KR102173118B1

KR102173118B1 - 발광소자 모듈

Info

Publication number: KR102173118B1
Application number: KR1020140057582A
Authority: KR
Inventors: 김은화
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2020-11-03
Also published as: KR20150130692A

Abstract

실시예는 캐비티를 가지는 몸체; 상기 캐비티의 바닥면에 배치되고, 가로와 세로의 길이의 비가 3대 1 내지 5대 1인 발광소자; 및 상기 캐비티 상부의 광출사면에 배치되는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 광입사면과 광출사면이 각각 곡면을 이루고, 상기 광출사면의 중앙 영역에 홈이 형성된 발광소자 모듈을 제공한다.

Description

발광소자 모듈{LIGHT EMITTING DEVICE MODULE}

실시예는 발광소자 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 분포를 향상시키고자 하는 것이다.

GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.

특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.

따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.

발광소자 모듈은 조도를 향상시키는 것이 중요하되, 광원에서 방출되는 빛이 일정한 범위 예를 들면 지향각 내에서 고르게 분포하는 것이 특히 중요하다.

발광소자 모듈이 조명 장치 등에 사용될 때, 렌즈를 사용하여 조도나 지향각을 조절할 수 있는데, 광원의 정면에서의 조도가 다른 영역에서의 조도보다 더 큰 문제점이 있다.

실시예는 광원에서 방출되는 빛의 조도가 일정 범위 이내에서 고른 발광소자 모듈을 제공하고자 한다.

홈의 깊이는 상기 렌즈의 높이의 6% 내지 20%일 수 있다.

광입사면에서 상기 렌즈의 가장 영역은 직사각형일 수 있다.

직사각형은 가로의 길이가 48 밀리미터 내지 72 밀리미터이고, 세로의 길이가 12 밀리미터 내지 18 밀리미터일 수 있다.

렌즈의 높이는 20 밀리미터 내지 25 밀리미터일 수 있다.

지향각이 110도 내지 130도인 램버시안(Lambertian) 형상의 광을 방출할 수 있다.

렌즈의 광출사면은 원기둥의 일부를 이루고, 상기 홈은 상기 원기둥을 높이 방향으로 라인 형상으로 배치될 수 있다.

렌즈의 광출사면은 비구면일 수 있다.

렌즈의 두께는, 상기 렌즈의 높이 방향에서 가장 얇을 수 있다.

실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 조명 장치는 렌즈에 길이 방향으로 홈이 형성되어 지향각이 넓어지고 광의 균일성도 향상될 수 있다.

도 1은 발광소자 모듈의 일실시예의 몸체와 캐비티의 사시도이고,
도 2a와 도 2b는 캐비티 내에 발광소자가 배치된 측단면도와 평면도이고,
도 3a 내지 도 3c는 발광소자 모듈에 배치되는 렌즈의 형상을 나타낸 도면이고,
도 4는 도 1의 발광소자 모듈에서 방출된 광의 지향각을 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 렌즈의 홈 유무에 따른 발광소자 모듈의 광특성을 나타낸 도면이고,
도 6은 렌즈의 홈 유무에 따른 발광소자 모듈의 광출사각 등을 나타낸 도면이고,
도 7a 내지 도 7c는 발광소자 모듈이 배치된 조명 장치의 조도 분포를 나타낸 도면이다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1은 발광소자 모듈의 일실시예의 몸체와 캐비티의 사시도이고, 도 2a와 도 2b는 캐비티 내에 발광소자가 배치된 측단면도와 평면도이다.

본 실시예에 따른 발광소자 모듈(100)은 기판(110) 상에 캐비티(cavity)를 가지는 몸체(120)가 배치되고, 캐비티의 바닥면에 발광소자(150)가 배치되며, 캐비티 상부의 광출사면에 배치되는 후술하는 렌즈가 배치된다.

기판(110)은 몸체(120)를 고정하되, 발광소자(150)로부터 발생하는 열을 방출할 수 있으므로 열전달이 우수한 재료, 예를 들면 금속으로 이루어질 수 있다.

몸체(120)는 발광소자(150)가 배치될 수 있도록 내부에 캐비티가 형성될 수 있고, 몸체의 양측에는 한 쌍의 리드 프레임(130)이 연장되어 배치되고, 각각의 리드 프레임(130)에는 한 쌍의 홀(130a)이 형성되는데, 홀(130a)은 도시되지는 않았으나 나사 등을 삽입하여 기판(110)에 몸체(120)을 고정시킬 수 있다.

발광소자(150)는 수평형 발광소자나 수직형 발광소자 또는 플립 칩 타입의 발광소자일 수 있으며, 후술하는 바와 같이 단면이 직사각형일 수 있으며 인접한 두개의 변의 길이가 예를 들면 15 밀리미터와 60 밀리미터일 수 있다.

도 1에서 캐비티의 장축 방향을 y-y' 방향이라 하고 캐비티의 단축 방향을 x-x'라 할 때, 도 2a는 캐비티의 장축 방향에서의 측단면도이며 발광소자(150)의 상부면은 캐비티의 측벽보다는 낮게 배치될 수 있다.

도 2b에서 발광소자(150)의 상부면은 직사각형 형상일 수 있고 가로의 길이(W₁)와 세로의 길이(W₂)의 비가 3대 1 내지 5대 1일 수 있는데, 예를 들면 가로의 길이(W₁)는 48 밀리미터 내지 72 밀리미터이고, 세로의 길이(W₂)는 12 밀리미터 내지 18 밀리미터일 수 있다.

발광소자(150)가 배치되는 캐비티의 바닥면은 캐비티의 측벽으로 둘러싸여 있다. 이때, 가로의 길이(W₁)는 캐비티의 장축 방향에서의 발광소자(150)의 길이일 수 있고, 세로의 길이(W₂)는 캐비티의 단축 방향에서의 발광소자(150)의 길이일 수 있다.

캐비티 상부의 광출사면에는 렌즈가 배치되는데, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 설명한다.

도 3a은 렌즈의 단축 방향의 측단면도이고, 도 3b는 렌즈의 내측면 방향에서의 사시도이다.

도 3a의 측단면도에서 렌즈는 내부의 광입사면과 외부의 광출사면이 모두 곡면을 가질 수 있는데, 광입사면은 점선으로 도시되고 있으며, 광출사면은 실선으로 도시되고 있으며, 광출사면의 중앙 영역의 표면에는 홈(groove)이 형성되고 있다.

홈(groove)의 깊이(h₂)는 렌즈의 높이(h₁)의 6% 내지 20%일 수 있는데, 렌즈의 높이(h₁)는 20 밀리미터 내지 25 밀리미터일 수 있다.

그리고, 렌즈의 광출사면은 원기둥의 일부를 이루되 표면은 구면이 아닌 비구면일 수 있고, 특히 도 3a에서 광출사면 중 양측면은 평면일 수 있다.

그리고, 렌즈의 두께는 광입사면과 광출사면 사이의 거리일 수 있는데, 도 3a에서 렌즈의 높이 방향에서 렌즈의 두께가 가장 얇다.

도 3b에서 x방향과 y방향은 도 1에서 캐비티의 단축 방향 및 장축 방향과 각자 일치하고, z방향은 렌즈의 높이 방향일 수 있다. 렌즈의 광입사면의 가장 자리는 직사각형 형상일 수 있는데, 도 1에서 캐비티의 광출사면과 동일한 형상일 수 있다.

상술한 홈은 렌즈의 높이 방향인 z방향으로 배치될 수 있다.

도 3c는 렌즈의 크기를 나타낸 도면이다. 도 3c에서 렌즈의 바닥면에서의 크기를 나타내는데, d₁은 도 3b에서 y방향의 크기이고 72 밀리미터일 수 있고, d₂는 x 방향의 크기이고 55 밀리미터일 수 있으며, 렌즈의 높이는 22.5 밀리미터일 수 있다.

도 4는 도 1의 발광소자 모듈에서 방출된 광의 지향각을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 발광소자 모듈에서 방출된 광은 지향각이 120도인 램버시안(Lambertian)을 이룰 수 있는데, 여기서 지향각은 최대 광량의 50% 이상의 광이 출사되는 영역을 의미하며 본 실시예에 따른 발광소자 모듈은 110도 내지 130도의 지향각을 가질 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 렌즈의 홈 유무에 따른 발광소자 모듈의 광특성을 나타낸 도면이다.

도 5a에서는 렌즈에 홈이 형성되지 않은 발광소자 모듈의 광특성을 나타내고, 도 5b에서는 렌즈에 홈이 형성된 상술한 실시예에 따른 발광소자 모듈의 광특성을 나타낸다.

동일한 발광소자 패키지에 동일한 크기의 렌즈를 사용할 때, 광출사각이 도 5a는 142.1도이나 도 5b에서는 149.4도로 향상되며, 5m Min/Avg는 도 5a에서 0.619이고 도 5b에서는 0.639를 나타낸다. 여기서, 5m Min/Avg는 발광소자 모듈로부터 5m(미터)의 거리에서 평균 휘도에 대한 최소 휘도이며 '균제도'라고도 하며, 휘도의 고른 분포 정도를 나타낼 수 있다.

도 6은 렌즈의 홈 유무에 따른 발광소자 모듈의 광출사각 등을 나타낸 도면이며, 아래의 표 1에서 렌즈의 크기를 달리하며 홈을 형성한 경우와 그렇지 않은 경우에 광출사각과 5m Min/Avg의 향상을 나타내고 있다.

반경(mm)	홈	Beam Angle(°)	5m Min/Avg	BA 향상(%)	Uniformity(%)
19.2	유	140	0.441	9.5	2.8
	무	127.9	0.429
24.2	유	144	0.503	9.2	3.1
	무	131.9	0.488
29.2	유	146.6	0.523	8.6	3.2
	무	135	0.507
34.2	유	147.5	0.506	7.0	3.3
	무	137.8	0.548
39.2	유	148.8	0.624	5.7	3.3
	무	140.8	0.604
44.2	유	149.4	0.639	5.1	3.2
	무	142.1	0.619
49.2	유	149.7	0.651	4.8	8.9
	무	142.9	0.598
54.2	유	149.8	0.642	4.4	9.4
	무	143.5	0.587

표 1과 도 6에 도시된 바와 같이, 렌즈의 반경이 커질수록 그리고 렌즈에 홈이 형성된 경우에, 광 출사각(BA, Beam Angle)이 넓어지며 또한 5m Min/Avg가 커져서 광의 균일성(Uniformity)이 향상될 수 있으며, 렌즈에 홈이 형성된 경우에 지향각이 넓어지고 빛의 균일성도 향상되나, 홈의 크기가 너무 크면 도 7a 내지 도 7c에서 중앙 영역이 너무 어두워질 수 있다.

도 7a 내지 도 7c는 발광소자 모듈이 배치된 조명 장치의 조도 분포를 나타낸 도면이다.

도 7a 내지 도 7c에서 조명 장치는 등기구일 수 있고, 하나의 조명 장치 내에 1개 내지 3개의 발광소자 모듈이 배치될 수 있으며, 각각 상술한 조명 장치로부터 4 미터, 5 미터, 6 미터 이격된 곳에서의 조도 분포를 나타낸 것이고, 상세하게는 아래의 표 2와 같다.

Pole 높이	4미터(8m×4m)	5미터(12m×6m)	6미터(16m×8m)
평균 조도(lx)	14.9	8.8	5.74
최소 조도(lx)	10.6	6.0	3.53
최대 조도(lx)	19.4	12.4	8.6
Min/Avg	0.71	0.68	0.61

도 7a 내지 도 7c와 표 2에서, 조명장치로부터 4 미터 이격된 곳에서는 가로와 세로가 각각 8미터와 4미터인 영역의 조도를 측정하고, 조명장치로부터 5 미터 이격된 곳에서는 가로와 세로가 각각 12미터와 6미터인 영역의 조도를 측정하고, 조명장치로부터 6 미터 이격된 곳에서는 가로와 세로가 각각 16미터와 8미터인 영역의 조도를 측정할 수 있다.

상술한 조명장치로부터 4 미터 이격된 영역에서 평균 조도는 14.9 룩스(lx)이고 최소 조도는 10.6 룩스이고 최대 조도는 19.4 룩스이며 균제도는 0.71이고, 상술한 조명장치로부터 5 미터 이격된 영역에서 평균 조도는 8.8 룩스(lx)이고 최소 조도는 6.0 룩스이고 최대 조도는 12.4 룩스이며 균제도는 0.68이고, 상술한 조명장치로부터 6 미터 이격된 영역에서 평균 조도는 5.74 룩스(lx)이고 최소 조도는 3.53룩스이고 최대 조도는 8.6 룩스이며 균제도는 0.61이며, 광원으로부터 멀어질수록 조도가 낮아지고 균제도도 저하됨을 알 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 발광소자 모듈 110: 기판
120: 몸체 130: 리드 프레임
130a: 홀 150: 발광소자

Claims

금속으로 이루어지는 기판;
상기 기판 상에 배치되고, 캐비티를 가지는 몸체;
상기 몸체로부터 단축 방향으로 양측에 연장되어 배치되는 한 쌍의 리드 프레임;
상기 캐비티의 바닥면에 배치되고, 가로와 세로의 길이의 비가 3대 1 내지 5대 1인 발광소자; 및
상기 캐비티 상부의 광출사면에 배치되는 렌즈를 포함하고,
상기 렌즈는 광입사면과 광출사면이 각각 곡면을 이루되 상기 광출사면의 양측면은 평면을 이루고, 상기 광출사면의 중앙 영역에 홈이 형성되고,
상기 한 쌍의 리드 프레임 각각에는 홀이 형성되고, 상기 홀에 나사가 삽입되어 상기 몸체를 상기 기판에 고정하고, 상기 홈의 깊이는 상기 렌즈의 높이의 6% 내지 20%이고, 상기 광입사면에서 상기 렌즈의 가장 영역은 직사각형이고, 상기 직사각형은 가로의 길이가 48 밀리미터 내지 72 밀리미터이고, 세로의 길이가 12 밀리미터 내지 18 밀리미터이고, 상기 렌즈의 높이는 20 밀리미터 내지 25 밀리미터이고, 지향각이 110도 내지 130도인 램버시안(Lambertian) 형상의 광을 방출하며,
4미터 이격된 영역에서 평균 조도는 14.9 룩스(lx)이고 최소 조도는 10.6 룩스이고 최대 조도는 19.4 룩스이며 균제도는 0.71이고, 5 미터 이격된 영역에서 평균 조도는 8.8 룩스이고 최소 조도는 6.0 룩스이고 최대 조도는 12.4 룩스이며 균제도는 0.68이며, 6 미터 이격된 영역에서 평균 조도는 5.74 룩스이고 최소 조도는 3.53룩스이고 최대 조도는 8.6 룩스이며 균제도는 0.61이고,
상기 4미터 이격된 영역에서의 조도는 가로와 세로가 각각 8미터와 4미터인 영역에서 측정되고, 상기 5 미터 이격된 영역에서의 조도는 가로와 세로가 각각 12미터와 6미터인 영역에서 측정되고, 상기 6 미터 이격된 영역에서의 조도는 가로와 세로가 각각 16미터와 8미터인 영역에서 측정된 발광소자 모듈.
삭제
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삭제
삭제
제1 항에 있어서,
상기 렌즈의 광출사면은 원기둥의 일부를 이루고 비구면이고, 상기 홈은 상기 원기둥을 높이 방향으로 라인 형상으로 배치된 발광소자 모듈.
삭제
제1 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 렌즈의 두께는, 상기 렌즈의 높이 방향에서 가장 얇은 발광소자 모듈.