WO2014126278A1 - 디스플레이 장치 - Google Patents

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WO2014126278A1
WO2014126278A1 PCT/KR2013/001165 KR2013001165W WO2014126278A1 WO 2014126278 A1 WO2014126278 A1 WO 2014126278A1 KR 2013001165 W KR2013001165 W KR 2013001165W WO 2014126278 A1 WO2014126278 A1 WO 2014126278A1
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lens
light
center
light emitting
cutout
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PCT/KR2013/001165
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이경준
기원도
박지희
황웅준
정주영
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엘지전자 주식회사
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    • G02F1/133607—Direct backlight including a specially adapted diffusing, scattering or light controlling members the light controlling member including light directing or refracting elements, e.g. prisms or lenses

Definitions

  • the present invention relates to a display device.
  • LCDs liquid crystal display devices
  • PDPs plasma display panels
  • ELDs electro luminescent displays
  • VFDs vacuum fluorescents
  • the liquid crystal panel of the LCD includes a liquid crystal layer and a TFT substrate and a color filter substrate facing each other with the liquid crystal layer interposed therebetween, and have no self-luminous power, so that an image can be displayed using light provided from the backlight unit. .
  • a conventional backlight unit using an isotropic lens has a structure in which the light sources are arranged in a right angle arrangement or a honeycomb structure, and the lens spreads the light from the light source in a circular isotropic light distribution form.
  • the pitch between the light sources increases as the number of light sources decreases, it is difficult to spread the light far in the form of circular isotropic light distribution using a secondary lens.
  • An object of the present invention is to provide a display device equipped with an optical assembly that can improve the image quality of the display image.
  • the substrate portion A light emitting unit including a light emitting element mounted on the substrate and a lens disposed on an upper side of the light emitting element; A reflective layer on the upper surface of the substrate portion; An optical sheet on an upper side of the reflective layer and positioned at a height spaced apart from the light emitting part; And a display panel placed on an upper surface of the optical sheet, wherein the lens has an anisotropic light distribution having a cutout portion in which a side portion thereof is recessed in the center direction.
  • the thickness of the backlight unit can be reduced, thereby improving the appearance of the display device including the backlight unit.
  • the light source provided in the backlight unit can improve the light efficiency and illuminance uniformity, thereby improving the image displayed on the display device. Image quality can be improved.
  • the lens having an anisotropic light distribution structure to the top-view type LED package, the total light reflected from the light source as possible in parallel as possible, there is an advantage that the light is spread far. Therefore, even if the number of light sources is reduced, there is an advantage that the light efficiency and illuminance uniformity remain the same.
  • the light emitted from the light source is reflected toward the display panel as much as possible, thereby improving the light efficiency.
  • a member corresponding to a separate light guide layer is not required, so that the weight of the backlight unit can be reduced, and as a result, the display device can be reduced in weight.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the structure of a display device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the display device.
  • FIG 3 is an external perspective view of a light emitting unit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing a form in which light is reflected and refracted through the lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining the shape conditions of the cutout for achieving the anisotropic light distribution of the lens according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a simulation diagram showing a light distribution distribution implemented by a light emitting unit assembly to which a lens structure is applied according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the structure of a display device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the display device.
  • a display apparatus 10 includes a display panel 15 on which an image is displayed and a display panel 15 disposed behind the display panel 15. And a back light unit for emitting light toward and an optical sheet 14 for diffusing or processing light emitted from the back light unit.
  • the optical sheet 14 includes a diffusion sheet and a prism sheet.
  • the backlight unit may include an LED as a light source, and may include a top view system in which a direction of the light emitted from the light source is directed toward the display panel 15.
  • the backlight unit includes a substrate layer 12 placed on the bottom of the panel case 11, a light emitting unit 20 mounted on the substrate layer 12, and a reflective layer 13 placed on an upper surface of the substrate layer 12. ).
  • the light emitting units 20 may be arranged in a line at a center at the center of the reflective layer 13.
  • a portion of the reflective layer 13 corresponding to both side regions of the light emitting unit 20 may form an inclined surface that is inclined upward.
  • a portion of the reflective layer 13 is inclined so that the light emitted from the light emitting part 20 and refracted by the reflective layer 13 is reflected toward the optical sheet 14, thereby increasing light efficiency.
  • a reflective pattern or a light extraction pattern 131 may be formed on an upper surface of the reflective layer 13, and the light emitted from the light emitting part 20 may strike the pattern to display the display panel 15. To be reflected toward).
  • the substrate layer 12 may be a PCB substrate formed using polyethylene terephthalate, glass, polycarbonate, silicon, or the like, and may be provided in a film form.
  • the light emitting unit 20 includes a light emitting device 21 including an LED and a lens 22 coupled to an upper side of the light emitting device 21.
  • the light emitting device 21 is a top view type LED package in which the light emitting surface is formed upward, and light is emitted at a direct angle of about 120 degrees upward.
  • most of the light emitted from the light emitting element 21 is totally reflected laterally by the lens 22. Accordingly, by providing the lens 22 on the upper side of the light emitting element 21, the thickness of the backlight unit can be reduced, and the light efficiency and illuminance uniformity can be improved.
  • a light guide layer may be formed between the reflective layer 13 and the optical sheet 14, and the light guide layer may be filled with air or maintained in a vacuum state.
  • FIG. 3 is an external perspective view of a light emitting unit according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view cut along the line I-I of FIG. 3.
  • the light emitting unit 20 includes a light emitting element 21 and a lens 22 provided above the light emitting element 21.
  • the light emitting device 21 includes an LED package as described above, and the LED package includes a sub-mount substrate and an LED element mounted on the sub-mount substrate.
  • the sub-mount substrate may be a transparent material, and may be a transparent polymer material including glass, transparent ceramic, or resin.
  • the lens 22 may form an aspherical surface in which the light exit surface includes a parabolic shape so as to induce total reflection of light emitted from the light emitting element 21 and to send light to the side. .
  • the lens 22 includes an upper surface portion 221, a lower surface portion 222, a side surface portion 223, and a cutout portion 224 in which a portion of the side surface portion is cut in the center direction.
  • the upper surface portion 221 of the lens 22 is curved at a predetermined curvature and forms an aspheric shape.
  • the upper surface portion 221 of the lens 22 may be formed in a parabolic shape.
  • the central portion 225 of the lens 22 forms a shape recessed from an upper side of the light emitting device 220 to a straight distance.
  • a bottom center portion 226 is formed at the center of the bottom portion 222 of the lens 22, and the bottom center portion 226 is formed by spreading light emitted from the light emitting element 21. It is incident on the upper surface portion 221 serves to reduce the yellowish (yellowish) phenomenon of the lens upper surface.
  • the cross section of the bottom central portion 226 may have various shapes such as semicircular, elliptical, and inclined straight. When the shape of the bottom center 226 has a curved shape that is rounded as a result of the experiment, it is possible to minimize the hot spot (light spot) where the light is concentrated at one point, and the light spreads widely, the upper surface of the lens 22 It can be confirmed that incident on 221 occurs.
  • the bottom center 226 may be an air layer, and as another embodiment, a separate lens may be interposed into the bottom center 226. The separate lens may be molded in the light emitting device 21 as a resin in which phosphors are mixed.
  • the upper surface portion 221 of the lens 22 functions to totally reflect the light emitted from the light emitting element 21 to the image in the lateral direction.
  • the total reflection angle ⁇ c is defined by Snell's law as follows.
  • the curvature of the upper surface portion 221 is preferably formed such that the incident angle of light incident on the upper surface portion 221 is 42 degrees or more. Then, most of the light incident on the upper surface portion 221 of the lens 22 is totally reflected and diffused into the light guide layer, and only a part of the light passes through the lens 22 and moves toward the display panel 15.
  • the light blocking pattern layer may be formed on the upper surface of the lens 22 so that a part of the light traveling toward the display panel 15 may be reflected back to the light guide layer.
  • the center portion 225 of the lens 22 may be recessed up to a straight distance from the bottom center portion 226.
  • the spread of light incident on the lens 22 is determined by the depth H of the lens center portion 225 / the pitch P of the lens upper surface portion 221.
  • the pitch of the upper surface of the lens means the distance from the central portion 225 of the lens 22 to the edge of the curved surface of the upper surface of the lens 22.
  • the H / P value which means the spread of light incident on the lens 22, is defined as Luminous intensity distribution of the lens. As the light distribution value increases, total reflection of light increases, so that light spreads uniformly to a distance.
  • the degree of light distribution is preferably 0.3 or more, and more preferably about 0.5.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating a form in which light is reflected and refracted through a lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the side surface portion of the lens 22 according to the exemplary embodiment of the present invention is formed with a cutout 224 recessed in the center direction. This may be referred to as a structure in which the side portion of the conventional isotropic optical lens is cut.
  • the lens 22 when the lens 22 is viewed from the top surface, a part of the light incident on the side portion of the cutout portion 224 passes through and passes in the left and right directions, and most of the remaining light is totally reflected to round the side portion.
  • the + n and -n axis directions may be defined as the width direction of the display panel.
  • a medium is distributed while being refracted by meeting other air and spreading in a fan shape.
  • the n-axis end portion forms a side portion that is rounded to a predetermined curvature, light is spread widely by refraction while passing through the lens end portion.
  • a part of the lens 22 is cut to form an anisotropic light distribution, so that the light emitted from the light emitting element 21 is concentrated in one axis (n-axis) direction instead of isotropically spreading. To spread farther. As a result, even if the number of the light emitting elements 21 is reduced for the display panel of the same size, there is an advantage that the light efficiency does not decrease.
  • the cut surface of the cutout 224 is illustrated as forming a straight line in the drawing, it is not limited thereto, and the cut surface may be rounded to a predetermined curvature. Since the light spreading distance needs to be adjusted according to the size of the display panel, it can be appropriately selected in the design process. As an example, the cut surface of the cutout 224 is rounded, so that the shape of the plan view may form a peanut shape or an eight-character shape as a whole.
  • the amount of light totally reflected by the cutout 224 may vary according to the inclination or curvature of the cutout forming the cutout 224.
  • the formation conditions of the cutout 224 to increase the total reflectance will be described.
  • FIG. 6 is a view for explaining the shape conditions of the incision to achieve the anisotropic light distribution of the lens according to the embodiment of the present invention.
  • anisotropic light distribution is achieved so that the light emitted from the light emitting element 21 is not distributed isotropically distributed in the horizontal direction with respect to the vertical axis, but is concentrated in one axial direction and spread far. Incision structure of the lens to be shown.
  • the incision 224 recessed to a predetermined depth is formed on the side of the lens 22 so that light does not spread in all directions but spreads substantially symmetrically in a single axis direction.
  • the light incident toward the cutout 224 is reflected in the n-axis direction by total reflection as much as possible, rather than being transmitted and spread in the m-axis direction.
  • the light is spread far in the single axis direction.
  • the same light efficiency can be obtained by arranging the light emitting units in the horizontal direction of the backlight unit only at regular intervals in the longitudinal direction. As a result, the number of light emitting units provided in the backlight unit is reduced.
  • the amount of light totally reflected from the incision plane is determined according to the inclination plane of the incision plane 224, and the incision plane is illustrated as a straight inclined plane in the drawing, but may also form a rounded curved slope have. That is, as described above, a peanut or 8-shaped lens plane structure is also possible. Under these conditions, in order to maximize the total reflection amount, the axis (m-axis) passing through the central portion 225 of the lens and the central portion of the cutout portion 226 and the angle ⁇ formed by the tangent line passing through a certain point of the cutting surface are formed.
  • the portion satisfying 30 degrees to 60 degrees is preferably 50% or more of the length of the incision surface.
  • the side portion 223 of the lens 22 is acute angle with the horizontal plane has been presented as an embodiment, but is not limited thereto. That is, it is revealed that the angle formed between the side surface portion 223 of the lens 22 and the horizontal plane for the light distribution distribution can be adjusted to be perpendicular or obtuse.
  • FIG. 7 is a simulation diagram illustrating a light distribution distribution implemented by a light emitting unit assembly to which a lens structure according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.
  • the simulation is a light distribution diagram when three light emitting parts are arranged in a length direction of the display panel at intervals of 60 mm and an optical gap of a backlight unit is 20 mm.
  • the optical gap means a straight line distance from the light emitting part 20 to the optical sheet 14. It can be said that the thickness of the backlight unit is substantially determined by the optical gap.
  • the x axis means the length direction of the display panel
  • the y axis means the width direction of the display panel. That is, in FIG. 1, the shorter side is the width direction, the longer side is the longitudinal direction, and three light emitting units 20 are arranged in the longitudinal direction.
  • each light emitting part 20 diffuses in a direction parallel to the display panel, and a light distribution distance is short in a portion where an incision is formed.
  • the light spreads farther out towards the other side, the rounded side.
  • the luminance of the light is maintained almost uniform in the inner portion except for both edges.
  • the light emitted through the side part of the lens in one light emitting part is spread to a distance corresponding to the width of the display panel.
  • a blank area in which the light does not spread effectively may occur in the cutout area. Therefore, in order to minimize the blank area, the light distribution area may be partially overlapped by appropriately adjusting the distance between adjacent light emitting parts.
  • the optical sheet 14 is placed in the blank area generated in the cutout area, luminance is uniformly adjusted over the entire display panel, thereby realizing surface light emission. That is, since a part of the light exiting the optical sheet 14 is reflected back and moves back toward the reflective layer 13, this blank area can be removed.
  • the number of light emitting parts arranged according to the length of the display panel is determined, and the specification of the light emitting element or the spreading angle ⁇ of the cutout part is determined according to the length of the width of the display panel.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 기판부; 상기 기판부에 실장되는 발광 소자와, 상기 발광 소자의 상측에 놓이는 렌즈를 포함하는 발광부; 상기 기판부의 상면에 놓이는 반사층; 상기 반사층의 상측에 놓이며, 상기 발광부로부터 이격되는 높이에 놓이는 광학 시트; 및 상기 광학 시트의 상면에 놓이는 디스플레이 패널을 포함하고, 상기 렌즈는, 측면 일부분이 중심 방향으로 함몰되는 절개부를 가져서, 비등방성 배광 분포를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

디스플레이 장치
본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라 디스플레이 장치에 대한 요구도 다양한 형태로 증가하고 있으며, 이에 부응하여 근래에는 LCD(Liquid Crystal Display Device), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display)등 여러 디스플레이 장치가 연구되어 사용되고 있다.
그 중 LCD의 액정 패널은 액정층 및 상기 액정층을 사이에 두고 서로 대향하는 TFT 기판 및 컬러 필터 기판을 포함하며, 자체 발광력이 없어 백라이트 유닛으로부터 제공되는 광을 사용하여 화상을 표시할 수 있다.
등방성 렌즈를 이용한 종래의 백라이트 유닛은 광원이 직각 배열 또는 벌집 구조로 배열되고, 렌즈가 광원으로부터 나온 빛을 원형의 등방적 배광 형태로 퍼트리는 구조이다. 이러한 구조에서는, 광원의 개수가 감소함에 따라 광원들 간의 피치(pitch)가 증가하기 때문에, 2차 렌즈를 이용하여 원형의 등방적 배광 형태로 빛을 멀리 퍼뜨리는 것이 어려운 단점이 있다.
본 발명은 디스플레이 영상의 화질을 개선할 수 있는 광학 어셈블리가 구비된 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상세히, 광원의 개수를 줄이면서, 비등방적 배광을 통하여 균일한 면광원 구조를 달성할 수 있는 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 기판부; 상기 기판부에 실장되는 발광 소자와, 상기 발광 소자의 상측에 놓이는 렌즈를 포함하는 발광부; 상기 기판부의 상면에 놓이는 반사층; 상기 반사층의 상측에 놓이며, 상기 발광부로부터 이격되는 높이에 놓이는 광학 시트; 및 상기 광학 시트의 상면에 놓이는 디스플레이 패널을 포함하고, 상기 렌즈는, 측면 일부분이 중심 방향으로 함몰되는 절개부를 가져서, 비등방성 배광 분포를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 백라이트 유닛의 두께를 감소시킬 수 있으며, 그에 따라 상기 백라이트 유닛을 구비하는 디스플레이 장치의 외관을 개선할 수 있다.
또한, 상기 백라이트 유닛에 구비되는 광원에, 발광 소자로부터 방출되는 광을 측면 하측 방향으로 전반사하는 렌즈 구조를 채용함으로써, 광 효율 및 조도 균일도를 향상시킬 수 있으며, 그에 따라 디스플레이 장치에서 표시되는 영상의 화질이 향상될 수 있다.
또한, 탑뷰 방식의 LED 패키지에 비등방성 배광 구조를 가지는 렌즈를 적용하여, 광원으로부터 방출되는 빛을 최대한 평행하게 전반사시켜, 멀리까지 빛이 퍼지는 장점이 있다. 따라서, 광원의 개수가 줄어들더라도 광효율과 조도 균일도가 동일하게 유지되는 장점이 있다.
또한, 백라이트 유닛의 바닥부에 제공되는 반사층의 일부를 비스듬히 설계함으로써, 광원으로부터 방출되는 빛이 최대한 디스플레이 패널쪽으로 반사됨으로써, 광효율이 좋아지는 장점이 있다.
또한, 별도의 도광층에 해당하는 부재가 필요없게 되어 백라이트 유닛의 무게를 줄일 수 있고, 그 결과 디스플레이 장치의 경량화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 보여주는 분해 사시도.
도 2는 상기 디스플레이 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 외관 사시도.
도 4는 도 3의 I-I를 따라 절개되는 종단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈를 통하여 빛이 반사 및 굴절되는 형태를 보여주는 평면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 비등방적 배광 분포를 달성하기 위한 절개부의 형상 조건을 설명하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 구조가 적용된 발광부 어셈블리에 의하여 구현되는 배광 분포를 보여주는 시뮬레이션 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 이하, 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 실시예의 기술적 범위를 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 보여주는 분해 사시도이고, 도 2는 상기 디스플레이 장치의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)는, 영상이 표시되는 디스플레이 패널(15)과, 상기 디스플레이 패널(15)의 후방에 구비되어 디스플레이 패널(15) 쪽으로 빛을 방출하는 백라이트 유닛 및 상기 백라이트 유닛으로부터 발산되는 빛을 확산 또는 가공하기 위한 광학 시트(14)를 포함한다.
상세히, 상기 광학 시트(14)는 확산 시트와 프리즘 시트를 포함한다. 그리고, 상기 백라이트 유닛은 광원으로서 LED를 포함할 수 있고, 상기 광원으로부터 방출되는 빛의 지향 방향이 상기 디스플레이 패널(15) 쪽으로 향하는 탑뷰 방식을 포함한다.
상기 백라이트 유닛은, 패널 케이스(11)의 바닥에 놓이는 기판층(12)과, 상기 기판층(12)에 실장되는 발광부(20)와, 상기 기판층(12)의 상면에 놓이는 반사층(13)을 포함한다.
상세히, 상기 발광부(20)는 상기 반사층(13)의 중심부에서, 일정 간격을 두고 일렬로 배열될 수 있다. 그리고, 상기 발광부(20)를 중심으로 양 측방 영역에 해당하는 반사층(13)의 일부분은 상측으로 경사지는 경사면을 형성할 수 있다. 상기 반사층(13)의 일부가 경사지게 형성됨으로써, 상기 발광부(20)로부터 방출되어 상기 반사 층(13)으로 굴절되는 빛은 상기 광학 시트(14) 쪽으로 반사되어, 광효율을 높일 수 있다. 그리고, 상기 반사층(13)의 상면에는 반사 패턴 또는 광추출 패턴(light extraction pattern)(131)이 형성될 수 있고, 상기 발광부(20)로부터 방출되는 빛이 상기 패턴에 부딪혀서 상기 디스플레이 패널(15) 쪽으로 반사되도록 한다.
상기 기판층(12)은, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 유리, 폴리카보네이트와 실리콘 등을 이용하여 형성되는 피시비 기판일 수 있고, 필름 형태로 제공될 수 있다.
한편, 상기 발광부(20)는 LED를 포함하는 발광 소자(21)와, 상기 발광 소자(21)의 상측에 결합되는 렌즈(22)를 포함한다. 상기 발광 소자(21)는 발광면이 상측을 향해 형성되는 탑뷰 방식의 LED 패키지이고, 상측으로 약 120도의 지향각을 가지고 빛이 방출된다. 그리고, 상기 렌즈(22)에 의하여 상기 발광 소자(21)로부터 방출되는 빛의 대부분이 측방으로 전반사된다. 따라서, 상기 발광 소자(21)의 상측에 상기 렌즈(22)가 제공됨으로써 백라이트 유닛의 두께를 감소시킬 수 있고, 광 효율 및 조도 균일도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 반사층(13)과 광학 시트(14) 사이에는 도광층이 형성되고, 상기 도광층은 공기로 채워지거나 진공 상태로 유지될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 구성에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 외관 사시도이고, 도 4는 도 3의 I-I를 따라 절개되는 종단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광부(20)는 발광 소자(21)와, 상기 발광 소자(21)의 상측에 제공되는 렌즈(22)를 포함한다. 상기 발광 소자(21)는 상술한 바와 같이 LED 패키지를 포함하며, 상기 LED 패키지는 서브 마운트 기판과, 상기 서브 마운트 기판에 실장되는 LED 소자를 포함한다. 상기 서브 마운트 기판은 투명 재질이며, 유리, 투명 세라믹, 또는 레진을 포함하는 투명 폴리머 재질일 수 있다.
상세히, 상기 렌즈(22)는, 상기 발광 소자(21)로부터 방출되는 빛의 전반사(total reflection)를 유도하여, 광을 측방으로 보내도록 광 출사면이 포물선 형태를 포함하는 비구면 형태를 이룰 수 있다.
더욱 상세히, 상기 렌즈(22)는, 상면부(221)와, 하면부(222)와, 측면부(223) 및 상기 측면부의 일부분이 중심 방향으로 절개되는 절개부(224)를 포함한다.
상세히, 상기 렌즈(22)의 상면부(221)는 소정 곡률로 만곡되되 비구면 형상을 이룬다. 일례로서 상기 렌즈(22)의 상면부(221)는 포물선 형태로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 렌즈(22)의 중심부(225)는 발광 소자(220)의 상측으로부터 직근 거리까지 함몰되는 형태를 이룬다.
또한, 상기 렌즈(22)의 하면부(222) 중심에는 저면 중심부(226)가 형성되며, 상기 저면 중심부(226)는 상기 발광 소자(21)로부터 방출되는 빛이 퍼지면서 상기 렌즈(22)의 상면부(221)에 입사되도록 하여 렌즈 상면의 황변(yellowish) 현상을 감소시키는 역할을 한다. 상기 저면 중심부(226)의 단면은 반원형, 타원형, 경사진 직선형과 같이 다양한 형상을 이룰 수 있다. 상기 저면 중심부(226)의 형태는 실험 결과 라운드지는 곡면 형상을 가질 때, 빛이 한 지점에 집중하는 핫스팟(hot spot)을 최소화할 수 있고, 빛이 넓게 퍼지면서 상기 렌즈(22)의 상면부(221)에 입사되는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 상기 저면 중심부(226)는 공기층일 수 있고, 다른 실시예로서, 상기 저면 중심부(226)에 별도의 렌즈가 개입되는 것도 가능하다. 그리고, 상기 별도의 렌즈는 형광체가 혼합된 레진으로서 발광 소자(21)에 몰딩될 수 있다.
한편, 상기 렌즈(22)의 상면부(221)는 발광 소자(21)로부터 상측으로 방출되는 빛을 측방향으로 전반사시키는 기능을 한다. 전반사 각도(θc )는 스넬의 법칙에 의하여 다음과 같이 정의된다.
sinθc = (n2/n1), n1 : 렌즈 굴절율, n2 : 공기 굴절율
상기 렌즈(22)의 재질로 폴리카보네이트를 사용할 경우, 폴리카보네이트의 굴절율이 대략 1.58이므로, 전반사를 위한 임계각(θc)은 대략 42도가 적절하다. 따라서, 상기 상면부(221)에 입사되는 빛의 입사각이 42도 이상이 되도록 상면부(221)의 곡률이 형성되는 것이 좋다. 그러면, 상기 렌즈(22)의 상면부(221)로 입사되는 빛의 대부분은 전반사되어 도광층 내부로 확산되고, 일부만이 상기 렌즈(22)를 통과하여 디스플레이 패널(15) 쪽으로 이동하게 된다. 여기서, 상기 렌즈(22)의 상면에는 차광 패턴층이 형성되도록 하여, 상기 디스플레이 패널(15) 쪽으로 진행하는 빛의 일부를 상기 도광층으로 재반사되도록 할 수 있다.
한편, 상기 렌즈(22)의 중심부(225)는 상기 저면 중심부(226)로부터 직근 거리까지 함몰될 수 있다. 그리고, 상기 렌즈(22)로 입사되는 빛의 퍼지는 정도는 렌즈 중심부(225)의 깊이(H)/렌즈 상면부(221)의 피치(pitch)(P)에 의하여 결정된다. 상기 렌즈 상면부의 피치는 렌즈(22)의 중심부(225)로부터 렌즈(22)의 상면부 곡면이 끝나는 가장자리 까지의 거리를 의미한다. 이하에서는, 상기 렌즈(22)로 입사되는 빛의 퍼지는 정도를 의미하는 상기 H/P값을 렌즈의 배광도(Luminous intensity distribution)이라 정의하도록 한다. 상기 배광도 값이 클수록 빛의 전반사가 증가하여, 빛이 멀리까지 균일하게 퍼지게 된다.
실험 결과, 상기 배광도의 값이 증가할 수록 핫스팟이 감소하여 광손실이 작아지는 반면, 배광도 값이 감소할수록 핫스팟이 커지고 광손실이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 배광도가 0.3 미만일 때 광손실이 급격히 증가하기 때문에, 배광도는 0.3 이상이 좋으며, 더욱 바람직하게는 0.5 정도가 좋다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈를 통하여 빛이 반사 및 굴절되는 형태를 보여주는 평면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈(22)의 측면부는 중심 방향으로 함몰되는 절개부(224)가 형성된다. 이는, 기존의 등방성 광학 렌즈의 측면부가 절개되는 구조라 할 수 있다.
도시된 바와 같이, 발광 소자(21)로부터 방출되어 상기 렌즈(22)로 입사되는 빛은 렌즈(22)의 상면부(221)와 측면부(223)로 입사된다. 따라서, 상기 렌즈(22)로 입사되는 빛 중에서 상기 절개부(224)로 입사되는 빛의 대부분은 전반사된다.
상세히, 상기 렌즈(22)를 상면에서 바라보았을 때, 상기 절개부(224) 쪽 측면부에 입사되는 빛의 일부분은 그대로 통과하여 좌우 방향으로 투과되고, 나머지 대부분의 빛은 전반사되어 라운드진 측면부 쪽을 향하여 상하 방향(+n축 및 -n축 방향)으로 퍼지게 된다. 상기 +n축과 -n축 방향은 디스플레이 패널의 폭방향으로 정의할 수 있다. 그리고, 상기 렌즈(22)의 n축 방향 단부에서는 매질이 다른 공기를 만나면서 굴절되어 부채꼴 형태로 확산되는 배광 분포를 이룬다. 그리고, 상기 n축 방향 단부는 소정 곡률로 라운드지는 측면부를 형성하므로, 렌즈 단부를 통과하면서 굴절에 의하여 빛이 넓게 퍼지게 된다.
이와 같이, 비등방적 배광 분포를 이루도록 렌즈(22)의 일부분이 절개되는 형상을 이룸으로써, 발광 소자(21)로부터 방출되는 빛이 등방적으로 퍼지는 것이 아니라 하나의 축(n축) 방향으로 집중되게 하여 멀리까지 퍼지도록 할 수 있다. 그 결과, 동일한 크기의 디스플레이 패널에 대해서 발광 소자(21)의 개수가 감소되더라도 광효율이 떨어지지 않는 장점이 있다.
도면에서 상기 절개부(224)의 절개면이 직선 형상을 이루는 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않고, 절개면이 소정 곡률로 라운드 지는 형상으로 이루어질 수도 있음을 밝혀 둔다. 이는 디스플레이 패널의 사이즈에 따라 빛이 퍼져가는 거리가 조절될 필요가 있기 때문에, 설계 과정에서 적절히 선택할 수 있다. 일 예로서, 상기 절개부(224)의 절개면이 라운드지도록 하여, 평면도의 형상이 전체적으로 땅콩 모양 또는 8자 모양을 이룰 수도 있다.
여기서, 상기 절개부(224)를 형성하는 절개면의 경사도 또는 곡률에 따라 상기 절개부(224)에서 전반사되는 빛의 양이 달라질 수 있다. 이하에서는, 전반사율을 높이기 위한 상기 절개부(224)의 형성 조건에 대하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 비등방적 배광 분포를 달성하기 위한 절개부의 형상 조건을 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 발광 소자(21)로부터 방출되는 빛이 수직축을 기준으로 수평 방향으로 방사상 퍼지는 등방성 배광 분포가 아니라, 어느 일 축 방향으로 집중되어 멀리까지 퍼지도록 하는 비등방성 배광 분포를 달성하기 위한 렌즈의 절개부 구조를 보여준다.
도 5에 도시된 바와 같이, 렌즈(22)의 측방에 소정 깊이로 함몰되는 절개부(224)가 형성됨으로써, 빛이 사방으로 퍼지지 않고 단일축 방향으로 실질적으로 대칭되게 퍼지게 된다.
상세히, 도면 상에서 상기 절개부(224) 쪽으로 입사되는 빛이 m축 방향으로 투과되어 퍼지지 않고, 최대한 전반사 시켜 n축 방향으로 반사되도록 하는 것이 중요하다. 즉, n축 방향으로 전반사 시킴으로써, 빛이 단일축 방향으로 멀리까지 퍼져나가도록 한다. 그러면, 도 1에 도시된 바와 같이, 백라이트 유닛의 가로 방향으로는 발광부를 배열시키지 않고, 길이 방향으로만 일정 간격으로 배열시켜도 동일한 광효율을 얻을 수 있다. 그 결과, 백라이트 유닛에 설치되는 발광부의 개수가 감소되는 장점이 있다.
상기 절개부(224)의 절개면 기울기에 따라 상기 절개면에서 전반사되는 빛의 양이 결정되며, 상기 절개면은 도면상에서는 직선 형태의 경사면으로 도시되어 있으나, 라운드진 곡선 형태의 경사 곡면을 이룰 수도 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 땅콩 모양 또는 8자 모양의 렌즈 평면 구조도 가능하다. 이러한 조건 하에서, 전반사량을 최대화하기 위해서는, 렌즈의 중심부(225)와 절개부(226)의 중심부를 지나는 축(m축)과, 상기 절개면의 어느 지점을 지나는 접선이 이루는 각도(α)가 30도 ~ 60도를 만족하는 부분이 상기 절개면 길이의 50% 이상이 되는 것이 좋다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈(22)의 측면부(223)가 수평면과 예각을 이루는 것이 실시예로 제시되었으나, 이에 제한되지 않는다. 즉, 배광 분포 조절을 위해서 렌즈(22)의 측면부(223)와 수평면이 이루는 각도가 직각 또는 둔각이 되도록 조절 가능함을 밝혀 둔다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 구조가 적용된 발광부 어셈블리에 의하여 구현되는 배광 분포를 보여주는 시뮬레이션 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 시뮬레이션은 3개의 발광부가 60mm 간격으로 상기 디스플레이 패널의 길이 방향으로 배열되고, 백라이트 유닛의 옵티칼 갭(optical gap)이 20mm일 때의 배광 분포도이다. 여기서, 옵티칼 갭이라 함은, 상기 발광부(20)로부터 광학 시트(14)까지의 직선 거리를 의미한다. 상기 옵티칼 갭에 의하여 실질적으로 백라이트 유닛의 두께가 결정된다고 할 수 있다.
도면상에서, x축은 디스플레이 패널의 길이 방향를 의미하고, y축은 디스플레이 패널의 폭 방향을 의미한다. 즉, 도 1에서 길이가 짧은 쪽이 폭방향이고, 길이가 긴 쪽이 길이 방향이며, 상기 발광부(20)는 길이 방향으로 세 개가 배열되었다고 할 수 있다.
시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 다수 개의 발광부(20)가 소정 간격으로 배치될 경우, 각각의 발광부(20)에서는 디스플레이 패널과 평행한 방향으로 확산되며, 절개부가 형성되는 부분에서는 배광 거리가 짧고, 그 외의 부분, 즉 라운드진 측면부 쪽으로 빛이 멀리까지 퍼지는 것을 알 수 있다. 그리고, 각각의 발광부(20)에서 확산되는 빛들이 일부 간섭되면서 양 쪽 가장자리를 제외한 내측 부분에서는 빛의 휘도가 거의 균일하게 유지됨을 알 수 있다.
상세히, 하나의 발광부에서 렌즈의 측면부를 통하여 방출되는 빛은 디스플레이 패널의 폭에 대응하는 거리까지 퍼짐을 알 수 있다. 그러나, 절개부가 형성되는 부분에서는 빛이 굴절 투과하지 못하고 대부분 전반사되므로, 절개부 영역에서는 빛이 효과적으로 퍼지지 못하는 공백 영역이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 공백 영역을 최소화하기 위해서는, 인접하는 발광부 간의 거리를 적절히 조절하여 배광 영역이 일부 중첩되도록 설계할 수 있다. 물론, 상기 절개부 영역에서 발생하는 공백 영역은 상기 광학 시트(14)가 놓임으로써, 디스플레이 패널 전체에 걸쳐 휘도가 균일하게 조절되어, 면발광을 구현하게 된다. 즉, 광학 시트(14)로 출광되는 빛의 일부분은 재반사되어 다시 반사층(13) 쪽으로 이동하게 되므로, 이러한 공백 영역이 제거될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 디스플레이 패널의 길이에 따라 배열되는 발광부의 개수가 결정되며, 디스플레이 패널의 폭의 길이에 따라 발광 소자의 규격 또는 절개부의 퍼짐 각도(α)가 결정된다고 할 수 있다.

Claims (13)

  1. 기판부;
    상기 기판부에 실장되는 발광 소자와, 상기 발광 소자의 상측에 놓이는 렌즈를 포함하는 발광부;
    상기 기판부의 상면에 놓이는 반사층;
    상기 반사층의 상측에 놓이며, 상기 발광부로부터 이격되는 높이에 놓이는 광학 시트; 및
    상기 광학 시트의 상면에 놓이는 디스플레이 패널을 포함하고,
    상기 렌즈는, 측면 일부분이 중심 방향으로 함몰되는 절개부를 가져서, 비등방성 배광 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  2. 제 1 하에 있어서,
    상기 렌즈의 상면부는, 중심부로부터 가장자리 쪽으로 소정 곡률로 만곡되는 비구면 형상을 이루고,
    상기 렌즈의 상면 중심은 가장자리부보다 낮게 함몰되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 렌즈의 상면부는 포물선 형상을 이루고,
    상기 포물선 형상의 상면부는, 상기 절개부 영역을 제외하고 상기 렌즈의 원주 방향으로 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절개부는 상기 렌즈의 중심부에서 가장자리로 갈수록 확대되는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절개부의 절개면은 평면 또는 곡면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 렌즈의 중심부와 상기 절개부의 중심을 지나는 직선과, 상기 절개면의 어느 지점을 지나는 접선이 이루는 각도는 30도 ~ 60도 범위 내인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 30도 ~ 60도 범위 내에 속하는 절개면 부분이 상기 절개면 전체 길이의 50% 이상이 되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈의 저면 중앙부에서 상측으로 함몰 형성되는 저면 중심부를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    0.3 ≤ H/P ≤ 0.5(H: 상기 렌즈의 상면 중심부로부터 상기 렌즈의 상면 가장자리까지의 수직 거리, P: 상기 렌즈의 중심으로부터 상기 렌즈의 상면 라운드부가 끝나는 지점까지의 수평 거리)인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 저면 중심부의 종단면은 원형, 타원형 또는 기울어진 직선형 중 어느 하나의 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    입사되는 빛의 입사각이 42도 이상이 되도록 하는 곡률로 상기 렌즈의 상면부가 라운드지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 절개부는 상기 렌즈의 중심을 지나는 직선을 기준으로 서로 마주보는 지점에서 대칭되는 형상으로 함몰되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 반사층의 적어도 일부분은 가장자리 쪽으로 갈수록 높아지는 방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
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