KR20120017703A

KR20120017703A - 렌즈 및 그것을 포함하는 발광장치

Info

Publication number: KR20120017703A
Application number: KR1020100080455A
Authority: KR
Inventors: 이상준
Original assignee: 서울반도체 주식회사
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2012-02-29
Also published as: KR101708025B1

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 LED용 렌즈는, 발광 다이오드 칩 상부에 배치되는 제1 렌즈부; 및 상기 제1 렌즈부의 상부에 배치되는 제2 렌즈부를 포함하며,
상기 제1 렌즈부의 상면은 오목 형상이고, 상기 제2 렌즈부의 하면은 볼록 형상을 갖고, 상기 제1 렌즈부와 상기 제2 렌즈부가 결합된 전체 렌즈의 외곽 형상은 반구형상인 것을 특징으로 하며, 이러한 LED용 렌즈를 채용한 발광장치의 경우, 발광 다이오드 칩으로부터 출사된 광이 상기 LED용 렌즈를 투과하면서 지향각이 넓어질 수 있다.

Description

렌즈 및 그것을 포함하는 발광장치{LENS AND LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은, LED용 렌즈 및 발광장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 색수차가 개선된 LED용 렌즈 및 그것을 포함하는 발광장치에 관한 것이다.

발광 다이오드(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, 발광 다이오드는 LED 칩(또는, 다이)을 포함하는 패키지 구조로 제작되며, 그와 같은 구조의 발광장치는 흔히 'LED 패키지'라 칭해진다.

이하, 도 1을 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 볼록한 형상의 렌즈(140)를 포함한다. 또한, 상기 렌즈(140)는 통상 굴절귤이 1.4 내지 1.53 사이의 몰딩용 실리콘의 한 종류를 선택하여 단일 재질로 제조되며, 실리콘 봉지재의 성형은 예를들어, 압축 몰딩(compression molding)을 이용할 수 있다.

한편, 도시를 생략하였으나, 백색광을 만들기 위해 상기 LED 칩(120) 상에는 형광물질(미도시)이 도포될 수 있는데, 컨포멀(conformal) 코팅법, 제팅(jetting)법 등의 방법을 이용하여 형광체층이 형성될 수 있다.

그러나, 상기 형광물질의 도포방법과 관련하여, 제팅법 등 도팅방식을 이용하여 형광체층을 LED 칩의 상면에 형성시키고자 하는 경우는, 칩 위에 도팅된 도팅액으로 인하여, LED 칩(120) 상면이(즉, 형성된 형광체층의 상면이) 수평면이 되지 않고 볼록해질 수 있는데, 도팅액의 볼록한 형상 및 형광체의 불균일한 분포로 인하여, 칩 상면이 평평한 경우에 비해서 LED 칩(120)으로부터 출사된 광이 진행할 때 바깥쪽이 아닌 안쪽으로, 즉 LED 칩(120)의 중심축을 향하여 광이 수렴하는 경향이 있다.

따라서, 광의 지향각이 좁아져서 광 집중도가 커지고, 이로써 색수차가 커지는 문제가 생기며, 이러한 색수차 문제는 상기 렌즈(140)의 볼록 형상으로 인하여 더욱 심각해질 수 있다. 따라서, 이러한 패키지를 조명용 광원 내지 표시장치의 백라이트용 광원으로서 사용하는 경우에는 색수차 증가로 인하여, 옐로우 스팟(yellow spot)이나 옐로우 링(yellow ring) 현상이 발생하고, 표시품질이 열화될 수 있다. 또한, 상기 렌즈(140)의 형상을 반구 형상이 아닌 포물선 형태로 하는 경우는 출사광의 집중도가 더욱 높아져서 색수차는 더욱 심해진다.

따라서, 종래의 반구형 내지 포물선 형태의 LED용 렌즈를 채용하여서는 특히, LED 칩 상에 제팅 방식으로 형광체를 도팅하는 경우, 색수차 현상이 심화될 수 있으므로, 이러한 현상을 제거하기 위해서는 렌즈부의 형상 변경이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, LED용 렌즈의 형상을 변경하여 광지향각을 넓힘으로써 색수차 현상을 개선하는 것이다.

또한, 본 발명은 색수차가 개선된 LED용 렌즈를 포함하는 발광장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, LED용 렌즈는, 발광 다이오드 칩 상부에 배치되는 제1 렌즈부; 및 상기 제1 렌즈부의 상부에 배치되는 제2 렌즈부를 포함하며,

상기 제1 렌즈부의 상면은 오목 형상이고, 상기 제2 렌즈부의 하면은 볼록 형상을 갖고, 상기 제1 렌즈부와 상기 제2 렌즈부가 결합된 전체 렌즈의 외곽 형상은 반구형상인 것을 특징으로 한다.

여기서, 바람직하게는, 상기 제1 렌즈부의 굴절률은 상기 제2 렌즈부의 굴절률보다 크다.

여기서, 바람직하게는, 상기 제1 렌즈부와 일체로 형성되어, 상기 발광 다이오드 칩 상면에 형성된 전극과 전기적으로 연결된 본딩 와이어 및 상기 발광 다이오드 칩을 덮는 칩 보호부를 더 포함한다.

여기서, 바람직하게는, 상기 제2 렌즈부의 하면의 곡률 반지름은 상기 제2 렌즈부의 상면의 곡률 반지름보다 작다.

여기서, 바람직하게는, 상기 LED용 렌즈의 횡단면 형상은 원형이며, 상기 LED용 렌즈의 최상부로부터 상기 제1 렌즈부 하면까지의 거리는 상기 제1 렌즈부의 하면의 반지름의 크기보다 작다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 발광장치는, 기판; 상기 기판 상부에 실장된 발광 다이오드 칩; 및 상기 발광 다이오드 칩의 상부에 형성되는 LED용 렌즈를 포함하고, 여기서, 상기 LED용 렌즈는 발광 다이오드 칩 상부에 배치되는 제1 렌즈부; 및 상기 제1 렌즈부의 상부에 배치되는 제2 렌즈부를 포함하며,

여기서, 바람직하게는, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 LED용 렌즈의 중심축과 상기 기판이 만나는 위치에 배치된다.

여기서, 바람직하게는, 상기 기판은 상기 발광 다이오드 칩에 전원을 공급하기 위한 전극부를 포함하며, 상기 LED용 렌즈는, 상기 제1 렌즈부와 일체로 형성되어, 상기 발광 다이오드 칩 상면에 형성된 전극과 전기적으로 연결된 본딩 와이어, 상기 기판에 형성된 전극부, 및 상기 발광 다이오드 칩을 덮는 칩 보호부를 더 포함한다.

여기서, 바람직하게는, 상기 발광 다이오드 칩 상면에 형성된 형광체층을 더 포함하며, 상기 형광체층의 상면은 볼록하다.

여기서, 바람직하게는, 상기 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부 중 적어도 어느 하나의 내부에는 형광체가 분산된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이종 굴절률 접합 LED용 렌즈를 사용하여 렌즈를 통과한 광의 지향각을 넓히고, 색수차를 개선할 수 있다.

따라서, 이러한 LED용 렌즈를 채용한 발광장치를 표시장치용 백라이트에 적용하는 경우, 색수차로 인한 옐로우 스팟 내지 옐로우 링 현상이 감소될 수 있다.

도 1은 종래의 발광 다이오드 패키지의 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 LED용 렌즈를 갖는 패키지에서 발산된 광의 지향각 곡선 그래프.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 렌즈를 포함하는 발광장치의 투시 정면도.
도 3b는 도 3a의 LED용 렌즈를 포함하는 발광장치의 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치를 간략하게 도시한 도면.
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 LED용 렌즈의 굴절률에 따른 지향각 곡선 그래프.
도 6a 내지 6d는 상이한 볼록렌즈의 곡률을 갖는 LED용 렌즈들을 포함하는 발광장치의 단면도.
도 7a 내지 7d는 도 6a 내지 6d의 각각의 LED용 렌즈에 의해 발산된 광의 지향각을 도시한 그래프.
도 8a 내지 8c는 본 발명에 따른 LED용 렌즈의 렌즈부의 높이에 따른 지향각 곡선 그래프.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED용 렌즈를 포함하는 발광장치의 투시 정면도.

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.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 렌즈(300)를 포함하는 발광장치(1000)의 투시 정면도이고, 도 3b는 도 3a의 LED용 렌즈(300)를 포함하는 발광장치(1000)의 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치를 간략하게 도시한 도면이다. 다만, 도면의 간략화를 위해서, 도 3b 및 도 4에서, LED 칩(400)은 도시를 생략하였다.

도 3a 및 3b 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치(1000)는, 하부 기판(200), 상기 기판(200) 상에 실장된 LED 칩(400) 및 상기 LED 칩(400) 상부에 배치된 LED용 렌즈(300)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 하부 기판(200)은 제한적이지는 않으나, 예를들어, 세라믹 기판일 수 있으며, 상기 LED 칩(400)의 전극(미도시)과 전기적으로 연결되는 패턴 전극(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 패턴 전극은 전도성이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함한 금속 물질을 사용하여 제조되고 서로 분리되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 LED 칩(400)은 예를들어, 430 내지 480㎚ 파장을 발광하는 청색 발광 다이오드 칩이거나, 350㎚ 내지 410㎚ 파장을 발광하는 UV 발광 다이오드 칩으로서, 실시예에 따라 LED 칩(400)은 다른 컬러 광을 출사하는 LED 칩으로 변경될 수 있으며, 본 발명의 범위가 특정 LED 칩으로 제한되는 것은 아니다.

여기서, 상기 LED 칩(400)은 기판(200) 상면에 장착되며, LED용 렌즈(300)의 중심축 Y축과 기판이 만나는 위치에 실장될 수 있다. 즉, LED용 렌즈(300)의 중심부에 배치될 수 있으며, LED용 렌즈(300)는 LED 칩(400)을 포함하는 기판(200)의 상면에 접착제를 이용하여 접합되거나 또는 기타 다른 방식으로 상기 기판(200)의 상면에 결합될 수 있다. 한편, 도 3a에서는, 한 개의 LED칩(400)이 LED용 렌즈(300)의 내부에 존재하는 것으로 도시되었지만, 복수개의 LED칩을 이용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 즉, 복수개의 LED칩들이 LED용 렌즈(300)의 중심부 및 그 주변에 배치될 수 있다.

또한, 도시하지는 않았으나, LED 칩(400)으로부터 출사된 광을 여기원으로 하여 특정 컬러의 광을 발생시킬 수 있는 형광물질이 LED 칩(400) 상부에 배치될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 즉, 예를들어, 상기 LED 칩(400)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(400)의 청색 발광과 형광체의 황록색 또는 황색 발광에 의해 백색광을 얻을 수 있다.

또한, 상기 형광물질은 종래기술에서 살펴본 바와 같이, 컨포멀 코팅법은 물론 제팅법을 이용하여 LED 칩(400) 상부에 직접 도포될 수도 있고, 그밖에 상기 LED용 렌즈(300)를 구성하는 수지에 포함된 형태로 또는 별개의 형광체 시트의 형태로 구성될 수도 있다. 따라서, 본 발명이 특정 형광체 코팅법으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

다만, 본 발명은 제팅법 등 도팅방식을 이용하여 상기 형광물질을 LED 칩(400) 상부에 형성함으로써, LED 칩 상면의 형광체층이 평평하지 않고 볼록한 형상을 취하는 경우 발생할 수 있는 색수차 현상의 개선에 보다 효과적으로 적용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 렌즈(300)는 제1 렌즈부(310), 제2 렌즈부(320) 및 칩 보호부(330)를 포함할 수 있으며, LED 칩(400)으로부터 출사된 광의 진행 방향을 변경시켜 광지향각을 넓히는 역할을 한다.

상기 LED용 렌즈(300)는, 예를들어, 실리콘, 에폭시, 글래스 또는 플라스틱과 같은 투광성 재질을 이용하여, 압축 몰딩에 의해 성형될 수 있다. 이때, 제1 렌즈부(310) 및 제2 렌즈부(320)의 제조시 사용되는 투광성 재질에 형광체를 혼합할 수도 있으며, 제1 렌즈부(310) 내에 분산되는 형광체와 제2 렌즈부(320) 내에 분산되는 형광체의 종류는 동일하거나 서로 상이할 수 있다. 제1 및/또는 제2 렌즈부(310, 320)의 내부에 형광체가 분산되는 경우, LED 칩(400) 상면에는 별도의 형광체층을 코팅하지 않을 수도 있다. 다만, 후술하는 바와 같이, 제1 렌즈부(310)와 제2 렌즈부(320)를 구성하는 1차 실리콘 및 2차 실리콘의 굴절률은 서로 상이하며, 바람직하게는, 제1 렌즈부(310)를 구성하는 1차 실리콘의 굴절률이 더 크고, 칩 보호부(330)는 제1 렌즈부(310)를 구성하는 물질과 동일한 물질로 형성될 수 있다.

구체적으로, LED용 렌즈(300)의 제조과정을 살펴보면, 예를들어, LED 칩(400)이 실장된 기판(200) 상에 1차 실리콘을 압축 몰딩(compression molding)하여 성형하고 가경화 또는 완전 경화하여 제1 렌즈부(310)를 형성한 후, 다음으로, 상기 제1 렌즈부(310) 위에 볼록한 모양으로 2차 실리콘을 압축 몰딩하여 성형하고 가경화 후 완전 경화하여 제2 렌즈부(320)를 형성할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 렌즈부(310)만을 압축 몰딩으로 형성하고 제2 렌즈부(320)는 트랜스퍼 몰딩 등 다른 공지의 렌즈 성형방법을 이용하여 제조한 후 결합하거나, 아니면 제1 렌즈부(310) 및 제2 렌즈부(320) 각각을 따로 제조하여 투명한 접착제 등을 이용하여 접합시킬 수도 있다.

또한, 칩 보호부(330)는 압축 몰딩시 제1 렌즈부(310)와 일체로 형성될 수 있으며, 또는 이와 달리, 별도로 제조된 후 제1 렌즈부(310)에 부착될 수 있다. 칩 보호부(330)의 구성에 대하여는 후술하기로 한다.

상기 LED용 렌즈(300)는 구조적으로 전술한 바와 같이 이종 굴절률 수지의 접합 구조로서, 서로 굴절률이 상이한, LED 칩(400) 상부에 놓인 제1 렌즈부(310)와 상기 제1 렌즈부(310)의 상부에 놓인 제2 렌즈부(320)(이하, 제1 렌즈부(310)와 제2 렌즈부(320)를 통틀어 "렌즈부"라 함)를 포함함으로써, 광 지향각을 넓힐 수 있으며, 제1 렌즈부(310)와 제2 렌즈부(320)는 각각 중심축 Y축을 기준으로 방사상 대칭인 형상으로서 서로 면접촉하여 렌즈부 전체의 형상은 반구형상과 유사하게 형성될 수 있다. 따라서, 상기 LED용 렌즈(300)의 횡단면의 형상은 원형이며, LED 칩(400)으로부터의 거리가 증가할수록, 즉 최상부로 향할수록 상기 횡단면인 원의 반지름은 작아진다.

여기서, 제1 렌즈부(310)는 하면이 평평하고 상면이 오목한 오목 렌즈의 형상을 가질 수 있고, 제2 렌즈부(320)는 상면과 하면이 모두 볼록한 볼록 렌즈의 형상을 가질 수 있다.

구체적으로, 제1 렌즈부(310)의 하면은 칩 보호부(300)와 접하며 평평하게 구성되고, 제1 렌즈부(310)의 상면은 제2 렌즈부(320)와 면접촉하며 오목한 구조로 될 수 있고 오목부의 곡률 반지름은 R이다(도 4 참조). 한편, 실시예에 따라서는 제1 렌즈부(310)의 측면은 직선부(311)와 곡선부(312)의 조합으로 이루어질 수 있다. 여기서, 직선부(311)의 형성에 의해 지향각 패턴에 영향을 미칠 수 있으며, 구체적으로는, 지향각 곡선이 중앙부에서만 피크 값을 갖는, 즉 주변부에서는 피크 값을 갖지 않고 중앙부에서 단 하나의 봉우리만 갖는 형태로 지향각 패턴이 제어될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 렌즈부(310)의 측면은 곡선부(312)만으로 형성될 수도 있다.

한편, 제2 렌즈부(320)의 하면은 제1 렌즈부(310)의 오목부에 대응하는 볼록부로서 이에 면접촉하고, 제2 렌즈부(320)의 상면은 전체 LED용 렌즈(300)의 상면을 형성하며, 전체적으로 제2 렌즈부(320)의 종단면 형상은 상하 두 개의 원호가 서로 만나는 형상을 취하고, 그 횡단면의 형상은 원형이다.

여기서, 제2 렌즈부(320)의 상면과 하면의 곡률은 서로 동일하지 않을 수 있다. 즉, 제2 렌즈부(320)의 하면은 제1 렌즈부(310)의 오목부와 면접촉하며 이에 대응되는 형상을 취하므로, 상기 하면의 곡률은 제1 렌즈부(310)의 오목부의 곡률(R)과 동일하지만, 제2 렌즈부(320)의 상면은 제1 렌즈부(310)의 측면 곡선부(312)와 조합되어 전체적으로 LED용 렌즈(300)의 반구형상의 외곽 둘레를 형성하게 되므로, 제2 렌즈부(320)의 상면의 곡률은 제1 렌즈부(310)의 곡선부(312)의 곡률과 동일할 수 있다. 제2 렌즈부(320)의 하면 곡률과 지향각의 관계는 후술한다.

또한, LED용 렌즈(300)의 칩 보호부(330)는 전술한 바와 같이, 예를들어, 제1 렌즈부(310)를 압축 몰딩으로 형성할 때 그와 일체로 형성될 수 있으며, LED 칩(400)이 실장된 기판(200)의 상면을 덮어, LED 칩(400)은 물론, LED 칩(400)의 상부에 형성된 전극과 전기적으로 연결된 본딩 와이어(미도시), 및 상기 LED 칩(400)에 전원을 공급하기 위하여 기판(200) 상면에 형성된 전극부(미도시)를 커버함으로써, 이들이 공기 중으로 노출되지 않도록 하고 외부 충격이나 습기로부터 보호할 수 있다. 또한, 칩 보호부(330)의 바닥면으로부터 상면까지의 높이는 LED 칩(400)의 높이보다 크거나 같은 것이 바람직하다.

제1 렌즈부(310)와 제2 렌즈부(320)는 구조적인 차이 외에도, 그 구성 물질들간 굴절률이 차이가 나는데, 이하, 도 5a 내지 5c를 참조하여, 제1 및 제2 렌즈부(310, 320)의 굴절률과 LED 용 렌즈(300)를 투과한 광의 지향각 사이의 관계를 살펴보기로 한다.

도 5a 내지 5c는 제1 렌즈부(310)를 형성하는데 사용되는 실리콘의 굴절률(n1)과 제2 렌즈부(320)를 형성하는데 사용되는 실리콘의 굴절률(n2)의 크기에 따른 광 지향각을 나타낸 그래프이며, 구체적으로 도 5a는 n1> n2인 경우, 도 5b는 n1=n2 인 경우, 도 5c는 n1<n2인 경우의 광 지향각을 나타낸다.

예를들어, 도 5a는 n1=1.51, n2=1.41인 경우로서, 지향각은 약 130도이고, 도 5b는 n1=n2=1.51인 경우로서, 지향각은 약 120도이다. 도 5c는 n1=1.41, n2=1.51인 경우로서 지향각은 약 70도이고, 이는 제1 렌즈부(310)에서 나온 광이 제2 렌즈부(320)에 입사되면, 중심축 Y축 쪽으로 즉, 안쪽으로 굴절되어, LED용 렌즈(300)를 투과한 광의 지향각이 좁아지게 되므로, 도 5a 내지 5c의 세 개의 그래프 중에서 지향각이 가장 작다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 렌즈(300)는 제1 렌즈부(310)의 굴절률을 제2 렌즈부(320)의 굴절률보다 크게 하여, LED 칩(400)으로부터 출사된 광이 중심축 Y축으로부터 멀어지는 방향, 즉 바깥쪽으로 굴절되도록 함으로써, 지향각을 넓힐 수 있고, 이렇게 함으로써 패키지의 중앙부와 주변부로부터 출사된 광들이 보다 잘 혼합되어, 옐로우 스팟 내지 옐로우 링 현상 등, 색수차 문제를 해결할 수 있다.

이하, 도 4 내지 7을 참조하여, 제2 렌즈부(320)의 하면 볼록부의 곡률 (내지 곡률 반지름)의 크기와 지향각의 관계를 살펴 보기로 한다. 다만, 전술한 바와 같이, 제1 렌즈부(310)와 제2 렌즈부(320)는 서로 면접촉하므로, 상기 제2 렌즈부(320)의 하면 볼록부의 곡률은 제1 렌즈부(310)의 오목부의 곡률과 동일하다.

다시 도 4를 참조하면, 제2 렌즈부의 폭 내지 직경(L)은 제1 렌즈부(310)와 접촉하는 제2 렌즈부(320)의 양 말단부들 간의 거리(즉, 도 4에서 접점 AA' 사이의 거리이며, 접점 AA'를 포함하는 제2 렌즈부(320)의 횡단면인 원의 지름 내지 폭)를 나타내며, 제2 렌즈부(320)의 하면 볼록부의 곡률 반지름(R)은 제1 렌즈부(310)의 오목부의 원호를 연장하여 형성되는 가상의 원의 반지름(도 4의 원 C)과 같다. 한편, 제2 렌즈부(320)의 상면 볼록부의 곡률 반지름은 설명의 편의상, 상기 곡률 반지름(R)과 구별되도록 하기 위하여 "R1" 이라고 하기로 한다. 여기서, 곡률 반지름(R1)은 제2 렌즈부(320)의 상면의 원호를 연장하여 형성되는 가상의 원 C1의 반지름을 의미한다.

도 6a 내지 6d는 곡률 반지름(R1)을 일정하게 하고, 서로 다른 곡률 반지름(R)을 갖는 LED용 렌즈(300)들을 포함하는 발광장치의 단면도를 도시한 도면이고, 도 7a 내지 7d는 도 6a 내지 6d의 각각의 LED용 렌즈에 의해 발산된 광의 지향각을 도시한 그래프이다.

여기서, 도 7a 내지 7d는 제2 렌즈부(320)의 직경(L)이 약 2mm, 제1 렌즈부(310)의 굴절률이 약 1.51, 제2 렌즈부(320)의 굴절률이 약 1.41로서 n1>n2이고, 제2 렌즈부(320)의 상면 볼록부의 곡률 반지름(R1)이 약 1.45인 경우, 각각의 곡률 반지름(R)의 크기변화에 따른 지향각 그래프를 나타낸 것이다.

구체적으로, 도 7a는 곡률 반지름(R)=1.0인 경우로서, 지향각은 약 140이고, 도 7b는 곡률 반지름(R)=1.45인 경우로서, 지향각은 약 130이고, 도 7c는 곡률 반지름(R)=1.8인 경우로서, 지향각은 약 130이며, 도 7d는 곡률 반지름(R)=10.0인 경루로서, 지향각은 약 125도이다.

즉, 곡률 반지름(R)의 크기가 작아질수록(즉, 곡률이 커질수록) 지향각이 대체적으로 증가됨을 알 수 있으며, 바람직하게는, 제2 렌즈부(320)의 하면의 곡률 반지름(R)이 제2 렌즈부(320)의 상면의 곡률 반지름(R1)보다 작다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라, 곡률 반지름(R)의 크기가 작아지는 경우로서, 바람직하게는 곡률 반지름(R)이 곡률 반지름(R1)보다 작게 형성되는 경우는 지향각이 증가되고, 이로써, 색수차 문제가 개선되는 효과가 있다.

한편, 도 7a 내지 7d에서는 제2 렌즈부(320)의 직경(L)이 약 2mm 인 경우를 예로 들었으나, 상기 발광장치로부터 출사되는 광의 지향각은 상기 제2 렌즈부(320)의 직경(L)을 증가시킴으로써 더 증가될 수 있다.

이하, 도 8a 내지 8c를 참조하여, LED용 렌즈(300)의 렌즈부의 높이(H)에 따른 광 지향각의 변화를 살펴보기로 한다. 여기서, 높이(H)는 LED용 렌즈(300) 전체의 높이가 아닌 칩 보호부(300)의 높이를 제외한 높이로서, LED용 렌즈(300)의 최상부로부터 제1 렌즈부(310)의 하면까지의 거리와 같다.

도 8a 내지 8c는 LED용 렌즈(300)의 렌즈부의 높이(H)에 따른 광 지향각 그래프들을 도시하며, 예를들어, 제1 렌즈부(310)의 하면의 지름이 약 2.9mm이고, 칩 보호부(330)의 높이가 약 1.15mm인 경우의 지향각 그래프들이다.

구체적으로, 도 8a는 렌즈부의 높이(H)=약 1.45mm 인 경우로서, 높이(H)가 제1 렌즈부(310)의 하면의 반지름 크기(즉, 2.9/2=1.45)와 동일한 경우에 해당하며, 지향각은 약 120도이다. 또한, 도 8b는 렌즈부의 높이(H)=약 1.2mm 인 경우로서, 높이(H)가 제1 렌즈부(310)의 하면의 반지름의 크기보다 작은 경우에 해당하며, 지향각은 약 130도이다. 또한, 도 8c는 렌즈부의 높이(H)=약 0.9mm 인 경우로서, 도 8b의 경우와 같이, 높이(H)가 제1 렌즈부(310)의 하면의 반지름의 크기보다 작은 경우에 해당하며, 지향각은 약 155도이다.

즉, 도 8a 내지 8c를 참조할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광장치(1000)의 지향각은 렌즈부의 높이(H)가 낮아질수록 지향각이 대체로 증가됨을 알 수 있고, 바람직하게는, 높이(H)가 제1 렌즈부(310)의 하면의 반지름의 크기보다 작다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 렌즈부(310, 320)를 이루는 수지들 간의 굴절률 차이 및 제2 렌즈부(320)를 이루는 수지와 공기 사이의 굴절율 차이, 그리고, 제2 렌즈부(320)의 크기(내지 직경)와 제2 렌즈부(320)의 하면 볼록부의 곡률(내지 곡률 반지름)의 크기, 및 렌즈부의 높이(H) 등에 따라, LED 칩(400)으로부터 출사된 광은 중심축 Y축으로부터 바깥으로 향하는 방향으로 굴절되어 지향각이 넓어질 수 있다. 따라서, 상기 광지향각에 영향을 주는 요소들을 조절하면, 패키지의 중앙부와 주변부로부터 출사되는 광들이 잘 혼합되어, 색수차 현상을 상당히 개선할 수 있다.

이하, 도 9를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광장치(2000)를 설명하기로 한다. 다만, 설명의 간략화를 위하여 도 3에서와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에 따른 발광장치(2000)는 도 3a에서와 달리, 하부 기판(500)이 소정의 깊이로 함몰되어 있는 캐비티(550)를 포함할 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, LED용 렌즈(600)는 LED용 렌즈(300)와 달리 칩 보호부(330)를 포함하지 않더라도, 제1 렌즈부(610)를 이용하여 LED 칩(800)은 물론, LED 칩(800)의 상부에 형성된 전극과 전기적으로 연결된 본딩 와이어(미도시), 및 상기 LED 칩(800)에 전원을 공급하기 위하여 기판(500)에 형성된 전극부(미도시)를 커버함으로써, 이들이 공기 중으로 노출되지 않도록 하고 외부 충격이나 습기로부터 보호할 수 있다. 또한, 상기 캐비티(550)의 깊이는 LED 칩(800)의 높이와 같거나 그 보다 깊을 수 있다.

여기서, 상기 LED 칩(800)은 전술한 바대로 기판(500)에 형성된 캐비티(550) 내부에 장착되며, LED용 렌즈(600)의 중심축 Y축과 기판이 만나는 위치에 실장될 수 있다. 즉, LED용 렌즈(600)의 중심부에 배치될 수 있으며, LED용 렌즈(600)는 LED 칩(800)을 포함하는 기판(500)에 접착제를 이용하여 접합되거나 또는 기타 다른 방식으로 상기 기판(500)에 결합될 수 있다.

한편, 도면에서는, 한 개의 LED칩(800)이 LED용 렌즈(600)의 내부에 존재하는 것으로 도시되었지만, 복수개의 LED칩을 이용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 즉, 복수개의 LED칩들이 LED용 렌즈(600)의 중심부 및 그 주변에 배치될 수 있다.

또한, 상기 LED용 렌즈(600)는 LED 칩(800)으로부터 출사된 광의 진행 방향을 변경시켜 광지향각을 조절하는 역할을 하며, 예를들어, 실리콘, 에폭시, 글래스 또는 플라스틱과 같은 투광성 재질로 형성될 수 있는데, 1차 실리콘을 압축 몰딩하여 성형하고 가경화 또는 완전 경화하여 제1 렌즈부(610)를 형성한 후, 다음으로, 상기 제1 렌즈부(610) 위에 볼록한 모양으로 2차 실리콘을 압축 몰딩하여 성형하고 가경화 후 완전 경화하여 제2 렌즈부(620)를 형성할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 렌즈부(610)만을 압축 몰딩으로 형성하고 제2 렌즈부(620)는 트랜스퍼 몰딩 등 다른 공지의 렌즈 성형방법을 이용하여 제조한 후 결합하거나, 아니면 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부 각각을 따로 제조하여 투명한 접착제 등을 이용하여 접합시킬 수도 있다. 이때, 제1 렌즈부(610)와 제2 렌즈부(620)를 구성하는 1차 실리콘 및 2차 실리콘의 굴절률은 상이하며, 바람직하게는, 제1 렌즈부(610)를 구성하는 1차 실리콘의 굴절률이 더 크다. 또한, 제1 렌즈부 및/또는 제2 렌즈부(610, 620)의 내부에 형광체가 분산될 수 있음은 물론이다.

구체적으로, LED용 렌즈(600)의 구조를 살펴보면, 중심축 Y축을 중심으로 방사 대칭 형상인 제1 렌즈부(610) 및 제2 렌즈부(620)를 포함하며, 전술한 바와 같이 별도의 칩 보호부는 형성되어 있지 않다. 상기 제1 렌즈부(610) 및 상기 제2 렌즈부(620)의 형상 및 굴절율은 이전 실시예에서와 같다.

본 실시예에 따르면, 제1 렌즈부(610)와 제2 렌즈부(620)를 이루는 수지들간의 굴절률 차이, 및 제2 렌즈부(620)를 이루는 수지와 공기 사이의 굴절율 차이, 그리고, 제2 렌즈부(620)의 크기(내지 직경)와 제2 렌즈부(620)의 하면 볼록부의 곡률(내지 곡률 반지름)의 크기 등에 따라, LED 칩(800)으로부터 출사된 광은 중심축 Y축으로부터 바깥을 향하는 방향으로 굴절되어 출사될 수 있으며, 이로써 지향각이 넓어진다.

따라서, 도시하지는 않았으나, LED용 렌즈(600)에 의한 지향각 패턴은 전술한 LED용 렌즈(300)의 지향각 패턴인 도 5a 내지 5c와 유사한 형상을 갖는다. 즉, LED용 렌즈(600)를 이용할 경우, 종래의 단일형 렌즈를 채용하는 경우에 비하여 지향각이 증가되어, 패키지의 중앙부와 주변부로부터 출사된 광이 잘 혼합됨으로써, 색수차 문제를 해결할 수 있다. 또한, LED용 렌즈(600)가 별도의 칩 보호부를 포함하지 않더라도 하부 기판(500)에 형성된 캐비티(550)를 이용하여 LED 칩(800)을 그 안에 실장함으로써, 제1 렌즈부(610)를 이용하여 LED 칩(800)과 본딩 와이어 및 기판의 전극부를 덮어 이들을 외부 충격이나 습기 등으로부터 보호할 수 있다.

이상, 본 발명에 따른 LED용 렌즈 및 발광장치는 상기 상술한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 구조를 갖는 제품으로의 응용이 가능하다.

따라서, 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, 400, 800: LED 칩 110, 200, 500: 기판
300, 600: LED용 렌즈 310, 610: 제1 렌즈부
311: 직선부 312: 곡선부
320, 620: 제2 렌즈부 330: 칩 보호부
550: 캐비티

Claims

발광 다이오드 칩 상부에 배치되는 제1 렌즈부; 및
상기 제1 렌즈부의 상부에 배치되는 제2 렌즈부를 포함하며,
상기 제1 렌즈부의 상면은 오목 형상이고, 상기 제2 렌즈부의 하면은 볼록 형상을 갖고,
상기 제1 렌즈부와 상기 제2 렌즈부가 결합된 전체 렌즈의 외곽 형상은 반구형상인 것을 특징으로 하는 LED용 렌즈.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 렌즈부의 굴절률은 상기 제2 렌즈부의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 LED용 렌즈.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 렌즈부와 일체로 형성되어, 상기 발광 다이오드 칩 상면에 형성된 전극과 전기적으로 연결된 본딩 와이어 및 상기 발광 다이오드 칩을 덮는 칩 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED용 렌즈.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 렌즈부의 하면의 곡률 반지름은 상기 제2 렌즈부의 상면의 곡률 반지름보다 작은 것을 특징으로 하는 LED용 렌즈.
청구항 1에 있어서, 상기 LED용 렌즈의 횡단면 형상은 원형이며, 상기 LED용 렌즈의 최상부로부터 상기 제1 렌즈부 하면까지의 거리는 상기 제1 렌즈부의 하면의 반지름의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 LED용 렌즈.
기판;
상기 기판 상부에 실장된 발광 다이오드 칩; 및
상기 발광 다이오드 칩의 상부에 형성되는 LED용 렌즈를 포함하는 발광장치로서,
여기서, 상기 LED용 렌즈는
발광 다이오드 칩 상부에 배치되는 제1 렌즈부; 및
상기 제1 렌즈부의 상부에 배치되는 제2 렌즈부를 포함하며,
상기 제1 렌즈부의 상면은 오목 형상이고, 상기 제2 렌즈부의 하면은 볼록 형상을 갖고,
상기 제1 렌즈부와 상기 제2 렌즈부가 결합된 전체 렌즈의 외곽 형상은 반구형상인 것을 특징으로 하는 발광장치.
청구항 6에 있어서, 상기 제1 렌즈부의 굴절률은 상기 제2 렌즈부의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 발광장치.
청구항 6에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 LED용 렌즈의 중심축과 상기 기판이 만나는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
청구항 6에 있어서, 상기 기판은 상기 발광 다이오드 칩에 전원을 공급하기 위한 전극부를 포함하며,
상기 LED용 렌즈는, 상기 제1 렌즈부와 일체로 형성되어, 상기 발광 다이오드 칩 상면에 형성된 전극과 전기적으로 연결된 본딩 와이어, 상기 기판에 형성된 전극부, 및 상기 발광 다이오드 칩을 덮는 칩 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광장치.
청구항 6에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩 상면에 형성된 형광체층을 더 포함하며, 상기 형광체층의 상면은 볼록한 것을 특징으로 하는 발광장치.
청구항 6에 있어서, 상기 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부 중 적어도 어느 하나의 내부에는 형광체가 분산되는 것을 특징으로 하는 발광장치.