KR20160069671A - 렌즈 및 이를 포함하는 발광소자 모듈 - Google Patents

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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예는 제1 캐비티를 가지는 제1 몸체; 상기 제1 몸체와 면접촉하며 배치되는 제2 몸체; 및 상기 제1 몸체와 수직 방향으로 적어도 일부가 중첩되며, 상기 제2 몸체의 표면의 배치되는 배치된 복수 개의 돌출부들을 포함하고, 상기 돌출부들 중 상기 제1 몸체와 가장 인접한 제1 돌출부는, 표면에 복수 개의 패턴이 배치되고, 상기 복수 개의 패턴 중 적어도 하나는 제1 방향의 제1 경사부와, 상기 제1 방향과 마주보는 제2 방향의 제2 경사부를 가지는 렌즈를 제공한다.

Description

렌즈 및 이를 포함하는 발광소자 모듈{LENS AND LIGHT EMITTING DEVICE MODULE INCLUDING THE SAME}
실시예는 렌즈와 이를 포함하는 발광소자 모듈에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
발광소자의 둘레에는 발광 구조물이나 와이어 등을 보호하는 몰딩부가 배치될 수 있는데, 실리콘 등의 재질로 이루어진 몰딩부를 통과할 때 광이 굴절되어 몰딩부가 1차 렌즈로 작용할 수 있다.
그러나, 조명 장치의 광원으로 발광소자가 사용될 때 광의 방출 경로를 조절하기 위하여 2차 렌즈가 사용될 수 있는데, 상술한 2차 렌즈가 통상 '렌즈'라 지칭된다.
렌즈의 재질이나 특히 형상에 따라 광 경로가 크게 변할 수 있으며, 특히 광원에서 방출되는 광을 전방이나 후방 등 특정 방향으로만 진행시켜야 하는 어플리케이션의 경우 렌즈의 형상은 더욱 중요하다.
실시예는 발광소자 등의 광원이 구비되는 조명 장치 등에서, 외부로 방출되는 광량을 일측 방향으로 집중시키고자 한다.
실시예는 제1 캐비티를 가지는 제1 몸체; 상기 제1 몸체와 면접촉하며 배치되는 제2 몸체; 및 상기 제1 몸체와 수직 방향으로 적어도 일부가 중첩되며, 상기 제2 몸체의 표면의 배치되는 배치된 복수 개의 돌출부들을 포함하고, 상기 돌출부들 중 상기 제1 몸체와 가장 인접한 제1 돌출부는, 표면에 복수 개의 패턴이 배치되고, 상기 복수 개의 패턴 중 적어도 하나는 제1 방향의 제1 경사부와, 상기 제1 방향과 마주보는 제2 방향의 제2 경사부를 가지는 렌즈를 제공한다.
각각의 제2 경사부는 상기 제1 몸체의 바닥면에 대하여 80도(°) 내지 100도(°)로 배치될 수 있다.
각각의 제1 경사부들은 서로 평행일 수 있다.
제1 캐비티는, 제1 방향의 경사면과, 제2 방향의 곡면을 포함할 수 있다.
곡면은 적어도 하나의 변곡점을 포함할 수 있다.
돌출부들 중 적어도 하나는, 상기 제1 캐비티의 경사면과 대응되어 배치될 수 있다.
제1 돌출부는 n개의 패턴으로 이루어지고, 제n 패턴의 높이는 제(n-1) 패턴의 높이보다 높고, 제2 돌출부의 높이는 상기 제n 패턴의 높이보다 낮고, 상기 제(n-1) 패턴의 높이보다 높고, 여기서 상기 n은 2이상의 정수일 수 있다.
제(n+1) 패턴과 상기 제n 패턴의 접점의 높이는 상기 제n 패턴과 상기 제(n-1) 패턴의 접점의 높이보다 높고, 상기 n은 2이상의 정수일 수 있다.
제2 돌출부와 상기 제1 돌출부의 접점의 높이는, 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴의 접점의 높이보다 낮을 수 있다.
제1 경사부 상에 요철이 배치될 수 있다.
제3 방향에서 제n 패턴의 폭은 제(n-1) 패턴의 폭보다 크고, 여기서 상기 제3 방향은 상기 제1 방향과 수직이고 상기 n은 2이상의 정수일 수 있다.
제2 돌출부는, 상기 제1 방향의 제3 경사부와 제2 방향의 제4 경사부를 포함할 수 있다.
제4 경사부는 상기 제2 경사부와 평행할 수 있다.
제2 몸체에 형성된 제2 캐비티를 더 포함할 수 있다.
제2 캐비티는, 상기 제1 방향의 경사면과 상기 제2 방향의 경사면을 포함할 수 있다.
상기 제2 방향의 경사면은 상기 제1 몸체의 바닥면과 80도(°) 내지 100도(°)로 배치될 수 있다.
다른 실시예는 상술한 렌즈; 및 상기 렌즈의 제1 캐비티에 적어도 일부가 삽입되는 배치되는 발광소자 패키지를 포함하고, 상기 발광소자 패키지는 COB(chip on board) 형상인 발광소자 모듈을 제공한다.
발광소자 패키지는, 회로 기판 상에 복수 개의 발광소자가 배치될 수 있다.
복수 개의 발광소자 중 적어도 일부는 상기 제1 돌출부와 수직 방향으로 중첩될 수 있다.
복수 개의 발광소자 중 적어도 일부는, 상기 캐비티 내의 경사면과 곡면이 접촉하는 영역과 수직으로 중첩될 수 있다.
실시예에 따른 렌즈는 제2 방향으로 진행하는 광량보다 제1 방향으로 진행하는 광량이 훨씬 많으며, 실시예들에 따른 렌즈가 배치된 발광소자 모듈은 도로의 조명 장치 등에 사용될 때 제1 방향을 도로 방향으로 하고 제2 방향을 주택 방향으로 하면, 주택 방향으로 향하는 광량을 줄일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 렌즈의 사시도이고,
도 2a 및 도 2b는 도 1의 렌즈의 측단면도이고,
도 3은 도 1의 렌즈의 내부의 제1 캐비티와 제2 캐비티를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 1의 렌즈에서 제1 돌출부 내의 패턴들과 제2 돌출부와 제3 돌출부의 폭을 나타낸 도면이고,
도 5는 렌즈를 포함하는 발광소자 모듈의 일실시예를 나타내는 도면이고,
도 6 및 도 7은 도 5의 발광소자를 나타내는 도면이고,
도 8a 내지 도 8c는 렌즈에 구비된 돌출부들과 패턴들의 작용을 나타내고,
도 9a 및 도 9b는 제1 돌출부에 배치된 패턴들의 작용을 나타낸 도면이고,
도 10a 및 도 10b는 종래의 렌즈의 광 분포를 나타내고,
도 11a 및 도 11b는 실시예에 따른 렌즈의 광 분포를 나타낸다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 렌즈의 사시도이다.
실시예에 따른 렌즈(100)는 서로 면접촉하는 제1 몸체(100a)와 제2 몸체(100b)로 이루어지는데, 제1 몸체(100a)와 제2 몸체(100b)는 서로 동일한 재질 예를 들면, 실리콘으로 이루어지고 서로 일체형일 수 있다.
제1 몸체(100a)의 표면은 서로 마주보는 2개의 곡면(A1, A2)으로 이루어지고, 2개의 곡면(A1, A2)은 경계선(a)에 의하여 나뉘어진다. 2개의 곡면(A1, A2)의 일측은 상술한 경계선(a)과 접하고, 타측은 다른 경계선들(b1, b2)와 접한다. 그리고, 상술한 경계선들(b1, b2)의 사이에는 다른 곡면(B)이 배치되는데, 곡면(B)는 제2 몸체(100b)의 일부를 이룰 수 있다.
그리고, 상술한 3개의 곡면(A1, A2, B)은 하나의 접점(c)에서 수렴하며 최고점을 이룰 수 있는데, 접점(c)은 3개의 곡면(A1, A2, B)의 가장 높은 영역에 위치하나, 후술하는 돌출부들(110, 115, 150)보다 낮은 영역에 위치할 수 있다.
제2 몸체(100b)에는 상술한 곡면(B)와 인접하여 제1 돌출부(110)가 배치되는데, 제1 돌출부(110)는 복수 개의 패턴들로 이루어질 수 있고, 예를 들면 본 실시예에서는 4개의 패턴(111~114)들로 이루어질 수 있고, 인접하여 제2 돌출부(115)가 배치될 수 있다.
그리고, 상술한 제2 돌출부(115)과 인접하여 제2 몸체(110b)의 표면에는 제3 돌출부(150)가 배치될 수 있는데, 제3 돌출부(150)는 제2 돌출부(115)와 인접하되 후술하는 바와 같이 제6 경사부(150b)와 제5 경사부(150a)를 포함할 수 있다.
제1 돌출부(110)와 제2 돌출부(115)와 제3 돌출부(150)의 개수는 이에 한정하지 않는다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 렌즈의 측단면도이다.
도 1과 도 2a에서 제1 몸체(100a) 방향과 제2 몸체(100b) 방향을 상대적으로 각각 제1 방향과 제2 방향이라 할 수 있고, 도 2a의 단면도에서 제1 몸체(100a)의 하나의 곡면(A2)이 도시되고, 곡면(B)과 인접하여 4개의 패턴들(111~114)이 배치되고 있다.
각각의 패턴들(111~114)과 제2 돌출부(115)는 각각 2개의 면으로 이루어지는데, 제1 방향의 제1 경사부들(111a~114a)과 제3 경사부(115a)와, 제1 경사부들(111a~114a)과 마주보는 제2 방향의 제2 경사부들(111b~114b)과, 상기 제3 경사부(115a)와 마주보는 제2 방향의 제4 경사부(115b)로 이루어질 수 있다.
제1 패턴(111)은 하나의 제1 경사부(111a)와 하나의 제2 경사부(111b)로 이루어지고, 제2 패턴(112)은 하나의 제1 경사부(112a)와 하나의 제2 경사부(112b)로 이루어지고, 제3 패턴(113)은 하나의 제1 경사부(113a)와 하나의 제2 경사부(113b)로 이루어지고, 제4 패턴(111)은 하나의 제1 경사부(114a)와 하나의 제2 경사부(114b)로 이루어질 수 있고, 제1 돌출부(110)와 인접하여 배치된 제2 돌출부(115)는 하나의 제3 경사부(115a)와 하나의 제4 경사부(115b)로 이루어질 수 있다.
상술한 제2 경사부들(111b~114b)와 제4 경사부(115b)는 발광소자 등의 광원으로부터 진행된 빛을 전반사하여 도 1의 제1 방향으로 진행시킬 수 있고, 제1 경사부들(111a~114a)과 제3 경사부(115a)는 상술한 전반사된 빛을 굴절시켜 진행시킬 수 있다. 이때, 제1 돌출부(110)에는 복수 개의 패턴들(111~114)이 배치되어, 제1 경사부들(111a~114a)과 제3 경사부(115a)에서 제1 방향으로 전반사된 광을 제1 방향으로 더욱 굴절시킬 수 있다.
그리고, 도시되지는 않았으나 제1 경사부들(111a, 112a, 113a, 114a)과, 제2 돌출부(115) 내의 제3 경사부(115a)에 요철이 형성되어 광 굴절 효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 상술한 경사부들 외에도 추가적인 경사부가 더 형성될 수 있으며 이에 한정하지 않는다.
상술한 제2 경사부들과 제4 경사부(111b~115b)는 후술하는 발광소자로부터 입사되는 빛을 반사하고, 제1 경사부들과 제3 경사부(111a~115a)는 상술한 제2 경사부들과 제4 경사부(111b~115b)에서 반사되거나 기타 진행한 빛을 굴절시켜서 제1 방향으로 진행시킬 수 있다.
각각의 제1 경사부들(111a~114a)과 제3 경사부(115a)는 각각 제1 몸체(100a)의 바닥면과 기설정된 각도(θ1~ θ5)를 이룰 수 있는데, 제1 경사부들(111a~114a)과 제3 경사부(115a)가 이루는 각도(θ1~ θ5)는 40도 이상이고 70도 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 경사부들(111a~114a)과 제3 경사부(115a)가 각각 제1 몸체(100a)의 바닥면을 기준으로 설정된 각도(θ1~ θ5)가 서로 동일하여, 제1 경사부들(111a~114a)과 제3 경사부(115a)가 서로 평행할 수 있으나, 이에 한정하지 않으며 제1 경사부들(111a~114a)과 제3 경사부(115a)가 가지는 각도(θ1~ θ5)는 각기 다르거나 적어도 2개 이상의 각도가 동일할 수 있다.
제1 경사부들(111a~114a)과 제3 경사부(115a)가 이루는 각도(θ)는 40도보다 작으면 후술하는 발광소자에서 방출되는 광이 렌즈의 상부 방향(도 2a의 좌측 상부)으로 치우쳐 진행할 수 있고 70도보다 크면 렌즈의 하부 방향(도 2a의 좌측 하부 방향)으로 치우쳐 진행할 수 있다.
각각의 제1 패턴들(111~114)에 형성된 제2 경사부(111b~114b)와 제2 돌출부(115)에 형성된 제4 경사부(115b)는 각각 제1 몸체(110a)의 바닥면과 일정 각도를 가지고 배치될 수 있으며, 제2 경사부들(111b~114b)과 제4 경사부(115b)는 서로 평행할 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 예를 들어, 각각의 제1 패턴들(111~114)에 형성된 제2 경사부들(111b~114b)과 제2 돌출부에 형성된 제4 경사부(115b)는 각각 제1 몸체(110a)의 바닥면과 수직하게 배치되거나 제2 경사부들(111b~114b)과 제4 경사부(115b)가 제1 몸체(110a)의 바닥면과 직각에서 ±10도(°)의 범위 즉, 80도(°) 내지 100도(°)의 범위 내에서 배치될 수 있다.
제4 경사부(115b)가 제1 몸체(110a)의 바닥면과 이루는 각도(θ6)가 80도보다 작으면 후술하는 발광소자에서 방출되는 광이 렌즈의 상부 방향(도 2a의 좌측 상부 방향)으로 치우쳐 진행할 수 있고 100도보다 크면 렌즈의 하부 방향(도 2a의 좌측 하부 방향)으로 치우쳐 진행할 수 있다. 여기서, 제4 경사부(115b)가 제1 몸체(110a)의 바닥면과 이루는 각도(θ6)만을 도 2b에서 표시하고 있으나, 제2 경사부들(111b~114b)과 제1 몸체(110a)의 바닥면이 이루는 각도들도, 제4 경사부(115b)가 제1 몸체(110a)의 바닥면과 이루는 각도와 동일할 수 있다.
제2 경사부들(111b~114b)들과 제4 경사부(115b)가 이루는 각도는 서로 동일하거나 다를 수 있고, 적어도 2개 이상의 각도가 동일하게 배치될 수도 있으며 이에 한정하지 않는다.
제1 돌출부가 n개의 패턴으로 이루어질 때, 제n 패턴의 높이는 제(n-1) 패턴의 높이보다 높고, 제2 돌출부의 높이는 제n 패턴의 높이보다 낮고, 상기 제(n-1) 패턴의 높이보다 높고, 여기서 상기 n은 2이상의 정수일 수 있다.즉, 본 실시예에서 4개의 패턴의 높이는 제1 패턴(111)의 높이(h1)로부터 제4 패턴(114)의 높이(h4)까지 점차 높아지되, 제2 돌출부(115)의 높이(h5)는 제4 패턴(114)의 높이(h4)보다 낮고 제3 패턴(113)의 높이(h3)보다 높을 수 있다. 이때, 상술한 '높이'는 제1 몸체(100a)의 바닥면으로부터의 높이일 수 있다.
그리고, 제(n+1) 패턴과 상기 제n 패턴의 접점의 높이는 상기 제n 패턴과 상기 제(n-1) 패턴의 접점의 높이보다 높고, 상기 n은 2이상의 정수일 수 있다. 또한, 제2 돌출부(115)와 제1 돌출부(110)의 접점의 높이는, 제1 패턴(111)과 제2 패턴(112)의 접점의 높이보다 낮을 수 있다.
즉, 본 실시예에서 제1 패턴(111)과 제2 패턴(112)의 사이의 접점을 (c1)이라 하고, 제2 패턴(112)과 제3 패턴(113)의 사이의 접점을 (c2)이라 하고, 제3 패턴(113)과 제4 패턴(114)의 사이의 접점을 (c3)이라 하고, 제4 패턴(114)과 제2 돌출부(115)의 사이의 접점을 (c4)이라 할 때, 제1 패턴(111)과 제2 패턴(112)의 사이의 접점(c1)보다 제2 패턴(112)과 제3 패턴(113)의 사이의 접점(c2)이 더 높게 배치되고, 제2 패턴(112)과 제3 패턴(113)의 사이의 접점(c2)보다 제3 패턴(113)과 제4 패턴(114)의 사이의 접점(c3)이 더 높게 배치되되, 제4 패턴(114)과 제2 돌출부(115)의 사이의 접점(c4)은 제1 패턴(111)과 제2 패탄(112)의 사이의 접점(c1)보다 낮게 배치될 수 있다.
상술한 제1 패턴 내지 제4 패턴과 제2 돌출부(111~115)의 개수는 설계에 따라 달라질 수 있으며 패턴들의 높이나 돌출부들의 높이, 각각의 접점들의 높이 역시 설계에 따라 달라질 수 있으므로 상술한 내용에 한정하지 않는다. 예를 들어, 제1 패턴 내지 제4 패턴(111~114)의 개수는 더 작아지거나 커지되 제2 돌출부(115)는 동일한 형상으로 배치될 수 있으며 이에 한정하지 않는다.
도 2b에 도시된 실시예는 도 2a와 유사하되, 도 2a에서 제3 돌출부(150)를 이루는 제6 경사부(150b)가 생략되고 있다.
상술한 제1 돌출부(111~114) 내지 제2 돌출부(115)에서 제2 경사부들(111b~114b)과 제4 경사부(115b)는 후술하는 발광소자 등의 광원으로부터 진행된 빛을 전반사할 수 있고, 제1 경사부(111a~114a)와 제3 경사부(115a)는 상술한 전반사된 빛을 굴절시켜서 제1 방향으로 전달할 수 있다.도 3은 도 1의 렌즈의 내부의 제1 캐비티와 제2 캐비티를 나타낸 도면이다.
도 3에서, 렌즈를 이루는 제1 몸체와 제2 몸체의 윤곽이 실선으로 도시되고 내부의 제1 캐비티(210)과 제2 캐비티(250)가 점선으로 도시되고 있다.
제1 캐비티(210)의 단면은 제2 방향의 경사면(210a)과 제1 방향의 곡면(210b)을 포함하는데, 곡면은 적어도 하나의 변곡점(v)을 가지며, 변곡점(v)은 수직 방향으로 상술한 하나의 접점(c)과 수직으로 중첩될 수 있다.
제1 캐비티(210)와 제2 캐비티(250)에는 에어(air)가 채워질 수 있는데, 제1 캐비티(210)는 후술하는 발광소자 상에 배치되거나 발광소자의 적어도 일부가 삽입되는 영역이고, 제2 캐비티(250)는 실리콘으로 이루어지는 렌즈(100)의 사출 공정을 위하여 형성될 수 있으나 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.제1 캐비티(210)의 일부는 제1 몸체(100a)와 제2 몸체(100b)에 배치되고, 제2 캐비티(250)는 제2 몸체(100b)내에 배치될 수 있다.
제2 캐비티(250)는 제2 방향의 경사면(250a)과 제1 방향의 경사면(250b)를 포함할 수 있다. 경사면(250b)은 후술하는 발광소자 등에서 진행한 빛을 반사시켜서 상술한 제3 돌출부(150) 방향으로 진행시킬 수 있다.
제1 방향의 경사면(250b)는 제1 몸체(100a)의 바닥면과 일정한 기울기를 가지고 배치될 수 있다. 후술하는 바와 같이 경사면(250b)에서 반사된 빛이 제3 돌출부(150), 특히 제7 경사부(150c) 방향을 향하도록 경사면(250b)의 기울기가 형성될 수 있다.
도 3에서 제3 돌출부(150)는 제5 경사부(150a)와 제6 경사부(150b) 외에 제7 경사부(150c)를 포함할 수 있는데, 도 8b에 도시된 바와 같이 제1 방향의 경사면(250b)에서 반사된 빛이 제7 경사부(150c)에서 굴절되어 진행할 수 있다. 제1 방향의 경사면(250b)에서 반사된 빛은 제7 경사부(150c)에서 굴절되어 진행되며 일부의 빛은 제6 경사부(150b)에서 재굴절되어 진행할 할 수 있다. 도 2b에서 상술한 것처럼 제6 경사부(150b)는 생략될 수 있으나, 제6 경사부(150b)에서 굴절된 빛의 경로를 제7 경사부(150c)에서 더 조절할 수 있다.제2 방향의 경사면(250a)은 제2 몸체의 바닥면과 일정 각도(θ7)를 배치될 수 있는데, 일정 각도(θ7)는 80도(°) 내지 100도(°) 일 수 있으며 예를 들면 직각일 수 있다.
도 4는 도 1의 렌즈에서 도 1의 제1 돌출부(110) 내의 패턴들(111~114)과 제2 돌출부(115)와 제3 돌출부(150)의 폭을 나타낸 도면이다.
제3 방향에서 제1 돌출부(110)의 제n 패턴의 폭은 제(n-1) 패턴의 폭보다 크고, 여기서 상기 제3 방향은 상기 제1 방향과 수직이고 상기 n은 2이상의 정수일 수 있다.
즉, 본 실시예에서 제1 패턴(111)의 폭(w1)보다 제2 패턴(112)의 폭(w2)이 크고, 제2 패턴(112)의 폭(w2)보다 제3 패턴(113)의 폭(w3)이 크고,제3 패턴(113)의 폭(w3)보다 제4 패턴(114)의 폭(w4)이 크고,제4 패턴(114)의 폭(w4)보다 제2 돌출부(115)의 폭(w5)이 더 클 수 있다.
그리고, 제3 돌출부(150)의 폭(w6)은 제2 돌출부(115)의 폭(w5)보다 더 클 수 있다. 즉, 4개의 패턴들(111~114)과 제2 돌출부(115)와 제3 돌출부(150)의 폭들(w1~w6)은 제1 방향으로부터 제2 방향으로 더 클 수 있다. 즉, 4개의 패턴들(111~114)에 비하여 제3 돌출부(150)가 발광소자 등의 광원으로부터 거리가 가장 멀리 배치되고 제2 돌출부(115)도 상대적으로 멀리 배치되므로, 발광소자 등의 광원으로부터 진행된 빛이 상대적으로 폭이 넓게 입사하는 제2 돌출부(115)와 제3 돌출부(150)의 폭이 4개의 패턴들(111~114)의 폭(w1~w4)에 비하여 크게 형성될 수 있다.
도 5는 렌즈를 포함하는 발광소자 모듈의 일실시예를 나타내는 도면이다.
렌즈(100)를 이루는 제1 몸체(110a) 내의 제1 캐비티(210)의 하부에 기판(310)과 발광소자(350)를 포함하는 발광소자 패키지(300)가 도시되고 있는데, 발광 소자 패키지(300) 중 발광소자(350)는 적어도 일부가 제1 캐비티(210) 아래에 배치되거나 제1 캐비티(210) 내에 삽입될 수 있다.
그리고, 발광소자(350)는 제1 캐비티(210)의 경사면(210a)과 곡면(210b)이 접촉하는 영역과 수직 방향으로 중첩되고 있다.
제1 돌출부(110)는 제1 캐비티(210)의 제1 경사면(210a)과 대응되어, 즉 상하 방향으로 중첩되어 배치될 수 있다.
그리고, 광원으로 사용되는 발광소자(350) 중 일부 영역은 제1 돌출부(110)와 수직방향으로 중첩되게 배치될 수 있다. 이를 통해 발광소자(350)에서 제1 방향으로 방출되는 광은 제1 몸체(100a)와 제2 몸체(100b)를 통해 제1 방향으로 방출되고 되고, 발광소자(350)에서 제2 방향으로 방출되는 광은 제1 돌출부(110)와 제2 돌출부(115), 제3 돌출부(150), 제1 캐비티(210) 및 제2 캐비티(250)를 통해 제1 방향으로 광을 반사 및 굴절시킬 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 5의 발광소자를 나타내는 도면이다.
기판(310)에는 복수 개의 발광소자(350)가 배치되는데, 각각의 발광소자(350)는 예를 들어, COB(chip on board) 타입으로 배치될 수 있다.
기판(310)은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)이나, 메탈(metal) PCB, FPCB(Flexible PCB) 또는 FR-4 등일 수 있다. 기판(300) 상의 제1 도전층(311)과 제2 도전층(312)은 각각 발광소자(350)의 제1 전극(358a) 및 제2 전극(358c)과 전기적으로 연결될 수 있다.
발광소자(350)는, 기판(351)에 버퍼층(352)과 발광 구조물(354)이 배치되고, 발광 구조물(354)은 제1 도전형 반도체층(354a)과 활성층(354b) 및 제2 도전형 반도체층(354c)을 포함하여 이루어지고, 제1 도전형 반도체층(354a)과 제2 도전형 반도체층(354c)에는 각각 제1 전극(358a)과 제2 전극(358c)이 배치될 수 있다.
기판(351)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
사파이어 등으로 기판(351)을 형성하고, 기판(351) 상에 GaN이나 AlGaN 등을 포함하는 발광구조물(354)이 배치될 때, GaN이나 AlGaN과 사파이어 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, AlN 등으로 버퍼층(352)을 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(354a)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑되어 제1 도전형의 반도체층일 수 있다. 제1 도전형 반도체층(354a)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어 AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(354a)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(354a)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(354b)은 제1 도전형 반도체층(354a)의 상부면에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(354b)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 InxAlyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 우물층과 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(354c)은 활성층(354b)의 표면에 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(354c)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(354c)은 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있고, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(354c)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있는데, 제2 도전형 반도체층(354c)이 p형 반도체층일 경우 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(354c)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 제2 도전형 반도체층(354c)상에는 요철구조(미도시)가 형성되어 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
제2 도전형 반도체층(354c) 상에는 ITO(Indium tin Oxide) 등으로 투광성 도전층(356)이 형성되어, 제2 전극(358c)으로부터 제2 도전형 반도체층(354c)으로 전류 스프레딩(current spreading) 효과를 향상시킬 수 있다.
제2 도전형 반도체층(354c)과 활성층(354b) 및 제1 도전형 반도체층(354a)의 일부까지 메사 식각하여, 제1 도전형 반도체층(354a)을 노출시켜서 제1 전극(358a)이 형성될 영역을 확보할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(354a)과 제2 도전형 반도체층(354c) 상에는 각각 제1 전극(358a)과 제2 전극(358c)이 배치되는데, 제1 전극(358a)과 제2 전극(358c)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
제1 전극(358a)과 제2 전극(358c)는 기판(310) 상의 제1 전극(311)과 제2 전극(312)에 각각 와이어(357)를 통해 제1 도전층(311), 제2 도전층(312)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 발광 구조물(354)의 둘레에는 패시베이션층이 형성될 수 있는데, 패시베이션층은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 상세하게는 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있고, 보다 상세하게는 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다. 그리고, 패시베이션층에도 요철구조가 형성되어 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8a 내지 도 8b는 렌즈에 구비된 돌출부들과 패턴들의 작용을 나타낸다.
도 8a에서 렌즈에 돌출부가 형성되지 않았을 때 발광소자 등의 광원에서 방출된 빛이 앞과 뒤로 고르게 진행하고, 도 8b에서는 돌출부들과 패턴들의 작용으로 광이 주로 좌측 즉, 상술한 제1 방향으로 진행하고 있으며, 도 8c에서는 제1 돌출부에 형성된 패턴들의 작용으로 광이 제1 방향으로 더 많이 굴절될 수 있는데 도 8c에서는 상술한 실시예들보다 많은 개수의 패턴들이 제1 돌출부 상에 배치되고 있다.
도 8b에서 발광소자 등의 광원에서 방출된 광 중에서 제1 캐비티(210)의 제2 방향의 경사면(210a) 방향으로 진행하는 광은, 도시된 바와 같이 제2 방향의 경사면(210a)에서 굴절되어 제1 및 제2 돌출부들(110, 115)의 제2 경사면(111b~114b)과 제4 경사면(115b)에서 전반사된 후 제1 경사면(111a~114a)과 제3 경사면(115a)에서 굴절되어 진행한다. 그리고, 일부 광은 제2 캐비티(250)의 제1 방향의 경사면(250b)에서 전반사되어 진행할 수 있는데, 이때 전반사된 빛은 상술한 제7 경사면에서 굴절될 수 있다.
제1 캐비티는 상술한 작용으로 광을 돌출부들과 제2 캐비티 방향으로 진행시키고, 돌출부들은 제2 경사면과 제4 경사면의 전반사와 제1 경사면과 제3 경사면의 굴절을 통하여 광을 진행시키고, 제2 캐비티는 렌즈의 사출 공정을 위하여 형성되었으나 광의 진로를 변경시키는 작용도 한다.
도 9a 및 도 9b는 제1 돌출부에 배치된 패턴들의 작용을 나타낸 도면이다.
도 9a에서는 제1 돌출부(110) 상에 패턴이 배치되지 않았고, 도 9b에서는 제1 돌출부(110) 상에 패턴이 배치되고 있다. 도 9b에 도시된 실시예의 경우 패턴들에 의한 광의 산란이 이루어져서, 도 9a에 도시된 비교예보다 광이 넓은 각도로 진행할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 종래의 렌즈의 광 분포를 나타내고, 도 11a 및 도 11b는 실시예에 따른 렌즈의 광 분포를 나타낸다.
붉은 색은 상술한 실시예에서 제1 방향(Street side)으로 진행하는 광이고 푸른 색은 제2 방향(House side)으로 진행하는 광량을 나타낸다.
종래의 렌즈에 비하여 실시예에 따른 렌즈를 사용한 경우 렌즈에서 제2 방향(House Side)으로 진행하는 광량이 훨씬 적은 것을 알 수 있으며, 따라서 상술한 실시예들에 따른 렌즈가 배치된 발광소자 모듈은, 도 1 등을 기준으로 하여 제1 방향(Street side)으로 빛이 전달될 수 있으며, 도로의 조명 장치 등에 발광소자 모듈이 사용될 때 제1 방향(Street side)을 도로 방향으로 하고 제2 방향을 주택 방향으로 하면, 도로 방향으로 빛을 더 많이 굴절시켜 주택 방향으로 향하는 광량을 줄일 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
A1, A2, B: 곡면 a, b1, b2: 경계선
c, c1~c4: 접점 v: 변곡점
100: 렌즈 110a: 제1 몸체
110b: 제2 몸체 110: 제1 돌출부
111~114: 제1 패턴~ 제4 패턴
111a~114a: 제1 경사부 111b~114b: 제2 경사부
115: 제2 돌출부
115a: 제3 경사부 115b: 제4 경사부
150: 제3 돌출부 210: 제1 캐비티
210a: 경사면 210b: 곡면
250: 제2 캐비티 250a: 경사면
250b: 경사면 300: 발광소자 패키지
310: 기판 350: 발광소자

Claims (20)

  1. 제1 캐비티를 가지는 제1 몸체;
    상기 제1 몸체와 면접촉하며 배치되는 제2 몸체; 및
    상기 제1 몸체와 수직 방향으로 적어도 일부가 중첩되며, 상기 제2 몸체의 표면의 배치되는 배치된 복수 개의 돌출부들을 포함하고,
    상기 돌출부들 중 상기 제1 몸체와 가장 인접한 제1 돌출부는, 표면에 복수 개의 패턴이 배치되고,
    상기 복수 개의 패턴 중 적어도 하나는 제1 방향의 제1 경사부와, 상기 제1 방향과 마주보는 제2 방향의 제2 경사부를 가지는 렌즈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 각각의 제2 경사부는 상기 제1 몸체의 바닥면에 대하여 80도(°) 내지 100도(°)로 배치되는 렌즈.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 각각의 제1 경사부들은 서로 평행인 렌즈.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 캐비티는,
    제1 방향의 경사면과, 제2 방향의 곡면을 포함하는 렌즈.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 곡면은 적어도 하나의 변곡점을 포함하는 렌즈.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 돌출부들 중 적어도 하나는, 상기 제1 캐비티의 경사면과 대응되어 배치되는 렌즈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 돌출부는 n개의 패턴으로 이루어지고, 제n 패턴의 높이는 제(n-1) 패턴의 높이보다 높고, 제2 돌출부의 높이는 상기 제n 패턴의 높이보다 낮고, 상기 제(n-1) 패턴의 높이보다 높고, 여기서 상기 n은 2이상의 정수인 렌즈.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제(n+1) 패턴과 상기 제n 패턴의 접점의 높이는 상기 제n 패턴과 상기 제(n-1) 패턴의 접점의 높이보다 높고, 상기 n은 2이상의 정수인 렌즈.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 돌출부와 상기 제1 돌출부의 접점의 높이는, 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴의 접점의 높이보다 낮은 렌즈.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 경사부 상에 요철이 배치된 렌즈.
  11. 제1 항에 있어서,
    제3 방향에서 제n 패턴의 폭은 제(n-1) 패턴의 폭보다 크고, 여기서 상기 제3 방향은 상기 제1 방향과 수직이고 상기 n은 2이상의 정수인 렌즈.
  12. 제1 항에 있어서, 제2 돌출부는,
    상기 제1 방향의 제3 경사부와 제2 방향의 제4 경사부를 포함하는 렌즈.
  13. 제12 항에 있어서,
    제4 경사부는 상기 제2 경사부와 평행한 렌즈.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 몸체에 형성된 제2 캐비티를 더 포함하는 렌즈.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 캐비티는, 상기 제1 방향의 경사면과 상기 제2 방향의 경사면을 포함하는 렌즈.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 방향의 경사면은 상기 제1 몸체의 바닥면과 80도(°) 내지 100도(°)로 배치되는 렌즈.
  17. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항의 렌즈; 및
    상기 렌즈의 제1 캐비티에 적어도 일부가 삽입되는 배치되는 발광소자 패키지를 포함하고,
    상기 발광소자 패키지는 COB(chip on board) 형상인 발광소자 모듈.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 발광소자 패키지는, 회로 기판 상에 복수 개의 발광소자가 배치되고, 상기 복수 개의 발광 소자들은 적어도 일부가 상기 제1 캐비티 내에 삽입되어 배치되는 발광소자 모듈.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 복수 개의 발광소자 중 적어도 일부는 상기 제1 돌출부와 수직 방향으로중첩되는 발광소자 모듈.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 복수 개의 발광소자 중 적어도 일부는, 상기 캐비티 내의 경사면과 곡면이 접촉하는 영역과 수직으로 중첩되는 발광 소자 모듈.
KR1020140175526A 2014-12-09 2014-12-09 렌즈 및 이를 포함하는 발광소자 모듈 KR20160069671A (ko)

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