KR102408159B1 - 조명 모듈 및 이를 구비한 라이트 유닛 - Google Patents

조명 모듈 및 이를 구비한 라이트 유닛 Download PDF

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쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드
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Abstract

실시 예는 광학 렌즈 및 이를 갖는 조명 모듈이 개시된다.
실시 예에 개시된 광학 렌즈는, 발광 소자 및 상기 발광 소자 상에 렌즈부를 갖는 발광 소자 패키지; 및 바닥 면, 상기 발광 소자 패키지가 배치된 오목한 리세스, 상기 리세스의 둘레에 입사면, 및 볼록한 곡면을 갖는 제1출사면을 갖는 광학 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈부는 볼록한 곡면을 갖는 출사 영역과, 상기 출사 영역의 중심에 상기 발광 소자 방향으로 오목한 반사 영역을 포함하며, 상기 광학 렌즈는 제1방향의 길이가 제2방향의 길이보다 길며, 상기 리세스의 바닥 면과 상기 렌즈부는 상기 제2방향의 길이가 제1방향의 길이보다 길게 배치될 수 있다. 이에 따라 광학 렌즈의 제1방향을 통해 출사된 휘도 분포를 증가시키고 상기 휘도 분포에 대해 제2방향으로의 광을 확산시켜 줄 수 있다.

Description

조명 모듈 및 이를 구비한 라이트 유닛{LIGHTING MODULE AND LIGHT UNIT HAVING THEREOF}
본 발명은 광학 렌즈, 조명 모듈 및 이를 구비한 라이트 유닛에 관한 것이다.
발광 소자, 예컨대 발광 다이오드(Light Emitting Diode)는 전기 에너지를 빛으로 변환하는 반도체 소자의 일종으로, 기존의 형광등, 백열등을 대체하여 차세대 광원으로서 각광받고 있다.
발광 다이오드는 반도체 소자를 이용하여 빛을 생성하므로, 텅스텐을 가열하여 빛을 생성하는 백열등이나, 또는 고압 방전을 통해 생성된 자외선을 형광체에 충돌시켜 빛을 생성하는 형광등에 비해 매우 낮은 전력만을 소모한다.
또한, 발광 다이오드는 반도체 소자의 전위 갭을 이용하여 빛을 생성하므로 기존의 광원에 비해 수명이 길고 응답특성이 빠르며, 친환경적 특징을 갖는다.
이에 따라, 기존의 광원을 발광 다이오드로 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며, 발광 다이오드는 실내외에서 사용되는 각종 램프, 표시장치, 전광판, 가로등 등의 조명 장치의 광원으로서 사용이 증가하고 있다.
실시 예는 비등방형 광학 렌즈의 입사 광을 비대칭 렌즈부를 갖는 발광 소자 패키지를 갖는 조명 모듈을 제공한다.
실시 예는 일 방향의 휘도 분포가 개선된 조명 모듈이 배열된 라이트 유닛을 제공한다.
실시 예는 발광 소자 상에 비대칭 렌즈부를 배치하고, 상기 비대칭 렌즈부를 리세스 내에 배치한 광학 렌즈를 갖는 조명 모듈을 제공한다.
실시 예는 비대칭 렌즈부에 의해 제1방향으로의 광 분포를 증가시키고 비등방향 광학 렌즈에 의해 제1방향으로의 광 분포를 증가시킨 조명 모듈을 제공한다.
실시 예는 비대칭성 휘도 분포에 의해 제1방향으로의 모듈 간의 간격을 증가시켜 주어, 모듈 개수를 줄일 수 있는 라이트 유닛을 제공한다.
실시 예에 따른 발광 모듈은, 발광 소자 및 상기 발광 소자 상에 렌즈부를 갖는 발광 소자 패키지; 및 바닥 면, 상기 발광 소자 패키지가 배치된 오목한 리세스, 상기 리세스의 둘레에 입사면, 및 볼록한 곡면을 갖는 제1출사면을 갖는 광학 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈부는 상기 발광 소자 상에 볼록한 곡면을 갖는 출사 영역과, 상기 출사 영역의 중심부에 상기 발광 소자 방향으로 오목한 반사 영역을 포함하며, 상기 광학 렌즈는 제1방향의 길이가 a1, 상기 제1방향과 직교하는 제2방향의 길이는 a2인 경우, a1>a2의 관계를 가지며, 상기 리세스의 바닥 면은 제1방향의 길이가 b1, 제2방향의 길이가 b2인 경우, b1<b2의 관계를 가지며, 상기 렌즈부는 제1방향의 길이가 c1, 제2방향의 길이가 c2인 경우, c1<c2의 관계를 가지며, 상기 리세스의 바닥 면의 길이 b1/b2의 비율 b는 0.51 ≤b≤ 0.70의 범위를 포함한다.
실시 예에 의하면, 상기 광학 렌즈의 길이 a1/a2의 비율 a는 1.1 ≤a≤ 1.5의 범위이며, 상기 렌즈부의 길이 c1/c2의 비율 c는 0.51 ≤c≤ 0.72의 범위이며, 상기 비율 a/c는 1.5 이상일 수 있다.
상기 광학 렌즈는 제1방향의 길이가 a1, 상기 제1방향과 직교하는 제2방향의 길이는 a2인 경우, a1>a2의 관계를 가지며, 상기 리세스의 바닥 면은 제1방향의 길이가 b1, 제2방향의 길이가 b2인 경우, b1<b2의 관계를 가지며, 상기 렌즈부는 제1방향의 길이가 c1, 제2방향의 길이가 c2인 경우, c1<c2의 관계를 가지며, 상기 광학 렌즈의 길이 a1/a2의 비율이 a이고, 상기 리세스의 바닥 면의 길이 b1/b2의 비율이 b이고, 상기 렌즈부의 길이 c1/c2의 비율이 c인 경우, 상기 비율 a/c는 1.5 이상일 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 a는 1.1 ≤a≤ 1.5의 범위이며, 상기 b는 0.51 ≤b≤ 0.70의 범위이며, 상기 c는 0.51 ≤c≤ 0.72의 범위일 수 있다. 상기 비율 b와 c는 c≥b의 관계를 가질 수 있으며, 상기 비율 a/b는 2 이상이며, 상기 비율 a/c는 1.5 이상일 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 렌즈부의 제2방향의 길이 c2는 c2≤b1의 관계를 가지며, 상기 b1-c2의 차이는 1mm 이내일 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 발광 소자 패키지는 상기 리세스 내에 배치되며, 상기 렌즈부의 볼록한 곡면을 갖는 출사 영역은 상기 광학 렌즈의 볼록한 곡면을 갖는 입사면과 대면할 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 리세스의 깊이는 상기 리세스의 정점과 상기 제1출사면의 고점 사이의 거리보다 크며, 상기 리세스의 깊이는 상기 리세스의 바닥의 제2방향의 길이와 같거나 클 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 렌즈부의 출사 영역은 상기 반사 영역 양측에 배치된 제1 및 제2출사 영역을 가지며, 상기 제1,2출사 영역은 상기 렌즈부의 제2방향에 대해 대칭되는 형상을 가질 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 렌즈부는 제2방향의 양 측면이 수직한 평면 또는 오목한 곡면을 가질 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 발광 소자 패키지 아래에 회로 기판이 배치되며, 상기 회로 기판 상에는 상기 광학 렌즈 및 상기 발광 소자 패키지가 제2방향으로 복수로 배치될 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 회로 기판은 제1방향의 길이가 상기 제1출사면의 제1방향의 길이보다 작을 수 있다.
실시 예에 따른 조명 모듈을 갖는 라이트 유닛을 제공할 수 있다.
실시 예는 서로 다른 축 방향의 휘도 분포가 다른 조명 모듈을 제공할 수 잇다.
실시 예는 광학 렌즈 및 조명 모듈의 개수를 줄일 수 있다.
실시 예는 광학 렌즈로부터 추출된 광에 의한 핫 스팟과 같은 노이즈를 줄일 수 있다.
실시 예는 회로 기판 상에 배치된 광학 렌즈 간의 간섭을 줄여줄 수 있다.
실시 예는 라이트 유닛 내에 배치되는 발광 소자 패키지 및 광학 렌즈의 개수를 줄일 수 있다.
실시 예는 바 형상의 조명 모듈을 갖는 표시 장치용 라이트 유닛을 제공할 수 있다.
실시 예는 광학 렌즈를 갖는 조명 모듈 및 라이트 유닛의 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예는 인접한 광학 렌즈 간의 간섭을 최소화하여 화상을 개선할 수 있다.
실시 예는 조명 모듈을 갖는 조명 시스템의 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 조명 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 조명 모듈의 평면도이다.
도 3은 도 2의 조명 모듈의 저면도이다.
도 4는 도 2의 조명 모듈의 A-A측 단면도이다.
도 5는 도 2의 조명 모듈의 B-B측 단면도이다.
도 6은 도 4의 조명 모듈의 광 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 4의 조명 모듈의 광 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실시 예에 따른 조명 모듈의 발광 소자 패키지를 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8의 발광 소자 패키지의 측 단면도이다.
도 10은 도 1의 조명 모듈이 회로 기판 상에 배열된 예이다.
도 11은 도 10의 조명 모듈을 갖는 라이트 유닛의 예이다.
도 12는 도 10의 라이트 유닛 상에 광학 시트가 배치된 예이다.
도 13은 도 8의 발광 소자 패키지의 방사 패턴 분포를 나타낸 그래프이다.
도 14는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지의 휘도 분포이다.
도 15는 실시 예에 따른 조명 모듈 상에서의 휘도 분포를 비교 예와 비교한 그래프이다.
도 16은 실시 예에 따른 조명 모듈 상에서 휘도 분포를 나타낸 도면이다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 광학 렌즈 및 이를 구비한 조명 모듈을 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 조명 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1의 조명 모듈의 평면도이며, 도 3은 도 2의 조명 모듈의 저면도이고, 도 4는 도 2의 조명 모듈의 A-A측 단면도이며, 도 5는 도 2의 조명 모듈의 B-B측 단면도이고, 도 6은 도 4의 조명 모듈의 광 경로를 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 도 4의 조명 모듈의 광 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 조명 모듈은 발광 소자 패키지(100) 및 상기 발광 소자 패키지(100) 상에 배치된 광학 렌즈(300)을 포함한다. 이하의 설명에서, 제1방향은 X축 방향 또는 가로 방향이며, 제2방향은 제1방향과 직교하는 Z축 방향 또는 세로 방향이며, 제3방향은 제1,2방향과 직교하는 Y축 방향, 높이 방향 또는 중심 축 방향일 수 있다.
상기 발광 소자 패키지(100)는 상기 광학 렌즈(300)의 아래에 하나 또는 2개 이상이 배치될 수 있다. 상기 발광 소자 패키지(100)는 상기 광학 렌즈(300)와 상기 회로 기판(400) 사이에 배치될 수 있다. 상기 발광 소자 패키지(100)는 상기 회로 기판(400)으로부터 전원을 공급받아 구동하며 광을 방출하게 되며, 상기 방출된 광은 상기 광학 렌즈(300)을 통해 굴절되어 출사될 수 있다.
상기 발광 소자 패키지(100)는 도 4 및 도 5와 같이, 화합물 반도체를 갖는 발광 소자(120)를 갖는 패키지이며, 상기 발광 소자(120)는 LED 칩 예컨대, UV(Ultraviolet) LED 칩, 청색 LED 칩, 녹색 LED 칩, 백색 LED 칩, 적색 LED 칩, 적외선 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 발광 소자(120)는 II족-VI족 화합물 반도체 및 III족-V족 화합물 반도체 중 적어도 하나 또는 모두를 포함할 수 있다. 상기 발광 소자 패키지(100)는 청색, 녹색, 청색, UV, 적외선 또는 백색의 광 중 적어도 하나를 발광할 수 있다. 상기 발광 소자 패키지(100)는 광원 패키지로 정의될 수 있다. 상기 발광 소자(120)는 상기 회로 기판(400) 상에 플립 칩, 수평형 또는 수직형 칩으로 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 발광 소자(120)는 플립 칩, 수직형 칩 또는 수평형 칩일 수 있다.
상기 발광 소자 패키지(100)는 도 4, 도 5, 도 8 및 도 9와 같이, 지지 부재(111)을 갖는 패키지 몸체(110), 상기 패키지 몸체(110) 상에 배치된 발광 소자(120) 및 상기 발광 소자(120) 상에 렌즈부(130)를 포함한다. 상기 패키지 몸체(110)는 수지 재질 또는 세라믹 재질의 지지 부재(111)을 포함한다. 상기 패키지 몸체(110)는 도 9와 같이, 복수의 상부 프레임(113,114) 및 복수의 하부 프레임(115,116,117)이 배치되며, 상기 상부 프레임(113,114) 및 하부 프레임(115,116,117)은 전도성 재질 예컨대, 금속 재질을 포함한다.
상기 패키지 몸체(110)의 상부 프레임(113,114) 중 어느 하나에는 발광 소자(120)가 배치되며, 상기 발광 소자(120)는 상부 프레임(113,114)들과 전기적으로 연결된다. 상기 발광 소자(120)와 상기 상부 프레임(113,114)의 연결 방식은 와이어로 연결되거나, 상기 발광 소자(120)가 다이 본딩되거나 플립 칩 본딩되어 연결될 수 있다. 상기 하부 프레임(115,116,117)에는 상기 상부 프레임(113,114)과 비아 구조로 연결된 리드 프레임(116,117)과, 지지 부재(111)의 열을 방출하기 위한 방열 프레임(115)이 배치될 수 있다. 상기 방열 프레임(115,116)은 다른 프레임들과 전기적으로 연결되지 않을 수 있다.
상기 발광 소자(120) 상에는 도 9와 같이 형광체층(125)이 배치될 수 있으며, 상기 형광체층(125)은 적색, 녹색, 청색, 황색 형광체 중 적어도 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 상기 형광체층(125)은 상기 발광 소자(120)의 상면, 또는 상면과 측면을 덮을 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 형광체는 YAG, TAG, Silicate, Nitride, Oxy-nitride 계 물질 중에서 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 형광 필름은 양자점(quantum dot)과 같은 형광체를 포함할 수 있다. 상기 양자점은 II-VI 화합물, 또는 III-V족 화합물 반도체를 포함할 수 있으며, 적색, 녹색, 황색, 적색 양자점 중 적어도 하나 또는 서로 다른 종류를 포함할 수 있다. 상기 양자점은 양자 구속(quantum confinement)으로부터 발생하는 광학 특성을 가질 수 있는 나노미터 크기의 입자이다. 특정 여기원(excitation source)으로 자극시 원하는 파장의 광이 양자점으로부터 발광되도록 하기 위해 양자점의 특정 조성(들), 구조 및/또는 크기를 선택할 수 있다. 양자점은 크기를 변화시킴으로써, 가시 스펙트럼 전반에 걸쳐 발광하도록 조정될 수 있다. 상기 양자점은 하나 이상의 반도체 재료를 포함할 수 있으며, 상기 반도체 재료의 예는, IV족 원소, II-VI족 화합물, II-V족 화합물, III-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, I-III-VI족 화합물, II-IV-VI족 화합물, II-IV-V족 화합물, 상술한 임의의 것을 포함하는 합금, 및/또는 3원 및 4원 혼합물 또는 합금을 포함하는, 상술한 임의의 것을 포함하는 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 양자점은 예컨대, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, AlS, AlP, AlAs, PbS, PbSe, Ge, Si, CuInS2, CuInSe2, MgS, MgSe, MgTe등과 같은 것들 및 이들의 조합이 될 수 있다.
상기 렌즈부(130)는 상기 발광 소자(120) 상에 배치되고 상기 패키지 몸체(110) 상에 결합될 수 있다. 상기 렌즈부(130)는 도 8과 같이 제1방향으로 볼록한 곡면을 갖는 출사 영역(131,132)과, 제2방향으로 수직한 평면이거나 오목한 곡면을 갖는 측면(134,135)를 포함할 수 있다. 도 6과 같이, 상기 출사 영역(131,132)는 굴절 전의 입사각(θ1)보다 굴절 후의 출사각(θ2)이 더 클 수 있다(θ2>θ1). 상기 렌즈부(130)는 비대칭 렌즈로서, 입사된 광을 대부분 제1방향으로 굴절시켜 출사하며 제2방향으로의 출사된 광을 차단하거나 반사시켜 줄 수 있다. 이러한 렌즈부(130)를 갖는 발광 소자 패키지(100)의 방사 패턴은 도 13과 같은 분포를 가질 수 있으며, 도 14와 같이 제1방향이 제2방향에 비해 긴 휘도 분포를 가질 수 있다.
상기 렌즈부(130)는 출사 영역(131,132)이 제2방향으로 긴 길이를 갖고, 제2방향에 대해 서로 대칭된 형상을 가질 수 있다. 상기 렌즈부(130)의 출사측 중심은 제2방향으로 긴 길이(D11)를 갖고 발광 소자(120) 방향으로 오목한 반사 영역(133)을 포함할 수 있다. 상기 반사 영역(133)은 입사된 광을 출사 영역(131,132)로 반사시켜 줄 수 있다. 상기 렌즈부(130)는 유리, 실리콘 또는 에폭시와 같은 투명한 수지 재질을 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 소자 패키지(100)는 제2방향의 길이(도 8의 D11)가 제1방향의 길이(D12)보다 길게 제공되므로, 도 8과 같이 제1방향(X)을 기준으로 제2방향(Z)으로의 확산된 광을 방출시켜 줄 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지(100)의 광의 지향각 분포를 제1방향에 대해 넓게 제공해 줌으로써, 광학 렌즈(300)를 이용한 광 확산이 보다 용이한 효과가 있다.
상기 발광 소자 패키지(100)의 방사 패턴이 제1방향으로 넓게 제공되므로, 상기 광학 렌즈(300)는 상기 발광 소자 패키지(100)로부터 입사된 광을 굴절시켜 제1방향으로 더 넓은 영역까지 커버하도록 도 10과 같이 조사할 수 있다.
상기 광학 렌즈(300)는, 발광 소자 패키지(100)로부터 방출된 광(light)의 경로를 변경한 후 외부로 추출시켜 줄 수 있다.
상기 광학 렌즈(300)는, 렌즈 몸체의 바닥에 배치된 바닥면(310), 상기 바닥면(310)의 센터 영역에 위로 오목한 리세스(recess)(315), 상기 리세스(315)의 둘레에 입사면(320), 렌즈 몸체의 외측 표면에 출사면(330,335)을 포함한다. 상기 출사면(330,335)은 예컨대, 볼록한 곡면을 갖는 제1출사면(330)과 외측 둘레에 배치된 제2출사면(335)을 포함한다.
상기 광학 렌즈(300)의 바닥면(310)은 수평한 면, 경사진 면, 평평한 면, 곡면 또는 곡면과 플랫한 면을 포함할 수 있다. 상기 바닥면(310)은 상기 회로 기판(도 11의 400)의 상면에 대해 경사진 면 또는/및 곡면을 포함할 수 있다. 상기 바닥면(310)은 경사진 면 또는/및 곡면으로 제공될 수 있다. 상기 바닥면(310)은 반사면을 포함할 수 있다. 상기 바닥면(310)은 요철 면이나 표면이 거친 헤이즈(Haze) 면으로 형성되어, 광의 재 반사를 방지하거나, 광을 산란시켜 줄 수 있다.
상기 바닥면(310)에는 도 3과 같이, 복수의 지지 돌기(350)가 배치될 수 있으며, 상기 지지 돌기(350)는 상기 바닥면(310)보다 더 하 방향으로 돌출되어, 회로 기판에 광학 렌즈(300)를 지지할 수 있다. 상기 지지 돌기(350)는 3개 이상 또는 4개가 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 지지 돌기(350)는 발광 소자 패키지(100)로부터 돌출한 거리 또는 적어도 하나가 다른 거리로 이격되어, 광학 렌즈(300)를 안정적으로 지지할 수 있다.
상기 바닥면(310)의 저점은 상기 발광 소자 패키지(100)의 바닥과 같은 수평 선상에 배치될 수 있다. 상기 바닥면(310)의 저점은 상기 리세스(315)와의 경계 지점일 수 있으며, 상기 지지 돌기(350)의 하단보다 높은 지점에 위치할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 리세스(315)는 상기 바닥면(310)의 소정 영역 예컨대, 센터 영역으로부터 제1출사면(330) 방향 또는 중심 축(도 6의 Y0)의 방향으로 함몰된 형태이다. 상기 리세스(315)는 중심 또는 제1출사면(330)에 가까울수록 더 깊은 깊이를 가질 수 있다. 여기서, 상기 중심 축(Y0)은 상기 바닥면(310)의 수평한 직선에 대해 연직한 방향이거나, 광축 방향일 수 있다. 상기 중심 축(Y0) 방향은 상기 회로 기판(400)의 상면에 직교하는 제3방향일 수 있다. 상기 중심 축(도 6의 Y0) 방향은 제1,2방향(X,Z)과 직교한 방향일 수 있다.
상기 리세스(315)의의 너비는 정점에 인접할수록 점차 좁아질 수 있다. 상기 리세스(315)의 측 단면 형상은 반구 형상 또는 반 타원 형상을 포함할 수 있으며, 그 표면의 하부 형상은 원 형상 또는 다각형 형상을 포함할 수 있다. 상기 리세스(315)는 입사면(320)을 가질 수 있으며, 상기 입사면(320)은 상기 리세스(315)의 둘레에 배치된다. 상기 입사면(320)은 곡면을 포함할 수 있다. 상기 입사면(320)은 베지어(Bezier) 곡선을 갖는 회전체로 형성될 수 있다. 상기 입사면(320)의 곡선은 스플라인(Spline) 예컨대, 큐빅(cubic), B-스플라인, T-스플라인으로 구현될 수 있다. 상기 입사면(320)의 곡선은 베지어 곡선(Bezier curve)로 구현될 수 있다.
상기 리세스(315)에는 상기 발광 소자 패키지(100)가 배치될 수 있다. 상기 리세스(315)는 상기 발광 소자 패키지(100)로부터 방출된 광이 용이하게 입사될 수 있는 크기를 갖는다. 상기 발광 소자 패키지(100)는 상기 리세스(315) 내에 삽입될 수 있다. 상기 입사면(320)은 상기 리세스(315)의 표면으로서 상기 발광 소자 패키지(100)의 렌즈부(130)의 외측에 배치될 수 있다. 상기 광학 렌즈(300)의 입사면(320)은 상기 발광 소자 패키지(100)의 렌즈부(130)의 출사 영역(131,132)의 곡면과 소정의 곡률을 갖고 대면하게 배치될 수 있다. 상기 발광 소자 패키지(100)의 출사 영역(131,132)로부터 방출된 광은 측 방향으로 굴절되어 상기 입사면(320)으로 조사되므로, 광의 측 방향 입사 효율을 증가시켜 줄 수 있다. 상기 입사면(320)은 상기 리세스(315)로 입사된 광을 소정 각도로 굴절시켜 출사면(330,335)으로 제공한다.
상기 리세스(315)의 깊이(D8)는 바닥 중심으로부터 리세스(315)의 정점까지의 거리로서, 상기 리세스(315)의 바닥 길이(D1)와 같거나 더 크게 배치될 수 있다. 상기 리세스(315)의 깊이(D8)는 광학 렌즈(300)의 두께(D3)의 60% 이상의 깊이를 가질 수 있다. 상기 리세스(315)의 깊이(D8)는 상기 제1출사면(330)의 정점과의 거리(D6<D8)보다는 작을 수 있다. 상기 리세스(315)의 깊이(D8)가 크게 배치됨으로써, 제1출사면(330)의 센터 영역(31)이 전 반사면 또는 음의 곡률을 갖지 않더라도, 입사면(320)의 정점에 인접한 영역을 통해 광을 굴절시켜 줄 수 있어, 센터 영역(31)을 통해 굴절된 광들이 측 방향으로 방출될 수 있다. 상기 입사면(320)의 정점의 깊이가 깊게 배치됨으로써, 정점 및 그 주변 영역으로 입사된 광에 대해 측 방향으로 굴절시켜 줄 수 있다.
상기 제1출사면(330)은 곡면을 포함하며, 상기 제2출사면(335)는 평탄한 수직 면을 포함한다. 상기 제1 및 제2출사면(330,335)은 상기 입사면(320)을 통해 입사된 광을 소정 각도로 굴절시켜 출사하게 된다. 상기 제1 및 제2출사면(330,335)은 상기 입사면(320)으로 입사된 광을 굴절시켜 확산된 광으로 방출할 수 있다.
상기 제1출사면(330)은 전 영역으로 광이 출사되는 곡면으로 형성될 수 있다. 상기 제1출사면(330)의 센터 영역(31)은 정점 또는 고점을 가질 수 있으며, 상기 센터 영역(31)의 정점으로부터 연속적으로 연결되는 곡면 형상을 포함한다. 상기 제1출사면(330)은 상기 리세스(315)의 바닥 중심과의 거리가 중심 축(도 5의 Y0) 또는 상기 제1출사면(330)의 정점로부터 멀어질수록 점차 커질 수 있다. 상기 제1출사면(330)은 입사되는 광을 반사하거나 굴절시켜 출하하게 되며, 이때 중심 축(도 6의 Y0)을 기준으로, 제1출사면(330)으로 방출된 광의 굴절 후의 출사 각도(θ4)는 굴절 전에 입사된 입사 각도(θ3)보다 클 수 있다(θ4>θ3). 도 6과 같이, 발광 소자 패키지(100)로부터 렌즈부(130)의 출사 영역(131,132)을 통해 입사된 광이 제1출사면(330)으로 출사된 광의 굴절각도는 θ1< θ2< θ3< θ4의 관계를 가질 수 있다. 이에 따라 입사된 광을 측 방향 예컨대, 제1방향으로 확산시켜 방출할 수 있다.
상기 제1출사면(330)은 베지어(Bezier) 곡선을 갖는 회전체로 형성될 수 있다. 상기 제1출사면(330)의 곡선은 스플라인(Spline) 예컨대, 큐빅(cubic), B-스플라인, T-스플라인으로 구현될 수 있다. 상기 제1출사면(330)의 곡선은 베지어 곡선(Bezier curve)로 구현될 수 있다.
상기 입사면(320) 및 제1출사면(330)은 양의 곡률 반경을 가질 수 있다. 상기 제1출사면(330)의 센터 영역(31) 및 그 사이드 영역(32)은 음의 곡률을 갖지 않고 서로 다른 양의 곡률을 가질 수 있다. 상기 제1출사면(330)의 센터 영역(31)은 곡률이 0인 영역을 포함할 수 있다. 상기 제1출사면(330)의 곡률 반경은 상기 입사면(320)의 곡률 반경보다 클 수 있다. 다른 예로서, 상기 제1출사면(330)의 기울기는 상기 입사면(320)의 기울기보다 작을 수 있다. 상기 입사면(320)과 상기 제1출사면(330)의 센터 영역(31) 사이의 수직한 직선 거리는 상기 입사면(32)의 정점으로부터 멀어질수록 점차 커질 수 있다. 상기 제1출사면(330)과 바닥면(310) 사이의 수직한 직선 거리는 상기 센터 영역(31)로부터 멀어질수록 점차 작아질 수 있다.
여기서, 상기 발광 소자 패키지(100)의 렌즈부(130)은 오목한 반사 영역(133)을 가지므로, 상기 렌즈부(130)의 반사 영역(133)을 통해 출사된 광도가 낮으므로, 중심 축(Y0)을 기준으로 제1각도(R1) 이상으로 광이 대부분 방출될 수 있다. 상기 제1각도(R1)는 중심 축(Y0)을 기준으로 ±10도 미만의 각도로서, 상기 반사 영역(133)에 의해 진행되는 광들이 반사되어 측 방향으로 반사될 수 있다. 상기 광학 렌즈(300)의 입사면(320)에는 중심 축(Y0)을 기준으로 상기 제1각도(R1) 미만으로 입사된 광들을 낮추거나 차단하여 줌으로써, 상기 입사면(320)으로 입사된 광을 중심 축(Y0)을 기준으로 10도 이상의 분포를 갖고 입사되도록 조절할 수 있다. 상기 제1각도(R1)로 입사된 광은 제2각도(R2)로 굴절되며(R2>R1), 상기 제2각도(R2)으로 굴절되어 제1출사면(330)으로 입사된 광은 제3각도(R3)로 굴절되어 출사될 수 있다(R3>R2). 이때 상기 제3각도(R3)로 진행되는 광은 상기 리세스(315)와 수직 방향으로 중첩되지 않는 제1출사면(330)의 사이드 영역(32)으로 진행될 수 있다. 이는 발광 소자 패키지(100)로부터 출사된 광이 제1출사면(330)의 센터 영역(31)으로 진행되지 않고 사이드 영역(32)으로 진행되도록 하여, 측 방향으로 광 확산을 증가시켜 줄 수 있다. 상기 제1출사면(330) 중에서 상기 제1각도(R1) 이상으로 입사된 광들은 곡면으로 굴절되어 출사되므로, 굴절 각도를 증가시켜 줄 수 있다.
상기 제2출사면(335)은 상기 제1출사면(330)의 하부 둘레에 배치되어 입사된 광을 굴절시켜 방출하게 된다. 상기 제2출사면(335)은 수직하거나 경사진 면을 갖는 평면일 수 있다. 상기 제2출사면(335)은 수직한 면이거나 경사진 면일 수 있다. 상기 제2출사면(335)이 경사진 면으로 형성될 경우, 사출 성형시 분리가 용이한 효과가 있다.
상기 광학 렌즈(300)의 몸체는 폴리카보네이트(PC), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 실리콘 또는 에폭시 수지, 또는 글래스(Glass) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 광학 렌즈(300)는 굴절률이 1.4 내지 1.7 범위의 투명 재료를 포함할 수 있다.
실시 예의 광학 렌즈(300)는 하부의 발광 소자 패키지(100)가 제1방향(X)보다는 제2방향으로 긴 길이(D11, D11>D12)를 갖고 배치되므로, 상기 리세스(315)의 바닥도 제1방향(X)의 길이(D2)보다는 제2방향(Z)의 길이(D1)가 더 클 수 있다(D1>D2). 이는 리세스(315)가 제2방향(Z) 방향으로 긴 길이(D1)를 갖게 되므로, 제1방향(X)을 기준으로 제2방향(Z)으로 확산된 광이 입사될 수 있다.
또한 광학 렌즈(300)의 외형 사이즈를 보면, 제1출사면(330)의 제1방향(X)의 길이(D5)는 제2방향(Z)의 길이(D4)보다는 클 수 있다(D5>D4). 이는 제1출사면(330)이 제1방향(X)으로 긴 길이(D5)를 갖고 광을 출사하게 되므로, 제1방향으로 더 많은 광이 출사될 수 있어, 도 16과 같은 휘도 분포를 가질 수 있다. 상기 제1출사면(330)의 제1,2방향(X,Z)의 길이가 D5>D4의 관계를 갖고, 리세스(315)의 바닥 길이는 D1>D2의 관계를 갖게 되므로, 비대칭형 렌즈 형상으로 제공될 수 있다. 이에 따라 제1방향(X)으로의 광 확산 분포로 제공될 수 있다. 상기 제1방향(X)은 라이트 유닛에서의 장변 방향일 수 있고, 제2방향(Z)은 라이트 유닛에서 단변 방향일 수 있다.
도 2, 도 4 및 도 5와 같이, 상기 광학 렌즈(300)는 제1방향(X)의 길이가 D5이고, 제2방향(Z)의 길이가 D4인 경우, D5>D4의 관계를 가지며, D5/D4의 비율(a)은 1초과이며, 예컨대 1.1≤a≤1.5의 범위일 수 있다. 상기 D5/D4의 비율이 1미만인 경우, 제1방향으로의 광 확산이 저하될 수 있어, 제1방향으로의 광원 모듈 간의 간격을 증가하는 데 한계가 있으며, 상기 범위보다 크면 제2방향으로 배열된 광학 렌즈의 개수를 증가하여야 하는 문제가 발생될 수 있다. 상기의 제1,2방향(X,Z)의 길이는 광학 렌즈의 각 방향별 최대 길이 또는 제1출사면의 각 방향별 최대 길이일 수 있으며, 상기 D4는 15mm 이상일 수 있으며, 상기 D4와 D5의 차이는 1mm 이상일 수 있다.
상기 광학 렌즈(300)의 리세스(315)의 바닥 길이를 보면, 제1방향의 길이는 D2이고, 제2방향의 길이는 D1인 경우, D2<D1의 관계를 가지며, D2/D1의 비율(b)은 0.5 초과 예컨대, 0.51 ≤b≤ 0.70의 범위일 수 있다. 상기 D2/D1의 비율이 상기 범위보다 작으면 상기 광학 렌즈(300)의 제1방향을 통해 진행하는 광들이 제2방향으로의 확산 효과가 줄어들 수 있고, 상기 범위보다 크면 제1방향으로의 광 확산 분포가 저하될 수 있다. 상기 D2와 D1의 차이는 1mm 이상일 수 있다.
상기 발광 소자(100)의 렌즈부(130)는 제1방향으로의 길이가 D12이고, 제2방향으로의 길이가 D11인 경우, D12<D11의 관계를 가지며, D12/D11의 비율(c)은 0.5 초과 예컨대, 0.51 ≤c≤ 0.72의 범위일 수 있다. 상기 D12/D11의 비율(c)은 상기 D2/D1의 비율(b)과 같거나 D2/D1의 비율(b)보다 큰 관계를 가질 수 있다(c≥b). 상기 비율 c≥b의 관계를 가지므로, 상기 발광 소자(100)의 렌즈부(130)를 상기 리세스(315)의 입사면에 근접하게 배치하여, 광 손실을 줄이고 제1방향으로의 확산된 광을 제공하고 제2방향으로 진행된 광을 반사시켜 줄 수 있다. 여기서, 상기 렌즈부(130)의 제2방향의 길이 D11은 상기 리세스(315)의 제1방향의 길이(D2)와 같거나 작을 수 있으며, D2-D11의 차이는 1mm 이내의 범위에 배치될 수 있다.
상기 비율 a/b는 2 이상 예컨대, 2.0 내지 2.3의 범위일 수 있어, 광학 렌즈(300)의 출사면(330,335)을 통해 제1방향으로의 광 확산을 가이드할 수 있고, 리세스(315) 내에서 제2방향으로의 광 확산을 유도할 수 있다.
상기 비율 a/c는 1.5 이상 예컨대, 1.5 내지 2의 범위일 수 있다. 상기 비율 a/c의 관계가 상기 범위인 경우, 제1방향으로의 광학 렌즈 간의 간격을 증가시켜 줄 수 있어, 광원 모듈 개수를 줄여줄 수 있다. 또한 비율 a/c의 범위로 제1방향을 기준으로 제2방향으로의 광 확산 효과를 줄 수 있어, 제2방향으로의 광학 렌즈 개수를 최적화시켜 줄 수 있다.
실시 예는 비등방향 광학 렌즈 또는 비대칭 광학 렌즈를 제공하고 있으나, 도 15와 같이, 등방향 렌즈인 경우(비교 예)의 휘도 분포는 소정 거리 이상(예: 50mm 이상)에서는 X축 및 Z축 방향의 광도가 점차 낮아짐을 알 수 있으며, 실시 예는 비대칭 광학렌즈를 갖게 되어, X축 방향의 광도가 비교 예에 비해 낮아지는 정도가 작고 더 높게 나타남을 알 수 있다.
도 10과 같이, 조명 모듈(301)은 광학 렌즈(300)가 회로 기판(400) 상에 어레이된다. 상기 회로 기판(400)의 제1방향 길이는 광학 렌즈(300)의 제1방향 길이보다 작을 수 있다. 상기 광학 렌즈(300) 간의 간격(G1)은 일정하게 배열될 수 있다.
상기 회로 기판(400)은 표시 장치, 단말기, 조명 장치와 같은 라이트 유닛 내에 배열될 수 있다. 상기 회로 기판(400)은 상기 발광 소자 패키지(100)와 전기적으로 연결되는 회로 층을 포함할 수 있다. 상기 회로 기판(400)은 수지 재질의 PCB, 금속 코어를 갖는 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 비 연성 PCB, 연성 PCB(FPCB, Flexible PCB) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 회로 기판(400)은 광학 렌즈(300)를 지지할 수 있는 수지 재질 PCB, MCPCB, 또는 비 연성 PCB 중 어느 하나일 수 있다.
도 11 및 도 12는 실시 예에 따른 조명 모듈을 갖는 라이트 유닛을 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 라이트 유닛(500)은 바텀 커버(510), 상기 바텀 커버(510) 내에 조명 모듈(301)로서 복수의 회로 기판(400), 발광소자 패키지(100) 및 상기 복수의 회로 기판(400) 상에 배치된 광학 렌즈(300)를 포함한다. 상기 복수의 회로 기판(400)은 바텀 커버(510)의 바닥(511) 내에 배열될 수 있다.
상기 바텀 커버(510)의 측면 커버(512)는 상기 조명 모듈(301)로부터 방출된 광을 반사시켜 주거나, 표시 패널 방향으로 반사할 수 있다. 상기 바텀 커버(510)는 수납부를 구비할 수 있으며, 상기 수납부의 둘레에는 측면 커버를 구비할 수 있다. 실시예에 따른 회로 기판(400) 상에는 반사 시트(미도시)가 배치될 수 있다. 상기 반사 시트는 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 조명 모듈(301)의 회로 기판(400)은 각 광학 렌즈(300)의 휘도 분포에 의해 간격(G2)를 더 이격시켜 줄 수 있어, 바텀 커버(510) 내에 2개 이하로 배치될 수 있다. 상기 회로 기판(400)은 상기 발광소자 패키지(100)와 전기적으로 연결되는 회로 층을 포함할 수 있다. 상기 바텀 커버(510)는 방열을 위한 금속 또는 열 전도성 수지 재질을 포함할 수 있다.
실시 예에 다른 바텀 커버(510) 상에는 도 12와 같이 광학 시트(175)가 배치될 수 있으며, 상기 광학 시트(175)는, 분산된 광을 모으는 프리즘 시트들, 휘도강화시트 및 광을 다시 확산시키는 확산 시트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 광학 시트와 조명 모듈 사이의 영역에는 투명한 재질의 도광층(미도시)이 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이에 따라 광학 렌즈(300)는 비대칭 형상의 렌즈로 제공되어, X축 방향의 휘도 분포를 확보할 수 있다. 또한 도 12와 같이 인접한 광학 렌즈(300) 간의 광(L2)의 간섭을 줄일 수 있고, 광학 시트(175)와의 간격(H1)을 낮추어 줄 수 있다. 또한 휘도 분포 측면에서 X축 방향 및 모서리 영역으로 넓게 확산시켜 줄 수 있다. 이에 따라 50인치 이상의 라이트 유닛에서 상기 광학 렌즈(300)가 배열된 조명 모듈의 바 개수를 2개 이하로 줄여줄 수 있으며, 백라이트 유닛에서의 상/하 코너부의 휘도 분포를 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예에 따른 광학 렌즈 및 이를 구비한 조명 모듈을 갖는 표시 장치는 각 종 휴대 단말기, 노트북 컴퓨터의 모니터, 랩탑 컴퓨터의 모니터, 텔레비젼 등에 적용될 수 있다. 실시예에 따른 조명 모듈은 라이트 유닛에 적용될 수 있다. 상기 라이트 유닛은 하나 또는 복수의 조명 모듈을 갖는 구조를 포함하며, 3차원 디스플레이, 각종 조명등, 신호등, 차량 전조등, 전광판 등이 포함될 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 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.

Claims (11)

  1. 발광 소자 및 상기 발광 소자 상에 렌즈부를 갖는 발광 소자 패키지; 및
    바닥 면, 상기 발광 소자 패키지가 배치된 오목한 리세스, 상기 리세스의 둘레에 입사면, 및 볼록한 곡면을 갖는 제1출사면을 갖는 광학 렌즈를 포함하며,
    상기 렌즈부는 상기 발광 소자 상에 볼록한 곡면을 갖는 출사 영역과, 상기 출사 영역의 중심부에 상기 발광 소자 방향으로 오목한 반사 영역을 포함하며,
    상기 광학 렌즈는 제1방향의 길이가 a1, 상기 제1방향과 직교하는 제2방향의 길이는 a2인 경우, a1>a2의 관계를 가지며,
    상기 리세스의 바닥 면은 제1방향의 길이가 b1, 제2방향의 길이가 b2인 경우, b1<b2의 관계를 가지며,
    상기 렌즈부는 제1방향의 길이가 c1, 제2방향의 길이가 c2인 경우, c1<c2의 관계를 가지며,
    상기 리세스의 바닥 면의 길이 b1/b2의 비율 b는 0.51 ≤b≤ 0.70의 범위를 포함하는 조명 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 렌즈의 길이 a1/a2의 비율 a는 1.1 ≤a≤ 1.5의 범위이며,
    상기 렌즈부의 길이 c1/c2의 비율 c는 0.51 ≤c≤ 0.72의 범위이며,
    상기 비율 a/c는 1.5 이상인 조명 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비율 b와 c는 c≥b의 관계를 가지는 조명 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 비율 a/b는 2 이상이며,
    상기 비율 a/c는 1.5 이상인 조명 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈부의 제2방향의 길이 c2는 c2≤b1의 관계를 가지며,
    상기 b1-c2의 차이는 1mm 이내인 조명 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 소자 패키지는 상기 리세스 내에 배치되며,
    상기 렌즈부의 볼록한 곡면을 갖는 출사 영역은 상기 광학 렌즈의 볼록한 곡면을 갖는 입사면과 대면하는 조명 모듈.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리세스의 깊이는 상기 리세스의 정점과 상기 제1출사면의 고점 사이의 거리보다 크며,
    상기 리세스의 깊이는 상기 리세스의 바닥의 제2방향의 길이와 같거나 큰 조명 모듈.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈부의 출사 영역은 상기 반사 영역 양측에 배치된 제1 및 제2출사 영역을 가지며,
    상기 제1,2출사 영역은 상기 렌즈부의 제2방향에 대해 대칭되는 형상을 갖는 조명 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 렌즈부는 제2방향의 양 측면이 수직한 평면 또는 상기 발광 소자 방향으로 오목한 곡면을 갖는 조명 모듈.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 소자 패키지 아래에 회로 기판이 배치되며,
    상기 회로 기판 상에는 상기 광학 렌즈 및 상기 발광 소자 패키지가 제2방향으로 복수로 배치되는 조명 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 회로 기판은 제1방향의 길이가 상기 제1출사면의 제1방향의 길이보다 작은 조명 모듈.
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