面図であり、図７は光拡散レンズの第２実施例を示した断面図であり、図８は図７の光拡散レンズの入射部を示した拡大断面図であり、図９は図７の光拡散レンズの出射部を示した拡大断面図である。
まず、図５に図示された通り、バックライトユニットはＬＥＤ２００から出射する光が入射部３２０を通じて光拡散レンズ３００の内部に入射しながら側面に分散され、再び出射部３３０を通じて側面方向に拡散されて出射する。したがって、光拡散レンズ３００はＬＥＤ２００の光を分散させて光源の中心部および外郭付近に対して均一な輝度を有するようにする。
一方、本実施例の光拡散レンズ３００は押圧突起３８０の下部にシート逃避溝３６０が形成されることにより押圧突起３８０が上側に移動し、押圧突起３８０が上側に移動するにつれてフランジ３５０も上部の出射部３３０に所定間隔移動しながらその下部にシート逃避溝３６０を形成する。
フランジ３５０は射出などを利用した製造工程上、その形状が維持されるために最小限の厚さＴを有さなければならない。したがって、フランジ３５０と押圧突起３８０の下部にシート逃避溝３６０が形成されてもこれらの厚さＴが薄くなることはできないので、図６に図示された通り、フランジ３５０はシート逃避溝３６０の高さｔだけ上側に移動することになる。
光拡散レンズ３００はフランジ３５０の上側移動によって出射部３３０領域が減少し、減少した出射部３３０領域（ｔ、すなわち、フランジが上昇した領域）に進行する光は外部に出射できずにフランジ３５０の内部に入射する。上昇した領域ｔからフランジ３５０の内部に入射する光のうち、一部の光はフランジ３５０の内部で消滅し、一部の光は全反射して中央領域の出射部３３０を通じて出射する。したがって、フランジ３５０が上側に移動するにつれて光損失が発生して輝度の低下を招き、レンズ中央部に光が集中して輝度の偏差が増加する。
本実施例の光拡散レンズ３００はフランジ３５０の移動による光特性の変化が発生しないようにする。このために、光拡散レンズ３００は内部に入射してフランジ３５０の上昇領域ｔに進行しようとする光の進行方向を変更させて出射部３３０に出射するように誘導する。
図７および図８を参照すると、ＬＥＤ２００から出射した光は入射部３２０を通じて内部に入射し、フランジ３５０が上昇した領域ｔに進行しようとする光は入射部３２０の特定区間Ｌ１を通じて入射する。本実施例の光拡散レンズ３００は入射部３２０の区間Ｌ１に第１光パターン３２１を形成し、第１光パターン３２１は入射した光の進行方向を変更させ、特に、フランジ３５０の上昇領域ｔに進行する光の方向を変更させる。
第１光パターン３２１は入射した光がフランジ３５０の上昇領域へ向かう特定区間Ｌを含む区間に形成され、入射部３２０の内面の円周に沿ってリング状に形成される。また、第１光パターン３２１は陽刻または陰刻構造で形成されるか陽刻および陰刻構造が繰り返される凹凸構造で形成され得、レンズ、ピラミッドまたはプリズム形状などの多様な形状で形成され得る。
図８を参照すると、入射部３２０で第１光パターン３２１が形成された領域を通過する光は散乱される。この時、一部の光は出射部３３０に進行しながら直接外部に出射し、一部の光は反射部３４０に進行しながら反射して出射部３３０に出射される。したがって、上昇した領域ｔのフランジ３５０に向かう光は第１光パターン３２１によって出射部３００を通じて出射するため、光損失を防止し、輝度の偏差の増加を抑制することができる。
また、図５および図７に図示された通り、光拡散レンズ３００の反射部３４０は傾斜面３４１を含むことができる。傾斜面３４１は入射部３２０に隣接したり離隔した位置から外側に所定角（α）の上向き傾斜を有するように構成される。傾斜面３４１は第１光パターン３２１によって下側に屈折する光を上側の出射部３３０に反射させる。また、傾斜面３４１は下部の基板と間隔を形成してＬＥＤ２００で発生する熱が放出される放熱経路を提供する。したがって、傾斜面３４１はＬＥＤ２００素子の寿命の低下を防止し、ＬＥＤ２００で発生する熱による光拡散レンズ３００と反射シート４００の変形を防止する。傾斜面３４１は光拡散レンズ３００の下面の全領域に形成されるか一部の領域にのみ形成され得、多数個が繰り返されながら形成されてもよい。
図７および図９を参照すると、本実施例の光拡散レンズ３００は出射部３３０に第２光パターン３３１が形成される。光拡散レンズ３００の内部に入射した光はレンズの表面について全反射を繰り返しながらレンズの内部の全領域に分布とともに出射部３３０を通じて均一な光源で出射する。この時、第２光パターン３３１では全反射条件が破壊されて相対的に多量の光が出射する。
フランジ３５０が上昇移動した光拡散レンズ３００は出射部３３０の面積が減少して、特に側面方向の輝度が低下する。したがって、第２光パターン３３１はレンズの内部に分布する光が側面方向に出射するように誘導することによって、フランジ３５０の上昇移動による輝度の低下を補償する。
第２光パターン３３１はフランジ３５０に隣接したり離隔した出射部３３０の特定区間Ｌ２を含む領域に形成され得、出射部３３０の表面の円周に沿ってリング状に形成される。この時、第２光パターン３３１が形成される区間Ｌ２はフランジ３５０の上昇領域ｔに対応する区間であり得る。また、第２光パターン３３１は陽刻または陰刻構造で形成されるか陽刻および陰刻構造が繰り返される凹凸構造で形成され得、レンズ、ピラミッドまたはプリズム形状などの多様な形状で形成され得る。
図１０は、従来および本実施例に係る光拡散レンズの光特性を示した図面である。
図１０の光特性実験で、シート逃避溝が形成されていない光拡散レンズ（比較例）、シート逃避溝が形成された光拡散レンズ（実施例１）およびシート逃避溝と第１光パターンがいずれも形成された光拡散レンズ（実施例２）に対する光特性を確認し、レンズの中心部から側面部までの輝度特性をグラフで図示した。
図面を参照すると、実施例１のシート逃避溝が形成された光拡散レンズ（すなわち、フランジが上側に移動した光拡散レンズ）では、比較例に比べて中央部の輝度が相対的に高く現れることを確認することができる。しかし、実施例２のようにレンズの下面にシート逃避溝が形成されながら入射部の特定領域に第１光パターンが形成された光拡散レンズは、中央部では輝度が相対的に低く、側面部で比較例とほぼ同じでありながら実施例１より高い輝度を現わしていることを確認することができる。
したがって、本実施例の光拡散レンズは全体的な輝度を維持しつつ、光が中央部に集中しないようにし、側面部に分散させる効果を同時に現わしている。
図１１は光拡散レンズの第３実施例を示した断面図であり、図１２は図１１の光拡散レンズが適用されたバックライトユニットを示した断面図である。
図１１を参照すると、本実施例の光拡散レンズは押圧突起３８０が本体に直接形成される。すなわち、押圧突起３８０は出射部３３０の下端部で外側に突出し、円周に沿って所定の間隔を有して多数個形成される。この時、押圧突起３８０は反射部３４０から上側に移動した位置に形成されてその下部にシート逃避溝３６０を形成する。
したがって、図１２に図示された通り、反射シート４００のシートホールの端部４１１はシート逃避溝３６０に挿入されて押圧突起３８０に固定される。
入射部３２０には第１光パターン（図８の３２１参考）が形成され得、第１光パターン３２１は入射部３２０の円周に沿って所定の間隔を形成しながら押圧突起３８０領域に対応する位置に形成され得る。この時、第１光パターン３２１は押圧突起３８０に進行する光の方向を変更させて出射部３３０を通じて出射するようにする。
また、出射部３３０には第２光パターン（図９の３３１参考）が形成され得、第２光パターン３３１は押圧突起３８０の上側を含む周辺に沿って形成され得る。第２光パターン３３１は光の出射を誘導して押圧突起３８０によって現れ得る輝度の低下を防止する。
以上のように本発明の例示的な実施例が図示されて説明されたが、多様な変形と他の実施例が本分野の熟練した技術者によって行われ得る。このような変形と他の実施例は、添付された特許請求の範囲にすべて考慮され含まれて本発明の真の趣旨よび範囲を逸脱しないと言える。
１００：基板
２００：ＬＥＤ
３００：光拡散レンズ
３１０：本体
３２０：入射部
３３０：出射部
３４０：反射部
３５０：フランジ
３６０：シート逃避溝
３７０：固定突起
３８０：押圧突起
３２１：第１光パターン
３３１：第２光パターン
３４１：傾斜面
４００：反射シート
４１０：シートホール

Claims (6)

  1. 本体の下面の中央部が凹んで形成される入射部と、
    前記本体の上面が湾曲した形状に形成される出射部と、
    前記入射部の周囲に沿って前記本体の下面に形成される反射部と、
    前記出射部の下端部で前記本体の外周面に沿って外側に突出するフランジと、を備え、
    該フランジの下端には、該下端を前記本体の下面よりも上側に移動させることによって形成された空間であって反射シートが結合可能な一定の空間が存在し、
    前記入射部は、
    前記フランジの最小限の厚さを維持するために、前記フランジの下端の上側への移動とともに前記フランジの上端を上側に移動させることによって形成された前記フランジ内の領域に進行する光が入射する領域の円周に沿って形成された第１光パターンであって、前記出射部から出射するように光の進行方向を変更させる第１光パターンを含む、
    発光素子用光拡散レンズ。
  2. 前記フランジは、
    外側に突出する押圧突起を含む、請求項１に記載の発光素子用光拡散レンズ。
  3. 前記反射部は、
    外側へ向かうほど上向き傾斜をなす傾斜面を含む、請求項１に記載の発光素子用光拡散レンズ。
  4. 前記出射部は、
    前記フランジの上側に形成されて光の出射を誘導する第２光パターンを含む、請求項１に記載の発光素子用光拡散レンズ。
  5. 本体の下面の中央部が凹んで形成される入射部と、
    前記本体の上面が湾曲した形状に形成される出射部と、
    前記入射部の周囲に沿って前記本体の下面に形成される反射部と、
    前記出射部の下端部で外側に突出する押圧突起と、を備え、
    該押圧突起の下端には、該下端を前記本体の下面よりも上側に移動させることによって形成された空間であって反射シートが結合可能な一定の空間が存在し、
    前記入射部は、
    前記押圧突起の最小限の厚さを維持するために、前記押圧突起の下端の上側への移動とともに前記押圧突起の上端を上側に移動させることによって形成された前記押圧突起内の領域に進行する光が入射する領域の円周に沿って形成された第１光パターンであって、前記出射部から出射するように光の進行方向を変更させる第１光パターンを含む、
    発光素子用光拡散レンズ。
  6. 前記出射部は、
    前記押圧突起の上側に形成されて光の出射を誘導する第２光パターンを含む、請求項５に記載の発光素子用光拡散レンズ。
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