KR101108070B1 - 패키지 렌즈를 구비한 발광다이오드 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 패키지 렌즈를 이용하더라도 광효율이 감소하지 않고 원하는 방사각 패턴을 갖는 발광다이오드 패키지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지는 패키지 본체와, 패키지 본체에 설치되는 LED 칩과, LED 칩을 덮도록 패키지 본체에 설치되며 LED 칩의 방사각 패턴과 대응되는 형상으로 형성되는 패키지 렌즈를 구비한다.

Description

패키지 렌즈를 구비한 발광다이오드 패키지{LED package having lens}
본 발명은 렌즈를 구비한 발광다이오드의 패키지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 렌즈를 통해 방사각 패턴을 제어할 수 있는 발광다이오드 패키지에 관한 것이다.
LED 시장은 핸드폰 등 휴대형 통신기기나 소형가전제품의 키패드, 액정 디스플레이(LCD)의 백라이트 유닛(back light unit) 등에 사용되는 저출력 LED를 기반으로 성장하였다. 최근에는 인테리어 조명, 외부 조명, 자동차 내외장, 대형 LCD의 백라이트 유닛 등에 사용되는 고출력, 고효율 광원의 필요성이 대두되면서, LED 시장 또한 고출력 제품 중심으로 옮겨 가고 있다.
LED 칩의 방사각 패턴은 모든 입체각에 동일한 플럭스(flux)를 갖는 구면 발광을 하는 것이 이상적이나, 실제 방사각 패턴은 특정 영역에 치우친 형태가 된다. 이로 인해, 발광다이오드 패키지 내에서 일부 형광체 도포 영역에 빛이 집중적으로 조사되고, 일부 형광체 도포 영역에는 빛이 거의 조사되지 않아, 형광체에 의한 광 변환 효율을 저하시키는 원인이 된다.
그리고 BLU, 조명, 가로등 등 넓은 방사각 패턴을 갖는 발광다이오드 패키지 를 필요로 하는 응용 분야에 있어서, 높은 효율을 나타낼 수 있도록 발광다이오드 패키지는 LED 칩을 덮는 패키지 렌즈를 구비한다. 이러한 패키지 렌즈를 통해 발광다이오드 패키지의 방사각 패턴을 조절하게 된다.
종래의 패키지 렌즈를 구비한 발광다이오드 패키지의 방사각 패턴을 도 1 내지 도 3에 나타내었다.
도 1 내지 도 3에서 LED 칩(10)을 통해 발광되는 빛은 패키지 렌즈(20, 30, 40)를 통해 외부로 발광된다. 이때, 패키지 렌즈(20)가 도 1에 도시된 형태인 경우, 방사각 패턴은 램버시안(lambertian) 분포를 이룬다. 그리고 패키지 렌즈(30)가 도 2에 도시된 형태인 경우, 방사각 패턴은 박쥐 날개(batwing) 형태의 분포를 이룬다. 그리고 패키지 렌즈(40)가 도 3에 도시된 형태인 경우, 방사각 패턴은 측면으로(side-emitting) 치우치게 된다.
이와 같이, 패키지 렌즈를 이용하게 되면, 발광다이오드 패키지의 방사각 패턴을 조절할 수 있으나, LED 칩의 방사각 패턴과 렌즈의 형태가 일치하지 않게 되면, 패키지 렌즈에 의해 광효율이 감소하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 패키지 렌즈를 이용하더라도, 광효율이 감소하지 않고, 원하는 방사각 패턴을 갖는 발광다이오드 패키지를 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지는 패키지 본체; 상기 패키지 본체에 설치되는 LED 칩; 및 상기 LED 칩을 덮도록 상기 패키지 본체에 설치되며, 상기 LED 칩의 방사각 패턴과 대응되는 형상으로 형성되는 패키지 렌즈;를 구비한다.
그리고 상기 LED 칩은 기판과 기판 상에 형성된 발광소자를 구비하며, 상기 기판의 옆면 중 적어도 하나는 상기 기판의 상면과 기울어지게 형성될 수 있고, 상기 기판의 상면에 요철이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 패키지 렌즈의 형상이 LED 칩의 방사각 패턴에 대응되므로, 패키지 렌즈를 이용하더라도 광 효율의 감소가 일어나지 않고, 원하는 방사각 패턴을 갖게 된다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 패키지 렌즈를 구비한 발광다이오드 패키지의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발 명은 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.
본 발명은 LED 칩의 방사각 패턴에 대응되는 형상으로 형성된 패키지 렌즈를 구비한 발광다이오드 패키지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지의 방사각 패턴은 LED 칩의 방사각 패턴의 경향성과 일치하므로, 먼저 LED 칩의 방사각 패턴을 살펴본다. LED 칩의 방사각 패턴은 LED 칩을 이루는 기판의 단면의 형상과 기판 표면의 요철 형상에 의해 변화한다. 따라서 LED 칩을 이루는 기판의 단면의 형상과 기판 표면의 요철 형상을 적절히 선택함으로써, LED 칩의 방사각 패턴을 제어하는 것이 가능하다.
우선, LED 칩을 이루는 기판의 단면의 형상에 따른 LED 칩의 방사각 패턴을 살펴본다. LED 칩을 이루는 기판의 옆면이 기판의 상면과 기울어지게 형성되면, LED 칩의 방사각 패턴이 변화한다. 이러한 기판의 예와 그에 따른 LED 칩의 방사각 패턴을 도 4 내지 도 7에 나타내었다. 도 4 내지 도 7에서 기판의 상면과 수직한 법선 방향을 0°로 나타내었다.
도 4는 LED 칩을 이루는 기판(410)의 단면의 형상이 직사각형인 일반적인 경우의 방사각 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 기판(410)의 단면의 형상이 직사각형인 LED 칩의 경우는 법선과 이루는 각이 60°이하인 부분에 방사각 패턴이 집중되어 있다. 즉, LED 칩의 상방향으로 대부분의 광이 출력되고, LED 칩의 측방향으로는 거의 광이 출력되지 않는다.
도 5는 LED 칩을 이루는 기판(510) 단면의 형상이 평행사변형인 경우의 방사각 패턴을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기판(510)의 단면의 형상이 평행사변형인 경우, 도 4에 도시된 경우에 비해 전체적으로 방사각 패턴이 넓게 분포됨을 알 수 있다. 특히, 기판(410)의 단면의 형상이 직사각형인 경우(도 4)에는 법선과 60°이내에 대부분의 방사각 패턴이 분포한 것에 비해, 기판(510)의 단면의 형상이 평행사변형인 경우(도 5)에는 법선과 이루는 각도가 60°이상인 부분에서도 상당한 방사각 패턴이 분포하게 된다. 그리고 출력되는 광의 광량이 가장 큰 방향 역시 법선과 이루는 각도가 60°이상(65°부근)임을 알 수 있다. 또한, 법선과 직교하는 방향으로 출력되는 광의 광량이 도 4의 경우에 비해 상당히 증가하게 된다. 가장 큰 광량을 갖는 출력광을 도 4의 경우와 비교하면, 30% 이상이 된다.
도 6은 LED 칩을 이루는 기판(610)의 형상이 정사다리꼴(아랫변의 길이가 윗변의 길이보다 긴 사다리꼴)인 경우의 방사각 패턴을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기판(610)의 단면의 형상이 정사다리꼴인 경우, 도 4에 도시된 경우에 비해 전체적으로 방사각 패턴이 넓게 분포됨을 알 수 있다. 특히, 기판(410)의 단면의 형상이 직사각형인 경우(도 4)에는 법선과 60°이내에 대부분의 방사각 패턴이 분포한 것에 비해, 기판(610)의 단면의 형상이 정사다리꼴인 경우(도 6)에는 법선과 이루는 각도가 60°이상인 부분에서 상당한 방사각 패턴이 분포하게 된다. 그리고 출력되는 광의 광량이 가장 큰 방향 역시 법선과 이루는 각도가 60°이상(65°부근과 325°부근)임을 알 수 있다. 또한, 법선 방향으로 출력되는 광의 광량이 도 4의 경우에 비해 상당히 감소하게 된다. 법선 방향의 출력광을 도 4의 경우와 비교하면, 80% 이하가 된다.
도 7은 LED 칩을 이루는 기판(710)의 형상이 역사다리꼴(윗변의 길이가 아랫변의 길이보다 긴 사다리꼴)인 경우의 방사각 패턴을 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 기판(710)의 단면의 형상이 역사다리꼴인 경우도 도 4에 도시된 경우에 비해 전체적으로 방사각 패턴이 넓게 분포됨을 알 수 있다. 특히, 기판(410)의 단면의 형상이 직사각형인 경우(도 4)에는 법선과 60°이내에 대부분의 방사각 패턴이 분포한 것에 비해, 기판(710)의 단면의 형상이 역사다리꼴인 경우(도 7)에는 법선과 이루는 각도가 60°이상인 부분에서 상당한 방사각 패턴이 분포하게 된다. 그리고 출력되는 광의 광량이 가장 큰 방향 역시 법선과 이루는 각도가 60°이상(65°부근과 325°부근)임을 알 수 있다. 또한, 법선과 직교하는 방향으로 출력되는 광의 광량이 도 4의 경우에 비해 상당히 증가하게 된다. 가장 큰 광량을 갖는 출력광을 도 4의 경우와 비교하면, 30% 이상이 된다. 그리고 법선과 60°이상 90°이하의 각도를 갖고 출력되는 광의 총 광량이 법선과 60°이하의 각도를 갖고 출력되는 광의 총 광량의 30% 이상이 된다. 즉 수평 방향으로 출력되는 광량이 도 4의 경우에 비해 상당히 증가하게 된다.
도 4 내지 도 7에서 살펴본 바와 같이, 기판의 옆면을 기판의 상면과 기울어지도록 형성하여 방사각 패턴을 제어할 수 있다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이 기판(510) 단면의 형상이 평행상변형인 경우에는 기판의 법선 방향 이외에 측방향 으로도 많은 양의 광량이 출력되도록 할 수 있다. 기판의 옆면의 기울어진 정도, 기울어지는 방향 등을 조절함으로써, 손쉽게 LED 칩의 방사각 패턴 분포를 제어한는 것이 가능하다. 그리고 필요에 따라 기판의 옆면의 기울어진 정도, 기울어지는 방향 등을 조절하여 특정 방향으로 많은 양의 광량이 출력되도록 할 수 있어, 각 제품에 특화된 반도체 칩을 제조한다면 다양한 제품에 응용하는 것이 가능하게 된다.
다음으로, LED 칩을 이루는 기판의 상면에 요철이 형성되어 있는 경우 요철의 형상에 따른 LED 칩의 방사각 패턴을 살펴본다. LED 칩을 이루는 기판의 상면에 요철이 형성되면 요철의 형상에 따라 LED 칩의 방사각 패턴이 변화한다. 이러한 요철의 예와 그에 따른 LED 칩의 방사각 패턴을 도 8 내지 도 10에 나타내었다. 도 8 내지 도 10에서 기판의 상면과 수직한 법선 방향을 0°로 나타내었다.
도 8 내지 도 10에 나타낸 LED 칩을 이루는 기판(810, 910, 1010)의 상면의 형상은 정사각형, 직사각형, 평행사변형 등의 형상을 가질 수 있으며, 바람직하게는 직사각형의 형상을 갖고 기판(810, 910, 1010)의 단면의 형상은 직사각형의 형상을 갖는다. 그리고 각 기판(810, 910, 1010)의 상면에는 각 도면의 상부에 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진에 나타낸 바와 같은 요철이 형성되어 있다. 도 8은 상부는 뾰족하고 하부가 넓은 볼(bawl) 형태의 요철이 형성된 경우이고, 도 9는 삼각뿔 형상의 요철이 형성된 경우이며, 도 10은 상부가 편평한 형태의 요철이 형성된 경우이다.
도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 요철의 형상이 변하게 되면, LED 칩의 방사각 패턴이 변하게 된다. 특히 기판(810, 910, 1010)의 법선 방향의 광량의 비중이 요철이 형성되어 있지 않은 경우(도 4)에 비해 현저히 감소하게 된다. 즉, 기판(810, 910, 1010)의 상면에 요철을 형성함으로써 기판의 법선 방향의 광량을 조절할 수 있게 된다. 특히, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 요철의 형상을 조절함으로써 방사각 패턴을 제어할 수 있다. 도면에 나타내지는 않았으나, 요철의 크기, 밀도, 분포 등을 조절하면 방사각 패턴을 용이하게 제어하는 것이 가능하게 된다. 밀도의 경우 요철이 기판에 밀하게 형성되면 기판의 법선 방향의 광량이 증가하게 되고, 요철이 기판에 소하게 형성되면 기판의 법선 방향의 광량이 감소하게 된다.
또한, 필요에 따라서는 요철의 형상, 크기, 밀도 및 분포를 조절하여 특정 방향으로 많은 양의 광량이 출력되도록 할 수 있어, 각 제품에 특화된 반도체 칩을 제조한다면 다양한 제품에 응용하는 것이 가능하게 된다.
그리고 LED 칩을 이루는 기판의 옆면이 상면에 대해 기울어지고, 기판 상면에 요철이 형성된 예와 그에 따른 LED 칩의 방사각 패턴을 도 11에 나타내었다. 즉, 도 11은 기판(1110)의 단면의 형상이 도 7에 도시된 바와 같은 역사다리꼴이고, 기판(1110)의 상면에 도 9에 도시된 바와 같은 삼각뿔 형상의 요철이 형성된 경우, 방사각 패턴을 나타낸 도면이다.
이러한 경우의 방사각 패턴은 도 11에 도시된 바와 같이, 넓게 분포가 된 것은 물론이고, 특정한 각도로 편향되지 않고 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다. 즉 기판(1110)의 법선 방향(수직 방향)의 광량은 상대적으로 작으며, 법선과 직교 하는 방향(수평 방향)의 광량은 상대적으로 크다는 것을 알 수 있다. 따라서 기판(1110)의 옆면의 기울어진 정도, 기울어지는 방향, 기판(1110) 상면의 요철의 형상, 밀도, 크기, 분포 등을 함께 조절한다면, 더욱 효율적으로 방사각 패턴을 제어할 수 있다.
도 4 내지 도 11에 도시된 바와 같이, LED 칩을 이루는 기판의 단면의 형상과 기판 표면의 요철 형상에 의해 LED 칩의 방사각 패턴이 변화한다. 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지는 LED 칩의 방사각 패턴에 대응되는 형상으로 형성된 패키지 렌즈를 구비함으로써, 패키지 렌즈에 의한 광효율 감소가 일어나지 않도록 하는 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지에 대한 바람직한 일 예을 개략적으로 나타낸 도면으로서, LED 칩을 이루는 기판의 옆면이 기판의 상면에 대해 기울어진 경우를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지(1200)는 패키지 본체(1210), LED 칩(1220), 리드 전극(1230), 패키지 렌즈(1240) 및 충진재(1250)를 구비한다.
패키지 본체(1210)에는 LED 칩(1220)이 장착된다. 또한, 패키지 본체(1210)는 리드 전극(1230)과 결합되는 상부 프레임과 LED 칩(1220)의 하측에 위치하는 하부 프레임으로 구성될 수 있다. 이때, 패키지 본체(1210)의 상부 프레임은 플라스틱으로 형성될 수 있으며, 하부 프레임은 알루미늄과 같은 전도성 재질로 형성되어 히트 싱크(heat sink)의 역할을 할 수 있다.
LED 칩(1220)은 패키지 본체(1210)에 설치되는 것으로, 기판과 기판 상에 형성된 발광소자로 이루어질 수 있다. 이때 기판의 단면의 형상은 정사다리꼴일 수 있다. 이와 같이 기판의 단면이 정사다리꼴 형상인 경우, LED 칩(1220)은 도 6에 도시된 바와 같은 방사각 패턴을 갖게 된다. 그리고 LED 칩(1220)은 와이어에 의해 패키지 본체(1210)에 설치되어 있는 리드 전극(1230)과 전기적으로 연결될 수 있다.
패키지 렌즈(1240)는 LED 칩(1220)이 덮이도록 패키지 본체(1210)에 설치된다. 그리고 패키지 렌즈(1240)의 형상은 LED 칩(1220)의 방사각 패턴과 대응되는 형상으로 형성된다. 본 실시예의 LED 칩(1220)의 방사각 패턴은 도 6에 도시된 바와 같으므로, 패키지 렌즈(1240) 역시 도 6에 도시된 방사각 패턴과 대응되는 형상으로 형성된다. 즉, LED 칩(1220)의 출력광의 광량이 가장 큰 방향인 65°부근과 325°부근에서 패키지 렌즈(1240)의 렌즈가 가장 두껍게 되고, LED 칩(1220)의 법선 방향의 출력광이 상대적으로 작으므로, 패키지 렌즈(1240)의 가운데 부분이 움푹한 형상으로 형성된다. 이와 같이 패키지 렌즈(1240)의 형상이 LED 칩(1220)의 방사각 패턴과 대응되는 형상으로 형성되면, 패키지 렌즈(1240)에 의한 광효율 감소가 방지된다.
충진재(1250)는 패키지 렌즈(1240)와 LED 칩(1220)의 사이에 충진되는 것으로서, 에폭시 또는 실리콘 젤과 같은 물질이 충진될 수 있다. 경우에 따라서는 충진재(1250)에 형광체가 혼합될 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지에 대한 바람직한 다른 예를 개 략적으로 나타낸 도면으로서, LED 칩을 이루는 기판 상면에 요철이 형성되어 있는 경우를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지(1300)는 패키지 본체(1310), LED 칩(1320), 리드 전극(1330), 패키지 렌즈(1340) 및 충진재(1350)를 구비한다.
패키지 본체(1310)에는 LED 칩(1320)이 장착되고, 리드 전극(1330)이 설치되는 것으로서, 도 12의 패키지 본체(1210)에 대응된다.
LED 칩(1320)은 패키지 본체(1310)에 설치되는 것으로, 기판과 기판 상에 형성된 발광소자로 이루어질 수 있다. 이때 기판의 단면의 형상은 직사각형일 수 있으며, 기판의 상면에는 요철이 형성될 수 있다. 본 실시예의 기판의 상면에 형성되어 있는 요철은 도 13의 하부에 나타낸 SEM 사진과 같은 형상을 가질 수 있다. 이 요철은 도 10에 도시된 기판의 상면에 형성되어 있는 요철과 동일한 형상이므로, LED 칩(1320) 도 10에 도시된 바와 같은 방사각 패턴을 갖게 된다. 그리고 LED 칩(1320)은 와이어에 의해 패키지 본체(1310)에 설치되어 있는 리드 전극(1330)과 전기적으로 연결될 수 있다.
패키지 렌즈(1340)는 LED 칩(1320)이 덮이도록 패키지 본체(1310)에 설치된다. 그리고 패키지 렌즈(1340)의 형상은 LED 칩(1320)의 방사각 패턴과 대응되는 형상으로 형성된다. 본 실시예의 LED 칩(1320)의 방사각 패턴은 도 10에 도시된 바와 같으므로, 패키지 렌즈(1340) 역시 도 6에 도시된 방사각 패턴과 대응되는 형상으로 형성된다. 즉, LED 칩(1320)의 출력광의 광량이 가장 큰 방향인 45°에서 60 °부근과 300°에서 315°부근에서 패키지 렌즈(1340)의 렌즈가 가장 두껍게 되고, LED 칩(1320)의 법선 방향의 출력광이 상대적으로 작으므로, 패키지 렌즈(1340)의 가운데 부분이 움푹한 형상으로 형성된다. 이와 같이 패키지 렌즈(1340)의 형상이 LED 칩(1320)의 방사각 패턴과 대응되는 형상으로 형성되면, 패키지 렌즈(1340)에 의한 광효율 감소가 방지된다.
충진재(1350)는 패키지 렌즈(1340)와 LED 칩(1320)의 사이에 충진되는 것으로서, 도 12의 충진재(1250)에 대응된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1 내지 도 3은 종래의 패키지 렌즈를 구비한 발광다이오드 패키지의 방사각 패턴을 나타낸 도면들이다.
도 4 내지 도 7은 LED 칩을 이루는 기판의 옆면이 기판의 상면에 대해 기울어진 예와 그에 따른 LED 칩의 방사각 패턴을 나타낸 도면들이다.
도 8 내지 도 10는 LED 칩을 이루는 기판 상면의 요철의 예와 그에 따른 LED 칩의 방사각 패턴을 나타낸 도면들이다.
도 11은 LED 칩을 이루는 기판의 옆면이 상면에 대해 기울어지고, 기판 상면에 요철이 형성된 예와 그에 따른 LED 칩의 방사각 패턴을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지에 대한 바람직한 일 예을 개략적으로 나타낸 도면으로서, LED 칩을 이루는 기판의 옆면이 기판의 상면에 대해 기울어진 경우를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지에 대한 바람직한 다른 예를 개략적으로 나타낸 도면으로서, LED 칩을 이루는 기판 상면에 요철이 형성되어 있는 경우를 나타낸 도면이다.

Claims (3)

  1. 패키지 본체;
    상기 패키지 본체에 설치되는 LED 칩; 및
    상기 LED 칩이 덮이도록 상기 패키지 본체에 설치되며, 상기 LED 칩의 방사각 패턴과 경향성이 일치하는 형상으로 형성되는 패키지 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LED 칩은 기판과 기판 상에 형성된 발광소자를 구비하며,
    상기 기판의 옆면 중 적어도 하나는 상기 기판의 상면과 기울어지게 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판의 상면에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
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