KR101289069B1 - 2중 렌즈구조의 ｌｅｄ 패키지 및 이를 구비한액정표시장치 - Google Patents

2중 렌즈구조의 ｌｅｄ 패키지 및 이를 구비한액정표시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2중 렌즈구조를 갖는 저전력용 LED를 백라이트장치에 구성함으로써 저전력 대비 광 효율을 증가시켜 휘도를 개선하려는 액정표시장치에 관한 것으로서, 하부커버와; 상기 하부커버상에 구비되고, 외부로부터 전압이 인가되는 PCB와; 상기 PCB상에 실장된 본체와; 상기 본체에 설치되어 광을 방사(放射)하는 R, G, B의 LED 소자와; 상기 본체 위에 제1곡률을 형성하여 R, G, B의 LED 소자를 감싸는 제1렌즈와; 상기 제1렌즈의 외부를 감싸며, 내부곡면은 서로 다른 곡률반경을 갖는 원들의 호가 모여 이루어져 내부곡면의 제2곡률이 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 점차 증가하고, 외부곡면은 제3곡률을 이루는 제2렌즈와; 상기 제2렌즈와 일정간격 이격되어 광이 제공되는 액정패널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
2중 렌즈, LED 패키지, 곡률

Description

2중 렌즈구조의 ＬＥＤ 패키지 및 이를 구비한 액정표시장치{LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE HAVING STRUCTURE OF DUAL LENS AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE THEREBY}
도 1은 종래기술에 따른 LED 직하형 액정표시장치의 단면도
도 2는 도 1의 하부커버상에 배열되어 고정되는 복수 개의 PCB를 보여주는 평면도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 LED 직하형 액정표시장치의 단면도
도 4는 도 3에 나타낸 LED 패키지의 확대 사시도
도 5는 도 4의 LED 패키지 내에서의 빛의 방사상태를 보여주는 도면
도 6은 도 5에 나타낸 제1렌즈의 외부곡면 및 제2렌즈의 내부곡면에서의 빛의 굴절상태를 보여주는 도면
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 LED 패키지가 형성된 PCB의 제조과정을 나타내는 도면
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따라 LED 패키지가 형성된 PCB의 제조과정을 나타내는 도면
도 9은 본 발명의 제2실시예에 따른 LED 패키지의 단면도
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
200: 본체 210: LED 칩
221: 외부 도전단자 222: 내부 도전단자
231: 제1렌즈 233: 제2렌즈
본 발명은 2중 렌즈구조의 LED 패키지 및 이를 구비한 액정표시장치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 2중 렌즈구조를 갖는 저전력용 LED를 백라이트장치에 구성함으로써 저전력 대비 광 효율을 증가시켜 휘도를 개선하려는 액정표시장치에 관련된다.
일반적으로 대형 모델의 액정디스플레이에 사용되는 직하형 백라이트(direct type back-light)는 냉음극관(cold cathode fluorescent lamp)에서 방사(放射)된 빛을 반사판을 통해 반사시켜 전면의 액정패널에 제공하고 있다. 이때 그 빛의 반사 경로에는 부가적으로 유백색의 산란판을 배치하여, 국부적으로는 균일한 조도를 갖는 빛이 액정디스플레이로 비추어지도록 사용되어 왔다. 그러나 이와 같은 방식은 백라이트장치가 두꺼워지는 등의 문제에 기인해 액정디스플레이를 복잡한 대형 모델로 가져가게 되는 문제점을 내포한다.
이에 최근 들어서는 면 광원 장치로서 전류가 통과할 때만 발광하게 되는 2극 소자로서, 빠른 응답속도와 저(低)전력소모 및 반영구적 수명 등의 특성을 지닌 LED(Light Emitting Diode)를 사용해 백라이트를 박형화하고 동시에 휘도를 향상시 키고 있다. 무엇보다 기존의 냉음극관 대비하여 자연 그대로의 색과 고화질의 영상을 재현할 수 있고, 또한 동영상 잔상 문제 해결 및 수은을 사용하지 않는 친환경적 제품이라는 인식으로 인해 냉음극관 백라이트장치를 대체할 수 있는 차세대 LCD의 핵심부품으로도 손색이 없게 되었다.
이하에서는 도면을 참조하여 종래의 직하형 액정표시장치에 대하여 간략하게 살펴보고자 한다.
도 1은 직하형 LED 백라이트장치를 구비한 액정표시장치의 단면도이고, 도 2는 도 1의 하부커버상에 배열되어 고정되는 복수 개의 PCB를 보여주는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 액정표시장치는 사각 틀 형상을 갖는 합성수지 또는 스테인레스 스틸(Stainless Steel; SUS STEEL)의 몰드물로 이루어진 메인 서포트(50)를 기준으로 하여 하측에는 하부커버(30)상의 백라이트장치(미표기)가 구비되고, 상측에는 액정패널(10)이 차례로 적재되어 체결된다. 그리고 상부커버(60)가 액정패널(10)의 전면 가장자리를 덮는 동시에 메인 서포트(50) 및 하부커버(30)에 조립·체결된다.
여기서, 액정패널(10)은 박막트랜지스터 배열기판과 컬러필터기판이 합착된 것으로서, 그 사이에 주입된 액정을 포함하여 구성된다.
도 2를 참조하면, 액정패널(10)에 광을 제공하기 위한 백라이트장치는 하부커버(30)상에 구비되어 빛을 발광하는 적(Red; R), 녹(Green; G), 청(Blue; B)의 LED 칩(chip)을 패키지로 하여 하나의 클러스터(cluster)로 형성하고 그 LED 패키지가 적어도 하나의 라인을 이루어 구성되는 LED 어레이(36)와, 상기 LED 어레 이(36)가 상측에 형성된 복수 개의 PCB(Printed Circuit Board)(34)와, 상기 PCB(34)가 구동되는 영역의 하부 전면에 형성되어 빛을 반사시키는 반사판(32)과, LED 어레이(36)의 상측에 구비되어 LED 어레이(36)로부터 방사된 빛을 확산시키는 확산판(42)과, 확산판(42)에 의해 확산된 빛을 굴절시켜 빛의 정면 휘도를 높일 목적으로 사용하는 프리즘 시트(44)와, 프리즘시트(44)를 보호하는 보호시트(46)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 하나의 클러스터를 이루는 R, G, B의 LED 칩으로부터 방사된 빛은 서로 색 혼합이 이루어져 백색광을 생성하고, 그 백색광은 다시 클러스터의 외부로 출사되는데, 이때 그 출사된 빛은 LED 제조 등에 관련되는 방사 특성상 클러스터의 중심 부위에 집중되는 경향을 보이게 된다.
그 결과, 백라이트 전체적으로는 휘도의 불균일성이 초래되고 있다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 LED 패키지를 2중 렌즈구조로 형성하여 LED 소자로부터의 광 방사 폭을 넓혀 광을 효율적으로 확산시키고, 이와 같이 형성된 LED 패키지를 백라이트장치로 구성한 액정표시장치를 제공하려는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정표시장치는 하부커버와; 상기 하부커버상에 구비되고, 외부로부터 전압이 인가되는 PCB(Printed Circuit Board)와; 상기 PCB상에 실장된 본체와; 상기 본체에 설치되어 광을 방사(放射)하 는 R, G, B의 LED 소자와; 상기 본체 위에 제1곡률을 형성하여 R, G, B의 LED 소자를 감싸는 제1렌즈와; 상기 제1렌즈의 외부를 감싸며, 내부곡면은 서로 다른 곡률반경을 갖는 원들의 호가 모여 이루어져 내부곡면의 제2곡률이 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 점차 증가하고, 외부곡면은 제3곡률을 이루는 제2렌즈와; 상기 제2렌즈와 일정간격 이격되어 광이 제공되는 액정패널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LED 패키지는 가운데 영역에 오목한 홈이 형성된 본체와; 상기 본체에 설치되어 광을 방사(放射)하는 R, G, B의 LED 소자와; 상기 본체 위에 제1곡률을 형성하여 R, G, B의 LED 소자를 감싸는 제1렌즈와; 상기 제1렌즈의 외부를 감싸며, 내부곡면은 서로 다른 곡률반경을 갖는 원들의 호가 모여 이루어져 내부곡면의 제2곡률이 측면부위에서 중앙부위로 가면서 점차 증가하고, 외부곡면은 상기 내부곡면의 제2곡률과 다른 제3곡률을 이루는 제2렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 2중 렌즈구조의 LED 패키지 및 이를 구비한 액정표시장치와 관련해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 액정표시장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 하부커버(130)상에는 액정패널(110)로 광을 제공하기 위한 LED 백라이트장치가 체결되어 있으며, 상기 하부커버(130)상에는 제1반사판(131)이 형성되어 있다.
보통 반사판은 백색 폴리에스테르 필름이나 금속(Ag, Al) 등이 코팅된 필름 을 사용하게 되며, 이때 반사판에서의 가시광의 광 반사율은 90~97%정도인데 코팅된 필름이 두꺼울수록 반사율이 높게 된다.
제1반사판(131)이 부착된 하부커버(130)상에는 폴리에틸렌(polyethylene) 과 같은 폴리(poly) 계열의 PCB(Printed Circuit Board)나 알루미늄 등과 같은 기판으로 이루어진 복수 개의 메탈기판(132)이 일정하게 배열되어 있다.
물론 상기 메탈기판(132)상에는 제2반사판(138)이 형성된다.
또한, 메탈기판(132)상에는 외부로부터 전압을 인가받아 적(R), 녹(G), 청(B)의 광을 제공하는 복수 개의 LED 칩(210)이 형성된다. 이때 R, G, B의 LED는 하나의 클러스터를 형성한다. 이러한 클러스터는 R, G, B의 LED가 하나의 그룹(group)을 이루게 되므로 상기 R, G, B의 LED로부터 발광되는 빛이 혼합되어 백색광이 출사된다. 다시 말해, 상기 R, G, B 클러스터는 클러스터 내부에서의 색 혼합에 의하여 그 자체가 백색광을 출사하는 하나의 발광체로서의 역할을 하는 것이다.
상기 R, G, B 클러스터는 2중 렌즈(231, 233)의 내부에 배치되어 LED 패키지(134)를 구성한다. 이와 같은 상기 2중 렌즈(231, 233)를 통해 백색광을 발광하고, 폭넓은 방사 폭을 갖도록 확산되어 2중 렌즈(231, 233)의 외부로 출사된다.
이때, 본 발명에서는 상기와 같이 R, G, B를 하나의 클러스터로 하는 LED패키지(134)가 메탈기판(132)상에 복수 개 형성된다. 물론 상기 R, G, B를 클러스터로 하는 LED 패키지(134)는 실장되는 액정패널의 크기에 따라 그 개수를 달리할 것이다.
상기 LED 패키지(134)가 실장된 복수 개의 메탈기판(132) 상부에는 상기 메탈기판(132)과 일정 간격 이격되어 LED 패키지(134)의 R, G, B 클러스터로부터 방사된 빛을 확산시켜 균일한 광으로 만드는 확산판(141) 및 확산시트(142)가 적재된다. 또한 상기 확산판(141) 및 확산시트(142)를 투과한 빛의 휘도를 향상시키는 프리즘시트(144)와, 상기 프리즘시트(144)를 보호하는 보호시트(146)가 적재된다. 여기에서 상기 확산판(141), 확산시트(142), 프리즘시트(144) 및 보호시트(146)와 같은 광학시트는 원하는 광학 특성을 얻기 위해 얼마든지 자유롭게 추가되거나 삭제될 수 있다.
상기와 같은 구조의 백라이트장치는 그 상부의 메인 서포트(150)에 의해 체결되고, 이때 메인 서포트(150)는 액정표시장치의 전체적인 힘의 균형을 유지하게 된다. 상기 메인 서포트(150)는 사각 틀 형상을 갖는 합성수지 또는 서스 스틸(SUS STEEL)의 몰드물로서, 상측 면에는 액정패널(110)을 적재하기 위하여 주변과 서로 단차(段差)를 이룬 패턴이 형성된다.
상기 메인 서포트(150)상에는 하부의 백라이트로부터 빛을 제공받아 외부로부터의 데이터 정보를 구현하기 위한 액정패널(110)이 적재된다. 상기 액정패널(110)은 각 단위 화소마다 스위칭소자인 박막트랜지스터가 배열되어 있는 박막트랜지스터 배열기판과 컬러를 표현하는 컬러필터가 형성된 컬러필터기판, 그리고 두 기판 사이에 형성되는 액정을 포함하여 구성된다.
상부커버는 상기 액정패널(110의 4면 가장자리를 덮게 되고, 메인 서포트(150) 및 하부커버(130)에 조립·체결된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 2중 렌즈로 이루어진 복수의 LED 클러스터가 구성된 LED 패키지(134)에 의해 액정패널(110)에 빛을 공급함으로써 액정패널(110)에 화상을 표시하게 되는데, 상기와 같은 R, G, B 클러스터를 도 4 및 도 5를 참조하여 다음과 같이 상세히 설명한다.
도 4는 도 3의 LED 패키지(134)를 나타내는 확대 사시도이고, 도 5는 도 4의 LED 패키지 내에서의 빛의 방사상태를 보여주는 도면이며, 도 6은 도 5에 나타낸 제1렌즈의 외부곡면 및 제2렌즈의 내부곡면에서의 빛의 굴절상태를 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 패키지(134)는 가운데 영역에 오목한 홈이 형성된 본체(200)와, 상기 본체(200)의 홈에 실장되어 각각 R, G, B의 빛을 발광하는 LED 칩(210)과, 상기 R, G, B의 LED 칩(210)에 접속되어 상기 LED 칩(210)에 전압을 인가하는 도전단자(221, 222)와, 제1곡률을 형성하여 상기 LED 칩(210)을 둘러싸는 제1렌즈(231)와, 상기 제1렌즈(231)의 외부에서 상기 제1렌즈(231)을 둘러싸도록 형성되고 중앙부위에서 측면으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 제2렌즈(233)로 구성된다.
상기 본체(200)는 가운데 영역에 복수 개의 LED 칩(210)을 실장하기 위하여 홈을 형성한 몰드물로서 불투명 또는 반사율이 큰 수지로 성형된다.
상기 본체에는 내부의 LED 칩(210)을 외부와 전기적으로 접속시키는 외부도전단자(221)가 형성된다. 이때 외부도전단자(221)는 본체(200)에 R, G, B의 LED 칩(210)이 실장되는 경우 LED 각각의 양극 및 음극에 접속되는 총 3쌍의 외부도전 단자(221)로 이루어진다. 물론, 상기 외부도전단자(221)는 도 4에 도시된 바와 같이 본체(200)의 내부를 통해 본체(200)의 홈과 외부를 연결할 수 있지만, 본체(200)의 상면에 형성되어 연결할 수도 있을 것이다.
본체(200)의 홈에는 R, G, B의 LED 칩(210)이 각각 하나씩 실장되어 빛이 서로 혼합된 백색광을 생성한다. 이때 상기 R, G, B의 LED 칩(210)은 도면에 도시된 바와 같이 삼각형상으로 배치될 수 있고, 일렬로 배치될 수도 있을 것이다.
상기 본체(200)의 홈 내부에는 각각의 LED 칩(210)과 외부도전단자(221)를 서로 전기적으로 접속시키는 도전와이어(wire), 즉 내부도전단자(222)가 형성되어, 외부의 전압이 상기 외부도전단자(221) 및 내부도전단자(222)를 통해 LED 칩(210)으로 인가된다.
또한, 상기 본체(200)의 홈에 형성된 LED 칩(210)상에는 제1곡률을 갖는 제1렌즈(231)가 구성된다. 이때 상기 제1렌즈(231) 내에는 실리콘(silicone)을 재질로 하는 젤 형태의 탄성수지가 형성되고, LED 칩(210)을 밀폐하여 LED 칩(210)과 제1렌즈(231) 사이에 빈공간, 즉 중공구간(中空區間)이 존재하지 않게 된다.
여기에서, 탄성수지는 젤 형태로 주입된 후 경화시켜 형성된다. 이와 같이 경화된 탄성수지는 좋은 탄성을 갖게 되므로 열에 의한 스트레스, 진동 및 외부충격 등으로부터 LED 칩(210)을 보다 안정적으로 보호할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 상기 경화된 탄성수지는 단파장 빛에 의한 황변(黃變; yellowing)과 같은 변화가 매우 적고, 굴절률 또한 높기 때문에 우수한 광학적 특성을 띠게 된다.
이와 더불어 제1렌즈(231)는 R, G, B의 LED 칩(210)으로부터 측면으로 방사 되어 제1렌즈(231)의 내부에서 전반사(全般事)되는 빛을 감소시키는 구형 등의 설계가 이루어진다. 물론 이러한 설계는 두 가지 목적에서 이루어진다. 그 하나는 제1렌즈(231)의 내부에서 전반사되는 빛을 조절함으로써 R, G, B의 LED 칩(210)으로부터 제공되는 빛의 혼합을 조절하여 백색광을 형성하기 위함이다. 또 하나는 R, G, B를 이루는 LED 칩(210)의 소비전력이 모델마다 서로 다르거나 혹은 제조사마다 그 LED 칩(210)의 특성이 조금씩 상이하기 때문에 이를 고려한 설계가 더욱 요구된다.
이와 같은 제1렌즈(231)는 위의 실리콘 재질 이외에도 그 실리콘 재질에 약간의 확산재(擴散材)를 별도로 추가함으로써 확산재에 의한 광 경로 변환 등을 통해 광 혼합을 증가시킬 수 있다. 더 나아가서 실리콘과 확산재를 포함하는 제1렌즈(231)의 표면에 확산(haze) 처리를 함으로써 광 혼합을 얼마든지 증가시킬 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1렌즈(231)의 측면과 상측에는 타원형의 내부곡면과 반구형의 외부곡면으로 이루어진 제2렌즈(233)가 형성된다. 이를 통해 제2렌즈(233)는 중심부의 두께가 얇고 측면으로 갈수록 두께가 증가하는 형상을 띠게 된다.
이와 같은 제2렌즈(233)를 형성하여 배치함에 따라 제2렌즈(233)는 제1렌즈(231)와의 사이에 빈공간, 즉 중공구간을 갖도록 일정 간격을 두어 배치되고, 이때 상기 제1렌즈(231)와 제2렌즈(233)의 간격은 다르게 된다. 다시 말해, 제2렌즈(233)는 제1렌즈(231)와의 중심부위에서 간격이 멀고, 측면으로 갈수록 그 간격 은 점점 가까워지게 된다.
상기 제2렌즈(233)는 폴리카보네이트나 폴리에틸렌, 그리고 EMC(Epoxy Molding Compound), 실리콘 및 에폭시 수지 등을 단독 혹은 합성하여 사출 성형에 의해 형성된다.
물론 본 발명에서의 제2렌즈(233)는 더 정확히 말해 내부곡면의 중앙부위에서 측면으로 갈수록 제2곡률이 점차 감소하고, 외부곡면의 제3곡률은 제1렌즈(231)의 제1곡률보다 작은 것이 바람직하다.
여기에서, 제2렌즈(233)의 내부곡면은 중앙부위의 임의의 점에서 곡면을 따라 일정한 속도로 움직일 때 그 진행 방향은 이동한 거리 즉 곡면의 호의 길이에 따라 변화하게 되는데, 이때 그려지는 원의 곡률반경이 제2렌즈(233)의 측면부위의 임의의 점에서 곡면을 따라 일정한 속도로 이동하여 그려지는 원의 곡률반경에 비하여 훨씬 작다. 이것은 바꾸어 말하면 제2렌즈(233)의 내부곡면은 측면부위에서보다 중앙부위에서 제2곡률이 크다는 것을 나타낸다.
따라서, 본 발명에서 제2렌즈(233)의 내부곡면의 중앙부위에서 측면으로 갈수록 제2곡률이 점차 감소한다는 것은 제2렌즈(233)의 내부곡면이 이루는 타원이 위와 같은 곡률반경들을 갖는 원들의 호가 모여서 이루어진 것이기 때문에 그 중심부에 볼록한 부분에서의 곡률 반경이 가장 작고 측면부에서의 곡률 반경이 가장 크며 그 가운데 영역에서는 중앙부위에서 측면부로 갈수록 곡률 반경이 서서히 증가하게 되는 것을 의미한다.
또한 이와 같은 원리에서 볼 때, 제2렌즈(233)의 외부곡면은 제1렌즈(231)의 외부곡면보다 더 큰 곡률반경의 원을 가지므로, 반대로 제2렌즈(233)의 외부곡면이 이루는 제3곡률은 제1렌즈(231)의 제1곡률보다 더 작게 된다.
도 5를 참조하여 상기 제1렌즈(231) 및 제2렌즈(233)의 구조를 좀더 구체적으로 살펴본다.
가령 위의 제1렌즈(231) 및 제2렌즈(233)의 중심점과 본체(210)상의 LED 칩(210)이 수직을 이룬다고 가정하면, 본체(210)의 표면에서 제1렌즈(231) 및 제2렌즈(233)의 중심점 방향으로 대략 30도의 소정각도를 이루는 영역을 A영역, 30도∼60도를 이루는 영역을 B영역, 60도∼90도를 이루는 영역을 C영역으로 각각 구분하여 보자.
이때 A영역에서의 제1렌즈(231)와 제2렌즈(233)의 간격은 A영역에 해당하는 전체영역에서 균일하지만, B영역 및 C영역에서의 간격에 대비하여 가장 작다. 반면에 제2렌즈(233)의 두께는 A영역에서 가장 크다.
또한, B영역에서의 제1렌즈(231)와 제2렌즈(233) 사이의 간격은 B영역에 해당하는 전체영역에서 균일하지만, A영역의 간격보다는 크고 C영역에서의 간격보다는 작다. 반면 B영역에서의 제2렌즈(233)의 두께는 A영역의 제2렌즈(233) 두께보다 작고 C영역의 제2렌즈(233)의 두께보다 크다.
그리고 C영역에서의 제1렌즈(231)와 제2렌즈(233) 사이의 간격은 C영역에 해당하는 전체영역에서 균일하지만, A영역 및 B영역에서의 간격에 대비하여 가장 크다. 반면 제2렌즈(233)의 두께는 C영역에서 가장 작다.
이는 설명의 편의상 3개의 영역으로 나누어 기술하였지만 엄격히 말하면 상 기 제1렌즈(231)와 제2렌즈(233) 사이의 간격이 대략 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 선형적으로 증가하거나 비선형적으로 증가하는 것이며, 반면 제2렌즈(233)의 두께는 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 선형 혹은 비선형적으로 감소하는 것이다.
이때, 위의 제1렌즈(231)와 제2렌즈(233) 사이의 중공구간을 제2렌즈(233)의 두께와 합산한 거리는 전체 A, B, C 영역에서 동일하게 된다. 이는 다시 말해, 제1렌즈(231)의 외부곡면에서 제2렌즈(233)의 외부곡면에 이르는 거리가 전체영역에서 동일하다는 것을 의미한다.
이제, 도 5 및 도 6을 참조하여 상기 제1렌즈(231)와 제2렌즈(233)의 각 영역에서의 빛의 굴절률 차이를 기초로 하여, 본 발명에 따른 백라이트장치의 작동을 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이 R, G, B의 LED 칩(210)으로부터 방사된 빛은 제1렌즈(231)의 내부에서 실리콘과 혼합된 확산재에 의해 광 경로 변경이 이루어짐으로써 광 혼합이 이루어진다.
이와 같이 혼합된 빛은 제1렌즈(231) 및 제2렌즈(233)를 투과하면서 전 영역에서 공통적으로 3번에 걸친 굴절이 이루어진다. 첫 번째 굴절은 LED 칩(210)으로부터 발광하여 제1렌즈(231)를 지나 중공구간으로 입사될 때 발생하고, 두 번째 굴절은 그 중공구간을 지나 제2렌즈(233)의 내부 곡면으로 입사될 때 발생하며, 세 번째 굴절은 제2렌즈(233)를 지나 제2렌즈(233)의 외부 곡면에서 공기 중으로 출사할 때 발생하게 된다.
통상적으로 광의 경로는 굴절률에 의해 결정되는데, 본 발명은 제1렌즈(231) 의 굴절률(n1), 중공구간의 공기 굴절률(n2), 제2렌즈(233)의 굴절률(n3) 및 제2렌즈(233)의 외부 공기 굴절률(n4) 등이 위의 A, B, C 영역에서 모두 동일하므로 상기 A, B, C 영역에서의 광의 경로는 제2렌즈(233)의 곡면상태, 즉 곡률에 의해 결정된다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, A영역에서 LED 칩(210)으로부터 출사된 제1출사광(L1)은 제1렌즈(231)의 외부곡면에서 중공구간으로 입사되면서 제1렌즈(231)의 굴절률(n1)과 중공의 공기 굴절률(n2)의 차에 의해 소정 각도로 굴절되고, 이와 같이 굴절된 제1출사광(L1)은 짧은 중공구간을 지나 제2렌즈(233)의 내부곡면에 입사된다.
이때, 그 입사된 제1출사광(L1)은 제2렌즈(233)의 내부곡면의 곡률이 작기 때문에 광 경로의 변경 없이 제2렌즈(233)에 입사되고, 이로 인해 제2렌즈(233)의 외부로 방사되는 제1출사광(L1)은 광 경로의 변경이 거의 이루어지지 않게 된다.
아래의 [수학식 1]을 참조하여 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
n2×sin(θ1) = n3×sin(θ2)
여기에서, n2는 중공구간의 공기 굴절률, θ1은 제2렌즈의 내부곡면의 입사각, n3는 제2렌즈의 굴절률, θ2는 출사각을 나타낸다.
이때, 중공구간의 공기 굴절률(n2)이 제2렌즈의 매질의 굴절률(n3)보다 작기 때문에 입사각(θ1)에 비하여 출사각(θ2)이 항상 작다.
도 6에 도시된 바와 같이 A영역에서 제1출사광(L1)이 입사되는 제2렌즈(233) 의 내부곡면의 임의의 지점에서 그 내부곡면에 접선 및 그 접선에 수직한 법선을 그려보았을 때 제1출사광(L1)과 법선이 이루는 입사각(θ1)이 상당히 작게 되고, 그 결과 출사각(θ2)은 더욱 작다.
또한, 제2렌즈(233)의 내부곡면에 입사되어 굴절된 그 제1출사광(L1)은 제2렌즈(233)의 외부곡면에 입사되어 그 외부곡면과 공기와의 굴절률 차에 의해 방사 폭이(종래 대비) 조금 더 넓게 측면으로 방출된다.
이와 관련해 아래의 [수학식 2]를 참조하면 다음과 같다.
n3×sin(θ2) = n4×sin(θ3)
여기에서, n3는 제2렌즈의 굴절률, θ2는 제2렌즈에서의 외부곡면의 입사각, n4는 제2렌즈의 외부공기 굴절률, θ3은 출사각을 나타낸다.
이때, 제2렌즈의 굴절률(n3)이 외부공기의 매질의 굴절률보다 크기 때문에 입사각(θ2)에 비하여 출사각(θ3)이 항상 커야만 된다.
그러나 도 6에 자세히 나타내지는 않았지만 실질적으로 A영역에서 제1출사광(L1)이 입사되는 제2렌즈(233)의 외부곡면의 임의의 지점에서 그 내부곡면에 접선 및 그 접선에 수직한 법선을 그려보았을 때 제1출사광(L1)과 법선이 이루는 입사각(θ2)이 그다지 크지 않으므로, 출사각(θ3) 또한 그 상승 폭이 그리 크지 않게 된다.
결국 A영역에서의 제2렌즈(233)의 외부곡면에 입사되는 제1출사광(L1)의 입사각(θ2)은 제2렌즈(233)의 내부곡면에 입사되는 제1출사광(L1)의 입사각(θ1)에 의해 결정되고, 그 제2렌즈(233)의 내부곡면에 입사되는 제1출사광(L1)의 입사각(θ1)이 작으면 작을수록 제2렌즈(233)의 외부곡면에 입사되는 제1출사광(L1)의 입사각(θ2) 또한 작게 된다.
이와 같은 이유로 인해 실제 A영역에서 발생하는 굴절의 대부분은 제2렌즈(233)의 외부곡면과 외부 공기와의 굴절률 차에 의해 이루어진다.
B영역에서 볼 때, LED 칩(210)으로부터 출사된 제2출사광(L2)이 제1렌즈(231)의 외부곡면에 입사되는 임의의 지점과 제1렌즈(231)의 외부곡면이 그 임의의 지점과 이루는 접선에 수직하게 입사된다는 점을 감안하면, B영역에서의 제2출사광(L2)은 제1렌즈(231)의 외부곡면에서 중공구간으로 입사되면서 A영역에서의 동등 수준으로 굴절이 발생한다.
이와 같이 굴절된 제2출사광(L2)은 A영역에 대비하여 비교적 긴 중공구간과 제2렌즈(233)의 곡률에 의해 다시 중공구간에서 제2렌즈(233)의 내부곡면에 입사되면서 A영역의 제1출사광(L1)에 비하여 좀더 큰 광 경로의 변경이 이루어진다. 이와 관련된 구체적 설명은 앞서서의 <수학식 1>로 대신하고자 한다.
이는 다시 제2렌즈(233)의 외부곡면과 공기와의 굴절률 차에 의하여 빛이 측면으로 방출된다. 이 또한 앞서서의 내용들로 대신한다.
따라서, B영역에서의 제2출사광(L2)이 중공구간으로부터 제2렌즈(233)의 내부곡면에 입사되면서 A영역에서의 제1출사광(L1)에 대비하여 좀더 큰 광 경로의 변경이 이루어지는 것은 B영역에서 제2렌즈(233)의 내부곡면의 곡률반경이 A영역에서 제2렌즈(233)의 내부곡면의 곡률반경보다 작기 때문이다. 이는 다시 말해, B영역에 서 제2렌즈(233)의 내부곡면의 제2곡률이 A영역에서 제2렌즈(233)의 내부곡면의 제2곡률보다 크다는 것이다.
C영역에서 볼 때, LED 칩(210)으로부터 출사된 제3출사광(L3)이 제1렌즈(231)의 외부곡면에 입사되는 임의의 지점과 제1렌즈(231)의 외부곡면이 그 임의의 지점과 이루는 접선에 수직하게 입사된다는 것을 감안하면, C영역에서의 제3출사광(L3)은 제1렌즈(231)의 외부곡면에서 중공구간으로 입사되면서 A영역 및 B영역에서의 동등 수준으로 굴절이 발생한다.
이와 같이 굴절된 제3출사광(L3)은 중공구간에서 제2렌즈(233)의 내부곡면에 입사되면서 A영역의 제1출사광(L1)과 B영역의 제2출사광(L2)에 비하여 좀더 큰 광 경로의 변경이 이루어진다. 이는 C영역에서의 제3출사광(L3)이 A영역 및 B영역에 대비하여 비교적 긴 중공구간과 제2렌즈(233)의 제2곡률에 의존하기 때문이다. 이와 관련된 구체적 설명은 앞서서의 <수학식 1>로 대신하고자 한다.
이는 다시 제2렌즈(233)의 외부곡면과 공기와의 굴절률 차에 의하여 빛이 측면으로 방출된다. 이와 관련해서도 앞서의 내용들로 대신한다.
결국 C영역에서의 제3출사광(L3)은 제2렌즈(233)의 내부곡면의 곡률반경이 A영역 및 B영역에 대비하여 작게 되므로, 즉 제2곡률이 크게 되므로 그 부위에서 많은 광 경로의 변경이 발생하게 되고, 이로 인해 제2렌즈(233)의 중심부위에서 광의 밀도(intensity)가 줄어들게 된다.
이를 통해 최초 R, G, B의 LED 칩(210)으로부터 B영역 및 C영역에 집중되어 방사되던 빛은 제1렌즈(231) 및 제2렌즈(233)를 거치면서 A영역으로까지 확산이 이 루어지게 되고, 최종적으로 제2렌즈(233)를 투과하여 나온 빛은 본체(200)의 표면과 이루는 대략 30도에서 90도에 걸쳐 있는 방사 특성을 띠게 된다.
상기와 같은 구조를 갖는 LED 패키지의 제조방법은 도 7a 내지 도 7b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 7a에서와 같이 사각형상을 이루는 본체(210)의 홈에 실장된 R, G, B의 LED 칩(210)을 실장한 후, 상기 홈에 젤 형태의 탄성 수지를 주입하고 그 탄성 수지를 경화시켜 제1렌즈(231)를 형성한다.
또, 별도의 사출 성형에 의하여 제조된 제2렌즈(233)를 본체(200)상에 고정시킨다. 이때, 본체(200)와 제2렌즈(233)는 홀(hole) 및 후크(hook)와 같은 체결구조에 의해 고정될 수 있고, 혹은 접착수단에 의해 고정될 수도 있다.
이와 같이 형성된 LED 패키지는 도 7b에 도시된 바와 같이 알루미늄 재질의 메탈 기판(250)이나 폴리 계열의 PCB상에 다시 고정되어 외부로부터 전압을 인가받아 빛이 방사된다.
또한, 본 발명에 따른 LED 패키지는 도 8a 내지 도 8c에 도시된 과정에 의해 제조될 수 있을 것이다.
먼저, 도 8a와 같이 사각형상을 이루는 본체(310)의 홈에 R, G, B의 LED 칩(310)을 실장한 후, 상기 홈에 젤 형태의 탄성 수지를 주입하고, 그 탄성 수지를 경화시켜 제1렌즈(331)를 형성한다.
다음, 도 8b와 같이 그 제1렌즈(331)가 형성된 본체(300)를 메탈 기판(350) 혹은 폴리 계열의 PCB상에 체결한다.
이어, 도 8c와 같이 별도의 사출 성형에 의하여 제조된 제2렌즈(333)를 메탈 기판(350)상에 고정하게 된다. 이때 제2렌즈(333)와 메탈 기판(350)은 메탈 기판(350)상의 홀 및 제2렌즈(333)상의 후크 등과 같은 별도의 체결구조에 의해 체결된다.
결국 이와 같은 구성을 통해 메탈 기판(350)에 공급되는 외부 전압에 의해 LED 칩(310)으로부터 빛이 제공된다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시장치의 LED 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 4 및 도 5와 비교해 볼 때, 본 발명의 제2실시예에 따른 LED 패키지는 가운데 영역에 오목한 홈을 형성하여 외곽을 이루는 본체(400)와; 상기 본체(400)의 홈에 실장되는 R, G, B의 LED 칩(410)과; 상기 R, G, B의 LED 칩(410)에 접속하여 전압이 인가되는 도전 단자(421, 422)와; 상기 LED 칩(410)상에 형성되어 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 제1곡률이 점차 증가하는 제1렌즈(431)와; 상기 제1렌즈(431)의 측면 및 중앙부위에 형성되되 내부곡면은 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 제2곡률이 점차 증가하고, 외부곡면은 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 제3곡률이 점차 감소하는 제2렌즈(433)로 구성되는 것이 특징이다.
여기에서, 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 제1곡률이 점차 증가하는 제1렌즈(431)와, 그 제1렌즈(431)의 측면 및 중앙부위에 형성되되 내부곡면은 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 제2곡률이 점차 증가하는 제2렌즈(433)의 곡률이 서로 동일할 때 제1렌즈(431)와 제2렌즈(433)간 접촉이 이루어지게 된다.
이때, 젤 형태의 탄성 수지에 의하여 타원형으로 형성되는 제1렌즈(431)와 사출성형에 의하여 타원형으로 형성되는 제2렌즈(433)는 서로 접촉하는 부위에서의 제2곡률뿐만 아니라 서로 굴절률을 달리하는 물질로 제1렌즈(431) 및 제2렌즈(433)를 각각 형성하게 되므로 앞서서와 동일 효과를 얻을 수 있다.
그 이외, 기타 자세한 내용은 앞서서의 내용들로 대신하고자 한다.
이제, 별도의 도면에 나타내지는 않았지만 본 발명의 제1실시예를 변형한 액정표시장치의 LED 패키지에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
도 4 및 도 5와 비교해 볼 때, 본 발명에 따른 액정표시장치의 LED 패키지는 가운데 영역에 오목한 홈을 형성하여 외곽을 이루는 본체와; 상기 본체의 홈에 실장되는 R, G, B의 LED 칩과; 상기 R, G, B의 LED 칩에 접속하여 전압이 인가되는 도전 단자와; 상기 LED 칩상에 형성되어 제1곡률을 갖는 제1렌즈와; 상기 제1렌즈의 측면 및 중앙부위에 형성되되 내부곡면은 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 제2곡률이 점차 증가하고, 외부곡면은 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 제3곡률이 점차 감소하는 제2렌즈로 구성되는 것이 특징이다.
즉, 제1렌즈상에 형성되는 제2렌즈의 외부곡면의 제3곡률은 제2렌즈의 내부곡면의 제2곡률과 서로 반대로 형성되는 것이다.
이외의 기타 자세한 내용은 앞서서의 내용들로 대신하고자 한다.
또한, 본 발명의 제1실시예를 변형한 액정표시장치는 도면에 별도로 나타내지는 않았지만 다음과 같은 경우도 얼마든지 가능할 수 있다.
예를 들어 하부커버상에 폴리 계열의 PCB가 배열하여 구비될 때, 그 PCB상에 LED 칩이 실장된 LED 패키지의 형태가 아니라 별개의 LED 소자를 적어도 하나 형성할 수 있다. 이때, 상기 LED 소자상에 형성되는 제1렌즈는 실리콘을 재질로 하는 젤 형태의 탄성수지가 아니라 별도의 사출성형을 통하여 형성된 제1렌즈를 형성한다.
이때, 제1렌즈는 내부곡면의 제1A곡률을 외부곡면의 제1곡률보다 크게 하여 자체적으로 동일한 소정의 두께를 갖도록 형성하거나 혹은 외부곡면은 소정의 제1곡률을 갖되, 내부곡면은 중앙부위에서 측면으로 갈수록 제1A곡률이 점차 감소하도록 하여 중앙부위에서 측면부위로 갈수록 두께가 두꺼워지도록 형성하는 것이다.
그 결과 제1렌즈의 내부 및 외부곡면은 반구형의 형상을 하거나 혹은 제1렌즈의 외부곡면은 반구형을, 그 내부곡면은 타원형을 이루게 된다.
이와 같이 형성된 제1렌즈를 PCB상에 고정된 LED 소자상에 형성한 후, 위의 제1렌즈와 동일한 방식으로 형성된 제2렌즈를 구성한다.
결국 제2렌즈 역시 외부곡면은 반구형을 띠되, 그 내부곡면은 타원형을 이루게 된다.
그 일례로서 본 발명은 적어도 하나의 LED 소자가 형성된 PCB상에 외부곡면은 소정의 제1곡률을 갖되 내부곡면은 중앙부위에서 측면으로 갈수록 제1A곡률이 점차적으로 감소하는 제1렌즈를 형성한 다음, 상기 제1렌즈상에 또다시 외부곡면은 제1렌즈의 외부곡면의 제1곡률보다 작되 내부곡면은 중앙부위에서 측면으로 갈수록 제1A곡률이 점차 감소하는 제2렌즈를 형성하는 것이다.
물론 그 이외에도 위의 적절한 조합에 의하여 다양한 방식이 얼마든지 가능 할 수 있겠지만 그 내용들을 일일이 열거할 수는 없는 것이며 본 발명의 권리범위는 이후에 기술하는 청구범위에 밝혀두고자 한다.
지금까지의 구성 결과, 본 발명에 따른 액정표시장치는 광원 역할을 하는 LED 패키지로부터의 광 방사 폭을 넓혀 빛을 제공함으로써 전체적인 색 혼합 및 휘도의 균일도를 향상시킬 수 있다.

Claims (21)

  1. 하부커버;
    상기 하부커버상에 구비되고, 외부로부터 전압이 인가되는 PCB(Printed Circuit Board);
    상기 PCB상에 실장된 본체;
    상기 본체에 설치되어 광을 방사(放射)하는 R, G, B의 LED 소자;
    상기 본체 위에 제1곡률을 형성하여 R, G, B의 LED 소자를 감싸는 제1렌즈;
    상기 제1렌즈의 외부를 감싸며, 내부곡면은 서로 다른 곡률반경을 갖는 원들의 호가 모여 이루어져 내부곡면의 제2곡률이 측면부위에서 중앙부위로 갈수록 점차 증가하고, 외부곡면은 제3곡률을 이루는 제2렌즈;
    상기 제2렌즈와 일정간격 이격되어 광이 제공되는 액정패널을 포함하여 구성되며,
    상기 제2렌즈의 상기 내부곡면의 중앙부위와 상기 제1렌즈의 중앙부위 간의 간격은 상기 제2렌즈의 상기 내부곡면의 측면부위와 상기 제1렌즈의 측면부위 간의 간격보다 넓은 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 LED 소자는 LED 칩인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈는 중앙부위에서 측면부위로 갈수록 그 두께가 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈의 내부곡면은 타원형인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈의 제3곡률은 상기 제1렌즈의 제1곡률보다 작은 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1렌즈의 외부곡면과 상기 제2렌즈의 외부곡면간 거리는 동일한 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈는 상기 제1렌즈와의 측면 및 중앙부위에서 서로 다른 중공구간(中空區間)을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1렌즈는 실리콘 재질의 탄성 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈는 폴리 계열의 수지인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈의 외부곡면은 서로 다른 곡률반경을 갖는 원들의 호가 모여 이루어져 외부곡면의 제3곡률이 측면부위에서 중앙부위로 가면서 점차 감소하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1렌즈의 제1곡률은 상기 제2렌즈의 제2곡률과 동일한 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  12. 가운데 영역에 오목한 홈이 형성된 본체;
    상기 본체에 설치되어 광을 방사(放射)하는 R, G, B의 LED 소자;
    상기 본체 위에 제1곡률을 형성하여 R, G, B의 LED 소자를 감싸는 제1렌즈;
    상기 제1렌즈의 외부를 감싸며, 내부곡면은 서로 다른 곡률반경을 갖는 원들의 호가 모여 이루어져 내부곡면의 제2곡률이 측면부위에서 중앙부위로 가면서 점차 증가하고, 외부곡면은 상기 내부곡면의 제2곡률과 다른 제3곡률을 이루는 제2렌즈를 포함하여 구성되며,
    상기 제2렌즈의 상기 내부곡면의 중앙부위와 상기 제1렌즈의 중앙부위 간의 간격은 상기 제2렌즈의 상기 내부곡면의 측면부위와 상기 제1렌즈의 측면부위 간의 간격보다 넓은 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2렌즈는 중앙부위에서 측면부위로 갈수록 그 두께가 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제2렌즈의 내부곡면은 타원형인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제2렌즈의 제3곡률은 상기 제1렌즈의 제1곡률보다 작 은 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  16. 제12항에 있어서, 상기 제1렌즈의 외부곡면과 상기 제2렌즈의 외부곡면간 거리는 동일한 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제2렌즈는 상기 제1렌즈와의 측면 및 중앙부위에서 서로 다른 중공구간(中空區間)을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  18. 제12항에 있어서, 상기 제1렌즈는 실리콘 재질의 탄성 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  19. 제12항에 있어서, 상기 제2렌즈는 폴리 계열의 수지인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  20. 제12항에 있어서, 상기 제2렌즈의 외부곡면은 서로 다른 곡률반경을 갖는 원들의 호가 모여 이루어져 외부곡면의 제3곡률이 측면부위에서 중앙부위로 가면서 점차 감소하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  21. 제12항에 있어서, 상기 제1렌즈의 제1곡률은 상기 제2렌즈의 제2곡률과 동일한 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
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