KR20090031446A - 조명 디바이스 패키지 - Google Patents

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KR20090031446A
KR20090031446A KR1020097002434A KR20097002434A KR20090031446A KR 20090031446 A KR20090031446 A KR 20090031446A KR 1020097002434 A KR1020097002434 A KR 1020097002434A KR 20097002434 A KR20097002434 A KR 20097002434A KR 20090031446 A KR20090031446 A KR 20090031446A
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lighting device
refractive index
lens
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KR1020097002434A
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Inventor
이안 애슈다운
샨 하라
Original Assignee
티아이알 테크놀로지 엘피
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Abstract

본 발명은 기판에 동작적으로 결합되는 하나 이상의 발광 소자; 상기 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광과 상호작용하도록 배치되는 복합 렌즈-상기 복합 렌즈는 적어도 내부 렌즈 소자 및 외부 렌즈 소자를 포함하고, 상기 내부 렌즈 소자는 제1 굴절률을 갖고, 상기 외부 렌즈 소자는 제2 굴절률을 가지며, 상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 크고, 상기 복합 렌즈, 상기 하나 이상의 발광 소자 및 상기 기판은 그들 사이에 둘러싸인 공간을 정의함-; 및 상기 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 제1 굴절률 이상의 제3 굴절률을 갖는 캡슐 재료를 구비하는 조명 디바이스 패키지를 제공한다.
조명 디바이스 패키지, 발광 소자, 기판, 프레임, 공동, 캡슐 재료

Description

조명 디바이스 패키지{LIGHTING DEVICE PACKAGE}
본 발명은 발광 디바이스에 관한 것으로서, 구체적으로는 조명 디바이스 패키지의 광학 컴포넌트의 설계에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 LED 패키지가 동작 조건들 하에서 LED 패키지 내에 생성되는 광을 효과적으로 추출하도록 적절히 설계되는 경우에 보다 효과적일 수 있다. 디바이스 설계자의 관점에서, 효과적인 광 추출은 LED 다이로부터의 광이 LED 패키지 내의 불필요한 반사들을 겪을 필요 없이 LED 패키지를 벗어날 수 있는 기회를 향상시키는 문제일 수 있다. 예를 들어 광학 계면들의 배향 및 위치, 그리고 광학 계면의 임의 측 상의 재료 타입과 같은 LED 패키지의 관련 컴포넌트들의 광학 특성들과 같은 다수의 설계 특징들이 광학 경로들에 영향을 미칠 수 있다. 더욱이, LED 패키지 내에서의 광 전파는 예를 들어 광의 파장, 광의 세기, LED 다이의 크기 및 발광 효율, 구동 전류, LED 패키지의 광학 소자들의 불투명도, LED 패키지 내의 온도 조건, 주변 매체의 굴절률 및 LED 패키지 컴포넌트들의 재료는 물론 관련 재료의 굴절률의 온도 의존성에도 의존할 수 있다. 최신의 LED 패키지들은 적어도 LED 다이 및 캡슐 렌즈를 구비한다. 소정의 LED 패키지들에서, 렌즈 및 캡슐은 개별적이거나 상이한 재료들로 제조된다. 결과적으로, LED 패키지는 다이-캡슐 광학 계면, 캡슐-렌즈 광학 계면 및 렌즈-공기 광학 계면을 가질 수 있다.
LED 다이에 의해 방출되는 광의 전파 방향을 변경하는 것 외에, 광학 계면들은 광의 파장, 광학 계면에서의 입사각 및 광학 계면의 임의 측 상의 두 매체의 굴절률들에 따라 광의 가변 부분들을 반사 및 투과할 수 있다. LED 패키지의 광학 계면에서의 부분 반사 및 투과는 반복 반사 및 투과되는 광선들의 캐스케이드를 유발할 수 있다. 결과적으로, 소정의 반사들은 광학 경로를 연장하며, 이는 LED 패키지 내의 바람직하지 않은 광 흡수의 가능성을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 광은 굴절률 비율에 따라 소정 입사각들에서 발생할 수 있는 내부 전반사(TIR)를 겪을 수 있다. 이러한 효과는 광이 제1 굴절률을 갖는 매체 내에서 전파하고 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 다른 매체의 충분히 두꺼운 층과의 광학 계면에 충돌할 때 발생할 수 있다. TIR은 광학 계면을 가로질러 넘는 광의 투과를 실질적으로 완전히 금지한다. 또한, 굴절 소자들의 부적절한 설계는 단색 또는 색 수차로 인한 발광 패턴의 휘도 및 칼라 불규칙을 포함할 수 있는 잠재적으로 비실용적인 공간 발광 특성들을 갖는 광을 LED로 하여금 방출하게 할 수 있다.
가시 스펙트럼 영역에서도, 예를 들어 LED 다이의 굴절률이 크게 변할 수 있다. 오늘날 사용되는 대부분의 다이들은 약 1.6보다 큰 가시 스펙트럼에서의 굴절률들을 갖는다. 또한, 예를 들어 소정의 청색 및 녹색 LED 다이들은 약 2.6 내지 2.7의 굴절률을 갖는다. 예를 들어, 주위 매체가 약 1.0의 굴절률을 갖는 공기이고, 다이의 굴절률이 1.6인 경우, TIR을 위한 최대 임계각은 광학 계면 법선에 대해 약 39도일 것이다. 그러나, 다른 파장들에 대해 임계각은 상당히 더 작을 수 있다. 보다 큰 각도로 광학 계면에 충돌하는 임의의 광은 내부 전반사될 것이다.
원하지 않는 반사들을 줄이는 하나의 공지된 해결책은 다이와 공기 사이의 굴절률을 갖는 재료로 LED 다이를 커버하거나, 더 일반적으로는 낮은 굴절률 비율을 산출하는 재료들을 광학 계면에 사용하는 것이다. 예를 들어, 하나 이상의 LED 다이가 반구형 렌즈의 중심에 배치되고, 다이와 렌즈 사이의 공간이 투명 캡슐로 채워질 수 있다. 캡슐 및 렌즈를 위한 재료들은 여러 요건 중에서 이들의 공통 굴절률, 예를 들어 1.5가 다이의 굴절률, 예를 들어 2.65를 1.0인 주변 매체의 굴절률에 점진적으로 매칭시키도록 선택된다. 그러나, 이러한 설계는 둘 이상의 LED 다이가 하나의 렌즈 아래에 함께 그룹화될 때에는 비교적 큰 렌즈 크기를 필요로 한다. 그러나, 보다 양호한 칼라 혼합을 위해서는 동일 패키지 내에 다수의 LED 다이를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 원리들의 일부가 다수의 공보에서 인식되었다. 예를 들어, 미국 특허 제6,610,598호는 컴포넌트가 통상적으로 표면 상에 평면을 갖는 발광 다이오드들의 표면 실장 디바이스(SMD LED)를 기술하고 있다. 스넬의 법칙의 계산을 통해, 광의 대부분은 에폭시 수지와 대기의 굴절률 차이로 인해 컴포넌트로부터 직접 방출되지 못한다(대기 중의 광의 굴절률은 1이고, 에폭시 수지의 굴절률은 1.5이다). 발광 다이오드들의 표면 실장 디바이스는 SMD LED의 평면 표면 상에 여러 작은 렌즈 또는 회절 렌즈를 포함하는데, 임계각을 크게 하는 렌즈가 발광 칩으로부터의 직접 발광 기회를 증가시킬 수 있고, 이는 또한 LED의 휘도를 증가시킨다.
미국 특허 제6,590,234호 및 제6,204,523호는 녹색 내지 근 자외선 파장 범 위의 광을 방출하는 LED 컴포넌트를 제공한다. 발광 반도체 다이는 단단한 외부 쉘, 내부 겔 또는 탄성 층 또는 이들 양자를 포함하는 하나 이상의 실리콘 수지 화합물로 캡슐화된다. 실리콘 수지 재료는 온도 및 습도 범위들에 대해, 그리고 주변 UV 방사선에 대한 노출에 대해 안정적이다. 결과적으로, LED 컴포넌트는 녹색 내지 근 UV 광출력을 줄이는 "황색화" 감쇠가 없는 이롭게도 긴 수명을 갖는다.
미국 특허 제6,639,360호는 고출력 방사선 방출기 디바이스 및 전자 컴포넌트 방열 패키지를 제공한다. 전자 컴포넌트 패키지는 밀봉 챔버, 밀봉 챔버 내에 포함된 액체 또는 겔, 밀봉 챔버 내에 액체 또는 겔과 물리적, 열적 접촉하도록 배치된 적어도 하나의 전자 컴포넌트, 및 전자 컴포넌트와 전기적으로 결합되고 밀봉 챔버 밖으로 연장하는 적어도 하나의 전기 도체를 포함한다. 전자 컴포넌트(들)는 방사선 방출기, 열 또는 광 센서, 저항기 및 마이크로프로세서 또는 기타 반도체 컴포넌트 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
미국 특허 제6,867,929호는 사람의 눈에 안전하고 스위칭이 고속으로 수행되는 광원 디바이스를 기술하고 있다. 광원 디바이스는 단색 또는 다색 광빔을 방출하기 위한 하나 이상의 레이저 광원, 레이저 광원으로부터 직접 또는 집광 시스템을 통해 수신된 광빔을 확산하기 위해 투과성, 반사성 또는 이들의 혼합일 수 있는 확산기, 및 확산기로부터 방출되는 확산 광 다발을 시준하는 광학 시준기를 포함한다.
미국 특허 제7,015,516호는 제1 도전형의 제1 영역, 제2 도전형의 제2 영역, 및 제1 영역과 제2 영역 간의 발광 p-n 접합을 구비하는 발광 다이오드를 포함하는 발광 마이크로일렉트로닉 패키지를 기술하고 있다. 발광 다이오드는 하부 접촉면 및 하부 접촉면으로부터 상향 돌출하는 메사(mesa)를 정의한다. 제1 도전형의 제1 영역은 메사 내에 배치되고, 메사의 상부면을 정의하며, 제2 도전형의 제2 영역은 메사를 실질적으로 둘러싸는 하부 접촉면을 정의한다. 메사는 메사의 상부면과 하부 접촉면 사이에 연장하는 적어도 하나의 측벽을 포함하며, 적어도 하나의 측벽은 패키지로부터의 광 추출을 최적화하기 위해 거친 표면을 갖는다.
미국 특허 제7,023,022호는 제1 표면 및 렌즈를 포함하는 제2 표면을 구비하는 실질적으로 투명한 기판을 포함하는 발광 패키지를 기술하고 있다. 패키지는 또한 소정 파장을 갖는 광을 방출하도록 적응되는 발광 다이오드(LED)를 포함하고, LED는 실질적으로 투명한 기판의 제1 표면 상에 고정된다. 기판의 제2 표면은 패키지의 주 발광면을 정의한다. 제2 표면의 렌즈는 패키지에 의해 방출되는 광의 방출 구조를 제어하기 위해 LED로부터 방출되는 소정 파장의 광에 매칭되는 격자 패턴을 갖는다. 격자 패턴은 동심인 일련의 원들을 포함하는 방사상 구조를 갖는다.
미국 특허 제6,921,929호는 비정질 불소 중합체 캡슐 및 렌즈를 갖는 발광 다이오드(LED)를 기술하고 있다. 렌즈 및 캡슐은 적외선 LED와 같은 LED 또는 다이오드 레이저에 대해 불소 중합체로 제조된다. 사파이어와 같은 기판 층 상에 다이오드를 성장시킴으로써 반도체 다이오드 다이가 형성된다. 다이오드 다이는 층의 표면을 통해 광을 방출하도록 플립화된다. 비정질 불소 중합체 캡슐은 다이오드 다이의 발광면을 캡슐화하며, 일체형 캡슐/렌즈를 형성하도록 렌즈로서 정형될 수 있다. 또는, 비정질 불소 중합체의 렌즈가 캡슐에 결합될 수 있다. 추가적인 결합 또는 개별 렌즈들도 사용될 수 있다. 캡슐/렌즈는 UV 광은 물론 적외선 광도 투과한다. 캡슐화 방법들도 제공되어 있다.
미국 특허 제7,026,657호는 고휘도 LED 칩 및 그 제조 방법을 기술하고 있다. 발광 다이오드 칩은 발광 활성 영역 및 윈도우 층을 포함한다. 발광 효율을 향상시키기 위해, 발광 활성 영역의 단면적이 광 분리에 이용 가능한 윈도우 층의 단면적보다 작다. 이 발명은 발광 컴포넌트의 표면 상에 렌즈 구조를 제조하는 방법과 더 관련된다.
미국 특허 제6,903,380호는 LED 패키지를 위한 방법 및 시스템을 기술하고 있다. LED 패키지는 고리형 접점 및 베이스 접점을 구비한 리드 프레임을 포함할 수 있다. LED 다이가 고리형 및 베이스 접점들에 결합될 수 있으며, 따라서 P형 재료 부분이 고리형 접점에 전기적으로 접속되고, N형 재료 부분이 베이스 접점에 전기적으로 접속된다. 대안으로, N형 재료 부분이 고리형 접점에 전기적으로 접속되고, P형 재료 부분이 베이스 접점에 전기적으로 접속될 수 있다. 렌즈가 리드 프레임에 결합될 수 있으며, 광학 재료가 렌즈, 베이스 접점 및 고리형 접점에 의해 정의된 공동 내에 배치될 수 있다. 광학 재료는 겔, 그리스, 탄성 재료, 비탄성 재료, 강체 재료, 액체 재료 또는 비액체 재료일 수 있다. 방법 및 시스템은 실장 디바이스를 더 포함할 수 있으며, LED 패키지는 소켓, 총검 또는 나사 방식으로 실장 디바이스에 기계적으로 결합된다. 방법 및 시스템은 LED 패키지들의 어레이를 형성하는 데 사용되는 고리형 접점들의 어레이를 포함하는 스트립 및 LED 패 키지들의 어레이를 수납하기 위한 수납 디바이스들을 포함하는 캐리어 스트립을 더 포함할 수 있다. 렌즈의 일부가 광 여기 가능 재료로 코팅되거나 이를 포함하거나, 광학 재료가 광 여기 가능 재료를 포함할 수 있으며, 따라서 시스템은 백색 광을 방출할 수 있다.
미국 특허 제6,480,389호는 금속 기판 상에 실장된 적어도 하나의 LED 칩이 내부에 배치되는 용접 밀봉 하우징 내에 방열 유체 냉각제를 채운 것을 특징으로 하는 방열 구조를 포함하는 발광 다이오드(LED)를 기술하고 있다. 방열 구조는 금속 기판으로부터 직립한 금속 벽을 갖도록 구성되는데, 이 벽은 밀봉 하우징의 투명 캡을 올바른 위치에 유지하는 데 사용된다. 또한, 직립 벽은 적어도 하나의 LED 칩을 근접하여 둘러싸며, 따라서 LED 칩으로부터 발생하는 주울 열이 방열 유체 냉각제를 통해 직립 벽으로 빠르게 확산된 후, 열을 배출하기 위한 보다 큰 외부 히트 싱크와 연결되는 금속 기판 아래로 벽을 따라 확산되어, 적어도 하나의 LED의 과열을 방지한다. 이 발명의 다른 특성은 밀봉 하우징의 투명 캡이 투명 재료로 제조되고, 방열 유체 냉각제와 접촉하는 볼록부가 투명 캡의 내면 상에 형성된다는 점이다. 따라서, 불충분한 충전으로 인해 하우징 내에 임의의 기포가 존재하는 경우, 이는 부력으로 인해 시선 범위 내에 위치하지 않을 것이다. 따라서, 기포의 존재로 인한 LED 광의 산란 가능성이 방지된다.
미국 특허 제5,077,587호는 반사 방지 층이 최적화된 발광 다이오드를 기술하고 있다. 발광 영역을 형성하는 윈도우의 주위에서 투과 확산 마스크 층 및 반사 방지 코팅 층의 결합 두께 치수를 수정함으로써 LED 등으로부터의 향상된 광 출 력이 얻어진다.
미국 특허 공개 번호 2006/0083000은 n의 굴절률을 갖는 재료로 형성된 발광 다이오드용 렌즈를 기술하고 있는데, 이 렌즈는 베이스, 베이스로부터 연장하는 제1 곡선 원주면, 제1 곡선 원주면으로부터 연장하는 곡선 중심 에지면, 및 곡선 중심 에지면으로부터 연장하는 곡선 최중심면을 포함한다. 베이스는 그 안에 발광 칩을 수납하기 위한 그루브를 포함한다. 이러한 렌즈에서, 베이스의 중심에서 곡선 중심 에지면의 한 점까지의 거리는 항상 상기 곡선 중심 에지면의 한 점에 대한 곡률 반경보다 작다. 곡선 최중심면은 베이스에 대해 오목한 형상을 갖는다. 또한, 렌즈의 주축과 곡선 최중심면의 한 점의 접선 사이에 형성되는 둔각이 A1이고, 베이스의 중심을 상기 곡선 최중심면의 한 점에 연결하는 직선과 렌즈의 주축 사이에 형성되는 예각이 A2일 때, 렌즈는 방정식 A1 + A2 < 90 + 1/sin(1/n)을 만족한다.
미국 특허 공개 번호 2005/0221519는 발광 변환 소자를 포함하는 반도체 발광 디바이스들 및 그 패키징 방법을 기술하고 있다. 반도체 발광 소자를 패키징하는 방법들은 발광 디바이스를 포함하는 공동 내에 제1 양의 캡슐 재료를 분배하는 단계를 포함한다. 공동 내의 제1 양의 캡슐 재료는 선택된 형상을 갖는 그의 단단한 상부면을 형성하도록 처리된다. 처리된 제1 양의 캡슐 재료의 상부면 상에 발광 변환 소자가 제공된다. 발광 변환 소자는 파장 변환 재료를 포함하며, 공동의 측벽 근처보다 공동의 중간 영역에서 큰 두께를 갖는다.
미국 특허 공개 번호 2004/0079957은 전력 표면 실장 발광 다이 패키지를 기 술하고 있다. 다이 패키지는 기판, 반사기 플레이트 및 렌즈를 포함한다. 기판은 열 전도성이지만 전기적으로는 절연성인 재료로, 또는 열 및 전기적으로 전도성인 재료로 제조될 수 있다. 기판이 전기 전도 재료로 형성되는 실시예들에서, 기판은 전기 전도 재료 상에 형성된 전기 절연, 열 전도 재료를 더 포함한다. 기판은 실장 패드에서 발광 다이오드(LED)에 접속하기 위한 트레이스들을 구비한다. 반사기 플레이트는 기판에 결합되고, 실장 패드를 실질적으로 둘러싼다. 렌즈는 실장 패드를 실질적으로 커버한다. 동작 동안 LED에 의해 발생한 열은 기판(하부 히트 싱크로서 작용함) 및 반사기 플레이트(상부 히트 싱크로서 작용함) 양자에 의해 LED로부터 방출된다. 반사기 플레이트는 LED로부터의 광을 원하는 방향으로 지향시키는 반사면을 포함한다.
미국 특허 공개 번호 2004/0041222는 전력 표면 실장 발광 다이 패키지를 기술하고 있다. 다이 패키지는 기판, 반사기 플레이트 및 렌즈를 포함한다. 기판은 열 전도성이지만 전기적으로는 절연성인 재료로 제조된다. 기판은 외부 전원을 실장 패드에서 발광 다이오드(LED)에 접속하기 위한 트레이스들을 구비한다. 반사기 플레이트는 기판에 결합되며, 실장 패드를 실질적으로 둘러싼다. 렌즈는 반사기 플레이트에 대해 자유롭게 이동하며, 그에 젖어 접착되는 캡슐에 의해 상승되거나 하강될 수 있고, LED 칩(들)으로부터 최적 거리에 배치된다. 렌즈는 디바이스의 성능에 영향을 미치는 광학 화학 제품들을 포함하는 광학 시스템으로 코팅될 수 있다. 동작 동안 LED에 의해 발생한 열은 기판(하부 히트 싱크로서 작용함) 및 반사기 플레이트(상부 히트 싱크로서 작용함) 양자에 의해 LED로부터 방출된다. 반사 기 플레이트는 LED로부터의 광을 원하는 방향으로 지향시키는 반사면을 포함한다.
국제 특허 공개 번호 2006/021837은 전기 접점들, 실장 설비들 및 광학 커플링들과 연계하여 배열된 반도체 다이오드들을 포함하는 발광 다이오드 시스템들을 기술하고 있으며, 광학 커플링들은 적어도 프레넬 렌즈를 포함한다. 프레넬 렌즈는 오목 또는 '네거티브' 렌즈와 같은 추가 광학 소자들에 더 결합되며, 또한 내부 전반사의 원리를 통해 동작하는 반사기에도 더 결합된다. 오목 렌즈 및 반사기 양자는 선호되는 버전들에서 비구면을 갖는다. 단일 부품 플라스틱의 커버 소자가 성형 프로세스에서 형성될 수 있으며, 따라서 이러한 모두 3개의 광학 소자들, 즉 프레넬 렌즈, 네거티브 렌즈 및 반사기가 단일 플라스틱 부품 내에 형성된다. 또한, 플라스틱 부품은 정렬 인덱싱 및 파스닝 수단은 물론 연결 주변 구성들과 같은 보조 시스템들을 더 수용하도록 배열될 수 있다.
국제 특허 공개 번호 2005/107420은 발광 광원, 방출된 광을 수신하고, 방출된 광을 투과 광 및 역 투과 광으로 변환하는 하향 변환 재료, 및 역 투과 광을 수신하고 역 투과 광을 광학 디바이스의 밖으로 전달하도록 구성되는 광학 디바이스를 포함하는 발광 장치를 기술하고 있다. 광원은 발광 다이오드, 레이저 다이오드 또는 공진 공동 발광 다이오드를 포함할 수 있는 반도체 발광 다이오드이다. 하향 변환 재료는 일 스펙트럼 영역의 광을 흡수하고 다른 스펙트럼 영역의 광을 방출하는 인광체 또는 기타 재료 중 하나를 포함한다. 광학 디바이스 또는 렌즈는 광 투과 재료를 포함한다.
그러나, 조명 디바이스 패키지들 내의 원하지 않는 내부 반사들을 어떻게 줄 일 수 있는지에 대해서는 설명하고 있지 않다. 따라서, 공지된 설계들의 결함들 중 일부를 극복하는 새로운 패키지 설계가 필요하다.
이러한 배경 정보는 본 발명에 대해 가능한 관련성이 있는 것으로 출원인에 의해 생각되는 정보를 개시하기 위해 제공된다. 전술한 어떠한 정보도 본 발명에 대한 종래 기술을 구성하는 것으로 반드시 인정할 의도도 없고 그렇게 해석되지도 않아야 한다.
<발명의 요약>
본 발명의 목적은 조명 디바이스 패키지를 제공하는 데 있다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 조명 디바이스 패키지로서, 기판에 동작적으로 결합되는 하나 이상의 발광 소자; 상기 하나 이상의 발광 소자에 대면하는 표면을 갖는 복합 렌즈-상기 복합 렌즈는 적어도 내부 렌즈 소자 및 외부 렌즈 소자를 포함하고, 상기 내부 렌즈 소자는 제1 굴절률을 갖고, 상기 외부 렌즈 소자는 제2 굴절률을 가지며, 상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 크고, 상기 복합 렌즈, 상기 하나 이상의 발광 소자 및 상기 기판은 그들 사이에 둘러싸인 공간을 정의함-; 및 상기 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 제1 굴절률 이상의 제3 굴절률을 갖는 캡슐 재료를 포함하는 조명 디바이스 패키지가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 조명 디바이스 패키지로서, 기판에 동작적으로 결합되는 하나 이상의 발광 소자; 상기 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광과 상호작용하도록 배치되는 복합 렌즈-상기 복합 렌즈는 적어도 내부 렌즈 소자 및 외부 렌즈 소자를 포함하고, 상기 내부 렌즈 소자는 제1 굴절률을 갖고, 상기 외부 렌즈 소자는 제2 굴절률을 가지며, 상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 크고, 상기 복합 렌즈, 상기 하나 이상의 발광 소자 및 상기 기판은 그들 사이에 둘러싸인 공간을 정의함-; 및 상기 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 제1 굴절률 이상의 제3 굴절률을 갖는 캡슐 재료를 포함하는 조명 디바이스 패키지가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 디바이스 패키지의 단면을 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 디바이스 패키지의 단면을 개략적으로 나타내는 도면.
정의들
"발광 소자(LEE)"라는 용어는 양단에 전위차가 인가되거나 전류를 통과시킴으로써 구동될 때 전자기 스펙트럼의 일 파장 영역 또는 파장 영역들의 조합, 예를 들어 가시 영역, 적외선 또는 자외선 영역의 방사선을 방출하는 디바이스를 정의하는 데 사용된다. 따라서, 발광 소자는 단색, 준 단색, 다색 또는 광대역 스펙트럼 방출 특성들을 가질 수 있다. 발광 소자들의 예는 반도체, 유기 또는 중합체/중합 발광 다이오드, 광 펌핑된 인광체 코팅 발광 다이오드, 광 펌핑된 나노 결정 발광 다이오드 또는 이 분야의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같은 다른 유사한 디바이스들을 포함한다. 또한, 발광 소자라는 용어는 방사선을 방출하는 특정 디바이스, 예를 들어 LED 다이를 정의하는 데 사용된다.
본 명세서에서 사용될 때, "약"이라는 용어는 공칭 값으로부터 +/- 10%의 편차를 지칭한다. 이러한 편차는 명확하게 지칭되는지의 여부에 관계없이 본 명세서에 제공되는 임의의 주어지는 값에 항상 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적, 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 분야에서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 발명은 기판에 동작적으로 결합되는 하나 이상의 발광 소자, 및 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광과 직접적으로, 예를 들어 하나 이상의 발광 소자에 대면하는 렌즈의 표면을 통해 또는 간접적으로, 예를 들어 반사기, 확산기, 윈도우 등과 같은 하나 이상의 광학 소자를 통해 상호작용하도록 배치되는 복합 렌즈를 포함하는 조명 디바이스 패키지를 제공한다.
일반적으로, 복합 렌즈는 둘 이상의 렌즈 소자로 구성될 수 있으며, 예를 들어 각각의 소자는 균일하거나 균일하지 않은 두께를 갖는 적절히 두꺼운 렌즈 층일 수 있다. 복합 렌즈의 최외측 렌즈 소자의 굴절률은 통상적으로 최내측 렌즈 소자, 즉 LEE들에 가장 가까운 렌즈 소자의 굴절률보다 작다. 캡슐 재료가 복합 렌즈, 기판 및 하나 이상의 발광 소자 사이에 위치하는 둘러싸인 공간을 채운다. 캡슐 재료는 복합 렌즈의 최내측 렌즈 소자 이상이지만 LEE들의 굴절률보다는 작은 굴절률을 갖도록 선택된다. 일반적으로, 굴절률들은 발광 소자 패키지 내의 LEE들에 의해 방출되는 광의 내부 (전)반사의 변화를 줄이기 위해 발광 소자들로부터의 각각의 컴포넌트의 거리에 따라 감소한다.
본 발명은 기존 패키지 설계 기술들에 비해 감소된 내부 전반사(TIR)를 갖는 조명 디바이스 패키지를 제공할 수 있다. 작은 TIR을 용이하게 하기 위해, 조명 디바이스 패키지는 적절한 굴절률을 제공하는 재료들로 이루어진 다수의 광학 컴포넌트를 구비한다. 광학 컴포넌트들은 조명 디바이스 패키지 내의 광의 전파를 전반적으로 제어하고, 특히 LEE들에 의해 방출되는 광의 전파를 제어하도록 정형되고 배치될 수 있다. 발광 소자 패키지는 하나 이상의 발광 소자, 예를 들어 동작 조건들 하에서 광을 방출하는 LED 다이를 가질 수 있다. 발광 소자들은 상이한 타입들일 수 있으며, 칼라 또는 휘도에서 명목상 다를 수 있는 광을 방출할 수 있다. 본 발명에 따르면, 조명 디바이스 패키지의 구성은 하나 이상의 발광 소자로부터 방출되는 광이 발광 소자 패키지의 외부로 어떻게 안내되는지를 결정한다.
많은 발광 소자, 예를 들어 LED 다이들은 높은 굴절률을 가질 수 있는 복합 재료들로 제조된다. 일 실시예에서, 발광 소자로부터의 광을 발광 소자 패키지 외부의 주변 매체로 효과적으로 안내하는 하나의 방법은 그 굴절률들 간의 비교적 작은 불연속성을 갖는 연속하는 재료들을 통해 광을 연속적으로 전파하는 것이다. 광학 계면에서 인접 재료들의 굴절률들이 가까울수록, 그 계면에서 내부 전반사가 발생할 수 있는 입체각은 더 작다.
조명 디바이스 패키지 내의 광 전파는 발광 소자의 타입에 의해서도, 예를 들어 LED 다이가 기판에 기계적으로, 전기적으로 접속되는 방식에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 발광 소자들은 이 분야에 공지된 바와 같은 다수의 상이한 기술들을 이용하여 배치되고, 동작적으로 접속될 수 있다. 예를 들어, LEE들은 기판의 상부로부터 와이어 본딩되거나, 플립 칩용의 볼 그리드를 이용하여 표면 실장될 수 있다. 또한, 예를 들어 하나의 발광 소자 내에 하나 이상의 LED 다이가 존재할 수 있다.
전술한 바와 같이, 각각의 광학 계면에서의 TIR은 예를 들어 복합 렌즈의 소자들에 걸치는 굴절률 프로파일이 작은 불연속성 또는 작은 기울기에 의해 특성화되는 경우에 감소될 수 있다. 하나 이상의 발광 소자에서 주변 매체에 이르는 전체 광학 경로를 따르는 굴절률 프로파일에도 동일한 고려가 적용된다. 복합 렌즈는 다수의 소자를 가질 수 있으며, 각각의 소자는 상이한 굴절률을 가질 수 있고, 이 굴절률들은 주변 매체의 굴절률에 접근하기 위해 LEE들로부터의 거리에 따라 변할 수 있다. 많은 응용에서, 주변 매체는 예를 들어 공기가 갖는 바와 같은 1.0에 가까운 낮은 굴절률을 갖는다. 주변 매체의 굴절률이 LEE들의 굴절률 또는 굴절률들보다 낮은 경우, 복합 렌즈의 소자들은 LEE들로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하는 굴절률들을 갖도록 설계될 수 있다.
복합 렌즈
복합 렌즈는 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광과 효과적으로 광학적으로 상호작용할 수 있도록 기판에 대해 배치된다. 일 실시예에서, 복합 렌즈는 방출된 광과 직접적으로, 즉 하나 이상의 발광 소자에 대면하는 렌즈의 표면을 통해 상호작용하도록 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 복합 렌즈는 방출된 광과 간접적으로, 즉 하나 이상의 반사기, 확산기, 윈도우 또는 기타 그러한 광학 소자들을 통해 상호작용하도록 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 복합 렌즈는 방출된 광과 직접 및 간접적으로 상호작용하도록 배치될 수 있다.
복합 렌즈는 상이한 굴절률을 갖는 재료들의 둘 이상의 소자로부터 형성될 수 있다. 복합 렌즈의 최외곽 소자의 굴절률은 재료의 하나 이상의 내측 소자의 굴절률보다 통상적으로 작다.
본 발명의 일 실시예에서, 복합 렌즈는 고체, 겔, 액체 재료들, 캡슐 재료들 등 중 하나 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 발광 소자 패키지의 외부면은 반구 형상을 가지며, 복합 렌즈에 의해 정의될 수 있다. 유사한 크기 및 형상을 갖지만 균일한 조성 또는 균일한 광학 특성들을 갖는 모놀리식 광학 소자에 비해, 이러한 복합 렌즈는 둘 이상의 발광 소자를 갖는 조명 디바이스 패키지에 대해 또는 대면적 발광 소자들, 예를 들어 LED 다이들에 대해 보다 양호한 광 추출을 제공할 수 있다. 결과적으로, 향상된 광 추출은 보다 높은 발광 소자 밀도를 갖는 조명 디바이스 패키지들을 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 반구형 렌즈들을 사용하여, 램버트(Lambertian) 방출 패턴을 갖는 광을 방출할 수 있는 조명 디바이스 패키지들을 제조할 수 있다. 조명 디바이스 패키지가 램버트 방출 패턴과 다른 패턴을 갖는 광을 방출할 수 있는 것이 필요한 경우, 구 형상과 다른 광학 계면들을 제공하도록, 복합 렌즈의 광학 컴포넌트가 적절히 정형되거나, 광학 컴포넌트들의 두께 또는 이들 사이의 상대적 거리가 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 복합 렌즈의 내측 소자의 내부면에 충돌하는 광에 대해 근사한 법선 입사각들을 달성하기 위해, 렌즈 공동의 내경은 하나 이상의 발광 소자를 내접시키는 원 영역의 크기의 약 3배 이상일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 반구형 렌즈는 발광 소자들이 내부 반구 렌즈 공동의 구 중심에 가깝게 위치하도록 기판에 대해 배치될 수 있다.
적절한 굴절률들을 갖는 통상적인 렌즈 및 캡슐 재료들은 통상적으로 가시광을 거의 흡수하지 않고 약간의 자외선(UV) 광만을 흡수하는, 예를 들어 PMMA, 폴리카보네이트, 나일론, COC, BK7 유리 및 실리콘 수지를 포함할 수 있다. 이러한 타입의 재료들의 일부는 UV 광에 대한 긴 노출 하의 탈색에 대한 저항 및 적절한 굴절률들의 범위를 제공할 수 있다.
복합 렌즈는 다양한 방식으로, 예를 들어 샷 성형 또는 이 분야의 기술자에게 공지된 바와 같은 기타 적절한 제조 프로세스들에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 둘, 셋 또는 그 이상의 소자 렌즈들이 멀티 샷 성형 프로세스를 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 듀얼 샷 성형을 이용하여, 2 소자 복합 렌즈를 제조할 수 있다. 듀얼 샷 성형을 이용하여, 추가적인 기계 연결 소자들을 제공하는 컴포넌트들을 제공할 수 있다. 연결 소자들은 성형 프로세스 동안 형성될 수 있으며, 복합 렌즈의 두 컴포넌트를 서로 결합함으로써 후속적인 기계적 안정성을 제공할 수 있다. 연결의 타입은 연결 소자들의 형상, 사용되는 재료들의 성질 및 성형 프로세스의 성질에 따라 파괴적 또는 비파괴적 해제 가능 결합일 수 있다.
일반적으로, 샷 성형된 컴포넌트들은 그들의 부품들 또는 서브 컴포넌트들의 형상 복잡도를 증가시키는 순서로 형성된다. 널리 공지된 바와 같이, 예를 들어 성형 재료들 간의 상이한 열 팽창 계수들로 인한 제조 동안의 분리 또는 기타 바람직하지 않은 스트레스 유발 효과들과 같은 인자들이 대안적인 제조 시퀀스들을 결정할 수 있다. 원하는 굴절률을 갖는 부품들을 제공하기 위해, 복합 렌즈는 예를 들어 소정의 실리콘 수지 등과 같은 다양한 등급의 동일 타입의 재료들로부터 제조될 수 있다.
공지된 바와 같이, 복합 광학 컴포넌트들의 제조는 복합 소자들 내부 및 소자들 간의 계면들에서의 함유물들의 바람직하지 않은 타입들 및 양들의 제어를 필요로 한다.
다른 타입의 성형 프로세스들을 이용하여, 복합 컴포넌트들 내로 조립되거나 예를 들어 광학적으로 투명한 접착제들을 이용하여 서로 접착될 수 있는 개별 부품들을 제조할 수 있다는 점에 유의한다. 접착제는 소정의 굴절률을 제공하도록 선택될 수 있다. 접착제의 굴절률은 예를 들어 바로 인접하는 부품들의 굴절률들 사이일 수 있다.
조명 디바이스 패키지들에 적합한 통상적인 복합 렌즈 재료들은 약 1.40 이상의 굴절률을 가질 수 있지만, 다른 굴절률을 갖는 재료들도 사용될 수 있다.
캡슐 재료
캡슐 재료는 하나 이상의 발광 소자와 복합 렌즈 사이의 공간의 전부 또는 일부를 채운다. 본 발명에 따르면, 캡슐 재료는 복합 렌즈의 최내곽 소자의 굴절률 이상이지만 LEE들의 굴절률보다는 작은 굴절률을 갖도록 선택된다. 통상적으로, 캡슐 재료들은 약 1.55의 굴절률을 가질 것이다.
내부 전반사는 예를 들어 계면들에 또는 캡슐 재료 내에 바람직하지 않은 보이드들이 포함될 때 감소할 수 있다. 일 실시예에서, 캡슐 재료는 LEE들의 굴절률과 유사한 굴절률을 가질 수 있다. LEE들의 굴절률보다 약간 낮은 적절한 굴절률을 가진 캡슐 재료들은 광이 LEE와 캡슐 재료 사이의 광학 계면에서 TIR을 겪는 기회를 줄일 수 있다.
일 실시예에서, 캡슐 재료는 상이한 열 팽창 계수들 및 변동하는 열 동작 조건들의 바람직하지 않은 효과들을 완화하기 위해 광학 계면들에서 또는 그 근처에서 열 유도 스트레스의 제어를 도울 수 있는 예를 들어 유동 또는 고탄성 재료들로 제조된다. 유동 캡슐 재료는 대류를 통한 방열을 추가로 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 연성 또는 유동 캡슐 재료 또는 광학 실리콘 수지는 예를 들어 복합 렌즈와 같은 인접하는 고체 광 컴포넌트와 기판과 같은 다른 소자들 사이에 밀봉될 수 있다. 캡슐 재료는 하나 이상의 발광 소자와 직접 열 접촉하거나 접촉하지 않을 수 있다는 점에 유의한다.
통상적인 캡슐 재료들은 예를 들어 소정의 실리콘 수지 및 탄성 중합체 또는 Cl, K, Na 등과 같은 낮은 이온 불순물을 갖는 투명한 겔을 포함한다. 다수의 캡슐 재료가 이 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어 Dow Corning(상표), Nye(상표) 또는 Nusil(상표)과 같은 상표명 하에 이용 가능하다.
기판
하나 이상의 발광 소자가 기판에 동작적으로 결합된다. 기판은 세라믹 보드, 예를 들어 이 분야에 공지된 바와 같은 AlN, 금속 피복 PC 보드, 금속 세라믹 상의 LTCC, 삽입 성형된 리드 프레임 LED들을 위한 부착 패드 등일 수 있다. 공동에 대면하는 기판의 표면, 또는 그의 소정 영역들은 예를 들어 확산 또는 거울 반사 특성을 가질 수 있다. 반사 특성들은 예를 들어 알루미늄 또는 은 코팅들 및 피복된 반사막들로부터 발생할 수 있다.
굴절률 평가
일 실시예에서, 연속하는 재료들 A, B 및 C의 굴절률들 nA, nB 및 nC는 광이 2개의 인접하는 평면 평행 광학 계면들 AB 및 BC를 가로질러 이동할 때 TIR의 기회를 줄이기 위해 nB=√nAnC에 따라 선택될 수 있음을 알 수 있다. TIR을 줄이는 굴절률들의 조합은 비평면 또는 비평행 인접 광학 계면들에 대해 상이한 공식에 의해 좌우될 수 있다. 예를 들어, 이상적인 평면 평행 광학 계면에 대해 A 및 C의 굴절률에 기초하여 매체 B에 대해 얻어지는 굴절률은 비평면 또는 비평행 계면들에 대해서도 타당한 매체 B의 굴절률에 대한 추정치를 제공할 수 있다.
복합 렌즈 및 LEE로부터의 주변 재료들의 굴절률들에 기초하여 캡슐 재료의 굴절률을 결정하는 다른 이론적 또는 실험적인 방법들이 이 분야의 기술자에 의해 쉽게 이해될 것이다. 조명 디바이스 패키지의 컴포넌트들의 굴절률 및 다른 파라미터들은 예를 들어 스펙트럼 및 공간 방사선 분포들을 포함할 수 있는 하나 이상의 광학 특성을 최적화하도록 선택될 수 있다.
코팅
본 발명의 일 실시예에서, 조명 디바이스 패키지들 내의 반사들은 조명 디바이스 패키지의 소정 컴포넌트들의 소정 표면들 상의 얇은 반사 방지 코팅들을 이용함으로써 더 감소될 수 있다. 이러한 코팅들은 상이한 광학 특성들을 갖는 재료의 다수 층 또는 막을 포함할 수 있다. 각각의 추가적인 코팅은 다른 광학 계면을 형성하며, 그 계면에서 그리고 조명 디바이스 패키지 전체에서의 광 투과 특성들을 개선하도록 조절될 수 있다. 통상적으로, 바람직하지 않은 반사들을 억제할 수 있는 코팅들은 균일한 두께에 의해 특성화된다. 두께는 유틸리티 광의 파장보다 작지만 그와 유사할 수 있다. 각각의 막들은 적절한 굴절률들을 가질 수 있다. 예를 들어, 복합 렌즈의 외부면은 최외곽 층을 형성하는 재료보다는 작지만 주변 대기보다는 큰 굴절률을 갖는 재료의 얇은 층으로 코팅될 수 있다. 통상적으로, 코팅 재료들은 높은 투과성, 탈색에 대한 저항 및 코팅된 컴포넌트에 대한 적절한 접착성을 필요로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, LEE들, 예를 들어 LED 다이들은 코팅을 둘러싸는 매체의 굴절률과 발광 소자들의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 반사 방지, 예를 들어 컨포멀 코팅(conformal coating)으로 코팅될 수 있다. 마찬가지로, 코팅 재료는 특히 가시광에 대한 양호한 투과성, 탈색에 대한 저항 및 발광 소자에 대한 양호한 접착성을 갖는다.
반사 방지 코팅들은 상이한 재료의 하나 이상의 층을 포함하거나, 널리 알려진 바와 같이 미시적으로 패터닝될 수 있다. 더욱이, 많은 코팅들은 예를 들어 소정의 파장 또는 편광은 물론 소정의 입사각의 광에 대해 최적의 유틸리티를 제공하도록 설계될 수 있다. 그러나, 적절히 설계된 다층 막들은 광범위한 입사각에서 높은 투과도를 제공할 수 있다는 점에 유의한다.
이제, 본 발명은 특정 예들과 관련하여 설명된다. 아래의 예들은 본 발명의 실시예들을 설명하고자 하는 것을 의도하며, 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하고자 하는 의도는 없다.
예들
예 1
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지(100)의 단면을 개략적으로 나타낸다. LED 패키지는 반구형 내부면 및 외부면은 물론 2개 층(132, 134) 사이의 반구형 계면과 함께 공동(120)을 정의하는 2층 렌즈(110)를 포함한다. 내부면 및 외부면은 물론 2개 층 계면은 다른 형상들을 가질 수 있으며, 내부면 및 외부면의 형상은 상이한 실시예들에서 상이할 수 있는 것으로 이해된다.
LED 다이들(190, 191)은 기판(140) 상에 배치되고, 공동에 대면한다. 상이한 수의 LED 다이들이 패키지 내에 배치될 수 있다는 점에 유의한다. 공동(120)은 캡슐 재료로 채워질 수 있다. 기판(140)은 세라믹 보드, 예를 들어 이 분야에 공지된 바와 같은 AlN, FR4 또는 다른 인쇄 회로(PC) 보드, 금속 피복 PC 보드, 금속 세라믹 상의 LTCC 또는 삽입 성형된 리드 프레임 LED들을 위한 부착 패드 등일 수 있다. 공동에 대면하는 기판(140)의 표면, 또는 다이들(190, 191)에 인접하는 기판의 소정 영역은 예를 들어 확산 또는 거울 반사 특성을 가질 수 있다. 반사 특성들은 예를 들어 알루미늄 또는 은 코팅들로부터 발생할 수 있다.
렌즈(110)는 상이한 굴절률들을 제공하는 재료들의 2개 층을 포함한다. 예를 들어, 렌즈의 외부 층(134)은 내부 층(132)보다 낮은 굴절률을 갖도록 제조될 수 있다. 내부 층(132)은 내부 반구형 렌즈 공동을 형성한다. 렌즈는 패키지의 전체 크기에 대해 적절한 벽 두께, 예를 들어 층당 약 0.2 mm 내지 약 1 mm의 두께를 가질 수 있다. 렌즈의 내부면에 충돌하는 광에 대해 근사적인 법선 입사각들을 달성하는 것을 돕기 위해, 반구형 렌즈 공동의 내경은 LED 다이들을 내접시키는 원 영역의 크기의 약 3배 이상일 수 있으며, LED 다이들은 내부 반구형 렌즈 공동의 구 중심에 가까이 배치되어야 한다. 전술한 바와 같이, 연속하는 재료들 A, B 및 C의 굴절률들 nA, nB 및 nC는 광이 2개의 인접하는 평면 평행 광학 계면들 AB 및 BC를 가로질러 이동할 때 TIR의 기회를 줄이기 위해 nB=√nAnC에 따라 선택될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 렌즈 층(134)의 굴절률이 약 1.40이고, 캡슐 재료(120)의 굴절률이 약 1.55일 경우, 렌즈 층(132)에 대한 재료는 약 1.47(=√1.40·1.55)의 굴절률을 제공해야 한다.
2층 렌즈들은 멀티 샷 성형 프로세스로 제조될 수 있다. 예를 들어, 듀얼 샷 성형을 이용하여, 2층 복합 렌즈들을 제조할 수 있다. 듀얼 샷 성형을 이용하여, 추가적인 연결 소자들을 제공하는 컴포넌트들을 제조할 수 있다. 도 1은 연결 소자들(150)을 갖는 2층 렌즈의 일례를 도시한다. 연결 소자들은 성형 프로세스 동안 형성될 수 있으며, 2개의 컴포넌트를 서로에 대해 결합함으로써 후속적인 기계적 안정성을 제공할 수 있다. 연결의 타입은 연결 소자들의 형상, 사용되는 재료들의 성질 및 성형 프로세스의 성질에 따라 파괴적 또는 비파괴적 해제 가능 결합일 수 있다. 일반적으로, 샷 성형된 컴포넌트들은 그들의 부품들 또는 서브 컴포넌트들의 형상 복잡도를 증가시키는 순서로 형성된다. 예를 들어, 렌즈 층(132)을 성형한 후에 제2 성형 샷에서 렌즈 층(134)을 배치하는 것이 더 쉬울 수 있다.
예 2
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 LED 패키지(200)의 단면을 개략적으로 나타낸다. 이 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 유사하지만, 외부 렌즈 층(234)에 의해 커버되는 고체 반구형 내부 렌즈 소자(232)를 갖는 복합 렌즈(210)를 포함한다. 외부 렌즈 층(234)은 연결 소자들(250)에 의해 고체 반구형 내부 렌즈 소자(232)에 부착된다.
복합 렌즈 아래에 LED 다이들(290, 291)을 수용하기 위하여, 이들은 기판(240) 내의 리세스(220) 내에 배치된다. 리세스는 복합 렌즈(210)와 기판(240) 사이에 공동을 정의한다. LED 다이들에 인접하는 고체 반구형 렌즈 소자의 표면은 본질적으로 편평하지만, 공동으로부터 렌즈 소자로의 광 투과를 개선하도록 텍스처화되거나 구성될 수 있다. 공동은 적절한 굴절률을 갖는 캡슐로 채워질 수 있다.
이 실시예에서는, 캡슐 재료-렌즈 광학 계면의 상이한 형상 및 구조로 인해, 전술한 실시예에 비해 굴절률에 대한 상이한 고려가 적용된다. 예를 들어, 캡슐 재료는 약 1.55의 굴절률을 가질 수 있고, 고체 반구형 내부 렌즈 소자는 약 1.55의 굴절률을 가질 수 있다. LED 다이의 방출 특성에 따라, 고체 반구형 내부 렌즈 소자 및 LED 패키지(200)의 캡슐 재료의 굴절률들의 부적절한 선택은 바람직하지 않은 TIR을 유발할 수 있다는 점에 유의한다. LED 패키지(200)의 전체적인 광 추출 효율은 예를 들어 캡슐 재료 및 고체 반구형 내부 렌즈 소자가 동일한 굴절률들을 제공하는 경우에 향상될 수 있다.
일 실시예에서, 원하는 방사 패턴들, 예를 들어 배트윙(batwing) 방출 패턴의 형성은 적절히 정형된 반사기 소자들(도시되지 않음) 근처에 하나 이상의 LED 다이를 배치함으로써 용이해질 수 있다. 예를 들어, 도 2의 리세스 또는 도 1의 공동에 대면하는 기판의 표면은 반사기 소자를 형성하기 위해 고반사 재료로 코팅되거나, 추가 반사 소자가 공동 내에 배치될 수 있다. 반사기 소자들로서 작용할 수 있는 다수의 전술한 컴포넌트들 또는 다른 추가적인 컴포넌트들이 LED 패키지 내에 사용될 수 있다. 반사기 소자들은 적절히 코팅 또는 정형된 컴포넌트들, 예를 들어 금속 열 확산기 내의, 기판 내의 또는 리드 프레임 내의 공동들로부터 형성될 수 있다. 대안으로, 반사기 소자들은 또한 많은 양의 광의 내부 전반사를 유발할 수 있는 시퀀스들에서 굴절률들을 제공하는 재료들을 이용하여 달성될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예들은 예들이며 다양한 방식으로 변경될 수 있다는 것은 명백하다. 그러한 현재 또는 미래의 변형들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나는 것으로 간주되지 않아야 하며, 이 분야의 기술자에게 자명한 그러한 모든 변형들은 아래의 청구항들의 범위 내에 포함되는 것을 의도한다.

Claims (21)

  1. 조명 디바이스 패키지로서,
    a) 기판에 동작적으로 결합되는 하나 이상의 발광 소자;
    b) 상기 하나 이상의 발광 소자에 대면하는 표면을 갖는 복합 렌즈-상기 복합 렌즈는 적어도 내부 렌즈 소자 및 외부 렌즈 소자를 포함하고, 상기 내부 렌즈 소자는 제1 굴절률을 갖고, 상기 외부 렌즈 소자는 제2 굴절률을 가지며, 상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 크고, 상기 복합 렌즈, 상기 하나 이상의 발광 소자 및 상기 기판은 그들 사이에 둘러싸인 공간을 정의함-; 및
    c) 상기 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 제1 굴절률 이상의 제3 굴절률을 갖는 캡슐 재료
    를 포함하는 조명 디바이스 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광 소자들은 상기 제3 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 조명 디바이스 패키지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 내부 렌즈 소자는 상기 외부 렌즈 소자와 결합하기 위한 연결 소자들을 포함하는 조명 디바이스 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 외부 렌즈 소자는 상기 내부 렌즈 소자와 결합하기 위 한 연결 소자들을 포함하는 조명 디바이스 패키지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판은 적어도 상기 발광 소자들의 근처에서 반사하는, 상기 발광 소자들 측의 표면을 구비하는 조명 디바이스 패키지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기판은 상기 발광 소자들 측에 적어도 상기 발광 소자들의 근처에 배치되는 반사 코팅을 구비하는 조명 디바이스 패키지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복합 렌즈는 적어도 부분적으로 구 형상인 조명 디바이스 패키지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복합 렌즈는 상기 발광 소자들로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하는 굴절률들을 갖는 복수의 소자를 포함하는 조명 디바이스 패키지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 소자는 불연속 감소하는 굴절률들을 갖는 조명 디바이스 패키지.
  10. 제8항에 있어서, 상기 복수의 소자는 연속 감소하는 굴절률들을 갖는 조명 디바이스 패키지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복합 렌즈는 샷 성형(shot moulding)에 의해 제조되는 조명 디바이스 패키지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 복합 렌즈는 멀티 샷 성형에 의해 제조되는 조명 디바이스 패키지.
  13. 제1항에 있어서, 상기 내부 렌즈 소자의 표면은 상기 발광 소자들을 갖는 상기 기판의 일측과 평면을 이루는 조명 디바이스 패키지.
  14. 제1항에 있어서, 상기 외부 렌즈 소자의 표면은 상기 발광 소자들을 갖는 상기 기판의 일측과 평면을 이루는 조명 디바이스 패키지.
  15. 제1항에 있어서, 상기 복합 렌즈의 표면은 상기 발광 소자들을 갖는 상기 기판의 일측과 평면을 이루는 조명 디바이스 패키지.
  16. 제1항에 있어서, 상기 발광 소자들은 상기 기판의 리세스(recess) 내에 배치되는 조명 디바이스 패키지.
  17. 제1항에 있어서, 상기 캡슐 재료와 상기 내부 렌즈 소자의 계면은 실질적으로 편평하고, 상기 제3 굴절률은 상기 제1 굴절률과 거의 동일한 조명 디바이스 패 키지.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제3 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 큰 조명 디바이스 패키지.
  19. 조명 디바이스 패키지로서,
    a) 기판에 동작적으로 결합되는 하나 이상의 발광 소자;
    b) 상기 하나 이상의 발광 소자에 의해 방출되는 광과 상호작용하도록 배치되는 복합 렌즈-상기 복합 렌즈는 적어도 내부 렌즈 소자 및 외부 렌즈 소자를 포함하고, 상기 내부 렌즈 소자는 제1 굴절률을 갖고, 상기 외부 렌즈 소자는 제2 굴절률을 가지며, 상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 크고, 상기 복합 렌즈, 상기 하나 이상의 발광 소자 및 상기 기판은 그들 사이에 둘러싸인 공간을 정의함-; 및
    c) 상기 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 제1 굴절률 이상의 제3 굴절률을 갖는 캡슐 재료
    를 포함하는 조명 디바이스 패키지.
  20. 제19항에 있어서, 상기 복합 렌즈는 상기 하나 이상의 발광 소자에 대면하여 상기 복합 렌즈와 상기 발광 소자들에 의해 방출되는 광 사이의 직접적인 상호작용을 제공하는 표면을 포함하는 조명 디바이스 패키지.
  21. 제19항에 있어서, 상기 복합 렌즈는 하나 이상의 광학 소자를 통해 상기 발광 소자들에 의해 방출되는 광과 간접적으로 상호작용하도록 배치되는 조명 디바이스 패키지.
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