KR20150092597A - 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지는, 기판 상에 배치되는 발광 소자; 상기 발광 소자를 감싸도록 상기 기판 상에 배치되는 확산판; 및 상기 확산판을 포함하는 상기 기판 상에 배치되며, 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태를 갖는 몰딩부를 포함하고, 상기 몰딩부의 중심은, 상기 발광 소자의 중심과 동일한 축 상에 위치하며, 상기 확산판은, 상기 발광 소자와 상기 몰딩부 사이에 개재될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태의 몰딩부 및 확산판을 채용하여 발광 소자에서 방출되는 빛이 넓게 확산되도록 함으로써 광효율을 높임과 동시에 제조 시간 및 비용을 줄일 수 있으며, '옐로우 링' 현상이 발생하는 것도 방지할 수 있다.

Description

발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치{LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE AND LIGHTING APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)와 같은 발광 소자는 화합물 반도체의 P-N 접합구조를 통해 전기 에너지를 빛으로 변환하는 반도체 소자의 일종으로, 소비전력이 작고 수명이 길며, 소형화 및 경량화가 가능하여 조명 장치의 차세대 광원으로 각광받고 있다. 최근에는 물리적, 화학적 특성이 우수한 질화물 등을 이용하여 구현된 청색 발광 다이오드 및 자외선 발광 다이오드가 등장하였고, 청색 또는 자외선 발광 다이오드와 형광체를 통해 백색광 또는 다른 단색광을 얻을 수 있게 됨으로써 발광 소자의 응용 범위가 넓어지고 있다.
이러한 발광 소자를 이용하여 평판 조명 장치를 구성할 수 있으며, 이때 소요되는 발광 소자의 개수를 줄이기 위해서는 발광 소자에서 방출되는 빛이 넓게 확산되도록 해야 한다. 이에 따라 발광 소자에서 방출되는 빛의 확산 범위를 넓히기 위해 2차 렌즈를 추가로 장착할 수 있으나, 이러한 렌즈를 추가하면 광효율이 떨어질 뿐만 아니라 제조 시간 및 비용이 증가하게 된다.
본 발명의 실시예가 해결하고자 하는 과제는, 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태의 몰딩부 및 확산판을 채용하여 발광 소자에서 방출되는 빛이 넓게 확산되도록 함으로써 제조 시간 및 비용이 감소되고, 높은 광효율을 갖는 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 발광 소자 패키지는, 기판 상에 배치되는 발광 소자; 상기 발광 소자를 감싸도록 상기 기판 상에 배치되는 확산판; 및 상기 확산판을 포함하는 상기 기판 상에 배치되며, 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태를 갖는 몰딩부를 포함하고, 상기 몰딩부의 중심은, 상기 발광 소자의 중심과 동일한 축 상에 위치하며, 상기 확산판은, 상기 발광 소자와 상기 몰딩부 사이에 개재될 수 있다.
상기 발광 소자 패키지는, 상기 발광 소자와 상기 확산판 사이에 개재되는 형광체층을 더 포함할 수 있다.
상기 몰딩부의 하단 폭은, 상기 몰딩부의 상단 폭보다 넓을 수 있다.
상기 발광 소자는, 상기 기판에 형성된 홀 내에 배치될 수 있다.
상기 발광 소자 패키지는, 상기 홀을 매립하는 형광체층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태의 몰딩부 및 확산판을 채용하여 발광 소자에서 방출되는 빛이 넓게 확산되도록 함으로써 광효율을 높임과 동시에 제조 시간 및 비용을 줄일 수 있으며, '옐로우 링' 현상이 발생하는 것도 방지할 수 있다.
도 1a는 제1 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 단면도이다.
도 1b는 제1 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 평면도이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 단면도이다.
도 3a는 일 비교예에 따른 발광 소자 패키지의 배광 패턴을 나타내는 도면이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 배광 패턴을 나타내는 도면이다.
도 4a는 일 비교예에 따른 발광 소자 패키지의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 5a는 일 비교예에 따른 발광 소자 패키지로 구성된 평판 조명 장치를 도시한 평면도이다.
도 5b는 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지로 구성된 평판 조명 장치를 도시한 평면도이다.
본 발명은 다양한 실시예들을 가질 수 있는바 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태로 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변형예들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용한 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어는 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니며, 단수 표현은 문맥상 명백하게 다른 의미가 아니라면 복수 표현을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 특히, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하려는 것은 아니다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하되, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다. 한편, 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였음에 유의하여야 한다.
도 1a는 제1 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 단면도이고, 도 1b는 제1 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 평면도이다. 구체적으로 도 1a는 기판의 주면에 수직인 방향의 단면도이고, 도 1b는 기판의 주면에 평행한 방향의 평면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 기판(110) 상에 배치되는 발광 소자(120), 발광 소자(120)를 감싸도록 기판(110) 상에 배치되는 확산판(140), 발광 소자(120)와 확산판(140) 사이에 개재되는 형광체층(130), 및 확산판(140)을 포함하는 기판(110) 상에 배치되는 비구면 렌즈 형태의 몰딩부(150)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 통상적인 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board; PCB) 또는 리드 프레임(Lead Frame)일 수 있으며, 이외에도 알루미나(Alumina), 수정(Quartz), 지르코니아(Zirconia), 고토 감람석(Forsterite), 근청석(Cordierite), 베릴리아(Beryllia), 물라이트(Mullite), 칼슘 지르코네이트(Calcium Zirconate), 실리콘 카바이드(Silicon Carbide), 알루미늄 나이트라이드(Aluminium Nitride), 용융 실리카(Fused Silica), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic), 플라스틱, 흑연, 금속 중 어느 하나 이상의 재질로 구성될 수 있다.
발광 소자(120)는 화합물 반도체의 P-N 접합구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 정공)들의 재결합에 의해 빛을 발산하는 소자로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)일 수 있다. 본 도면에는 도시되지 않았으나, 발광 소자(120)는 와이어 등을 통해 기판(110)의 전극과 전기적으로 접속되어 전원을 인가받을 수 있다.
형광체층(130)은 발광 소자(120)에서 방출된 빛의 일부를 흡수하여 흡수된 빛과 상이한 파장의 빛을 방출하는 것으로서, 임자 결정(Host Lattice)의 적절한 위치에 불순물이 혼입된 활성 이온으로 구성되는 형광체를 포함할 수 있다. 활성 이온은 발광 과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 발광색을 결정하는데, 발광색은 결정 구조 내에서 활성 이온이 갖는 기저 상태와 여기 상태의 에너지 차(Energy Gap)에 의해 결정될 수 있다. 한편, 형광체층(130)은 적색계 형광체, 청색계 형광체, 녹색계 형광체 또는 황색계 형광체 중 어느 하나 이상이 실리콘 수지 등과 같은 투명 수지에 주입된 것일 수 있다.
확산판(140)은 발광 소자(120)에서 방출된 빛을 산란 및 확산시켜 균일하게 발광되도록 하는 것으로서, 티탄산 바륨(Barium Titanate), 이산화 티탄(Titanium Dioxide), 산화 알루미늄(Aluminium Oxide), 이산화 규소(Silicon Dioxide) 등과 같은 오팔(Opal) 계열의 확산제를 포함할 수 있다. 한편, 기존의 발광 소자를 이용한 조명 장치에서는 방출광의 가장자리에 노란색 원이 보이는 이른바 '옐로우 링(Yellow Ring)' 현상이 나타나는데, 확산판(140)은 이러한 '옐로우 링' 현상이 발생하는 것을 방지하는 역할도 한다.
몰딩부(150)는 발광 소자(120)를 보호하면서 렌즈의 기능을 겸하는 렌즈 일체형 패키지로서 중앙이 오목하게 들어간 오목부(151)를 갖는 비구면 형태일 수 있고, 몰딩부(150)의 중심(C2)은 발광 소자(120)의 중심(C1)과 동일한 축 상에 위치할 수 있다. 몰딩부(150)의 하단에는 측방으로 돌출된 플랜지 영역(F)이 존재할 수 있으며, 이에 따라 몰딩부(150)의 하단 폭(W1)은 상단 폭(W2)보다 넓을 수 있다. 예를 들어, 몰딩부(150)의 하단 폭(W1)은 2.97mm 내지 3.03mm일 수 있고, 몰딩부(150)의 상단 폭(W2)은 2.77mm 내지 2.83mm일 수 있다. 또한, 발광 소자(120)의 상면으로부터 몰딩부(150)의 중심(C2)까지의 높이(H1)는 0.5mm 이상으로 하되, 몰딩부(150)의 높이(H2), 예컨대 0.95mm 내지 1.01mm보다는 작아야 한다. 한편, 기판(110)의 주면에 수직인 면과 몰딩부(150)의 측면이 이루는 각(θ)은 1° 내지 60°일 수 있으며, 발광 소자(120)에서 방출된 빛이 외부로 투과되어야 하므로 몰딩부(150)는 실리콘 수지 또는 에폭시(Epoxy) 수지 등과 같은 투명 수지로 형성될 수 있다.
특히, 광축을 기준으로 회전 대칭인 몰딩부(150)의 렌즈면 형상은 렌즈면의 회전 대칭축을 z-축으로 하는 원통형 좌표계에서 편리하게 기술될 수 있으며, 몰딩부(150)의 렌즈면을 이루는 점들(x,y)의 집합으로 표현할 수 있다. 여기서, x는 광축에 수직하게 측정한 축상 반경이며, y는 축상 반경 x에서 렌즈면의 단차이다. 이때 렌즈면의 단차는 몰딩부(150)의 정점을 높이가 0인 기준면으로 하여 광축 방향으로 측정한 높이를 의미한다. 한편, 축상 반경 x를 독립 변수로 하고, 단차 y를 종속 변수로 하는 함수로 렌즈면의 형상을 표현할 수 있으며, 몰딩부(150)는 중앙이 오목하게 들어간 형태이므로 하기의 수학식 1과 같이 2차항을 갖는 비구면 방정식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, R은 정점의 곡률 반경이고, k는 원추 곡면 계수이며, A2, A4, A6, A8, A10, A12, A14는 비구면 변형 계수이다. 이때 몰딩부(150)는 k=0이면 구면, k=-1이면 포물면, k<-1이면 쌍곡면, -1<k<0이면 긴 타원체면, k>0이면 납작한 타원체면을 갖게 된다. 한편, 원추 곡선이란 원추를 임의의 각도로 절개하였을 때에 그 절개면의 형상이 가질 수 있는 곡선들을 가리키는데, 이러한 원추 곡선을 대칭축을 중심으로 회전시키면 그 원추 곡선의 궤적이 바로 원추 곡면이 된다.
구체적으로 일 실시예에서 R은 1.140E+01, k는 -6.281E-02, A2는 2.519E-01, A4는 -5.678E-01, A6은 6.969E-01, A8은 -2.915E-01, A10은 -2.933E-01, A12는 3.163E-01, A14는 -8.332E-02일 수 있다. 그러나 본 발명이 이러한 수치에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예에서는 R, k 및 A2 ~ A14의 값이 변경될 수 있다.
도 2는 제2 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 단면도이다. 구체적으로 도 2는 기판의 주면에 수직인 방향의 단면도이며, 본 실시예를 설명함에 있어서 전술한 제1 실시예와 실질적으로 동일한 부분에 대하여는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제2 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 기판(110)에 형성된 홀(H) 내에 배치되는 발광 소자(120), 발광 소자(120)를 감싸도록 홀(H) 내에 배치되는 확산판(140), 홀(H)을 매립하는 형광체층(130), 및 홀(H)을 포함하는 기판(110) 상에 배치되는 비구면 렌즈 형태의 몰딩부(150)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 통상적인 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 리드 프레임일 수 있으며, 이외에도 제1 실시예와 같은 재질로 구성될 수 있다. 또한, 발광 소자(120)는 발광 다이오드(LED)와 같이 빛을 발산하는 소자이고, 형광체층(130)은 적색계 형광체, 청색계 형광체, 녹색계 형광체 또는 황색계 형광체 중 어느 하나 이상이 실리콘 수지 등과 같은 투명 수지에 주입된 것일 수 있다.
확산판(140)은 발광 소자(120)에서 방출된 빛을 산란 및 확산시켜 균일하게 발광되도록 하는 것으로서, 오팔 계열의 확산제를 포함할 수 있다. 또한, 몰딩부(150)는 발광 소자(120)를 보호하면서 렌즈의 기능을 겸하는 렌즈 일체형 패키지로서 중앙이 오목하게 들어간 오목부(151)를 갖는 비구면 형태일 수 있으며, 몰딩부(150)의 중심(C2)은 발광 소자(120)의 중심(C1)과 동일한 축 상에 위치할 수 있다.
도 3a는 일 비교예에 따른 발광 소자 패키지의 배광 패턴을 나타내는 도면이고, 도 3b는 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 배광 패턴을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 발광 소자 패키지에 있어서 지향각이라 함은 정면으로 비추는 빛의 강도가 가장 크다고 가정할 때, 그 강도가 절반이 되는 지점까지의 범위를 의미한다. 일 비교예에 따른 발광 소자 패키지는 비구면 렌즈를 채용하지 않은 것으로서, 발광 소자에서 방출되는 빛의 지향각이 작은 것을 확인할 수 있다(도 3a 참조). 이에 반해 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태의 몰딩부가 적용된 것으로서, 발광 소자에서 방출되는 빛의 지향각이 크게 증가된 것을 확인할 수 있다(도 3b 참조).
도 4a는 일 비교예에 따른 발광 소자 패키지의 조도 분포를 나타내는 도면이고, 도 4b는 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 일 비교예에 따른 발광 소자 패키지는 비구면 렌즈를 채용하지 않은 것으로서, 발광 소자에서 방출되는 빛이 확산되는 범위가 좁은 것을 확인할 수 있다(도 4a 참조). 이에 반해 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태의 몰딩부가 적용된 것으로서, 발광 소자에서 방출되는 빛이 확산되는 범위가 크게 증가된 것을 확인할 수 있다(도 4b 참조).
도 5a는 일 비교예에 따른 발광 소자 패키지로 구성된 평판 조명 장치를 도시한 평면도이고, 도 5b는 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지로 구성된 평판 조명 장치를 도시한 평면도이다.
도 5a를 참조하면, 일 비교예에 따른 발광 소자 패키지는 비구면 렌즈를 채용하지 않은 것으로서, 앞에서 살펴본 바와 같이 발광 소자에서 방출되는 빛이 확산되는 범위가 좁으므로 이를 복수개 배열하여 평판 조명 장치를 구성하는 경우, 기판(110)의 단위 면적(A×A)에 상대적으로 많은 개수의 발광 소자(120)가 배치되어야 면 광원으로 시인될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태의 몰딩부가 적용된 것으로서, 앞에서 살펴본 바와 같이 발광 소자에서 방출되는 빛이 확산되는 범위가 넓으므로 이를 복수개 배열하여 평판 조명 장치를 구성하는 경우, 기판(110)의 단위 면적(A×A)에 상대적으로 적은 개수의 발광 소자(120)가 배치되어도 면 광원으로 시인될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 발광 소자 패키지 및 이를 포함하는 조명 장치에 의하면, 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태의 몰딩부 및 확산판을 채용하여 발광 소자에서 방출되는 빛이 넓게 확산되도록 함으로써 광효율을 높임과 동시에 제조 시간 및 비용을 줄일 수 있으며, '옐로우 링' 현상이 발생하는 것도 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 기술 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 기판
120 : 발광 소자
130 : 형광체층
140 : 확산판
150 : 몰딩부
151 : 오목부

Claims (5)

  1. 기판 상에 배치되는 발광 소자;
    상기 발광 소자를 감싸도록 상기 기판 상에 배치되는 확산판; 및
    상기 확산판을 포함하는 상기 기판 상에 배치되며, 중앙이 오목한 비구면 렌즈 형태를 갖는 몰딩부를 포함하고,
    상기 몰딩부의 중심은, 상기 발광 소자의 중심과 동일한 축 상에 위치하며,
    상기 확산판은, 상기 발광 소자와 상기 몰딩부 사이에 개재되는
    발광 소자 패키지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발광 소자와 상기 확산판 사이에 개재되는 형광체층을 더 포함하는
    발광 소자 패키지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 몰딩부의 하단 폭은, 상기 몰딩부의 상단 폭보다 넓은
    발광 소자 패키지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 발광 소자는, 상기 기판에 형성된 홀 내에 배치되는
    발광 소자 패키지.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 홀을 매립하는 형광체층을 더 포함하는
    발광 소자 패키지.
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