KR20130062005A - 발광 모듈 및 렌즈 - Google Patents

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KR20130062005A
KR20130062005A KR1020110128375A KR20110128375A KR20130062005A KR 20130062005 A KR20130062005 A KR 20130062005A KR 1020110128375 A KR1020110128375 A KR 1020110128375A KR 20110128375 A KR20110128375 A KR 20110128375A KR 20130062005 A KR20130062005 A KR 20130062005A
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light
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김은주
김방현
양영은
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Abstract

렌즈를 구비하는 발광 모듈이 개시된다. 이 발광 모듈은, 발광 다이오드 칩과, 이 발광 다이오드 칩에서 방출된 광의 광속을 분산시키는 렌즈를 포함하며, 이 렌즈는, 발광 다이오드 칩에서 방출된 광이 입사되는 오목부를 갖는 하부면과, 이 오목부로 입사된 광이 출사되는 상부면을 포함한다. 여기서, 렌즈의 상부면은 중심축에 위치하는 오목면을 포함한다. 한편, 하부면의 오목부는 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면을 포함하되, 상기 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 오목부 입구의 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치한다. 이에 따라, 발광 다이오드 칩과 렌즈의 정렬 공차를 증가시킬 수 있다.

Description

발광 모듈 및 렌즈{LIGHT EMITTING MODULE AND LENS}
본 발명은 발광 모듈에 관한 것으로, 특히 면 조명 또는 액정 디스플레이의 백라이트용으로 사용하기 위해 렌즈를 구비하는 발광 모듈에 관한 것이다.
액정 디스플레이를 백라이팅하는 방식으로 엣지형과 직하형이 있다. 엣지형은 도광판의 측면에 LED들을 배치하고 광원으로부터 입사된 광을 도광판을 이용하여 액정 패널을 백라이팅하는 것인데, LED 갯수를 줄일 수 있고 LED들 간의 고도의 품질 편차를 요하지 않아 가격면에서 유리하고 또한 저전력 제품을 개발할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 엣지형은 액정 디스플레이의 모서리 부분과 중앙 영역 사이의 명암 차이를 극복하기 어렵고 고화질을 구현하는데 한계가 있다.
한편, 직하형은 액정 패널의 바로 아래에 일정한 간격으로 복수의 LED를 배치하여 액정 패널을 백라이팅하는 것으로, 모서리 부분과 중앙 영역 사이의 명암 차이를 극복할 수 있고 또한 고화질을 구현할 수 있는 장점이 있다.
그러나 직하형의 경우, 각 LED가 상대적으로 넓은 면적을 고르게 백라이팅하지 못할 경우, 많은 갯수의 LED을 조밀하게 배열해야 하며, 이에 따라 전력 소모가 증가한다. 나아가, LED들 사이에 품질 편차가 있을 경우, 액정 패널이 불균일하게 백라이팅되어 화면의 균질성을 확보하기 어렵다.
LED 사용 갯수를 줄이기 위해, 각 LED에 렌즈를 배치하여 광을 분산시키는 기술이 사용될 수 있다. 그러나 LED와 렌즈 사이의 약간의 정렬 변화가 발생해도 렌즈를 통해 방출되는 광의 분포에 중대한 변화가 발생될 가능성이 있으며, 이에 따라 액정 패널의 균일한 백라이팅이 더욱 어렵게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광을 분산시키는 렌즈 및 그것을 구비하는 발광 모듈을 제공하는 것으로, 특히 LED와 렌즈 사이의 정렬 공차를 증가시킬 수 있는 렌즈 및 발광 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 제작이 용이한 렌즈 및 발광 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 모듈은, 발광 다이오드 칩; 및 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광의 광속을 분산시키는 렌즈를 포함한다. 또한, 상기 렌즈는, 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광이 입사되는 오목부를 갖는 하부면; 및 상기 오목부로 입사된 광이 출사되는 상부면을 포함한다. 여기서, 상기 상부면은 중심축에 위치하는 오목면을 포함한다. 한편, 상기 하부면의 오목부는 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면을 포함하되, 상기 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 상기 오목부 입구의 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치한다.
상기 렌즈의 상부면 및 오목부는 상기 중심축을 지나는 평면에 대해 거울면 대칭 구조를 가지며, 나아가, 상기 중심축에 대해 회전체 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 렌즈의 상부면은 상기 오목면에서 연속적으로 이어지는 볼록면을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 하부면의 오목부 내에서 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면과, 상기 적어도 하나의 면보다 중심축에 더 가깝게 위치하는 면에 광 산란 패턴이 형성될 수 있다. 상기 광 산란 패턴은 요철 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 발광 다이오드 칩으로부터 중심축 근처로 방출되는 광을 더욱 분산시킨다.
나아가, 상기 상부면의 오목면에 광 산란 패턴이 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 발광 모듈은 상기 하부면의 오목부 내에서 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면과, 상기 적어도 하나의 면보다 중심축에 더 가깝게 위치하는 면에 상기 렌즈와 굴절률이 다른 물질층을 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 발광 모듈은 상기 상부면의 오목면에 상기 렌즈와 굴절률이 다른 물질층을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 상기 상부면의 오목면과 볼록면이 만나는 변곡선들로 둘러싸인 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치할 수 있다. 또한, 상기 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 상기 발광 소자의 광 출사면 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치할 수 있다.
상기 렌즈는 상기 상부면과 상기 하부면을 연결하는 플랜지를 더 포함할 수 있다. 상기 오목부 내의 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 상기 플랜지보다 위쪽에 위치할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 발광 모듈은 발광 소자를 포함할 수 있는데, 상기 발광 소자는 상기 발광 다이오드 칩; 상기 발광 다이오드 칩이 실장되는 하우징; 및 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 파장변환층을 포함할 수 있다. 상기 파장변환층은 상기 렌즈의 오목부로부터 이격되어 상기 렌즈 아래에 위치할 수 있다.
상기 발광 모듈은 또한, 상기 발광 소자가 실장되는 인쇄회로기판을 더 포함하며, 상기 렌즈는 상기 인쇄회로기판 상에 놓일 수 있다. 예컨대, 상기 렌즈는 다리부를 갖고, 상기 다리부가 상기 인쇄회로기판 상에 놓일 수 있다.
한편, 상기 발광 소자와 상기 오목부 사이에는 에어갭이 존재하며, 따라서, 상기 오목부에 입사되는 광은 상기 오목부의 표면에서 1차 굴절된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 렌즈의 오목부에서 1차 굴절이 발생되고, 렌즈의 상부 표면에서 다시 2차 굴절이 발생됨으로써 광을 넓게 분산시킬 수 있는 렌즈를 제공할 수 있다. 나아가, 렌즈의 오목부 상단측의 형상을 오목면으로 하는 대신 평평한 면 또는 볼록한 면을 포함하도록 함으로써 발광 다이오드 칩 또는 발광 소자와 렌즈의 정렬 공차를 증가시킬 수 있다. 또한, 렌즈의 오목부 상단측의 형상에 따른 광 지향 분포 특성 변화를 완화할 수 있어 렌즈 제작 공정 마진이 증가되며, 따라서 렌즈 제작이 쉬워진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 모듈을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 3은 렌즈의 다양한 변형예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 모듈을 설명하기 위한 렌즈의 단면도들이다.
도 5는 시뮬레이션에 사용된 발광 모듈의 치수를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 5의 렌즈의 형상을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 7은 도 5의 렌즈의 광선 진행 방향을 나타낸다.
도 8은 조도 분포를 나타내는 그래프들로서, (a)는 발광 소자의 조도 분포를 나타내고, (b)는 렌즈 사용에 따른 발광 모듈의 조도 분포를 나타낸다.
도 9는 광 지향 분포를 나타내는 그래프들로서, (a)는 발광 소자의 광 지향 분포를 나타내고, (b)는 렌즈 사용에 따른 발광 모듈의 광 지향 분포를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 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 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 모듈을 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 상기 발광 모듈에 사용되는 발광 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광 모듈은 인쇄회로기판(10), 발광 소자(20) 및 렌즈(30)를 포함한다. 인쇄회로기판(10)은 일부가 도시되어 있지만, 하나의 인쇄회로기판(10) 상에 복수의 발광소자들(20)이 매트릭스 또는 벌집 모양 등 다양하게 배열될 수 있다.
상기 인쇄회로기판(10)은 상기 발광소자(20)의 단자들이 본딩되는 도전성의 랜드 패턴들을 상면에 포함한다. 또한, 상기 인쇄회로기판(10)은 상면에 반사막을 포함할 수 있다. 상기 인쇄회로기판(10)은 열전도성이 좋은 금속을 기반으로 하는 MCPCB(Metal-Core PCB)일 수 있다. 또한, 상기 인쇄회로기판(10)은 FR4와 같은 절연성 기판 재료를 기반으로 할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 인쇄회로기판(10)의 하부에는 발광 소자(20)에서 발생된 열을 방출하기 위해 히트싱크가 배치될 수 있다.
상기 발광 소자(20)는, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 하우징(21)과, 상기 하우징(21) 상에 실장된 발광다이오드 칩(23) 및 상기 발광 다이오드 칩(23)을 덮는 파장변환층(25)을 포함한다. 상기 발광 소자(20)는 또한 상기 하우징(21)에 지지된 리드 단자들(도시하지 않음)을 포함한다.
패키지 몸체를 구성하는 상기 하우징(21)은 PA 또는 PPA 등과 같은 플라스틱 수지를 사출 성형하여 만들어질 수 있다. 이 경우, 하우징(21)은 사출 성형 공정에 의해 리드 단자들을 지지하는 상태로 성형될 수 있으며, 또한 발광 다이오드 칩(23)을 실장하기 위한 캐비티(21a)를 가질 수 있다. 상기 캐비티(21a)는 발광 소자(20)의 광 출사 영역을 정의한다.
리드 단자들은 하우징(21) 내에서 서로 이격되게 배치되며, 하우징(21) 외부로 연장되어 인쇄회로기판(10) 상의 랜드 패턴에 본딩된다.
상기 발광다이오드 칩(23)은 상기 캐비티(21a) 바닥에 실장되어 리드 단자들에 전기적으로 연결된다. 상기 발광 다이오드 칩(23)은 자외선 또는 청색광을 방출하는 질화갈륨 계열의 발광 다이오드일 수 있다.
한편, 파장변환층(25)이 상기 발광 다이오드 칩(23)을 덮는다. 일 실시예에서, 상기 파장변환층(25)은 발광 다이오드 칩(23)을 실장한 후, 형광체를 함유하는 몰딩수지로 캐비티(21a)를 채워 형성될 수 있다. 이때, 파장변환층(25)은 하우징(21)의 캐비티(21a)를 채우고 상면이 실질적으로 평평하거나 또는 볼록할 수 있다. 또한, 파장변환층(25) 상에 렌즈 형상을 갖는 몰딩 수지가 더 형성될 수도 있다.
다른 실시예에서, 컨포멀한 형광체 코팅층이 형성된 발광 다이오드 칩(23)이 하우징(21) 상에 실장될 수 있다. 즉, 발광 다이오드 칩(23) 상에 형광체의 컨포멀 코팅층을 적용하고, 이 형광체 코팅층을 갖는 발광 다이오드 칩(23)을 하우징(21) 상에 실장할 수 있다. 상기 컨포멀 코팅층을 갖는 발광 다이오드 칩(23)은 투명 수지에 의해 몰딩될 수 있다. 나아가, 이 몰딩 수지는 렌즈 형상을 가질 수 있으며, 따라서 1차 렌즈로서 기능할 수 있다.
상기 파장변환층(25)은 상기 발광다이오드 칩(23)에서 방출된 광을 파장 변환하여 혼색광, 예컨대 백색광을 구현한다.
상기 발광 소자(20)는 거울면 대칭 구조의 광 지향 분포를 갖도록 설계되며, 특히 회전 대칭 구조의 광 지향 분포를 갖도록 설계될 수 있다. 이때, 광 지향 분포의 중심을 향하는 발광 소자의 축이 광축(L)으로 정의된다. 즉, 상기 발광 소자(20)는 광축(L)을 중심으로 좌우 대칭인 광 지향 분포를 갖도록 설계된다. 일반적으로, 하우징(21)의 캐비티(21a)가 거울면 대칭 구조를 갖도록 형성될 수 있으며, 광축(L)은 캐비티(21a)의 중심을 지나는 직선으로 정의될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 렌즈(30)는 하부면(31) 및 상부면(35)을 포함하고, 또한 플랜지(37) 및 다리부(39)를 포함할 수 있다. 상기 하부면(31)은 오목부(31a)를 포함하며, 상기 상부면(35)은 오목면(35a)과 볼록면(35b)을 포함한다.
상기 하부면(31)은 대략 원판 형상의 평면으로 이루어지며, 오목부(31a)는 중앙 부분에 위치한다. 상기 하부면(31)은 평면일 필요는 없으며, 다양한 요철 패턴이 형성될 수도 있다.
한편, 상기 오목부(31a)의 내면은 측면(33a)과 상단면(upper end surface, 33b)을 가지며, 상기 상단면(33b)은 중심축(C)에 수직하고, 상기 측면(33a)은 상단면(33b)으로부터 오목부(31a)의 입구로 이어진다. 여기서, 중심축(C)은 발광 소자(20)의 광축(L)과 일치하도록 정렬될 경우, 렌즈(30)에서 출사되는 광 지향 분포의 중심이 되는 렌즈(30)의 중심축으로 정의된다.
상기 오목부(31a)는 입구에서부터 위로 올라갈수록 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 측면(33a)은 입구로부터 상단면(33b)으로 갈수록 중심축(C)에 가까워진다. 따라서, 상단면(33b)의 영역을 입구보다 상대적으로 작게 만들 수 있다. 상기 측면(33a)은 상기 상단면(33b) 근처에서 상대적으로 경사가 완만할 수 있다.
상기 상단면(33b) 영역은 오목부(31a)의 입구 영역보다 좁은 영역 내에 한정된다. 나아가, 상기 상단면(33b) 영역은 상부면(35)의 오목면(35a)과 볼록면(35b)에 의해 형성되는 변곡선으로 둘러싸인 영역보다 좁은 영역 내에 한정될 수 있다. 더욱이, 상단면(33b) 영역은 발광 소자(20)의 캐비티(21a) 영역, 즉 광 출사 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치할 수 있다.
상기 상단면(33b) 영역은 발광 소자의 광축(L)과 렌즈(30)의 중심축(C)이 오정렬 될 때, 렌즈(30)의 상부면(35)을 통해 출사되는 광의 지향 분포 변화를 완화한다. 따라서, 상기 상단면(33b)의 영역은 발광 소자(20)와 렌즈(30)의 정렬 오차를 고려하여 최소화할 수 있다.
한편, 렌즈(30)의 상부면(35)은 중심축(C)을 기준으로 오목면(35a) 및 오목면(35a)에서 연속적으로 이어진 볼록면(35b)을 포함한다. 오목면(35a)과 볼록면(35b)이 만나는 선이 변곡선이 된다. 상기 오목면(35a)은 렌즈(30)의 중심축(C) 근처에서 출사되는 광을 상대적으로 큰 각도로 굴절시켜 중심축(C) 근처의 광을 분산시킨다. 또한, 상기 볼록면(35b)은 중심축(C) 바깥쪽으로 출사되는 광량을 늘린다.
상기 상부면(35) 및 오목부(31a)는 중심축(C)에 대해 대칭 구조를 갖는다. 예컨대, 상기 상부면(35) 및 오목부(31a)는 중심축(C)을 지나는 면에 대해 거울면 대칭 구조를 가지며, 나아가, 중심축(C)에 대해 회전체 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 오목부(31a) 및 상부면(35)의 형상은 요구되는 광 지향 분포에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 플랜지(37)는 상부면(35)과 하부면(31)을 연결하며 렌즈의 외형 크기를 한정한다. 플랜지(37)의 측면과 하부면(31)에 요철 패턴이 형성될 수 있다. 한편, 상기 렌즈(30)의 다리부(39)가 인쇄회로기판(10)에 결합되어 하부면(31)을 인쇄회로기판(10)으로부터 이격되도록 지지한다. 상기 결합은 다리부(39)들 각각의 선단이 예를 들면 접착제에 의해 인쇄회로기판(10) 상에 접착되거나 다리부(39) 각각이 인쇄회로기판(10)에 형성된 홀에 끼워지는 방식으로 이루어진다.
상기 렌즈(30)는 발광 소자(20)로부터 이격되어 위치하며, 따라서, 오목부(31a) 내에 에어갭이 형성된다. 상기 발광 소자(20)의 하우징(21)은 하부면(31) 아래에 위치하며, 나아가, 상기 발광 소자(20)의 파장변환층(25)이 오목부(31a)로부터 떨어져 하부면(31) 아래에 위치할 수 있다. 따라서, 오목부(31a)내에서 진행하는 광이 하우징(21)이나 파장변환층(25)에 흡수되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 오목부(31a) 내에 중심축(C)에 수직한 면을 형성함으로써, 발광 소자(20)와 렌즈(30)의 정렬 오차가 발생하더라도 렌즈(30)로부터 출사되는 광 지향 분포의 변화를 완화할 수 있다. 더욱이, 오목부(31a)에 상대적으로 첨예한 정점을 형성하지 않기 때문에, 렌즈 제작이 쉬워진다.
도 3은 렌즈의 다양한 변형예를 설명하기 위한 단면도들이다. 여기서는 도 1의 오목부(31a)의 다양한 변형예를 설명한다.
도 3(a)는 도 1에서 설명한 중심축(C)에 수직한 상단면(33b) 중 중심축(C) 근처의 일부분이 아래로 볼록한 면을 형성한다. 이 볼록한 면에 의해 중심축(C) 근처로 입사되는 광을 1차적으로 제어할 수 있다.
도 3(b)는 도 3(a)와 유사하나, 도 3(a)의 상단면 중 중심축(C)에 수직한 면이 위로 볼록하게 형성된 것에 차이가 있다. 상단면이 위로 볼록한 면과 아래로 볼록한 면이 혼합되어 있어, 발광 소자와 렌즈의 정렬 오차에 따른 광 지향 분포 변화를 완화할 수 있다.
도 3(c)는 도 1에서 설명한 중심축(C)에 수직한 상단면(33b) 중 중심축(C) 근처의 일부분이 위로 볼록한 면을 형성한다. 이 볼록한 면에 의해 중심축(C) 근처로 입사되는 광을 더 분산시킬 수 있다.
도 3(d)는 도 3(c)와 유사하나, 도 3(c)의 상단면 중 중심축(C)에 수직한 면이 아래로 볼록하게 형성된 것에 차이가 있다. 상단면이 위로 볼록한 면과 아래로 볼록한 면이 혼합되어 있어, 발광 소자와 렌즈의 정렬 오차에 따른 광 지향 분포 변화를 완화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 모듈을 설명하기 위한 렌즈의 단면도들이다.
도 4(a)를 참조하면, 상단면(33b)에 광 산란 패턴(33c)이 형성될 수 있다. 상기 광 산란 패턴(33c)은 요철 패턴으로 형성될 수 있다. 나아가, 오목면(35a)에도 광 산란 패턴(35c)이 형성될 수 있다. 상기 광 산란 패턴(35c) 또한 요철 패턴으로 형성될 수 있다.
일반적으로, 렌즈의 중심축(C) 근처로 상대적으로 많은 광속이 집중된다. 더욱이, 본 발명의 실시예들은 상단면(33b)이 중심축(C)에 수직한 면이므로, 중심축(C) 근처에서 광속이 더욱 집중될 수 있다. 따라서, 상기 상단면(33b) 및/또는 오목면(35a)에 광 산란 패턴(33c, 35c)을 형성함으로써, 중심축(C) 근처의 광속을 분산시킬 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 상단면(33b)에 렌즈(30)와 다른 굴절률을 갖는 물질층(39a)이 위치할 수 있다. 상기 물질층(39a)은 렌즈보다 굴절률이 더 클 수 있으며, 따라서, 상단면(33b)으로 입사되는 광의 경로를 변경할 수 있다.
나아가, 오목면(35a)에도 렌즈(30)와 다른 굴절률을 갖는 물질층(39b)이 위치할 수 있다. 상기 물질층(39b)은 렌즈보다 굴절률이 더 클 수 있으며, 따라서, 오목면(35a)을 통해 출사되는 광의 굴절각을 더 크게 할 수 있다.
도 4(a)의 광 산란 패턴(33c, 35c) 및 도 4(b)의 물질층들(39a, 39b)은 도 3의 다양한 렌즈들에도 적용될 수 있다.
도 5는 시뮬레이션에 사용된 발광 모듈의 치수를 나타내는 단면도이다. 여기서 지시번호는 도 1 및 도 2의 지시번호를 사용한다.
발광 소자(20)의 캐비티(21a)의 직경은 2.1mm이고, 높이는 0.6mm이다. 파장 변환층(25)은 캐비티(21a)를 채우고 평평한 면을 갖는다. 한편, 발광 소자(20)와 렌즈(30)의 하부면(31)의 이격 거리(d)는 0.18mm 이고, 발광 소자(20)의 광축(L)과 렌즈의 중심축(C)이 서로 정렬되도록 배치된다.
한편, 렌즈(30)의 높이(H)는 4.7mm이고 상부면의 폭(W1)은 15mm이고, 오목면(35a)의 폭(W2)은 4.3mm이다. 또한, 하부면(31)에 위치하는 오목부(31a) 입구의 폭(w1)은 2.3mm이고, 상단면(33b)의 폭(w2)은 0.5mm이며, 오목부(31a)의 높이(h)는 1.8mm이다.
도 6은 도 5의 렌즈의 형상을 설명하기 위한 그래프들이다. 여기서, (a)는 기준점(P), 거리(R), 입사각(θ1) 및 출사각(θ5)를 설명하기 위한 단면도이고, (b)는 입사각(θ1)에 따른 거리(R)의 변화를 나타내며, (c)는 입사각(θ1)에 따른 (θ5/θ1)의 변화를 나타낸다. 한편, 도 7은 기준점(P)에서 렌즈(30)로 입사되는 광선을 3°간격으로 하여 광선 진행 방향을 나타낸다.
도 6(a)를 참조하면, 기준점(P)은 광축(L) 상에 위치하는 발광 소자(20)의 광 출사 지점을 나타낸다. 기준점(P)은 발광 소자(20) 내의 형광체에 의한 광 산란 등의 영향을 배제하기 위해 파장변환층(25)의 바깥면에 위치하는 것으로 정하는 것이 적합하다.
한편, θ1은 기준점(P)으로부터 렌즈(30)로 입사되는 각, 즉 입사각을 나타내고, θ5는 렌즈(30)의 상부면(35)으로부터 출사되는 각, 즉 출사각을 나타낸다. 한편, R은 기준점(P)에서 오목부(31a)의 내면까지의 거리를 나타낸다.
도 6(b)를 참조하면, 오목부(31a)의 상단면(33b)이 중심축(C)에 수직하기 때문에, θ1이 증가함에 따라 R이 약간 증가한다. 도 6(b)의 그래프 내부에 도시된 확대 그래프는 R이 증가하는 것을 보여준다. 한편, 오목부(31a)의 측면(33a)에서 θ1이 증가함에 따라 R은 감소하며, 입구 근처에서 약간 증가하는 형상을 갖는다.
도 6(c)를 참조하면, (θ5/θ1)는 θ1이 증가함에 따라 오목면(35a) 근처에서 급격하게 증가하며, 볼록면(35b) 근처에서 상대적으로 완만하게 감소한다. 본 실시예에 있어서, 도 7에 도시한 바와 같이, 오목면(35a)과 볼록면(35b)이 인접하는 근처에서 출사되는 광의 광속은 서로 중첩될 수 있다. 즉, 기준점(P)에서 입사된 광 중 변곡선 근처에서 오목면(35a) 측으로 출사되는 광의 굴절각이 볼록면(35b)측으로 출사되는 광의 굴절각보다 더 클 수 있다. 따라서, 오목부(31a)의 상단면(33b)을 평면 형상으로 하면서도, 오목면(35a)과 볼록면(35b)의 형상을 제어함으로써 중심축(C) 근처에서 광속이 집중되는 것을 완화할 수 있다.
도 8은 도 5의 발광 소자 및 렌즈에 따른 조도 분포를 나타내는 그래프들로서, (a)는 발광 소자의 조도 분포를 나타내고, (b)는 렌즈 사용에 따른 발광 모듈의 조도 분포를 나타낸다. 조도 분포는 25mm 이격된 스크린에 입사하는 광속밀도의 크기로 나타내었다.
도 8(a)에 도시한 바와 같이, 발광 소자(20)는 광축(C)을 기준으로 좌우 대칭인 조도 분포를 나타내며, 광속밀도는 중앙에서 매우 높으며 주변으로 갈수록 급격히 감소한다. 상기 발광 소자(20)에 렌즈(30)를 적용할 경우, 도 8(b)에 도시한 바와 같이, 반경 40mm 이내에서 대체로 균일한 광속밀도를 얻을 수 있다.
도 9은 도 5의 발광 소자 및 렌즈에 따른 광 지향 분포를 나타내는 그래프들로서, (a)는 발광 소자의 광 지향 분포를 나타내고, (b)는 렌즈 사용에 따른 발광 모듈의 광 지향 분포를 나타낸다. 광 지향 분포는 기준점(P)으로부터 5m 이격된 지점에서의 지향각에 따른 광도를 나타낸 것으로, 서로 직교하는 방향의 지향 분포를 하나의 그래프에 겹쳐서 나타내었다.
도 9(a)에 도시한 바와 같이, 발광 소자(20)에서 방출되는 광은 지향각 0°, 즉 중심에서 광도가 크고, 지향각이 커질수록 광도가 감소하는 경향을 나타낸다. 이에 반해, 렌즈를 적용할 경우, 도 9(b)에 도시한 바와 같이, 지향각 0°에서 광도가 상대적으로 낮으켜, 70° 근처에서 상대적으로 광도가 크게 나타난다.
따라서, 렌즈(30)를 적용함으로써, 중심에서 강한 발광 소자의 광 지향 분포를 변경함으로써, 상대적으로 넓은 영역을 균일하게 백라이팅할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 상기 발광 모듈 및 렌즈는 액정 디스플레이의 백라이팅에 한정되지 않고, 면 조명 장치에도 적용될 수 있다.마

Claims (15)

  1. 발광 다이오드 칩; 및
    상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광의 광속을 분산시키는 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈는
    상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광이 입사되는 오목부를 갖는 하부면; 및
    상기 오목부로 입사된 광이 출사되는 상부면을 포함하되,
    상기 상부면은 중심축에 위치하는 오목면을 포함하고,
    상기 하부면의 오목부는 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면을 포함하되, 상기 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 상기 오목부 입구의 영역보다 좁은 영역 내에 위치하는 발광 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈의 상부면 및 오목부는 상기 중심축을 지나는 평면에 대해 거울면 대칭 구조를 갖는 발광 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈의 상부면 및 오목부는 상기 중심축에 대해 회전체 형상을 갖는 발광 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부면의 오목부 내에서 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면과, 상기 적어도 하나의 면보다 중심축에 더 가깝에 위치하는 면에 광 산란 패턴이 형성된 발광 모듈.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 상부면의 오목면에 광 산란 패턴이 형성된 발광 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부면의 오목부 내에서 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면과, 상기 적어도 하나의 면보다 중심축에 더 가깝에 위치하는 면에 상기 렌즈와 굴절률이 다른 물질층을 더 포함하는 발광 모듈.
  7. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 상부면의 오목면에 상기 렌즈와 굴절률이 다른 물질층을 더 포함하는 발광 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 상기 상부면의 오목면과 볼록면이 만나는 변곡선들로 둘러싸인 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치하는 발광 모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 상기 발광 소자의 광 출사면 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치하는 발광 모듈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 상부면과 상기 하부면을 연결하는 플랜지를 더 포함하고,
    상기 오목부 내의 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 상기 플랜지보다 위쪽에 위치하는 발광 모듈.
  11. 청구항 1에 있어서,
    발광 소자를 더 포함하되, 상기 발광 소자는,
    상기 발광 다이오드 칩;
    상기 발광 다이오드 칩을 실장하는 하우징; 및
    상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환하는 파장변환층을 포함하는 발광 모듈.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 파장변환층은 상기 렌즈의 오목부로부터 이격되어 상기 렌즈 아래에 위치하는 발광 모듈.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 발광 소자가 실장되는 인쇄회로기판을 더 포함하고,
    상기 렌즈는 상기 인쇄회로기판 상에 놓이는 발광 모듈.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 발광 소자와 상기 오목부 사이에는 에어갭이 존재하는 발광 모듈.
  15. 광이 입사되는 오목부를 갖는 하부면; 및
    상기 오목부로 입사된 광이 출사되는 상부면을 포함하되,
    상기 상부면은 중심축에 가깝게 위치하는 오목면과 상기 오목면에서 연속적으로 이어진 볼록면을 포함하고,
    상기 하부면의 오목부는 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면을 포함하되, 상기 중심축에 수직한 면 및 아래로 볼록한 면 중 적어도 하나의 면은 상기 오목부 입구의 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치하는 렌즈.
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