KR100451729B1 - apparatus for cooling of Polarizing Beam Splitter prism in rear type projection display - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빛 흡수 및 복사열에 의한 편광 빔 분리기(Polarizing Beam Splitter : PBS) 프리즘 내부 발열로 PBS 프리즘 내부의 접합부 및 기타 부분의 열 변형 및 전체 시스템의 광학특성 변형에 대한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 글라스 2개가 서로 접합되어 다면체 형상을 갖는 PBS 프리즘과, 상기 PBS 프리즘 하단부에 구성되어 PBS 프리즘을 고정시키는 고정부와, 상기 PBS 프리즘의 상단에 접촉되어 PBS 프리즘의 열을 냉각시키는 TEC(열전소자)를 포함하여 구성되는데 있다.The present invention is to solve the problems of the thermal deformation of the junction and other parts inside the PBS prism and the optical characteristics of the entire system due to the heat generation inside the polarizing beam splitter (PBS) prism by light absorption and radiation heat, PBS prism having a polyhedral shape in which two glasses are bonded to each other, a fixing part configured to fix the PBS prism at the lower end of the PBS prism, and a TEC (thermoelectric element) contacting the upper end of the PBS prism to cool the heat of the PBS prism It is configured to include.
Description
본 발명은 후면 투사방식(rear type projection) 디스플레이 장치의 냉각장치에 관한 것으로, 특히 TEC(열전소자), 히트 싱크(heat sink)를 이용하여 편광 빔 분리기(Polarizing Beam Splitter : PBS) 프리즘의 온도를 효율적으로 조절할 수 있는 새로운 형태의 냉각장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cooling apparatus for a rear type projection display device. In particular, the temperature of a polarizing beam splitter (PBS) prism is measured using a TEC (thermoelectric element) or a heat sink. It relates to a new type of cooling device that can be efficiently adjusted.
최근 디스플레이 장치는 소형, 경량화, 경박화 뿐만 아니라 대화면으로 되어가는 추세에 놓여져 있다.Recently, display apparatuses are in a trend of becoming smaller, lighter, thinner, and larger screens.
특히 대화면 디스플레이 장치는 디스플레이 분야에 있어서 중요한 관심사로 부각되고 있으며, 현재 대화면 디스플레이 장치로 개발된 것 중에는 후면투사방식의 디스플레이 장치가 있다.In particular, the large-screen display device has emerged as an important concern in the display field, and one of the current large screen display devices is a rear projection display device.
도 1 은 일반적인 후면투사방식의 디스플레이 구성도를 나타내고 있다.1 shows a display configuration of a general rear projection method.
도 1을 보면, 램프(11)로부터 발생된 빛이 렌즈(12), 거울(13) 그리고 반사형 LCD 패널(14)에 입사되고, 상기 반사형 LCD 패널(14)은 입사된 빛을 선택적으로 반사시켜 신호를 구현하는 매체로서, 기존 투과형 LCD 패널에 비해 해상도 구현능력 및 효율 등이 장점으로 부각되고 있다.1, light generated from the lamp 11 is incident on the lens 12, the mirror 13, and the reflective LCD panel 14, and the reflective LCD panel 14 selectively receives the incident light. As a medium for realizing signals by reflecting, resolution implementation ability and efficiency are emerging as advantages over conventional transmissive LCD panels.
도 2 는 종래의 후면투사방식의 디스플레이 장치에서 PBS 프리즘의 배치를 나타낸 도면으로, 도 1에서 투과형 LCD패널을 이용한 방식과의 다른 실시예이다.Figure 2 is a view showing the arrangement of the PBS prism in the conventional rear projection display device, a different embodiment from the method using a transmissive LCD panel in FIG.
도 3 은 도 2의 PBS 프리즘의 구조로서, 동질의 재질(BK7, PC)이 서로 접합되어 하나의 육면체를 형성하게 된다.FIG. 3 is a structure of the PBS prism of FIG. 2, in which homogeneous materials BK7 and PC are bonded to each other to form a cube.
이와 같이 구성되는 PBS 프리즘(21)은 내부의 온도 증가에 따라 열 그레디언트 인덱스 효과(thermal gradient index effect), 열 복굴절 효과(thermal birefringence effect), 색 좌표(color coordinate) 변화, 편광깨짐(depolarization) 효과를 유발시킨다.The PBS prism 21 configured as described above has a thermal gradient index effect, a thermal birefringence effect, a change in color coordinates, and a depolarization effect according to an internal temperature increase. Cause.
또한, 과도한 열로 인해 프리즘 코팅면 및 기구 접합부가 파손되는 경우가 발생한다.In addition, excessive heat can cause the prism coated surface and the instrument joint to break.
현재 PBS 프리즘의 온도상승 요인은 입사된 빛에 대한 흡수열, 주변 발열체 및 공기와의 복사열이 그 원인으로 작용하고 있다.The current temperature rise factor of PBS prism is caused by absorption heat of incident light, radiant heat with surrounding heating element and air.
도 4 는 종래의 PBS 프리즘 냉각장치를 나타낸 도면으로, 도 4를 보면 PBS 프리즘(21) 상부에 냉각 팬(fan)(31)을 이용하여 온도를 감소시켰다.4 is a view showing a conventional PBS prism cooling apparatus. Referring to FIG. 4, a temperature is reduced by using a cooling fan 31 on the PBS prism 21.
그리고 PBS 프리즘(21) 하부는 플라스틱 재질의 고정물(32)로 형성된다.The lower portion of the PBS prism 21 is formed of a plastic fixture 32.
이러한 냉각방법은 냉각 팬(31) 부착에 따른 소음 증가, 팬 고정물 추가 등문제점을 야기한다.This cooling method causes problems such as noise increase due to the attachment of the cooling fan 31, addition of a fan fixture, and the like.
또한, PBS 프리즘과 하부 고정물의 열팽창계수가 서로 상이하기 때문에 온도 상승에 따라 열응력이 발생하여 PBS 프리즘이 깨지는 문제점이 발생한다.In addition, since the thermal expansion coefficients of the PBS prism and the lower fixture are different from each other, thermal stress is generated as the temperature rises, thereby causing the PBS prism to be broken.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 빛 흡수 및 복사열에 의한 편광 빔 분리기(Polarizing Beam Splitter : PBS) 프리즘 내부 발열로 PBS 프리즘 내부의 접합부 및 기타 부분의 열 변형 및 전체 시스템의 광학특성 변형에 대한 문제를 해결하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the heat deformation and the entire system of the junction and other parts inside the PBS prism by the heat generation inside the polarizing beam splitter (PBS) prism by light absorption and radiant heat The purpose is to solve the problem of the optical properties of the modified.
본 발명의 다른 목적은 종래의 PBS 프리즘에 적용할 수 없었던 무동력 냉각방법인 TEC(열전소자)가 사용되는 열전 냉각(thermoelectric cooling)을 간단한 방법으로 구현하는데 있다.Another object of the present invention is to implement a thermoelectric cooling (thermoelectric cooling) using a non-powered cooling method TEC (thermoelectric element) that could not be applied to the conventional PBS prism in a simple method.
본 발명의 또 다른 목적은 기존 PBS 프리즘에 접합하는데 있어서 열적 손실을 최소화하는 간단한 형성 방법을 제시하는데 있다.It is yet another object of the present invention to provide a simple forming method that minimizes thermal losses in bonding to existing PBS prisms.
도 1 은 일반적인 후면투사방식의 디스플레이 구성도1 is a general configuration of the rear projection display
도 2 는 종래의 후면투사방식의 디스플레이 장치에서 PBS 프리즘(2-1)의 배치를 나타낸 도면2 is a view showing the arrangement of the PBS prism 2-1 in the conventional rear projection display device
도 3 은 도 2의 PBS 프리즘의 구조를 나타낸 도면3 is a view showing the structure of the PBS prism of FIG.
도 4 는 종래의 PBS 프리즘 냉각장치를 나타낸 도면4 is a view showing a conventional PBS prism cooling device
도 5 는 본 발명에 따른 후면투사방식의 프리즘 냉각용 TEC(열전소자)를 구조적으로 나타낸 도면5 is a structural view showing a rear projection prism cooling TEC (thermoelectric element) according to the present invention;
도 6 은 본 발명에 따라 실제로 PBS 프리즘에 TEC(열전소자)를 적용한 PBS 프리즘 냉각 구성도6 is a schematic diagram of a PBS prism cooling in which TEC (thermoelectric element) is actually applied to a PBS prism according to the present invention.
도 7 은 도 6에서 제시한 냉각 방법으로 나타낼 수 있는 문제점을 개선하기 위해 나타낸 구성도FIG. 7 is a configuration diagram illustrating a problem that may be represented by the cooling method of FIG. 6.
도 8 은 도 7에서 표현된 PBS 프리즘과 TEC(열전소자)이 접촉면 사이에 열 전도성 물질이 추가로 부착된 형태를 나타낸 도면FIG. 8 is a view illustrating a form in which a thermally conductive material is additionally attached between the PBS prism and the TEC (thermoelectric element) shown in FIG. 7.
도 9 는 TEC(열전소자)적용시 중요한 고려사항인 누설열량(leakage heat)에 대한 개선방안을 보여준 구성도9 is a block diagram showing an improvement scheme for leakage heat, which is an important consideration when applying a TEC (thermoelectric device).
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 램프 12 : 렌즈11 lamp 12 lens
13 : 미러 14 : 반사형 LCD 패널13: mirror 14: reflective LCD panel
21 : PBS 프리즘 31 : 냉각 팬21: PBS Prism 31: Cooling Fan
32 : PBS 프리즘 고정물 41 : 히트 소스32: PBS prism fixture 41: heat source
42 : 반도체 43, 52, 62 : 방열판42: semiconductor 43, 52, 62: heat sink
51, 61, 82 : TEC(열전소자) 71, 81 : 단열재51, 61, 82: TEC (thermoelectric element) 71, 81: heat insulating material
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 후면투사방식 표시장치의 PBS 프리즘 냉각장치의 특징은 글라스 2개가 서로 접합되어 다면체 형상을 갖는 PBS 프리즘과, 상기 PBS 프리즘 하단부에 구성되어 PBS 프리즘을 고정시키는 고정부와, 상기 PBS 프리즘의 상단에 접촉되어 PBS 프리즘의 열을 냉각시키는 TEC(열전소자)와 상기 TEC(열전소자) 상단에 방열판을 포함하여 구성되는데 있다.Features of the PBS prism cooling device of the rear projection display device according to the present invention for achieving the above object is a PBS prism having a polyhedral shape by the two glass is bonded to each other, and the PBS prism is fixed to the lower portion of the PBS prism And a heat sink on top of the TEC (thermoelectric element) and the TEC (thermoelectric element) to cool the heat of the PBS prism in contact with the upper end of the PBS prism.
이때, 상기 TEC(열전소자)와 PBS 프리즘사이에 IMS(Insulated MetalSubstrates), 열 그리스, 열 패드 중 어느 하나가 형성되는데 있다.At this time, any one of Insulated Metal Substrates (IMS), thermal grease, and a thermal pad is formed between the TEC and the PBS prism.
상기 PBS 프리즘 하단에 접촉되어 PBS 프리즘의 열을 냉각시키는 TEC(열전소자)와 상기 TEC(열전소자) 하단에 방열판을 더 포함하여 구성되는데 다른 특징이 있다.The TEC (thermoelectric element) contacting the bottom of the PBS prism to cool the heat of the PBS prism and the TEC (thermoelectric element) is configured to further comprise a heat sink further has another feature.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
본 발명에 따른 후면투사방식의 표시장치의 PBS 프리즘 냉각 장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.A preferred embodiment of a PBS prism cooling device of a rear projection display device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서 제안한 후면투사방식의 프리즘 냉각용 TEC(열전소자)를 구조적으로 보면, 도 5와 같은 구조를 가진다.The structure of the rear projection type prism cooling TEC (thermoelectric element) proposed by the present invention has a structure as shown in FIG. 5.
도 5를 보면, TEC(열전소자) 상부에 부착된 발열부(41)로부터 TEC(열전소자)를 구성하는 N형과 P형 반도체(42)의 펠티어(peltier) 효과로 인해 열이 고온부에서 저온부로 이동하게 되고 TEC(열전소자)에 부착된 히트 싱크(heat sink)(43)를 통해 외부로 방출한다.Referring to FIG. 5, due to the peltier effect of the N-type and P-type semiconductors 42 constituting the TEC (thermoelectric element) from the heat generating portion 41 attached to the upper portion of the TEC (thermoelectric element), the heat is lowered at the high temperature portion. And is discharged to the outside through a heat sink 43 attached to a TEC (thermoelectric element).
도 6 은 본 발명에 따라 실제로 PBS 프리즘에 TEC(열전소자)를 적용한 PBS 프리즘 냉각 구성도이다.6 is a schematic diagram of a PBS prism cooling in which TEC (thermoelectric element) is actually applied to a PBS prism according to the present invention.
도 6을 보면, PBS 프리즘(21) 상부에 냉각용 TEC(열전소자)(51)를 부착한다.6, the cooling TEC (thermoelectric element) 51 is attached to the upper part of the PBS prism 21. As shown in FIG.
이때 TEC(열전소자)의 방열 면적이 한정되어 있기 때문에 상부에 방열면적을 확장하기 위한 방열판(52)을 위치시킨다.At this time, since the heat dissipation area of the TEC (thermoelectric element) is limited, the heat dissipation plate 52 for extending the heat dissipation area is placed on the upper portion.
일반적으로 PBS 프리즘(21)의 온도상승 원인은 램프로부터 발생된 빛이 내부의 렌즈 및 미러를 거쳐 반사형 LCD 패널을 통해 PBS 프리즘(21)에 입사된 빛의 자체 흡수에 의한 열, 외부 발열체 및 주변 공기와의 복사열에 의해 PBS 프리즘(21) 내부온도가 상승하게 된다.In general, the causes of the temperature rise of the PBS prism 21 include heat generated by the self-absorption of light incident on the PBS prism 21 through the reflective LCD panel through the internal lens and the mirror, and an external heating element. The internal temperature of the PBS prism 21 is increased by the radiant heat with the surrounding air.
이때 PBS 프리즘(21) 내부에서 발생한 열은 상부에 부착된 냉각용 TEC(열전소자)(51)에 의해 열이 펌핑(pumping)되며 최종적으로 방열판(52)을 통해 외부로 방출된다.At this time, the heat generated inside the PBS prism 21 is pumped by the cooling TEC (thermoelectric element) 51 attached to the top and finally discharged to the outside through the heat sink 52.
여기서 문제가 되는 부분은 PBS 프리즘(21) 내부의 열이 상부의 TEC(열전소자)를 통해 방출되면서 PBS 프리즘(21) 상/하부에 온도차에 의한 온도구배(thermal gradient) 효과가 발생하며, 내부에 열응력(thermal stress) 및 열 GRIN(thermal gradient index) 효과를 유발시켜 광학 및 기구적 변형을 초래할 수 있다.The problem is that the heat inside the PBS prism 21 is released through the upper TEC (thermoelectric element) as the temperature gradient effect (thermal gradient) effect due to the temperature difference on the upper and lower PBS prism 21, Induces thermal stress and thermal gradient index (GRIN) effects, resulting in optical and mechanical deformation.
이를 해결하기 위해 도 7과 같이 구성한다.In order to solve this configuration is configured as shown in FIG.
도 7 은 도 6에서 제시한 냉각 방법으로 나타낼 수 있는 문제점을 개선하기 위해 나타낸 구성도이다.FIG. 7 is a configuration diagram illustrating a problem that may be represented by the cooling method shown in FIG. 6.
도 6에서 문제점으로 지적되었던 부분을 개선하기 위해서 상부에 부착한 TEC(열전소자)(51) 및 방열판(52)을 PBS 프리즘(21) 하부에 있는 고정물(32)과 결합하여 부착하였다.In order to improve the portion pointed out as a problem in FIG. 6, the TEC (thermoelectric element) 51 and the heat sink 52 attached to the upper part were attached to the fixture 32 under the PBS prism 21.
이렇게 함으로써 PBS 프리즘(21) 상/하부의 온도차를 감소시켜 내부의 온도구배(thermal gradient) 효과를 저감하여 열응력(thermal stress) 발생을 억제할 수 있다.By doing so, the temperature difference between the upper and lower portions of the PBS prism 21 can be reduced, thereby reducing the effect of internal thermal gradient, thereby suppressing thermal stress.
여기서 좀 더 열전달의 극대화를 위해 TEC(열전소자)(51)(61)와 PBS 프리즘(21)사이를 접합할 때 접촉면 사이에 접촉 열저항(contact thermal resistance)을 줄일 수 있도록 전도성 물질을 부착할 수 있다.Here, a conductive material may be attached to reduce contact thermal resistance between the contact surfaces when bonding between the TEC (thermoelectric element) 51, 61 and the PBS prism 21 to maximize heat transfer. Can be.
일반적으로 이러한 물질들의 열저항(thermal resistance)은 0.1~0.5 ℃/W 로써 아주 우수한 열전달 특성을 가지고 있다.In general, the thermal resistance of these materials is 0.1 ~ 0.5 ℃ / W has a very good heat transfer characteristics.
물론 전기적으로 절연성이 띄어난 것으로 알려져 있다.Of course, electrical insulation is known to be outstanding.
도 8 은 도 7에서 표현된 PBS 프리즘과 TEC(열전소자)이 접촉면 사이에 열 전도성 물질이 추가로 부착된 형태를 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a view illustrating a form in which a thermally conductive material is further attached between a contact surface of a PBS prism and a TEC (thermoelectric element) represented in FIG. 7.
열 전도성 물질(71)로는 IMS(Insulated Metal Substrates), 열 그리스(thermal grease), 열 패드(thermal pad) 등이 있으며 사용되는 접촉면에 부착할 때, 접촉면과의 접촉면적을 높이기 위해 일정한 토크(torque)이상의 힘으로 체결되어야 한다.Thermally conductive materials 71 include Insulated Metal Substrates (IMS), thermal grease, thermal pads, and the like, and when attached to the contact surface used, a constant torque to increase the contact area with the contact surface. It should be tightened with more than force.
일반적으로 고체와 고체면 사이의 접촉시 실제적으로 접촉면의 20% 미만이 완벽한 접촉이 되고, 그 외는 서로 떨어져 접촉 열저항이 발생하게 된다.In general, in contact between a solid and a solid surface, practically less than 20% of the contact surface is in perfect contact, and the others are separated from each other to generate contact thermal resistance.
이는 접촉면 사이의 공기층의 열전달 계수가 고체보다 낮기 때문이다.This is because the heat transfer coefficient of the air layer between the contact surfaces is lower than that of the solid.
TEC(열전소자)의 냉각성능을 좌우하는 지수로써 COP(성적계수)를 정의하면 다음과 같이 표현한다.The index that determines the cooling performance of TEC (thermoelectric element) is defined as COP (Grade Coefficient).
위 식에서 QP는 TEC(열전소자)가 제거할 수 있는 총 제거 열량, Qte는 TEC(열전소자)에 입력된 열량을 나타낸다.In the above equation, Q P is the total amount of heat removed by the TEC (thermoelectric element), and Q te is the amount of heat input to the TEC (thermoelectric element).
COP(성적계수)가 1보다 크면 방열 성능이 우수한 경우이고, 1보다 작으면 방열성능이 떨어진 경우이다.If the COP (Grade Coefficient) is greater than 1, the heat dissipation performance is excellent, and if it is less than 1, the heat dissipation performance is poor.
즉, COP(성적계수)의 증가를 위해서는 TEC(열전소자)에서 주위로 소모되는 누설열량(leakage heat)을 줄여야 한다. 이러한 누설열량은 TEC(열전소자)가 주변 공기와의 열전달에 의해 주로 나타나게 된다.In other words, in order to increase the COP, it is necessary to reduce leakage heat consumed by the TEC. This leakage heat is mainly caused by the heat transfer of the TEC (thermoelectric element) with the ambient air.
따라서 TEC(열전소자)를 이용한 냉각 설계시 충분한 검토가 필요한 부분이다.Therefore, sufficient consideration is needed when designing cooling using TEC (thermoelectric element).
도 9 는 TEC(열전소자)적용시 중요한 고려사항인 누설열량(leakage heat)에 대한 개선방안을 보여준 구성도이다.9 is a block diagram showing the improvement of the leakage heat (leakage heat) which is an important consideration when applying the TEC (thermoelectric element).
누설열량(leakage heat)은 TEC(열전소자)(82)가 고온부에서 저온부로 열량을 전달할 때, 주변 공기와의 열전달로 인해 손실되는 열량을 나타낸다.Leakage heat represents the amount of heat lost due to heat transfer with ambient air when the TEC (thermoelectric element) 82 transfers heat from the hot portion to the cold portion.
즉, 누설열량(leakage heat)이 커지면 TEC(열전소자)의 냉각성능이 저하되게 된다.In other words, as the leakage heat increases, the cooling performance of the TEC (thermoelectric element) decreases.
따라서 단열재(81)를 TEC(열전소자)(82) 주변에 부착하여 주변공기로의 열손실을 막아주는 구조로 구성된다.Therefore, the heat insulator 81 is attached to the periphery of the TEC (thermoelectric element) 82 to prevent heat loss to the surrounding air.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 후면투사방식의 표시장치의 편광 빔 분리기(Polarizing Beam Splitter : PBS) 프리즘 냉각 장치는 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the polarizing beam splitter (PBS) prism cooling device of the rear projection display device according to the present invention has the following effects.
첫째, 무동력, 저소음이며, 구조가 간단하여 취부가 쉽고, 구조물내의 공간확보가 용이한 장점을 가지고 있다.First, it has no power, low noise, simple structure, easy installation, and easy space securing within the structure.
둘째, 프리즘과의 접촉면사이에 IMS(Insulated Metal Substrates), 열 그리스(thermal grease), 열 패드(thermal pad)를 이용하여 접촉면에서의 접촉열저항(contact thermal resistance)을 저감하여 TEC(열전소자)의 냉각성능을 증가할 수 있다.Second, by using Insulated Metal Substrates (IMS), thermal grease, and thermal pads between the contact surfaces with the prism, the contact thermal resistance at the contact surfaces is reduced so that the TEC (thermoelectric element) Can increase the cooling performance.
셋째, TEC(열전소자) 상부에 외부 공기와의 열전달 면적의 증대를 위해 방열판(heat sink)을 부착하였고, TEC(열전소자)의 주변에는 단열재를 부착하여 TEC(열전소자의 COP(성적계수)를 증가시킬 수 있다.Third, a heat sink was attached on the top of the TEC (thermoelectric element) to increase the heat transfer area with the outside air, and a heat insulating material was attached to the periphery of the TEC (thermoelectric element) so that the COP (grade factor) of the thermoelectric element was added. Can be increased.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
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