KR101611748B1 - 반도체 광원모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 광원부와 렌즈부를 원형으로 배열하여 빛의 얼라인이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하고, 원뿔형상을 갖는 반사부를 통해 구조의 용이성 및 안정성을 개선한 반도체 광원모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 본 발명은 기판; 상기 기판의 둘레를 따라 상면에 일정한 간격으로 원형 배열되어 빛을 출사하는 다수의 광원부; 상기 광원부로부터 출사된 빛이 평행광선이 되도록 변환하고, 상기 평행광선을 집광하는 렌즈부; 상기 기판의 중앙에 설치되고, 상기 렌즈부에 의해 집광된 빛이 반사되도록 원뿔형상으로 형성한 반사부; 상기 반사부에 의해 반사된 빛을 집광하는 집광부; 및 상기 광원부의 위치 및 개수에 대응하도록 설치되어, 상기 광원부에서 발생되는 열을 흡수하고, 상기 흡수한 열을 외부로 방출하는 방열부를 포함하여 구성한다. 따라서 본 발명은 다수개의 광원부와 렌즈부를 원형으로 배열하여 빛의 얼라인이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하고, 열이 집중되는 것을 방지하여 파손 및 고장을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 원뿔형상을 갖는 반사부의 용이한 구조를 통해 생산성의 향상을 기대할 수 있으며, 장착시에 집광부의 압력에 의한 뒤틀림을 방지하여 안정성을 상승시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

반도체 광원모듈{SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE MODULE}

본 발명은 반도체 광원모듈에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 다수개의 광원부와 렌즈부를 원형으로 배열하여 빛의 얼라인이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하고, 원뿔형상을 갖는 반사부를 통해 구조의 용이성 및 안정성을 개선한 반도체 광원모듈에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 광원모듈은 광원으로부터 출사되는 빛을 집광광학계를 통해 집광하여 광섬유의 입사단에 결합시킬 수 있도록 설계되는 것으로, 더 구체적으로는 가로 길이 및 세로 길이가 각각 0.3㎜ 정도인 반도체 레이저 다이오드 칩을 이용하여 손쉽게 10Gbps(giga bit per sec)의 전기 신호를 레이저 빛으로 변환할 수 있으며, 반도체 광 수광소자를 이용하여 광섬유를 통해 전송되어 오는 광신호를 전기신호로 손쉽게 변환할 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 반도체 광원모듈은 발광소자(레이저)에서 출사하는 빛을 회절현상에 의해 확산되도록 하며, 상기 확산된 빛을 광섬유에 입사시켜 원하는 기능을 수행할 수 있도록 폭넓게 이용된다.

그러나 종래의 반도체 광원모듈은 반도체 레이저, 결합렌즈, 광섬유를 일체화하는 구성으로, 상기 반도체 레이저를 통해 방출되는 빛을 결합렌즈를 이용하여 광섬유로 방출시키는 경우 그 결합렌즈의 접속율이 낮아 광섬유를 통해 고출력을 낼 수 없다는 문제점이 있었다.

최근에는 상기와 같은 문제점을 해결하여 마킹이나 가공, 용접, 피부치료 등의 목적으로 사용되는 고출력 반도체 광원모듈이 등장하고 있다.

예컨대, 고출력을 달성하기 위한 기술의 일환으로서, 미국특허 제6,362,919호에서는 1개의 칩에 2개의 레이저(multi-stripe LD)를 집적하여 광세기를 증가시키는 방법을 제안하였다.

그러나 상기 기술은 1개의 칩에서 방출되는 빛을 광섬유에 집속시키기 위해서 광섬유와 칩 사이에 평행광 렌즈(collimating lens), 하프 웨이브 플레이트(half wave plate), 복굴절 물질, 그리고 집속 렌즈(focusibg lens) 등을 삽입하고 얼라인(정렬)하여야 하므로 구조가 복잡할 뿐 아니라, 얼라인의 어려움이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 한국 등록특허번호 제10-0903982호("레이저장치")에는 저비용으로 높은 출력과 신뢰성을 얻을 수 있도록 하는 레이저장치에 관한 기술이 개시되어 있다.

상기 기술은 복수의 반도체 레이저소자와, 멀티모드 광섬유와, 복수의 반도체 레이저 소자로부터 각각 출사된 레이저빔을 집광하여 멀티모드 광섬유의 입사단에 결합시키는 집광광학계를 구비해서 이루어지는 레이저장치로서, 도 1을 참조하여 볼 수 있듯이, 구리 또는 구리합금으로부터 이루어지는 히트블록(방열블록)(10)상에 배열 고정된 7개의 칩상태의 횡싱글모드 싱글캐비티 GaN계 반도체 레이저(LD1∼LD8)와, 콜리메이터렌즈(11)와, 집광렌즈(12)와, 1개의 멀티모드 광섬유(13)와, 멀티모드 광섬유(13)로 이루어지는 레이저장치의 광섬유의 출사단에 직육면체의 유리(14)가 융착되어 있다.

그러나 상기 기술 또한, 다수개의 반도체 레이저를 수평배열 고정함에 따라, 각각의 모듈별로 제작시에 얼라인을 따로 해야하는 번거로움이 발생할 수 있다.

또한, 다수개의 반도체 레이저가 수평배열된 좁은 간격에 의해 초점이 겹쳐 얼라인 및 집광이 제대로 이루어질 수 없는 문제점이 발생할 수 있으며, 열이 한 곳에 집중되어 기구적인 파손 또는 고장을 초래할 수 있는 단점이 있다.

즉, 상기한 바와 같이 2개 이상의 레이저로부터의 광을 한 개의 광섬유에 집속하여 고출력 반도체 광원모듈을 제작하는 기존의 방법은 복잡한 광학부품을 추가로 사용하여야 하거나, 상이한 공정으로 제작되는 레이저 다이오드 칩을 사용하게 되어 단일 파장의 고출력 레이저를 제작하는 데 어려움이 있다.

한국 등록특허번호 제10-0903982호(2009.06.15.)

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 다수개의 광원부와 렌즈부를 원형으로 배열하여 빛의 얼라인이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하고, 원뿔형상을 갖는 반사부를 통해 구조의 용이성 및 안정성을 개선한 반도체 광원모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판; 상기 기판의 둘레를 따라 상면에 일정한 간격으로 원형 배열되어 빛을 출사하는 다수의 광원부; 상기 광원부로부터 출사된 빛이 평행광선이 되도록 변환하고, 상기 평행광선을 집광하는 렌즈부; 상기 기판의 중앙에 설치되고, 상기 렌즈부에 의해 집광된 빛이 반사되도록 원뿔형상으로 형성한 반사부; 상기 반사부에 의해 반사된 빛을 집광하는 집광부; 및 상기 광원부의 위치 및 개수에 대응하도록 설치되어, 상기 광원부에서 발생되는 열을 흡수하고, 상기 흡수한 열을 외부로 방출하는 방열부를 포함하여 구성한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 반도체 광원모듈은 상기 광원부의 개수에 대응하는 각을 형성하여, 상기 기판의 상부에 설치되는 보조기판을 더 포함하고, 상기 보조기판은 각 변의 중심에 상기 광원부가 설치되도록 하여 상기 광원부의 원형배열이 더 정확해질 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

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또한, 본 발명에 따른 상기 광원부는 레이저 다이오드인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 렌즈부는 상기 광원부로부터 출광하는 빛이 평행광선으로 변환되도록 상기 광원부의 출광방향으로 일정간격을 두고 설치한 1차 렌즈; 및 상기 1차 렌즈에 의해 변환된 다수개의 평행광선이 일직선으로 집광하도록 설치한 2차 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 1차 렌즈는 FAC(Fast Axis Collimator)렌즈, 굴절률 분포형 렌즈, 미소곡면 렌즈, 비구면 렌즈, 자유곡면 렌즈 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 2차 렌즈는 SAC(Slow Axis Collimator)렌즈, 어레이 렌즈, 프레넬 띠형 렌즈, 비구면 렌즈, 자유곡면 렌즈 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다수개의 광원부와 렌즈부를 원형으로 배열하여 빛의 얼라인이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하고, 원형배열에 따라 간격이 비교적 여유로워지므로, 열이 집중되는 것을 방지하여 파손 및 고장을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 렌즈부에 의해 변환된 다수개의 빛이 집광부로 일제히 반사되도록 반사부를 원뿔형상으로 구성함으로써, 용이하게 얼라인을 달성할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 원뿔형상을 갖는 반사부의 용이한 구조를 통해 생산성의 향상을 기대할 수 있으며, 장착시에 집광부의 압력에 의한 뒤틀림을 방지하여 안정성을 상승시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 기판에 광원부의 위치 및 개수에 대응하는 방열부를 설치함으로써, 보다 효율적인 방열효과를 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 반도체 광원모듈의 구조를 나타낸 단면도.
도 2 는 본 발명에 따른 반도체 광원모듈의 구조를 나타낸 사시도.
도 3 은 본 발명에 따른 반도체 광원모듈의 구조를 나타낸 단면도.
도 4 는 본 발명에 따른 반도체 광원모듈의 집광과정을 나타낸 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 광원모듈의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 광원모듈의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 반도체 광원모듈의 구조를 나타낸 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 반도체 광원모듈의 집광과정을 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 광원모듈(100)은 기판(101), 광원부(110), 렌즈부(120), 반사부(130) 및 집광부(140)를 포함하여 구성된다.

상기 기판(101)은 상기 광원부(110), 렌즈부(120) 및 반사부(130)가 설치되도록 얇은 판의 형태로 형성된 것으로서, 그 재질은 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판(101)은 도면과 같이, 상기 광원부(110)와 렌즈부(120)의 원형배열이 이루어질 수 있도록 원형판으로 형성하는 것이 바람직하나, 이는 도면에 한정되지 않고, 상기 광원부(110)와 렌즈부(120)의 원형배열이 이루어질 수 있는 본 발명의 기술적 범위 내에서 다양한 변경설계가 가능함은 물론이다.

여기서, 상기 기판(101)의 전기적인 구성 및 작용은 일반적으로 게재된 공지기술로서, 그에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기 광원부(110)는 상기 기판(101)의 상면에 설치되어 빛을 출사하는 것으로, 상기 기판(110)의 둘레를 따라 일정한 간격으로 다수개가 원형배열된다.

이러한 상기 광원부(110)는 상기 기판(101)의 중심으로 빛을 출사할 수 있도록 출광방향을 상기 기판(101)의 내측으로 설치하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 광원부(110)는 레이저 다이오드를 선택하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고, 해당관련분야의 통상 지식을 가진 전문가에 의해 다양하게 선택하여 사용할 수 있다.

한편, 상기 반도체 광원모듈(100)은 상기 광원부(110)의 개수에 대응하는 각을 형성하여, 상기 기판(101)의 상부에 설치되는 보조기판(101a)을 더 포함할 수 있다.

상기 보조기판(101a)은 각 변의 중심에 상기 광원부(110)가 설치되도록 하여 상기 광원부(110)의 원형배열이 더 정확해질 수 있도록 한다.

상기 렌즈부(120)는 상기 광원부(110)로부터 출사된 빛이 복수의 마이크로렌즈를 통해 투과하여 집광되도록 변환하는 것으로서, 상기 광원부(110)의 위치 및 개수에 대응하여 원형으로 배열된다.

여기서, 상기 렌즈부(120)는 1차 렌즈(121) 및 2차 렌즈(122)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 1차 렌즈(121)는 상기 광원부(110)에서 산란되어 출광하는 빛이 평행광선으로 변환되도록 하는 것으로서, 상기 광원부(110)의 출광방향으로 일정간격을 두고 설치할 수 있다.

또한, 상기 1차 렌즈(121)는 FAC 렌즈(Fast-Axis Collimator lens)가 바람직하나, 굴절률 분포형 렌즈, 미소곡면 렌즈, 비구면 렌즈, 자유곡면 렌즈 등이 사용될 수도 있다.

또한, 상기 광원부(110)와 상기 1차 렌즈(121)의 간격은 상기 산란되는 빛을 모두 수용할 수 있는 정도의 간격이라면 충분하다.

즉, 본 발명에 따른 상기 광원부(110) 및 1차 렌즈(121)의 실시예에 의하면, 레이저 다이오드에서 분산되는 빛은 FAC 렌즈에 투과되면서 콜리메이션(평행광선으로 만드는 과정)할 수 있게 된다.

상기 2차 렌즈(122)는 상기 1차 렌즈(121)에 의해 변환된 다수개의 평행광선이 일직선으로 집광되도록 변환하는 것으로서, 상기 1차 렌즈(121)의 투과방향으로 일정간격을 두고 설치할 수 있다.

또한, 상기 2차 렌즈(122)는 SAC 렌즈(Slow-Axis Collimator lens)가 바람직하나, 어레이 렌즈, 프레넬 띠형 렌즈, 비구면 렌즈, 자유곡면 렌즈 등이 사용될 수도 있으며, 이에 한정되지 않고, 관련분야의 통상적인 지식을 가진 전문가에 의하여 본 발명의 범위 내에서 다양한 선택이 가능함은 물론이다.

더불어, 다수개의 평행광선이 일직선으로 집광될 수 있도록 비구면으로 형성될 수도 있다.

상기 반사부(130)는 상기 렌즈부(120)에 의해 변환된 빛이 반사되도록 형성한 것으로서, 고반사율을 가진 전반사 미러(Total Reflection mirror)로 구성한다.

여기서, 상기 반사부(130)는 상기 기판(101)의 중앙에 설치하고, 원형으로 배열된 상기 광원부(110) 및 상기 렌즈부(120)에 의해 상기 기판(101)의 중앙으로 집광되는 빛을 일제히 반사할 수 있도록 원뿔의 형태로 형성한다.

즉, 상기 반사부(130)가 원뿔형상으로 이루어짐에 따라 상기 광원부(110) 및 렌즈부(120)의 위치에 관계없이, 다수개의 빛을 효율적으로 얼라인할 수 있다.

또한, 구조상 용이하게 제작이 가능하므로, 생산성의 향상을 기대할 수 있으며, 장착시에 상기 집광부(140)의 압력에 의한 뒤틀림을 방지하여 안정성을 상승시킬 수 있다.

상기 집광부(140)는 상기 반사부(130)에 의해 반사된 빛을 집광하도록 형성한 것으로, 빛을 최종적으로 집광하여 광섬유(200)의 입사단으로 출사하는 기능을 수행한다.

또한, 상기 집광부(140)는 더 효과적인 집광을 위해 상기 제2 렌즈(122)의 형태와 동일한 비구면 형상을 가질 수 있으며, 그 크기는 상기 반사부(130)의 반사광을 모두 수용할 수 있는 정도로 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 반도체 광원모듈(100)은 상기 기판(101)의 하면에 상기 광원부(110)에서 발생되는 열을 흡수하여 외부로 방출하는 방열부(150)를 더 설치할 수 있다.

여기서, 상기 방열부(150)는 히트싱크(heat sink)가 바람직하며, 다수개로 배열되는 상기 광원부(110)의 열을 각각 흡수하여 방출할 수 있도록 상기 광원부(110)의 위치 및 개수에 대응하여 설치된다.

따라서, 상기 방열부(150) 또한 원형배열을 이루게 된다.

이하, 도 4를 참조하여 상술한 구성에 따른 반도체 광원모듈의 집광과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

또한, 도 4에 도시되어 있는 도면은 집광과정을 용이하게 설명하기 위해 원형배열을 생략한 양측의 구성만을 도시한 것임을 미리 언급하는 바이다.

도면에 나타낸 바와 같이, 먼저, 상기 광원부(110)가 최초로 빛(A)을 출사한다.

이때, 출사하는 빛(A)은 산란되는 성격을 띄며, 임의의 간격으로 설치된 상기 1차 렌즈(121)가 산란되는 빛(A)을 전체적으로 수광한다.

또한, 상기 1차 렌즈(121)는 수광과 동시에, 수광된 빛(A)을 다수개의 평행광선으로 변환하여 투과시킨다.

상기 1차 렌즈(121)를 통해 투과된 빛(A)은 상기 2차 렌즈(122)로 향하며, 상기 2차 렌즈(122)는 다수개의 평행광선을 이루는 빛(A)을 집광하여 일직선으로 변환한다.

상기 2차 렌즈(122)를 통해 일직선으로 변환된 빛(A)은 상기 반사부(130)로 향하게 되며, 상기 반사부(130)에 접촉한 빛(A)은 원뿔형상을 가진 상기 반사부(130)에 의해 수직방향으로 일제히 반사된다.

상기 반사부(130)를 통해 반사된 빛(A)은 상기 집광부(140)로 수광되며, 상기 집광부(140)는 비구면 형상을 통해 수광된 빛(A)을 집광하여 출사한다.

상기 집광부(140)에 의해 출사된 빛(A)은 최종적으로 광섬유(200)의 입사단으로 향하여 결합된다.

따라서, 본 발명은 다수개의 광원부와 렌즈부를 원형으로 배열하여 빛의 얼라인이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하고, 원형배열에 따라 간격이 비교적 여유로워지므로, 열이 집중되는 것을 방지하여 파손 및 고장을 줄일 수 있게 된다.

나아가, 렌즈부에 의해 투과된 다수개의 빛이 집광부로 일제히 반사되도록 원뿔형상으로 형성한 반사부의 구성을 통해 용이하게 얼라인을 달성할 수 있으며, 기판에 광원부의 위치 및 개수에 대응하는 방열부를 설치함으로써, 보다 효율적인 방열효과를 제공할 수 있게 된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

100 : 반도체 광원모듈 101 : 기판
101a : 보조기판 110 : 광원부
120 : 렌즈부 121 : 1차 렌즈
122 : 2차 렌즈 130 : 반사부
140 : 집광부 150 : 방열부
200 : 광섬유

Claims (7)

1. 광원부(110)와 렌즈부(120)가 원형으로 배열되도록 원형판으로 형성된 기판(101);
   상기 기판(101) 상에 설치되고, 상기 기판(101)에 설치되는 광원부(110)의 개수에 대응하는 변을 형성하며, 상기 변의 중앙에 광원부(110)를 위치시켜 상기 광원부(110)가 원형 배열상의 정확한 위치에 배치되도록 하는 보조기판(101a);
   상기 기판(101)의 둘레를 따라 상면에 일정한 간격으로 원형 배열되어 상기 기판(101)의 중앙으로 빛을 출사하도록 레이저 다이오드로 이루어진 다수의 광원부(110);
   상기 광원부(110)로부터 출광하는 빛이 평행광선으로 변환되도록 상기 광원부(110)의 출광방향으로 일정간격을 두고 설치한 1차 렌즈(121)와, 상기 1차 렌즈(121)에 의해 변환된 다수개의 평행광선이 일직선으로 집광하도록 설치한 2차 렌즈(122)를 구비한 렌즈부(120);
   상기 광원부(110)와 렌즈부(120)가 원형으로 배열된 기판(101)의 중앙에 원뿔형상으로 설치되어 상기 기판(101)의 중앙으로 집광되는 빛을 집광부(140)로 반사하는 반사부(130);
   상기 반사부(130)에서 반사되는 빛을 집광하는 집광부(140); 및
   상기 기판(101)의 하면에 광원부(110)의 위치 및 개수에 대응하도록 원형으로 배열 및 설치되고, 상기 광원부(110)에서 발생되는 열을 흡수하여 외부로 방출하는 방열부(150)를 포함하는 반도체 광원모듈.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 1차 렌즈(121)는 FAC(Fast Axis Collimator)렌즈, 굴절률 분포형 렌즈, 미소곡면 렌즈, 비구면 렌즈, 자유곡면 렌즈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 광원모듈.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 2차 렌즈(122)는 SAC(Slow Axis Collimator)렌즈, 어레이 렌즈, 프레넬 띠형 렌즈, 비구면 렌즈, 자유곡면 렌즈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 광원모듈.

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