KR20110080708A - 비대칭 광 지향각 패턴을 갖는 ｌｅｄ용 렌즈 및 그것을 포함하는 발광장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면 발광다이오드 칩의 상부에 형성되는 LED용 렌즈가 개시된다. 개시된 LED용 렌즈는, 상기 LED 용 렌즈의 장축 단면과 단축 단면의 형상이 서로 상이하며, 상기 LED용 렌즈의 장축 단면은 중심축 선을 기준으로 대칭을 이루는 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부를 포함하며, 상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부는 최상위 면에 각각 제1 플랫부 및 제2 플랫부를 포함하는 볼록렌즈의 형상을 갖고, 상기 중심축에서 서로 면접촉하여 오목부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은, LED용 렌즈에 관한 것으로서, 구체적으로는, 발광다이오드에서 발생한 광의 지향각 패턴이 렌즈의 장축과 단축 방향에서 서로 상이하도록 구성된 비대칭 광 지향각 패턴을 갖는 LED용 렌즈 및 그것을 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 전류 인가에 의해 P-N 반도체 접합(P-N junction)구조에서 전자와 정공이 재결합할 때 전위차에 의해서 빛을 발하는 반도체 발광 장치로서, 이러한 LED는 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 갈륨-비소-인(GaAs1-xPx), 갈륨-알루미늄-비소(Ga1-xAlxAs), 인화인듐(InP), 인듐-갈륨-인(In1-xGaxP)등으로 구성된 화합물 반도체를 재료로 하며 저 휘도, 저 전압, 긴 수명 및 저 가격 특징을 가지고 종래에는 표시용 램프나 숫자와 같은 단순 정보표시에 많이 응용되어 왔으나, 최근에는 산업기술의 발전, 특히 정보표시 기술과 반도체 기술의 발전으로 FPD(Flat Panel Display)분야 및 조명 장치 등 다방면에 걸쳐서 사용되기에 이르렀다. 이와 관련하여, LED는 기존 광원보다 전력효율이 뛰어나고 수명이 몇 배나 긴데다, 유해한 자외선이 없고, 친환경적이라는 장점을 갖고 있어서, LED의 적용범위는 점차 일반조명의 영역으로 확장되고 있는 추세이다.
한편, 통상적으로, 발광다이오드는 LED 칩(또는, 다이)을 포함하는 패키지 구조로 제작되며, 그와 같은 구조의 발광장치는 흔히 'LED 패키지'라 칭해진다.
이하, 도 1 및 2를 참조하여, 종래 기술에 따른 LED 패키지를 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 LED 패키지를 나타낸 단면도이다. 도시한 바와 같이, LED 패키지(100)는 광을 발산하는 LED 칩(120)과 상기 LED 칩(120)에서 출사된 광의 각도를 제어하는 렌즈(140)를 포함한다. 한편, 도시를 생략하였으나, 백색광을 만들기 위해 상기 LED 칩(120) 상에는 형광물질(미도시)이 도포될 수 있다.
도 2는 도 1의 종래 기술에 따른 LED 패키지(100)에서 발산된 광의 지향각을 나타낸 도면이다. 도시한 바와 같이, 상기 종래의 LED 패키지(100)는 반구형으로 생긴 상기 렌즈(140)의 구조상 광이 중심으로 집중되기 때문에 중심 축을 중심으로 광의 세기가 가장 강하며 좌우측으로 이동할수록 광의 세기가 감소하며 대칭적인 지향각 패턴을 갖는다. 그러나, 이러한 LED 패키지를 채용하여 가로등 조명용으로 사용하고자 하는 경우, 가로등 바로 아래 부분만 밝고, 가로등과 가로등 사이의 노면은 매우 어두워지기 때문에 적절하지 않을 수 있다. 즉, 밝고 어두운 구간이 반복적으로 노면에 드리워짐에 따라서 도로운전자가 운전 중 착각을 일으켜 교통사고를 유발하는 요인으로 작용할 수 있고, 인도를 통행하는 보행자들에게도 어두운 구간은 보행상의 불편을 야기할 수 있기 때문이다. 즉, 가로등의 기능을 고려하면 도로변을 따라서 조명 영역이 길게 형성되는 것이 바람직하고, 이러한 종래의 대칭적인 지향각 패턴을 갖는 LED 패키지를 채용하여서는 가로등 자체의 렌즈 모양을 제어하는 등 2차적이고 부수적인 제어가 더 필요해질 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 기술적 과제는, 발광다이오드 칩의 상부에 제공되어, 발광다이오드 칩으로부터 나온 광의 지향각 패턴을 LED용 렌즈의 장축과 단축 방향을 기준으로 비대칭 형상이 되도록 하 는 LED용 렌즈를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는, 비대칭 광 지향각 패턴을 갖는 LED용 렌즈를 포함하는 발광장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 발광다이오드 칩의 상부에 형성되는 LED용 렌즈가 개시된다. 개시된 LED용 렌즈는, 상기 LED 용 렌즈의 장축 단면과 단축 단면의 형상이 서로 상이하며, 상기 LED용 렌즈의 장축 단면은 중심축 선을 기준으로 대칭을 이루는 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부를 포함하며, 상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부는 최상위 면에 각각 제1 플랫부 및 제2 플랫부를 포함하는 볼록렌즈의 형상을 갖고, 상기 중심축에서 서로 면접촉하여 오목부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 LED용 렌즈는, 상기 LED용 렌즈의 장축 단면의 형상으로 인한 상기 발광 다이오드 칩으로부터의 광의 지향각 패턴이 전체적으로 쌍봉을 갖는 형태인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 LED용 렌즈는, 상기 LED용 렌즈의 단축 단면의 형상으로 인한 상기 발광 다이오드 칩으로부터의 광의 지향각 패턴이 중앙부의 광의 세기가 가장 강하며, 외측으로 이동할수록 광의 세기가 감소하는 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면 발광다이오드 칩의 상부에 형성되는 LED용 렌즈를 포함하는 발광장치가 개시된다. 개시된 발광장치는, 기판; 상기 기판 상부에 실장된 발광 다이오드 칩; 및 상기 발광다이오드 칩의 상부에 형성되는 LED용 렌즈를 포함하는 발광장치로서, 여기서, 상기 LED 용 렌즈의 장축 단면과 단축 단면의 형상은 서로 상이하며, 상기 LED용 렌즈의 장축 단면은 중심축 선을 기준으로 대칭을 이루는 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부를 포함하며, 상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부는 최상위 면에 각각 제1 플랫부 및 제2 플랫부를 포함하는 볼록렌즈의 형상을 갖고, 상기 중심축에서 서로 면접촉하여 오목부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발광 장치는, 상기 발광 다이오드 칩이 상기 LED용 렌즈의 상기 중심축과 상기 기판이 만나는 위치와 그 주변에 배치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발광 장치는, 상기 LED용 렌즈의 장축 단면의 형상으로 인한 상기 발광 다이오드 칩으로부터의 광의 지향각 패턴이 전체적으로 쌍봉을 갖는 형태인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발광 장치는, 상기 LED용 렌즈의 단축 단면의 형상으로 인한 상기 발광 다이오드 칩으로부터의 광의 지향각 패턴이 중앙부의 광의 세기가 가장 강하며, 외측으로 이동할수록 광의 세기가 감소하는 형태인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발광 장치는, 상기 기판이 소정 깊이의 캐비티를 포함하며, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 캐비티 내에 위치하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발광 장치는, 상기 발광 다이오드 칩이 상기 LED용 렌즈의 중심축과 상기 기판이 만나는 위치의 주변에 더 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, LED용 렌즈의 장축 방향에서의 지향각 곡선은 피크 각도가 중심으로부터 좌우측으로 벗어나고, 단축 방향에서의 지향각 곡선은 중심부에 피크가 위치되어, 렌즈의 장축 및 단축 방향으로부터의 지향각 곡선이 비대칭 형상을 이루도록 할 수 있다.
따라서, 이러한 LED용 렌즈를 채용한 발광장치를 가로등 조명용으로 이용하는 경우, 도로변을 따라서 조명영역이 종 방향으로 길게 형성되는 발광장치가 제공될 수 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드 패키지의 단면도.
도 2는 도 1의 종래 기술에 따른 발광 다이오드 패키지에서 발산된 광의 지향각을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 렌즈의 구조를 도시한 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 LED용 렌즈의 상부 방향의 평면도.
도 5는 도 3에 도시된 LED용 렌즈의 장축 방향의 단면도.
도 6은 도 3에 도시된 LED용 렌즈의 단축 방향의 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광장치의 지향각 곡선 그래프.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED용 렌즈의 장축 방향의 단면도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED용 렌즈의 단축 방향의 단면도.
도 2는 도 1의 종래 기술에 따른 발광 다이오드 패키지에서 발산된 광의 지향각을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 렌즈의 구조를 도시한 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 LED용 렌즈의 상부 방향의 평면도.
도 5는 도 3에 도시된 LED용 렌즈의 장축 방향의 단면도.
도 6은 도 3에 도시된 LED용 렌즈의 단축 방향의 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발광장치의 지향각 곡선 그래프.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED용 렌즈의 장축 방향의 단면도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED용 렌즈의 단축 방향의 단면도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예시로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타내고 유사한 참조번호는 대응하는 유사한 구성요소를 나타낸다.
이하, 도 3 및 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 렌즈에 대하여 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 렌즈의 사시도이고, 도 4는 도 3의 LED용 렌즈를 위에서 바라본 상부 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 LED용 렌즈(200)는 제1 렌즈부(210)와 제2 렌즈부(220) 및 서포팅부(230)로 구성될 수 있으며, 제1 렌즈부(210)와 제2 렌즈부(220)는(이하, "렌즈부"라 함) 중심축 Y축을 기준으로 서로 대칭인 형상으로서 반구 형상과 유사한 형상을 취하며 서로 면접촉하여 서포팅부(230)를 제외한 LED용 렌즈(200)의 전체적인 형상의 상부 평면 모양은 도 4와 같이 땅콩 모양과 유사하다. 구체적으로는, 도 4를 참조하면, 본 발명의 LED용 렌즈(200)의 렌즈부는 점선으로 표시된 두 개의 반구형상의 볼록 렌즈가 서로 면접촉을 하고 있는 형상이지만, 원형의 점선으로부터 화살표 방향으로 렌즈의 측면들(340, 340', 440, 440')이 안쪽으로 이동되어 있다. 이렇게 제1 및 제2 렌즈부(210, 220)가 면접촉하여 땅콩 모양의 길쭉한 렌즈부의 형상을 갖게 됨으로써 도 1에 도시된 종래의 LED용 렌즈(140)와는 지향각 패턴이 달라지게 된다. 또한, 측면들(340, 340', 440, 440')이 이동되어 있는 정도를 조절하여, 발광장치가 조명하는 영역의 횡방향의 폭을 조절할 수 있다. 즉, 측면들(340, 340', 440, 440')이 내측으로 많이 이동하여 LED용 렌즈(200)의 두께가 얇아질수록 조명영역의 폭은 좁아질 수 있다.
한편, 서포팅부(230)는 전체적으로 원기둥 형상으로 제조되며, 제1 및 제2 렌즈부(210, 220)가 서포팅부(230)의 상면에 배치되어 있는 구조이다. 다만, 서포팅부(230)는 제1 및 제2 렌즈부(210, 200)가 상면에 배치되고, 후술하는 바와 같이 그 내부에 발광 다이오드 칩을 포함하여 보호하는 구조라면, 삼각기둥, 사각기둥, 오각기둥 등 밑면이 다각형인 다른 기둥형상으로 대체할 수 있다. 여기서, 서포팅부(230)의 바닥면으로부터 상면까지의 높이는 LED 칩(120)의 높이보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
그 밖에, 본 발명에 따른 LED용 렌즈(200)의 렌즈부의 세부구조는 상기 LED용 렌즈(200)를 채용한 LED 패키지에 대한 도면인 도 5 및 도 6을 참조하여 더 설명하기로 한다.
도 5는 도 3에 도시된 LED용 렌즈(200)를 채용한 발광장치(1000)로서, LED용 렌즈(200)의 장축 방향의 단면도 즉, 도 3에서 절단선 AA' 에 따른 단면도이며, 도 6은 도 3에 도시된 LED용 렌즈(200)를 채용한 발광장치(1000)로서, LED용 렌즈의 단축 방향의 단면도 즉, 도 3에서 절단선 BB' 에 따른 단면도이다. 한편, 도 5 및 도 6에는, 본 발명의 특징적인 구성요소만이 도시되어 있으며, 리드프레임, 전기회로 또는 전기 배선 등과 같이 발광장치(1000)의 동작 또는 기타 다른 기능에 이용되지만 본 발명의 사상과 직접적인 관련성이 적은 구성요소들은 도면의 간략화를 위해, 그 도시를 생략하였다.
도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치(1000)는, 하부 기판(240), 상기 기판(240) 상에 실장된 LED 칩(120), 및 LED용 렌즈(200)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하부 기판(240)은 LED 칩(120)을 고밀도로 실장할 수 있는 기판이면 어느 것이나 가능하다. 제한적이지는 않으나, 예를 들어, 이러한 하부 기판으로는 알루미나(alumina), 수정(quartz), 칼슘지르코네이트(calcium zirconate), 감람석(forsterite), SiC, 흑연, 용융실리카(fusedsilica), 뮬라이트(mullite), 근청석(cordierite), 지르코니아(zirconia), 베릴리아(beryllia), 및 질화알루미늄(aluminum nitride), LTCC(low temperature co-fired ceramic) 등을 들 수 있다. 세라믹은 그 위에 금속 도체 배선 패턴을 형성하여 소성공정을 통해 적층형 세라믹 패키지(multi-layer ceramic package; MLP)로 사용이 가능하다. 이러한 패키지로 사용되는 경우 기밀성이 우수하다.
또한, 도시하지는 않았으나, 상기 하부 기판(240)에는 패턴 전극(미도시)이 형성되어 있으며, 패턴 전극(미도시)은 전도성이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함한 금속 물질을 사용하여 제조되고, LED 칩(120)의 양 전극과 음 전극에 대응하며 각 패턴 전극은 서로 분리되어 형성된다.
또한, 상기 LED 칩(120)은 예를들어, 430 내지 480㎚ 파장을 발광하는 청색 발광 다이오드 칩이거나, 350㎚ 내지 410㎚ 파장을 발광하는 UV 발광 다이오드 칩으로서, 실시예에 따라 LED 칩(120)은 다른 컬러 광을 출사하는 LED 칩으로 변경될 수 있으며, 본 발명의 범위가 특정 LED 칩으로 제한되는 것은 아니다.
여기서, 상기 LED 칩(120)은 기판(240) 상면에 장착되며, LED용 렌즈(200)의 중심축 Y축과 기판이 만나는 위치에 실장될 수 있다. 즉, LED용 렌즈(200)의 센터에 배치될 수 있으며, LED용 렌즈(200)는 LED 칩(120)을 포함하는 기판(240)의 상면에 접착제를 이용하여 접합되거나 또는 기타 다른 방식으로 상기 기판(240)의 상면에 결합될 수 있다. 한편, 도면에서는, 한 개의 LED칩(120)이 LED용 렌즈(200)의 내부에 존재하는 것으로 도시되었지만, 복수개의 LED칩을 이용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, LED 칩(120)으로부터 출사된 광을 여기원으로 하여 특정 컬러의 광을 발생시킬 수 있는 형광물질이 LED 칩(120) 상부에 배치될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 즉, 예를들어, 상기 LED 칩(120)이 430㎚ 내지 480㎚ 파장을 발광하는 반도체 성분으로 이루어진 청색 발광 다이오드 칩인 경우, 그 광의 일부를 여기원으로서 황록색 또는 황색을 발광하는 형광체를 배치시켜 LED 칩(120)의 청색 발광과 형광체의 황록색 또는 황색 발광에 의해 백색광을 얻을 수 있다. 또한, 상기 형광물질은 LED 칩(120) 상부에 직접 도포되거나 상기 LED용 렌즈(200)를 구성하는 수지에 포함된 형태로 또는 별개의 형광체 시트의 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 LED용 렌즈(200)는 LED 칩(120)으로부터 출사된 광의 진행 방향을 변경시켜 광지향각을 조절하는 역할을 하며, 예를들어, 실리콘, 에폭시, 글래스 또는 플라스틱과 같은 투광성 재질로 형성된다.
상기 LED용 렌즈(200)의 구조를 살펴보면, 중심축 Y축을 중심으로 서로 대칭 형상인 제1 렌즈부(210) 및 제1 렌즈부(220)를 포함하며, 서포팅부(230)가 상기 제1 및 제2 렌즈부(210, 220)에 대하여 하부에 형성되어 있다. 즉, 상기 제1 렌즈부(210) 및 상기 제1 렌즈부(220)는 서로 면접촉하며, 상기 면접촉된 단면 형상은 도 6에 도시된 바와 같이 렌즈중앙부(510)가 볼록하게 솟아 있는 형상을 갖는다.
다시 도 5를 참조하면, LED용 렌즈(200)의 장축 단면은 Y축을 기준으로 하여, 제1 렌즈부(210)와 제2 렌즈부(220)가 좌우 대칭으로 형성되고, 제1 렌즈부(210)는 제1 경사부(310), 제1 플랫부(320) 및 제1 볼록부(330)를 포함하고, 제2 렌즈부는 제2 경사부(410), 제2 플랫부(420) 및 제2 볼록부(430)를 포함한다. 따라서, 제1 경사부(310)와 제2 경사부(410), 제1 플랫부(320)와 제2 플랫부(420) 및 제1 볼록부(330)와 제2 볼록부(430)는 각각 서로 대칭이며, 길이가 서로 동일하다.
구체적으로는, 제1 플랫부(320)와 제2 플랫부(420)는 각각 제1 렌즈부(210)와 제2 렌즈부(220)의 최상위면으로서 평평한(flat) 영역(도 4참조)이며, 직선구조를 이루고, 제1 경사부(310) 및 제2 경사부(410)는 각각 제1 플랫부(320) 및 제2 플랫부(420)의 일단에 연결되어 있으며, 곡선면으로서 중심축 Y축을 향하여 경사져 있다. 따라서, 제1 경사부(310)와 제2 경사부(410)는 중심축 Y축에서 결합되어 전체적으로는 LED용 렌즈(200)의 중앙부에 오목한 단면 형상을 이룬다. 또한, 제1 볼록부(330)와 제2 볼록부(430)는 각각 제1 플랫부(320) 및 제2 플랫부(420)의 타단에 연결되어 있으며, 곡선면으로서 LED용 렌즈(200)의 외측을 향하여 볼록한 형상을 갖는다. 여기서, 상기 제1 경사부(310)(또는 제2 경사부(410))의 곡률과 제1 볼록부(330)(또는 제2 볼록부(430))의 곡률은 서로 상이할 수도 있고 같을 수도 있다.
LED용 렌즈(200)를 이루는 수지와 공기 사이의 굴절율 차이, 그리고, 제1 및 제2 렌즈부(210, 220) 외면의 경사진 각도에 의해, LED 칩(120)으로부터 출사된 광은 중심축 Y축으로부터 먼 방향으로 굴절되어 출광된다. 도 5에서는 LED 칩(120)으로부터 출광된 광의 경로를 화살표로 간략하게 도시하였다. 또한, LED용 렌즈(200)로부터 출사된 광의 지향각 곡선은 도 7에 도시되었다. LED용 렌즈(200)의 지향각 곡선에 대하여는 후술하기로 한다.
이제, 도 6을 참조하면, 도 6은 도 3에서 BB' 선을 기준으로 절단한 단면이다.
LED용 렌즈(200)의 단축 단면은 렌즈중앙부(510), 상기 렌즈중앙부(510)의 양단에 각각 연결되어 있는 제1 면(520) 및 제2 면(530), 그리고 서포팅부(230)를 포함할 수 있다. 도면에서 알 수 있듯이, LED용 렌즈(200)의 단축 단면은 전체적으로 렌즈중앙부(510)가 볼록한 凸 자 형상이며, 도 5에 도시된 LED용 렌즈(200)의 장축 단면의 형상과는 상이한 형상이다.
도 5에서와 마찬가지로, 도 6에서는 LED 칩(120)으로부터 출광된 광의 경로를 화살표로 간략하게 도시하였으며, 도 5에서와 달리 LED용 렌즈(200)의 제1 및 제2 면(520, 530)에서는 렌즈 중심축 방향을 향해 광이 굴절되어, 전체적으로는 LED 칩(120)의 상부로 다수의 광이 출사됨을 알 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 LED용 렌즈(200)에 의한 발광장치(1000)의 광지향각 패턴에 대하여 설명하기로 한다. 도 7에서 파선은 렌즈의 장축 단면 형상에 의한 지향각 곡선을 나타내고, 실선은 렌즈의 단축 단면 형상에 의한 지향각 곡선을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 상기 LED용 렌즈(200)를 이용할 경우, 그 렌즈의 장축 단면 형상에 의한 지향각 곡선은 렌즈 중앙에서 광 세기가 상대적으로 작아지고 그 렌즈 좌우측 외곽에서는 광 세기가 크게 증가하여, 전체적으로는 알파벳 M 자와 같은 지향각 패턴을 갖는다. 이에 반해, LED용 렌즈(200)의 단축 단면 형상에 의한 지향각 곡선은 렌즈 중앙으로 광이 집중되어 광 세기가 상대적으로 커지고 외곽으로 갈수록 광 세기가 감소함을 알 수 있다.
즉, LED용 렌즈(200)의 장축 단면에 의한 지향각 곡선과 단축 단면에 의한 지향각 곡선은 서로 상이하여, 비대칭 지향각 패턴을 형성한다.
특히, 렌즈(200)의 장축 단면에 의한 지향각 곡선의 경우, 좌우측 피크 각도(peak angle)가 약 50~70도가 되고, 중심 부분의 광의 세기는 피크값 대비 약 40~50%이다. 반면, 렌즈(200)의 단축 단면에 의한 지향각 곡선의 경우, 지향각이 약 70~90도 이다.
따라서, 본 발명에 따른 LED용 렌즈(200)를 채용할 경우, 상기 LED용 렌즈(200)의 장축면을 기준으로 볼 때는 좌우측으로 넓게 광이 발산되므로, 상기 렌즈(200)를 채용한 발광장치(1000)를 가로등 조명용으로 사용할 경우, 상기 발광장치(1000)에서 출사된 광을 이용하여 도로변을 따라서 길게 조명영역을 형성할 수 있게 된다. 또한, 렌즈(200)의 단축면을 기준으로 볼 때는 렌즈 중앙으로 광이 집중됨으로써, 가로등을 기준으로 소정 폭을 갖는 도로를 그 외의 지역 대비 높은 휘도로 조명할 수 있게 된다. 다시 말해, 본 발명에 따른 LED용 렌즈(200)를 채용한 발광장치(1000)는 렌즈의 장축 및 단축 방향에 따라 출사되는 광의 패턴이 상이하여 가로등에 이용할 경우, 도로 사정에 맞게 조명영역을 효율적으로 조명할 수 있는 장점이 있다.
도 8 및 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED용 렌즈(300)를 채용한 발광장치(2000)를 도시한 도면이다. 도 8은 LED용 렌즈(300)의 장축 방향에 따른 단면도이고, 도 9는 LED용 렌즈(300)의 단축 방향에 따른 단면도이다. 다만, 도 8 및 9에는, 본 발명의 특징적인 구성요소만이 도시되어 있으며, 리드프레임, 전기회로 또는 전기 배선 등과 같이 발광장치(2000)의 동작 또는 기타 다른 기능에 이용되지만 본 발명의 사상과 직접적인 관련성이 적은 구성요소들은 도면의 간략화를 위해, 그 도시를 생략하였다. 이하, 도 5 및 6에서와 동일한 부분은 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 8 및 도 9에 도시된 것과 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광장치(2000)는, 하부 기판(240), 상기 기판(240) 상에 실장된 LED 칩(120), 및 LED용 렌즈(200)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하부 기판(240)은 도 5및 도 6에 도시된 발광장치(1000)에서와 달리, 소정의 깊이로 오목하게 함몰되어 있는 캐비티를 포함할 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED용 렌즈(300)는 LED용 렌즈(200)와 달리 서포팅부를 포함하지 않더라도, LED 칩(120)이 상기 캐비티 내부에 실장되어 있으므로, LED 칩(120)이 LED용 렌즈(300)에 의해서 보호될 수 있다.
또한, 상기 LED 칩(120)은 예를들어, 430 내지 480㎚ 파장을 발광하는 청색 발광 다이오드 칩이거나, 350㎚ 내지 410㎚ 파장을 발광하는 UV 발광 다이오드 칩으로서, 실시예에 따라 LED 칩(120)은 다른 컬러 광을 출사하는 LED 칩으로 변경될 수 있으며, 본 발명의 범위가 특정 LED 칩으로 제한되는 것은 아니다.
여기서, 상기 LED 칩(120)은 전술한 바대로 기판(240)에 형성된 캐비티 내부에 장착되며, LED용 렌즈(300)의 중심축 Y축과 기판이 만나는 위치에 실장될 수 있다. 즉, LED용 렌즈(300)의 센터에 배치될 수 있으며, LED용 렌즈(300)는 LED 칩(120)을 포함하는 기판(240)에 접착제를 이용하여 접합되거나 또는 기타 다른 방식으로 상기 기판(240)에 결합될 수 있다. 한편, 도면에서는, 한 개의 LED칩(120)이 LED용 렌즈(300)의 내부에 존재하는 것으로 도시되었지만, 복수개의 LED칩을 이용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, LED 칩(120)으로부터 출사된 광을 여기원으로 하여 특정 컬러의 광을 발생시킬 수 있는 형광물질이 LED 칩(120) 상부에 도포되거나, 상기 LED용 렌즈(300)를 구성하는 수지에 포함된 형광체 형태로 또는 별도의 형광체 시트 형태로 배치될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
또한, 상기 LED용 렌즈(300)는 LED 칩(120)으로부터 출사된 광의 진행 방향을 변경시켜 광지향각을 조절하는 역할을 하며, 예를들어, 실리콘, 에폭시, 글래스 또는 플라스틱과 같은 투광성 재질로 형성된다.
상기 LED용 렌즈(300)의 구조를 살펴보면, 중심축 Y축을 중심으로 서로 대칭 형상인 제1 렌즈부(211) 및 제1 렌즈부(221)를 포함하며, 전술한 바와 같이 별도의 서포팅부는 형성되어 있지 않다. 상기 제1 렌즈부(211) 및 상기 제1 렌즈부(221)는 서로 면접촉하며, 상기 면접촉된 단면 형상은 도 9에 도시된 바와 같이 렌즈중앙부(511)가 볼록하게 솟아 있는 형상을 갖는다.
다시 도 8을 참조하면, LED용 렌즈(300)의 장축 단면은 Y축을 기준으로 하여, 제1 렌즈부(211)와 제2 렌즈부(221)가 좌우 대칭으로 형성되고, 제1 렌즈부(211)는 제1 경사부(311), 제1 플랫부(321) 및 제1 볼록부(331)를 포함하고, 제2 렌즈부는 제2 경사부(411), 제2 플랫부(421) 및 제2 볼록부(431)를 포함한다. 따라서, 제1 경사부(311)와 제2 경사부(411), 제1 플랫부(321)와 제2 플랫부(421) 및 제1 볼록부(331)와 제2 볼록부(431)는 각각 서로 대칭이며, 특히 제1 경사부(311)와 제2 경사부(411) 및 제1 볼록부(331)와 제2 볼록부(431)는 대칭이어서 각각 곡선의 길이는 물론 곡률이 서로 동일하다.
구체적으로는, 제1 플랫부(321)와 제2 플랫부(421)는 각각 제1 렌즈부(211)와 제2 렌즈부(221)의 최상위면으로서 평평한(flat) 영역으로 형성되어 있으며, 직선구조를 이루고, 제1 경사부(311) 및 제2 경사부(411)는 각각 제1 플랫부(321) 및 제2 플랫부(421)의 일단에 연결되어 있으며, 곡선면으로서 중심축 Y축을 향하여 경사져 있다. 따라서, 제1 경사부(311)와 제2 경사부(411)는 중심축 Y축에서 결합되어 전체적으로는 LED용 렌즈(300)의 중앙부에 오목한 단면 형상을 이룬다. 또한, 제1 볼록부(331)와 제2 볼록부(431)는 각각 제1 플랫부(321) 및 제2 플랫부(421)의 타단에 연결되어 있으며, 곡선면으로서 LED용 렌즈(300)의 외측을 향하여 볼록한 형상을 갖는다. 여기서, 상기 제1 경사부(311)(또는 제2 경사부(411))의 곡률과 제1 볼록부(331)(또는 제2 볼록부(431))의 곡률은 서로 상이할 수도 있고 같을 수도 있다.
LED용 렌즈(300)를 이루는 수지와 공기 사이의 굴절율 차이, 그리고, 제1 및 제2 렌즈부(211, 221) 외면의 경사진 각도에 의해, LED 칩(120)으로부터 출사된 광은 중심축 Y축으로부터 먼 방향으로 굴절되어 출광된다.
이제, 도 9를 참조하면, LED용 렌즈(300)의 단축 단면은 렌즈중앙부(511), 상기 렌즈중앙부(511)의 양단에 각각 연결되어 있는 제1 면(521) 및 제2 면(531)을 포함하며, LED용 렌즈(200)와 달리 서포팅부는 포함하지 않는다. LED용 렌즈(300)의 제1 및 제2 면(521, 531)에서는 렌즈 중심축 방향으로 광이 굴절되어, 전체적으로는 LED 칩(120)의 상부로 다수의 광이 출사된다.
따라서, LED용 렌즈(300)에 의한 지향각 패턴은 전술한 LED용 렌즈(200)의 지향각 패턴인 도 7과 같은 형상을 갖는다. 즉, LED용 렌즈(300)를 이용할 경우, 그 렌즈의 장축 단면 형상에 의한 지향각 곡선은 렌즈 중앙에서 광 세기가 상대적으로 작아지고 그 렌즈 좌우측 외곽에서는 광 세기가 크게 증가하여, 전체적으로는 알파벳 M 자와 같은 지향각 패턴을 갖고, 반면, 단축 단면 형상에 의한 지향각 곡선은 렌즈 중앙으로 광이 집중되어 광 세기가 상대적으로 커지고 외곽으로 갈수록 광 세기가 감소하여, 결국, LED용 렌즈(300)의 장축 단면에 의한 지향각 곡선과 단축 단면에 의한 지향각 곡선은 서로 상이하여, 비대칭 지향각 패턴을 형성한다.
특히, 렌즈(300)의 장축 단면에 의한 지향각 곡선의 경우, 좌우측 피크 각도(peak angle)가 약 50~70도가 되고, 중심 부분의 광의 세기는 피크값 대비 약 40~50%이며, 렌즈(300)의 단축 단면에 의한 지향각 곡선의 경우, 지향각이 약 70~90도 이다.
따라서, 본 발명에 따른 LED용 렌즈(300)를 채용한 발광장치(2000)를 가로등 조명용으로 사용할 경우, 상기 발광장치(2000)에서 출사된 광을 이용하여 도로변을 따라서 길게 조명영역을 형성할 수 있게 되고, LED용 렌즈(300)의 단축면을 기준으로 볼 때는 렌즈 중앙으로 광이 집중됨으로써, 가로등을 기준으로 소정 폭을 갖는 도로를 그 외의 지역 대비 높은 휘도로 조명할 수 있게 된다.
본 발명의 LED용 렌즈 및 발광장치는 상기 상술한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 구조를 갖는 제품으로의 응용이 가능하다.
본 발명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
120: LED 칩 200: LED용 렌즈
210: 제1 렌즈부 220: 제2 렌즈부
230: 서포팅부 240: 기판
310: 제1 경사부 320: 제1 플랫부
330: 제1 볼록부 410: 제2 경사부
420: 제2 플랫부 430: 제2 볼록부
210: 제1 렌즈부 220: 제2 렌즈부
230: 서포팅부 240: 기판
310: 제1 경사부 320: 제1 플랫부
330: 제1 볼록부 410: 제2 경사부
420: 제2 플랫부 430: 제2 볼록부
Claims (9)
- 발광 다이오드 칩의 상부에 형성되는 LED용 렌즈에 있어서,
상기 LED 용 렌즈의 장축 단면과 단축 단면의 형상은 서로 상이하며, 상기 LED용 렌즈의 장축 단면은 중심축 선을 기준으로 대칭을 이루는 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부를 포함하며,
상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부는 최상위 면에 각각 제1 플랫부 및 제2 플랫부를 포함하는 볼록렌즈의 형상을 갖고, 상기 중심축에서 서로 면접촉하여 오목부를 형성하는 것을 특징으로 하는 LED용 렌즈. - 청구항 1에 있어서, 상기 LED용 렌즈의 장축 단면의 형상으로 인한 상기 발광 다이오드 칩으로부터의 광의 지향각 패턴은 전체적으로 쌍봉을 갖는 형태인 것을 특징으로 하는 LED용 렌즈.
- 청구항 1에 있어서, 상기 LED용 렌즈의 단축 단면의 형상으로 인한 상기 발광 다이오드 칩으로부터의 광의 지향각 패턴은 중앙부의 광의 세기가 가장 강하며, 외측으로 이동할수록 광의 세기가 감소하는 형태인 것을 특징으로 하는 LED용 렌즈.
- 기판;
상기 기판 상부에 실장된 발광 다이오드 칩; 및
상기 발광다이오드 칩의 상부에 형성되는 LED용 렌즈를 포함하는 발광장치로서,
여기서, 상기 LED 용 렌즈의 장축 단면과 단축 단면의 형상은 서로 상이하며, 상기 LED용 렌즈의 장축 단면은 중심축 선을 기준으로 대칭을 이루는 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부를 포함하며,
상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부는 최상위 면에 각각 제1 플랫부 및 제2 플랫부를 포함하는 볼록렌즈의 형상을 갖고, 상기 중심축에서 서로 면접촉하여 오목부를 형성하는 것을 특징으로 하는 발광장치. - 청구항 4에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 LED용 렌즈의 상기 중심축과 상기 기판이 만나는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 5에 있어서, 상기 LED용 렌즈의 장축 단면의 형상으로 인한 상기 발광 다이오드 칩으로부터의 광의 지향각 패턴은 전체적으로 쌍봉을 갖는 형태인 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 5에 있어서, 상기 LED용 렌즈의 단축 단면의 형상으로 인한 상기 발광 다이오드 칩으로부터의 광의 지향각 패턴은 중앙부의 광의 세기가 가장 강하며, 외측으로 이동할수록 광의 세기가 감소하는 형태인 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 4에 있어서, 상기 기판은 소정 깊이의 캐비티를 포함하며, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 캐비티 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
- 청구항 4에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 LED용 렌즈의 중심축과 상기 기판이 만나는 위치와 그 주변에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
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