JP2015043427A - 面照明用レンズ及び発光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、面照明用レンズ及び発光モジュールに関する。【解決手段】本発明の発光モジュールは、回路基板と、発光ダイオードチップ、及び前記発光ダイオードチップにコーティングされた波長変換層を有し、前記回路基板に実装された発光素子と、前記発光素子から放出された光を分散させるレンズと、を含む。前記レンズは、光が入射される入射面を定義する凹部と、前記レンズに入射された光が出射される上部面と、を含み、前記凹部の入射面及び前記上部面の少なくとも一つは、前記レンズの中心軸から１５?以上の位置に高さ方向に順につながる複数のセクションを含む。【選択図】図１９

Description

本発明は、発光モジュールに関し、特に、面照明用レンズ及びそれを備えた面照明用発光モジュールに関する。
液晶ディスプレイをバックライティングするための発光モジュールや面照明装置に用いられる面照明用発光モジュールは、通常、回路基板上に実装された発光素子、及びこの発光素子から放出された光を広い角度で分散させるレンズを含む。発光素子から放出された光を、前記レンズを用いて均一に分散させることで、少数の発光素子で広い領域を均一に照射することができる。
図１ａ及び図１ｂは、従来技術による発光モジュール及びレンズを説明するための概略的な断面図及び斜視図である。
図１ａ及び図１ｂを参照すれば、発光モジュールは、回路基板１００と、発光素子２００と、レンズ３００と、を含む。回路基板１００は、発光素子２００に電力を供給するための回路が形成された印刷回路基板である。
前記発光素子２００は、通常、発光ダイオードチップ２１０と、発光ダイオードチップ２１０を覆うモールディング部２３０と、パッケージ基板２５０と、を含む。前記モールディング部２３０は、発光ダイオードチップ２１０から放出された光を波長変換させる蛍光体を含み、レンズ形状を有することができる。パッケージ基板２５０は、発光ダイオードチップ２１０を実装するための窪みを有することができる。前記発光素子２００は回路基板１００に電気的に連結される。
一方、前記レンズ３００は、下部面３１０及び上部面３５０とともに、フランジ３７０及び脚部３９０を含むことができる。前記脚部３９０が回路基板１００上に付着されることで、レンズ３００が発光素子２００の上部に配置される。図１ｂに図示されるように、脚部３９０は、通常、３つで構成されて、正三角形形状の頂点に配置される。
前記レンズ３００は、発光素子２００からの光が入射される入射面３３０と、入射された光が出射される出射面３５０を有する。入射面３３０は、レンズ３００の下部面３１０に形成された砲弾型凹部３２０の内面である。前記凹部３２０が発光素子２００の上部に配置されることで、発光素子２００から放出された光が入射面３３０を介してレンズ３００の内部に入射される。出射面３５０は、レンズ３００内に入射された光を広い指向角で出射させる。
従来技術による発光モジュールは、発光素子２００から放出された光をレンズ３００により分散させることで、広い面積にわたって均一な光を具現することができる。しかし、回路基板１００上に実装された発光素子２００がパッケージ基板２５０を採択するため、発光素子２００のサイズが相対的に大きい。これにより、レンズ３００の入射面３３０を形成するための凹部３２０の入口及び高さも相対的に大きくなり、その結果、レンズ３００のスリム化が困難となる。さらに、発光素子２００から放出される光の指向角が相対的に狭いため、レンズ３００により光を分散させるに限界がある。
さらに、発光素子２００がレンズ３００の下部面３１０の下に位置するため、発光素子２００から放出された光の一部は、レンズ３００内に入射されず、レンズ３００の下部面の下で損失されやすい。
本発明が解決しようとする課題は、面光源用レンズ及び発光モジュールをスリム化することができる技術を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、発光素子から放出された光の損失を減少させることができるレンズ及び発光モジュールを提供することにある。
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、面光源に適した発光素子を採択することで、広い面積にわたって色分布及び光度が均一な光を提供できる発光モジュールを提供することにある。
本発明の実施例による発光モジュールは、回路基板と、前記回路基板に実装された発光素子と、前記回路基板に結合され、前記発光素子から放出された光を分散させるレンズと、を含む。前記レンズは、光が入射される入射面を定義する凹部を含み、前記発光素子は、実質的に前記レンズの凹部内に配置される。発光素子がレンズの凹部内に配置されることで、発光素子から放出された光のほとんどをレンズの内部に入射させることができるため、レンズの下部面の下での光損失を減少させることができる。
前記発光素子は、チップレベルの発光素子であって、従来のパッケージ本体を含む発光ダイオードパッケージとは異なる。すなわち、前記発光素子は、発光ダイオードチップを実装するための実装部材を含んでおらず、前記回路基板が発光ダイオードチップの実装部材として用いられる。
前記チップレベルの発光素子は、発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップにコーティングされた波長変換層と、を含む。前記波長変換層は、前記発光ダイオードチップの上面及び側面を覆うことができる。特に、前記発光ダイオードチップは、前記回路基板にフリップボンディングされたフリップチップ型発光ダイオードチップであってもよい。フリップチップ型発光ダイオードチップを回路基板に直接実装することで、パッケージ基板を用いる従来の発光素子に比べ、発光素子のサイズを小型化することができるため、発光モジュールをスリム化することができる。さらに、発光素子のサイズが小さいため、前記レンズの凹部のサイズを減少させることができるとともに、レンズの全体高さを減少させることができる。
前記レンズの凹部の入口の幅は、発光素子の幅の３倍未満とすることができる。前記凹部の入口の幅が発光素子の幅の３倍未満となるように設定することで、レンズと発光素子との整列誤差を減少させることができる。
前記レンズは、前記凹部を有する下部面と、前記凹部の入射面に入射された光が出射される上部面と、を含む。前記レンズの入射面は、凹部の内面であって、凹部の形状により定義される。前記レンズの入射面は、上端面（ｕｐｐｅｒ ｅｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ）と、前記上端面から凹部の入口につながる側面と、を含むことができる。前記凹部は、その入口から前記上端面まで上側に向かって幅が細くなる形状を有することができる。前記側面は、前記凹部の入口から前記上端面まで所定の勾配を有する傾斜面であってもよく、入口から上端面まで勾配が減少する屈曲した傾斜面であってもよい。前記上端面は、平坦面であることができるが、これに限定されるものではなく、凹面または凸面を含むことができ、さらに、光散乱パターンを含むことができる。
前記レンズの上部面は、レンズの内部に入射された光を広い指向分布を有するように分散させる形状を有する。前記レンズの上部面は、中心軸の近くに位置する凹面と、前記凹面からつながる凸面を有することができる。または、前記レンズの上部面は、中心軸の近くに位置する平坦面と、前記平坦面からつながる凸面と、を有することができる。前記上端面の形状を、従来技術の凹面とする代わりに、平坦面または光散乱パターンなどを含むようにすることで、発光素子とレンズの中心軸が誤って整列される場合にも光の指向分布に与えられる影響を減少させることができ、これにより、発光素子とレンズのアライメント公差が増加する。
一方、前記レンズの下部面は、前記凹部を取り囲む平坦面と、前記平坦面を取り囲む傾斜面と、を含む。前記平坦面は、前記回路基板に密着する。前記回路基板上に反射シートが配置される場合には、前記平坦面は反射シートに密着する。一方、前記傾斜面は前記平坦面から上側に傾斜しており、前記平坦面に対して略１０°未満の勾配を有する。これにより、前記傾斜面を用いて、レンズの内部の内部全反射による光損失を減少させるとともに、光を広い指向分布を有するように分散させることができる。
一方、前記レンズは、前記下部面に脚部を有することができる。前記脚部は、前記傾斜面に形成されることができる。前記レンズの脚部が前記回路基板に接着される。
本発明の特定の実施例において、前記発光ダイオードチップは、第１導電型の半導体層と、前記第１導電型の半導体層上に互いに離隔して配置され、それぞれ活性層及び第２導電型の半導体層を含む複数のメサと、それぞれ前記複数のメサ上に位置し、第２導電型の半導体層とオーミックコンタクトする反射電極と、前記複数のメサ及び前記第１導電型の半導体層を覆い、前記それぞれのメサの上部領域内に位置し、前記反射電極を露出させる開口部を有し、前記第１導電型の半導体層とオーミックコンタクトし、前記複数のメサから絶縁された電流分散層と、を含み、前記発光ダイオードチップが前記回路基板にフリップボンディングされる。
前記電流分散層が複数のメサ及び第１導電型の半導体層を覆うため、電流分散層により電流分散性能が向上される。
前記第１導電型の半導体層は連続的である。また、前記複数のメサは、一方向に互いに平行に延びる長い形状を有し、前記電流分散層の開口部は、前記複数のメサの同一端部側に寄せて位置することができる。したがって、電流分散層の開口部を介して露出された反射電極を連結するパッドを容易に形成することができる。
前記電流分散層は、Ａｌなどの反射金属を含むことができる。これにより、反射電極による光反射に加えて、電流分散層による光反射が得られるため、複数のメサの側壁及び第１導電型の半導体層を介して進行する光を反射させることができる。
一方、前記反射電極は、それぞれ反射金属層及び障壁金属層を含むことができる。また、前記障壁金属層が前記反射金属層の上面及び側面を覆うことができる。これにより、反射金属層が外部に露出されることが防止されるため、反射金属層の劣化を防止することができる。
前記発光ダイオードチップは、前記電流分散層の少なくとも一部を覆い、前記反射電極を露出させる開口部を有する上部絶縁層と、前記上部絶縁層上に位置し、前記上部絶縁層の開口部を介して露出された反射電極に接続する第２パッドと、前記電流分散層に接続する第１パッドと、をさらに含むことができる。前記第１パッド及び第２パッドは、同一の形状及びサイズを有するように形成されることができる。これにより、フリップチップボンディングを容易に行うことができる。
また、前記発光ダイオードチップは、前記複数のメサと前記電流分散層との間に位置し、前記電流分散層を前記複数のメサから絶縁させる下部絶縁層をさらに含むことができる。前記下部絶縁層は、前記それぞれのメサの上部領域内に位置し、前記反射電極を露出させる開口部を有することができる。
また、前記電流分散層の開口部は、それぞれ前記下部絶縁層の全ての開口部が露出されるように、前記下部絶縁層の開口部より広い幅を有することができる。すなわち、前記電流分散層の開口部の側壁が、前記下部絶縁層上に位置する。さらに、前記発光ダイオードチップは、前記電流分散層の少なくとも一部を覆い、前記反射電極を露出させる開口部を有する上部絶縁層をさらに含むことができる。前記上部絶縁層は、前記電流分散層の開口部の側壁を覆うことができる。
前記下部絶縁層は、反射性誘電層、例えば、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であることができる。
一方、前記発光ダイオードチップは、成長基板をさらに含むことができ、前記成長基板としては、例えば、サファイア基板または窒化ガリウム基板を用いることができる。前記波長変換層は、前記成長基板を覆って、成長基板から外部に放出される光の波長を変換させる。
本発明のさらに他の実施例において、前記レンズは、光が入射される入射面を定義する凹部と、前記レンズに入射された光が出射される出射面と、を含み、前記凹部の入射面及び前記出射面の少なくとも一つは、前記レンズの中心軸から１５°以上の位置に高さ方向に順につながる複数のセクションを含む。
前記複数のセクションにおいて互いに隣合うセクションは、互いに異なる曲率を有することができる。また、前記複数のセクションは、順につながる第１、第２、及び第３セクションを含む。前記第１、第２、及び第３セクションにおける前記中心軸方向の高さは、１μｍ以上であり、前記発光素子の幅未満とすることができる。さらに、前記複数のセクションのそれぞれにおける前記中心軸方向の高さは、１μｍ以上であり、前記発光素子の幅未満とすることができる。
前記複数のセクションにより、互いに異なる波長を有する光の空間色分布で多数の色分離が発生し、複数の発光素子及び複数のレンズを配列することで、色分離が発生した領域が互いに重なって、均一な空間色分布を実現することができる。
前記レンズの凹部及び出射面は、前記レンズの中心軸に対して回転体形状を有することができる。
一方、単一曲率を有する仮想基準面が、前記第１、第２、及び第３セクションをそれぞれ横切ることができる。また、前記第１、第２、及び第３セクション上の任意の地点と前記単一曲率を有する仮想基準面との間の距離は、１０μｍ以内とすることができ、好ましくは５μｍ以内とすることができる。
また、前記出射面は、上側に向かって幅が細くなる凸部と、上側に向かって幅が広くなる凹部と、を有し、前記凹部が前記凸部より中心軸に近く位置する。さらに、前記凹部のセクションが、前記凸部のセクションより低い高さを有することができる。
従来技術による発光モジュールを説明するための断面図である。 従来技術による発光モジュールに採択されたレンズの斜視図である。 本発明の一実施例による発光モジュールを説明するための断面図である。 本発明の一実施例による発光モジュールに採択されたレンズの斜視図である。 本発明の一実施例によるレンズの凹部の形状を説明するための概略図である。 本発明の一実施例による発光モジュールに採択されたレンズの部分拡大断面図である。 レンズの様々な変形例を説明するための断面図である。 レンズの他の変形例を説明するための断面図である。 レンズのさらに他の変形例を説明するための断面図である。 本発明の実施例による発光素子を説明するための概略的な断面図である。 本発明の実施例による発光素子に用いられる発光ダイオードチップの製造方法を説明するための図面であって、図面において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は切取線Ａ‐Ａに沿った断面図である。 本発明の実施例による発光素子に用いられる発光ダイオードチップの製造方法を説明するための図面であって、図面において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は切取線Ａ‐Ａに沿った断面図である。 本発明の実施例による発光素子に用いられる発光ダイオードチップの製造方法を説明するための図面であって、図面において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は切取線Ａ‐Ａに沿った断面図である。 本発明の実施例による発光素子に用いられる発光ダイオードチップの製造方法を説明するための図面であって、図面において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は切取線Ａ‐Ａに沿った断面図である。 本発明の実施例による発光素子に用いられる発光ダイオードチップの製造方法を説明するための図面であって、図面において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は切取線Ａ‐Ａに沿った断面図である。 本発明の実施例による発光素子に用いられる発光ダイオードチップの製造方法を説明するための平面図である。 従来の発光ダイオードパッケージ２００及び本発明のコンフォーマルコーティング層を有するフリップチップ型発光ダイオードチップの指向分布をそれぞれ（ａ）及び（ｂ）で示したグラフである。 従来の発光ダイオードパッケージ２００を用いた発光モジュール及び本発明のコンフォーマルコーティング層を有するフリップチップ型発光ダイオードチップを用いた発光モジュールの指向分布をそれぞれ（ａ）及び（ｂ）で示したグラフである。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はレンズの下部面の傾斜面の多様な勾配による光の出射方向を説明するための概略図である。 （ａ）及び（ｂ）はレンズの下部面の傾斜面の様々な勾配による光の出射角を示したグラフである。 本発明の実施例による発光素子２００ａの光スペクトルを示したグラフである。 本発明の実施例による発光素子２００ａの青色光及び黄色光それぞれの光指向分布を示したグラフである。 本発明の他の実施例によるレンズを説明するための断面図である。 図１９のレンズの入射面を説明するための概略的な一部拡大断面図である。 図１９のレンズの出射面を説明するための概略的な一部拡大断面図である。 図１９のレンズにより具現される光の色分布を説明するための概略図である。 複数のセクションの形成有無による光の空間分布を説明するためのシミュレーション図であって、（ａ）は複数のセクションがない場合の光の空間分布を示し、（ｂ）は複数のセクションが形成された場合の光の空間分布を示す。 実際に具現された光の色分布を撮影したカメラ写真であり、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大した写真である。 複数の発光素子に図１９のレンズをそれぞれ結合した発光モジュールの色分布を説明するための写真である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。以下で紹介される実施例は当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするために例として提供されるものである。従って、本発明は以下説明される実施例に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。そして図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは便宜のために誇張されて表現されることができる。明細書全体にわたって同一の参照番号は同一の構成要素を示す。
図２ａは本発明の一実施例による発光モジュールを説明するための断面図であり、図２ｂは前記発光モジュールのレンズ３００ａの斜視図であり、図２ｃはレンズ３００ａの凹部３２０を説明するための概略図であり、図２ｄはレンズ３００ａの下部面３１０を説明するための部分拡大断面図である。
先ず、図２ａを参照すれば、発光モジュールは、回路基板１００ａと、発光素子２００ａと、レンズ３００ａと、を含む。また、前記発光モジュールは、反射シート１１０を含むことができる。
回路基板１００ａは、回路パターンが形成された印刷回路基板である。ここで、回路基板１００ａ上に一つの発光素子２００ａが実装されたことで図示したが、回路基板１００ａ上に複数の発光素子２００ａが整列され、各発光素子２００ａの上部にレンズ３００ａが配置されることができる。
発光素子２００ａは、従来の発光ダイオードパッケージと異なって、発光ダイオードチップを実装するためのチップ実装部材を備えず、ボンディングワイヤを用いずに、回路基板１００ａ上にフリップボンディングにより直接実装される。すなわち、前記回路基板１００ａが、発光ダイオードチップを実装するためのチップ実装部材として機能する。前記発光素子２００ａは、ボンディングワイヤを用いないため、ワイヤを保護するためのモールディング部が不要である。本発明の実施例による発光素子２００ａについては、図６を参照して詳細に後述する。
前記反射シート１１０は、レンズ３００ａと回路基板１００ａとの間に位置する。反射シート１１０は、可視領域の広い波長範囲の光を反射させることができるように、高い反射率の白色反射物質でコーティングされることができる。反射シート１１０は、回路基板１００ａ側に進行する光をレンズ３００ａの内部に反射させる。
レンズ３００ａは、下部面３１０及び上部面３５０を含むとともに、フランジ３７０及び脚部３９０をさらに含むことができる。前記下部面３１０は、凹部３２０と、前記凹部３２０を取り囲む平坦面３１０ａと、前記平坦面３１０ａを取り囲む傾斜面３１０ｂと、を含む。
前記凹部３２０は、発光素子２００ａからの光がレンズ３００ａの内部に入射される入射面３３０を定義する。すなわち、前記入射面３３０は凹部３２０の内面である。入射面３３０は、側面３３０ａ及び上端面（ｕｐｐｅｒ ｅｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ）３３０ｂを含む。前記凹部３２０は、その入口から上側に向かって細くなる形状を有する。前記側面３３０ａは、入口から上端面３３０ｂまで所定の勾配を有する傾斜面であってもよく、入口から上端面３３０ｂまで勾配が減少する傾斜面であってもよい。すなわち、図２ｃに図示されるように、垂直断面図において、側面３３０ａは、直線であるかまたは上側に凸状の曲線であることができる。
発光素子２００ａは、実質的に凹部３２０の内部に配置される。そのために、凹部３２０の入口の幅Ｗ１は、発光素子２００ａの幅ｗより大きい。一方、凹部３２０の入口の幅Ｗ１は、発光素子２００ａの幅ｗの３倍未満である。本発明の実施例において、発光素子２００ａは、従来の発光素子２００に比べ相対的に小さいサイズを有するため、発光素子２００ａとレンズ３００ａとを高精度に整列させる必要がある。したがって、凹部３２０の入口の幅Ｗ１が発光素子２００ａの幅ｗの３倍未満、さらには２倍以下となるようにすることで、レンズ３００ａと発光素子２００ａとの誤整列を防止することができる。また、発光素子２００ａと入射面３３０との間の距離が近くなって、光が外部に出ることを減少させる効果もある。
一方、前記入射面３３０の上端面３３０ｂは平らな形状を有する。上端面３３０ｂの幅Ｗ２は、入口の幅Ｗ１より小さく、且つ発光素子２００ａの幅ｗより小さい。凹部３２０の入口中心から上端面３３０ｂの縁部までを結ぶ直線と中心軸とがなす角度αが少なくとも３°以上、好ましくは６°以上となるように、上端面３３０ｂの幅Ｗ２が決定されることができる。発光素子２００ａから出射される光のうち、＋１５°〜−１５°の範囲の指向角を有する光が少なくとも前記上端面３３０ｂに入射されるようにすることで、光の分散性を向上させることができる。
前記上端面３３０ｂにより、発光素子２００ａとレンズ３００ａの中心軸が高精度に整列されなかった際に、レンズ３００ａの外部に出射される光の指向分布に大きい変化が発生することが防止される。
一方、前記凹部３２０の高さＨは、発光素子２００ａの指向角、レンズ３００ａの上部面３５０の形状、要求される光の指向分布などに応じて調節されることができる。但し、本実施例において、前記凹部３２０の高さＨは、凹部３２０の入口の幅Ｗ１の減少により、従来技術によるレンズに比べ相対的に小さい値を有することができる。特に、凹部３２０の高さＨは、フランジ３７０の厚さより小さくすることができる。
さらに、図２ａを参照すれば、レンズ３００ａの上部面３５０は、レンズ３００ａの内部に入射された光を、広い指向分布を有するように分散させる形状を有する。例えば、前記レンズ３００ａの上部面３５０は、中心軸の近くに位置する凹面３５０ａと、前記凹面からつながる凸面３５０ｂと、を有することができる。前記凹面３５０ａは、レンズ３００ａの中心軸付近に進行する光を外側に分散させ、前記凸面３５０ｂは、レンズ３００ａの中心軸の外側に出射される光量を増加させる。
一方、前記フランジ３７０は、上部面３５０と下部面３１０とを連結し、レンズの外形サイズを限定する。フランジ３７０の側面及び下部面３１０には凹凸パターンが形成されることができる。一方、前記レンズ３００ａの脚部３９０が回路基板１００ａに結合されてレンズ３００ａを固定する。脚部３９０それぞれの先端は、例えば、接着剤により回路基板１００ａ上に接着されてもよく、回路基板１００ａに形成された孔に嵌められてもよい。
一方、図２ｂに図示されたように、脚部３９０は四つで構成されることができるが、従来のように３つで構成されてもよい。前記脚部３９０は、図２ｄに図示されるように、傾斜面３１０ｂに形成されることができる。
図２ａ及び図２ｄを参照すれば、レンズ３００ａの下部面３１０は、凹部３２０を取り囲む平坦面３１０ａと、平坦面３１０ａを取り囲む傾斜面３１０ｂと、を含む。平坦面３１０ａが回路基板１００ａまたは反射シート１１０に密着することで、レンズ３００ａの下部面における光の損失を防止することができる。図２ｄにおいて、レンズ３００ａの半径をｄ／２と示し、入射面３３０から傾斜面３１０ｂまでの平坦面３１０ａの長さをｂｏと示し、傾斜面３１０ｂの放射状の長さをｂｘと示した。
一方、傾斜面３１０ｂは、前記平坦面３１０ａに対して傾斜角βで上側に傾けられている。傾斜面３１０ｂは、レンズ３００ａの側面、例えば、フランジ３７０の側面までつながる。したがって、レンズ３００ａの側面は、平坦面３１０ａから高さｈだけ上部に位置する。前記傾斜面３１０ｂの傾斜角βは１０°未満であることが好ましい。これについては、図１５及び図１６を参照して詳細に後述する。
図３はレンズの様々な変形例を説明するための断面図である。以下、図１の凹部３２０の様々な変形例を説明する。
図３（ａ）を参照すれば、図１を参照して説明した上端面３３０ｂにおいて、レンズ３００ａの中心軸の近くの一部分が下側に凸の面が形成される。この凸面により、中心軸の付近に入射される光を主として制御することができる。
図３（ｂ）は、図３（ａ）と類似するが、図３（ａ）の上端面において、中心軸に垂直な面が上側に凸に形成される点で異なる。上端面が上側に凸の面及び下側に凸の面の両方で構成されることで、発光素子とレンズとの整列誤差による光指向分布の変化を緩和することができる。
図３（ｃ）を参照すれば、図１を参照して説明した上端面３３０ｂにおいて、中心軸の近くの一部分が上側に凸の面が形成される。この凸面により、中心軸の付近に入射される光をさらに分散させることができる。
図３（ｄ）は、図３（ｃ）と類似するが、図３（ｃ）の上端面において、中心軸に垂直な面が下側に凸に形成される点で異なる。上端面が上側に凸の面及び下側に凸の面の両方で構成されることで、発光素子とレンズとの整列誤差による光指向分布の変化を緩和することができる。
図４は本発明のレンズの他の変形例を説明するための断面図である。
図４を参照すれば、上端面３３０ｂに光散乱パターン３３０ｃが形成されている。前記光散乱パターン３３０ｃは凹凸パターンからなることができる。
通常、レンズの中心軸の付近に相対的に多くの光束が集中される。また、本発明の実施例は、上端面３３０ｂが中心軸に垂直な面であるため、中心軸の付近に光束がさらに集中され得る。したがって、前記上端面３３０ｂに光散乱パターン３３０ｃを形成することで、中心軸Ｃの付近の光束を分散させることができる。
図５は本発明のレンズのさらに他の変形例を説明するための断面図である。
図５を参照すれば、本実施例によるレンズ4００ａは、図２ａから図２ｄを参照して説明したレンズ３００ａとほぼ類似するが、上部面４５０の形状及び脚部４９０の位置が異なる。すなわち、図２ａの凹面３５０ａに代えて、相対的に平らな平坦面４５０ａがレンズ４００ａの中心軸の付近に配置され、凸面４５０ｂが平坦面４５０ａの外側につながる。一方、脚部４９０がレンズ４００ａの側面付近に配置される。
レンズの形状は、所望の光の指向分布などを考慮して様々な形態に変形されることができる。
図６は本発明の実施例による発光素子２００ａを説明するための概略的な断面図である。
図６を参照すれば、前記発光素子２００ａは、発光ダイオードチップ２１０と、波長変換層２４０と、を含む。前記発光ダイオードチップ２１０は、基板２１１と、半導体積層体２１３と、電極パッド２１５ａ、２１５ｂと、を含むことができる。
前記発光ダイオードチップ２１０は、フリップチップであって、電極パッド２１５ａ、２１５ｂがチップの下部に位置する。発光ダイオードチップ２１０の幅ｗは、略０．７〜１．５ｍｍの範囲であることができる。
基板２１１は、半導体層を成長させるための成長基板であることができ、例えば、サファイア基板または窒化ガリウム基板であることができる。特に、前記基板２１１がサファイア基板である場合、半導体積層体２１３、サファイア基板２１１、波長変換層２４０に屈折率が徐々に減少して、光抽出効率を向上することができる。特定の実施例において、前記基板２１１は省略されてもよい。
半導体積層体２１３は、窒化ガリウム系の化合物半導体からなり、紫外線または青色系列の光を放出することができる。
発光ダイオードチップ２１０は回路基板１００ａ上に直接実装される。発光ダイオードチップ２１０は、ボンディングワイヤを用いずに、フリップボンディングされて回路基板１００ａ上の印刷回路に直接連結される。本発明によれば、発光ダイオードチップ２１０を前記回路基板１００ａ上にボンディングする時にワイヤを用いないため、ワイヤを保護するためのモールディング部が不要であって、ボンディングパッドを露出させるために波長変換層２４０の一部を除去する必要もない。したがって、フリップチップ型発光ダイオードチップ２１０を採択することで、ボンディングワイヤを用いた発光ダイオードチップを用いる場合に比べ、色ずれや輝度ムラ現象が除去され、モジュール製造工程が単純化されることができる。
本発明の一実施例によるフリップチップ型発光ダイオードチップについて、図７から図１２を参照して詳細に後述する。
一方、波長変換層２４０は発光ダイオードチップ２１０を覆う。図示したように、コンフォーマルコーティングされた波長変換層２４０、例えば、蛍光体層が発光ダイオードチップ２１０上に形成されて、発光ダイオードチップ２１０から放出された光を波長変換することができる。波長変換層２４０は、発光ダイオードチップ２１０にコーティングされ、発光ダイオードチップ２１０の上面及び側面を覆うことができる。特定の実施例において、波長変換層２４０は発光ダイオードチップ２１０の上面のみを覆うように形成されてもよい。発光ダイオードチップ２１０から放出された光と波長変換層２４０を用いて多様な色の光を具現することができ、特に、白色光などの混合光を具現することができる。
本実施例において、コンフォーマルコーティングされた波長変換層２４０は、発光ダイオードチップ２１０上に予め形成されて、発光ダイオードチップ２１０とともに回路基板１００ａ上に実装されることができる。
以下、発光ダイオードチップ２１０の容易な理解のために、その製造方法を説明する。
図７から図１１は本発明の一実施例によるフリップチップ型発光ダイオードチップの製造方法を説明するための図面であって、各図面において（ａ）は平面図であり、（ｂ）は切取線Ａ−Ａに沿った断面図である。
先ず、図７を参照すれば、成長基板２１上に第１導電型の半導体層２３を形成し、第１導電型の半導体層２３上に、メサエッチングにより複数のメサ（ｍｅｓａ）Ｍを互いに離隔するように形成する。複数のメサＭは、それぞれ活性層２５及び第２導電型の半導体層２７を含む。活性層２５は、第１導電型の半導体層２３と第２導電型の半導体層２７との間に位置する。一方、複数のメサＭ上には、それぞれ反射電極３０が位置する。
複数のメサＭは、成長基板２１上に、第１導電型の半導体層２３、活性層２５、及び第２導電型の半導体層２７を含むエピ層を金属有機化学気相成長法などにより成長させた後、第１導電型の半導体層２３が露出されるように、第２導電型の半導体層２７及び活性層２５をパターニングすることで形成することができる。複数のメサＭの側面は、フォトレジストリフローなどの技術により、傾斜するように形成することができる。メサＭの側面の傾斜したプロファイルは、活性層２５で生成された光の抽出効率を向上させる。
複数のメサＭは、図示したように、一方向に互いに平行に延びる長い形状を有することができる。このような形状により、成長基板２１上の複数のチップ領域に同一形状の複数のメサＭを形成する工程が単純化される。
一方、反射電極３０は、複数のメサＭを形成した後、各メサＭ上に形成することができるが、これに限定されるものではなく、第２導電型の半導体層２７を成長させてメサＭを形成する前に、第２導電型の半導体層２７上に予め形成してもよい。反射電極３０は、メサＭのほとんどの上面を覆い、メサＭの平面形状とほぼ同一の形状を有する。
反射電極３０は、反射層２８及び障壁層２９を含むことができる。障壁層２９は、反射層２８の上面及び側面を覆うことができる。例えば、反射層２８のパターンを形成し、その上に障壁層２９を形成することで、反射層２８の上面及び側面を覆うように障壁層２９を形成することができる。例えば、反射層２８は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ｎｉ／Ａｇ、ＮｉＺｎ／Ａｇ、またはＴｉＯ／Ａｇを含む層を蒸着及びパターニングすることで形成することができる。一方、障壁層２９は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、もしくはＴｉＷを含む層またはそれらの複合層を含むことができ、反射層の金属物質が拡散または汚染されることを防止する。
複数のメサＭを形成した後、第１導電型の半導体層２３の縁部もエッチングすることができる。これにより、基板２１の上部面を露出させることができる。第１導電型の半導体層２３の側面も傾斜するように形成することができる。
複数のメサＭは、図７に図示したように、第１導電型の半導体層２３の上部領域の内部に限定されて位置するように形成することができる。すなわち、複数のメサＭは、第１導電型の半導体層２３の上部領域上に島状に位置することができる。または、図１２に図示したように、一側方向に延びるメサＭが、第１導電型の半導体層２３の上部端に到逹するように形成してもよい。すなわち、複数のメサＭの下部面の一側方向の端部が、第１導電型の半導体層２３の一側方向の端部と一致する。これにより、第１導電型の半導体層２３の上部面が複数のメサＭにより区画される。
図８を参照すれば、複数のメサＭ及び第１導電型の半導体層２３を覆うように下部絶縁層３１を形成する。下部絶縁層３１は、特定領域で第１導電型の半導体層２３及び第２導電型の半導体層２７に電気的接続を許容するための開口部３１ａ、３１ｂを有する。例えば、下部絶縁層３１は、第１導電型の半導体層２３を露出させる開口部３１ａと、反射電極３０を露出させる開口部３１ｂと、を有することができる。
開口部３１ａは、メサＭの間の領域及び基板２１の端縁付近に位置し、メサＭに沿って延びる長い形状を有することができる。一方、開口部３１ｂは、メサＭの上部に限定されて位置し、メサの同一端部側に寄せて位置する。
下部絶縁層３１としては、化学気相蒸着（ＣＶＤ）などの技術により、ＳｉＯ２などの酸化膜、ＳｉＮｘなどの窒化膜、ＳｉＯＮ、ＭｇＦ２の絶縁膜を用いることができる。下部絶縁層３１は、単一層で構成することもできるが、これに限定されるものではなく、多重層で構成してもよい。また、下部絶縁層３１は、低屈折物質層と高屈折物質層とが交互に積層された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：distributed Bragg reflector）とすることができる。例えば、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２やＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５などの誘電層を積層することで、反射率の高い絶縁反射層を形成することができる。
図９を参照すれば、下部絶縁層３１上に電流分散層３３を形成する。電流分散層３３は、複数のメサＭ及び第１導電型の半導体層２３を覆う。また、電流分散層３３は、それぞれのメサＭの上部領域内に位置し、反射電極を露出させる開口部３３ａを有する。電流分散層３３は、下部絶縁層３１の開口部３１ａを介して第１導電型の半導体層２３とオーミックコンタクトすることができる。電流分散層３３は、下部絶縁層３１により複数のメサＭ及び反射電極３０から絶縁される。
電流分散層３３の開口部３３ａは、電流分散層３３が反射電極３０に接続することを防止するために、それぞれ下部絶縁層３１の開口部３１ｂより広い面積を有する。したがって、開口部３３ａの側壁は下部絶縁層３１上に位置する。
電流分散層３３は、開口部３３ａを除いた基板２１の略全領域の上部に形成される。したがって、電流分散層３３により電流が容易に分散されることができる。電流分散層３３は、Ａｌ層などの高反射金属層を含み、高反射金属層はＴｉ、ＣｒまたはＮｉなどの接着層上に形成することができる。また、高反射金属層上に、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕなどの単層または複合層の構造を有する保護層を形成することができる。電流分散層３３は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層構造を有することができる。
図１０を参照すれば、電流分散層３３上に上部絶縁層３５を形成する。上部絶縁層３５は、電流分散層３３を露出させる開口部３５ａとともに、反射電極３０を露出させる開口部３５ｂを有する。開口部３５ａは、メサＭの長さ方向に垂直な方向に長い形状を有し、開口部３５ｂに比べ相対的に広い面積を有することができる。開口部３５ｂは、電流分散層３３の開口部３３ａ及び下部絶縁層３１の開口部３１ｂを介して露出された反射電極３０を露出させる。開口部３５ｂは、電流分散層３３の開口部３３ａに比べより狭い面積を有し、且つ下部絶縁層３１の開口部３１ｂより広い面積を有することができる。これにより、電流分散層３３の開口部３３ａの側壁が、上部絶縁層３５によって覆われることができる。
上部絶縁層３５は、酸化物絶縁層、窒化物絶縁層、もしくはこれら絶縁層を積層した複合層、またはこれら絶縁層を交互に重ねた複合層とすることができる。また、上部絶縁層３５は、ポリイミド、テフロン（登録商標）、パリレンなどのポリマーを用いて形成してもよい。
図１１を参照すれば、上部絶縁層３５上に第１パッド３７ａ及び第２パッド３７ｂを形成する。第１パッド３７ａは上部絶縁層３５の開口部３５ａを介して電流分散層３３に接続し、第２パッド３７ｂは上部絶縁層３５の開口部３５ｂを介して反射電極３０に接続する。第１パッド３７ａ及び第２パッド３７ｂは、発光ダイオードを回路基板などに実装するために、バンプを接続させるかＳＭＴ（Surface Mount Technology）のためのパッドとして用いることができる。
第１及び第２パッド３７ａ、３７ｂは、同一工程でともに形成することができる。例えば、リソグラフィ技術またはリフトオフ技術により形成することができる。第１及び第２パッド３７ａ、３７ｂは、例えば、Ｔｉ、ＣｒまたはＮｉなどの接着層、及びＡｌ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕなどの高伝導金属層を含むことができる。第１及び第２パッド３７ａ、３７ｂは、その端部が同一平面上に位置するように形成することができる。これにより、発光ダイオードチップ２１０を回路基板１００ａ〜１００ｄ上に同一高さに形成された導電パターン上にフリップボンディングすることができる。
その後、成長基板２１を個別発光ダイオードチップ単位に分割することで、発光ダイオードチップが完成される。成長基板２１は、個別発光ダイオードチップ単位に分割される前または後に、発光ダイオードチップから除去してもよい。
以下、本発明の一実施例による発光ダイオードチップの構造について図９〜１１を参照して詳細に説明する。
発光ダイオードチップは、第１導電型の半導体層２３と、活性層２５及び第２導電型の半導体層２７を含むメサＭと、反射電極３０と、電流分散層３３と、成長基板２１と、下部絶縁層３１と、上部絶縁層３５と、第１及び第２パッド３７ａ、３７ｂと、を含むことができる。
基板２１は、窒化ガリウム系エピ層を成長させるための成長基板、例えば、サファイア基板または窒化ガリウム基板であることができる。前記基板２１は、例えば、サファイア基板であり、２００μｍ以上、好ましくは２５０μｍ以上の厚さを有することができる。
第１導電型の半導体層２３は連続的であって、第１導電型の半導体層２３上に複数のメサＭが互いに離隔して位置する。メサＭは、図７を参照して説明したように、活性層２５及び第２導電型の半導体層２７を含み、一方向に向かって延びた長い形状を有する。ここで、メサＭは、窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造を有する。図７に図示したように、メサＭは、第１導電型の半導体層２３の上部領域内に限定されて位置することができる。または、図１２に図示したように、メサＭは、一方向に沿って第１導電型の半導体層２３の上部面の端部まで延びることができる。これにより、第１導電型の半導体層２３の上部面が複数の領域に区画されることができる。したがって、メサＭの角付近に電流が集中されることが緩和され、電流分散性能をより強化することができる。
反射電極３０は、それぞれ複数のメサＭ上に位置して、第２導電型の半導体層２７とオーミックコンタクトする。反射電極３００は、図７を参照して説明したように、反射層２８及び障壁層２９を含み、障壁層２９が反射層２８の上面及び側面を覆うことができる。
電流分散層３３は、複数のメサＭ及び第１導電型の半導体層２３を覆う。電流分散層３３は、それぞれのメサＭの上部領域内に位置しており、反射電極３０を露出させる開口部３３ａを有する。また、電流分散層３３は、第１導電型の半導体層２３とオーミックコンタクトし、複数のメサＭから絶縁される。電流分散層３３はＡｌなどの反射金属を含むことができる。
電流分散層３３は、下部絶縁層３１により複数のメサＭから絶縁されることができる。例えば、下部絶縁層３１は、複数のメサＭと電流分散層３３との間に位置して、電流分散層３３を複数のメサＭから絶縁させることができる。また、下部絶縁層３１は、それぞれのメサＭの上部領域内に位置しており、反射電極３０を露出させる開口部３１ｂと、第１導電型の半導体層２３を露出させる開口部３１ａと、を有することができる。電流分散層３３は、開口部３１ａを介して第１導電型の半導体層２３に接続することができる。下部絶縁層３１の開口部３１ｂは、電流分散層３３の開口部３３ａに比べ狭い面積を有し、開口部３３ａにより全て露出される。
上部絶縁層３５は電流分散層３３の少なくとも一部を覆う。また、上部絶縁層３５は、反射電極３０を露出させる開口部３５ｂを有する。さらに、上部絶縁層３５は、電流分散層３３を露出させる開口部３５ａを有することができる。上部絶縁層３５は、電流分散層３３の開口部３３ａの側壁を覆うことができる。
第１パッド３７ａは、電流分散層３３上に位置しており、例えば、上部絶縁層３５の開口部３５ａを介して電流分散層３３に接続することができる。また、第２パッド３７ｂは、開口部３５ｂを介して露出された反射電極３０に接続する。第１パッド３７ａ及び第２パッド３７ｂは、図１１に図示したように、上端部が同一高さに位置することができる。
本発明によれば、電流分散層３３は、メサＭ及びメサＭの間の第１導電型の半導体層２３の略全領域を覆う。したがって、電流分散層３３により電流を容易に分散させることができる。
また、電流分散層３３がＡｌなどの反射金属層を含むか、下部絶縁層を絶縁反射層として形成することで、反射電極３０により反射されない光を電流分散層３３または下部絶縁層３１を用いて反射させることができるため、光抽出効率を向上させることができる。
本実施例によるフリップチップ型発光ダイオードチップは、相対的に広い指向分布を有することができる。
図１３は、従来の発光ダイオードパッケージ２００及び本発明の一実施例による発光素子、すなわち、コンフォーマルコーティング層２４０を有するフリップチップ型発光ダイオードチップ２１０の指向分布を示したグラフである。
図１３（ａ）を参照すれば、従来の発光ダイオードパッケージ２００は、約１２０°の指向角を有する。一方、本発明の発光素子は、図１３（ｂ）に示したように約１４５°の指向角を有する。すなわち、本発明のチップレベルの発光素子は、従来のパッケージレベル発光素子に比べ、約２５°増加された指向角を有することが分かる。
図１４（ａ）は１２０°の指向角を有する従来の発光ダイオードパッケージを用いた発光モジュールの指向分布を示し、図１４（ｂ）は本発明の１４５°の指向角を有する、コンフォーマルコーティング層２４０が備えられたフリップチップ型発光ダイオードチップ２１０を用いた発光モジュールの指向分布を示したグラフである。ここで、各方向に同一の照度分布を有する発光素子及びレンズを用いて、一軸方向の光指向分布をシミュレーションした。光指向分布は、各発光素子から５ｍ離隔した地点での指向角による光度を示したものである。ここで、レンズの下部面は、傾斜面３１０ｂなしに全体的に平らな面とした。
このグラフにおいて、最大光度値の間の角度が大きいほど、且つ最大光度値に対する中心での光度の割合（Ｃ／Ｐ）が小さいほど、光がより広く且つ均一に分散される。図１４（ａ）の場合、最大光度値の間の角度が１４６°であり、最大光度に対する中心での光度の割合が１０％である。また、図１４（ｂ）の場合、その値がそれぞれ１５２°及び４．５％である。また、光度が５０％である地点の角度を比較すれば、図１４（ａ）の場合は６５°であり、図１４（ｂ）の場合は７０°である。したがって、本発明のコンフォーマルコーティング層２４０が形成されたフリップチップ型発光ダイオードチップ２１０を用いて発光モジュールを製作する場合、従来の発光モジュールに比べ、より広く且つ均一に光を分散させることができる。
図１５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、レンズの下部面の傾斜面３１０ｂの多様な勾配による光の出射方向を説明するための概略図である。
発光素子２００ａの側面下部からレンズの下部面の平坦面３１０ａに対して０°〜３°の範囲内の角度で出射された光のビーム線をシミュレーションし、レンズ３００ａから出射された光とレンズの下部面の平坦面３１０ａとがなす角γを算出した。
図１５（ａ）の場合、傾斜角βが約４°であり、レンズ３００ａから出射されたビーム線の角γが９°であった。したがって、レンズの中心軸に対する出射角９０−γは８１°である。
一方、図１５（ｂ）の場合、傾斜角βが約９．５°であり、レンズ３００ａから出射されたビーム線の角γが２４°であった。したがって、レンズの中心軸に対する出射角９０−γは６６°である。
一方、図１５（ｃ）の場合、傾斜角βが約２３°であり、レンズ３００ａから出射されたビーム線がレンズ３００ａの内部で内部全反射し、反対側の側面を介して出射された。この際の角γは３９°であった。したがって、レンズの中心軸に対する出射角９０−γは５１°である。
上記のシミュレーションを多様な角度に対して行い、レンズの下部面の傾斜面の多様な傾斜角βによるビーム線の角γを算出して図１６（ａ）のグラフに示した。また、図１６（ａ）のグラフを光出射角９０−γに変換して図１６（ｂ）のグラフに示した。
図１６（ａ）または図１６（ｂ）を参照すれば、傾斜角βが増加するにつれて角γが徐々に増加し、傾斜角βが約２０°を超過する際に、図１５（ｃ）のように、レンズの内部で光の内部全反射が発生することが分かる。一方、傾斜角βが５°未満である際には、傾斜角βが増加するにつれて角γが緩やかに増加するが、傾斜角βが５°である際に角γが相対的に急激に増加し、１５°以上の際には略直線に収束した。
上記のシミュレーション結果によれば、傾斜角βが２０°を超過する場合、レンズ３００ａの内部で内部全反射が発生するため、光損失が発生し、出射角９０−γが７０°未満の値を有するため、光がレンズの中心軸付近に集束して、均一な光の具現を妨害する。
一方、傾斜角βが約１０°〜２０°である場合、ビーム線は内部全反射を起こすことなくレンズの側面を介して外部に出射されるが、出射角９０−γが７０°未満の値を有するため、光がレンズの中心軸付近に集束して、均一な光の具現を邪魔する。
これに対して、傾斜角βが１０°未満である場合、出射角９０−γが略７０°を超過するため、光を広く分散させることができて好ましい。
一方、上述のような波長変換層２４０がコーティングされた発光ダイオードチップ２１０を適用した発光素子の場合、波長変換層２４０の厚さ、波長変換層２４０内の蛍光体の分布、発光ダイオードチップ２１０に放出される光の分布などによって、発光素子２００ａの空間色分布での色ずれが激しい。
図１７は本発明の実施例による発光素子２００ａの光スペクトルを示したグラフである。
図１７を参照すれば、発光ダイオードチップ２１０の青色光と蛍光体の黄色光とが混合された光スペクトルを観察することができる。青色光は約４５０ｎｍのピーク波長を有し、黄色光は、緑領域から赤領域にわたって広いスペクトル分布を有する。
図１８は本発明の実施例による発光素子２００ａの青色光及び黄色光それぞれの光指向分布を示したグラフである。発光ダイオードチップ２１０から放出された光を青色光フィルタ及び黄色光フィルタを用いてフィルタリングすることで、各光の光指向分布を測定した。４００〜５００ｎｍの光を透過する青色フィルタを用いて青色光の光指向分布を測定し、５００〜８００ｎｍの光を透過する黄色フィルタを用いて黄色光の光指向分布を測定した。
図１８を参照すれば、指向角０°付近では、青色光Ｂと黄色光Ｙの光分布が類似するが、指向角１５°以上では、これらの光分布に差が発生して、空間的な色ずれが激しく発生する。
このような発光素子に光拡散レンズを適用する場合、空間的な色ずれを減少させるための対策が要求される。以下では、空間的な色ずれを最小化するためのレンズについて説明する。
図１９は本発明の他の実施例によるレンズ６００を説明するための断面図であり、図２０は前記レンズ６００の入射面６３０の一部拡大図であり、図２１は前記レンズ６００の上部面６５０の一部拡大図である。
本実施例によるレンズは、図２ａから図２ｄを参照して説明したレンズ３００ａと類似するが、凹部の入射面６３０、上部面の凹部６５０ａ及び凸部６５０ｂがそれぞれ複数のセクション６３０ａ１〜６３０ａｎ、６５０ａ１〜６５０ａｎ、６５０ｂ１〜６５０ｂｎを含む点で異なる。以下では、図２ａから図２ｄを参照して説明したレンズ３００ａと重複される事項についての説明は省略し、複数のセクション６３０ａ１〜６３０ａｎ、６５０ａ１〜６５０ａｎ、６５０ｂ１〜６５０ｂｎについて説明する。
先ず、図１９及び図２０を参照すれば、前記複数のセクション６３０ａ１〜６３０ａｎにおいて、互いに隣合うセクションは互いに異なる曲率を有することができる。互いに異なる曲率を有するセクションが連続的につながって、入射面の側面６３０ａを構成する。
前記複数のセクション６３０ａ１〜６３０ａｎは、図２０に図示したように、互いに高さ方向につながる第１セクション６３０ａ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６３０ａ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６３０ａ（ｎ−ｋ＋１）を含むことができる。第２セクション６３０ａ（ｎ−ｋ）の曲率は、第１セクション６３０ａ（ｎ−ｋ−１）及び第３セクション６３０ａ（ｎ−ｋ＋１）の曲率と異なる。また、第１セクション６３０ａ（ｎ−ｋ−１）の曲率は、第３セクション６３０ａ（ｎ−ｋ＋１）の曲率と異なってもよく、同一であってもよい。
一方、第１セクション６３０ａ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６３０ａ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６３０ａ（ｎ−ｋ＋１）それぞれの高さａ１、ａ２、ａ３は１μｍ以上であり、発光素子２００ａの幅より小さい。各セクションの高さが１μｍ未満である場合、各セクションを通過する光の干渉または回折現象が激しくなるため好ましくない。また、各セクションの高さが高すぎる場合には、所望の効果を達成することが困難である。
第１セクション６３０ａ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６３０ａ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６３０ａ（ｎ−ｋ＋１）それぞれの高さａ１、ａ２、ａ３は、互いに同一であってもよく、異なってもよい。また、前記複数のセクション６３０ａ１〜６３０ａｎの垂直方向（レンズの中心軸方向）の高さは、全て１μｍ以上であり、発光素子２００ａの幅より小さくすることができる。隣合うセクションの曲率を異なるようにすることで、入射面６３０に入射される光を波長に応じて色分離することができる。
前記複数のセクションは、特に発光ダイオードチップ２１０のスペクトル毎の光指向分布を考慮して、中心軸から１５°以上の領域に配置することができる。すなわち、中心軸から１５°未満の領域には、複数のセクションを配置しないかまたは相対的に少ないセクションを配置することができ、中心軸から１５°以上の領域には、相対的に多くのセクションを配置することができる。
一方、図２０に図示したように、単一曲率を有する仮想基準面６３０ｒが前記第１セクション６３０ａ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６３０ａ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６３０ａ（ｎ−ｋ＋１）を横切るように、前記第１セクション６３０ａ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６３０ａ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６３０ａ（ｎ−ｋ＋１）を順につなげることができる。単一曲率を有する仮想基準面６３０ｒは、図２ａの入射面３３０の側面３３０ａに相当する。また、第１セクション６３０ａ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６３０ａ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６３０ａ（ｎ−ｋ＋１）上の任意の各地点と仮想基準面６３０ｒとの間の距離は、１０μｍを超過せず、好ましくは５μｍ以内とすることができる。
図１９及び図２１を参照すれば、前記複数のセクション６５０ｂ１〜６５０ｂｎにおいて、互いに隣合うセクションは互いに異なる曲率を有することができる。互いに異なる曲率を有するセクションが連続的につながって、凸部６５０ｂを構成することができる。
前記複数のセクション６５０ｂ１〜６５０ｂｎは、図２１に図示したように、互いに高さ方向につながる第１セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ＋１）を含む。第２セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ）の曲率は、第１セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ−１）及び第３セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ＋１）の曲率と異なる。また、第１セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ−１）の曲率は、第３セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ＋１）の曲率と異なってもよく、同一であってもよい。
一方、第１セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ＋１）それぞれの高さｂ１、ｂ２、ｂ３は、１μｍ以上であり、発光素子２００ａの幅より小さい。各セクションの高さが１μｍ未満である場合、各セクションを通過する光の干渉または回折現象が激しくなるため好ましくない。また、各セクションの高さが高すぎる場合、所望の効果を達成することが困難である。
第１セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ＋１）それぞれの高さｂ１、ｂ２、ｂ３は、互いに同一であってもよく、異なってもよい。また、前記複数のセクション６５０ｂ１〜６５０ｂｎの垂直方向（レンジの中心軸方向）の高さは、全て１μｍ以上であり、発光素子２００ａの幅より小さくすることができる。隣合うセクションの曲率を異なるようにすることで、凸部６５０ｂから出射される光を波長に応じて色分離することができる。
一方、図２１に図示したように、単一曲率を有する仮想基準面６５０ｒが前記第１セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ＋１）を横切るように、前記第１セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ＋１）を順につなげることができる。単一曲率を有する仮想基準面６５０ｒは、図２ａの凸面３５０ｂの一部分に相当する。また、第１セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ−１）、第２セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ）、及び第３セクション６５０ｂ（ｎ−ｋ＋１）上の任意の各地点と仮想基準面６５０ｒとの間の距離は、１０μｍを超過せず、好ましくは５μｍ以内とすることができる。
上部面６５０の凹部６５０ａも複数のセクション６５０ａ１〜６５０ａｎを含み、これらセクション６５０ａ１〜６５０ａｎは、上述の方式と同様に、第１、第２、及び第３セクションを含むことができる。複数のセクション６５０ａ１〜６５０ａｎは、複数のセクション６５０ｂ１〜６５０ｂｎと同様の方式で構成されることができ、これについての詳細な説明は重複を避けるために省略する。但し、複数のセクション６５０ａ１〜６５０ａｎそれぞれの高さを、複数のセクション６５０ｂ１〜６５０ｂｎのそれぞれの高さより小さくすることができる。
但し、前記複数のセクションは、発光素子２００ａのスペクトル毎の光指向分布（図１９参照）を考慮して配置することができる。したがって、中心軸から１５°以上の領域に複数のセクションが配置され、中心軸から１５°未満の領域に相対的に少ないセクションを配置することができる。
図２２は図１９のレンズにより具現される光の色分布を説明するための概略図である。
図２２を参照すれば、レンズ６００を介して放出される光は、例えば、青色の濃い領域Ｂと黄色の濃い領域Ｙとに区分される。入射面６３０及び上部面６５０が中心軸に対して対称の回転体形状を有するため、それぞれの領域Ｂ、Ｙは、リング状に現れる。
レンズ６００の入射面６３０及び上部面６５０をより密なセクションに区分するほど、レンズ６００ａを介して出射される光がより多くの領域Ｂ、Ｙに分けられる。
図２３は、複数のセクションの形成有無による光の空間分布を説明するためのシミュレーション図面であって、（ａ）は複数のセクションがない場合の光の空間分布を示し、（ｂ）は複数のセクションが形成された場合の光の空間分布を示す。
レンズを介して出射される光のスペクトル毎の空間分布を確認するために、入射面を基準として中心軸から２０°以下の領域ｉ及び中心軸から３０°〜５０°の領域ｉｉに青色光及び緑色光を同一に入射させ、レンズを通過した光の色分布をシミュレーションした。
図２３（ａ）に示すように、複数のセクションが形成されていない場合には、ｉ領域に入射された光はよく混合されるが、ｉｉ領域に入射された光は、緑色光がよく広がらず、狭い空間に集中的に分布する。この緑色光の集中現象により、色ずれが発生する。
一方、図２３（ｂ）に示すように、複数のセクションが形成されている場合には、ｉ及びｉｉ領域に入射された光が両方ともよく混合され、また、光が広く広がることが分かる。したがって、入射面の全体領域に光が入射される場合、青色光及び緑色光が広く広がって、色混合がよくなる。
図２４は実際に具現された光の色分布を示した写真であり、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大した写真である。前記光の色分布は、レンズから約２５ｍｍ離れて位置する拡散プレートに照射された光イメージを撮影したものである。
図２４に示すように、本実施例によるレンズを適用する場合、発光ダイオードチップ２１０から放出された青色光と波長変換層２４０から放出された黄色光の色分離により、青色の濃い領域Ｂと黄色の濃い領域Ｙとがリング状に繰り返されることが分かる。
図２５は複数の発光素子に、図１９を参照して説明したレンズをそれぞれ結合させた発光モジュールの色分布を説明するための写真である。前記発光モジュールの色分布は、レンズから約２５ｍｍ離れて位置する拡散プレートに照射された光イメージを撮影したものである。
図２５を参照すれば、前記発光モジュールから放出される光は、広い領域にわたって均一な色分布を示すことを確認することができる。すなわち、青色の濃い領域Ｂと黄色の濃い領域Ｙを多数の密な領域に分離することで、全体発光モジュールにおいてこれら領域が互いに重なって均一な色分布を具現することができる。
以上、様々な実施例について説明したが、本発明は特定の実施例に限定されるものではない。また、特定の実施例で説明した構成要素は、本発明の思想を外れない限り、他の実施例で同一または類似に適用することができる。

Claims (22)

  1. 回路基板と、
    発光ダイオードチップ、及び前記発光ダイオードチップにコーティングされた波長変換層を有し、前記回路基板に実装された発光素子と、
    前記発光素子から放出された光を分散させるレンズと、を含む発光モジュールであって、
    前記レンズは、光が入射される入射面を定義する凹部と、前記レンズに入射された光が出射される上部面と、を含み、
    前記凹部の入射面及び前記上部面の少なくとも一つは、前記レンズの中心軸から１５°以上の位置に高さ方向に順につながる複数のセクションを含む、発光モジュール。
  2. 前記複数のセクションにおいて互いに隣合うセクションは互いに異なる曲率を有する、請求項１に記載の発光モジュール。
  3. 前記複数のセクションは順につながる第１、第２、及び第３セクションを含み、前記第１、第２、及び第３セクションにおける前記中心軸方向の高さは、１μｍ以上であり、前記発光素子の幅未満である、請求項１に記載の発光モジュール。
  4. 前記複数のセクションにおける前記中心軸方向の高さは、１μｍ以上であり、前記発光素子の幅未満である、請求項３に記載の発光モジュール。
  5. 前記レンズの凹部及び上部面は前記中心軸に対して回転体形状を有する、請求項１に記載の発光モジュール。
  6. 前記発光ダイオードチップは、前記回路基板にフリップボンディングされたフリップチップ型発光ダイオードチップであり、前記発光素子は前記レンズの凹部内に配置される、請求項１に記載の発光モジュール。
  7. 前記レンズの凹部の入口の幅は、前記発光素子の幅より大きく、前記発光素子の幅の３倍未満である、請求項１に記載の発光モジュール。
  8. 単一曲率を有する仮想基準面が前記第１、第２、及び第３セクションをそれぞれ横切る、請求項３に記載の発光モジュール。
  9. 前記第１、第２、及び第３セクション上の任意の地点と前記単一曲率を有する仮想基準面との間の距離は１０μｍ以内である、請求項８に記載の発光モジュール。
  10. 前記上部面は、上側に向かって幅が細くなる凸部と、上側に向かって幅が広くなる凹部と、を有し、前記凹部が前記凸部より中心軸に近く位置する、請求項１に記載の発光モジュール。
  11. 前記上部面の凹部は複数のセクションを含み、前記凹部のセクションが前記凸部のセクションより低い高さを有する、請求項１０に記載の発光モジュール。
  12. 発光素子から放出された光を分散させるレンズであって、
    光が入射される入射面を定義する凹部と、
    前記レンズに入射された光が出射される上部面と、を含み、
    前記凹部の入射面及び前記上部面の少なくとも一つは、前記レンズの中心軸から１５°以上の位置に高さ方向に順につながる複数のセクションを含む、レンズ。
  13. 前記複数のセクションにおいて互いに隣合うセクションは互いに異なる曲率を有する、請求項１２に記載のレンズ。
  14. 前記複数のセクションは順につながる第１、第２、及び第３セクションを含み、前記第１、第２、及び第３セクションにおける前記中心軸方向の高さは、１μｍ以上であり、前記発光素子の幅未満である、請求項１２に記載のレンズ。
  15. 前記複数のセクションにおける前記中心軸方向の高さは、１μｍ以上であり、前記発光素子の幅未満である、請求項１４に記載のレンズ。
  16. 前記レンズの凹部及び上部面は前記中心軸に対して回転体形状を有する、請求項１２に記載のレンズ。
  17. 前記レンズの入射面は、上端面と、前記上端面から凹部の入口までつながる側面と、を含み、
    前記凹部は、その入口から前記上端面まで上側に向かって幅が細くなる形状を有し、前記上端面は平坦面である、請求項１２に記載のレンズ。
  18. 前記凹部を取り囲む平坦面、及び前記平坦面を取り囲む傾斜面を有する下部面をさらに含む、請求項１２に記載のレンズ。
  19. 前記上部面は、上側に向かって幅が細くなる凸部と、上側に向かって幅が広くなる凹部と、を有し、前記凹部が前記凸部より中心軸に近く位置する、請求項１２に記載のレンズ。
  20. 前記上部面の凹部は複数のセクションを含み、前記凹部のセクションが前記凸部のセクションより低い高さを有する、請求項１９に記載のレンズ。
  21. 単一曲率を有する仮想基準面が前記第１、第２、及び第３セクションをそれぞれ横切る、請求項１４に記載のレンズ。
  22. 前記第１、第２、及び第３セクション上の任意の地点と前記単一曲率を有する仮想基準面との間の距離は１０μｍ以内である、請求項２１に記載のレンズ。
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