KR101119950B1 - 저 발산각을 가지는 ｌｅｄ 패키지 - Google Patents

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Abstract

LED 칩의 발산광을 제한하기 위한 파이프 구조를 채용함으로써 광원 면적은 그대로 유지하면서 LED의 발산각을 줄일 수 있는 LED 패키지가 개시된다. 상기 LED 패키지는 서브마운트; 상기 서브마운트 상에 배치되는 LED 칩; 및 상기 LED 칩에서 발산되는 광의 발산각을 제한하기 위해 상기 LED 칩을 둘러싸도록 상기 서브마운트 상에 배치되는 통 형상의 발산각 제한부재;를 포함하며, 상기 발산각 제한부재의 높이는 상기 LED 칩의 발산광이 나오는 상기 발산각 제한부의 입구의 폭보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

저 발산각을 가지는 ＬＥＤ 패키지{LIGHT-EMITTING DIODE PACKAGE HAVING NARROW EMITTING ANGLE}
본 발명은 LED 패키지에 관한 것으로, 특히 파이프 구조를 응용하여 광원 면적은 그대로 유지하면서 LED(light emitting diode)의 발산각을 줄이기 위한 LED 패키지에 관한 것이다.
최근 GaN 에피택셜 성장(epitaxial growth) 기술의 발달에 따라 고출력 LED 개발이 가능해지고 LCD TV용 백라이트, 신호등 및 LED 조명으로 그 응용 범위가 확대되고 있다.
이와 같이, LED를 광원으로 하는 광학계를 설계할 때 중요한 요소 중의 하나는 LED의 발산각 및 광원 면적의 곱이다. 예를 들어, 작은 면적에 많은 광량의 빛을 모아야 할 경우 LED에서 발산되는 빛이 평행광이라면 초점의 크기는 기하광학적 수차를 제외하면 회절 한계 까지 줄일 수도 있다.
레이저의 경우, 평행광으로 나오는 경우가 많기 때문에 아주 작은 점으로 에너지를 모을 수 있고, 이에 따라 레이저 출력이 작더라도 조사하는 부위의 단위 면적당 출력은 크게 만들 수 있는 장점이 있다.
하지만 LED의 경우, 면광원이면서 자발 방출광이기 때문에 레이저처럼 평행광으로 발산되지 않는다. LED 표면상의 각 점에서 나오는 빛은 거의 등방성을 가지고 나오며, 빛의 세기(intensity)는 면의 수직 방향에서 각도를 θ라고 할 때
Figure 112010062388989-pat00001
에 비례한다. 이러한 광원을 Lambertian 광원이라 부르며 LED 또한 여기 속한다.
이와 같은 LED의 발산각을 조절하기 위해서 봉지제로 사용되는 에폭시의 표면을 둥그렇게 만들어 렌즈를 구현하기도 하는데, 이렇게 하면 발산각은 줄어들지만 LED 칩의 형상이 커져서 광원 면적과 발산 입체각의 곱은 작아지지 않는다. 이것은 조명 광학에서 사용되는 에텐듀(etendue) 정리라고 부르며, 그 일 예를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참고하면, LED 칩(101)의 면적을 a라 하고 렌즈로 들어가는 입체각을 ω라고 한다면 렌즈(102)를 통과한 후 발산 입체각(projected solid angle) Ω는 ω에 비해 줄어들지만 광원 면적 A는 a에 비하여 늘어나게 된다. 즉, 에텐듀(etendue) 정리를 통해서 AΩ 양이 광학계에 의해 줄어들지 않는다는 것을 알 수 있다. 이것은 상을 맺을 때도 적용되는데, 작은 초점을 만들고 싶다면 광원면적 A가 작아져야 하고 발산 입체각 Ω이 커져야 하는데 발산 입체각 Ω의 최대값은 π를 넘지 않으므로 결국 광원면적 A가 작아지는데 한계가 있게 된다. 따라서 LED 칩(101) 자체의 크기가 크다면 작은 초점을 만들 수 없게 되는 문제가 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 LED 칩의 발산광을 제한하기 위한 파이프 구조를 채용함으로써 광원 면적은 그대로 유지하면서 LED의 발산각을 줄일 수 있는 LED 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 서브마운트; 상기 서브마운트 상에 배치되는 LED 칩; 및 상기 LED 칩에서 발산되는 광의 발산각을 제한하기 위해 상기 LED 칩을 둘러싸도록 상기 서브마운트 상에 배치되는 통 형상의 발산각 제한부재;를 포함하며, 상기 발산각 제한부재의 높이는 상기 LED 칩의 발산광이 나오는 상기 발산각 제한부의 입구의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 LED 패키지를 제공한다.
상기 서브마운트는 상기 LED 칩 및 발산각 제한부재가 배치되는 면이 광 흡수가 적고 반사율이 높은 반사층이 형성될 수 있으며, 상기 반사층은 Ag 코팅층 또는 흰색 페인트층인 것이 바람직하다.
상기 발산각 제한부재는 내주면이 광 흡수가 적고 광 산란이 가능한 코팅층이 형성될 수 있으며, 상기 코팅층은 소정의 거칠기를 갖도록 형성되거나 흰색 페인트로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 발산각 제한부재는 내부가 원형, 타원형, 사각형 및 직사각형 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 발산각 제한부재는 내부가 봉지제로 충진되며, 상기 봉지제의 일부가 상기 발산각 제한부제의 입구 주위에 반구형 렌즈 형상으로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 있어서는, 파이프 부재가 LED 칩 주위를 둘러싸도록 배치하여 LED 칩의 발산광의 발산각도를 제한함으로써, 광원 면적을 유지함과 동시에 발산각을 줄일 수 있어 향상된 LED 성능을 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 LED 발산각을 줄이기 위해 렌즈를 채용한 사용 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지를 나타내는 개략사시도,
도 3은 도 2에 표시된 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 나타내는 단면도,
도 4는 발산각을 줄이기 위한 별도의 구성이 없는 통상의 LED 패키지의 발산각을 광선 추적법을 사용하여 계산한 결과를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지의 발산각을 광선 추적법을 사용하여 계산한 결과를 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지에 렌즈를 설치한 예를 나타내는 단면도,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 패키지를 나타내는 개략사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 저 발산각을 가지는 LED 패키지의 구성을 설명한다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지는 서브마운트(201), LED 칩(202) 및 발산각 제한부재(203)를 포함한다.
서브마운트(201)는 LED 칩(202)이 본딩되는 면에 반사층(201a)을 구비하는 반사형 서브마운트로, LED 칩(202)에서 발산된 광(光)이 발산각 제한부재(203) 내주면에 반사되어 다시 서브마운트(201)로 입사되는 광을 LED 칩(202)의 발산방향으로 재 반사한다.
또한 서브마운트(201)는 반사층(201a) 중에 LED 칩(202)이 차지하는 면적을 제외한 면적에서 광 손실을 최소화하면서 광을 반사하는 구조가 바람직하다. 예를 들어, 반사층(201a)은 흰색 페인트로 칠해져 있거나 Ag 코팅이 되어 있으면, 광 흡수가 크지 않으면서도 광 반사가 가능하다.
LED 칩(202)은 통상의 LED 칩으로 서브마운트(201)의 반사층(201a) 상에 본딩되며 상면에 광 발산면이 형성된다.
발산광 제한부재(203)는 대략 원통형상으로 이루어지며, LED 칩(202)을 감싸는 상태로 서브마운트(201)에 안착된다.
이러한 발산광 제한부재(203)는 도 3과 같이, 높이(H)가 내경(D) 보다 크게 형성된다. 또한 발산광 제한부재(203)는 산란이 잘되도록 내주면에 코팅층(203a)이 형성되고, 이 코팅층(203a)은 적당한 거칠기를 가지거나 흰색 페인트인 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지의 구조에 의해 발산각을 줄이는 원리는 다음과 같다.
먼저, LED 칩(202) 에서 방출된 광은 발산각 제한부재(203)의 코팅층(203a)에 충돌한 후 산란에 의해서 임의의 방향으로 흩어지게 된다.
이렇게 산란된 광의 일부는 발산각 제한부재(203)의 상단에 형성된 개구(203b)를 향해서 진행하다가 개구(203b)를 통해 발산각 제한부재(203) 외부로 발산되고, 나머지 광은 광 진행 방향의 반대 방향(하 방향)인 LED 칩(202) 쪽을 향하게 된다.
이 경우, LED 칩(202)에 도달한 빛은 LED 칩(202) 또는 서브마운트(201)의 반사층(201a)에서 다시 반사되어 광 진행방향(상 방향)으로 향하게 된다.
결국, LED 칩(202)에서 발산된 광은 LED 칩(202), 발산광 제한부재(203)의 코팅층(203a) 또는 서브마운트(201)의 반사층(201a)에서 흡수되지 않을 경우, 대부분 발상광 제한부재(203)의 개구(203b)를 통해서 외부로 발산하게 된다.
이때, LED 패키지의 외측에서 관측할 경우 광의 세기는 관측각도에 따라 달라지는데, 발산광 제한부재(203)의 내주면과 LED 칩(202)에서 광이 나오는 것으로 보인다.
또한, 서브마운트(201)의 수직방향(도 3에 도시된 A방향)에서 LED 패키지를 바라보는 경우 LED 칩(202)의 면적이 보이지만, 수직방향으로부터 소정 각도 기울어진 방향에서 바라보면 발산광 제한부재(203)의 내주면의 일부가 보인다. 이에 따라 수직방향에서부터 기울어진 각도가 증가할수록 빛을 내는 면적은 더 작게 보이고 빛의 세기도 감소한다. 여기서, 면적은 관측자가 보는 방향으로 투영된 면적(projected area)이기 때문에 발산광 제한부재(203)의 내경(D)에 비해 높이(H)가 크게 형성되면 광의 세기가 절반으로 감소하는 지점은 대략
Figure 112010062388989-pat00002
이다.
따라서 발산광 제한부재(203)의 내경(D)과 높이(H)가 비슷할 경우, 그 각도는 대략 45도 정도가 된다. 이 값은 Lambertian 광원에서 해당 각도가 60도인 것에 비해 감소한 값이다.
한편, 광원의 면적은 발산광 제한부재(203)의 내경(D)과 같고, 이는 LED 칩(202) 면적과 비슷하기 때문에 거의 변화가 없다. 이와 같은 방식으로 발산광 제한부재(203)의 높이(H)를 직경(D)에 비해서 점차 증가시키면 광원 면적의 증가 없이 발산각이 줄어든다.
이러한 결과는 에턴듀(Etendue) 정리에 위배되는 것 같지만, 광원의 표면이 평면이 아닌 3차원적으로 구부러져 있어 광원의 면적이 발산광 제한부재(203)의 내주면으로 확대되었기 때문에 에턴듀(Etendue) 정리를 적용하기에는 적합하지 않다.
도 4 및 도 5는 광선 추적법을 사용하여 발산광 제한부재(203)가 존재하지 않는 종래의 LED 패키지와 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지의 시뮬레이션 결과를 각각 나타내고 있다.
먼저 도 4를 참고하면, 종래의 LED 패키지는 전형적인 Lambertian 광원 형태로 최대값의 절반이 되는 각을 발산각으로 볼 때 발산각이 약 60도 정도 됨을 알 수 있다.
이에 반해 본 실시예의 LED 패키지는 도 5에 나타난 시뮬레이션 결과와 같이, 발산각이 약 34도 정도로 종래 LED 패키지의 발산각에 비해 많이 감소하였다. 상기 실험조건은 발산각 제한부재(203)의 내경(D)을 2.5 mm로 하고 높이(H)를 내경(D) 보다 높은 3.0 mm 로 제작하였으며, LED 칩(202)은 대각선 길이를 2.5 mm인 사각형 LED 칩을 사용하였다.
한편, 제1 실시예의 LED 패키지는 발산각 제한부재(203)의 내측에 봉지제용 에폭시를 채워 넣고 표면을 반구형 렌즈(205)로 형성할 수도 있다. 이때 렌즈(205)는 LED 칩(202)으로부터 발산되는 광의 발산각을 더욱 줄여 준다. 다만 렌즈(205)가 생략된 경우에 비해 광원 면적이 커지게 되나 종래LED 패키지의 발산각에 비해 여전히 좁게 유지할 수 있다.
상기 렌즈(205)를 설치한 주요 목적은 봉지제의 사용으로 LED 칩(202)을 보호하는 것은 물론, LED 칩(202)과 공기 계면 상에서 발생하는 내부 전반사에 의한 효율 감소를 피하기 위함이다.
도 7을 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 패키지를 설명한다. 제2 실시예의 LED 패키지는 제1 실시예에 따른 LED 패키지와 마찬가지로 반사형 서브마운트(301), LED 칩(302) 및 발산각 제한부재(303)를 포함한다.
이하에서는, 제1 실시예와 동일하게 구성된 서브마운트(301) 및 LED 칩(302)에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 상이한 형상으로 이루어진 발산각 제한부재(303)에 대해서 설명한다.
발산각 제한부재(303)는 일 방향으로의 발산각을 줄이기 위해 서로 마주하는 한 쌍의 측벽(304a) 간의 길이(L)가 나머지 한 쌍의 측벽(305a) 간의 폭(W)보다 작게 이루어진다. 즉, 발산각 제한부재(303)는 내부가 대략 직사각형을 이루는 사각 파이프 형상으로 이루어진다. 이 경우, 발산각 제한부재(303)는 높이(H)가 상기 폭(W)보다 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.
또한 발산각 제한부재(303)는 제1 실시예의 발산각 제한부재(203)와 마찬가지로 LED 칩(302)의 발산광이 발산각 제한부재(303)의 내주면에 형성된 코팅층(303a)에 충돌할 때 산란이 잘되도록, 상기 코팅층(303a)은 내주면(303a)이 적당한 거칠기를 가지거나 흰색 페인트인 것이 바람직하다.
이와 같은 제2 실시예에 따른 LED 패키지는 표면실장(Surface mount device)타입의 LED 패키지로 사용할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
201,301: 반사형 서브마운트 202,302: LED 칩
203,303: 발산각 제한부재 203a,303a: 내주면

Claims (7)

  1. 서브마운트;
    상기 서브마운트 상에 배치되는 사각형상의 LED 칩; 및
    상기 LED 칩에서 발산되는 광의 발산각을 제한하기 위해 상기 LED 칩을 둘러싸도록 상기 서브마운트 상에 배치되며, 상기 LED 칩으로부터 발산되는 광을 반사하기 위한 내면을 갖는 통 형상의 발산각 제한부재;를 포함하며,
    상기 발산각 제한부재의 높이는 상기 LED 칩의 발산광이 나오는 상기 발산각 제한부재의 입구의 폭보다 크게 형성되고, 상기 LED 칩은 상기 LED 칩의 4개의 모서리가 상기 발산각 제한부재의 내면에 접하는 크기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서브마운트는 상기 LED 칩 및 발산각 제한부재가 배치되는 면이 광 흡수가 적은 반사층이 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 반사층은 Ag 코팅층 또는 흰색 페인트층인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 발산각 제한부재는 내주면이 광 흡수가 적고 광 산란이 가능한 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 코팅층은 소정의 거칠기를 갖도록 형성되거나 흰색 페인트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발산각 제한부재는 내부가 원형, 타원형, 사각형 및 직사각형 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발산각 제한부재는 내부가 봉지제로 충진되며, 상기 봉지제의 일부가 상기 발산각 제한부재의 입구 주위에 반구형 렌즈 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
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