KR100705552B1

KR100705552B1 - 발광 다이오드

Info

Publication number: KR100705552B1
Application number: KR1020060060968A
Authority: KR
Inventors: 조강현
Original assignee: 서울반도체 주식회사
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2007-04-09

Abstract

본 발명은 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 실장된 발광 다이오드 칩 및 상기 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 렌즈부를 포함하고, 상기 렌즈부는 하단의 원기둥 형상과, 이로부터 연장되어 상기 원기둥의 반지름보다 높은 높이의 타원 반구 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다. 이에 따라 본 발명은 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 렌즈부의 형상을 조절함으로써, 광 지향각의 범위를 조절할 수 있으며, 특히 좁은 범위의 광 지향각 특성을 얻을 수 있다. 또한, 렌즈의 형상에 따라 목표로 하는 광 지향각의 구현이 가능하여 발광 다이오드의 응용 범위를 확대할 수 있다.

발광 다이오드, LED, 렌즈, 지향각

Description

발광 다이오드 {Light emitting diode}

도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드를 도시한 개략 단면도.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 렌즈를 설명하기 위한 사시도 및 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 1 실시예를 도시한 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 2 실시예를 도시한 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 3 실시예를 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 100, 150 : 기판 20, 200 : 발광 다이오드 칩

30, 300 : 렌즈 400, 500 : 전극

600 : 와이어 700 : 하우징

800 : 몰딩부

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 렌즈의 형상에 따라 목표로 하는 지향각의 구현이 가능한 발광 다이오드에 관한 것이다.

발광 다이오드(light emission diode; LED)는 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 정공)를 만들고 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭하며, GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN, AlGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써 다양한 색을 구현할 수 있다.

발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길며, 협소한 공간에 설치 가능하고 진동에 강한 특성을 보인다. 이러한 발광 다이오드는 표시 소자 및 백라이트로 이용되고 있으며, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 우수한 특성을 갖기 때문에 최근 일반 조명용, 대형 LCD-TV 백라이트, 자동차 헤드라이트, 일반 조명에까지 응용이 확대되고 있는 추세이다.

일반적으로 발광 다이오드는 기판 상에 발광 다이오드 칩을 실장하고 와이어를 통해 칩을 외부 전압의 인가를 위한 전극에 전기적으로 연결한 다음, 전체 구조를 투명한 수지 등으로 성형하여 완성한다. 이 때, 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 수지 성형체의 형상에 따라 발광 다이오드 칩에서 방출되는 빛은 특정한 지향각을 갖고 외부로 방사된다.

이러한 광 지향각은 돔형(dome type) 발광 다이오드의 경우에 120도 이내의 범위를 나타내고, 상대적으로 발광 다이오드 칩의 크기가 작은 램프형(lamp type) 발광 다이오드의 경우에는 예각의 범위를 나타낸다. 즉, 램프형 발광 다이오드를 사용하는 경우에는 상대적으로 좁은 범위의 광 지향각을 구현할 수 있으나, 돔형 발광 다이오드를 사용하는 경우 특정 범위의 좁은 지향각을 얻기 어렵다.

이에 따라, 종래 발광 다이오드는 다양한 범위의 광 지향각을 요하는 응용에 대하여 발광 다이오드를 적용하는 데 한계가 있으며, 특히 돔형 발광 다이오드를 좁은 광 지향각을 요하는 제품에의 광원으로 응용하기에 부적합한 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 렌즈부의 형상을 조절함으로써, 광 지향각의 범위를 제어하고 렌즈의 형상에 따라 목표로 하는 광 지향각의 구현이 가능하여 응용 범위가 확대된 발광 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 실장된 발광 다이오드 칩 및 상기 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 렌즈부를 포함하고, 상기 렌즈부는 하단의 원기둥 형상과, 이로부터 연장되어 상기 원기둥의 반지름보다 높은 높이의 타원 반구 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다.

상기 렌즈부는 인캡슐레이션(Encapsulation) 방법 또는 트랜스퍼 몰딩 방법을 사용하여 일체 형성될 수 있다. 또한, 상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 몰딩부를 포함하고, 상기 렌즈부는 상기 몰딩부 상에 결합될 수 있다.

상기 베이스 기판은 PCB, 리드 프레임 또는 히트 싱크일 수 있다.

상기 렌즈부의 횡단면은 원형 또는 타원형일 수 있다.

본 발명의 발광 다이오드는 광 지향각이 15 내지 25도인 것을 특징으로 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 발광 다이오드에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드를 도시한 개략 단면도이고, 도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 렌즈를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 베이스 기판(10)과, 상기 베이스 기판(10) 상에 실장된 발광 다이오드 칩(20)과, 상기 발광 다이오드 칩(20)을 둘러싸는 렌즈부(30)를 포함한다. 여기서, 렌즈부(30)는 하단의 원기둥 형상에서 연장되어 원기둥의 반지름보다 더 큰 높이를 갖는 타원 반구 형상을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 베이스 기판(10)은 PCB, 리드 프레임 또는 히트 싱크일 수 있다.

먼저, 상술한 본 발명에 따른 렌즈에 관해 살펴보면 다음과 같다.

도 2에 도시한 바와 같이, 렌즈(30)는 하단의 일부는 원형 단면의 직경이 일정한 원기둥 형상(31)이나 상부로 갈수록 원형 단면의 직경이 감소하는 반구 형상(32)을 포함한다. 이 때, 상기 원기둥 형상(31)에서 연장된 반구 형상(32)은 종단면상 타원형인 것을 특징으로 한다. 즉, 렌즈(30)의 종단면을 도시한 도 3에서 볼 수 있듯이, 렌즈(30)는 하단의 원기둥 형상(31)에서 연장되어 상기 원기둥의 지름(A)의 1/2, 즉 반지름보다 더 큰 높이를 갖는 타원 반구 형상(32)을 포함한다. 상기 타원 반구 형상(32)의 높이는 상기 원기둥(31)의 반지름보다 1.2 내지 2배인 것이 바람직하다. 또한, 렌즈(30) 하단의 원기둥 형상(31)의 높이는 렌즈(30)의 전체 높이에 대하여 0.1 내지 0.3의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 렌즈(30)는 하단의 원기둥 형상(31) 및 그로부터 연장된 타원 반구 형상(32)의 횡단면이 원형에 한정되지 않고, 타원형, 예를 들어 단축:장축의 비가 1:1 내지 1:2의 범위를 갖는 타원형으로 형성될 수도 있다.

광원으로부터 방출되는 빛은 렌즈의 경사면을 통해 굴절되어 출사된다. 본 발명의 렌즈는 발광 다이오드 칩의 측면에 형성되는 원기둥 형상의 경사면과 그 상부에 형성되는 타원 반구 형상의 경사면으로 인해, 기존의 반구 형상으로 형성된 렌즈에 비해 광 지향각을 좁혀주는 역할을 한다. 특히, 본 발명에 따라 광 지향각을 15 내지 25도의 범위로 조절할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 하단의 원기둥 형상에서 연장되어 원기둥의 반지름보다 높은 높이를 갖는 타원 반구 형상을 포함함으로써, 광 지향각을 좁힐 수 있으며, 특히 광이 발광 다이오드 칩의 상방으로 집중되도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 600× 600(㎛) 크기의 발광 다이오드 칩과, 하단 원기둥의 직경이 3㎜이고 이로부터 연장된 타원 반구 형상을 포함하는 렌즈부를 사용하였다. 여기서, 렌즈부의 전체 높이는 2.5㎜이며, 하단면으로부터 5㎜ 이내에는 원기둥 형상으로 이루어진다. 발광 다이오드 칩이 위치한 영역을 기준으로 +90도에서 -90도의 범위 내에서의 광의 강도를 나타내었다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 발광 다이오드의 경우 광 지향각을 좁힐 수 있으며, 광이 발광 다이오드 칩의 상방에 집중되어 방출되는 것을 볼 수 있다. 특히, 0도 근방에서 그 강도가 가장 높으며, 발광 다이오드 칩의 중심으로부터 20도 이내의 광 지향각을 얻을 수 있다.

따라서 본 발명은 하단의 원기둥 형상에서 연장된 타원 반구 형상을 포함함으로써, 발광 다이오드의 광 지향각을 제어할 수 있으며, 이를 좁은 광 지향각을 요하는 제품에의 광원으로 효율적으로 적용할 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 1 실시예를 도시한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 발광 다이오드는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 형성된 제 1 및 제 2 전극(400, 500)과, 상기 제 1 전극(400) 상에 실장된 발광 다이오드 칩(200)을 포함한다. 상기 발광 다이오드 칩(200)을 둘러싸는 렌즈부(300)를 포함하고, 상기 렌즈부(300)는 하단의 원기둥 형상에서 연장된 타원 반구 형상을 포함한다.

상기 발광 다이오드 칩(200)은 전극(400, 500)이 형성된 기판(100)에 실장되며, 상기 전극(400, 500)은 발광 다이오드 칩(200)의 양극 단자 및 음극 단자에 접속하기 위한 제 1 및 제 2 전극(400, 500)으로 구성된다. 도면에서 발광 다이오드 칩(200)의 상부와 하부 평면에 양 전극 및 음 전극을 가지는 상기 발광 다이오드 칩(200)은 제 1 전극(400) 상에 실장되고, 와이어(600)를 통하여 제 2 전극(500)과 전기적으로 연결된다. 발광 다이오드 칩(200)이 그 상부 평면에 양 전극 및 음 전극을 가지는 발광 다이오드 칩(200)의 경우에, 2개의 와이어(600)를 통하여 각각 제 1 전극(400) 또는 제 2 전극(500)과 연결될 수 있다.

상기 제 1 및 제 2 전극(400, 500)은 인쇄 기법을 통해 형성할 수 있다. 제 1 및 제 2 전극(400, 500)은 전도성이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함한 금속 물질로 형성하되, 제 1 전극(400)과 제 2 전극(500)은 전기적으로 단전되도록 형성한다.

상기 발광 다이오드 칩(200)의 광 휘도 및 집광 능력을 향상시키기 위해 상기 발광 다이오드 칩(200)이 실장되는 기판(100)의 중심 영역에 소정의 홈이 형성되어, 홈의 측벽면에 소정의 기울기를 줄 수 있다.

상기 발광 다이오드 칩(200)은 단일 파장의 광을 발광하는 하나의 발광 다이오드 칩을 사용하거나, 각기 다른 파장의 광을 발광하는 다수의 발광 다이오드 칩을 사용한다. 이를 통해 목표로 하는 다양한 형태의 광을 생성할 수 있다. 예를 들어, 백색 발광을 위해 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 발광 다이오드 칩을 포함할 수 있으며, 이러한 경우 상기와 같이 균일하게 발광되는 각 색의 균일한 혼합이 이루어져 우수한 백색 발광 특성을 얻을 수 있다. 물론, 각기 다른 색을 발광하는 발광 다이오드 칩을 사용할 경우, 이들 각각의 동작을 제어하기 위해 상기 전극의 개수가 늘어날 수도 있다. 본 실시예의 도면에서는 단일 파장의 광을 발광하는 하나의 발광 다이오드 칩을 실장함을 도시하였지만, 상술한 바와 같이 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 발광 다이오드 칩으로 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀이 결합되어 교류 전원에서도 구동 가능한 발광 다이오드 칩을 사용할 수 있다. 이 때, 상기 발광 다이오드 칩 내부에는 브리지 회로가 인입되어 있을 수도 있다.

상기 렌즈부(300)가 발광 다이오드 칩(200)을 봉지하고, 상기 렌즈부(300)의 외부로 제 1 및 제 2 전극(400, 500)의 소정 영역이 노출된다. 이를 통해 제 1 및 제 2 전극(400, 500)과 외부 전류 입력 단자를 전기적으로 연결하여 발광 다이오드 칩(200)에 외부 전류를 인가할 수 있다.

상술한 본 실시예의 렌즈부(300)는 액상 수지를 이용한 인캡슐레이션(Encapsulation) 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 즉, 액상 에폭시 수지 또는 실리콘 수지를 발광 다이오드 칩(200)의 상부에 도포하고, 도포된 수지의 외형이 일정 형상을 갖도록 격벽을 가진 성형기로 그 상부를 누른 후 장시간에 걸쳐 경화시켜 렌즈부(300)를 형성할 수 있다. 또한, 에폭시 수지의 분말로 제작된 태블릿을 이용하여 트랜스퍼 몰딩 방법을 사용하여 렌즈부(300)를 형성할 수도 있다. 즉, 분말 에폭시 수지를 소정 압력으로 압축하여 형성한 태블릿을 트랜스퍼 몰딩기에 투입하면, 소정 온도와 압력이 가해져 트랜스퍼 몰딩기의 금형 형태에 따라 상기 기판(100) 상부에 렌즈부(300)를 형성한다.

이와 같은 제조 방법을 통해 본 발명의 발광 다이오드는 종래 일반적인 발광 다이오드를 제조할 때와 동일한 공정을 사용하되, 렌즈부의 형상만 달리하여 형성하기 때문에 제작이 용이하며 별도의 공정을 요하지 않는 장점이 있다.

이러한 렌즈부(300)의 제조 방법은 상술한 바에 한정되지 않으며, 다양한 공정과 제조 방법으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 발광 다이오드 칩(200)의 상부에는 원하는 색의 구현을 위해 소정의 형광체(미도시)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 경우에는 상기 발광 다이오드 칩(200)의 상부에 형광체를 포팅한 후 상술한 렌즈부(300)를 형성하거나, 형광체가 혼합된 수지를 이용하여 렌즈부(300)를 형성하여 상기 렌즈부(300) 내에 균일하게 분포하도록 할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 발광 다이오드는 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 렌즈부의 형상을 제어하여, 광 지향각의 범위를 조절할 수 있으며, 특히 좁은 범위의 광 지향각 특성을 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 2 실시예를 도시한 단면도이다.

도 6을 참조하면, 발광 다이오드는 양측에 제 1 및 제 2 전극(400, 500)이 형성되고 관통홀을 포함하는 하우징(700)과, 상기 하우징(700)의 관통홀에 장착되는 기판(150)과, 기판(150) 상에 실장되는 발광 다이오드 칩(200)을 포함한다. 또한 상기 발광 다이오드 칩(200)을 둘러싸는 렌즈부(300)를 포함하고, 상기 렌즈부(300)는 하단의 원기둥 형상에서 연장된 타원 반구 형상을 포함한다.

이 때, 상기 기판(150)은 열전도성이 우수한 재질을 사용하여 히트 싱크로 구성함으로써, 발광 다이오드 칩(200)에서 발산되는 열의 방출을 더욱 효과적으로 할 수 있다. 이는 외부 히트 싱크를 연장하여 더욱 높은 방열 효과를 얻을 수도 있다.

상술한 예는 수지 계열의 재료를 사용하여 발광 다이오드 칩을 봉지하는 렌즈부를 제조함으로써 발광 다이오드에 일체 형성하였으나, 별도의 렌즈부를 제조하 여 발광 다이오드를 형성할 수도 있다. 즉, 유리 또는 수지 등을 이용하여 상술한 바와 같이 하단의 원기둥 형상에서 연장된 타원 반구 형상을 포함하는 렌즈부를 별도로 제조한 후, 발광 다이오드 칩이 실장된 기판 상에 결합시킬 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 제 3 실시예를 도시한 단면도이다.

도 7을 참조하면, 발광 다이오드는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 형성된 제 1 및 제 2 전극(400, 500)과, 상기 제 1 전극(400) 상에 실장된 발광 다이오드 칩(200)을 포함한다. 이는 상기 제 1 실시예의 구성과 거의 동일하며, 단지 제 3 실시예는 상기 기판(100) 상부에 발광 다이오드 칩(200)을 봉지하는 몰딩부(800)를 포함하고, 이들 상부에 형성된 렌즈부(300)를 포함한다. 상기 렌즈부(300)는 하단의 원기둥 형상에서 연장된 타원 반구 형상을 포함한다.

이러한 렌즈부(300)는 상기 언급한 바와 같이 액상 수지를 이용한 인캡슐레이션 또는 트랜스퍼 몰딩 방법을 통해 형성할 수 있으며, 또는 유리 또는 수지 등을 이용하여 별도의 렌즈부(300)를 제조한 후 상기 몰딩부(800) 상에 결합할 수도 있다.

이와 같이 본 발명은 다양한 구조의 제품에 응용될 수 있으며, 본 발명의 기술적 요지는 상기 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 여러 가지 수정과 변형이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 하단의 원기둥 형상에서 연장된 타원 반구 형상을 포함하는 렌즈부를 형성함으로써, 광 지향각의 범위를 조절할 수 있으며, 특히 좁은 범위의 광 지향각 특성을 얻을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 발광 다이오드를 좁은 광 지향각을 요하는 제품에의 광원으로 효율적으로 적용할 수 있으며, 렌즈의 형상에 따라 목표로 하는 광 지향각의 구현이 가능하여 응용 범위를 확대할 수 있다.

Claims

베이스 기판;

상기 베이스 기판 상에 실장된 발광 다이오드 칩; 및

상기 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 렌즈부를 포함하고,

상기 렌즈부는 하단의 원기둥 형상과, 이로부터 연장되어 상기 원기둥의 반지름보다 높은 높이의 타원 반구 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서,

상기 렌즈부는 인캡슐레이션(Encapsulation) 방법 또는 트랜스퍼 몰딩 방법을 사용하여 일체 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서,

상기 발광 다이오드 칩을 봉지하는 몰딩부를 포함하고, 상기 렌즈부는 상기 몰딩부 상에 결합되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 베이스 기판은 PCB, 리드 프레임 또는 히트 싱크인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 렌즈부의 횡단면은 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

광 지향각이 15 내지 25도인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.