KR20160027286A - 광학소자 - Google Patents

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KR20160027286A
KR20160027286A KR1020140112988A KR20140112988A KR20160027286A KR 20160027286 A KR20160027286 A KR 20160027286A KR 1020140112988 A KR1020140112988 A KR 1020140112988A KR 20140112988 A KR20140112988 A KR 20140112988A KR 20160027286 A KR20160027286 A KR 20160027286A
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정승균
테츠오 아리요시
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삼성전자주식회사
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

본 발명에 따른 광학소자는, 광원과 마주하며, 광축이 지나는 중앙이 광출사 방향으로 함몰된 홈부 및 상기 홈부 둘레에 배치되는 요철 패턴을 갖는 제1면; 및 상기 제1면과 반대에 배치되며, 상기 홈부를 통해 입사된 광이 굴절되어 외부로 방출되는 제2면을 포함하며, 상기 요철 패턴은 상기 홈부에서 상기 제2면과 연결되는 테두리 방향으로 교호적으로 반복 배열된 복수의 볼록부와 복수의 오목부를 포함할 수 있다.

Description

광학소자{OPTICAL DEVICE}
본 발명은 광학소자에 관한 것이다.
발광소자 패키지에 사용되는 렌즈 중 광(廣)지향각 렌즈는 굴절을 이용하여 중심부에서 광을 측방향의 넓은 영역으로 확산시키는데 사용된다. 다만, 렌즈로 입사되는 광의 일부가 렌즈 내부에서 반사되어 변형된 광경로를 따라 진행하는 경우 렌즈 외부로 방출되는 광이 균일하게 확산되지 못하고 일부 영역에서 광 분포가 증가하는 현상이 발생한다.
이와 같이, 확산되는 광의 불균일한 분포에 의해 조명 장치 또는 디스플레이 장치에서 색 얼룩(mura)과 같은 광 균일도(Optical Uniformity) 불량이 발생할 수 있다.
이에 당 기술분야에서는 색 얼룩의 발생을 방지하고, 광 분포를 균일하게 할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학소자는, 광원과 마주하며, 광축이 지나는 중앙이 광출사 방향으로 함몰된 홈부 및 상기 홈부 둘레에 배치되는 요철 패턴을 갖는 제1면; 및 상기 제1면과 반대에 배치되며, 상기 홈부를 통해 입사된 광이 굴절되어 외부로 방출되는 제2면을 포함하며, 상기 요철 패턴은 상기 홈부에서 상기 제2면과 연결되는 테두리 방향으로 교호적으로 반복 배열된 복수의 볼록부와 복수의 오목부를 포함할 수 있다.
상기 요철 패턴은 상기 복수의 볼록부 표면에 배열된 복수의 돌기를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 돌기는 각 볼록부에서 오목부까지 연장되어 배열될 수 있다.
상기 복수의 볼록부는 각각 단차 구조를 가질 수 있다.
상기 요철 패턴은 상기 복수의 볼록부의 돌출된 꼭지점이 상기 제1면과 적어도 동일한 레벨에 위치할 수 있다.
상기 요철 패턴은 상기 복수의 오목부의 함몰된 꼭지점이 상기 제1면과 적어도 동일한 레벨에 위치할 수 있다.
상기 복수의 오목부와 복수의 볼록부는 각각 상기 광축을 기준으로 동심원을 이루며 배열될 수 있다.
상기 복수의 오목부와 복수의 볼록부는 상기 광축을 기준으로 나선형 배열을 가질 수 있다.
상기 제2면은, 상기 광축을 따라 상기 홈부를 향해 함몰되어 오목한 곡면을 가지는 제1 곡면과, 상기 제1 곡면의 가장자리로부터 상기 제1면과 연결되는 테두리까지 연속하여 연장되는 볼록한 곡면을 가지는 제2 곡면을 포함할 수 있다.
상기 홈부는 상기 광원 상에서 상기 광원과 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 홈부는 상기 제1면으로 노출되는 단면의 크기가 상기 광원보다 클 수 있다.
상기 제1면에 구비되는 지지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학소자는, 광원과 마주하며, 광축이 지나는 중앙이 광출사 방향으로 함몰된 홈부 및 상기 홈부 둘레에 배치되는 요철 패턴을 갖는 제1면; 및 상기 제1면과 반대에 배치되며, 상기 홈부를 통해 입사된 광이 굴절되어 외부로 방출되는 제2면을 포함하며, 상기 요철 패턴은 상기 제1면으로부터 돌출된 복수의 볼록부를 포함하고, 상기 복수의 볼록부는 그 표면에 배열된 복수의 돌기를 포함할 수 있다.
상기 요철 패턴은 상기 홈부에서 상기 제2면과 연결되는 테두리 방향으로 반복 배열될 수 있다.
상기 요철 패턴은 상기 복수의 볼록부가 각각 상기 광축을 기준으로 동심원을 이루며 배열되는 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 색 얼룩의 발생을 방지하고, 광 분포를 균일하게 할 수 있는 광학소자가 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 도 1의 광학소자에서 요철 패턴을 개략적으로 나타내는 저면도이다.
도 4는 도 3의 요철 패턴의 변형예를 개략적으로 나타내는 저면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1에서 요철 패턴을 부분적으로 확대한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 비교예에 따른 광학소자와 본 실시 형태에 따른 광학소자에서의 광 경로를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 비교예에 따른 광학소자와 본 실시 형태에 따른 광학소자의 조도 분포를 나타내는 그래프 및 광 분포도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 광학소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 광학소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 광학소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11의 광원 모듈에 채용될 수 있는 발광소자의 다양한 예를 나타내는 단면도이다.
도 13는 CIE1931 좌표계이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 발광소자에 채용될 수 있는 발광다이오드 칩의 다양한 예를 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치(벌브형)를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치(L램프형)를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치(평판형)를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자나 구성요소가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학소자를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학소자를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학소자(10)는 광원(LS) 상에 배치되어 상기 광원(LS)에서 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 광원(LS)은, 예를 들어, 발광소자 패키지를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 광학소자(10)는 발광소자 패키지의 광을 확산시켜 넓은 지향각을 구현하는 광(廣)지향각 렌즈를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학소자(10)는 광원(LS) 상에 배치되는 제1면(11)과, 상기 제1면(11)과 반대에 배치되는 제2면(12)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1면(11)은 상기 광원(LS) 상에 배치되어 상기 광원(LS)과 마주하는 면으로 상기 광학소자(10)의 바닥면에 해당된다. 상기 제1면(11)은 전체적으로 평평한 원 형상의 수평 단면 구조를 가질 수 있다.
상기 광원(LS)의 광축(Z)이 지나는 상기 제1면(11)의 중앙에는 광출사 방향으로 함몰된 홈부(13)가 구비될 수 있다. 상기 홈부(13)는 상기 광학소자(10)의 중심을 지나는 상기 광축(Z)에 대해 회전대칭을 이루는 구조를 가지며, 그 표면은 상기 광원(LS)의 광이 입사되는 입사면으로 정의될 수 있다. 따라서, 상기 광원(LS)에서 발생된 광은 상기 홈부(13)를 통과하여 상기 광학소자(10)의 내부로 진행하게 된다.
상기 홈부(13)는 상기 제1면(11)을 통해 외부로 개방되며, 상기 제1면(11)으로 노출되는 단면의 크기가 상기 광원(LS)보다 크도록 형성될 수 있다. 그리고, 상기 광원(LS)을 덮는 형태로 상기 광원(LS)의 상부에서 상기 광원(LS)과 마주하여 배치될 수 있다.
상기 제1면(11)은 상기 홈부(13) 둘레에 배치되는 요철 패턴(14)을 가질 수 있다. 상기 요철 패턴(14)은 복수의 볼록부(14a)와 복수의 오목부(14b)를 포함하며, 상기 홈부(13)에서 상기 제1면(11)이 상기 제2면(12)과 연결되는 테두리 방향으로 상기 복수의 볼록부(14a)와 복수의 오목부(14b)가 상호 교호적으로 반복 배열된 구조, 예를 들어, 물결무늬 형상의 구조를 가질 수 있다.
도 3 및 도 4는 각각 상기 광학소자의 평면도이며, 상기 요철 패턴(14)을 상기 광학소자(10)의 상기 제1면(11)에서 바라본 상태를 개략적으로 나타내고 있다.
도 3에서 도시하는 바와 같이, 상기 복수의 볼록부(14a)와 복수의 오목부(14b)는 각각 상기 광학소자(10)의 수평 단면형상에 대응하는 링 형상을 가질 수 있으며, 상기 광축(Z)을 기준으로 동심원을 이룰 수 있다. 그리고, 물결무늬 형상과 같이 주기적인 패턴을 이루며 방사상으로 확산되는 구조로 배열될 수 있다.
또한, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 상기 복수의 볼록부(14a)와 복수의 오목부(14b)는 상기 광축(Z)을 기준으로 상기 홈부(13)에서 상기 광학소자(10)의 테두리 방향을 향해 연속하여 연장되는 나선형 배열을 가지도록 형성될 수도 있다.
도 5a 내지 도 5c는 상기 요철 패턴(14)을 부분적으로 확대한 단면도이며, 상기 요철 패턴(14)을 상기 광학소자(10)의 단면에서 바라본 상태를 개략적으로 나타내고 있다.
도 5a에서 도시하는 바와 같이, 상기 요철 패턴(14)은 상기 복수의 볼록부(14a)의 돌출된 꼭지점이 상기 제1면(11)과 적어도 동일한 레벨에 위치하는 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 제1면(11)을 기준으로 상기 복수의 볼록부(14a)와 오목부(14b)는 상기 광학소자(10)의 내측에 배치될 수 있다.
또한, 도 5b에서 도시하는 바와 같이, 상기 요철 패턴(14)은 상기 복수의 오목부(14b)의 함몰된 꼭지점이 상기 제1면(11)과 적어도 동일한 레벨에 위치하는 구조를 가질 수도 있다. 즉, 상기 제1면(11)을 기준으로 상기 복수의 볼록부(14a)와 오목부(14b)는 상기 광학소자(10)의 외측에 배치될 수 있다.
또한, 도 5c에서 도시하는 바와 같이, 상기 요철 패턴(14)은 상기 제1면(11)을 기준으로 상기 복수의 볼록부(14a)가 상기 광학소자(10)의 외측에 배치되고, 상기 복수의 오목부(14b)가 상기 광학소자(10)의 내측에 배치되는 구조를 가질 수도 있다.
상기 제1면(11)은 상기 광원(LS)을 향해 돌출되는 지지부(15)를 가질 수 있다. 상기 지지부(15)는 상기 광학소자(10)와 일체를 이루거나 접착제 등을 통해 상기 제1면(11)에 부착될 수 있다. 상기 지지부(15)는 복수개로 구비될 수 있다.
상기 지지부(15)는 상기 광학소자(10)가 예를 들어 기판 상에 장착되는 경우 상기 광학소자(10)를 고정 및 지지할 수 있다(도 10 참조). 즉, 상기 광학소자(10)는 상기 지지부(15)를 통해 상기 기판 상에 장착될 수 있다. 그리고, 상기 제1면(11)은 상기 광원(LS) 상에 위치하고, 상기 홈부(13)는 상기 광원(LS)과 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 제2면(12)은 상기 제1면(11)과 반대에 배치되며, 상기 홈부(13)를 통해 입사된 광이 굴절되어 외부로 방출되는 광출사면으로 상기 광학소자(10)의 상면에 해당한다. 상기 제2면(12)은 전체적으로 상기 제1면(11)과 연결되는 테두리로부터 광출사 방향인 상부 방향으로 돔 형태로 돌출되고, 상기 광축(Z)이 지나는 중앙이 상기 홈부(13)를 향해 오목하게 함몰되어 변곡점을 가지는 구조를 가질 수 있다.
도 2에서 도시하는 바와 같이, 상기 제2면(12)은 상기 광축(Z)을 따라 상기 홈부(13)를 향해 함몰되어 오목한 곡면을 가지는 제1 곡면(12a)과, 상기 제1 곡면(12a)의 가장자리로부터 상기 제1면(11)과 연결되는 테두리까지 연속하여 연장되는 볼록한 곡면을 가지는 제2 곡면(12b)을 포함할 수 있다.
상기 광학소자(10)는 투광성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 아크릴(acrylic) 등을 포함할 수 있다. 또한, 글라스 재질로 이루어질 수도 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 광학소자(10)는 광분산 물질을 대략 3% 내지 15% 사이의 범위 내에서 함유할 수 있다. 상기 광분산 물질로는, 예를 들어, SiO2, TiO2 및 Al2O3로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 광분산 물질이 3%보다 적게 함유되는 경우에는 광이 충분히 분산되지 않아 광분산 효과를 기대할 수 없다는 문제가 발생한다. 그리고, 광분산 물질이 15% 이상 함유되는 경우에는 상기 광학소자(10)를 통해 외부로 방출되는 광량이 감소하게 되어 광추출 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
상기 광학소자(10)는 유동성의 용제를 금형 내부로 주입하고 고형화하는 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 인젝션 몰딩(injection molding), 트랜스퍼 몰딩(transfer molding), 컴프레션 몰딩(compression molding) 등의 방식이 포함될 수 있다.
도 6a 및 도 6b에서는 비교예에 따른 광학소자와 본 실시 형태에 따른 광학소자에서의 광 경로를 개략적으로 나타내고 있다.
렌즈와 같은 광학소자는 굴절을 이용하여 중심부에서 광을 균일하게 확산시키는데 용이하지만 일부 굴절 조건을 벗어나게 되면(예를 들어, 프레넬 반사, 전반사) 광이 균일하게 확산되지 못하거나 손실될 수 있다. 이러한 굴절 조건은 광이 광학소자에서 공기로 진행할 때 그 경계면인 광학소자의 광출사면, 즉 제2면으로 입사되는 각도에 의해 결정될 수 있다.
광학소자의 설계에 따라서 제2면의 일부 영역에서 광은 전반사 또는 프레넬 반사에 의해 광학소자의 내부로 반사되어 제1면으로 진행할 수 있다. 그리고, 상기 제1면에서 다시 상기 제2면을 향해 반사될 수 있다.
도 6a에서와 같이, 바닥면이 평평한 구조를 가지는 비교예에 따른 광학소자(1)의 경우 제1면(1a)에서 반사되어 다시 제2면(1b)으로 진행하는 광(L1)은 제2면(1b)에서 광학소자(1)의 외부로 방출될 때 광학소자(1)의 측방향 일부 영역으로 집중하여 분포하는 경향을 나타낸다.
한편, 도 6b에서와 같이, 본 실시 형태에 따른 광학소자(10)에서는 제2면(12)에서 반사되어 제1면(11)으로 향하는 광(L2)이 제1면(11)에 구비된 요철 패턴(14)에 의해 다양한 방향으로 반사되어 제2면(12)에서 광학소자(10)의 외부로 방출될 때 일부 영역이 아닌 다양한 방향으로 산란되는 경향을 나타낸다.
도 7a 및 도 7b에서는 각 광학소자에서의 조도 분포의 그래프 및 광 분포도를 나타내고 있다.
도 7a에서와 같이, 비교예에 따른 광학소자(1)에서는 광축에 인접한 일부 영역에서 광 분포가 증가하는 모습을 확인할 수 있으며, 따라서 전체적인 광 분포의 균일도가 저하됨을 확인할 수 있다. 이러한 불균일한 광 분포는 조명 장치나 디스플레이 장치 등에서 색 얼룩과 같은 불량을 발생시킬 수 있다.
반면, 도 7b에서와 같이, 본 실시 형태에 따른 광학소자(10)에서는 광축에서 광 분포가 높고, 광축에서 멀어질수록 대칭을 이루며 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 도 7a에서와 달리 광 분포의 균일도가 현저히 증가됨을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 광학소자를 설명한다. 도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 광학소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8에서 도시하는 실시 형태에 따른 광학소자(20)를 구성하는 구조는 상기 도 1 내지 도 5에 도시된 실시 형태와 기본적인 구조는 실질적으로 동일하다. 다만, 요철 패턴(24)의 구조가 상기 도 1 내지 도 5에 도시된 실시 형태와 다르기 때문에 이하에서는 앞서 설명한 실시 형태와 중복되는 부분에 관한 설명은 생략하고 요철 패턴(24)의 구조를 위주로 설명한다.
도 8을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 광학소자(20)는 광원(LS) 상에 배치되는 제1면(21)과, 상기 제1면(21)과 반대에 배치되는 제2면(22)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1면(21)은 상기 광원(LS)의 광축(Z)이 지나는 중앙에 광출사 방향으로 함몰된 홈부(23)를 구비할 수 있다. 상기 홈부(23)는 상기 광학소자(20)의 중심을 지나는 상기 광축(Z)에 대해 회전대칭을 이루는 구조를 가지며, 그 표면은 상기 광원(LS)의 광이 입사되는 입사면으로 정의될 수 있다. 상기 홈부(23)는 상기 제1면(21)을 통해 외부로 개방되며, 상기 제1면(21)으로 노출되는 단면의 크기가 상기 광원(LS)보다 크도록 형성될 수 있다.
상기 제1면(21)은 상기 홈부(23) 둘레에 배치되는 요철 패턴(24)을 가질 수 있다. 상기 요철 패턴(24)은 복수의 볼록부(24a)와 복수의 오목부(24b)를 포함하며, 상기 홈부(23)에서 상기 제1면(21)이 상기 제2면(22)과 연결되는 테두리 방향으로 상기 복수의 볼록부(24a)와 복수의 오목부(24b)가 상호 교호적으로 반복 배열된 구조, 예를 들어, 물결무늬 형상의 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1면(21)은 복수의 지지부(25)를 구비할 수 있다.
상기 도 3에서 도시하는 요철 패턴(14)과 마찬가지로, 본 실시 형태에 따른 요철 패턴(24) 또한 상기 복수의 볼록부(24a)와 복수의 오목부(24b)가 각각 상기 광학소자(20)의 수평 단면형상에 대응하는 링 형상을 가질 수 있으며, 상기 광축(Z)을 기준으로 동심원을 이룰 수 있다. 그리고, 물결무늬 형상과 같이 주기적인 패턴을 이루며 방사상으로 확산되는 구조로 배열될 수 있다.
또한, 상기 도 4에서 마찬가지로, 상기 복수의 볼록부(24a)와 복수의 오목부(24b)는 상기 광축(Z)을 기준으로 상기 홈부(23)에서 상기 광학소자(20)의 테두리 방향을 향해 연속하여 연장되는 나선형 배열을 가지도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 요철 패턴(24)은 상기 복수의 볼록부(24a) 표면에 배열된 복수의 돌기(24c)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 복수의 돌기(24c)는 상기 볼록부(24a)에서 오목부(24b)까지 연장되어 배열될 수 있다.
상기 복수의 돌기(24c)는 상기 복수의 볼록부(24a) 또는 상기 복수의 볼록부(24a)와 오목부(24b)의 표면으로부터 돌출되어 상기 볼록부(24a)와 오목부(24b)의 표면을 덮는 구조로 구비될 수 있다. 그리고, 상기 복수의 돌기(24c)는 각 볼록부(24a)의 돌출된 정점을 기준으로 대칭 또는 비대칭 구조로 배열될 수 있다.
상기 복수의 돌기(24c)는 곡면을 가지는 반원 형상을 가질 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 삼각형, 사각형 등 기타 다양한 형상을 가질 수도 있다.
또한, 본 실시 형태에서와 같이 상기 볼록부(24a)와 오목부(24b)의 표면을 전체적으로 뒤덮는 구조 외에 서로 간격을 두고 이격되어 배열되어 부분적으로 덮는 구조로 구비되는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 요철 패턴(24)은 상기 제1면(21)에 배열된 복수의 볼록부(24a)와 오목부(24b)를 포함하고, 상기 복수의 볼록부(24a)와 오목부(24b) 표면에 배열된 복수의 돌기(24c)를 포함하는 2중으로 돌출된 요철 구조를 가질 수 있다.
이러한 요철 패턴(24)의 구조를 통해 광을 보다 넓은 영역으로 산란 및 확산시킬 수 있다. 따라서, 전체적인 광 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 9를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 광학소자를 설명한다. 도 9는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 광학소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9에서 도시하는 실시 형태에 따른 광학소자(30)를 구성하는 구조는 상기 도 1 내지 도 5에 도시된 실시 형태와 기본적인 구조는 실질적으로 동일하다. 다만, 요철 패턴(34)의 구조가 상기 도 1 내지 도 5에 도시된 실시 형태와 다르기 때문에 이하에서는 앞서 설명한 실시 형태와 중복되는 부분에 관한 설명은 생략하고 요철 패턴(34)의 구조를 위주로 설명한다.
도 9를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 광학소자(30)는 광원(LS) 상에 배치되는 제1면(31)과, 상기 제1면(31)과 반대에 배치되는 제2면(32)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1면(31)은 상기 광원(LS)의 광축(Z)이 지나는 중앙에 광출사 방향으로 함몰된 홈부(33)를 구비할 수 있다. 상기 홈부(33)는 상기 광학소자(30)의 중심을 지나는 상기 광축(Z)에 대해 회전대칭을 이루는 구조를 가지며, 그 표면은 상기 광원(LS)의 광이 입사되는 입사면으로 정의될 수 있다. 상기 홈부(33)는 상기 제1면(31)을 통해 외부로 개방되며, 상기 제1면(31)으로 노출되는 단면의 크기가 상기 광원(LS)보다 크도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1면(31)은 복수의 지지부(35)를 구비할 수 있다.
상기 제1면(31)은 상기 홈부(33) 둘레에 배치되는 요철 패턴(34)을 가질 수 있다. 상기 요철 패턴(34)은 복수의 볼록부(34a)와 복수의 오목부(34b)를 포함하며, 상기 홈부(33)에서 상기 제1면(31)이 상기 제2면(32)과 연결되는 테두리 방향으로 상기 복수의 볼록부(34a)와 복수의 오목부(34b)가 상호 교호적으로 반복 배열된 구조, 예를 들어, 물결무늬 형상의 구조를 가질 수 있다.
상기 도 3에서 도시하는 요철 패턴(14)과 마찬가지로, 본 실시 형태에 따른 요철 패턴(34) 또한 상기 복수의 볼록부(34a)와 복수의 오목부(34b)가 각각 상기 광학소자(30)의 수평 단면형상에 대응하는 링 형상을 가질 수 있으며, 상기 광축(Z)을 기준으로 동심원을 이룰 수 있다. 그리고, 물결무늬 형상과 같이 주기적인 패턴을 이루며 방사상으로 확산되는 구조로 배열될 수 있다.
또한, 상기 도 4에서 마찬가지로, 상기 복수의 볼록부(34a)와 복수의 오목부(34b)는 상기 광축(Z)을 기준으로 상기 홈부(33)에서 상기 광학소자(30)의 테두리 방향을 향해 연속하여 연장되는 나선형 배열을 가지도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 복수의 볼록부(34a)는 각각 복수의 단차(34c)를 이루는 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 복수의 오목부(34b)도 상기 볼록부(34a)와 대응하여 단차를 이루는 구조를 가질 수 있다.
상기 복수의 단차(34c) 구조는 광축(Z)을 따라 수직 방향으로 다양한 크기의 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 광원을 향해 하부 방향으로 폭이 감소하는 구조를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 요철 패턴(34)은 상기 제1면(31)에 배열된 복수의 볼록부(34a)와 오목부(34b)를 포함하고, 상기 복수의 볼록부(34a)와 오목부(34b)가 단차(34c)를 이루는 구조를 가질 수 있다.
도 10을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 광학소자를 설명한다. 도 10은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 광학소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10에서 도시하는 실시 형태에 따른 광학소자(30)를 구성하는 구조는 상기 도 1 내지 도 5에 도시된 실시 형태와 기본적인 구조는 실질적으로 동일하다. 다만, 요철 패턴(44)의 구조가 상기 도 1 내지 도 5에 도시된 실시 형태와 다르기 때문에 이하에서는 앞서 설명한 실시 형태와 중복되는 부분에 관한 설명은 생략하고 요철 패턴(34)의 구조를 위주로 설명한다.
도 10을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 광학소자(40)는 광원(LS) 상에 배치되는 제1면(41)과, 상기 제1면(41)과 반대에 배치되는 제2면(42)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1면(41)은 상기 광원(LS)의 광축(Z)이 지나는 중앙에 광출사 방향으로 함몰된 홈부(43)를 구비할 수 있다. 상기 홈부(43)는 상기 광학소자(40)의 중심을 지나는 상기 광축(Z)에 대해 회전대칭을 이루는 구조를 가지며, 그 표면은 상기 광원(LS)의 광이 입사되는 입사면으로 정의될 수 있다. 상기 홈부(43)는 상기 제1면(41)을 통해 외부로 개방되며, 상기 제1면(41)으로 노출되는 단면의 크기가 상기 광원(LS)보다 크도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1면(41)은 복수의 지지부(45)를 구비할 수 있다.
상기 제1면(41)에는 상기 홈부(43) 둘레에 배치되는 요철 패턴(44)이 구비될 수 있다. 상기 요철 패턴(44)은 상기 제1면(41)에서 돌출된 복수의 볼록부(44a)를 포함하며, 상기 홈부(43)에서 상기 제1면(41)이 상기 제2면(42)과 연결되는 테두리 방향으로 상기 복수의 볼록부(44a)가 반복 배열된 구조를 가질 수 있다.
상기 도 3에서 도시하는 요철 패턴(14)과 마찬가지로, 본 실시 형태에 따른 요철 패턴(44) 또한 상기 복수의 볼록부(44a)가 각각 상기 광학소자(40)의 수평 단면형상에 대응하는 링 형상을 가질 수 있으며, 상기 광축(Z)을 기준으로 동심원을 이룰 수 있다. 그리고, 주기적인 패턴을 이루며 방사상으로 확산되는 구조로 배열될 수 있다.
또한, 상기 도 4에서 마찬가지로, 상기 복수의 볼록부(44a)는 상기 광축(Z)을 기준으로 상기 홈부(43)에서 상기 광학소자(40)의 테두리 방향을 향해 연속하여 연장되는 나선형 배열을 가지도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 복수의 볼록부(44a)는 각각 그 표면에 배열된 복수의 돌기(44c)를 가질 수 있다.
상기 복수의 돌기(44c)는 상기 복수의 볼록부(44a)의 표면으로부터 돌출되어 해당 볼록부(44a)의 표면을 덮는 구조로 구비될 수 있다. 그리고, 상기 복수의 돌기(44c)는 각 볼록부(44a)의 돌출된 정점을 기준으로 대칭 또는 비대칭 구조로 배열될 수 있다.
상기 복수의 돌기(44c)는 곡면을 가지는 반원 형상을 가질 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 삼각형, 사각형 등 기타 다양한 형상을 가질 수도 있다.
도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈(100)을 설명한다. 도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광원 모듈(100)은 발광소자(40), 상기 발광소자(40)가 실장되는 기판(50) 및 상기 기판(50) 상에 실장되며 상기 발광소자(40) 상에 배치되는 광학소자(10)를 포함하여 구성될 수 있다.
발광소자(40)는 외부에서 인가되는 구동 전원에 의해 소정 파장의 광을 발생시키는 광전소자일 수 있다. 예를 들어, n형 반도체층 및 p형 반도체층과 이들 사이에 배치된 활성층을 갖는 반도체 발광다이오드(LED) 칩 또는 이를 구비한 패키지를 포함할 수 있다.
상기 발광소자(40)는 함유되는 물질 또는 형광체와의 조합에 따라서 청색 광, 녹색 광 또는 적색 광을 발광할 수 있으며, 백색 광, 자외 광 등을 발광할 수도 있다.
도 12a에서 도시하는 바와 같이, 상기 발광소자(40)는 반사컵(421)을 갖는 몸체(420) 내에 LED 칩(410)이 실장된 패키지 구조를 가질 수 있다.
상기 몸체(420)는 상기 LED 칩(410)이 실장되어 지지되는 베이스 부재에 해당하며, 광 반사율이 높은 백색 성형 복합재(molding compound)로 이루어질 수 있다. 이는 LED 칩(410)에서 방출되는 광을 반사시켜 외부로 방출되는 광량을 증가시키는 효과가 있다. 이러한 백색 성형 복합재는 고 내열성의 열경화성 수지 계열 또는 실리콘 수지 계열을 포함할 수 있다. 또한, 열 가소성 수지 계열에 백색 안료 및 충진제, 경화제, 이형제, 산화방지제, 접착력 향상제 등이 첨가될 수 있다. 또한, FR-4, CEM-3, 에폭시 재질 또는 세라믹 재질 등으로도 이루어질 수 있다. 또한, 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질로 이루어지는 것도 가능하다.
상기 몸체(420)에는 외부 전원과의 전기적 연결을 위한 리드 프레임(422)이 구비될 수 있다. 상기 리드 프레임(422)은 전기 전도성이 우수한 재질, 예를 들어, 알루미늄, 구리 등의 금속 재질로 이루어질 수 있다. 만일, 상기 몸체(420)가 금속 재질로 이루어지는 경우에는 상기 몸체(420)와 상기 리드 프레임(422) 사이에는 절연 물질이 개재될 수 있다.
상기 몸체(420)에 구비되는 상기 반사컵(421)은 상기 LED 칩(410)이 실장되는 바닥면으로 상기 리드 프레임(422)이 노출될 수 있다. 그리고, 상기 LED 칩(410)은 상기 노출된 리드 프레임(422)과 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 반사컵(421)의 상기 몸체(420)의 상면으로 노출되는 단면의 크기는 상기 반사컵(421)의 바닥면의 크기보다 큰 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 반사컵(421)의 상기 몸체(420)의 상면으로 노출되는 단면은 상기 발광소자(40)의 발광면을 정의할 수 있다.
한편, 상기 LED 칩(410)은 상기 몸체(420)의 반사컵(421) 내에 형성되는 봉지재(430)에 의해 밀봉될 수 있다. 상기 봉지재(430)에는 파장변환물질이 함유될 수 있다.
파장변환물질로는, 예컨대 상기 LED 칩(410)에서 발생된 광에 의해 여기되어 다른 파장의 광을 방출하는 형광체가 적어도 1종 이상 함유될 수 있다. 이를 통해 백색 광을 비롯해 다양한 색상의 광이 방출될 수 있도록 조절할 수 있다.
예를 들어, LED 칩(410)이 청색 광을 발광하는 경우, 황색, 녹색, 적색 또는 오랜지색의 형광체를 조합하여 백색 광을 발광하도록 할 수 있다. 또한, 보라색, 청색, 녹색, 적색 또는 적외선을 발광하는 발광소자 중 적어도 하나를 포함하게 구성할 수도 있다. 이 경우, LED 칩(410)은 연색성(CRI)을 나트륨(Na)등(연색지수 40)에서 태양광(연색지수 100) 수준으로 조절할 수 있으며, 또한, 색온도를 2000K에서 20000K 수준으로 다양한 백색 광을 발생시킬 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 보라색, 청색, 녹색, 적색, 오랜지색의 가시광 또는 적외선을 발생시켜 주위 분위기 또는 기분에 맞게 색을 조정할 수 있다. 또한, 식물 성장을 촉진할 수 있는 특수 파장의 광을 발생시킬 수도 있다.
상기 청색 LED에 황색, 녹색, 적색 형광체 및/또는 녹색, 적색 LED의 조합으로 만들어지는 백색 광은 2개 이상의 피크 파장을 가지며, 도 13에서 도시하는 CIE 1931 좌표계의 (x, y) 좌표가 (0.4476, 0.4074), (0.3484, 0.3516), (0.3101, 0.3162), (0.3128, 0.3292), (0.3333, 0.3333)을 잇는 선분 상에 위치할 수 있다. 또는, 상기 선분과 흑체 복사 스펙트럼으로 둘러싸인 영역에 위치할 수 있다. 상기 백색 광의 색 온도는 2000K ~ 20000K사이에 해당한다.
형광체는 다음과 같은 조성식 및 컬러(color)를 가질 수 있다.
산화물계: 황색 및 녹색 Y3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Lu3Al5O12:Ce
실리케이트계: 황색 및 녹색 (Ba,Sr)2SiO4:Eu, 황색 및 등색 (Ba,Sr)3SiO5:Ce
질화물계: 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 La3Si6N11:Ce, 등색 α-SiAlON:Eu, 적색 CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, SrSiAl4N7:Eu
플루오라이트(fluoride)계: KSF계 적색 K2SiF6:Mn4+
형광체 조성은 기본적으로 화학양론(Stoichiometry)에 부합하여야 하며, 각 원소들은 주기율표상 각 족들 내 다른 원소로 치환이 가능하다. 예를 들어 Sr은 알카리토류(II)족의 Ba, Ca, Mg 등으로, Y는 란탄계열의 Tb, Lu, Sc, Gd 등으로 치환이 가능하다. 또한, 활성제인 Eu 등은 원하는 에너지 준위에 따라 Ce, Tb, Pr, Er, Yb 등으로 치환이 가능하며, 활성제 단독 또는 특성 변형을 위해 부활성제 등이 추가로 적용될 수 있다.
또한, 형광체 대체 물질로 양자점(Quantum Dot, QD) 등의 물질들이 적용될 수 있으며, 형광체와 QD를 혼합 또는 단독으로 사용될 수 있다.
QD는 CdSe, InP 등의 코어(Core)(3~10nm)와 ZnS, ZnSe 등의 셀(Shell)(0.5 ~ 2nm) 및 Core, Shell의 안정화를 위한 리간드(ligand)의 구조로 구성될 수 있으며, 사이즈에 따라 다양한 컬러를 구현할 수 있다.
본 실시 형태에서는 상기 발광소자(40)가 LED 칩(410)이 반사컵(421)을 갖는 몸체(420) 내부에 구비된 패키지 구조인 것을 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 도 12b에서와 같이, 상기 발광소자(40')는 상기 LED 칩(410')이 상기 몸체(420')의 상면에 실장된 칩온보드(COB) 구조일 수 있다. 이 경우, 상기 몸체(420')는 회로배선이 형성된 회로기판일 수 있으며, 상기 봉지재(430')는 상기 몸체(420')의 상면 상에 돌출되어 상기 LED 칩(410')을 덮는 렌즈 구조로 구비될 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 상기 발광소자(40)가 패키지 단품인 것을 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 발광소자(40)는 상기 LED 칩(410) 자체일 수도 있다.
기판(50)은 FR4 타입의 인쇄회로기판(PCB) 혹은 변형이 쉬운 플렉서블(flexible) 인쇄회로기판일 수 있고, 에폭시, 트리아진, 실리콘, 및 폴리이미드 등을 함유하는 유기 수지 소재 및 기타 유기 수지 소재로 형성될 수 있다. 또한, 실리콘 나이트라이드, AlN, Al2O3 등의 세라믹 소재로 형성되거나, MCPCB, MCCL 등과 같이 금속 및 금속화합물을 소재로 하여 형성될 수 있다.
상기 기판(50)에는 상기 발광소자(30)와 전기적으로 접속되는 회로 배선(51)이 구비될 수 있다.
광학소자(10)는 상기 도 1 내지 도 10서 개시하는 광학소자와 실질적으로 동일하며, 따라서 이에 대한 설명은 생략한다.
본 실시 형태에서는 상기 광원 모듈(100)이 기판(50) 상에 실장된 단일의 발광소자(40)와 단일의 광학소자(10)로 구성되는 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 발광소자(40)는 복수개로 구비되어 상기 기판(50) 상에 배열될 수 있으며, 상기 광학소자(10)는 상기 발광소자(40)에 대응하여 복수개로 구비되며, 각 발광소자(40) 상에 배치될 수 있다.
도 14 내지 도 16을 참조하여 발광소자에 채용될 수 있는 LED 칩의 다양한 실시예를 설명한다. 도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 발광소자에 채용될 수 있는 발광다이오드 칩의 다양한 예를 나타내는 단면도이다.
도 14를 참조하면, LED 칩(410)은 성장 기판(411)상에 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층(412), 활성층(413) 및 제2 도전형 반도체층(414)을 포함할 수 있다.
성장 기판(411) 상에 적층되는 제1 도전형 반도체층(412)은 n형 불순물이 도핑된 n형 질화물 반도체층일 수 있다. 그리고, 제2 도전형 반도체층(414)은 p형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층일 수 있다. 다만, 실시 형태에 따라서 제1 및 제2 도전형 반도체층(412, 414)은 위치가 바뀌어 적층될 수도 있다. 이러한 제1 및 제2 도전형 반도체층(412, 414)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x＜1, 0≤y＜1, 0≤x+y＜1)을 가지며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(412, 414) 사이에 배치되는 활성층(413)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출한다. 활성층(413)은 제1 및 제2 도전형 반도체층(412, 414)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전형 반도체층(412, 414)이 GaN계 화합물 반도체인 경우, 활성층(413)은 GaN의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 InGaN계 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 활성층(413)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(Multiple Quantum Wells, MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수도 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니므로 상기 활성층(413)은 단일 양자우물 구조(Single Quantum Well, SQW)가 사용될 수도 있다.
상기 LED 칩(410)은 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(412, 414)과 각각 전기적으로 접속하는 제1 및 제2 전극 패드(415, 416)를 구비할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드(415, 416)는 동일한 방향을 향하도록 노출 및 배치될 수 있다. 그리고, 와이어 본딩 또는 플립 칩 본딩 방식으로 기판과 전기적으로 접속될 수 있다.
도 15에 도시된 LED 칩(420)은 성장 기판(421) 상에 형성된 반도체 적층체를 포함한다. 상기 반도체 적층체는 제1 도전형 반도체층(422), 활성층(423) 및 제2 도전형 반도체층(424)을 포함할 수 있다.
상기 LED 칩(420)은 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(422, 424)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극 패드(425, 426)를 포함한다. 상기 제1 전극 패드(425)는 제2 도전형 반도체층(424) 및 활성층(423)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(422)과 접속된 도전성 비아(425a) 및 도전성 비아(425a)에 연결된 전극 연장부(425b)를 포함할 수 있다. 도전성 비아(425a)는 절연층(427)에 의해 둘러싸여 활성층(423) 및 제2 도전형 반도체층(424)과 전기적으로 분리될 수 있다. 도전성 비아(425a)는 반도체 적층체가 식각된 영역에 배치될 수 있다. 도전성 비아(425a)는 접촉 저항이 낮아지도록 개수, 형상, 피치 또는 제1 도전형 반도체층(422)과의 접촉 면적 등을 적절히 설계할 수 있다. 또한, 도전성 비아(425a)는 반도체 적층체 상에 행과 열을 이루도록 배열됨으로써 전류 흐름을 개선시킬 수 있다. 상기 제2 전극 패드(426)는 제2 도전형 반도체층(424) 상의 오믹 콘택층(426a) 및 전극 연장부(426b)를 포함할 수 있다.
도 16에 도시된 LED 칩(430)은 성장 기판(431)과, 상기 성장 기판(431) 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층(432)과, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(432) 상에 형성된 복수의 나노 발광구조물(433)을 포함한다. 그리고, 절연층(434) 및 충진부(437)를 더 포함할 수 있다.
나노 발광구조물(433)은 제1 도전형 반도체 코어(433a)와 그 코어(433a)의 표면에 셀층으로 순차적으로 형성된 활성층(433b) 및 제2 도전형 반도체층(433c)을 포함한다.
본 실시예에서, 나노 발광구조물(433)은 코어-셀(core-shell) 구조로서 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 피라미드 구조와 같은 다른 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(432)은 나노 발광구조물(433)의 성장면을 제공하는 층일 수 있다. 상기 절연층(434)은 나노 발광구조물(433)의 성장을 위한 오픈 영역을 제공하며, SiO2 또는 SiNx와 같은 유전체 물질일 수 있다. 상기 충진부(437)는 나노 발광구조물(433)을 구조적으로 안정화시킬 수 있으며, 빛을 투과 또는 반사하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 달리, 상기 충진부(437)가 투광성 물질을 포함하는 경우, 충진부(437)는 SiO2, SiNx, 탄성 수지, 실리콘(silicone), 에폭시 수지, 고분자 또는 플라스틱과 같은 투명한 물질로 형성될 수 있다. 필요에 따라, 상기 충진부(437)가 반사성 물질을 포함하는 경우, 충진부(437)는 PPA(polypthalamide) 등의 고분자 물질에 고반사성을 가진 금속분말 또는 세라믹 분말이 사용될 수 있다. 고반사성 세라믹 분말로서는, TiO2, Al2O3, Nb2O5, Al2O3 및 ZnO로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이와 달리, 고반사성 금속이 사용될 수도 있으며, Al 또는 Ag와 같은 금속일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 패드(435, 436)는 나노 발광구조물(433)의 하면에 배치될 수 있다. 상기 제1 전극 패드(435)는 제1 도전형 반도체 베이스층(432)의 노출된 상면에 위치하고, 제2 전극 패드(436)는 나노 발광구조물(433) 및 충진부(437)의 하부에 형성되는 오믹 콘택층(436a) 및 전극 연장부(436b)를 포함한다. 이와 달리, 오믹 콘택층(436a)과 전극 연장부(436b)는 일체로 형성될 수도 있다.
도 17 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 광원 모듈을 채용하는 다양한 실시 형태에 따른 조명 장치를 설명한다.
도 17에서는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내고 있다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치(1000)는 벌브형 램프일 수 있으며, 실내 조명용, 예를 들어, 다운라이트(downlight)로 사용될 수 있다. 조명 장치(1000)는 전기 연결 구조(1030)를 갖는 하우징(1020)과 상기 하우징(1020)에 장착되는 적어도 하나의 광원 모듈(1010)을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 상기 하우징(1020)에 장착되어 상기 적어도 하나의 광원 모듈(1010)을 덮는 커버(1040)를 더 포함할 수 있다.
상기 광원 모듈(1010)은 상기 도 11의 광원 모듈(100)과 실질적으로 동일하며, 따라서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 상기 광원 모듈(1010)은 복수의 발광소자(40)와 광학소자(10)가 기판(1011) 상에 장착되어 배치되는 구성을 가질 수 있다(도 11 참조).
상기 하우징(1020)은 상기 광원 모듈(1010)을 지지하는 프레임으로서의 기능과, 상기 광원 모듈(1010)에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 히트 싱크로서의 기능을 수행할 수 있다. 이를 위해 상기 하우징(1020)은 열전도율이 높고 견고한 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질, 방열 수지등으로 이루어질 수 있다.
하우징(1020)의 외측면에는 공기와의 접촉면적을 증가시켜 방열 효율이 향상되도록 하기 위한 복수의 방열핀(1021)이 구비될 수 있다.
상기 하우징(1020)에는 상기 광원 모듈(1010)과 전기적으로 연결되는 전기 연결 구조(1030)가 구비된다. 상기 전기 연결 구조(1030)는 단자부(1031)와, 상기 단자부(1031)를 통해 공급되는 구동 전원을 상기 광원 모듈(1010)로 공급하는 구동부(1032)를 포함할 수 있다.
상기 단자부(1031)는 조명 장치(1000)를, 예컨대 소켓 등에 장착하여 고정 및 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 본 실시 형태에서는 단자부(1031)가 슬라이딩 삽입되는 핀 타입의 구조를 가지는 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 필요에 따라서 상기 단자부(1031)는 나사산을 가져 돌려서 끼워지는 에디슨 타입의 구조를 가지는 것도 가능하다.
상기 구동부(1032)는 외부의 구동 전원을 상기 광원 모듈을 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 이러한 구동부(1032)는, 예를 들어 AC-DC 컨버터, 정류회로 부품, 퓨즈 등으로 구성될 수 있다. 또한, 경우에 따라 원격 제어를 구현할 수 있는 통신 모듈을 더 포함할 수도 있다.
상기 커버(1040)는 상기 하우징(1020)에 장착되어 상기 적어도 하나의 광원 모듈(1010)을 덮으며, 볼록한 렌즈 형상 또는 벌브 형상을 가질 수 있다. 상기 커버(1040)는 광 투과성 재질로 이루어질 수 있으며, 광 분산물질을 함유할 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다. 도 18을 참조하면, 조명 장치(1100)는 일 예로서 바(bar) 타입 램프일 수 있으며, 광원 모듈(1110), 하우징(1120), 단자(1130) 및 커버(1140)를 포함하여 구성될 수 있다.
광원 모듈(1110)은 상기 도 11의 광원 모듈이 채용될 수 있다. 따라서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 상기 광원 모듈(1110)은 기판(1111) 상에 복수의 발광소자(40)와 광학소자(10)가 장착되어 기판(1111)을 따라 배열되는 구성을 가질 수 있다(도 11 참조).
하우징(1120)은 일면(1122)에 상기 광원 모듈(1110)을 탑재하여 고정시킬 수 있으며, 상기 광원 모듈(1110)에서 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 이를 위해 상기 하우징(1120)은 열전도율이 우수한 재질, 예컨대 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 양 측면에는 방열을 위한 복수의 방열 핀(1121)이 돌출되어 형성될 수 있다.
상기 하우징(1120)의 일면(1122)에는 상기 광원 모듈(1110)이 장착될 수 있다.
커버(1140)는 광원 모듈(1110)을 덮을 수 있도록 하우징(1120)의 걸림 홈(1123)에 체결된다. 그리고, 상기 광원 모듈(1110)에서 발생된 광이 외부로 전체적으로 균일하게 조사될 수 있도록 반원 형태의 곡면을 가질 수 있다. 커버(1140)의 바닥면에는 하우징(1120)의 걸림 홈(1123)에 맞물리는 돌기(1141)가 길이 방향을 따라서 형성될 수 있다.
단자(1130)는 하우징(1120)의 길이 방향의 양 끝단부 중 개방된 적어도 일측에 구비되어 광원 모듈(1110)에 전원을 공급할 수 있으며, 외부로 돌출된 전극 핀(1133)을 포함할 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다. 도 19를 참조하면, 조명 장치(1200)는 일 예로서 면 광원 타입의 구조를 가질 수 있으며, 광원 모듈(1210), 하우징(1220), 커버(1240) 및 히트 싱크(1250)를 포함하여 구성될 수 있다.
광원 모듈(1210)은 상기 도 11의 광원 모듈이 채용될 수 있다. 따라서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 상기 광원 모듈(1210)은 기판(1211) 상에 복수의 발광소자(40)와 광학소자(10)가 장착되어 기판(1211)을 따라 배열되는 구성을 가질 수 있다(도 11 참조).
하우징(1220)은 상기 광원 모듈(1210)이 탑재되는 일면(1222)과 상기 일면(1222) 둘레에서 연장되는 측면(1224)을 포함하여 박스형 구조를 가질 수 있다. 하우징(1220)은 상기 광원 모듈(1210)에서 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있도록 열전도율이 우수한 재질, 예컨대 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 하우징(1220)의 일면(1222)에는 추후 설명하는 히트 싱크(1250)가 삽입되어 체결되는 홀(1226)이 상기 일면(1222)을 관통하여 형성될 수 있다. 그리고, 상기 일면(1222)에 탑재되는 상기 광원 모듈(1210)의 기판(1211)은 부분적으로 상기 홀(1226)상에 걸쳐져서 외부로 노출될 수 있다.
커버(1240)는 상기 광원 모듈(1210)을 덮을 수 있도록 상기 하우징(1220)에 체결될 수 있다. 그리고, 전체적으로 편평한 구조를 가질 수 있다.
히트 싱크(1250)는 하우징(1220)의 타면(1225)을 통해 상기 홀(1226)에 체결될 수 있다. 그리고, 상기 홀(1226)을 통해 상기 광원 모듈(1210)과 접촉하여 상기 광원 모듈(1210)의 열을 외부로 방출할 수 있다. 방열 효율의 향상을 위해 상기 히트 싱크(1250)는 복수의 방열 핀(1251)을 구비할 수 있다. 상기 히트 싱크(1250)는 상기 하우징(1220)과 같이 열전도율이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.
발광소자를 이용한 조명 장치는 그 용도에 따라 크게 실내용(indoor) 과 실외용(outdoor)으로 구분될 수 있다. 실내용 LED 조명 장치는 주로 기존 조명 대체용(Retrofit)으로 벌브형 램프, 형광등(LED-tube), 평판형 조명 장치가 여기에 해당되며, 실외용 LED 조명 장치는 가로등, 보안등, 투광등, 경관등, 신호등 등이 해당된다.
또한, LED를 이용한 조명 장치는 차량용 내외부 광원으로 활용 가능하다. 내부 광원으로는 차량용 실내등, 독서등, 계기판의 각종 광원등으로 사용 가능하며, 차량용 외부 광원으로 전조등, 브레이크등, 방향지시등, 안개등, 주행등 등 모든 광원에 사용 가능하다.
아울러, 로봇 또는 각종 기계 설비에 사용되는 광원으로 LED 조명 장치가 적용될 수 있다. 특히, 특수한 파장대를 이용한 LED 조명은 식물의 성장을 촉진시키고, 감성 조명으로서 사람의 기분을 안정시키거나 병을 치료할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10, 20, 30, 40... 광학소자
11, 21, 31, 41... 제1면
12, 22, 32, 42... 제2면
13, 23, 33, 43... 홈부
14, 24, 34, 44... 요철 패턴
15, 25, 35, 45... 지지부
LS... 광원
Z... 광축

Claims (10)

  1. 광원과 마주하며, 광축이 지나는 중앙이 광출사 방향으로 함몰된 홈부 및 상기 홈부 둘레에 배치되는 요철 패턴을 갖는 제1면; 및
    상기 제1면과 반대에 배치되며, 상기 홈부를 통해 입사된 광이 굴절되어 외부로 방출되는 제2면을 포함하며,
    상기 요철 패턴은 상기 홈부에서 상기 제2면과 연결되는 테두리 방향으로 교호적으로 반복 배열된 복수의 볼록부와 복수의 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 상기 복수의 볼록부 표면에 배열된 복수의 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 돌기는 각 볼록부에서 오목부까지 연장되어 배열된 것을 특징으로 하는 광학소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부는 각각 단차 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 상기 복수의 볼록부의 돌출된 꼭지점이 상기 제1면과 적어도 동일한 레벨에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 상기 복수의 오목부의 함몰된 꼭지점이 상기 제1면과 적어도 동일한 레벨에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오목부와 복수의 볼록부는 각각 상기 광축을 기준으로 동심원을 이루며 배열되는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오목부와 복수의 볼록부는 상기 광축을 기준으로 나선형 배열을 가지는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2면은, 상기 광축을 따라 상기 홈부를 향해 함몰되어 오목한 곡면을 가지는 제1 곡면과, 상기 제1 곡면의 가장자리로부터 상기 제1면과 연결되는 테두리까지 연속하여 연장되는 볼록한 곡면을 가지는 제2 곡면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  10. 광원과 마주하며, 광축이 지나는 중앙이 광출사 방향으로 함몰된 홈부 및 상기 홈부 둘레에 배치되는 요철 패턴을 갖는 제1면; 및
    상기 제1면과 반대에 배치되며, 상기 홈부를 통해 입사된 광이 굴절되어 외부로 방출되는 제2면을 포함하며,
    상기 요철 패턴은 상기 제1면으로부터 돌출된 복수의 볼록부를 포함하고,
    상기 복수의 볼록부는 그 표면에 배열된 복수의 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
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