KR102322336B1 - 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

실시 예의 발광 소자 패키지는 몸체와, 몸체 위에 배치된 발광 소자와, 몸체와 발광 소자 위에 배치된 형광체층 및 형광체층 위에 배치되어 발광 소자로부터 방출된 광을 굴절시키고 반사시켜 출사하는 렌즈를 포함하고, 렌즈는 바디를 포함하고, 바디는 측부와, 바디의 상면의 중심에 배치되며 곡면을 갖는 리세스부 및 리세스부와 측부 사이에 배치되며, 볼록한 둥근 형상을 갖는 에지부를 포함한다.

Description

발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치{Light emitting device package and lighting apparatus including the package}
실시 예는 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적 및 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD:Laser Diode) 등 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
이러한 발광 다이오드는 백열등과 형광등 등의 기존 조명기구에 사용되는 수은(Hg)과 같은 환경 유해물질이 포함되어 있지 않아 우수한 친환경성을 가지며, 긴 수명과 저전력 소비특성 등과 같은 장점이 있기 때문에 기존의 광원들을 대체하고 있다. 전술한 발광 소자 및 그 위에 배치된 렌즈를 포함하는 기존의 발광 소자 패키지를 이용한 현재 조명 장치의 가격 경쟁이 심화되고 있다. 따라서, 조명 장치의 가격 절감을 위해서, 발광 소자 패키지의 고효율, 고지향각이 필요하다. 그러나, 광을 굴절시켜 출사하는 기존의 발광 소자 패키지의 경우 색 편차와 조도 편차가 발생하는 단점이 있다. 또한, 광을 반사시켜 출사하는 기존의 발광 소자 패키지의 경우 광 분포 영역이 좁은 단점이 있다.
실시 예는 최대한 조도 분포 영역을 증가시키면서도 색 편차와 조도 편차를 줄일 수 있는 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치를 제공한다.
실시 예에 의한 발광 소자 패키지는 몸체; 상기 몸체 위에 배치된 발광 소자; 상기 몸체와 상기 발광 소자 위에 배치된 형광체층; 및 상기 형광체층 위에 배치되어 상기 발광 소자로부터 방출된 광을 굴절시키고 반사시켜 출사하는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 바디를 포함하고, 상기 바디는 측부; 상기 바디의 상면의 중심에 배치되며 곡면을 갖는 리세스부; 및 상기 리세스부와 상기 측부 사이에 배치되며, 볼록한 둥근 형상을 갖는 에지부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 바디는 상기 에지부와 상기 리세스부 사이에 배치된 탑부를 더 포함할 수 있다. 상기 렌즈는 상기 측부로부터 광축 방향과 수직한 방향으로 돌출된 돌출부를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 형광체층은 상기 몸체의 상면 전체와 상기 발광 소자의 상면 및 측면 위에 각각 배치될 수 있다. 광축 방향과 수직한 방향으로 상기 렌즈의 평면적은 상기 형광체층의 평면적과 동일할 수 있다.
예를 들어, 광축 방향과 수직한 방향으로 상기 발광 소자의 가로 길이와 세로 길이는 서로 다를 수 있다. 상기 리세스부는 광축을 중심으로 대칭일 수 있고, 상기 렌즈의 두께는 광축 상에서 가장 얇을 수 있다.
예를 들어, 상기 리세스부의 최저 정점과 상기 몸체의 최외곽 상면으로부터 연장되는 가상 기준면까지의 수직 거리는 0.37 ㎜ 내지 0.57 ㎜일 수 있고, 상기 리세스부의 깊이는 0.44 ㎜ 내지 0.74 ㎜일 수 있다. 상기 리세스부는 광축을 중심으로 L/4(여기서, L은 상기 렌즈의 폭)만큼 이격된 지점까지의 영역에 배치될 수 있다. 상기 리세스부의 곡률 반경은 1.0 ㎜ 내지 5.5 ㎜일 수 있다. 상기 몸체의 최외곽 상면으로부터 연장되는 가상 기준면으로부터 상기 렌즈의 최상부면까지의 높이는 0.81 ㎜ 내지 1.11 ㎜일 수 있다. 상기 몸체의 최외곽 상면으로부터 연장되는 가상 기준면으로부터 상기 탑부까지의 높이는 0.81 ㎜ 내지 1.11 ㎜일 수 있다. 상기 렌즈의 탑부는 광축으로부터 L/4(여기서, L은 상기 렌즈의 폭)만큼 이격될 수 있다. 상기 L은 2.8 ㎜일 수 있다. 상기 에지부의 곡률 반경은 0.1 ㎜ 내지 0.5 ㎜일 수 있다. 광축과 나란한 수직선에 대하여 상기 측부는 10° 로 경사질 수 있다.
상기 발광 소자 패키지는, 상기 렌즈의 폭 방향으로 서로 이격되어 배치된 제1 및 제2 리드 프레임을 더 포함하고, 상기 발광 소자는 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층은 상기 제1 및 제2 리드 프레임과 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
다른 실시 예에 의한 조명 장치는, 상기 발광 소자 패키지; 및 상기 발광 소자 패키지의 상부에 배치된 광학 부재를 포함할 수 있다.
예를 들어, 광학 부재와 상기 렌즈까지의 거리는 40 ㎜일 수 있다. 상기 광학 부재에서 측정된 상기 발광 소자 패키지의 반치폭은 63 ㎜ 내지 73 ㎜일 수 있다. 상기 광학 부재에서 측정된 상기 발광 소자 패키지의 중심과 상기 중심으로부터 2.7 ㎜ 이격된 지점에서의 색 편차는 4% 내지 5%일 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치는 광을 굴절 및 반사시켜 출사하므로 기존의 굴절형 발광 소자 패키지보다 적은 색 편차 및 적은 조도 편차를 갖고, 기존의 반사형 발광 소자 패키지보다 넓은 조도 분포 영역을 갖는다.
도 1은 실시 예에 의한 발광 소자 패키지의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 일 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 3은 실시 예에 의한 조명 장치의 단면도를 나타낸다.
도 4는 비교 례 및 실시 예에 의한 발광 소자 패키지의 반치폭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지의 평면 이미지 및 지향각 분포를 각각 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지의 평면 이미지 및 지향각 분포를 각각 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 실시 례에 의한 발광 소자 패키지의 평면 이미지 및 지향각 분포를 각각 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도 1은 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)의 단면도를 나타낸다.
도 1에 도시된 발광 소자 패키지(100)는 몸체(110), 발광 소자(120), 형광체층(130) 및 렌즈(140)를 포함할 수 있다.
몸체(110)는 실리콘, 합성수지 또는 금속을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 발광 소자 패키지(100)는 제1 및 제2 리드 프레임(152, 154)을 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 리드 프레임(152, 154)은 렌즈(140)의 폭 방향(예를 들어, x축 방향)으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 제1 및 제2 리드 프레임(152, 154)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광 소자(120)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임(152, 154)은 발광 소자(120)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 수행할 수도 있으며, 발광 소자(120)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 수행할 수도 있다.
발광 소자(120)는 몸체(110) 위에 실장될 수 있다. 발광 소자(120)는 수직형 본딩 구조, 수평형 본딩 구조 또는 플립칩형 본딩 구조 중 어느 하나일 수 있으나, 실시 예는 발광 소자(120)의 본딩 구조에 국한되지 않는다.
발광 소자(120)가 어떠한 본딩 구조를 갖는가에 관계없이 발광 소자(120)는 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, 발광 소자(120)는 발광 다이오드로 구현될 수 있으며, 적색, 녹색, 청색 또는 백색의 유색 빛을 각각 발광하는 유색 발광 다이오드 또는 자외선(UV, UltraViolet)을 발광하는 UV 발광 다이오드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자(120)의 일 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 2에 도시된 발광 소자(120)는 수평형 본딩 구조의 일 례를 나타낸다. 도 2에 도시된 발광 소자(120)는 기판(121), 발광 구조물(122), 제1 및 제2 전극(123A, 123B)을 포함할 수 있다.
기판(121)은 도전형 또는 비도전형 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(121)은 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, GaP, InP, Ga203, GaAs 및 Si 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
발광 구조물(122)은 기판(121) 위에 순차적으로 적층되어 배치된 제1 도전형 반도체층(122A), 활성층(122B) 및 제2 도전형 반도체층(122C)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122A)은 기판(121) 위에 배치되며, 제1 도전형 도펀트가 도핑된 Ⅲ-Ⅴ 족 또는 Ⅱ-Ⅵ 족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122A)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층(122A)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122A)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
활성층(122B)은 제1 도전형 반도체층(122A)과 제2 도전형 반도체층(122C) 사이에 배치되며, 제1 도전형 반도체층(122A)을 통해서 주입되는 전자(또는, 정공)와 제2 도전형 반도체층(122C)을 통해서 주입되는 정공(또는, 전자)이 서로 만나서, 활성층(122B)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다. 활성층(122B)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW:Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
활성층(122B)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 우물층은 장벽층의 밴드갭 에너지보다 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(122B)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(122B)의 장벽층의 밴드갭 에너지보다 더 높은 밴드갭 에너지를 갖는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(122C)은 활성층(122B) 위에 배치되며, 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(122C)은 Ⅲ-Ⅴ 족 또는 Ⅱ-Ⅵ 족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 예컨대, 제2 도전형 반도체층(122C)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(122C)에는 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(122C)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122A)은 n형 반도체층으로, 제2 도전형 반도체층(122C)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또는, 제1 도전형 반도체층(122A)은 p형 반도체층으로, 제2 도전형 반도체층(122C)은 n형 반도체층으로 구현할 수도 있다.
발광 구조물(120)은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
제1 및 제2 전극(123A, 124B) 각각은 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
제1 전극(123A)은 제1 와이어(124A)를 통해 제1 리드 프레임(152)과 전기적으로 연결되고, 제2 전극(123B)은 제2 와이어(124B)를 통해 제2 리드 프레임(154)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도 1의 경우 제1 및 제2 와이어(124A, 124B)의 도시는 생략되었다.
또한, 도 1의 경우 발광 소자(120)는 제2 리드 프레임(154) 위에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면 발광 소자(120)는 제1 리드 프레임(152) 위에 배치될 수도 있고, 제1 및 제2 리드 프레임(152, 154) 위에 걸쳐서 배치될 수도 있고, 몸체(110) 위에 배치될 수도 있다.
또한, 발광 소자(120)의 가로 길이와 세로 길이는 서로 다를 수도 있고, 서로 동일할 수도 있다. 발광 소자(120)의 가로 길이는 광축(LX) 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 x축 방향의 길이를 의미하고, 세로 길이는 광축(LX) 방향과 수직한 z축 방향의 길이를 의미할 수 있다. 또는, 발광 소자(120)의 가로 길이는 광축(LX) 방향과 수직한 z축 방향의 길이를 의미하고, 세로 길이는 광축(LX) 방향과 수직한 x축 방향의 길이를 의미할 수 있다.
한편, 다시 도 1을 참조하면, 형광체층(130)은 몸체(110)와 발광 소자(120) 위에 배치된다. 보다 상세히 설명하면, 형광체층(130)은 몸체(110)의 상면 전체와 발광 소자(120)의 상면 및 측면 위에 각각 배치될 수 있다. 형광체층(130)은 콘포멀(conformal)하게 형성될 수 있다. 즉, 형광체층(130)의 두께는 몸체(110) 위에서나 발광 소자(120)의 상면과 측면에서 균일할 수 있다.
또한, 광축(LX) 방향과 수직한 방향(예를 들어, x축 방향과 z축 방향)으로 렌즈(140)의 평면적은 형광체층(130)의 평면적과 동일할 수 있다.
또한, 형광체층(130)은 형광체(또는, 인광 물질)를 포함하고, 형광체는 발광 소자(120)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다. 형광체로는 발광 소자(120)에서 발생된 빛을 백색광으로 변환시킬 수 있는 YAG계, TAG계, Silicate계, Sulfide계 또는 Nitride계 중 어느 하나의 파장변환수단인 형광물질이 포함될 수 있으나, 실시 예는 형광체의 종류에 국한되지 않는다.
YAG 및 TAG계 형광물질에는 (Y, Tb, Lu, Sc ,La, Gd, Sm)3(Al, Ga, In, Si, Fe)5(O, S)12:Ce 중에서 선택하여 사용가능하며, Silicate계 형광물질에는 (Sr, Ba, Ca, Mg)2SiO4: (Eu, F, Cl) 중에서 선택 사용 가능하다.
또한, Sulfide계 형광물질에는 (Ca,Sr)S:Eu, (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu 중에서 선택하여 사용가능하며, Nitride계 형광체는 (Sr, Ca, Si, Al, O)N:Eu (예, CaAlSiN4:Eu β-SiAlON:Eu) 또는 Ca-α SiAlON:Eu계인 (Cax,My)(Si,Al)12(O,N)16, 여기서 M 은 Eu, Tb, Yb 또는 Er 중 적어도 하나의 물질이며 0.05<(x+y)<0.3, 0.02<x<0.27 and 0.03<y<0.3, 형광체 성분 중에서 선택하여 사용할 수 있다.
적색 형광체로는, N(예,CaAlSiN3:Eu)을 포함하는 질화물(Nitride)계 형광체를 사용할 수 있다. 이러한 질화물계 적색 형광체는 황화물(Sulfide)계 형광체보다 열, 수분 등의 외부 환경에 대한 신뢰성이 우수할 뿐만 아니라 변색 위험이 작다.
한편, 렌즈(140)는 형광체층(130) 위에 배치되어, 발광 소자(120)로부터 방출된 광을 굴절시킬 뿐만 아니라 반사시켜 외부로 출사한다.
이러한 렌즈(140)는 바디(B:Body) 및 돌출부(또는, 테두리(flange))(F)를 포함할 수 있다. 바디(B)는 측부(S:Side), 리세스부(RE:REcess), 탑부(T:Top) 및 에지부(E:Edge)를 포함할 수 있다.
리세스부(RE)는 바디(B)의 상면의 중심에 배치될 수 있다. 즉, 리세스부(RE)의 최저 정점(AP)은 광축(LX) 상에 위치할 수 있다. 이때, 리세스부(RE)는 광축(LX)을 중심으로 대칭일 수 있다. 즉, 광축(LX)을 중심으로, 리세스부(RE)는 x축 방향 또는 z축 방향 중 적어도 한 방향으로 대칭인 단면 형상을 가질 수 있다. 여기서, 리세스부(RE)의 평면 형상도 광축(LX)을 중심으로 서로 대칭일 수도 있다. 또한, 리세스부(RE)는 곡면이나 평평한 면을 포함할 수 있다.
측부(S)는 광축(LX)과 나란한 수직선(VL:Vertical Line)에 대하여 경사지게 형성될 수도 있고, 수직선(VL)에 대해 평행하게 형성될 수도 있다.
탑부(T)는 에지부(E)와 리세스부(RE) 사이에 배치되며, 경우에 따라 생략될 수 있다.
에지부(E)는 탑부(T)와 측부(S) 사이에 배치될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 만일, 탑부(T)가 생략될 경우, 에지부(E)는 리세스부(RE)와 측부(S) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 에지부(E)는 볼록한 둥근 단면 형상을 가질 수 있으나, 실시 예는 에지부(E)의 단면 형상에 국한되지 않는다.
또한, 돌출부(F)는 몸체(B)의 측부(S)로부터 광축(LX) 방향과 수직한 방향(예를 들어, x축 방향 또는 z축 방향)으로 돌출될 수 있다.
또한, 렌즈(140)의 두께는 광축(LX) 상에서 가장 얇을 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 여기서, 광축(LX) 상에서의 렌즈(140)의 두께란, 렌즈(140)의 리세스부(RE)의 최저 정점(AP)과 형광체층(130) 간의 이격 거리에 해당한다.
전술한 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 발광 소자 패키지(100)는 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프 또는 가로등과 같은 조명 장치에 적용될 수 있다.
이하, 실시 예에 의한 조명 장치에 대해 첨부된 도 3을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.
도 3은 실시 예에 의한 조명 장치(200)의 단면도를 나타낸다.
도 3에 도시된 조명 장치(200)는 발광 소자 패키지(100), 회로 기판(210) 및 광학 부재(diffusion plate)(220)를 포함할 수 있다. 여기서, 발광 소자 패키지(100)는 도 1에 도시된 발광 소자 패키지(100)와 동일하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며 중복되는 설명을 생략한다.
회로 기판(210) 위에 발광 소자 패키지(100)가 실장될 수 있다. 회로 기판(210)은 전원을 공급하는 어댑터(adapter)와 발광 소자 패키지(100)를 연결하기 위한 전극 패턴이 형성되어 있을 수 있다.
예를 들어, 회로 기판(210)의 상면에는 발광 소자 패키지(100)와 어댑터를 연결하기 위한 탄소나노튜브 전극 패턴이 형성될 수 있다.
이러한 회로 기판(210)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 유리, 폴리카보네이트(PC) 또는 실리콘(Si) 등으로 이루어져 복수의 발광 소자 패키지(100)가 실장되는 PCB(Printed Circuit Board) 기판일 수 있으며, 필름 형태로 형성될 수 있다.
또한, 회로 기판(210)은 단층 PCB, 다층 PCB, 세라믹 기판, 메탈 코아 PCB 등을 선택적으로 사용할 수 있다.
광학 부재(220)는 발광 소자 패키지(100)의 상부에 배치될 수 있다. 광학 부재(220)는 발광 소자 패키지(100)로부터 제1 소정 거리(d1)만큼 이격되어 배치될 수 있다. 여기서, 제1 소정 거리(d1)란, 광학 부재(220)의 저면(222)과 발광 소자 패키지(100)의 상면까지의 거리로서 정의될 수 있다. 광학 부재(220)와 회로 기판(210) 사이의 공간은 공기로 채워지거나 도광판(미도시)으로 채워질 수 있다. 만일, 광학 부재(220)와 회로 기판(210) 사이의 공간이 공기로 채워질 경우, 제1 소정 거리(d1)를 에어 갭이라 할 수 있다.
광학 부재(220)는 단일 층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 요철 패턴이 최상층 또는 어느 한 층의 표면에 형성될 수 있다. 요철 패턴은 발광 소자 패키지(100)에 따라 배치되는 스트라이프 형상을 가질 수도 있다.
경우에 따라, 광학 부재(220)는 적어도 하나의 시트로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 광학 부재(220)는 확산 시트, 프리즘 시트, 휘도 강화 시트 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 확산 시트는 발광 소자 패키지(100)로부터 출사된 광을 확산시키는 역할을 하며 확산 효과를 증가시키기 위해 상부 표면에 요철 패턴을 형성할 수도 있다. 프리즘 시트는 확산된 광을 발광 영역으로 가이드하는 역할을 한다. 휘도 확산 시트는 휘도를 강화시키는 역할을 한다.
이하, 비교 례에 의한 발광 소자 패키지와 실시 예에 의한 발광 소자 패키지를 다음과 같이 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지의 경우, 발광 소자로부터 방출된 광은 렌즈에서 반사되어 광축 방향과 수직한 방향으로 출사된다. 또한, 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지의 경우, 발광 소자로부터 방출된 광은 렌즈에서 굴절되어 렌즈의 상부나 측부로 출사될 수 있다.
비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지는 굴절형 발광 소자 패키지보다 색 편차나 조도 편차는 작지만, 조도 분포 영역이 좁은 문제점을 갖는다. 즉, 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지는 반사형 발광 소자 패키지보다 조도 분포 영역은 넓지만, 색 편차 및 조도 편차가 발생하는 문제점이 있다.
이러한 비교 례에 의한 반사형 및 굴절형 발광 소자 패키지 각각이 갖는 문제점을 해결하기 위해, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)는 발광 소자(120)로부터 방출된 광을 렌즈(140)에서 반사 및 굴절시켜 출사할 수 있다. 이로 인해, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)는 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지보다 넓은 조도 분포 영역을 갖고 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지보다 적은 색 편차 및 조도 편차가 가질 수 있다.
이하, 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지보다 넓은 조도 분포 영역을 갖고, 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지보다 적은 색 편차와 적은 조도 편차를 갖기 위한, 실시 예에 의한 반사형 및 굴절형 발광 소자 패키지(100)의 특성에 대해 도 1을 참조하여 다음과 같이 예시적으로 살펴본다.
리세스부(RE)의 최저 정점(AP)과 몸체(B)의 최외곽 상면(112)으로부터 연장되는 가상 기준면(RS:Reference Surface)까지의 수직 거리(T1)가 증가하면 조도 분포는 증가할 수 있으며, 곡률의 영향에 의해 조도 분포가 증가하는 폭이 더 커질 수 있다. 수직 거리(T1)는 0.37 ㎜ 내지 0.57 ㎜ 예를 들어 0.47 ㎜일 수 있다.
또한, 몸체(110)의 최외곽 상면(112)으로부터 연장되는 가상 기준면(RS)으로부터 렌즈(140)의 최상부면(142)까지의 높이(H)는 0.81 ㎜ 내지 1.11 ㎜ 예를 들어 0.96 ㎜일 수 있다. 여기서, 최상부면(142)은 탑부(T)에 위치할 수 있다. 따라서, 몸체(110)의 최외곽 상면(112)으로부터 연장되는 가상 기준면(RS)으로부터 탑부(T)까지의 높이는 0.81 ㎜ 내지 1.11 ㎜일 수 있다.
리세스부(RE)의 깊이(D)는 높이(H)로부터 수직 거리(T1)를 감산한 값으로써 0.44 ㎜ 내지 0.74 ㎜, 예를 들어 0.49 ㎜일 수 있다.
또한, 리세스부(RE)는 광축(LX)을 중심(x=0)으로부터 제2 소정 거리(d21, d22)만큼 이격된 지점(x1, x2)까지 배치될 수 있다. 여기서, 제2 소정 거리(d21, d22)는 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있으며, 제2-1 소정 거리(d21)와 제2-2 소정 거리(d22)는 서로 동일할 수 있다.
Figure 112015012825277-pat00001
여기서, d2는 제2 소정 거리(d21, d22) 각각을 의미하고, L은 렌즈(140)의 전체 폭으로서 다음 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015012825277-pat00002
여기서, L1은 몸체(B)의 폭을 의미하고 L2는 돌출부(F)의 돌출된 길이를 의미할 수 있다. 예를 들어, L1은 2.8 ㎜이고, L2는 0.1 ㎜이고 L은 3.0 ㎜일 수 있다.
만일, 렌즈(140)의 전체 폭(L)이 3 ㎜일 경우, 리세스부(RE)는 렌즈(140)의 중심(x=0)으로부터 0.75 ㎜인 지점(x=0.75)까지 배치될 수 있다. 렌즈(140)의 탑부(T)가 광축(LX)(x=0)으로부터 수학식 1에 표시된 제2 소정 거리(d2)만큼 이격되어 위치한다. 따라서, 탑부(T)가 렌즈(140)의 중심(x=0)으로부터 0.75 ㎜ 이상 이격될 수 있다.
또한, 리세스부(RE)의 제1 곡률 반경(R1)이 커지면 렌즈(140) 내부로 반사되는 광의 비율이 증가하여 조도 분포, 색 편차 및 조도 편차가 줄어들 수 있다. 반대로, 제1 곡률 반경(R1)이 작아지면 렌즈(140)의 내부로 반사되는 광이 감소하여 조도 분포, 색 편차 및 조도 편차가 증가할 수 있다. 만일, 제1 곡률 반경(R1)이 플랫(flat)할 경우 예를 들어 5.5 ㎜보다 클 경우 조도 분포는 62 ㎜로 감소하고 색 편차는 3% 이내로 감소할 수 있다. 전술한 점을 고려하여 조도 분포를 최대한 넓히면서 색 편차와 조도 편차를 최소화시키기 위해, 리세스부(RE)의 제1 곡률 반경(R1)은 1.0 ㎜ 내지 5.5 ㎜ 예를 들어 1.5 ㎜일 수 있다.
또한, 에지부(E)의 제2 곡률 반경(R2)은 렌즈(140)를 제조하는 사출 성형 공정에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 에지부(E)의 제2 곡률 반경(R2)은 0.1 ㎜ 내지 0.5 ㎜ 예를 들어, 0.1 ㎜일 수 있다.
또한, 광축(LX)과 나란한 수직선(VL)에 대하여 측부(S)는 10°의 경사각(θ)으로 경사질 수 있다. 만일, 경사각(θ)이 10°보다 작을 경우 조도 분포의 개선이 미약할 수 있고 10°보다 클 경우 조도 분포가 작아질 수 있다.
이하, 전술한 바와 같은 특성을 갖는 발광 소자 패키지(100)를 포함하는 실시 예에 의한 조명 장치(200)의 색 편차, 조도 편차 및 조도 분포를 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지 및 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지와 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 비교 설명한다.
이때, 가로 길이 1050 ㎜이고 세로 길이가 580 ㎜인 발광 소자(120)를 이용하였으며, 렌즈(140)의 광 분포 특성은 조도 분포를 알기 위한 지향각 형태가 원형이나 하트 모양으로 서로 다르기 때문에 발광 소자 패키지(100)로부터 제1 소정 거리(d1)인 40 ㎜만큼 이격된 광학 부재(220)에서 지향각을 측정하였다. 또한, 도 3에 도시된 광학 부재(220)의 두 지점(P1, P2)에서 색 편차와 반치폭(FWHM:Full Width at Half Maximum)을 측정하였다. 여기서, 제1 지점(P1)은 광축(LX)으로부터 제3 소정 거리(d3)만큼 이격된 지점이고, 제2 지점(P2)은 광축(LX)으로부터 제4 소정 거리(d4)만큼 이격된 지점으로서, 제3 및 제4 소정 거리(d3, d4)를 각각 2.7 ㎜로 설정하였다.
먼저, 조도 분포에 대해 살펴보면 다음과 같다. 조도 분포는 반치폭(FWHM)과 지향각을 통해 알 수 있다.
도 4는 비교 례 및 실시 예에 의한 발광 소자 패키지의 반치폭(FWHM)을 설명하기 위한 그래프로서, 횡축은 폭 방향인 x축 방향에서의 거리를 나타내고 종축은 정규화된(normalized) 광의 세기를 각각 나타낸다.
도 4를 참조하면, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)의 반치폭(306)은 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지의 반치폭(302)보다 크고 굴절형 발광 소자 패키지의 반치폭(304)보다 작은 것으로 측정되었다. 이를 통해, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)의 조도 분포 영역은 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지의 조도 분포 영역보다 넓지만, 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지의 조도 분포 영역보다는 좁음을 알 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 도 3에 도시된 광학 부재(220)에서 측정된 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지의 반치폭은 81 ㎜이고, 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지의 반치폭은 52 ㎜인 반면, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)의 반치폭은 63 ㎜ 내지 73 ㎜ 예를 들어 68 ㎜일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지의 평면 이미지 및 지향각 분포를 각각 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지의 평면 이미지 및 지향각 분포를 각각 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 실시 례에 의한 발광 소자 패키지의 평면 이미지 및 지향각 분포를 각각 나타낸다.
도 7a에 도시된 실시 예에 의한 발광 소자 패키지의 발광 이미지를 보면, 도 5a에 도시된 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지보다 조도 분포 영역은 좁지만, 도 6a에 도시된 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지의 조도 분포 영역보다 넓음을 알 수 있다.
다음으로, 조도 편차 즉, 조도 균일도에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 5b, 도 6b 및 도 7b에 도시된 각 그래프에서 횡축은 각도를 나타내고 종축은 광의 세기를 나타낸다. 또한, 도 5b, 도 6b 및 도 7b 각각은 발광 소자의 장축에서의 지향각 분포(312, 322, 332)와 발광 소자의 단축에서의 지향각 분포(314, 324, 334)를 나타낸다.
도 5b에 도시된 바와 같이 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지의 장축(312)과 단축(314)에서의 조도 균일도보다 도 7a에 도시된 바와 같이, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)의 장축(332)과 단축(334)에서의 조도 균일도가 더 우수함을 알 수 있다. 실시 예에 의한 발광 소자 패키지의 조도 균일도는 97%로서 매우 높다.
다음으로, 색 편차에 대해 살펴보면 다음과 같다.
비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지의 색 편차는 약 14%이고, 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지의 색 편차는 약 3%이다. 반면에, 광학 부재(220)에서 측정된 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)의 중심(x=0)과 중심으로부터 2.7 ㎜ 이격된 지점(P1, P2)에서의 색 편차는 4% 내지 5% 예를 들어, 약 4%이다. 색 편차의 %값은 색 온도 대비 비율로서 정의된다. 예를 들어, 색 온도가 3000K일 경우 색 편차가 3%이면 90K의 색 편차가 발생함을 의미한다.
이와 같이, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지의 색 편차는 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지의 색 편차보다 작고, 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지보다 큼을 알 수 있다. 이는, 도 5a, 도 6a 및 도 7a를 통해 확인될 수 있다. 즉, 도 5a에 도시된 비교 례에 의한 발광 소자 패키지의 발광 이미지의 색 편차보다 도 7a에 도시된 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)의 색 편차가 작음을 알 수 있다.
결국, 전술한 바와 같이, 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지와 비교할 때, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지는 높은 지향각을 갖는다. 이는, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지가 비교 례보다, 광을 방향을 넓게 퍼트리는 즉, 조도 분포 영역이 넓음을 의미한다. 또한, 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지와 비교할 때, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지는 색 편차 및 조도 편차가 적다. 따라서, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지는, 비교 례에 의한 굴절형 발광 소자 패키지의 장점인 조도 분포의 넓음과 비교 례에 의한 반사형 발광 소자 패키지의 장점인 조도 편차와 색 편차가 작음을 모두 가질 수 있다. 즉, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지는 지향각은 최대한 넓혀 조도 분포 영역을 증가시키면서도 색 편차와 조도 편차를 줄일 수 있다.
또한, 실시 예에서와 같이 발광 소자 패키지(100)는 고지향각을 가지므로, 도 3에 도시된 제1 소정 거리(d1)를 줄일 수 있어 조명 장치(200)를 슬림(slim)화시킬 수 있어 조명 장치의 디자인을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)가 고지향각을 가지므로, 동일한 광량을 출사하는 비교 례의 반사형 굴절 장치보다 발광 소자(120)의 개수를 감소시킬 수 있어, 제조 원가를 줄여 가격 경쟁력을 도모하도록 할 수 있다.
또한, 렌즈(140)와 발광 소자(120)가 서로 이격된 경우에 비해, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)에서 렌즈(140)와 발광 소자(120)는 일체형으로 구현될 수 있다. 이로 인해, 실시 예에 의한 발광 소자 패키지(100)는 개선된 광 효율을 가질 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 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: 발광 소자 패키지 110: 몸체
120: 발광 소자 121: 기판
122: 발광 구조물 122A: 제1 도전형 반도체층
122B: 활성층 122C: 제2 도전형 반도체층
123A: 제1 전극 123B: 제2 전극
124A: 제1 와이어 124B: 제2 와이어
130: 형광체층 140: 렌즈
152: 제1 리드 프레임 154: 제2 리드 프레임
200: 조명 장치 210: 회로 기판
220: 광학 부재

Claims (22)

  1. 발광 소자 패키지;
    상기 발광 소자 패키지의 상부에 배치된 광학 부재를 포함하는 조명 장치에 있어서,
    상기 발광 소자 패키지는,
    몸체;
    상기 몸체 위에 배치된 발광 소자;
    상기 몸체와 상기 발광 소자 위에 배치된 형광체층; 및
    상기 형광체층 위에 배치되어 상기 발광 소자로부터 방출된 광을 굴절시키고 반사시켜 출사하는 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈는 바디를 포함하고, 상기 바디는
    측부;
    상기 바디의 상면의 중심에 배치되며 곡면을 갖는 리세스부; 및
    상기 리세스부와 상기 측부 사이에 배치되며, 볼록한 둥근 형상을 갖는 에지부를 포함하고,
    상기 렌즈는 광축 방향과 수직한 방향으로 상기 형광체층의 평면적과 동일한 평면적을 갖고,
    상기 광학 부재에서 측정된 상기 발광 소자 패키지의 반치폭은,
    상기 몸체의 최외곽 상면으로부터 연장되는 가상 기준면으로부터 상기 렌즈의 최상부면까지의 높이는 0.81 ㎜ 내지 1.11 ㎜이고,
    상기 리세스부의 최저 정점과 상기 몸체의 최외곽 상면으로부터 연장되는 가상 기준면까지의 수직 거리는 0.37 ㎜ 내지 0.57 ㎜이고,
    상기 리세스부는 광축을 중심으로 L/4(여기서, L은 상기 렌즈의 폭)만큼 이격된 지점까지의 영역에 배치되고,
    상기 리세스부의 곡률 반경은 1.0 ㎜ 내지 5.5 ㎜인 조건에서,
    63 ㎜ 내지 73 ㎜이고,
    상기 반치폭은 상기 광학 부재가 상기 렌즈로부터 제1 소정 거리만큼 이격되었을 때 측정된 것인, 조명 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 바디는
    상기 에지부와 상기 리세스부 사이에 배치된 탑부를 더 포함하는 조명 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 렌즈는
    상기 측부로부터 광축 방향과 수직한 방향으로 돌출된 돌출부를 더 포함하는 조명 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서, 상기 리세스부는 광축을 중심으로 대칭인 조명 장치.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 렌즈의 두께는 광축 상에서 가장 얇은 조명 장치.
  9. 삭제
  10. 제1 항에 있어서, 상기 리세스부의 깊이는 0.44 ㎜ 내지 0.74 ㎜인 조명 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제2 항에 있어서, 상기 몸체의 최외곽 상면으로부터 연장되는 가상 기준면으로부터 상기 탑부까지의 높이는 0.81 ㎜ 내지 1.11 ㎜인 조명 장치.
  15. 제2 항에 있어서, 상기 렌즈의 탑부는 광축으로부터 L/4(여기서, L은 상기 렌즈의 폭)만큼 이격된 조명 장치.
  16. 제1 항에 있어서, 상기 에지부의 곡률 반경은 0.1 ㎜ 내지 0.5 ㎜인 조명 장치.
  17. 제1 항에 있어서, 광축과 나란한 수직선에 대하여 상기 측부는 10° 로 경사진 조명 장치.
  18. 제1 항에 있어서, 상기 렌즈의 폭 방향으로 서로 이격되어 배치된 제1 및 제2 리드 프레임을 더 포함하고,
    상기 발광 소자는 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 도전형 반도체층은 상기 제1 및 제2 리드 프레임과 각각 전기적으로 연결된 조명 장치.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제1 항에 있어서, 상기 광학 부재에서 측정된 상기 발광 소자 패키지의 중심과 상기 중심으로부터 2.7 ㎜ 이격된 지점에서의 색 편차는 4% 내지 5%인 조명 장치.
KR1020150018417A 2015-02-06 2015-02-06 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치 KR102322336B1 (ko)

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