KR20080041818A - 렌즈 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 렌즈 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지에 관한 것이다. 이 발광 소자 패키지는 LED 칩이 장착된 패키지 바디 및 상기 패키지 바디 상에 위치하며, 상기 LED 칩에서 발광되는 빛의 파장을 변환시키는 색변환층을 포함하는 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 의한 렌즈 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지는 렌즈 수준에서 균일한 형광체층 형성을 통하여 색띠 문제(Halo effect)를 최소화 할 수 있으며, 형광체를 사용하지 않는 발광 다이오드 패키지 공정과 동일하게 진행할 수 있다. 또한, LED 칩과 형광체층이 거리를 두고 형성되기 때문에 형광체 발광이 LED 칩으로 흡수되는 문제도 해결할 수 있어 발광 효율이 증가하는 효과를 갖는다.
발광 소자, LED, 렌즈, 형광체

Description

렌즈 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지{Lens and LED package having the same}
도 1a는 종래의 백색 발광 소자의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 1b는 도 1a의 백색 발광 소자에서 발생되는 빛의 각도에 따른 색 온도 차이를 나타내는 그래프이다.
도 2a은 본 발명에 의한 발광 소자 렌즈의 일 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 2b는 본 발명에 의한 발광 소자 렌즈의 일 실시예를 보여주는 사시도이다.
도 2c는 본 발명에 의한 발광 소자 렌즈의 일 실시예를 보여주는 저면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 발광 소자 패키지의 일 실시예를 보여주는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 렌즈 22 : 렌즈 바디
24 : 색변환층 30 : 패키지 바디
32 : LED 칩 34 : 하부 프레임
36 : 리드 38 : 상부 프레임
본 발명은 렌즈 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지에 관한 것으로, 특히 균일한 빛을 발광할 수 있는 렌즈 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: 이하 'LED'라 함)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.
이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.
질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)에 의해 고출력 전자소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다. 이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광 기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.
또한, 종래의 녹색 LED의 경우에는 처음에는 GaP로 구현이 되었는데, 이는 간접 천이형 재료로서 효율이 떨어져서 실용적인 순 녹색 발광을 얻을 수 없었으나, InGaN 박막 성장이 성공함에 따라 고휘도 녹색 LED 구현이 가능하게 되었다.
이와 같은 이점 및 다른 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.
GaN 발광 다이오드의 효율은 백열등의 효율을 능가하였고, 현재는 형광등의 효율에 필적하기 때문에, GaN 계열의 LED 시장은 급속한 성장을 계속할 것으로 예상된다.
이러한 기술의 발달로 디스플레이 소자뿐만 아니라 광통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL; Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 LED 백라이트, 형광등이나 백열전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치 및 신호 등에까지 응용이 확대되고 있다.
한편, 직류 전원에 구동되는 LED 외에 일반 AC 전원에서도 작동하는 고전압 교류용 LED 칩도 개발되고 있는데, 이러한 목적으로 발광 소자를 응용하기 위해서는 동일 전력에서 동작 전압은 높고 구동 전류는 낮아야 하며, 발광효율과 휘도가 높아야 한다.
이러한 LED 칩은 실리콘이나 세라믹으로 제작한 서브 마운트에 접합되어 패키지 형태로 사용하거나, 다른 패키지에 실장하여 사용하게 된다.
상술한 LED 칩을 이용하여 백색 광원을 만드는 방법에는 크게 2가지가 있는데, 첫째는, 청색, 녹색 및 적색의 LED 칩을 이용하여 백색 광원을 만들거나, 청색 및 자색의 발광 소자에 형광체를 이용하여 백색 광원을 만드는 방법이 있다.
도 1a는 상술한 LED 칩을 이용한 종래의 백색 발광 소자의 일례를 나타내는 개략도이며, 도 1b는 도 1a의 백색 발광 소자에서 발생되는 빛의 각도에 따른 색 온도 차이를 나타내는 그래프이다.
이러한 백색 발광 소자는, LED 칩(10)이 반사컵(12) 안에 본딩되어 있으며, 반사컵(12)은 LED 칩(10)의 측면으로부터 방출되는 빛을 전방으로 반사시키는 역할을 수행하게 된다. 또한, LED 칩(10)이 본딩된 반사컵(12) 안에는 형광체가 포함된 충진재(14)가 충진되고, 그 상측에는 렌즈(미도시)가 부착된다.
이러한 종래의 백색 발광 소자는 LED 칩(10)에서 나오는 빛이 형광체와 수지로 형성된 층(14)을 지나면서 형광체를 여기시켜 LED 칩(10)의 빛과 형광체의 빛이 합쳐져서 백색을 구현하게 되는데, 일정 두께의 형광체층을 지나게 되면 각 방향에 따라서 광경로는 큰 차이가 나게 된다.
또한, 도 1b와 같이 각도가 좁은 부분과 넓은 부분에서 색 온도가 3000 K 정도로 크게 차이가 나는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 광경로가 짧은 쪽은 청색이 강하게 되고, 광경로가 긴 쪽은 황색 이 강하게 되고, 결과적으로 LED 칩(10)의 상면은 형광체층을 통과하는 광경로가 짧아 푸른 백색을 발광 시키고, 각도가 넓은 부분은 노란 백색을 발광시킨다.
따라서, 이러한 백색 발광 소자에서 균일한 백색광이 발광되지 못하고 색상이 서로 다른 색띠가 나타나는 문제점(Halo effect)이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자 패키지의 색띠(Halo effect) 문제를 해결하여 발광 소자의 색의 균일도를 향상시킬 수 있는 렌즈 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 발광 소자 렌즈는 렌즈 바디 및 상기 렌즈 바디의 하단부에 위치하며, 발광 소자에서 발광되는 빛의 파장을 변환하는 색변환층으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 발광 소자 패키지는 LED 칩이 장착된 패키지 바디 및 상기 패키지 바디 상에 위치하며, 상기 LED 칩에서 발광되는 빛의 파장을 변환시키는 색변환층을 포함하는 렌즈로 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 렌즈 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지의 구성 및 동작을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작 용이 제한되지는 않는다. 또한, 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명에 의한 발광 소자 렌즈의 일 실시예를 보여주는 단면도, 사시도 및 저면도로서, 발광 소자 렌즈(20)는 렌즈 바디(22)와 색변환층(24)으로 구성된다.
먼저, 렌즈 바디(22)는 다양한 형상이 가능하며, 예를 들어, 돔 형 또는 반원형 또는 비구면형 일 수 있다.
다음으로, 색변환층(24)은 렌즈 바디(22)의 하단부에 위치하며, 발광 소자에서 발광되는 빛의 파장을 변환하는 역할을 한다.
또한, 색변환층(24)은 렌즈 바디(22)의 하단부에 형성된 원반형의 홈에 균일한 두께로 형광체가 코팅될 수 있다. 예를 들어, 색변환층은 10㎛ 내지 200㎛ 정도의 두께로 균일하게 코팅될 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 발광 소자 패키지의 일 실시예를 보여주는 단면도로서, 본 발명에 의한 발광 소자 패키지는 패키지 바디(30)와 렌즈(20)로 구성된다.
먼저, 패키지 바디(30)는 LED 칩(32)이 장착된다. 또한, 리드(36)와 결합되며 플라스틱으로 형성되는 상부 프레임(38)과 LED 칩(32) 하측에 위치하는 하부 프레임(34)으로 구성될 수 있다.
여기서, 하부 프레임(34)은 알루미늄과 같은 전도성 재질로 형성되어 히트 싱크(heat sink)로서 작용할 수 있다.
이와 같은 구조에서 LED 칩(20)은 와이어에 의하여 리드(30)와 전기적으로 연결된다.
다음으로, 렌즈(20)는 패키지 바디(30) 상에 위치하며, LED 칩(32)에서 발광되는 빛의 파장을 변환시키는 색변환층(24)과 렌즈 바디(22)로 구성된다.
여기서, 렌즈(20)는 렌즈 바디(22) 하단부에 원반형의 홈이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 원반형의 홈에는 균일한 두께로 형광체가 코팅된 색변환층이 위치할 수 있다. 따라서, LED 칩(32)에서 발생한 빛이 균일한 두께의 형광체층을 지나가는 광경로차가 일정하게 되어, 발광 소자 패키지에서 발생하는 빛의 색의 균일도를 향상시킬 수 있다.
또한, 도시된 바와 같이 형광체로 코팅된 색변환층(24)이 LED 칩(32) 가까이에 있지 않고 어느 정도 거리를 두고 형성되기 때문에 발광 소자의 효율은 증가하게 된다. 이는 형광체층이 LED 칩 가까이에 있을 경우, 형광체의 발광을 LED 칩이 흡수하는데, 렌즈에 형광체층을 형성할 경우 이런 문제가 발생되지 않아 발광 소자의 효율이 향상되는 것이다.
또한, 이러한 발광 소자 패키지의 일 실시예로, LED 칩(32)이 청색 빛을 발광하고, 색변환층(24)은 이러한 청색 빛을 일부 흡수하여 황색 빛을 방출하는 형광체를 이용함으로써, 이러한 청색 빛과 황색 빛이 혼합되어 백색 빛을 방출하는 백색 발광 소자 패키지를 구현할 수 있다. 여기서, 이러한 청색 빛을 발광하는 LED 칩(32)은 질화갈륨(GaN)계 LED 칩(20)을 이용할 수 있다.
그 외에도 다양한 색을 방출하는 LED 칩(32)과 형광체가 이용될 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 의한 발광 소자 패키지는 렌즈(20)와 패키지 바디(30) 사이에 충진재(40)가 충진될 수 있다. 이러한 충진재(40)에는 에폭시 또는 실리콘 젤과 같은 물질이 충진될 수 있다. 다시 말해, 종래에는 충진재와 형광체를 혼합하여 사용하였으나 본 발명에 의할 경우 형광체층을 렌즈 상에 형성함으로써 충진재(40)에는 형광체가 포함되지 않는 것이다.
이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 다양한 다른 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 렌즈 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지는 렌즈 수준에서 균일한 형광체층 형성을 통하여 색띠 문제(Halo effect)를 최소화 할 수 있으며, 형광체를 사용하지 않는 발광 다이오드 패키지 공정과 동일하게 진행할 수 있다. 또한, LED 칩과 형광체층이 거리를 두고 형성되기 때문에 형광체 발광이 LED 칩으로 흡수되는 문제도 해결할 수 있어 발광 효율이 증가하는 효과를 갖는다.

Claims (7)

  1. LED 칩이 장착된 패키지 바디; 및
    상기 패키지 바디 상에 위치하며, 상기 LED 칩에서 발광되는 빛의 파장을 변환시키는 색변환층을 포함하는 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 렌즈는
    하단부에 원반형의 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 색변환층은
    상기 원반형의 홈에 균일한 두께로 형광체가 코팅된 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 LED 칩은 청색 LED 칩이며, 형광체는 황색 형광체인 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 소자 패키지는
    상기 렌즈와 상기 패키지 바디 사이에 충진재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  6. 렌즈 바디; 및
    상기 렌즈 바디의 하단부에 위치하며, 발광 소자에서 발광되는 빛의 파장을 변환하는 색변환층을 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 렌즈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 색변환층은
    상기 렌즈 바디의 하단부에 형성된 원반형의 홈에 균일한 두께로 형광체가 코팅된 것을 특징으로 하는 발광 소자 렌즈.
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