KR20070021873A - 측면 방사형 렌즈 및 이를 이용한 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측면 방사형 렌즈 및 이를 이용한 발광 소자에 대한 것이다. 본 발명에 의한 렌즈는 형상이 단순하여 성형 및 제작이 용이하며, 발광체에 적용되어 상기 발광체에서 방사되는 빛의 측면방사를 유도할 수 있다.

렌즈, 측면 방사, 발광소자, 반사면, 발광 다이오드

Description

측면 방사형 렌즈 및 이를 이용한 발광 소자{SIDE EMITTING LENS AND LIGHT EMITTING DEVICE USING THE SAME}

도 1a는 통상적인 반구형의 렌즈 및 발광체(light emitting member)로서 발광 다이오드를 사용하는 발광소자의 일례를 나타낸 단면도다.

도 1b는 상기 반구형 발광소자의 발광특성으로서 지향각 분포를 나타낸다.

도 2a 내지 2c는 도 1a에 의한 발광 소자의 반구형 렌즈 내부에 몰딩재가 배치된 모습을 보여주는 단면도이다. 여기서, 도 2a는 사각형 몰딩재, 도 2b는 반 타원형 몰딩재, 도 2c는 반구형 몰딩재를 나타낸다.

도 3a는 종래의 측면 방사형 발광소자의 일례를 보여주는 단면도로서 상기 발광소자에 사용된 렌즈의 구조를 도시하고 있다.

도 3b는 상기 도 3a에p 의한 발광소자의 발광특성으로서 지향각 분포를 보여주는 도면이다.

도 4a는 상기 도 3a에 의한 렌즈를 제조하기 위한 사출금형 체결의 일례를 보여주는 도면이다. 여기서 상기 사출금형은 4개의 부분 금형을 포함한다.

도 4b는 상기 도 3a에 의한 렌즈를 제조하기 위한 사출금형 체결의 다른 일례를 보여주는 도면이다. 여기서 상기 사출금형은 3개의 부분 금형을 포함하며, 상기 금형을 이용한 사출성형 후 추가 가공이 필요하다.

도 5a는 본 발명에 따른 측면 방사형 발광소자의 일례를 도식적으로 보여주는 도면으로서, 상기 발광소자에 사용된 렌즈의 구조 및 발광체로서 발광 다이오드가 렌즈 내부에 배치되어 있는 모습을 보여주는 단면도이다.

도 5b는 본 발명에 의한 렌즈 제조시 굴절면의 곡선을 결정하는 수단의 일례로서 베지어(Bezier) 곡선을 보여주는 도면이다.

도 5c는 본 발명에 의한 렌즈에 적용될 수 있는 반사면의 종단면 형상에 대한 다양한 예시를 보여주는 도면이다.

도 5d와 5e는 본 발명에 의한 렌즈의 각 부분을 설명하는 도면이다.

도 6a 및 6b는 각각 본 발명에 따른 렌즈 제작에 사용 가능한 사출금형 체결의 일례를 보여주는 도면이다. 여기서, 상기 사출금형은 각각 2개의 부분 금형을 포함한다.

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의한 렌즈의 구조를 3차원 형상으로 나타낸 도면이다.

도 7b는 상기 도 7a에 의한 렌즈의 발광 특성으로서 지향각 분포를 보여주는 도면이다.

도 8은 본 발명의 일례에 의한 렌즈를 적용하는 경우에 있어서의 빛의 반사와 굴절에 따른 빛의 경로를 보여주는 도면이다.

<도면의 부호에 대한 간단한 설명>

1: 렌즈의 바닥면 2: 렌즈의 반사면

2a: 반사면의 측면부 2b: 반사면의 하단부

3: 렌즈의 굴절면 4: 렌즈의 높이

5: 렌즈 바닥면의 외반경(external semi-diameter)

본 발명은 측면 방사형 렌즈 및 이를 이용한 발광 소자에 대한 것이다. 보다 상세하게는 광원인 발광체에서 방사된 빛이 측면 방향으로 진행되도록 유도할 수 있는 측면 방사형 렌즈와 이를 이용한 측면 방사형 발광 소자에 대한 것이다. 본 발명에 의한 렌즈는 특히, 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)에 적용되어 상기 발광 다이오드에서 발생되는 빛이 측면으로 방사되도록 유도하여, 상기 발광 다이오드가 측면 방사 특성을 갖는 광원으로서 사용될 수 있도록 한다.

측면 방사 특성을 갖는 광원은 특히, 액정표시장치(LCD)의 백라이트로서 유용하다. 액정표시장치(LCD)는 액정의 전기적 특성 및 광학적 특성을 이용하여 영상을 디스플레이 하는 것인데, 종래의 CRT형 디스플레이 장치 등에 비하여 부피가 매우 작고 무게가 가벼운 장점을 갖고 있어, 최근에 모니터, 휴대전화 및 TV 등에 널리 사용되고 있다.

액정표시장치는 액정을 제어하는 액정제어 파트 및 액정에 광을 공급하는 광 공급 파트(백라이트 유닛; Backlight unit)를 필요로 한다. 종래의 액정표시장치는 백라이트 유닛으로서 주로 막대 형상을 갖는 냉음극선관 램프(CCFL)를 사용하였으나, 최근에는 발광 다이오드를 사용하는 것에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다. 발광 다이오드를 채택한 백라이트는 50000시간 이상의 긴 수명을 유지할 수 있고 고휘도를 나타낼 수 있다는 장점이 있다. 또한 수은과 같은 중금속을 이용하지 않아 친환경적이며, 전력 소모도 적다.

특히, 중대형 액정표시장치의 백라이트로서, 전력소모가 적고, 발광 효율이 높고, 짧은 거리에서도 Red, Green, Blue의 세가지 빛의 혼합이 가능하여 백라이트 유닛의 두께를 줄일 수 있는 광원의 하나로서, 측면 발광 특성이 우수한 광원에 대한 관심이 높아지고 있다. 최근에는 상기와 같은 특성을 갖는 광원으로서 측면 발광 특성을 갖는 발광 다이오드의 사용이 증대되고 있다.

종래 발광소자의 발광 특성을 개량하기 위하여 사용된 렌즈의 예로서 도 1 내지 도 3의 렌즈가 있다.

도 1a 및 1b에서는 통상적인 반구형의 렌즈의 구조와 그 지향 특성을 나타낸다. 도 1a는 상기 반구형 렌즈의 단면도로서, 상기 렌즈는 주축방향을 기준으로 대칭 형태를 갖는다. 반구형의 중심부에는 발광체로서, 예를 들어 발광 다이오드가 배치된다. 도 1a 및 1b에는 나타나지 않았으나, 상기 발광체 위에는 상기 발광체의 손상 및 오염을 방지하기 위하여 광학적으로 투명한 소재의 몰딩재가 배치되기도 한다(도 2 참조). 한편, 도 1b는 중심에 발광체를 갖는 반구형 렌즈에서 방출된 빛의 발광 특성을 보여 주고 있는데, 빛이 측면 방향이 아니라 주축 방향으로 넓게 퍼져 나가는 것을 확인할 수 있다.

도 2a 내지 2c에서는 상기 렌즈의 내부에 배치되는 몰딩재의 형상을 예시적으로 보여준다. 내부 몰딩재의 형태는 렌즈의 구조에 따라 달라지는데, 내부의 발 광체와 렌즈 구조체 사이의 공간에는 몰딩재가 충진될 수 있다. 내부 몰딩재와 렌즈가 비슷한 굴절률을 갖도록 몰딩재의 재료를 선택함으로써, 몰딩재와 렌즈 구조체의 경계에서의 빛의 경로 변화를 최소화할 수 있다.

한편, 측면 발광을 구현하기 위하여 광원에서 방사되는 빛을 측면방향으로 유도하기 위한 렌즈, 즉, 측면 방사형 렌즈로서, 예를 들어, 미국특허 6,598,998호, 미국특허 6,679,621호, 일본특허공개 2004-349660호, 일본특허공개 2004-281606 등에 기재된 렌즈들이 있다. 그 예로서, 미국특허 6,679,621호에 기재된 발광소자가 도 3a에 도시되어 있다. 구체적으로, 측면 방사형 렌즈에 발광 다이오드가 배치된 발광소자의 구조(도 3a) 및 그 발광 특성(도 3b)이 각각 도시되어 있다.

도 3a에서 도시된 상기 렌즈의 단면 형상을 보면, 상기 렌즈는 주축방향으로의 빛의 방출을 막기 위한 상부의 반사면과 측면으로의 빛의 방사를 유도하기 위한 굴절면을 포함하고 있다. 이러한 렌즈를 사용할 경우 도 3b에 도시된 바와 같이 주축방향을 기준으로 약 70~80° 정도의 지향각을 얻을 수 있다.

이러한 렌즈의 제조방법으로서 예컨대, 렌즈를 선삭, 절삭하는 방법을 이용할 수 있다. 그러나 이 경우, 가공 정밀도를 높일 수 있으나 가공시간이 길어 양산에 적합하지 않다. 따라서, 대량생산을 위하여는 성형방법을 적용하는 것이 유리한데, 그 중에서도 사출성형 방법을 통하여 렌즈를 제조하는 것이 유리하다. 사출성형은 재료에 열을 가하여 용융 상태가 되도록 한 다음 사출 금형 속으로 재료를 유입시키고, 냉각 후에 성형품을 취출하는 공정을 포함한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 측면 방사형 렌즈(예, 도 3a)는 그 구조가 복잡 하여 선삭이나 절삭 또는 사출성형에 의한 가공 및 양산이 어렵다는 문제점이 있다.

도 4a 및 4b에서는 도 3a에 의한 렌즈를 제조하기 위하여 사출성형을 하는 경우에 필요한 금형의 형태를 개략적으로 도시하였다. 상기 렌즈를 사출성형에 의한 방법으로 제조하기 위해서는 최소한 4 개의 사출 금형이 필요하며(도 4a), 사출성형 후에 반사면을 추가 가공하는 경우라고 하더라도 최소한 3개의 금형이 필요함을 알 수 있다(도 4b). 그러나, 사출성형 공정에서는 용융 재료의 유동 특성과 수축 등 여러가지 현상을 고려하여 금형을 설계하고 성형 조건을 최적화하여야 하기 때문에, 실제 사출성형에서는 외형적인 형상만을 고려하여 산출된 금형의 수보다 더 많은 수의 금형이 요구될 수 있다. 많은 수의 금형이 사용되는 경우 이들 금형을 조립 및 배치하는 과정이 필요하기 때문에 연속 생산과 자동화에 있어서 장애가 더 많이 발생하게 된다. 예를 들어, 렌즈의 생산 속도가 저하되고, 아울러, 금형 제작 비용 뿐 아니라 금형의 관리에도 많은 노력이 필요하다는 문제점이 있다.

이에 본 발명자들은 측면 방사를 유도할 수 있는 특성을 가지면서도, 형상이 단순하여 제조가 용이한 측면 방사형 렌즈를 제조하고자 연구하였다.

그 결과, 렌즈 상부 방향으로 빛이 방사되는 것을 막으면서 아울러 상부쪽으로 방사된 빛이 측면 방향으로 반사되도록 하기 위하여 렌즈 상부의 중심부에는 오목부 형태로 반사면을 형성하고, 그 외의 방향으로 방사된 빛은 측면 방향으로 유도되도록 하기 위하여 렌즈의 측면부에는 곡선 형태의 굴절면을 형성함으로써 측면 방사형 렌즈를 제조할 수 있다는 사실을 알고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 형상이 단순하면서 측면 방사 특성을 가지는 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 측면 방사형 렌즈를 포함하는 측면 방사형 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 바닥면, 반사면 및 굴절면을 구비하는 렌즈로서, 상기 반사면은 렌즈의 주축방향을 중심으로 렌즈 상부에서 바닥면 방향으로 함몰되어 상부가 개방되어 있는 오목부 형태로서, 주축방향을 중심으로 바닥면 방향으로 갈수록 좁아지고, 상기 굴절면은 바닥면에서부터 반사면까지 곡선형태로 연결되어 있는 렌즈를 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 렌즈의 바닥면에 발광체가 배치되어 있는 발광소자를 제공한다. 본 발명의 일례에 따르면 상기 발광체는 발광다이오드이다. 즉, 본 발명은 상기 렌즈의 바닥면에 발광다이오드가 배치되어 있는 발광소자를 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 5a, 5d 및 5e에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 렌즈는 바닥면(1), 반사면(2) 및 굴절면(3)을 구비하며, 광원에서 방사되는 빛의 측면 방사를 할 수 있다. 한편, 상기 바닥면에의 소정의 위치에 광원으로서 발광체를 배치할 수 있는데, 이 경우 측면 방사형 발광소자를 형성할 수 있다.

상기 반사면(2)은 렌즈 상부의 중심부에는 오목부 형태로 형성되는데, 렌즈 상부쪽으로 빛이 방출되는 것을 막으면서 상부쪽으로 방사된 빛이 굴절면 방향으로 반사되도록 한다. 상기 굴절면으로 반사된 빛은 굴절면에서 굴절되어 주축방향과 거의 수직하게 렌즈 밖으로 방사되며, 그 결과 측면방사를 유도할 수 있다.

굴절면(3)은 렌즈의 바닥면(1)과 상기 반사면(2)을 연결하는 곡면으로서, 굴절면에 도달한 빛이 굴절되어 주축방향과 거의 수직하게 렌즈 밖으로 방사될 수 있도록 한다.

본 발명에서는, 발광체에서 나오는 빛이 측면으로 방사되도록 유도하기 위한 렌즈를 "측면 방사형 렌즈"하고 한다. 한편, 빛이 측면으로 방사되는 발광 소자를 "측면 방사형 발광소자"라고 한다. 따라서, 발광체 자체는 측면 방사형이 아니지만 측면 방사형 렌즈를 사용하여 상기 발광체에서 방출되는 빛이 측면으로 방사되도록 만든 소자 역시 "측면 방사형 발광소자"라고 한다.

본 발명에 따른 렌즈는 측면 방사의 광 지향 특성을 가지면서도 종래의 렌즈보다 구조가 간단하여(도 3a, 4a 및 4b와 비교) 보다 용이하게 제조될 수 있으며 특히 대량생산에서의 생산 효율성이 우수하다.

즉, 사출 성형에 의하여 상기 렌즈를 제작할 경우 금형의 수를 2개로 까지 줄일 수 있다(도 6a 및 6b 참조). 사출 금형의 수가 줄어들면, 성형된 제품을 취출하는 공정이 단순해 지고, 공정 시간이 단축되어, 이로 인해 생산 속도가 향상된다. 또한 금형의 수가 줄어 들면서, 연속 생산 공정 설계, 설비 자동화 등이 보다 단순해져서, 공정의 실행 및 양산 시스템에의 적용에도 유리하다.

본 발명에 의한 렌즈의 전체적인 윤곽은 반구와 유사하지만 완전한 반구형태는 아니다. 본 발명에 의한 렌즈의 예로서 도 5a, 5d 및 5e에 나타나 있는 렌즈를 참조할 수 있다. 본 발명에 의한 렌즈는 주축방향의 높이(4)보다 바닥면의 외반경(5)이 더 큰 형태를 갖는다(도 5d 및 5e 참조). 상기 바닥면은 주축을 중심으로 하는 원형이다. 바람직하게는, 상기 주축방향의 높이와 바닥면의 반외경의 비율인 (주축방향의 높이)/(바닥면의 반외경)의 값은 0.5~0.9의 범위를 가질 수 있다. 본 발명에 의한 렌즈는, 바람직하게는, 주축방향을 중심으로 대칭을 이룬다.

본 발명에 따른 렌즈의 상부에는 상부쪽으로 개방된 오목부 형태의 반사면(2)이 형성되어 있다. 상기 오목부는 바닥면 방향으로 내려갈수록 점점 좁아진다. 상기 반사면은 그 형상에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 렌즈의 주축방향에 대하여 대칭인 것이 바람직하다.

상기 반사면의 구조를 보다 용이하게 설명하기 상기 반사면을 측면부(2a)와 하단부(2b)로 나누어 구분할 수도 있다(도 5d 참조).

본 발명의 일례에 따르면, 상기 반사면의 일부는 주축방향에 수직인 면을 포함할 수 있는데, 상기 반사면의 하단부 쪽에는 주축방향에 수직인 부분이 포함될 수 있다. 상기 반사면의 형상 및 크기는 렌즈의 용도 및 렌즈에 배치되는 발광체의 종류에 따라 달라질 수 있다. 발광체가 렌즈에 배치되는 경우, 상기 반사면을 형성하는 오목부의 상단부 쪽의 단면적은 발광체의 발광단면적보다 같거나 크며, 상기 오목부의 하단부 쪽의 단면적은 상기 발광단면적보다 작은 것이 바람직하다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 반사면을 형성하는 오목부의 상단부 쪽 단면 적의 지름은 상기 오목부의 하단부 쪽 단면적 지름의 2 내지 6배가 가능하다. 상기 반사면의 측면부에서는 전반사에 의한 반사가 주로 일어나는데, 상기 상단부 쪽의 단면적이 너무 크면 반사면에서 전반사가 일어나기 어렵고, 너무 작으면 렌즈에서 방사된 빛의 측면 지향성이 좋지 못하다.

반사면을 형성하는 상기 오목부는 꼭지점 부분이 잘라진 원뿔, 즉 원뿔대의 형태, 보다 정확하게는 "뒤집어진 원뿔대"의 형태를 가질 수 있다. 상기 형상을 깔대기 형태라고도 할 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 반사면의 측면부(2a)는 완만한 면일 수도 있고, 계단형의 단면을 가질 수도 있다. 경우에 따라서는 두 개 이상의 기울기를 가지는 면이 연결된 형태일 수도 있다. 이러한 반사면의 형태에 대한 예시가 도 5c에 개시되어 있다. 이러한 반사면의 형태는 상기 도 5c에 나타나 있는 형태에 한정되지 않으며, 다양한 변형이 가능하다. 상기 반사면의 측면부(2a)와 렌즈의 주축방향 사이의 각도는 5~50° 정도인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10~30° 정도의 범위인 것이 전반사를 확보를 위하여 유리하다. 상기 반사면과 주축방향 사이의 각도가 너무 크면 반사면에서 전반사가 일어나기 어렵고, 너무 작으면 렌즈에서 방사된 빛의 측면 지향성이 좋지 못하다.

반사면의 하단부(2b)는 렌즈의 주축에 대하여 수직인 면일 수도 있으며 또는 렌즈의 주축에 대하여 소정의 기울기를 가지는 형태일 수도 있다.

한편, 상기 반사면에서의 반사를 보다 확실하게 하기 위하여, 반사면을 은, 알루미늄 등으로 처리할 수도 있다. 예를 들어, 렌즈 형상을 제조한 후, 증착, 코 팅, 도금 등의 방법으로 상기 반사면에 은 또는 알루미늄 등을 처리하여 반사효율을 높일 수 있다. 필요한 경우 상기 반사면에 형광처리를 할 수도 있다.

본 발명에 따른 렌즈에서, 렌즈의 바닥면(1)에서 상기 반사면(2)까지 연결되는 렌즈의 바깥쪽 테두리는 곡선 형태로서 굴절면(3)을 형성한다. 렌즈의 바닥면에 발광체를 배치할 경우, 상기 발광체에서 방사된 빛은 대부분 상기 굴절면을 거쳐서 최종적으로 렌즈 외부로 방사될 것이다. 이때 렌즈와 렌즈 외부(예를 들면, 공기) 사이의 굴절률 차이에 의하여 상기 빛이 굴절된다. 그 결과, 빛이 렌즈의 주축 방향과 거의 수직한 방향으로 측면방사되는 것이 가능하다. 상기 굴절은 스넬의 법칙에 따라 일어날 수 있다. 따라서, 당업자라면 스넬의 법칙들 적용하여 빛의 경로를 예측 및 결정할 수 있고, 이에 기초하여 굴절면의 형태를 설계하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 굴절면은 주축방향을 중심으로 대칭이다. 상기 굴절면은, 그 수직단면, 즉, 렌즈의 주축을 포함하는 단면이 베지어(Bezier) 곡선, 타원 또는 포물선의 일부인 것이 가능하다.

도 5a 및 도 8을 참조하여 본 발명에 의한 발광소자의 방사특성을 설명한다.

렌즈 바닥면에 배치된 발광체에서 발생한 빛이 렌즈 바깥쪽의 곡선부, 즉 굴절면(3)쪽으로 방사될 경우, 굴절면에서 상기 빛이 굴절되어 그 경로가 변경되고, 그 결과 빛은 렌즈 주축방향의 수직방향 쪽으로 굴절되어 측면방사가 유도될 수 있다.

한편, 발광체에서 발생한 빛이 주축방향 주위의 반사면 쪽으로 방사되면, 상기 반사면에서 빛이 굴절면 쪽으로 반사되고, 그 결과 빛은 렌즈 주축방향의 수직 방향 쪽으로 굴절되어 측면방사가 유도될 수 있다. 대부분의 빛은 상기 도 5a 및 8에 첨부된 빛의 주 경로를 따라 렌즈 밖으로 측면 방사된다. 그러나, 반사면에 도달한 빛이 모두 굴절면까지 도달할 수 있는 것은 아니며, 경로에 따라 렌즈의 반사면과 발광체 사이에서 여러 번 반사가 일어나는 경우도 있다. 이와 같이 반사가 여러 번 일어나게 되는 경로로 방사되는 빛의 양(광속)이 많은 경우는 광효율이 좋지 않으며, 광추출(extraction) 효율이 떨어진다. 그러나, 본 발명에 의한 렌즈를 사용하는 경우, 반사가 여러 번 일어나서 광추출 효율을 떨어뜨리는 경로로 방사되는 빛의 양은 발광체에서 발생된 전체 빛 중에서 차지하는 비중이 매우 작다.

상기 렌즈의 바닥면에는 주축을 중심으로 홈이 형성될 수 있다. 상기 홈에는 광원인 발광체를 배치할 수 있다. 본 발명의 일례에 의하면 상기 발광체로서 발광 다이오드를 사용할 수 있다. 상기 홈의 크기는 상기 렌즈의 사용목적, 상기 홈에 의하여 생긴 공간에 배치될 발광체의 종류와 크기 및 렌즈 제조상의 작업성 등을 고려하여 당업자가 용이하게 결정할 수 있다.

본 발명에 의한 렌즈는 종래의 렌즈 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 즉, 투명 재료의 선삭 또는 절삭에 의한 방법, 광 투과성 수지를 이용한 성형 등의 방법을 제한 없이 적용할 수 있다. 광 경화성 수지를 이용한 광 경화법에 의하여도 상기 렌즈를 제조할 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면 광투과성 수지의 사출성형 방법에 의하여 상기 렌즈를 제조할 수 있다.

상기 렌즈에 적용할 수 있는 광 투과성 수지의 비제한적인 예로서, 환형 올 레핀 공중합체(COC), 아크릴 수지, 폴리카보네이트(PC), PC/PMMA 공중합체, 실리콘, 탄화불소수지, 폴리에테르이미드(PEI), 또는 폴리노보넨(PNB) 등이 있다. 본 발명의 일례에 따르면 광 투과성 수지로서 아크릴수지를 사용할 수 있다. 상기 아크릴 수지로는, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 우레탄 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트, 에스테 아크릴레이트를 단독 또는 2종 이상 혼합하여 제조된 아크릴 수지가 있다.

본 발명에 따른 상기 렌즈는 굴절률 1.3~1.8 정도로 제조될 수 있다. 상기 아크릴 수지를 이용하여 상기 렌즈를 제조할 경우 굴절률의 범위는 1.3~1.8 정도가 가능하다.

사출성형에 필요한 금형은 렌즈의 구조를 고려하여 당업자라면 적절하게 제작할 수 있다.

본 발명에 따른 바닥면, 반사면 및 굴절면을 구비하는 렌즈를 제조하기 위하여 사용할 수 있는 금형으로서, 반사면 및 굴절면 형성을 위한 성형체 공간을 갖는 제 1 금형 및 바닥면 형성을 위한 성형체 공간을 포함하는 제 2 금형을 포함하는 금형이 있을 수 있다. 상기 제 1 금형과 제 2 금형을 체결하여 형합할 경우, 바닥면, 상기 렌즈의 주축방향을 중심으로 상부에서 바닥면 방향으로 함몰되어 상부가 개방되어 있는 오목부 형태를 가지며 주축방향을 중심으로 바닥면 방향으로 갈수록 그 단면이 좁아지는 반사면, 및 상기 바닥면에서부터 반사면까지 곡선형태로 연결되어 있는 굴절면을 구비하는 성형체 공간이 형성되도록 금형을 제조할 수 있다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일례로서 도 5a에 도시된 렌즈 제작이 가능한 사출 금 형의 구조 및 그 체결 방법을 나타낸 것이다. 상기의 경우 2개의 금형을 이용한 사출성형에 의하여 본 발명에 의한 렌즈를 제조할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 렌즈의 바닥면에 발광체를 배치하여 발광소자를 제조할 수 있다. 즉, 상기 발광소자는 측면 방사형 발광소자로서, 발광체 및 본 발명에 따른 측면 방사형 렌즈를 포함하는데, 상기 측면 방사형 렌즈의 바닥면에 발광체가 배치된 구조이다. 본 발명의 일례에 따르면 상기 발광소자로서 발광 다이오드를 사용할 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 렌즈의 바닥면에는 발광체 내장용 홈을 형성하여 상기 홈에 발광체를 배치할 수 있다. 이 때, 상기 렌즈 반사면의 하단부(2b)의 단면적은 상기 발광체의 발광 단면적보다 작은 것이 바람직하다. 한편 상기 반사면의 개방된 상부쪽 상단부의 단면적은 상기 발광체의 발광 단면적보다 동일하거나 더 클 수도 있다. 상기 상단부의 단면적은 필요에 따라 당업자가 결정할 수 있다.

본 발명에 의한 발광소자에서 상기 발광체와 렌즈 반사면의 하단부(2b) 사이의 거리는 렌즈의 크기 및 용도 등에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 일례에 따르면, 상기 거리는 발광체의 발광단면에서 긴 변 또는 직경 대비 0.4~1.0 배 정도인 것이 바람직하다. 상기 거리에 따라 전반사가 일어나는 조건이 달라질 수 있으며, 발광체에서 발생한 빛이 반사면을 거쳐 굴절되는 과정에서 경로가 달라질 수 있을 뿐 아니라 측면으로 방사되는 광량이 크게 달라질 수 있다. 따라서, 상기 거리범위를 벗어나서 발광체가 배치된다면 원하는 지향 특성을 얻을 수 없는 경우가 생길 수 있다. 상기 거리는 당업자가 필요에 따라 조절할 수 있다.

본 발명에 의한 발광소자는 렌즈의 바닥면에 발광체를 배치하고 몰딩재로 상기 발광체를 고정시켜서 발광소자를 제조할 수 있다. 상기 발광소자의 제조과정에서 상기 렌즈의 바닥면에 발광체 배치용 홈을 형성하여 여기에 발광체를 배치할 수 있다. 상기와 같은 경우, 상기 홈과 발광체 사이의 공간에는 소정의 공간이 생길 수 있는데, 상기 공간에는 몰딩재를 채울 수 있다. 즉, 상기 바닥면에 형성된 홈의 크기가 발광체보다 커서 공간이 생길 경우 그 공간에 몰딩재를 채울 수 있다.

상기 몰딩재의 일례로서, 광 투과성 수지 또는 실리콘을 사용할 수 있다. 상기 몰딩재의 굴절률은 상기 렌즈의 굴절률과 동일하거나 유사한 것이 바람직하다. 몰딩재의 굴절률과 렌즈의 굴절률이 유사할수록 발광소자에 방출된 빛의 굴절이 적어 빛의 손실을 줄일 수 있다. 몰딩재를 형성하기 위한 재료와 렌즈를 형성하기 위한 재료는 서로 동일한 물질일 수도 있고 다를 수도 있다. 고출력의 발광다이오드(High power LED)의 경우에는 실리콘 계열의 내부 몰딩재를 사용할 수 있다. 이러한 실리콘 계열의 몰딩재는 발광소자의 사용 중에 발생하는 열로 인한 렌즈 변형을 막는 작용을 할 수 있다. 즉, 렌즈의 잦은 열변형에 의하여 발광소자의 와이어 본딩이 끊어질 수가 있는데, 몰딩재 특히 실리콘 계열의 몰딩재를 사용함으로써 렌즈의 변형을 억제하고 그 결과 외이어 본딩이 끊어지는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 일례에 의하면, 렌즈 성형을 위한 금형의 내부에 발광체를 배치하고, 광투과성 수지를 이용하여 사출성형을 실시함으로써 사출성형에 의하여 렌즈가 형성됨과 동시에 발광체가 렌즈의 내부에 배치되도록 함으로써 발광소자를 제조하는 것도 가능하다.

<실시예>

이하 도 5 및 6을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 보다 구체적으로 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다.

도 5a는 본 발명의 일례로서, 본 발명에 의한 측면 방사형 렌즈의 바닥면에 형성된 홈에 발광 다이오드가 배치된 측면 방사형 발광소자를 나타낸 개념도이다.

상기 렌즈는 2개의 금형을 이용한 사출성형에 의하여 제조가 가능할 정도로 그 구조가 단순하고 간편하다. 렌즈는 곡선 모양의 굴절면과 오목부 형상의 반사면을 포함한다. 도 5a에서 렌즈의 양쪽 측면의 굴절면은 부드러운 곡선 형태로서, 단일 반경을 가진 곡선 또는 베지어(Bezier) 곡선을 이용하여 설계될 수 있다. 단일 반경 크기는 렌즈를 체결하는 리드 프레임과 같은 주변 장치 또는 도 5c에 나타난 오목부 형태의 반사면의 직경 D1 등에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 일례에 따르면, 1~2mm 사이의 값을 적용할 수도 있다.

렌즈의 굴절면은 예를 들어, 상기 설명한 베지어(Bezier) 곡선 등의 수학적인 방법을 활용하여 곡선을 생성하여, 바닥면에서부터 렌즈 상부의 반사면까지 부드럽게 연결할 수 있다. 도 7은 이러한 렌즈의 외관을 3차원 영상으로 나타낸 것이다.

렌즈의 상부에 형성된 반사면(2)의 형상은 도 5a 및 5c 예시적으로 나타나 있다. 그러나 상기 반사면의 형태가 이것만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 반사면(2)은 주축 방향으로 상부에서 렌즈의 바닥면(1) 방향으로 함몰되어 있는 오목부 형태이다. 상기 상기 반사면의 측면부(2a)의 단면은 소정의 기울기를 갖는 1개 이상의 직선에 의하여 연결되는 형태일 수 있다. 또한, 렌즈의 반사면을 형성하는 오목부의 상단부 직경(D1)과 하단부 직경(D2)은 동일하지 않으며, 측면으로 빛을 반사시키기 위해서 직경이 줄어드는 구조를 갖는다(D1>D2)(도 5c 참조).

상단부 직경(D1)은 발광체의 크기에 따라 다르며, 발광체에서 발생된 빛이 상부로 방사되는 것을 막도록 설계된다. 따라서, 상단부의 동심원은 주축 방향으로 투사하였을 때, 발광체의 표면적을 모두 커버할 수 있도록 상단부의 직경(D1)을 조정한다.

반사면에서 상단부와 하단부 사이의 거리, 즉, 반사면의 깊이는 상기 렌즈의 바닥면에 배치될 발광체와 반사면의 하단부(2b) 사이의 거리를 결정함으로써 역으로 계산될 수 있다. 즉, 렌즈에 발광체가 배치되어 발광소자가 형성된 경우를 생각하여 반사면의 하단부와 발광체 사이의 수직 거리(H)를 결정함으로써 역으로 계산될 수 있다. 본 발명의 일례에 따르면 반사면의 하단부와 발광체 사이의 수직 거리(H)는 발광체의 긴 변 또는 원형 발광체인 경우 발광체의 직경의 40~100% 정도로 할 수 있다. 구체적인 거리는 발광체의 크기 및 렌즈의 크기에 의하여 결정될 수 있다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 일례로서 도 5a에 도시된 렌즈 제작이 가능한 사출 금형의 구조 및 그 체결 방법을 나타낸 것이다. 상기 예에 따를 경우, 렌즈의 구조 가 간단하여 사출성형 후 렌즈 취출이 용이하기 때문에, 2개의 금형으로 사출 성형이 가능하다. 본 발명의 하기 실시예에서와 같이 1mm x 1mm 크기의 발광체로서 발광 다이오드를 사용하여 도 5a의 렌즈에 적용하여 발광소자를 제조하면 약 70~80° 정도의 광 지향각 분포를 얻을 수 있다.

<실시예 1> 렌즈의 제조

본 실시예에서는, 도 5a에 도시된 것과 같은 렌즈를 제조하기 위하여 도 6a에 도시된 금형을 이용하여 아크릴 수지를 사출성형 하였다.

먼저, 도 5a에서 보는 바와 같은 렌즈를 설계하였다.

본 실시예에서 곡선부는 도 5b에 표시된 것처럼, 2차 Bezier 곡선을 이용하여 설계하였다. 가중치(weight factor)는 0.5 이상 3 미만의 값을 사용하였으며, 조절점(control point)의 x, y 성분은 세 점 간의 거리 R1,R2로 결정하였다. 참고로 이 값은 각각의 경우마다 소자구조에 따라 달라질 수 있다.

렌즈 바닥면(1)의 외반경(external semi-diameter) 2.8mm이고, 렌즈 주축방향의 높이는 1.8mm로 설계하였다.

반사면의 형상은 도 8 및 도 5c(가운데)에 나타나 있다.

본 실시예에서는 발광체로서 1mm x 1mm의 면적을 가지며 두께가 0.2mm인 발광 다이오드를 사용하였다. 렌즈 상단부의 직경 D1을 가진 동심원이, 1mm²의 면적을 갖는 사각형 모양의 소자 면적보다 크도록 하기 위하여 D1을 1.8mm 값으로 하였다.

반사면 하단부는 형태는 도 5c의 가운데에 도시된 형태로 제조하였다(도 8참조). 본 실시예에서는 반사면 하단부의 직경 D2를 0.7mm 값으로 하였다. 또한 발광체와 반사면 하단부와의 수직거리(H)가 0.7mm이 되도록 바닥면에 발광체 배치용 홈을 형성하였다. 렌즈의 3차원 구조는 도 5 (a)에 나타난 설계를 주축 기준으로 축 대칭 회전하여 얻어지는데, 보다 정확한 도안은 도 7a에 도시되어 있다.

상기와 같이 설계된 렌즈 구조를 이용하여 도 5a에 도시된 것과 같은 렌즈를 제조하기 위하여 도 6a에 도시된 금형을 이용하여, 광 투과성 수지로서 아크릴 수지의 일종인 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)를 사출성형하여 렌즈를 제조하였다.

<실시예 2> 발광소자의 제조

본 실시예에서는, 상기 실시예 1에서 제조된 렌즈를 이용하여 발광소자를 제조하였다. 즉, 상기 실시예 1에서 제조된 렌즈의 바닥면 쪽 홈에 발광체로서 발광 다이오드를 배치하고 빈공간을 몰딩재인 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)를 채워서 상기 발광 다이오드(1mm x 1mm x 0.2mm)를 고정함으로써 발광소자를 제조하였다. 이 때, 상기 발광 다이오드의 중심은 렌즈의 주축 위에 놓여지도록 하였다.

도 7b는 도 5a에서 결정된 렌즈 구조에 대한 지향각 분포 결과이다. 지향각 분포는 광학 전용 해석 프로그램인 ASAP을 이용하여 계산하였다. 지향각 분포를 살펴 보면, 발광 다이오드에서 발생한 빛은 상부보다는 주로 측면으로 방사되며, 주로 주축 기준으로 70~80° 정도의 각도로 방사된다.

이는 도 3에 의한 측면 방사형 발광 다이오드의 지향각 분포 결과와 거의 유 사하다. 그렇지만 제조 공정 및 렌즈 제조를 위한 금형은 훨씬 더 간편하고 간단하다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 측면 방사형 렌즈는 발광체에서 방출된 빛을 측면으로 유도하기 위한 곡선 형태의 굴절면과 오목부 형태의 반사면을 포함하며, 상기 렌즈를 사용하여 제조된 발광소자는 70~80° 정도의 측면 방향의 지향각 분포를 가질 수 있다. 본 발명에 의한 렌즈의 경우 우수한 지향각 분포를 나타내면서도 렌즈 구조가 단순하여, 사출성형 등의 방법으로 용이하게 대량생산이 가능하다.

Claims (18)

1. 바닥면, 반사면 및 굴절면을 구비하는 렌즈로서,

   상기 반사면은 렌즈의 주축방향을 중심으로 렌즈 상부에서 바닥면 방향으로 함몰되어 상부가 개방되어 있는 오목부 형태로서, 주축방향을 중심으로 바닥면 방향으로 갈수록 좁아지고,

   상기 굴절면은 바닥면에서부터 반사면까지 곡선형태로 연결되어 있는 렌즈.
2. 제 1항에 있어서, 상기 바닥면은 주축을 중심으로 하는 원형으로서, 바닥면의 외반경(external semi-diameter)은 렌즈의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 렌즈.
3. 제 2항에 있어서, 상기 렌즈의 주축방향의 높이와 상기 바닥면의 외반경 사이의 비율인 (주축방향의 높이)/(바닥면의 외반경)의 값은 0.5~0.9인 것을 특징으로 하는 렌즈.
4. 제 1항에 있어서, 상기 반사면에는 주축방향에 대하여 수직인 부분이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 렌즈.
5. 제 1항에 있어서, 상기 반사면은 뒤집어진 원뿔대 형태인 것을 특징으로 하 는 렌즈.
6. 제 1항에 있어서, 상기 반사면의 측면부는 서로 다른 기울기를 가지는 2개 이상의 면이 연결된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈.
7. 제 1항에 있어서, 상기 반사면에는 은 또는 알루미늄으로 증착 또는 코팅 처리가 되어 있는 것을 특징으로 하는 렌즈.
8. 제 1항에 있어서, 상기 반사면 및 굴절면은 각각 주축방향을 중심으로 대칭인 것을 특징으로 하는 렌즈.
9. 제 1항에 있어서, 상기 굴절면은 수직단면이 베지어(Bezier) 곡선, 타원 또는 포물선의 일부임을 특징으로 하는 렌즈.
10. 제 1항에 있어서, 상기 바닥면에는 렌즈의 주축을 중심으로 홈이 형성되어 있는 특징으로 하는 렌즈.
11. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈는 환형 올레핀 공중합체(COC), 아크릴수지, 폴리카보네이트(PC), PC/PMMA 공중합체, 실리콘, 탄화불소수지, 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리노보넨(PNB)으로 이루어진 군에서 선택된 광 투과성 수지로 형성된 것임을 특징으로 하는 렌즈.
12. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈 반사면의 측면부와 렌즈의 주축방향 사이의 각도는 5~50°인 것을 특징으로 하는 렌즈.
13. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈는 굴절률 1.3~1.8인 것을 특징으로 하는 렌즈.
14. 발광체 및 측면 방사형 렌즈를 포함하는 발광소자로서,

    상기 측면 방사형 렌즈는 바닥면, 반사면 및 굴절면을 포함하며,

    상기 반사면은 렌즈의 주축방향을 중심으로, 렌즈 상부에서 바닥면 방향으로 함몰되어 상부가 개방되어 있는 오목부 형태로서, 바닥면 방향으로 갈수록 좁아지고,

    상기 굴절면은 바닥면에서부터 반사면까지 곡선형태로 연결되어 있으며,

    상기 발광체는 상기 렌즈의 바닥면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자.
15. 제 14항에 있어서, 상기 바닥면의 중심에는 발광체 배치용 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자.
16. 제 14항에 있어서, 상기 반사면 하단부의 단면적이 상기 발광체의 발광 단면 적보다 작은 것을 특징으로 하는 발광소자.
17. 제 14항에 있어서, 상기 발광체는 발광 다이오드임을 특징으로 하는 발광소자.
18. 제 14항에 있어서, 상기 바닥면에 형성된 홈과 발광체 사이의 공간에는 몰딩재가 채워져 있는 것을 특징으로 하는 발광소자.

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