KR101632769B1 - 몰딩된 양방향 옵틱을 구비하는 ｌｅｄ - Google Patents

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Abstract

LED를 위한 더블-몰딩된 렌즈는 LED 다이의 주변부 둘레에 몰딩된 외측 렌즈, 및 LED 다이의 상부 표면 위에 몰딩되고 외측 렌즈 내의 중심 개구에 의해 부분적으로 정의되는 시준 내측 렌즈를 포함한다. 내측 렌즈 내부에서의 TIR을 유발하기 위해, 외측 렌즈는 n = 1.33 - 1.47과 같이 비교적 낮은 굴절률을 갖는 실리콘을 이용하여 형성되고, 내측 렌즈는 n = 1.54 - 1.76과 같은 고굴절률 실리콘으로 형성된다. 내측 렌즈에 의해 내부적으로 반사되지 않은 광은 외측 렌즈 내로 투과된다. 외측 렌즈의 형상은 광의 측면 방출 패턴을 결정한다. 2개의 렌즈에 의해 별도로 생성되는 정면 방출 패턴 및 측면 방출 패턴은 특정한 백라이트 또는 차량 응용에 대해 맞춰질 수 있다.

Description

몰딩된 양방향 옵틱을 구비하는 ＬＥＤ{LED WITH MOLDED BI-DIRECTIONAL OPTICS}
본 발명은 발광 다이오드(LED)를 위한 렌즈들에 관한 것으로, 구체적으로는 정면 광 방출 및 측면 광 방출을 성형(shape)하기 위해 상이한 굴절률들을 갖는 2개의 재료를 이용하여 더블-몰딩된(double-molded) 렌즈에 관한 것이다.
액정 디스플레이(LCD)를 위한 백라이트들은 때로는 직사각형 플라스틱 웨이브가이드(또는 광가이드)를 이용하여 형성되며, 하나 이상의 LED가 웨이브가이드의 에지에 광학적으로 결합된다. LED들은 백색 광을 생성하기 위해 인광체 코팅을 포함할 수 있다.
도 1은 3개의 동일한 LED(12)가 웨이브가이드(10)의 에지에 광학적으로 결합된 백라이트 웨이브가이드(10)의 일부분을 위에서 내려다 본 도면(top down view)이다. 각각의 LED는 서브마운트(16) 상에 실장된 청색 방출 LED 다이(14)(예를 들어, GaN LED), 백색 광을 생성하기 위한 적색 및 녹색 광 성분에 기여하기 위한 다이 위의 인광체 층(도시되지 않음), 및 돔 형상의(domed) 렌즈(18)를 포함할 수 있다. 광 방출이 램버시안이도록, 렌즈(18)는 전형적으로 반구형이다. 다이 계면에서의 임계각을 증가시킴으로써 LED 다이(14)로부터의 광 추출을 증가시키기 위해, 렌즈는 고굴절률(n) 플라스틱 또는 실리콘으로 형성된다. 그러므로, 그러한 렌즈(18)를 이용하는 것에 의해, LED 다이(14)가 렌즈를 갖지 않고 다이/공기 계면(die/air interface)을 갖는 경우에 비교하여, 다이(14) 내부에서의 TIR(total internal reflection)이 감소된다.
자신의 에지를 따른 복수의 LED에 의해 조명되는 백라이트 웨이브가이드에서, LED 광은 대략적으로 균일하도록 웨이브가이드 내에서 병합되고 혼합될 필요가 있다. 이러한 혼합은 자연히, 각 LED로부터의 광이 웨이브가이드 내에서 확산되고 병합될 때 발생한다. 그러나, 혼합 영역(20) 내에서 웨이브가이드(10)의 에지 부근의 광은 균일하지 않아서, LED들(12) 근처의 웨이브가이드(10)의 부분은 LCD(24)(도 2)를 백라이팅하는 데에 이용되지 않는다. 광이 도 1의 에어갭으로부터 플라스틱(예를 들어, PMMA) 웨이브가이드(10) 내로 가는 것과 같이, 낮은 n으로부터 높은 n으로 갈 때, (화살표 선으로 도시된) 광선들은 법선(normal)을 향해 굴절된다. 이러한 굴절은 에지 부근의 혼합 영역(20)의 깊이를 증가시킨다. 이러한 혼합 영역은 백라이트에 폭을 더하고, 이것은 바람직하지 않다. 혼합 영역을 짧게 하기 위한 한가지 해결안은 LED들의 피치를 감소시키는 것이지만, 이는 비용을 추가한다.
도 2는 임계각보다 큰 각도에서 웨이브가이드(10)의 상부 표면에 충돌하는 LED(12)로부터의 광선(25)이 웨이브가이드(10)의 평활한 상부 표면에 의해 어떻게 전반사되는지를 보여주는, 도 1의 백라이트의 측면도를 도시한 것이다. 그러한 TIR은 상부 표면을 통한 광의 불균일한 누설(leaking)을 방지하는 데에 중요하다. 전형적으로, 웨이브가이드(10)는 상부 표면으로부터 균일하게 누설되어 나와서 LCD(24)를 조명하도록, 광을 위쪽으로 반사시키기 위해, 그것의 하부 표면 상에 프리즘(22) 또는 조면화(roughening)를 갖는다.
웨이브가이드(10)는 그것의 에지에 결합된 방출된 LED 광을 높은 비율로 수신하기에 충분할 정도로 두꺼워야 한다. LED들로부터의 측면 광을 웨이브가이드 에지를 향해 지향시키기 위해 LED 둘레의 반사기가 이용될 수 있지만, 그러한 반사기는 공간 및 비용을 추가한다.
혼합 영역이 더 짧아지도록, 그리고 효율의 손실 없이 웨이브가이드가 더 얇아질 수 있도록, LED 다이를 백라이트에 광학적으로 결합하는 LED들을 위한 옵틱(optics)이 필요하다.
<발명의 개요>
LED를 위한 더블-몰딩된 렌즈가 개시된다. 우선, 외측 렌즈가 LED 다이의 주변부(periphery) 둘레에 몰딩되며, 외측 렌즈는 n = 1.33 - 1.47과 같이 비교적 낮은 굴절률을 갖는 실리콘(silicone)을 이용하여 형성된다. 외측 렌즈 형상은 주로 LED의 측면 방출 패턴을 결정한다. 그 다음, LED 다이의 상부 표면 바로 위에 있도록, 내측 렌즈가 외측 렌즈의 중심 개구 내에 몰딩되며, 내측 렌즈는 n = 1.54 - 1.76과 같은 고굴절률 실리콘으로 형성된다. 내측 렌즈의 굴절률이 외측 렌즈의 굴절률보다 높은 것으로 인해 내측 렌즈 내부에서 TIR이 존재하므로, LED 다이의 상부 표면으로부터 방출된 광은 내측 렌즈에 의해 시준된다. 내측 렌즈는 원통, 포물선 형상, 또는 내측 렌즈에 들어오는 광의 대부분을 실질적으로 시준하는 다른 형상을 형성할 수 있다. 예를 들어, 웨이브가이드에 들어오는 시준된 광은 법선으로부터 28°내에 있을 수 있다. TIR을 위한 임계각보다 작은 각도에서 내측 렌즈 측벽에 충돌하는 LED 다이로부터의 광은 외측 렌즈 내로 투과된다. 외측 렌즈의 형상은 광의 측면 방출 패턴을 결정한다 (예를 들어, 법선으로부터 45°에서 피크 강도).
더블-몰딩된 렌즈의 상부 표면은 평평할 수 있고, 따라서 플라스틱 웨이브가이드의 에지에 직접 접할 수 있다. 그러므로, 광이 웨이브가이드에 입사할 때 실질적으로 법선으로 굴절되게 하는 에어갭(n = 1)이 존재하지 않는다. 그러므로, 웨이브가이드 내의 혼합 영역이 더 짧아서, 더 작은 웨이브가이드의 사용을 가능하게 한다. 또한, 웨이브가이드의 에지에서 또는 그 부근에서 인접한 LED들로부터의 광과의 양호한 혼합을 제공하기 위해, 외측 렌즈에 의해 생성되는 측면 방출 패턴은 특정한 웨이브가이드 응용(예를 들어, LED 피치)에 대해 맞춰질 수 있고, 따라서 혼합 영역이 더 짧아진다. 시준하는 내측 렌즈는 웨이브가이드 내로 더 깊게, 다른 시준된 빔들과 내재적으로(inherently) 혼합되는 (돔 형상 렌즈에 비교하여) 더 좁은 빔을 생성하지만, 에지에 더 가까운 광은 측면-광의 혼합으로 인해 이미 균일하다.
다른 실시예에서, 외측 렌즈 재료는 다이의 상부 표면 바로 위에 층을 형성하고, 내측 렌즈 재료는 그 층 위에 몰딩된다. 층은 산란 특징형상들(features) 또는 오목한 형상과 같은 광학적 특징형상들을 포함할 수 있다. 다양한 다른 렌즈 설계들이 개시된다.
본 발명은 수직 광 방출 패턴(시준 패턴) 및 측면 광 방출 패턴이 실질적으로 독립적으로 지정될 수 있는, 백라이트 이외의 조명 응용들을 위해서도 이용될 수 있다.
도 1은 LCD를 위한 백라이트 웨이브가이드의 일부분에 광학적으로 결합된 LED들을 위에서 내려다 본 종래 기술의 단면도이다.
도 2는 도 1의 백라이트 웨이브가이드의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 다이 위의 더블-몰딩된 렌즈의 측단면도이다.
도 4는 도 3의 LED에 광학적으로 연결된 백라이드 웨이브가이드의 일부분을 위에서 내려다 본 단면도이다.
도 5는 도 4의 백라이트 웨이브가이드의 측단면도이다.
도 6은 시준 빔 패턴 및 측면 광 방출 패턴을 생성하기 위한 다른 더블-몰딩된 렌즈의 측단면도이다.
도 7은 도 6의 LED 다이의 상부 표면의 일부분, 및 측면 광 방출 패턴을 성형하기 위해 광을 산란시키기 위해 다이 표면 위에 몰딩된 렌즈 패턴의 클로즈업 도면이다.
도 8은 도 3 또는 도 6의 내측 렌즈의 상부 표면의 클로즈업 단면도로서, 상부 표면이 광을 산란시키기 위해 내부에 몰딩된 광학 패턴을 가질 수 있음을 도시하고 있다.
도 9는 LCD를 위한 백라이트 웨이브가이드의 일부분에 광학적으로 결합된 도 6의 LED의 단면도이다.
도 10은 다른 더블-몰딩된 렌즈 형상의 측단면도이다.
도 11은 다른 더블-몰딩된 렌즈 형상의 측단면도이다.
도 12는 더블-몰딩된 렌즈를 이용한 LED의 샘플 방출 패턴을 도시한 것으로, 정면 광 방출 패턴 및 측면 광 방출 패턴은 특정한 응용을 위해 개별적으로 맞춰질 수 있다.
도 13은 외측 렌즈를 형성하기 위한 제1 몰딩 단계를 도시한 것이다.
도 14는 외측 렌즈의 내측 표면 형상에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 내측 렌즈를 형성하기 위한 제2 몰딩 단계를 도시한 것으로서, TIR을 달성하기 위해, 내측 렌즈를 형성하는 데에 이용되는 재료의 굴절률은 외측 렌즈를 형성하는 데에 이용되는 재료의 굴절률보다 높다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 더블-몰딩된 LED 렌즈를 형성하기 위해 이용되는 다양한 단계들을 식별하는 플로우차트이다.
동일한 또는 등가인 구성요소들은 동일한 번호로 표시될 수 있다.
본 발명은 본 양수인에 의해 제조되는, 인광체 층을 갖는 AlInGaN 청색 LED와 같은 종래의 백색 광 LED 다이를 이용할 수 있다. 단순성을 위해, 여기에서의 예시들에서는 플립칩 LED 다이가 이용된다. LED를 형성하는 것의 예시들은 US 특허 제6,649,440호 및 제6,274,399호에 기술되어 있으며, 둘다 Philips Lumileds Lighting에 양도되고 참조에 의해 포함된다. 적색 및 녹색 컬러 성분을 방출하는 청색 LED 다이 위의 인광체 층은 LED가 백색 광을 방출하게 한다. 세라믹 인광체 판을 형성하는 것은 Gerd Mueller 등에 의한 미국 특허 공개 20050269582 "Luminescent Ceramic for a Light Emitting Diode"에 설명되어 있으며, 여기에 참조에 의해 포함된다. 여기에서 이용될 때, LED 다이라는 용어는 베어 다이(bare die), 또는 인광체 코팅 또는 인광체 판을 갖는 다이를 포함한다.
도 3은 종래의 서브마운트(32) 상에 실장된 종래의 플립칩 LED 다이(30)를 도시한 것이다. 서브마운트(32)는 세라믹, 실리콘 또는 다른 재료일 수 있다. 서브마운트(32)는 LED 다이(30)의 하부 표면 상의 애노드 및 캐소드 금속 컨택트들에의 직접 본딩을 위한 상부 본딩 패드들을 포함한다. 서브마운트(32) 상의 본딩 패드들은 트레이스들 또는 비아들에 의해, 패키지의 리드프레임 또는 회로 보드에 접속하는 다른 패드들에 접속된다. LED 다이를 서브마운트에 부착하는 것은 본 양수인에 의해 양수되고 여기에 참조에 의해 포함되는, Grigoriy Basin의 미국 특허 제7,344,902호 "Overmolded Lens Over LED Die"에 설명되어 있다.
LED 다이(30)의 주변부 둘레에는 약 1.33의 비교적 낮은 굴절률(n)을 갖는 실리콘으로 형성된 외측 렌즈(34)가 몰딩된다. 약 1.47까지와 같은 다른 n 값들이 이용될 수 있다. 그러한 재료는 상용화되어 있다. 몰딩 프로세스는 외측 렌즈(34) 내에 중심 개구를 남긴다. 그 다음, 외측 렌즈(34) 내에 내측 렌즈(36)가 몰딩되며, 내측 렌즈(36)는 n = 1.54 - 1.76의 더 높은 굴절률 값을 갖는 실리콘으로 형성된다. 그러한 재료는 상용화되어 있다. 내측 렌즈(36)의 형상이 외측 렌즈(34)의 중심 개구에 의해 부분적으로 결정되므로, 몰딩 허용오차(molding tolerance)가 완화된다. 도 3의 예에서, 내측 렌즈(36)는 실질적으로 포물선 형상을 형성한다. LED 다이(30)는 점 광원이 아니므로, LED 다이의 모든 영역이 포물선 형상의 초점에 있지는 않고, 따라서 내측 렌즈(36)로부터 방출되는 광이 완벽하게 시준되지는 않을 것이다. 내측 렌즈(36)의 n이 외측 렌즈(34)의 n보다 더 높으므로, 스넬의 법칙에 의해 결정되는 임계각보다 큰 각도로 입사하는 광의 TIR이 존재할 것이다. 내측 렌즈(36)의 형상 및 렌즈 재료들의 상대적인 n값들이 내측 렌즈(36)에 의해 방출되는 광 패턴을 결정한다. 한 광선(37)이 도시되어 있다.
외측 렌즈(34)는 내측 렌즈(36)의 측면들을 통과하는 광의 임의의 방출 패턴을 생성하도록 성형될 수 있다.
렌즈들(34/36)의 높이는 1㎟ LED 다이에 대해 6㎜까지일 수 있다. 전체 렌즈(34/36)의 폭은 원하는 방출 패턴에 의존한다. 내측 렌즈(36)는 LED 다이의 폭의 3배까지의 출구 직경을 가질 수 있다. 렌즈(34/36)는 위에서 볼 때 중심축에 대해 대칭일 수 있고(원 형상을 가짐), 또는 렌즈(34/36)는 웨이브가이드 내에서의 광의 더 나은 혼합을 위해 직사각형 형상 또는 다른 비대칭 형상을 가질 수 있다.
도 4는 중간에 에어갭을 갖지 않고서 플라스틱(예를 들어, PMMA) 웨이브가이드(40)의 에지에 광학적으로 결합되는 도 3의 렌즈들(34/36)의 평평한 상부 표면을 도시한 것이다. 고굴절률 실리콘의 얇은 층이 렌즈들을 웨이브가이드(40)에 부착시킬 수 있고, 또는 베즐(bezel)이 렌즈들을 웨이브가이드(40)의 에지들에 접하게 할 수 있다. 공기 계면(n = 1)이 존재하지 않으므로, 웨이브가이드(n = 약 1.5)에 입사할 때 법선을 향한 광의 굴절은 거의 없고, 따라서, 혼합 영역(42)은 도 1의 혼합 영역(20)에 비하여 더 짧다. 또한, 원하는 광 혼합을 달성하기 위해, 내측 렌즈(36)의 형상은 웨이브가이드(40) 내로 넓은 각도의 방출 또는 좁은 각도의 방출을 제공하도록 설계될 수 있다. 일 실시예에서, 내측 렌즈(36)로부터 웨이브가이드(40) 내로의 중간 밝기(half-brightness) 방출 각도는 법선으로부터 약 28° 벗어나지만, 그 각도는 혼합을 위한 최적의 각도에 따라 더 커지거나 더 작아질 수 있다. 웨이브가이드(40)에 입사하는 인접하는 LED들의 외측 렌즈들(36)로부터의 측면-광은 에지 이전에 또는 에지에 근접하여 혼합될 것이고, 따라서 짧은 혼합 영역(42)을 유발한다.
도 5는 임계각보다 큰 광선들이 웨이브가이드(40)의 상부 표면에서 어떻게 전반사되는지를 나타내는 도 4의 웨이브가이드(40)의 측면도이다. 웨이브가이드(40)의 하부 표면 상의 프리즘(44) 또는 다른 광 산란 특징형상들은, LCD(46)를 조명하기 위해 광을 상부 표면으로부터 균일하게 누설시키기 위해, 광을 위쪽으로 반사시킨다. 혼합 영역(42)이 짧으므로, LCD(46)의 에지가 웨이브가이드(40)의 에지에 더 가까울 수 있어서, 더 작은 웨이브가이드(40)의 사용을 가능하게 한다.
도 6은 비교적 넓은 방출 패턴을 위하여, 실리콘 내측 렌즈(50)가 실질적으로 원통형이고 실리콘 외측 렌즈(52)가 대략적으로 반구형 형상을 갖는 다른 렌즈 설계의 단면도이다. 내측 렌즈(50)는 외측 렌즈(52)의 n값보다 큰 n값을 가져서 TIR을 유발한다.
몰딩 프로세스 동안, 섬세한 LED 다이가 몰드 자체에 접촉해서는 안되기 때문에, 외측 렌즈 재료의 층이 LED 다이의 상부 표면 위에 형성되는 것을 방지하기가 어렵다. 도 7은 어떻게 이러한 LED 다이 위의 외측 렌즈 재료의 얇은 층이, 내측 렌즈(50)의 측벽을 통과하기 위한 임계각보다 작은 광이 더 많아지게 함으로써 내측 렌즈(50)로부터 외측 렌즈(52)로 탈출하는 광의 양을 증가시키기 위해 몰딩된 광 산란 형상들(56)을 포함할 수 있는지를 도시하는 LED 다이(30) 표면의 일부분의 클로즈업이다.
도 8은 상부 표면이 광을 산란 또는 재지향시키기 위해 그 안에 몰딩된 광학 패턴(59)을 갖도록 몰딩될 수 있는 것을 도시하는, 도 3 또는 도 6의 내측 렌즈의 상부 표면의 클로즈업 단면도이다. 표면은 광을 산란시키거나 광을 재지향시키기 위해, 프리즘, 범프(bumps), 피트(pits), 각뿔대, 무작위 조면화(random roughening) 또는 표면 부조 홀로그램(surface relief hologram)을 이용하는 것 등과 같은 많은 방식으로 텍스처화될 수 있다. 표면은 또한 비드 블라스팅(bead blasting)에 의해 조면화될 수 있다. 광학 필름 코팅은 또한 광을 재지향시키기 위해서도 이용될 수 있다.
도 9는 백라이트 웨이브가이드(60)의 에지에 광학적으로 연결된 도 6의 LED(58)를 도시한 것이다. 균일한 광을 생성하기 위한 웨이브가이드(60) 내의 혼합 영역이 짧아지도록, 내측 렌즈(50), 외측 렌즈(52), LED들(58)의 피치, 및 다른 인자들이 선택될 수 있다.
도 10은 정면 방출을 더 제어하기 위한 볼록 형상의 상부 표면을 갖는 내측 렌즈(64)를 도시한 것이다. 또한, 외측 렌즈 재료(65)는 LED 다이의 상부 표면 위에 두꺼운 영역을 형성하도록 몰딩되고, 이는 정면 및 측면 방출 패턴에 영향을 준다. LED 다이(30) 위에 놓인 외측 렌즈 재료(65)는 대략적으로 위쪽으로 지향된 광선들의 TIR을 감소시키기 위해 오목한 형상을 갖는다. 렌즈 형상들의 다양한 효과를 설명하기 위해, 몇몇 광선들(66)이 도시되어 있다. 렌즈의 성형은 백라이트 웨이브가이드 내에서의 광의 균일성을 개선하기 위해, 및/또는 백라이트 웨이브가이드 내에서의 광 혼합 영역을 짧게 하기 위해 행해질 수 있다. 대안적으로, 성형은 차량 응용과 같은 비-백라이트 응용을 위한 임의의 광 패턴을 달성하기 위해 행해질 수 있다.
도 11은 증가된 측면 광 방출을 위한 LED 다이(30) 상부 표면 위의 외측 렌즈 재료(52)의 두꺼운 층을 도시한 것이다. 내측 렌즈(67)는 도 10의 것과 유사하다.
도 12는 더블-몰딩된 렌즈를 갖는 LED의 대칭적인 절반 밝기 방출 패턴(70)을 도시한 것으로서, 내측 렌즈에 의해 결정되는 정면 방출 패턴(72) 및 외측 렌즈에 의해 결정되는 측면 방출 패턴(74)을 보여주고 있다. 정면 및 측면 방출 패턴의 형상은 내측 및 외측 렌즈의 형상을 변경함으로써 실질적으로 독립적으로 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 측면 방출 로브(lobe)들의 피크 강도는 법선으로부터 45°- 65°이고, 시준된 정면 방출은 에어갭 없이 웨이브가이드에 직접 결합될 때 웨이브가이드 내로 법선으로부터 10°- 35° 확산을 갖는다.
도 13 및 도 14는 웨이퍼-스케일의 더블-몰딩 프로세스를 도시한 것이다. LED 다이들(30)은 아마도 수백개의 동일한 LED 다이(30)를 포함하는 기판 웨이퍼(32) 상에 실장된다.
몰드(80)는 각 LED 다이(30) 위에서의 외측 렌즈의 원하는 형상에 대응하는 인덴테이션들(indentations)(81)을 갖는다. 몰드(80)는 바람직하게는 릴리즈 층(release layer) 또는 비점착성(non-stick) 표면을 갖는 금속으로 형성된다.
몰드 인덴션들(indentions)(81)은 1.33과 같은 굴절률을 갖는 액상(liquid) 또는 연화된(soften) 열 경화성 실리콘(84)으로 채워진다.
웨이퍼(32) 및 몰드(80)가 합쳐지고, 웨이퍼(32)의 주변부와 몰드(80) 사이에 진공 밀봉이 생성된다. 그러므로, 각각의 LED 다이(30)는 실리콘(84) 내로 삽입되고, 실리콘(84)에 압력이 가해진다.
그 다음, 몰드(80)는 실리콘(84)을 굳히기 위한 시간 동안 약 섭씨 150도(또는 다른 적합한 온도)까지 가열된다.
그 다음, 웨이퍼(32)는 몰드(80)로부터 분리된다. 그 다음, 실리콘(84)은 열 또는 UV 광에 의해 추가적으로 경화될 수 있다. 도 14는 다이의 상부 표면과 굳은 몰드(80) 간의 갭에 의해 유발되는 LED 다이(30)의 상부 표면 위의 얇은 층을 갖는 결과적인 외측 렌즈(85)를 도시하고 있다. 얇은 층은 몰딩된 광 산란 특징형상들(도 7에 도시됨)을 가질 수 있다.
도 14에서, 제2 몰드(86)는, 외측 렌즈(85)의 내측 표면과 결합하여 내측 렌즈를 형성하기 위해 이용되는 인덴션들(indentions)(88)을 갖는다. 몰드 인덴션들(88)은 1.54 - 1.76과 같은 높은 굴절률을 갖는 액상 또는 연화된 열 경화성 실리콘(90)으로 채워진다. 웨이퍼(32) 및 몰드(86)는 앞에서 설명된 바와 같이 합쳐진다. 그 다음, 실리콘(90)이 경화되고, 웨이퍼(32) 및 몰드(86)가 분리되어, 도 3에 도시된 LED들이 생성된다. 서브마운트 웨이퍼(32) 상의 모든 LED들은 동시에 프로세싱된다.
그 다음, LED들을 분리하기 위해 서브마운트 웨이퍼(32)가 다이싱된다(diced). 그 다음, LED 서브마운트들은 백라이트에서의 이용을 위해 다른 LED 서브마운트들과 함께 회로 보드 스트립 상에 실장될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 렌즈들을 형성하기 위해 이용되는 다양한 단계들의 플로우차트이다.
단계(92)에서, 최적의 시준 패턴 및 측면 방출 패턴은 특정한 백라이트 응용 및 LED 피치를 위한 것과 같이, 특정한 응용을 위하여 각 LED에 대해 결정된다.
그 다음, 단계(93)에서, 렌즈들에 대해 이용되는 특정한 실리콘 n 값들에 대하여, 원하는 시준 및 측면 방출 패턴을 달성하기 위해 내측 렌즈 형상 및 외측 렌즈 형상이 선택된다.
단계(94)에서, 외측 렌즈들은 높은 n의 제1 실리콘을 포함하는 제1 몰드를 이용하여 서브마운트 웨이퍼 상에 실장되는 모든 LED 다이들의 주변부들 둘레에 동시에 몰딩된다. 또한, 외측 렌즈 재료는 LED 다이들의 상부 표면 위에 층을 제공함으로써 각 LED 다이를 캡슐화할 수 있다.
그 다음, 단계(95)에서, 시준 내측 렌즈들은 제1 실리콘보다 높은 n을 갖는 제2 실리콘을 포함하는 제2 몰드를 이용하여 서브마운트 웨이퍼 상에 실장된 모든 LED 다이들의 상부 표면 위에 동시에 몰딩되며, 따라서 내측 렌즈 내에서 TIR이 존재한다. 외측 렌즈 내의 중심 개구의 벽들이 내측 렌즈의 측벽들을 정의한다.
단계(96)에서, 더블-몰딩된 렌즈들을 갖는 LED들은 백라이트 웨이브가이드의 에지에 광학적으로 직접 결합되며, 렌즈들의 형상 및 실리콘의 굴절률이 웨이브가이드 내에서의 광 혼합을 결정한다. 또한, LED들은 차량 응용 또는 다른 응용에서 이용될 수 있다.
원하는 방출 패턴을 달성하기 위해, 개시된 내측 및 외측 렌즈 형상들의 임의의 조합이 이용될 수 있다. 모든 렌즈들은 실질적으로 대칭인 방출 패턴을 달성하기 위해 중심축에 관하여 대칭일 수 있고, 또는 비대칭 방출 패턴을 달성하기 위해 비대칭일 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 기술분야의 숙련된 기술자들에게 있어서, 본 발명의 보다 더 넓은 국면들에서 본 발명을 벗어나지 않고서 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있음이 분명할 것이고, 따라서 첨부된 청구항들은 본 발명의 진정한 취지 및 범위 내에 드는 것으로서 그러한 모든 변경들 및 수정들을 그들의 범위 내에 포괄해야 한다.

Claims (15)

  1. 조명 장치(lighting apparatus)를 형성하는 방법으로서,
    서브마운트 상에 실장된 발광 다이오드(LED) 다이를 제공하는 단계 - 상기 LED 다이는 상부 표면을 가짐 -;
    제1 굴절률을 갖는 제1 실리콘을 이용하여 외측 렌즈를 상기 LED 다이를 가지는 서브마운트로 몰딩하는 단계 - 상기 외측 렌즈는 적어도 상기 LED 다이의 상부 표면에 수직인 2개의 에지에 접하고 상기 LED 다이의 상기 상부 표면 위에 층(layer)을 형성하도록 몰딩되고, 상기 외측 렌즈는 상기 LED 다이의 상부 표면 위에, 상기 외측 렌즈의 상부 표면에 대한 리세스(recess)를 형성함 -; 및
    상기 외측 렌즈를 몰딩한 후에, 상기 제1 굴절률보다 높은 제2 굴절률을 갖는 제2 실리콘을 이용하여, 상기 리세스 내에서 내측 렌즈를 몰딩하는 단계
    를 포함하고,
    상기 내측 렌즈의 형상은 전반사(total internal reflection (TIR))에 의해 상기 상부 표면에 의해 방출되는 광을 시준하는 역할을 하고,
    상기 외측 렌즈의 형상은 상기 내측 렌즈 내에서 내부적으로 반사되지 않는 광의 측면 방출 패턴을 결정하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 굴절률은 적어도 1.3이고, 상기 제2 굴절률은 적어도 1.6인 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외측 렌즈를 몰딩하는 단계는 상기 상부 표면에의 수직선(perpendicular)으로부터 45°- 65° 내에서 피크 방출을 생성하도록 상기 외측 렌즈를 몰딩하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내측 렌즈를 몰딩하는 단계는 상기 상부 표면에의 수직선으로부터 10°- 35° 사이에서 광 확산 패턴을 생성하도록 상기 내측 렌즈를 몰딩하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외측 렌즈를 몰딩하는 단계는 준-반구(semi-hemispherical) 형상인 외측 측벽 표면을 갖도록 상기 외측 렌즈를 몰딩하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내측 렌즈를 몰딩하는 단계는 상기 내측 렌즈의 상단이 평평하도록 상기 내측 렌즈를 몰딩하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내측 렌즈를 몰딩하는 단계는 상기 내측 렌즈의 상단이 광 확산 특징형상(feature)을 갖도록 상기 내측 렌즈를 몰딩하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 내측 렌즈를 몰딩하는 단계 및 상기 외측 렌즈를 몰딩하는 단계는 상기 내측 렌즈 및 상기 외측 렌즈를 중심축에 대하여 대칭이도록 몰딩하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 내측 렌즈를 몰딩하는 단계는 상기 내측 렌즈를 원통 형상이 되도록 몰딩하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 내측 렌즈를 몰딩하는 단계는 상기 내측 렌즈를 포물선 형상이 되도록 몰딩하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 LED 다이의 상부 표면 위의 층은 원하는 방출 패턴을 달성하기 위해 평평하지 않은 형상을 갖는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 층은 광 산란 특징형상을 포함하는 방법.
  13. 조명 장치로서,
    서브마운트 상에 실장된 발광 다이오드(LED) 다이 - 상기 LED 다이는 상부 표면을 가짐 -;
    적어도 상기 LED 다이의 상기 표면에 수직인 2개의 에지에 접하고 상기 LED 다이의 상기 상부 표면을 덮도록 몰딩된 외측 렌즈 - 상기 외측 렌즈는 제1 굴절률을 갖는 제1 실리콘을 포함하고, 상기 외측 렌즈는 상기 LED 다이의 상부 표면 위에, 상기 외측 렌즈의 상부 표면에 대한 리세스(recess)를 포함함 -;
    상기 리세스 내의 몰딩된 내측 렌즈 - 상기 내측 렌즈는 상기 제1 굴절률보다 높은 제2 굴절률을 갖는 제2 실리콘을 포함함 -
    를 포함하고,
    상기 내측 렌즈의 형상은 상기 상부 표면에 의해 방출되는 광을 전반사(TIR)에 의해 시준하는 역할을 하고,
    상기 외측 렌즈의 형상은 상기 내측 렌즈 내에서 내부적으로 반사되지 않는 광의 측면 방출 패턴을 결정하는, 조명 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 내측 렌즈 및 상기 외측 렌즈를 갖는 복수의 LED가 백라이트 웨이브가이드의 에지에 광학적으로 결합되는 조명 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 외측 렌즈는 상기 상부 표면에의 수직선으로부터 45°- 65° 내에서 피크 방출을 생성하고, 상기 내측 렌즈는 상기 상부 표면에의 수직선으로부터 10°- 35° 사이에서 광 확산 패턴을 생성하는 조명 장치.
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