KR102513275B1 - 렌즈 및 이를 포함하는 광 출사 유닛 - Google Patents

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Abstract

실시예는 렌즈 몸체; 및 상기 렌즈 몸체의 내부에 배치된 캐비티(cavity)를 포함하고, 상기 렌즈 몸체의 외부면은, 바닥면에 대하여 예각을 이루며 중심축 방향으로 경사진 제1 측면과, 플랫(flat)한 영역을 포함하는 상부면과, 상기 측면과 상부면의 사이에 배치된 변곡부를 포함하는 렌즈를 제공한다.

Description

렌즈 및 이를 포함하는 광 출사 유닛{LENS AND LIGHT EMITTING UNIT INCLUDING THE SAME}
실시예는 렌즈 및 이를 포함하는 광 출사 유닛에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중앙 영역으로 광이 집중되면서도 주변 영역과의 균일도(uniformity)가 우수한 렌즈 및 이를 포함하는 광 출사 유닛에 관한 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.
발광소자의 둘레에는 발광 구조물이나 와이어 등을 보호하는 몰딩부가 배치될 수 있는데, 실리콘 등의 재질로 이루어진 몰딩부를 통과할 때 광이 굴절되어 몰딩부가 1차 렌즈로 작용할 수 있다.
그러나, 조명 장치의 광원으로 발광소자가 사용될 때 광의 방출 경로를 조절하기 위하여 2차 렌즈가 사용될 수 있는데, 상술한 2차 렌즈가 통상 '렌즈'라 지칭된다.
렌즈의 재질이나 특히 형상에 따라 광 경로가 크게 변할 수 있으며, 특히 광원에서 방출되는 광을 전방이나 후방 등 특정 방향으로만 진행시켜야 하는 가로등과 같은 어플리케이션의 경우 렌즈의 형상은 더욱 중요하다.
가로등에 사용되는 조명 장치의 경우 주택 방향이 아닌 조로 방향으로 광량이 집중되어야 하지만, 일정 공간 내에서 조명 장치로 사용되는 보안등의 경우 중앙 영역에서의 휘도가 우수해야 하지만 가장 자리 영역에서의 균일도도 일정 수준으로 확보되어야 한다.
실시예는 발광소자 등의 광원모듈이 사용되는 광 출사 유닛에서, 중앙 영역의 휘도를 향상시키면서도 일정 공간 내의 전 영역에서 광 균일도을 향상시키고자 한다.
실시예는 렌즈 몸체; 및 상기 렌즈 몸체의 내부에 배치된 캐비티(cavity)를 포함하고, 상기 렌즈 몸체의 외부면은, 바닥면에 대하여 예각을 이루며 중심축 방향으로 경사진 제1 측면과, 플랫(flat)한 영역을 포함하는 상부면과, 상기 측면과 상부면의 사이에 배치된 변곡부를 포함하는 렌즈를 제공한다.
변곡부의 단면은 곡면을 이룰 수 있다.
캐비티는 상기 바닥면에 대하여 예각을 이루며 상기 중심축 방향으로 경사진 제2 측면을 포함할 수 있다.
제2 측면은 상기 중심축 방향으로 곡면을 이룰 수 있다.
제2 측면은 상기 캐비티의 상부 영역에서 수렴하며, 상기 제2 측면이 수렴하는 영역에서 상기 곡면의 곡률은 불연속점을 가질 수 있다.
제2 측면이 상기 바닥면에 대하여 상기 중심축 방향으로 이루는 각도는, 상기 제1 측면이 상기 바닥면에 대하여 상기 중심축 방향으로 이루는 각도보다 작을 수 있다.
렌즈 몸체의 바닥면은 상기 캐비티의 바닥면에 대응하는 영역에서 오픈(open)될 수 있다.
렌즈 몸체의 바닥면으로부터 상기 렌즈 몸체의 상부면까지의 높이는, 상기 렌즈 몸체의 바닥면으로부터 상기 캐비티의 최고점까지의 높이의 1.8배 내지 2.2배일 수 있다.
캐비티의 내부에 배치되는 광원의 광출사면의 중심점으로부터 상기 변곡부를 연결한 선은, 상기 중심축으로부터 33도 내지 38도 기울어질 수 있다.
렌즈 몸체의 외부면의 최대 반경은, 상기 캐비티의 최대 반경의 1.25배 내지 1.75배일 수 있다.
다른 실시예는 상술한 렌즈; 및 상기 렌즈의 내부에 배치되는 광원 모듈을 포함하고, 상기 광원 모듈은 회로 기판과 발광소자를 포함하고, 상기 발광소자의 광 출사면은 상기 캐비티의 내부에 배치되는 광 출사 유닛을 제공한다.
광원 모듈로부터 방출된 광이 상기 상부면으로 입사될 때, 상기 광원 모듈로부터 방출된 광이 상기 중심축과 이루는 각도는, 상기 렌즈의 외부면에서 외부로 방출되는 광이 상기 중심축과 이루는 각도보다 작을 수 있다.
광원 모듈로부터 방출된 광이 상기 측면으로 입사될 때, 상기 광원 모듈로부터 방출된 광이 상기 중심축과 이루는 각도는, 상기 렌즈의 외부면에서 외부로 방출되는 광이 상기 중심축과 이루는 각도보다 클 수 있다.
발광소자의 광출사면의 폭은 상기 캐비티의 최대 반경의 40% 내지 60%일 수 있다.
발광소자의 광출사면의 상기 바닥면으로부터의 높이는, 상기 캐비티의 높이의 32% 내지 48%일 수 있다.
실시예에 따른 렌즈 및 이를 포함하는 광 출사 유닛은, 광원 모듈에서 방출된 광은 렌즈의 제1 영역을 통과하여, 렌즈의 제2 영역을 통과하는 광보다 중앙 영역으로 진행할 수 있다. 따라서, 렌즈의 중앙 영역을 통과한 광은 보다 넓은 각도로 진행하되, 렌즈의 가장 자리 영역을 통과한 광은 보다 좁은 각도로 진행할 수 있다.
따라서, 렌즈의 중앙 영역에 대응하는 외부의 영역에서 광의 균일도가 향상될 수 있고, 렌즈의 외부에서는 일정 범위 이내의 영역으로 광이 집중될 수 있다.
도 1a는 렌즈의 일실시예의 사시도이고,
도 1b는 도 1a의 렌즈를 포함하는 광 출사 유닛의 사시도이고,
도 2a와 도 2b는 도 1a의 렌즈의 측단면도이고,
도 3은 도 2b의 광 출사 유닛의 상면도이고,
도 4a는 광 출사 유닛에 배치된 광원 모듈의 일실시예이고,
도 4b는 도 4a의 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 5a는 광원 모듈에서 방출되어 렌즈의 제1 영역을 통과하여 외부로 방출되는 광의 경로를 나타낸 도면이고,
도 5b는 광원 모듈에서 방출되어 렌즈의 제2 영역을 통과하여 외부로 방출되는 광의 경로를 나타낸 도면이고,
도 6은 변곡부의 양측에서 광 경로의 변화를 나타낸 도면이고,
도 7a와 도 7b는 렌즈의 크기를 달리하였을 때, 광의 입사각과 출사각의 비를 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.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 렌즈와 광 출사 유닛의 일실시예를 설명한다.
도 1a는 렌즈의 일실시예의 상부에서의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 렌즈를 포함하는 광 출사 유닛의 하부에서의 사시도이다.
실시예에 따른 렌즈(100)는 렌즈 몸체로 이루어지는데, 렌즈 몸체는 폴리카보네이트(Polycarbonate) 등으로 이루어질 수 있고, 외부에 노출되는 외부면(110)과, 내부의 캐비티(cavity)의 측벽을 이루는 내부면(120)을 포함하고, 외부면(110)과 내부면(120)은 하부의 바닥면(130)에서 연결될 수 있다.
그리고, 내부의 캐비티에는 발광소자 모듈(200)이 배치되며, 발광소자 모듈(200)은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 후술한다.
도 2a와 도 2b는 도 1a의 렌즈의 측단면도이다.
렌즈 몸체와 광원 모듈(200)은 중심축(Xcenter)에 좌우 방향으로 대칭을 이루며 배치될 수 있다. 상세하게는 렌즈 몸체의 제1 측면(111)은 바닥면(130)에 대하여 중심축(Xcenter) 방향으로 예각(θ1)을 이루며 경사진 제1 측면(111)과, 플랫(flat)한 영역을 포함하는 상부면(112)과, 측면(111)과 상부면(112)의 사이에 배치된 변곡부(113)를 포함할 수 있다.
그리고, 렌즈 몸체의 바닥면(130)과 상부면(112)은 서로 나란하게 배치될 수 있다.
여기서, 측면(111)은 바닥면(130)에 대하여 경사를 가지되 단면이 곡면일 수 있고, 변곡부(113)는 곡면인 측면(111)과 플랫한 상부면(112)과의 계면일 수 있으며, 변곡부(113)의 단면도 곡면일 수 있다.
캐비티는 바닥면(130)에 대하여 예각(θ2)을 이루며, 중심축(Xcenter) 방향으로 경사지며 배치된 제2 측면(120)을 포함할 수 있으며, 제2 측면(120)은 렌즈 몸체의 내부면과 동일할 수 있다.
캐비티의 측면을 이루는 제2 측면(120)은 곡면을 이루며 배치될 수 있고, 제2 측면(120)은 캐비티의 상부 영역에서 하나의 점으로 수렴하는데, 제2 측면(120)이 수렴하는 영역에서 상기의 '곡면'의 곡률이 불연속점(C2)을 가질 수 있다.
상기의 불연속점(C2)는, 렌즈 몸체의 상부면의 중심점(C1) 및 광원 모듈(200)의 광출사면의 중심점(C3)와 수직 방향으로 대응되어 배치되며, 중심점(C1, C3)와 불연속점(C2)를 연결하는 가상의 선은 중심축(Xcenter)을 이룰 수 있다.
도 2b에서, 제2 측면(120)이 바닥면(130)에 대하여 중심축(Xcenter) 방향으로 이루는 각도(θ2)는, 제1 측면(111)이 바닥면(130)에 대하여 중심축(Xcenter) 방향으로 이루는 각도(θ1)보다 작을 수 있는데, 즉 바닥면(130)에 대하여 제2 측면(120)보다 제1 측면(111)이 가파르게 배치되어 캐비티의 측벽이 렌즈 몸체의 제1 측면(111)보다 바닥면에 대하여 큰 각도를 이루며 배치될 수 있다.
광원 모듈(200)의 적어도 일부가 캐비티 내에 삽입되어 배치될 수 있는데, 도 1b에 도시된 바와 같이 상술한 제2 측면(120)이 캐비티의 측벽을 이루고, 캐비티의 바닥면은 오픈(open)될 수 있으며, 렌즈 몸체의 바닥면(130)과 캐비티의 바닥면은 나란할 수 있다.
도 2a에서, 렌즈 몸체의 바닥면(130)으로부터 렌즈 몸체의 상부면(112)까지의 높이(h1)는, 렌즈 몸체의 바닥면(130)으로부터 캐비티의 최고점인 불연속점(C2)까지의 높이(h2)의 1.8배 내지 2.2배일 수 있다.
상술한 h1/h2가 1.8보다 작으면 광원 모듈(200)이 삽입되어 배치되는 캐비티의 공간이 너무 커져서 캐비티 내부에서 광손실이 발생하거나 렌즈 몸체의 제2 측면(120)으로부터 상부면(112)까지의 두께가 너무 작아서 광원 모듈(200)에서 방출되는 광의 경로를 변경시키기에 충분하지 않을 수 있어서 후술하는 각도(θi)가 33도 내지 38도이더라도 렌즈로부터 방출되는 광이 진행하는 영역이 좁아질 수 있으며, 2.2보다 크면 광원 모듈(200)이 삽입되어 배치되는 캐비티의 공간이 너무 좁거나 렌즈의 수직 방향의 크기가 너무 커질 수 있으므로 광원 모듈(200)에서 방출된 광의 경로가 증가하여 광손실이 발생할 수 있다.
그리고, 바닥면(130)으로부터 발광소자의 광출사면까지의 높이(h3)는 캐비티의 높이(h2)의 32% 내지 48%일 수 있다.
h3/h2가 0.32보다 작으면 광원 모듈(200)이 삽입되어 배치되는 캐비티의 공간이 너무 커져서 캐비티 내부에서 광손실이 발생하거나, 캐비티 내에 삽입되는 광원 모듈(200)의 부피가 너무 작아서 광원 모듈(200)에서 방출되는 광 중 렌즈의 상부면(112)으로 진행하는 광량이 줄고 제1 측면(111)으로 진행하는 광량이 증가할 수 있다. 그리고, h3/h2가 0.48보다 크면 렌즈의 수직 방향의 크기가 너무 커질 수 있으므로 광원 모듈(200)에서 방출된 광의 경로가 증가하여 광손실이 발생할 수 있다.
예를 들면, 렌즈 몸체의 바닥면(130)으로부터 렌즈 몸체의 상부면(112)까지의 높이(h1)는 5 밀리미터이고, 렌즈 몸체의 바닥면(130)으로부터 캐비티의 최고점인 불연속점(C2)까지의 높이(h2)는 2.50 밀리미터일 있고, 렌즈 몸체의 바닥면(130)으로부터 광원 모듈(200)의 광출사면까지의 높이(h3)는 1 밀리미터일 수 있다.
캐비티의 내부에 배치되는 광원인 광원 모듈의 광출사면의 중심점(C3)으로부터 변곡부를 연결한 선(Xi)이 변곡부와 만나는 점을 'i'라고 표시할 수 있으며, 이때 중심축(Xcenter)과 상술한 선(Xi)이 이루는 각도(θi)는 33도 내지 38도일 수있으며, 예를 들면 35도일 수 있다.
도 3은 도 2b의 광 출사 유닛의 상면도이며 이해의 편의를 위하여 렌즈 몸체의 내부면(120)과 광원 모듈(200)을 점선으로 도시하고 있다.
렌즈의 외부면의 최대 반경(R1)은 캐비티의 최대 반경인 렌즈의 내부면의 최대 반경(R2)보다 클 수 있으며 예를 들면 1.25배 내지 1.75배일 수 있다. 그리고, 광원 모듈(200)의 제1 방향의 길이(W31)와 제2 방향의 길이(W32)는 서로 동일하되 렌즈의 내부면의 최대 반경(R2)보다 작을 수 있다.
그리고, 광원 모듈의 표면인 발광소자의 광출사면의 폭(W31, W32)은 캐비티의 최대 반경(R2)의 40% 내지 60%일 수 있는데, 예를 들면 발광소자의 광출사면의 폭(W31, W32)은 3 밀리미터일 수 있다.
도 4a는 광 출사 유닛에 배치된 광원 모듈의 일실시예이고, 도 4b는 도 4a의 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이다.
광원 모듈(200)은 회로 기판(circuit board)과 발광 소자(Light emitting device)로 이루어질 수 있다. 회로 기판은 인쇄회로기판(Printedcircuit board)이나 연성회로기판(flexible circuit board) 등이 사용될 수 있다.
발광 소자는 발광 다이오드(Light emitting diode)일 수 있고, 예를 들면 수직형 발광소자, 수평형 발광소자 또는 플립칩 타입의 발광소자 등이 사용될 수 있으며, 도 4b에서 수직형 발광소자가 일례로 도시되고 있다.
발광소자(210)는 지지기판(215) 상에 접합층(214)과 반사층(213) 및 오믹층(212)이 배치되고, 오믹층(212) 상에 발광 구조물(light emitting structure, 211)이 배치될 수 있고, 발광 구조물의 하부의 가장 자리 영역에는 채널층(channel layer, 219)이 배치될 수 있다.
지지기판(215)은 베이스 기판으로서, 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W) 등 중에서 적어도 하나로 구현될 수 있다. 또한 지지기판(215)은 캐리어 웨이퍼, 예를 들어 Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC, SiGe, Ga2O3, GaN 등으로 구현될 수 있다.
상기 지지기판(215)상에는 접합층(350이 배치될 수 있다. 접합층(214)은 지지기판(215)에 반사층(213)을 접합시킬 수 있다. 접합층(214)는 예를 들어 Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
접합층(214) 상에는 반사층(213)이 형성될 수 있다. 반사층(213)은 반사특성이 우수한 물질, 예를 들어 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 루비듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 백금(Pt), 금(Au), 하프늄(Hf) 및 이들의 선택적인 조합으로 구성된 물질 중에서 형성되거나, 상기 금속 물질과 IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 단층 또는 다층으로 형성할 수 있다. 또한 반사층(213)은 IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni 등으로 적층할 수 있으며 이에 한정하지 않는다.
반사층(213) 상에는 오믹층(212)이 형성되는데, 오믹층(212)은 발광 구조물의 하면에 오믹 접촉되며, 층 또는 복수의 패턴으로 형성될 수 있다.
오믹층(212)은 투광성 전극층과 금속이 선택적으로 사용될 수 있으며, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 구현할 수 있다.
지지기판(215), 접합층(214), 반사층(213) 및 반사층(212)은 제2 전극으로 작용할 수 있으며 발광 구조물에 전류를 공급할 수 있다.
제2 전극과 발광 구조물(211)의 가장 자리 사이에 채널층(219)이 배치될 수 있다. 채널층(219)은 발광 구조물의 하부 가장자리 영역에 배치될 수 있고 투광성 물질로 형성될 수 있으며 예컨대 금속 산화물, 금속 질화물, 투광성 질화물, 투광성 산화물 또는 투광성 절연층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 채널층(219)는 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZON(IZO nitride), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 등에서 선택적으로 형성될 수 있다.
오믹층(212) 상에는 발광 구조물(211)이 배치될 수 있다. 발광 구조물(211)은 제1 도전형반도체층(211a)과 활성층(211b) 및 제2 도전형 반도체층(211c)을 포함하여 이루어진다.
제1 도전형 반도체층(211a)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(211a)은 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(211a)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(211a)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(211b)은 제1 도전형 반도체층(211a)과 제2 도전형 반도체층(211c) 사이에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(211b)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 구현될 수 있고, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가질 수 있으며, 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(211c)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(211c)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(211c)은 예컨대, InxAlyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaNAlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(211c)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(211c)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도시되지는 않았으나, 활성층(211b)과 제2 도전형 반도체층(211c)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer)가 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교대로 배치될 수도 있으나 이에 한정하지 않는다.
제1 도전형 반도체층(211a)의 표면이 요철 등의 패턴을 이루어 광추출 효율을 향상시킬 수 있고, 제1 도전형 반도체층(211a)의 표면에는 제1 전극(216)이 배치되는데 도시된 바와 같이 제1 전극(216)이 배치되는 제1 도전형 반도체층(211a)의 표면은 제1 도전형 반도체층(211a)의 표면을 따라 패턴을 이루거나 패턴을 이루지 않을 수 있다. 제1 전극(216)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광 구조물(211)의 하부에는 제1 전극(216)과 대응하여 전류 차단층(218, current blocking layer)이 배치될 수 있는데, 전류 차단층은 절연성 물질로 이루어질 수 있으며, 전류 차단층에 의하여 지지기판(215) 방향에서 공급되는 전류가 제2 도전형 반도체층(211c)의 전 영역으로 고루 공급될 수 있다. 전류 차단층(218)은 제1 전극(216)과 수직적으로 중첩하는 영역에 배치될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
발광 구조물(211)의 둘레에는 패시베이션층(217)이 형성될 수 있는데, 패시베이션층(217)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층(217)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
상술한 렌즈의 캐비티 내에 광원 모듈(200)이 삽입되어 광 출사 유닛을 이룰 수 있다. 이때, 광원 모듈(200)은 전체 또는 일부가 캐비티 내에 삽입될 수 있으며, 특히 발광소자의 광출사면은 캐비티 내에 배치될 수 있다.
도 5a는 광원 모듈에서 방출되어 렌즈의 제1 영역을 통과하여 외부로 방출되는 광의 경로를 나타낸 도면이고, 도 5b는 광원 모듈에서 방출되어 렌즈의 제2 영역을 통과하여 외부로 방출되는 광의 경로를 나타낸 도면이다.
도 2b에서 광출사면의 중심점(C3)으로부터 변곡부를 연결한 선(Xi)이 변곡부와 만나는 점을 'i'로부터 중심축(Xcenter) 방향을 렌즈 내지 렌즈 몸체의 제1 영역이라 하고, 반대 영역을 렌즈 내지 렌즈 몸체의 제2 영역이라 할 수 있다.
도 5a와 같이 광원 모듈(200)로부터 방출된 광이 렌즈(100)의 제1 영역을 통과하여 외부면(110)의 상부면으로 입사될 때, 광원 모듈(200)로부터 방출된 광이 중심축(Xcenter)과 이루는 각도(θ31)는, 렌즈(100)의 외부면(110)에서 외부로 방출되는 광이 중심축(Xcenter)과 이루는 각도(θ41)보다 작을 수 있다.
그리고, 도 5b와 같이 광원 모듈(200)로부터 방출된 광이 렌즈(100)의 제2 영역을 통과하여 외부면(110)의 측면면으로 입사될 때, 광원 모듈(200)로부터 방출된 광이 중심축(Xcenter)과 이루는 각도(θ32)는, 렌즈(100)의 외부면(110)에서 외부로 방출되는 광이 중심축(Xcenter)과 이루는 각도(θ42)보다 클 수 있다.
도 6은 변곡부의 양측에서 광 경로의 변화를 나타낸 도면이다. 렌즈 몸체와 에어의 경계면에서의 접선 방향과 법선 방향을 각각 일점 쇄선으로 도시하고 있다.
스넬의 법칙에 의하여 서로 다른 굴절률을 가지는 매질을 광이 진행할 때, 두 매질의 경계면의 법선에 대하여 광이 이루는 각도는 굴절률이 더 큰 매질에서 더 크다.
폴리카보네이트(PC)로 이루어지는 렌즈 몸체의 굴절률은 1.58 내지 1.60 정도이므로 에어(Air)에 비하여 굴절률이 크고, 따라서 도 6에 도시된 바와 같이 변곡부의 내측에서 에어(Air)로 진행하는 광(L1)은 렌즈 몸체 내부에서의 경로보다 더 가장 자리 방향으로 굴절되고, 또한 변곡부의 외측에서 메어(Air)로 진행하는 광(L2)은 렌즈 몸체 내부에서의 경로보다 더 중앙 방향으로 굴절된다.
도 5a에서 광원 모듈에서 방출된 광은 렌즈의 제1 영역을 통과하여, 렌즈의 제2 영역을 통과하는 도 5b에 도시된 광보다 중앙 영역으로 진행할 수 있다. 따라서, 렌즈의 중앙 영역을 통과한 광은 보다 넓은 각도로 진행하되, 렌즈의 가장 자리 영역을 통과한 광은 보다 좁은 각도고 진행할 수 있다. 따라서, 렌즈의 중앙 영역에 대응하는 외부의 영역에서 광의 균일도가 향상될 수 있고, 렌즈의 외부에서는 일정 범위 이내의 영역으로 광이 집중될 수 있다.
도 7a와 도 7b는 렌즈의 크기를 달리하였을 때, 상술한 각도들의 비(θ41/θ31, θ42/θ32)의 변화를 나타낸 도면이며, 세로축이 상술한 각도들의 비(θ41/θ31, θ42/θ32)의 값이고 가로축이 상술한 중심축(Xcenter)과 선(Xi)이 이루는 각도(θi)이다.
도 7a는 광원 모듈의 높이를 1이라 하고 광출사면의 가로와 세로 방향의 길이가 같을 때, 렌즈의 외부면의 높이가 광원 모듈의 높이의 5배이고, 내부면의 높이는 광원 모듈의 높이의 2.5배이고, 렌즈의 외부면의 직경은 렌즈 내부면의 직경의 1.6배인 경우를 나타낸다.
도 7b는 도 7a와 동일하되, 렌즈의 외부면의 직경이 도 7a의 실시예의 80%인 경우이다.
도 7a와 도 7b에서 광원 모듈에서 방출된 광이 중심축으로부터 약 35도 이내의 범위 즉 렌즈의 제1 영역을 지날 때, 렌즈의 외부면으로부터 방출되는 광은 광원 모듈에서 방출된 각도보다 넓은 각도로 진행함을 알 수 있다. 또한, 광원 모듈에서 방출된 광이 중심축으로부터 약 35도 이상의 범위 즉 렌즈의 제2 영역을 지날 때, 렌즈의 외부면으로부터 방출되는 광은 광원 모듈에서 방출된 각도보다 좁은 각도고 진행함을 알 수 있다.
상술한 렌즈는, 외부 영역에서 평균 조도가 4 럭스(Lux) 이상이고, 휘도 균일도(unifority)는 0.5 이상일 수 있다.
여기서, 평균 조도는 렌즈가 바닥면으로부터 4미터 높이에 배치될 경우 가로와 세로가 각각 8미터와 4미터인 영역에서 측정하고, 렌즈가 바닥면으로부터 5미터 높이에 배치될 경우 가로와 세로가 각각 12미터와 6미터인 영역에서 측정하고, 렌즈가 바닥면으로부터 6미터 높이에 배치될 경우 가로와 세로가 각각 16미터와 8미터인 영역에서 측정할 수 있다.
그리고, 휘도 균일도은 상술한 영역에서 측정된 최소 휘도 값을 최대 휘도 값으로 나눈 값이다.
표 1은 렌즈의 중심축으로부터 변곡부가 이루는 각도를 달리하였을 때, 광효율과 평균 조도 및 휘도 균일도를 나타낸다.
각도(θi) 광효율 평균 조도 휘도 균일도 비고
35.97 0.532 4.399 0.542 도 7a
35.97 0.670 5.512 0.543 도 7b
32.13 0.582 4.855 0.493
33.11 0.566 4.723 0.506
37.77 0.494 4.130 0.590
38.69 0.488 3.984 0.602
표 1로부터 상술한 도 6a 및 도 6b의 실시예는 평균 조도가 4.0보다 크고 휘도 균일도가 0.5 이상임을 알 수 있다.
상술한 각도(θi)가 33도보다 작을 때 휘도 균일도가 0.5 이하로 작아지며, 38도보다 클 때 평균 조도가 4.0 이하로 작아짐을 알 수 있다.
상술한 렌즈를 포함하는 광 출사 유닛이 조명 장치, 예를 들면 일정 영역을 비추는 보안등으로 사용될 때, 평균 조도가 4.0 이하로 밝으면서도 휘도 균일도도 0.5 이상으로 유지되어, 일정 영역을 고르게 일정 밝기 이상으로 비출 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: 렌즈 110: 외부면
111: 제1 측면 112: 상부면
113: 변곡부 120: 제2 측면
130: 바닥면 200: 광원 모듈
210: 발광소자 211: 발광 구조물

Claims (15)

  1. 렌즈 몸체; 및
    상기 렌즈 몸체의 내부에 배치된 캐비티(cavity)를 포함하고,
    상기 렌즈 몸체의 외부면은,
    바닥면에 대하여 예각을 이루며 중심축 방향으로 경사진 제1 측면과, 플랫(flat)한 영역을 포함하는 상부면과, 상기 제1 측면과 상부면의 사이에 배치된 변곡부를 포함하고,
    상기 캐비티는 상기 바닥면에 대하여 예각을 이루며 상기 중심축 방향으로 경사진 제2 측면을 포함하고,
    상기 렌즈 몸체의 바닥면으로부터 상기 렌즈 몸체의 상부면까지의 높이는, 상기 렌즈 몸체의 바닥면으로부터 상기 캐비티의 최고점까지의 높이의 1.8배 내지 2.2배이고,
    상기 캐비티의 내부에 배치되는 광원의 광출사면의 중심점으로부터 상기 변곡부를 연결한 선은, 상기 중심축으로부터 33도 내지 38도 기울어지고,
    상기 렌즈 몸체의 외부면으로부터 방출된 광은 평균 조도가 4.0보다 크고 휘도 균일도가 0.5 이상인, 렌즈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 변곡부의 단면은 곡면을 이루는 렌즈.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 측면은 상기 중심축 방향으로 곡면을 이루는 렌즈.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 측면은 상기 캐비티의 상부 영역에서 수렴하며,
    상기 제2 측면이 수렴하는 영역에서 상기 곡면의 곡률은 상기 캐비티의 최고점인 불연속점을 가지는 렌즈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 측면이 상기 바닥면에 대하여 상기 중심축 방향으로 이루는 각도는, 상기 제1 측면이 상기 바닥면에 대하여 상기 중심축 방향으로 이루는 각도보다 작고,
    상기 렌즈 몸체의 바닥면은 상기 캐비티의 바닥면에 대응하는 영역에서 오픈(open)되고,
    상기 렌즈 몸체의 외부면의 최대 반경은, 상기 캐비티의 최대 반경의 1.25배 내지 1.75배인 렌즈.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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