KR20180085956A - 광학 렌즈 및 이를 구비한 광원 모듈 - Google Patents

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Abstract

실시 예에 개시된 광원 모듈은, 회로 기판; 상기 회로 기판 상에 복수의 발광 소자; 및 상기 복수의 발광 소자 상에 광학 렌즈를 포함하며, 상기 복수의 발광 소자는 상기 광학 렌즈의 표면 중심과 대응되는 중심으로부터 동심원 형상의 원주 방향을 따라 배열되며, 상기 광학 렌즈는, 서로 다른 높이를 갖고 중심 축으로부터 서로 다른 반경을 갖고 원주 방향으로 배치된 복수의 제1경계라인 사이에 출사면을 포함하며, 상기 복수의 출사면은 표면 중심에 평탄한 제1출사 영역과, 최 외곽 둘레에 기울기를 갖는 제2출사 영역과, 상기 제1,2출사 영역 사이에 기울기를 갖는 제3출사 영역을 포함하며, 상기 동심원 형상의 원주 방향을 따라 배열된 상기 발광 소자들은 상기 제1경계라인과 수직 방향으로 대응될 수 있다.

Description

광학 렌즈 및 이를 구비한 광원 모듈{OPTICAL LENS AND LIGHT SOURCE MODULE HAVING THE SAME}
실시 예는 광학 렌즈에 관한 것이다.
실시 예는 광학 렌즈를 갖는 광원 모듈에 관한 것이다.
발광 소자, 예컨대 발광 다이오드(Light Emitting Diode)는 전기 에너지를 빛으로 변환하는 반도체 소자의 일종으로, 기존의 형광등, 백열등을 대체하여 차세대 광원으로서 각광받고 있다.
발광 다이오드는 반도체 소자를 이용하여 빛을 생성하므로, 텅스텐을 가열하여 빛을 생성하는 백열등이나, 또는 고압 방전을 통해 생성된 자외선을 형광체에 충돌시켜 빛을 생성하는 형광등에 비해 매우 낮은 전력만을 소모한다.
또한, 발광 다이오드는 반도체 소자의 전위 갭을 이용하여 빛을 생성하므로 기존의 광원에 비해 수명이 길고 응답특성이 빠르며, 친환경적 특징을 갖는다.
이에 따라, 기존의 광원을 발광 다이오드로 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며, 발광 다이오드는 실내외에서 사용되는 각종 램프, 표시장치, 전광판, 가로등 등의 조명 장치의 광원으로서 사용이 증가하고 있다.
실시 예는 새로운 광학렌즈를 제공한다.
실시 예는 반구 형상의 몸체 표면에 중심 축을 기준으로 서로 다른 기울기를 갖는 출사면들이 배치된 광학 렌즈를 제공한다.
실시 예는 반구 형상의 몸체 표면에 중심 축과의 반경이 다른 경사면들이 원주 방향으로 배열된 광학 렌즈를 제공한다.
실시 예는 투명한 몸체의 외측에 원주 방향으로 배열된 출사면들의 기울기가 서로 다른 광학 렌즈를 제공한다.
실시 예는 몸체 표면의 중심으로부터 멀어질수록 출사면들의 기울기가 점차 증가하는 광학 렌즈를 제공한다.
실시 예는 중심 축으로부터 원주 방향으로 동일 반경을 갖는 출사면들이 동일한 기울기를 갖고 인접한 출사면들과 다른 기울기를 갖는 광학 렌즈를 제공한다.
실시 예는 중심 축을 기준으로 서로 다른 반경을 갖고 배열된 복수의 발광 소자들과, 상기 복수의 발광 소자 상에, 광학 렌즈의 출사면의 서로 다른 기울기를 갖는 출사면들이 대응되는 광원 모듈을 제공한다.
실시 예는 광의 출사 효율이 개선된 광학 렌즈 및 이를 갖는 광원 모듈을 제공한다.
실시 예는 복수의 발광 소자를 갖는 광원 모듈의 광학적인 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예에 따른 광학 렌즈는, 표면 중심으로부터 멀어질수록 점차 낮은 높이와 점차 넓은 너비를 갖는 복수의 제1경계 라인; 상기 복수의 제1경계 라인 중 가장 작은 너비를 갖는 제1경계 라인의 내측에 제1출사 영역, 가장 큰 너비를 갖는 제1경계 라인의 외측에 제2출사 영역, 상기 제1출사 영역과 제2출사 영역 사이에 원주 방향으로 복수의 제3출사 영역을 갖는 출사면을 포함하며, 상기 제1출사 영역은 평탄한 표면을 갖고, 상기 제2,3출사 영역은 경사진 표면을 가지며, 상기 제3출사 영역은 서로 다른 기울기를 가지며, 상기 제2출사 영역은 상기 제3출사 영역 중에서 상기 제2출사 영역에 인접한 영역의 기울기보다 작은 기울기를 가질 수 있다.
실시 예에 따른 광학 렌즈는, 서로 다른 높이를 갖고 중심 축으로부터 서로 다른 반경을 갖고 원주 방향으로 배치된 복수의 제1경계라인 사이에 출사면을 포함하며, 상기 복수의 출사면은 표면 중심에 평탄한 제1출사 영역과 최 외곽 둘레에 제2출사 영역을 포함하며, 상기 출사면 중에서 m-1번째 제1경계라인의 외측에 배치된 영역의 기울기(am)는 다음과 같이 구할 수 있으며, am=cot{sin-1[1/n]-(π/2)-tan-1{(Xl-Xm)/Ym-1}}을 만족하며, 상기 n은 출사면의 굴절률이며, 상기 Xl은 상기 중심 축으로부터 마지막 제1경계 라인까지의 거리이며, 상기 Xm은 상기 중심 축으로부터 m번째 제1경계 라인까지의 거리이며, 상기 Ym -1은 상기 Xm과의 교차되며 상기 바닥으로부터 m번째 제1경계 라인까지의 높이이며, 상기 l>m을 만족하며, 상기 m은 2≤m≤15의 범위일 수 있다.
실시 예에 따른 광원 모듈은, 회로 기판; 상기 회로 기판 상에 복수의 발광 소자; 및 상기 복수의 발광 소자 상에 광학 렌즈를 포함하며, 상기 복수의 발광 소자는 상기 광학 렌즈의 표면 중심과 대응되는 중심으로부터 동심원 형상의 원주 방향을 따라 배열되며, 상기 광학 렌즈는, 서로 다른 높이를 갖고 중심 축으로부터 서로 다른 반경을 갖고 원주 방향으로 배치된 복수의 제1경계라인 사이에 출사면을 포함하며, 상기 복수의 출사면은 표면 중심에 평탄한 제1출사 영역과, 최 외곽 둘레에 기울기를 갖는 제2출사 영역과, 상기 제1,2출사 영역 사이에 기울기를 갖는 제3출사 영역을 포함하며, 상기 동심원 형상의 원주 방향을 따라 배열된 상기 발광 소자들은 상기 제1경계라인과 수직 방향으로 대응될 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 출사면은 원주 방향을 따라 분리된 복수의 서브 출사면을 포함할 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 서브 출사면은 상기 표면 중심으로부터 서로 동일한 각도를 갖고 연장된 복수의 제2경계 라인 사이에 배치될 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 출사면은 상기 제2출사 영역으로 진행할수록 너비가 점차 커질 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 출사면은 상기 제2출사 영역으로 진행할수록 상기 기울기가 점차 커질 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 출사면은 제1,2출사 영역 사이에 배치되며 상기 복수의 제1경계 라인 사이에 배치된 복수의 제3출사 영역을 포함하며, 상기 제2,3출사 영역 각각은 원뿔대 형상 또는 다각뿔대 형상을 가질 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 발광 소자는 상기 광학 렌즈의 표면중심에 대응되는 중심 위치에 더 배치되며, 상기 발광 소자 중 최 외곽 소자는 상기 광학 렌즈의 최 외곽 라인보다 내측에 배치될 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 발광 소자를 따라 배열된 동심원 형상의 원주들 간의 간격은 서로 동일할 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 광학 렌즈의 출사면은 상기 제2출사 영역으로 진행할수록 너비가 점차 커지며, 상기 출사면은 상기 제2출사 영역으로 진행할수록 상기 기울기가 점차 커질 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 복수의 발광 소자를 덮는 수지층을 포함하며, 상기 수지층 상에는 상기 광학 렌즈가 배치되며, 상기 수지층은 형광체를 포함할 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 수지층의 외 측은 상기 광학 렌즈보다 내측에 배치되고 상기 발광 소자의 최 외곽 소자보다 외측에 배치되며, 상기 수지층의 두께는 상기 발광 소자 두께의 2배 이하일 수 있다.
실시 예에 의하면, 상기 수지층의 외 측은 상기 광학 렌즈보다 외측에 배치되고 상기 발광 소자의 최 외곽 소자보다 외측에 배치되며, 상기 수지층의 두께는 상기 발광 소자 두께의 2배 이하일 수 있다.
실시 예는 광학 렌즈 표면에 미세 가공을 형성하지 않더라도 광 출력이 개선될 수 있다.
실시 예는 광학 렌즈의 표면에 프레넬(Fresnel) 렌즈 형상으로 가공하지 않더라도 광 출력이 개선될 수 있다.
실시 예의 광학 렌즈는 에지 영역에서의 광 손실을 줄일 수 있다.
실시 예의 광학 렌즈는 광속을 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예에 따른 광학 렌즈에 의해 다중 반사를 줄여 색도 불균형을 줄여줄 수 있다.
실시 예에 따른 광학 렌즈에 의해 표면에서의 회절 광의 발생을 억제하여 색 불균형에 따른 얼룩 문제를 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예는 광원 모듈의 사이즈를 변경하지 않을 수 있어 디자인 자유도는 개선될 수 있다.
실시 예는 광원 모듈의 수명 및 온도 특성이 개선될 수 있다.
실시 예는 광학 모듈로부터 출사된 광에 대한 광속 또는 색 분포 제어를 위한 형상이나 구조가 불필요한 효과가 있다.
실시 예는 광학 렌즈 및 이를 구비한 광원 모듈의 광학적인 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예는 광원 모듈을 갖는 조명 시스템의 신뢰성이 개선될 수 있다.
도 1은 제1실시 예에 따른 광원 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 광원 모듈의 평면도이다.
도 3은 도 1의 광원 모듈의 발광부의 사시도이다.
도 4는 도 2의 광원 모듈의 A-A측 단면도이다.
도 5는 도 4의 광학 모듈의 광학 렌즈의 출사면을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 광학 렌즈의 최 외곽의 출사면을 확대한 도면이다.
도 7은 도 4의 광원 모듈의 광학 렌즈의 다른 예이다.
도 8은 도 7의 광원 모듈의 에지부의 부분 확대도이다.
도 9는 실시 예에 따른 광원 모듈에서 발광부의 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 10은 실시 예에 따른 광원 모듈의 광학 렌즈를 변형한 예이다.
도 11은 제2실시 예에 따른 광원 모듈의 사시도이다.
도 12는 도 10의 광원 모듈의 평면도이다.
도 12은 도 11의 광원 모듈의 B-B측 단면도이다.
도 14는 도 13에서의 광학 렌즈의 출사면의 기울기를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 13의 광원 모듈의 다른 예이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하에서는 도 1 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 광원 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1의 광원 모듈의 평면도이며, 도 3은 도 1의 광원 모듈의 발광부의 사시도이고, 도 4는 도 2의 광원 모듈의 A-A측 단면도이며, 도 5는 도 4의 광학 모듈의 광학 렌즈의 출사면을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 5의 광학 렌즈의 최 외곽의 출사면을 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 광원 모듈은 회로 기판(10), 상기 회로 기판(10) 상에 복수의 발광 소자(20), 상기 발광 소자(20) 상에 광학 렌즈(50)를 포함한다. 상기 광원 모듈은 상기 복수의 발광 소자(20)를 덮는 수지층(30)을 포함할 수 있다. 상기 발광 소자(20) 및 수지층(30) 중 적어도 하나는 형광체를 포함할 수 있다. 상기 광원 모듈은 동심원 형상의 원주를 따라 배열된 복수의 발광 소자(20)로부터 방출된 광 중에서 광학 렌즈(50)의 출사면(5)에서의 임계각으로 인한 다중 반사를 줄여 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
<회로 기판(10)>
상기 회로 기판(10)은 복수의 발광 소자(20)와 전기적으로 연결된 회로 패턴을 포함할 수 있다. 상기 회로 기판(10)은 상기 광원 모듈을 지지하는 지지 부재일 수 있다. 상기 회로 기판(10)은 회로패턴(미도시)을 포함하는 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)일 수 있다. 상기 회로 기판(10)은 수지 재질의 PCB 뿐 아니라, 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 세라믹 기판, 연성 PCB(FPCB, Flexible PCB) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 회로 기판(10)은 표면에 상기 회로 패턴을 보호하는 레지스트(Resist) 재질의 층이나 반사를 위한 반사 재질의 층을 포함할 수 있다. 상기 회로 기판(10)은 하부에 방열을 위한 금속 층이나 방열 플레이트가 배치될 수 있다. 상기 회로 기판(10)의 상면 중에서 상기 광학 렌즈(50)의 하부 둘레에는 소정 두께의 반사 부재(미도시)가 배치되어, 광 누설을 방지할 수 있다. 상기 회로 기판(10) 상에는 전극의 극성을 구분하기 위한 식별 마크가 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 회로 기판(10) 상에는 상기 발광 소자(20)를 전기적으로 보호하는 보호 칩이 배치될 수 있다. 상기 회로 기판(10)의 탑뷰 형상은 원 형상이거나 다각형 형상일 수 있다.
<발광 소자(20)>
상기 발광 소자(20)는 상기 회로 기판(10) 상에 복수로 배열된다. 상기 회로 기판(10) 상에 배열된 복수의 발광 소자(20)는 직렬, 직-병렬, 병렬, 병-직렬 중 적어도 하나로 연결될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 소자(20)는 도 2 및 도 4와 같이, 상기 광학 렌즈(50)의 바닥 중심(P0)과, 상기 바닥 중심(P0)을 기준으로 서로 다른 반경 또는 서로 다른 원주 방향을 따라 배열될 수 있다. 상기 발광 소자(20)는 상기 광학 렌즈(50)의 바닥 중심(P0)으로부터 서로 다른 반경을 갖고 원주 방향으로 배열되며 상기 바닥 중심(P0)로부터 멀어질수록 점차 더 많은 개수들이 원주 방향으로 배치될 수 있다. 상기 원주 방향으로 배열된 발광 소자(20)들은 바닥 중심(P0)을 원의 중심으로 하는 동심원 형상으로 배열될 수 있다. 상기 각 원주 방향에 배열된 발광 소자(20)들은 서로 동일한 간격을 갖고 이격될 수 있다. 인접한 원주 방향으로 배열된 발광 소자(20)들의 간격은 서로 동일할 수 있다. 상기 발광 소자(20)들 중 중심에 위치한 소자(L0)는 도 4와 같이 상기 광학 렌즈(50)의 중심 축(X0)과 같은 직선 상에 배치될 수 있다. 상기 발광 소자(20)들 중 최 외곽에 위치한 소자(Le)는 광학 렌즈(20)의 최 외곽 라인(P2)보다 내측에 배치될 수 있다.
상기 발광 소자(20)는, 자외선, 가시광선 또는 적외선의 파장 대역 중에서 적어도 하나를 발광할 수 있다. 상기 발광 소자(20)는 UV(Ultraviolet) LED 칩, 그린 LED 칩, 블루 LED 칩, 레드 LED 칩, 적외 LED 칩 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 각 발광 소자(20)는 하나 또는 복수의 LED 칩을 포함할 수 있다. 상기 발광 소자(20)는, 표면에 형광체를 갖는 층이나 필름이 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 발광 소자(20)는 예컨대, 블루 LED 칩을 포함할 수 있다. 상기 LED 칩은, III-V족 화합물 반도체 및 II-VI족 화합물 반도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 LED 칩은 기판 및 상기 기판 상에 화합물 반도체층들이 적층된 발광 구조물을 포함할 수 있다. 상기 발광 구조물은, 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 LED 칩은 상기 회로 기판 상에 플립 칩 방식으로 배치되거나, 수직형 칩 구조로 배치되거나, 수평형 칩 구조로 배치될 수 있다.
상기 발광 소자(20)는, 예컨대 상기 LED 칩이 패키징된 패키지로 구현될 수 있다. 상기 패키지는 출사 영역이 오픈된 캐비티를 갖는 몸체, 상기 몸체 상에 배치된 리드 프레임, 및 상기 리드 프레임 상에 연결된 발광 칩을 포함할 수 있다.
상기 발광 소자(20)는 센터 측 소자(L0)를 기준으로 서로 다른 반경을 갖고 원주 방향으로 배열된 소자(예: L1~Le)들이 배치될 수 있다. 상기 발광 소자(20)들은 광학 렌즈(50)와 수직 방향으로 중첩되게 배치될 수 있다. 상기 발광 소자(20)들 중 최 외곽 소자(Le)들을 연결한 선분은 원 형상일 수 있다. 다른 예로서, 상기 발광 소자(20)들의 최 외곽 소자(Le)들을 연결한 선분은 원 형상이거나, 다각형 형상이거나, 타원 형상일 수 있다.
상기 발광 소자(20)의 어느 한 변의 길이는 상기 발광 소자(20)의 두께보다 클 수 있다. 상기 발광 소자(20)로부터 방출된 광은 상기 광학 렌즈(50)의 출사면(5)를 통해 굴절되어 출사될 수 있다. 상기 발광 소자(20)로부터 방출된 광은 상기 수지층(30)을 통해 방출되고 상기 광학 렌즈(50)의 출사면(5)을 통해 출사될 수 있다.
상기 발광 소자(20)는 상기 회로 기판(10) 상에 50개 이상 또는 100개 이상이거나, 150개 내지 300개의 범위이거나, 150개 내지 250개의 범위로 배치될 수 있다.
<수지층(30)>
상기 수지층(30)은 도 2 내지 도 4와 같이, 상기 발광 소자(20)들을 덮을 수 있다. 상기 수지층(30)의 일부는 상기 발광 소자(20)들 사이의 영역에 배치될 수 있다. 상기 수지층(30)은 상기 발광 소자(20)의 표면 및 상기 회로 기판(10)의 상면에 접촉될 수 있다. 이에 따라 수지층(30)에 의해 방습 효과를 줄 수 있다. 상기 수지층(30)은 실리콘 또는 에폭시와 같은 재질을 포함할 수 있다. 상기 수지층(30)은 투명한 재질로 형성될 수 있다. 상기 수지층(30)은 도 6과 같이, 상기 발광 소자(20)의 두께보다 두꺼운 두께(T1)로 형성될 수 있다. 상기 수지층(30)은 상기 발광 소자(20)의 두께보다 2배 이하로 배치되어, 상기 발광 소자(20)의 표면에서의 광 손실을 줄일 수 있다. 상기 수지층(30)의 두께는 상기 발광 소자(20)의 두께의 1배 초과 2배 이하의 범위로 형성될 수 있다.
상기 수지층(30)은 내부에 형광체가 첨가될 수 있으며, 상기 형광체는 황색 형광체, 녹색 형광체, 청색 형광체, 적색 형광체 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 예를 들면, Eu, Ce 등의 란타노이드계 원소에 의해 주로 활성화되는 질화물계 형광체·산질화물계 형광체·사이어론계 형광체, Eu 등의 란타노이드계, Mn 등의 천이금속계의 원소에 의해 주로 활성화되는 알칼리 토류 할로겐 아파타이트 형광체, 알칼리 토류 금속 붕산 할로겐 형광체, 알칼리 토류 금속 알루민산염 형광체, 알칼리 토류 규산염, 알칼리 토류 황화물, 알칼리 토류 티오갈레이트, 알칼리 토류 질화규소, 게르마늄산염, 또는, Ce 등의 란타노이드계 원소에 의해 주로 활성화되는 희토류 알루민산염, 희토류 규산염 또는 Eu 등의 란타노이드계 원소에 의해 주로 활성화되는 유기 및 유기 착체 등으로부터 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다. 구체적인 예로서, 상기의 형광체를 사용할 수 있지만, 이것에 한정되지 않는다.
상기 수지층(30)의 외측 윤곽선은 원 형상일 수 있으며, 다른 예로서 다각 형상이거나 타원 형상을 포함할 수 있다. 상기 수지층(30)의 외측 면은 발광 소자(20)들이 최 외곽의 둘레를 따라 배치될 수 있다. 상기 수지층(30)의 외측 면은 Y축 방향으로 수직한 면이거나 경사진 면이거나 곡면을 가질 수 있다. 상기 수지층(30)의 외측 면에는 수지 재질의 반사 부재(미도시)가 배치될 수 있어, 광을 누설을 방지하고 반사시켜 줄 수 있다. 상기 반사 부재의 두께는 상기 수지층(30)의 두께와 동일하거나 더 두껍게 배치될 수 있다. 상기 수지층(30)은 최 외곽의 발광 소자(Le)들의 측면보다 더 외측에 배치될 수 있다. 상기 수지층(30)의 상면은 수평한 평면이거나, 요철 면을 가질 수 있다. 상기 수지층(30)의 상면은 적어도 일부분이 오목한 면이거나 볼록한 면을 포함할 수 있다. 상기 수지층(30)은 제거될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 수지층(30)이 제거된 경우, 상기 반사 부재는 광학 렌즈(50)의 에지 영역에 배치될 수 있다.
<광학 렌즈(50)>
상기 광학 렌즈(50)는, 상기 수지층(30) 상에 배치될 수 있다. 상기 수지층(30)이 제거된 경우, 상기 광학 렌즈(50)은 상기 발광 소자(20) 상에 배치될 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)는 상기 발광 소자(20)들과 수직 방향으로 중첩되게 배치될 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)는 측 단면 형상이 반구 형상을 포함하며, 탑뷰 형상이 원 형상을 포함할 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)는 반구체 또는 반 타원체일 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)는 축 대칭 형상 또는 회전 대칭 형상을 포함할 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)는 상기 발광 소자(20)들의 중심에 가까울수록 점차 높은 높이를 갖고 최 외곽에 가까울수록 점차 낮은 높이를 가질 수 있다.
상기 광학 렌즈(50)는 중심 축(X0)을 중심으로 주위로 광을 출사하는 부재이다. 상기 광학 렌즈(50)는 몸체 재질이 에폭시 또는 실리콘과 같은 수지 재질로 형성될 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)는 몸체의 굴절률이 1.4 이상 1.7 이하인 투명 재료일 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)는 몸체의 굴절률이 1.49인 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 굴절률이 1.59인 폴리카보네이트(PC), 또는 투명한 글래스(Glass)에 의해 형성될 수 있는 것이다. 상기 광학 렌즈(50)는 입사되는 광을 굴절시켜 외부로 추출시켜 줄 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 광학 렌즈(50)의 바닥 너비(R0) 또는 직경은 20mm 이상 예컨대, 20mm 내지 40mm의 범위를 포함할 수 있으며, 바닥 너비의 1/2(R2) 또는 반경은 10mm 이상 예컨대, 10mm 내지 20mm의 범위일 수 있다. 상기 바닥 너비(R0)는 광학 렌즈(50)의 높이(H0)보다 클 수 있으며, 예컨대 HO의 1배 초과 2배 미만일 수 있다. 상기 RO는 HO의 1.1배 내지 1.9배의 범위일 수 있다. 이러한 대면적의 바닥 면적을 갖는 광학 렌즈(50)는 100개 이상의 발광 소자(20) 상에서 방출된 광의 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)의 높이(H0)는 상기 발광 소자(20)의 두께에 비해 60배 이상 예컨대, 60배 내지 150배의 범위로 크게 배치될 수 있다. 이러한 광학 렌즈(50)의 높이(H0)는 전체 발광 소자(20)로부터 방출되는 광을 굴절시켜 균일한 분포로 추출시켜 줄 수 있다.
도 1, 2, 4와 같이, 상기 광학 렌즈(50)는 렌즈 몸체 또는 투명 몸체의 표면에 다수의 출사면(5)을 포함할 수 있다. 상기 출사면(5)은 중심 축(X0)을 기준으로 서로 다른 반경을 갖는 원주 형상으로 배열된 복수의 제1경계라인들(4)의 내측 또는/및 외측에 배치될 수 있다.
상기 출사면(5)은 표면 중심(P1)으로부터 멀어질수록 점차 넓은 반경 또는 넓은 직경을 가질 수 있다. 상기 출사면(5)들은 수직 방향으로 서로 중첩되지 않게 배치될 수 있다. 상기 출사면(5)들 중 적어도 2개 이상은 기울기를 가질 수 있으며, 상기 기울기를 갖는 출사면들(5)은 서로 다른 기울기로 형성될 수 있다. 상기 출사면(5) 중에서 제1출사영역(55)를 제외한 영역(52,53)은 서로 다른 반경 또는 직경을 갖고 원주 방향으로 배치될 수 있다.
상기 출사면(5)은 상부의 제1출사영역(55), 외곽에 배치된 제2출사영역(52) 및 상기 제1 및 제2출사 영역(55,52) 사이에 제3출사영역(53)을 포함할 수 있다.
상기 제1출사영역(55)은 몸체 표면의 상부 영역에 배치되며 평탄한 면이거나, 기울기가 없거나 상기 출사면들 중에서 기울기가 가장 작은 면일 수 있다. 상기 제1출사영역(55)은 오목한 면 또는 볼록한 면이거나, 러프한 면을 포함할 수 있다. 상기 제1출사영역(55)은 입사되는 광의 투과 효율을 낮추어줄 수 있다. 상기 제1출사영역(55)의 투과 효율을 낮추어, 렌즈 중심에서의 핫 스팟을 방지할 수 있다. 상기 제2출사영역(52)은 상기 회로 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2출사영역(52)의 적어도 일부는 상기 회로 기판(10)에 접촉될 수 있다. 상기 제2출사영역(52)은 소정의 기울기를 가지거나, 최 외곽 라인(P2)와 제1경계라인(4)을 연결한 직선이 소정의 기울기를 가질 수 있다. 상기 제2출사영역(52)은 평탄한 면일 수 있으며, 다른 예로서 오목한 면이거나 볼록한 면일 수 있다. 상기 제2출사영역(52)은 원뿔대 형상이거나 도 11과 같이 다각뿔대 형상을 포함할 수 있다. 상기 제3출사영역(53)은 상기 제1출사영역(55)과 제2출사영역(52) 사이에 연결되며 서로 다른 복수의 출사면을 포함할 수 있다. 상기 제1출사영역(55)을 제외한 출사 영역들(52,53) 각각은 원뿔대 형상이거나 도 11과 같이 다각뿔대 형상을 포함할 수 있다. 상기 출사면(5)은 상기 중심 축(X0) 또는 표면 중심(P1)으로부터 멀어질수록 점차 넓은 반경 또는 직경을 가질 수 있다. 상기 제1출사 영역(55)은 상부 출사면이고, 상기 제2출사 영역(52)는 하부 출사면이고, 상기 제1출사영역(55)와 제2출사영역(52) 사이의 제3출사 영역(53)은 미들 출사면일 수 있다.
상기 출사면(5)들 사이의 영역에는 제1경계 라인(4)이 배치될 수 있다. 상기 제1경계 라인(4)은 원 형상이거나, 다각형 형상 또는 타원 형상일 수 있다. 상기 제1경계 라인(4)은 복수개가 중심 축으로부터 서로 다른 직경이나 너비를 갖고 서로 다른 높이로 배치될 수 있다. 상기 제1경계 라인(4)은 상부의 두 출사 영역 사이에 배치된 첫 번째 경계라인(45)과 하부의 두 출사 영역 사이에 배치된 마지막 경계 라인(41)을 포함할 수 있다. 상기 제1경계라인(4)과 최 외곽 라인(P2)은 원 형상일 수 있으며, 다른 예로서 제1경계라인들(4) 및 최 외곽 라인(P2) 중 적어도 하나는 다각형 형상이거나 다각형 형상일 수 있다. 상기 출사면(5)들은 제1경계라인(4)에 의해 내측 또는 외측으로 구분되거나, 상측 또는 하측으로 구분될 수 있으며, 제1출사영역(55)과 첫번째 경계라인(45)으로 연결되고, 제2출사영역(52)과 마지막 l번째 경계라인(41)으로 연결될 수 있다.
상기 각 출사면(5)은 평면 또는 경사진 면인 경우 기울기를 가질 수 있다. 상기 각 출사면(5)이 볼록한 면이거나 오목한 면을 갖는 경우, 인접한 두 경계라인(4)를 연결한 직선이 기울기를 가질 수 있다. 이러한 출사면(5)들의 기울기는 서로 다를 수 있다. 상기 출사면(5)은 상기 기울기가 상기 제2출사영역(52)에 인접할수록 점차 커질 수 있다. 상기 출사면(5)들의 너비 또는 두 경계라인(4)을 연결한 직선의 길이는 상기 제2출사영역(52)에 인접할수록 점차 커질 수 있다. 상기 제2출사영역(52)의 너비 또는 직선의 길이는 상기 제2출사영역(52)에 인접한 출사면(5)의 너비 또는 직선의 길이보다 작을 수 있다. 상기 제2출사영역(52)의 기울기는 상기 제2출사영역(52)에 인접한 제3출사 영역(53)의 기울기보다 작을 수 있다. 상기 제2출사영역(52)의 기울기를 인접한 제3출사영역(53)의 기울기 값보다 작게 함으로써, 제2출사 영역(52)으로의 입사각을 변경시켜 주어, 최 외곽 발광 소자(Le)에서 출사된 광의 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 상기 출사면(5) 중에서 최 외곽 라인(P2)에 접한 제2출사영역(52)은 최 외곽 소자(Le)의 외측으로 연장되거나 수지층(30)의 외측으로 연장될 수 있다. 상기 출사면(5)들의 면적은 제2출사영역(52)에 인접한 영역까지 점차 커질 수 있고, 상기 제2출사영역(52)의 면적은 인접한 제3출사 영역(53)의 면적보다 작을 수 있다.
상기 제1출사 영역(55)은 평탄한 표면을 갖고, 상기 제2,3출사 영역(52,53)은 경사진 표면을 가지며, 상기 제3출사 영역(52)은 서로 다른 기울기를 가질 수 있으며, 상기 제2출사 영역(53)은 상기 제3출사 영역(53) 중에서 상기 제2출사 영역(52)에 인접한 영역의 기울기보다 작은 기울기를 가질 수 있다.
상기 제1출사 영역(55)은 출사면(5)에서 가장 작은 반경 또는 너비를 갖는 영역으로서, 제1경계 라인(4) 중에서 가장 작은 너비 또는 반경을 갖는 첫 번째 제1경계 라인의 내측에 배치될 수 있다. 상기 제2출사 영역(52)은 가장 큰 반경 또는 너비(또는 직경)를 갖는 갖는 마지막 제1경계 라인의 외측에 배치될 수 있다.
도 2와 같이, 상기 광학 렌즈에서 출사면들(5)들 사이의 제1경계라인(4)들은 원주 방향으로 배열된 발광 소자(20: L0~Le)들의 중심들과 수직 방향으로 중첩될 수 있다. 이에 따라 임의의 원주 방향에 배열된 발광 소자(20: L0~Le)들은 상기 제1경계라인(4)에 의해 서로 다른 두 출사 영역과 수직 방향으로 중첩될 수 있다. 이러한 제1경계라인(4)들은 상기 동심원 형상으로 배열된 발광 소자(20)들의 위치에 따라 달라질 수 있다. 상기 제1경계라인(4)들은 상기 동심원 형상으로 배열된 발광 소자(20)들의 중심(예: 광축)과 대응되게 배치될 수 있다. 여기서, 상기 원주 방향으로 배열된 발광 소자(20: L0~Le) 중 제1출사영역(55)의 외측 열에 배열된 소자(L2)는 상기 제1경계라인(4)과 중첩되지 않고 하나의 출사 영역과 중첩될 수 있다. 상기 제1경계라인(4)의 전체 개수는 5개 이상 예컨대, 5개 내지 15개의 범위일 수 있다. 상기 출사면(5)의 전체 개수는 5개 이상 예컨대, 5개 내지 15개의 범위일 수 있다.
상기 복수의 제1경계라인(4)과 최 외곽 라인(P2)은 중심 축(X0)을 중심으로 동심원 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1경계라인(4)의 높이는 수평한 방향으로 같은 높이로 배치될 수 있고, 인접한 다른 제1경계라인들과 수직한 방향으로 높이 차이를 가질 수 있다. 상기 제1경계라인(4)들은 표면중심(P1)에 인접한 첫 번째 제1경계라인(45)의 직경 또는 너비가 가장 작고, 중심 축(X0)에서 가장 멀리 위치한 최 외곽 라인(P2)의 직경 또는 너비가 가장 클 수 있다. 상기 인접한 제1경계라인(4)들 간의 간격은 탑뷰에서 볼 때 서로 다르거나 적어도 일부 간격이 동일할 수 있다. 상기 제1경계라인(4)들의 간의 간격은 탑뷰에서 볼 때, 점차 좁아지거나 점차 넓어질 수 있다. 측 단면에서 볼 때 상기 제1경계라인(4)은 각진 모서리이거나 곡면일 수 있다.
상기 출사면(5) 중에서 제1출사영역(55)은 수평한 평면이거나 기울기가 0인 평면으로 배치되어 입사되는 광의 출사 광도를 낮추어 줄 수 있다. 이에 따라 상기 제1출사영역(55)으로부터 방출된 광에 의한 핫 스팟을 방지할 수 있다.
도 4와 같이, R1은 광학 렌즈(50)의 표면 중심에서의 평탄한 제1출사영역(55)의 반경 또는 1/2너비로서, R1>d의 관계이거나 R1=D4의 관계 또는 R1<3×d를 가질 수 있다. 상기 R1은 중심 축(X0)을 기준으로 첫 번째 동심원 또는 소자 L1과 대응되는 첫 번째 경계라인(45)의 내측 영역이며, 상기 d는 발광 소자(20)의 한 변의 길이이며, 상기 D4는 인접한 발광 소자(20) 간의 간격이다. 상기 광학 렌즈(50)의 제1출사 영역(55)에 의해 중심부 상에 배치되는 발광 소자(L0,L1)들로부터 방출된 광이 투과되는 것을 억제하여, 핫 스팟을 방지할 수 있다. 핫 스팟 억제를 위해 중심 위치의 소자(L0)는 제거될 수 있다.
광학 렌즈(50)를 이루는 다수의 출사면(5)들 중에서 상기 제1출사영역(55)을 제외한 출사 영역(52,53)들은 상하 방향으로 경사진 평면이거나 볼록한 곡면일 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)는 중심 축(X0)을 기준으로 서로 다른 직경 또는 너비를 갖는 제1경계라인들(4)이 회로 기판(10)으로부터 서로 다른 높이로 배치될 수 있다. 상기 제1경계라인(4)은 원주 형상이거나 18각 이상의 다각 형상일 수 있다. 도 4와 같이, 상기 제3출사 영역(53)의 길이(예: 세로 길이)는 상기 제1출사영역(55)부터 제2출사영역(52)까지 점차 커질 수 있어, G2>G1의 관계를 가질 수 있다. 상기 출사면(5)들이 표면중심(P1)을 기준으로부터 원주 방향으로 배치되므로 상기 중심 축(X0)으로부터 멀어질수록, 각 출사면(5)에서의 제1경계라인(4) 즉, 세로 길이는 점차 커질 수 있다.
도 2 및 도 4와 같이, 원주 방향의 출사면(5)들의 경계인 제1경계라인(4)에는 동심원 형상으로 배열된 발광 소자(20)들과 대응될 수 있다. 상기 발광 소자(20) 각각의 중심(예: X0~Xl)을 연결한 원주 형상은 상기 제1경계라인(4)과 대응될 수 있다. 이는 각 발광 소자(20)의 중심은 서로 다른 출사면(5)의 경계인 제1경계라인(4) 상에 배치될 수 있다. 또한 발광 소자(20)들은 바닥 중심(P0)으로부터 멀어질수록 점차 낮은 높이를 갖는 출사면(5)들과 중첩되게 배치될 수 있다. 이에 따라 각 발광소자(20)로부터 방출된 광은 기울기가 다른 두 출사면(5)을 통해 광이 출사될 수 있다.
도 2를 참조하면, D1은 회로 기판의 어느 한 변의 1/2길이이며, D2는 수지층(30)의 반경 또는 1/2길이이며, D3는 중심으로부터 최 외곽 발광 소자(20)까지의 거리이며, D4는 반경 반향으로 인접한 두 발광 소자(20)의 중심 간의 간격이며, D5는 반경 방향으로 인접한 두 발광 소자(20) 간의 이격 거리일 수 있다.
상기 D2,D3,D4,D5는 다음과 같이 구해질 수 있다.
D2: D2>(D3+d/2)/cos{arctan(d/[2×D3+d])}의 관계를 만족하며, 여기서 d는 발광 소자(20)의 한 변의 길이로서, 50㎛ 이상 예컨대, 50㎛ 내지 3000㎛의 범위일 수 있으며, 상기 발광 소자(20)의 두께보다 클 수 있다.
D3: D3>R×cos{arcsin(d/2R)}-d의 관계를 만족하며, 상기 R은 최외곽 발광 소자(Le)까지의 D2 탄젠트 값이다.
D4: D4>d의 관계를 가지며, D5>0의 관계를 가질 수 있고, D4/D3 ≤1의 관계를 가질 수 있다.
여기서, 상기 수지층(30)의 두께(도 6의 T1)는 d<T1≤2d의 관계를 가질 수 있다.
도 4 및 5를 참조하면, 상기 발광 소자(20)들 중 중심 위치는 L0, m번째 위치는 Lm, 최 외곽 위치는 Le로 정의할 수 있고, 각 발광 소자(20)들 위치에서의 중심 또는 광 축은 중심부에서 외곽 방향으로 X1, X2이며, m번째는 Xm이며, 마지막 번째는 Xl로 정의할 수 있다. 상기 바닥 중심(P0) 또는 중심 축(X0)에서의 X축 방향의 거리는 X0, Xm-1, Xm, Xm+1, Xl과 같은 위치까지의 거리일 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)의 원주 방향을 따른 제1경계라인(4)의 높이는 Ym, Ym-1, Ym-2과 같은 높이일 수 있으며, 예컨대 m-1번째 라인의 높이를 Ym - 1으로 정의할 수 있다. 상기 Ym-1은 m번째 소자(Lm)의 광 축(Xm)과 교차될 수 있다. 여기서, (Xm-1,Ym-2)의 지점은 Y1이라고 하고, (Xm, Ym-1)의 지점은 Y3라 하고, (Xm+1, Ym)의 지점은 Y2로 정의할 수 있으며, 상기 Y1,Y2,Y3은 각 경계라인의 높이일 수 있다. 상기 지점 Y1과 지점 Y3을 연결한 직선의 기울기는 am-1이고, 지점 Y3와 지점 Y2를 연결한 직선의 기울기는 am이라고 할 수 있다. 상기 지점 Y1과 지점 Y3 사이의 제2출사면은 S2이라고 하고, 지점 Y3와 지점 Y2 사이의 제1출사면은 S1이라 할 수 있다. 상기 m은 2이상의 정수일 수 있다. m(m≥2)번째 발광 소자(Lm)에 대해 직교하는 광축(Xm)과 교차되는 제1경계라인(4)이 Ym -1인 경우, 상기 Ym -1과 Ym 사이의 출사 영역인 제1출사면(S1)과, Ym -1과 Ym-2 사이의 출사 영역인 제2출사면(S2)이 서로 다른 기울기(am, am-1)를 가질 수 있다. 즉, m(m≥2)번째 발광 소자(Lm)과 직교하는 광축(Xm)을 기준으로 내측의 제2출사면(S2)과, 외측의 제1출사면(S1)로 구분할 수 있다. 상기 제1출사면(S1)의 기울기(am)는 제2출사면(S2)의 기울기(am-1)보다 클 수 있다. 상기 발광 소자(Lm)을 통해 출사된 광은 광축(Xm)을 기준으로 제1출사면(S1)과 제2출사면(S2)으로 진행할 수 있으며, 임의의 발광 소자와 직교하는 광축을 기준으로 나누어지는 제1출사면(S1)과 제2출사면(S2)은 입사되는 광의 임계각보다 작게 설계하여, 광이 반사되지 않고 출사되도록 할 수 있다. 예컨대, 상기 제2출사면(S2)은 광축(Xm)을 기준으로 중심 축(X0)에 인접하므로 임계각보다 작을 수 있으나, 광축(Xm)을 기준으로 외측 방향에 배치된 제1출사면(S1)은 임계각보다 커질 수 있다. 실시 예는 상기 각 발광 소자(L0~Le)의 광축(X0~Xl)보다 외측 방향으로 진행되는 광들에 대해 외부로 출사될 수 있도록, 인접한 두 출사면(예: S1,S2)의 기울기(am≠am-1)를 다르게 하여, 제2출사면(S2)의 기울기를 입사되는 광의 임계각보다 작게 할 수 있다. 또한 출사면(5) 중에서 제2출사영역(52)의 기울기를 인접한 영역의 기울기보다 작게 하여 소자 Le로부터 방출된 광이 출사될 수 있도록 할 수 있다.
도 4와 같이, 광학 렌즈(50)의 최 외곽 라인(P2)에서 연속한 3개의 출사면(5)들의 높이(H1,H3,H2)는 점차 높게 배치될 수 있으며, 예컨대 H1>H3>H2의 관계를 가질 수 있다. 여기서, 제2출사영역(52)에 인접한 제3출사 영역(53)의 높이(H3)는 H1과의 높이 차이 값이 2배 이상이고 H2와의 높이 차이 값이 1.5배 이하일 수 있으며, H1,H3,H2은 최 외곽 라인(P2)에 인접한 제3출사 영역(53)의 높이이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 광학 렌즈(50)의 외 형상의 구조를 설명하면,
R1은 광학 렌즈(50)의 표면 중심(P1)에서의 평탄한 제1출사영역(55)의 반경 또는 1/2너비로서, R1>d의 관계이거나 R1=D4의 관계 또는 R1<3×d를 가질 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)의 바닥 너비(R0) 또는 너비의 1/2은 R2로서,
R2 > (R+d/2)/cos(arctan(d/[2×R+d]))-[cos{arcsin(d/2R)}-d]의 관계를 가질 수 있다. 상기 R은 최외곽 발광 소자(Le)까지의 D2 탄젠트 값이다.
최 외곽 라인(P2)에서 연속한 3개의 출사면(5)의 높이 H1, H3, H2라 할 때,
H1,H3,H2 > am(Xm-X1)+Xm/tan(ψc)의 관계를 가질 수 있으며, 상기 ψc는 출사면(5)에서의 임계각이다.
am은 제1출사면(S1)의 기울기로서, cot{sin-1[1/n]-[π/2]-tan-1[(X1-Xm)/(Xm/tan(ψc))]}의 관계를 가질 수 있다. Xm은 Ym -1의 위치와 대응되며, ψc은 상기 기울기를 갖는 출사면(S1)의 임계각이다.
H2-H1=am-1(D3-D2)+am(D1-D3)>am-1×d+am×d의 관계를 가지며,
H2-H3=am- 1(D3-D2)>am -1×d의 관계를 가지며,
도 4에서 출사면(5)의 가로 길이는 G1,G2라 할 때,
G1={{D3-D2}2+[am-1(D3-D2)]2}1 /2 > d{1+am-1 2}1/2
G2={{D1-D3}2+[am(D1-D3)]2}1 /2 > d{1+am 2}1/2
(G1/G2)2＝｛（D3-D2)2＋[am- 1（D3-D2)]2｝/｛（D1-D3)2＋［am（D1-D3)]2｝의 관계를 가질 수 있다.
도 5와 같이, am은 발광 소자 Lm에 수직한 축(Xm)과 만나는 지점(Xm,Ym - 1)보다 외측 또는 하부에 배치된 제1출사면(S1)의 기울기이다. am-1은 발광 소자 Lm에 수직한 축(Xm)과 만나는 지점(Ym - 1,Xm)보다 내측 또는 상부에 배치된 제2출사면(S2)의 기울기이다. 상기 지점(Ym-1, Xm)을 기준으로 외측은 중심 축(X0)으로부터 멀어지는 방향이며, 내측은 중심 축(X0) 방향일 수 있다.
상기 높이 H0에서의 각 θ0는 중심 축을 기준으로 최 외곽 발광 소자(Le)의 중심을 연결한 각으로서, θ0≤ψc의 관계를 가지며,
tan(θ0)는 Xl/HO≤tan(ψc)의 관계를 가지며,
HO≥Xl/tan(ψc)이며,
렌즈 높이의 최소 값 H0(min)으로서, 제1경계라인(4) 중에서 Xl 지점의 높이(예: H1)일 수 있다. 최소 높이 H0(min)=Xl/tan{sin-1(1/n)}의 관계를 가지며, 상기 n은 광학 렌즈(50)의 굴절률이다. 임계각(ψc)=sin-1(1/n)이다.
Xm에서의 높이 Ym -1에서의 높이(Y1)을 계산하면, Y1=am-1×x-Ym -2
Ym-1=am-1×Xm-Ym -2
(Ym - 1,Xm)에서의 각도 θm는 최 외각 발광 소자(Le)로부터 방출된 광의 입사각으로서, 각도 θ2와 C1의 합으로 구해질 수 있다. 여기서, x는 바닥 중심(P0) 또는 중심 축(X0)로부터 Ym -2와 교차되는 Xm -1까지의 X축 방향의 거리이다.
상기 각도(θm)을 구하는 식을 보면 다음과 같다.
Tan(θ2)=(Xl-Xm)/Ym -1이며,
상기 (Xl-Xm)은 Xl은 바닥 중심(0 또는 P0)에서 l번째의 지점 또는 제1경계라인까지의 거리이며, Xm은 m번째의 지점 또는 제1경계라인까지의 거리이며, l>m을 만족한다.
θ2=tan-1{(Xl-Xm)/Ym -1}
Y3 = (1/am)(X-Xm)+Ym -1
0 = (1/am)(Xm '-Xm)+Ym -1
Xm '=am×Ym -1+X2
lm=Xm-Xm'사이의 거리이며, X2는 바닥 중심(0, P0)로부터 2번째 제1경계라인과 대응되는 소자까지의 거리이며, Y3은 지점(Ym -1, Xm)의 위치이다.
lm=-am×Ym -1
Tan(c0)=Ym-1/Lm=-1/am
C1=(π/2)-Tan-1(-1/am)
θm=C1+θ2
θm=(π/2)-Tan-1(-1/am)+tan-1{(Xl-Xm)/Ym -1}
여기서, Xl은 바닥 중심(P0) 또는 중심 축(X0)로부터 최 외곽 소자(Le)의 중심 또는 그 소자(Le)의 광축(Xl)까지의 거리이거나 마지막 제1경계 라인까지의 거리이며, Xm은 바닥 중심(P0)부터 m번째 소자(Lm)의 중심 또는 Lm의 광축까지의 거리이며, Ym-1은 바닥에서 m번째 제1경계 라인까지의 높이일 수 있다.
여기서, Xm에서의 제1출사면(S1)의 기울기 am을 구하는 식을 보면 다음과 같다.
θ0≤ψc
am=cot(ψc-(π/2)-tan-1(tan-1{(Xl-Xm)/Ym -1}
am=cot{sin-1[1/n]-(π/2)-tan-1{(Xl-Xm)/Ym -1}}
본 발명에서 제1출사 영역(55)를 제외하거나 기울기를 갖는 모든 출사면(5)은 기울기(am)를 가질 경우, 입사되는 광을 외부로 추출시켜 줄 수 있다. 즉, 기울기(am)을 갖는 출사면(5)들은 각 발광 소자의 광 축보다 외측으로 배치되더라도 임계각보다 작은 각도로 광이 입사될 수 있어, 입사된 광을 외부로 방출시켜 줄 수 있다. 상기 m은 2이상의 정수일 수 있으며 2≤m≤15를 만족하며, l은 1>m을 만족할 수 있다.
원주 모양으로 배치된 복수의 발광 소자(20)로부터 방사된 광은 상기 각 발광 소자(20)와 수직하게 대응되는 출사면(5)에서의 굴곡이 변화하는 문제를 방지하여, 다중 반사를 최소화할 수 있다. 이에 따라 회로 기판(10) 상에 배치된 레지스트 재질이나 발광 소자(20)에 의한 흡수나 손실을 줄여줄 수 있다.
m번째 발광 소자(Lm)에 수직하게 대응되는 영역의 출사면(5)의 굴절률이 n인 경우, Lm보다 중심 축(Xm) 방향으로의 기울기를 am-1이라 하고, 외곽 방향으로의 기울기를 am이라 할 때, 발광 소자(20)로부터 방출된 광이 lm보다 왼쪽으로 진행하는 광은 임계각보다 작기 때문에 렌즈 외부로 투과될 수 있고, 기울기 am에서 법선과 이루는 각이 최외곽 발광 소자(Le)로 갈수록 점차 커지게 된다. 여기서, 상기 m은 2≤m≤15 또는 5≤m≤15를 만족할 수 있다. 이때 상기 최외곽 발광 소자(Le)로부터 방출된 광의 추출 효율이 가장 저하되므로, 상기 각도(θm)는 최외곽 발광 소자(Le)로부터 방출된 광의 임계각 이내로 하여 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 예컨대, 도 4에서, 제2출사영역(52)은 수직한 축 방향에 대해 경사 각도(θ4)는 인접한 출사면의 경사 각도(θ3)보다 크게 배치되어, 최 외곽 소자(Le)로부터 방출된 광이 제2출사영역(52)을 통해 방출되도록 할 수 있다. 이에 따라 광원 모듈의 색도 균일성, 다중 반사에 억제에 따른 광도 개선 효과를 줄 수 있다. 또한 광학 렌즈(50)의 에지 영역 예컨대, 제2출사영역(52)에서의 광 손실을 줄여줄 수 있다.
실시 예는 광원 모듈의 사이즈를 변경하지 않고 광 추출 효율을 개선할 수 있어, 다른 리플렉터나 도광판과 같은 구성들의 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 광원 모듈의 다른 예이다. 도 7 및 도 8을 설명함에 있어서, 상기와 동일한 구성은 상기의 구성을 이용하기로 하며 상기의 설명을 참조할 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 광원 모듈은 발광 소자(20), 수지층(30) 및 광학 렌즈(50)를 포함할 수 있다.
상기 수지층(30)은 외측 면이 상기 광학 렌즈(50)의 외측에 노출될 수 있다. 상기 수지층(30)의 상면 면적은 상기 광학 렌즈(50)의 바닥 면적과 동일할 수 있다. 상기 수지층(30)은 원 형상 또는 다각 형상일 수 있으며, 상기 광학 렌즈(50)의 최 외곽 라인(P2)와 동일한 외 형상을 가질 수 있다.
상기 광학 렌즈(50)는 상기 수지층(30)의 상면(32)에 부착될 수 있다. 상기 광학 렌즈(50)는 부착 시 상기 수지층(30)이 경화되기 전에 부착될 수 있다. 다른 예로서, 상기 광학 렌즈(50)과 상기 수지층(30) 사이에 접착층(35)이 배치될 수 있으며, 상기 접착층(35)은 상기 수지층(30)과 동일한 재질이거나, 실리콘 또는 에폭시와 같은 투명한 수지 재료일 수 있다. 상기 접착층(35)은 광학 렌즈(50)를 수지층(30)에 접촉시켜 줄 수 있으며, 상기 광학 렌즈(50)과 수지층(30) 사이의 외측에 노출될 수 있다.
상기 수지층(30)의 외측이 노출될 경우, 상기 수지층(30)의 외 측에는 수지 재질의 반사 부재가 배치될 수 있다. 상기 수지 재질의 반사 부재는 실리콘 또는 에폭시와 같은 재질을 갖고, 내부에 금속 산화물이 첨가될 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자(20)은 도 2와 같이 소정 간격(D4)를 갖고 배열되거나, 상기 간격(D4)보다 작은 간격을 갖거나, 도 9와 같이, 대면적의 발광 소자를 배치할 수 있다. 도 9의 발광 소자(20)는 한 변의 길이가 1200㎛ 이상일 수 있으며, 예컨대 1400㎛ 내지 1600㎛의 범위일 수 있다. 이러한 발광 소자(20) 상에는 광학 렌즈가 동일한 구조로 배치될 수 있어, 광도는 개선될 수 있다.
도 10을 참조하면, 광학 렌즈(50A)의 높이를 더 높게 예컨대, 15mm 이상의 높이로 배치할 수 있다. 이러한 광학 렌즈(50A)의 직경 또는 너비는 20mm 이상 예컨대, 20mm 내지 40mm의 범위를 포함할 수 있다. 상기 광학 렌즈(50A)의 다수의 출사면(5)이 제1경계라인(4)에 의해 분리되며, 제2출사영역(52)은 수직한 축을 기준으로 각도(θ6)가 도 6의 각도(θ4)보다 작을 수 있다. 이는 제2출사영역(52)에서의 광은 내측 방향으로 반사시켜 주어, 광의 손실을 줄여주고 광 균일도를 개선시켜 줄 수 있다.
실시 예에 따른 광학 렌즈를 갖는 광원 모듈의 광도는 상기 광학 렌즈가 없는 경우에 비해 1.1배 이상의 광도 차이가 있으며, 도 4의 광학 렌즈의 광도는 1.3배 이상이며, 도 10의 광학 렌즈는 1.1배 이상으로 나타날 수 있다. 도 4의 광학 렌즈가 도 10의 광학 렌즈에 비해 더 높은 효율을 가질 수 있다. 상기 각 출사면에서의 임계각은 42.1도이다.
도 11 내지 도 15는 제2실시 예에 따른 광학 렌즈를 갖는 광원 모듈을 나타낸 구성이다. 제2실시 예를 설명함에 있어서, 상기 제1실시 예에 개시된 구성과 동일한 부분은 제1실시 예의 설명을 참조하며 선택적으로 본 실시 예에 적용할 수 있다. 제2실시 예는 광학 렌즈의 외형이 제1실시 예와 상이하며, 예컨대 광학 렌즈에서 원주 방향으로 배열된 출사면들이 방사 방향의 라인들에 의해 다각형 형상의 서브면으로 형성된 구성이다. 상기 서브 출사면을 갖는 광학 렌즈의 측 단면인 도 13 및 도 14의 구조는 도 4 및 도 5의 구조와 동일할 수 있다. 이러한 도 13 및 도 14의 상세한 설명은 도 4 및 도 5의 설명을 참조하기로 한다.
도 11 내지 도 15를 참조하면, 광학 렌즈(50B)는 다수의 서브 출사면(5A)을 갖는 출사면들을 포함할 수 있다. 즉, 도 1의 각 출사면들이 도 11의 복수의 서브 출사면(5A)으로 분할된 구성이다. 상기 서브 출사면(5A)은 도 1의 출사면(5)이 원주 방향으로 다수의 영역으로 분리된 구조일 수 있다. 상기 서브 출사면(5A)은 중심 축(X0)을 기준으로 서로 다른 반경을 갖는 원주 형상으로 배열된 복수의 제1경계라인(4)과, 상기 표면중심(P1)을 기준으로 방사 방향으로 연장되어 상기 복수의 제1경계라인(4)과 교차되는 복수의 제2경계라인(61) 사이의 영역에 각각 배치될 수 있다.
상기 서브 출사면(5A)은 제1경계라인(4)과 제2경계라인(61)이 교차될 때, 상기 제1,2경계라인(4,61) 사이의 영역에 배치될 수 있다. 상기 각 서브 출사면(5A)의 가로 방향 또는 상/하 경계 부분을 지나는 제1경계라인(4)은 곡선일 수 있다. 상기 서브 출사면(5A)의 세로 방향 또는 좌/우 경계 부분을 지나는 제2경계라인(61)은 직선일 수 있다. 상기 제1경계라인(4)들은 서브 출사면(5A)들을 세로 방향 또는 상하 방향으로 분리하게 되며, 상기 제2경계라인(61)들은 서브 출사면(5A)들을 세로 방향 또는 원주 방향으로 분리하게 된다. 상기 제1경계라인(4)의 개수는 5개 이상 예컨대, 5개 내지 15개의 범위일 수 있으며, 상기 제2경계라인(61)의 개수는 1개 이상 예컨대, 1개 내지 48개의 범위일 수 있다. 이러한 제1,2경계라인(4,61)의 개수는 광학 렌즈(50B)의 높이나 발광 소자들의 개수에 따라 다를 수 있다.
상기 복수의 제1경계라인(4)은 중심 축(X0)을 중심으로 하는 동심원 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1경계라인(4) 각각은 같은 수평한 방향으로 배치될 수 있고, 인접한 제1경계라인(4)들은 높이 차이를 가질 수 있다. 상기 제1경계라인(4)들은 표면중심(P1)에 인접한 영역(55A)의 직경 또는 너비가 가장 작고, 중심 축(X0)에서 가장 멀리 위치한 최 외곽 라인(P2)의 직경 또는 너비가 가장 클 수 있다. 상기 인접한 제1경계라인(4)들 간의 간격은 탑뷰에서 볼 때 서로 다르거나 적어도 일부 간격이 동일할 수 있다. 상기 제1경계라인(4)들의 간의 간격은 탑뷰에서 볼 때, 점차 좁아지거나 점차 넓어질 수 있다. 이러한 제1경계라인(4)들은 상기 동심원 형상으로 배열된 발광 소자(20)들의 위치에 따라 달라질 수 있다. 상기 제1경계라인(4)들은 상기 동심원 형상으로 배열된 발광 소자(20)들의 중심(예: 광축)과 대응되게 배치될 수 있다.
상기 제2경계라인(61)들은 표면중심(P1)부터 최 외곽 라인(P2)까지를 연결한 다단으로 꺾인 직선 형태이거나, 다른 예로서 다수의 곡선일 수 있다. 상기 제2경계라인(61)들 간의 간격은 표면중심(P1)으로부터 멀어질수록 점차 이격될 수 있다. 상기 제2경계라인(61)들 사이의 서브 출사면(5A)의 형상은 상기 표면중심(P1)을 중심으로 하는 원호 형상을 가질 수 있다.
상기 제1경계라인(4)과 제2경계라인(61) 사이의 영역에는 서브 출사면(5A)이 각각 배치될 수 있다. 상기 서브 출사면(5A)은 다각형 형상을 포함할 수 있다. 상기 서브 출사면(5A)들 중에서 제1출사영역(55A)은 복수개가 원호 형상 또는 삼각형 형상을 가질 수 있다. 상기 제1출사영역(55A)은 중심 축(X0)을 기준으로 소정 각도(도 12의 R6)를 갖는 원호 형상을 가질 수 있다. 표면중심(P1)으로부터 인접한 제2경계라인(61)들 사이의 각도(R6)는 상기 중심 축(X0)을 기준으로 상기 각 서브 출사면(5A)이 이루는 각도로서, 360/nLe일 수 있으며, 상기 nLe은 최 외곽 원주 방향의 발광 소자의 개수일 수 있다. 다른 예로서, 상기 각도(R6)는 180도 이하 예컨대, 5도 내지 180도의 범위 또는 8도 내지 25도의 범위로 배치될 수 있다. 상기 각도(R6)는 상기 표면중심(P1)을 기준으로 원호 각도로 정의할 수 있다. 다른 예로서, 서브 출사면(5A) 중에서 제2출사영역(52A) 각각에 대응되는 소자(Le)는 적어도 하나 또는 복수로 배치될 수 있다. 상기 각도(R6)가 상기 범위보다 작으면 상대적으로 작은 서브 출사면(5A)의 형성에 어려움이 있고 상기 범위보다 큰 경우 광의 균일한 확산 및 색 균일도의 제어가 어려울 수 있다. 상기 각도(R6)는 최 외곽의 원주 방향에 배열된 제2출사영역(52A)과 발광 소자(Le)의 개수에 따라 달라질 수 있다. 상기 각도(R6)는 360를 최외곽 발광 소자(Le)의 개수로 나눈 값과 같거나 다를 수 있다. 예컨대 상기 최 외곽 발광 소자(Le)의 개수가 36개인 경우 상기 서브 출사면(5A)의 각도(R6)는 10도일 수 있다. 상기 광학 렌즈(50B)에서 서브 출사면(5A)의 전체 개수는 10개 이상일 수 있으며, 예컨대 10개 내지 540개의 범위 또는 180 내지 360개의 범위일 수 있다.
상기 서브 출사면(5A) 중에서 제1출사영역(55A)은 수평한 평면이거나 기울기가 0인 평면으로 배치되어 입사되는 광의 출사 광도를 낮추어 줄 수 있다. 이에 따라 상기 제1출사영역(55A)으로부터 방출된 광에 의한 핫 스팟을 방지할 수 있다.
도 13과 같이, R1은 광학 렌즈(50B)의 표면 중심에서의 평탄한 제1출사영역(55A)의 반경 또는 1/2너비로서, R1>d의 관계이거나 R1=D4의 관계 또는 R1<3×d를 가질 수 있다. 상기 R1은 중심 축을 기준으로 첫 번째 동심원 또는 소자 L1과 대응되는 제1경계라인(45)의 내측 영역이며, d는 발광 소자(20)의 한 변의 길이이며, D4는 인접한 발광 소자(20) 간의 간격이다. 상기 광학 렌즈(50B)의 제1출사영역(55A)에 의해 중심부 상에 배치되는 발광 소자(L0,L1)들로부터 방출된 광이 투과되는 것을 억제하여, 핫 스팟을 방지할 수 있다. 상기 중심 위치의 소자(L0)는 핫 스팟 방지를 위해 제거할 수 있다.
상기 서브 출사면(5A)들 중 상기 제1출사영역(55A)을 제외한 영역들은 다각형 형상을 가질 수 있으며, 예컨대 사다리꼴 형상을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 각 서브 출사면(5A)에서 제1경계라인(4)이 직선이거나 곡선인 형상을 포함할 수 있다. 상기 각 서브 출사면(5A)에서 제2경계라인(61)은 직선이거나 곡선일 수 있다. 상기 제1출사영역(55A)을 제외한 서브 출사면(5A)들은 표면이 평탄한 다각형 형상 예컨대, 사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 이에 따라 반구 형상의 광학 렌즈(50B)를 이루는 다수의 서브 출사면(5A)들은 평면이거나 볼록한 곡면일 수 있다. 상기 광학 렌즈(50B)는 중심 축(X0)을 기준으로 서로 다른 직경 또는 너비를 갖는 제1경계라인들(4)이 회로 기판(10)으로부터 서로 다른 높이로 배치될 수 있다. 상기 제1경계라인(4)은 원주 형상이거나 18각 이상의 다각 형상일 수 있다. 도 13와 같이, 상기 서브 출사면(5A)의 세로 길이를 보면, 제1출사영역(55A)과 제2출사영역(52A) 사이에서의 세로 길이는 점차 커질 수 있어, G2>G1의 관계를 가질 수 있다.
상기 서브 출사면(5A)의 기울기는 상기 제1출사영역(55A) 또는 표면중심(P1)으로부터 제2출사영역(52A)에 인접한 영역까지 점차 커질 수 있다. 여기서, 상기 서브 출사면(5A) 중에서 제2출사영역(52A)의 기울기는 인접한 출사 영역의 기울기보다 작을 수 있다. 상기 제2출사영역(52A)의 기울기를 인접한 출사 영역의 기울기 값보다 작게 함으로써, 최 외곽 발광 소자(Le)에서의 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
상기 서브 출사면(5A) 중에서 최 외곽 라인(P2)에 접한 제2출사영역(52A)은 최 외곽 소자(Le)의 외측으로 연장되거나 수지층(30)의 외측으로 연장될 수 있다. 상기 서브 출사면(5A)들의 면적은 제2출사영역(52A)에 인접한 영역까지 점차 커질 수 있고, 상기 제2출사영역(52A)의 면적은 인접한 출사 영역보다 작을 수 있다.
상기 서브 출사면(5A)들이 표면중심(P1)을 기준으로 방사 방향으로 배치되므로 상기 중심 축(X0)으로부터 멀어질수록, 각 서브 출사면(5A)에서의 제1경계라인(4) 즉, 가로 길이는 점차 커질 수 있다.
방사 방향 또는 세로 방향으로 인접한 서브 출사면(5A)들의 경계인 제1경계라인(4)에는 동심원 형상으로 배열된 발광 소자(20)들과 대응될 수 있다. 상기 발광 소자(20) 각각의 중심(예: X0~Xl)을 연결한 원주 형상은 상기 제1경계라인(4)과 대응될 수 있다. 이는 각 발광 소자(20)의 중심은 서로 다른 서브 출사면(5A)의 경계인 제1경계라인(4) 상에 배치될 수 있다. 또한 발광 소자(20)들은 바닥 중심(P0)으로부터 멀어질수록 점차 낮은 높이를 갖는 서브 출사면(5A)들과 중첩되게 배치될 수 있다. 이에 따라 각 발광소자(20)로부터 방출된 광은 기울기가 다른 두 출사 영역을 통해 광이 출사될 수 있다.
여기서, 도 13 및 도 14를 참조하면, 발광 소자(20)들 중 중심 위치는 L0, m번째 위치는 Lm, 최 외곽 위치는 Le로 정의할 수 있고, 각 발광 소자(20)들 위치에서의 중심 또는 광 축은 중심부에서 외곽 방향으로 X1, X2이며, m번째는 Xm이며, 마지막 번째는 Xl로 정의할 수 있다. 상기 바닥 중심(P0) 또는 중심 축(X0)에서의 X축 방향의 거리는 X0, Xm-1, Xm, Xm+1, Xl과 같은 위치까지의 거리일 수 있다. 상기 광학 렌즈(50B)의 원주 방향을 따른 제1경계라인(4)의 높이는 YO부터 시작하며 Ym, Ym-1, Ym-2과 같은 높이일 수 있으며, 예컨대 m-1번째 라인의 높이를 Ym - 1으로 정의할 수 있다. 상기 Ym-1은 m번째 소자(Lm)의 광 축(Xm)과 교차될 수 있다. 여기서, (Xm-1,Ym-2)의 지점은 Y1이라고 하고, (Xm, Ym-1)의 지점은 Y3라 하고, (Xm+1, Ym)의 지점은 Y2로 정의할 수 있으며, 상기 Y1,Y2,Y3은 각 경계라인의 높이일 수 있다. 상기 지점 Y1과 지점 Y3을 연결한 직선의 기울기는 am-1이고, 지점 Y3와 지점 Y2를 연결한 직선의 기울기는 am이라고 할 수 있다. 상기 지점 Y1과 지점 Y3 사이의 제2출사면은 S2이라고 하고, 지점 Y3와 지점 Y2 사이의 제1출사면은 S1이라 할 수 있다.
발광 소자 Lm의 광축(Xm)과 교차되는 제1경계라인(4)이 Ym -1인 경우, 상기 Ym -1과 Ym 사이의 제1출사면(S1)과, Ym -1과 Ym -2 사이의 제2출사면(S2)의 기울기(am, am-1)는 서로 다르다. 상기 제1출사면(S1)의 기울기(am)는 제2출사면(S2)의 기울기(am-1)보다 클 수 있다. 상기 발광 소자 Lm을 통해 출사된 광은 Xm을 기준으로 제1출사면(S1)과 제2출사면(S2)으로 진행할 수 있으며, 제1출사면(S1)과 제2출사면(S2)은 입사되는 광의 임계각보다 작게 설계하여, 광이 반사되지 않고 출사되도록 할 수 있다. 예컨대, 제2출사면(S2)은 Xm을 기준으로 중심 축(X0)에 인접하거나 내측에 배치되므로 임계각보다 작을 수 있으나, Xm을 기준으로 중심 축(X0)로부터 멀어지거나 외측 방향에 배치된 제1출사면(S1)은 임계각보다 커질 수 있다. 실시 예는 상기 각 발광 소자(L0~Le)의 광축(X0~Xl)보다 외측 방향으로 진행되는 광들에 대해 외부로 출사될 수 있도록, 상기 서브 출사면(5)에서 인접한 두 출사면(S1,S2)의 기울기를 다르게 하여, 입사되는 광의 임계각보다 작게 할 수 있다. 또한 서브 출사면(5A) 중에서 최 외측 제2출사영역(52A)의 기울기를 인접한 제3출사영역(53A)의 기울기보다 작게 하여 소자 Le로부터 방출된 광이 출사될 수 있도록 할 수 있다.
도 12를 참조하면, D1은 회로 기판의 어느 한 변의 1/2길이이며, D2는 수지층(30)의 반경 또는 1/2길이이며, D3는 중심으로부터 최 외곽 발광 소자(20)까지의 거리이며, D4는 반경 반향으로 인접한 두 발광 소자(20)의 중심 간의 간격이며, D5는 반경 방향으로 인접한 두 발광 소자(20) 간의 이격 거리일 수 있다.
상기 D2,D3,D4,D5는 다음과 같이 구해질 수 있다.
D2: D2>(D3+d/2)/cos{arctan(d/[2×D3+d])}의 관계를 만족하며, 여기서 d는 발광 소자(20)의 한 변의 길이로서, 50㎛ 이상 예컨대, 50㎛ 내지 3000㎛의 범위일 수 있으며, 상기 발광 소자(20)의 두께보다 클 수 있다.
D3: D3>R×cos{arcsin(d/2R)}-d의 관계를 만족하며, 상기 R은 최외곽 발광 소자(Le)까지의 D2 탄젠트 값이다.
D4: D4>d의 관계를 가지며, D5>0의 관계를 가질 수 있고, D4/D3 ≤1의 관계를 가질 수 있다.
여기서, 상기 수지층(30)의 두께(도 6의 T1)는 d<T1≤2d의 관계를 가질 수 있다.
한편, 도 13과 같이, 광학 렌즈(50B)의 최 외곽 라인(P2)에서 연속한 3개의 서브 출사 영역들의 높이(H1,H3,H2)는 점차 높게 배치될 수 있으며, 예컨대 H1>H3>H2의 관계를 가질 수 있다. 여기서, 제2출사영역(52A)에 인접한 출사면의 높이(H3)는 H1과의 높이 차이 값이 2배 이상이고 H2와의 높이 차이 값이 1.5배 이하일 수 있으며, H1,H3,H2은 최 외곽 라인(P2)에 인접한 출사면의 높이이다.
도 13 및 도 14를 참조하여 광학 렌즈(50B)의 외 형상의 구조를 설명하면,
R1은 광학 렌즈(50B)의 표면 중심(P1)에서의 평탄한 제1출사영역(55A)의 반경 또는 1/2너비로서, R1>d의 관계이거나 R1=D4의 관계 또는 R1<3×d를 가질 수 있다. 상기 광학 렌즈(50B)의 바닥 너비(R0) 또는 너비의 1/2은 R2로서,
R2 > (R+d/2)/cos(arctan(d/[2×R+d]))-[cos{arcsin(d/2R)}-d]의 관계를 가질 수 있다. 상기 R은 최외곽 발광 소자(Le)까지의 D2 탄젠트 값이다.
최 외곽 라인(P2)에서 연속한 3개의 서브 출사면(5A)의 높이 H1, H3, H2라 할 때,
H1,H3,H2 > am(Xm-X1)+Xm/tan(ψc)의 관계를 가질 수 있으며, 상기 ψc는 서브 출사면(5A)에서의 임계각이다.
am은 제1출사면(S1)의 기울기로서, cot{sin-1[1/n]-[π/2]-tan-1[(X1-Xm)/(Xm/tan(ψc))]}의 관계를 가질 수 있다. Xm은 Ym -1의 위치와 대응되며, ψc은 상기 기울기를 갖는 출사면(S1)의 임계각이다.
H2-H1=am-1(D3-D2)+am(D1-D3)>am-1×d+am×d의 관계를 가지며,
H2-H3=am- 1(D3-D2)>am -1×d의 관계를 가지며,
도 13에서 서브 출사면(5A)의 길이는 G1,G2라 할 때,
G1={{D3-D2}2+[am-1(D3-D2)]2}1 /2 > d{1+am-1 2}1/2
G2={{D1-D3}2+[am(D1-D3)]2}1 /2 > d{1+am 2}1/2
(G1/G2)2＝｛（D3-D2)2＋[am- 1（D3-D2)]2｝/｛（D1-D3)2＋［am（D1-D3)]2｝의 관계를 가질 수 있다.
도 14와 같이, am은 발광 소자 Lm에 수직한 축(Xm)과 만나는 지점(Xm,Ym - 1)보다 외측 또는 하부에 배치된 제1출사면(S1)의 기울기이다. am-1은 발광 소자 Lm에 수직한 축(Xm)과 만나는 지점(Xm,Ym - 1)보다 내측 또는 상부에 배치된 제2출사면(S2)의 기울기이다. 임의의 경계 지점(Xm,Ym - 1)을 기준으로 외측은 중심 축(X0)으로부터 멀어지는 방향이며, 내측은 중심 축(X0) 방향일 수 있다.
상기 높이 H0에서의 각 θ0는 중심 축을 기준으로 최 외곽 발광 소자(Le)의 중심을 연결한 각으로서, θ0≤ψc의 관계를 가지며,
tan(θ0)는 Xl/HO≤tan(ψc)의 관계를 가지며,
HO≥Xl/tan(ψc)이며,
렌즈 높이의 최소 값 H0(min)으로서, 라인(4) 중에서 Xl 지점의 높이(예: H1)일 수 있다. 최소 높이 H0(min)=Xl/tan{sin-1(1/n)}의 관계를 가지며, 상기 n은 광학 렌즈(50)의 굴절률이다. 임계각(ψc)=sin-1(1/n)이다.
Xm에서의 높이 Ym -1에서의 높이(Y1)을 계산하면, Y1=am-1×x-Ym -2
Ym -1=am-1×Xm-Ym -2
(Xm,Ym - 1)에서의 각도 θm는 최 외각 발광 소자(Le)로부터 방출된 광의 입사각으로서, 각도 θ2와 C1의 합으로 구해질 수 있다. 여기서, x는 바닥 중심(P0) 또는 중심 축(X0)로부터 x축 방향의 거리이다.
상기 각도(θm)을 구하는 식을 보면 다음과 같다.
Tan(θ2)=(Xl-Xm)/Ym -1이며,
θ2=tan-1{(Xl-Xm)/Ym -1}
Y3 = (1/am)(X-Xm)+Ym -1
0 = (1/am)(Xm '-Xm)+Ym -1
Xm '=am×Ym -1+X2
lm=Xm-Xm'사이의 거리이며,
lm=-am×Ym -1
Tan(c0)=Ym-1/Lm=-1/am
C1=(π/2)-Tan-1(-1/am)
θm=C1+θ2
θm=(π/2)-Tan-1(-1/am)+tan-1{(Xl-Xm)/Ym -1}
여기서, Xl은 바닥 중심(P0) 또는 중심 축(X0)로부터 최 외곽 소자(Le)의 중심 또는 그 소자(Le)의 광축(Xl)까지의 거리이며, Xm은 바닥 중심(P0)부터 m번째 소자(Lm)의 중심 또는 Lm의 광축까지의 거리일 수 있다.
여기서, Xm에서의 출사면의 경사 am을 구하는 식을 보면 다음과 같다.
θ0≤ψc
am=cot(ψc-(π/2)-tan-1(tan-1{(Xl-Xm)/Ym -1}
am=cot{sin-1[1/n]-(π/2)-tan-1{(Xl-Xm)/Ym -1}}
본 발명에서 모든 서브 출사면(5A)은 기울기 am를 가질 경우, 입사되는 광을 외부로 추출시켜 줄 수 있다. 즉, 기울기(am)을 갖는 서브 출사면(5A)들은 각 발광 소자의 광 축보다 외측으로 배치되더라도 임계각보다 작은 각도로 광이 입사될 수 있어, 입사된 광을 외부로 방출시켜 줄 수 있다.
원주 모양으로 배치된 복수의 발광 소자(20)로부터 방사된 광은 상기 각 발광 소자(20)와 수직하게 대응되는 서브 출사면(5A)에서의 굴곡이 변화하는 문제를 방지하여, 다중 반사를 최소화할 수 있다. 이에 따라 회로 기판(10) 상에 배치된 레지스트 재질이나 발광 소자(20)에 의한 흡수나 손실을 줄여줄 수 있다.
실시 예는, m번째 발광 소자(Lm)에 수직하게 대응되는 영역의 서브 출사면(5A)의 굴절률이 n인 경우, Lm보다 중심 축(Xm) 방향으로의 기울기를 am-1이라 하고, 외곽 방향으로의 기울기를 am이라 할 때, 발광 소자(20)로부터 방출된 광이 lm보다 왼쪽으로 진행하는 광은 임계각보다 작기 때문에 렌즈 외부로 투과될 수 있고, 기울기 am에서 am의 법선과 이루는 각이 최외곽 발광 소자(Le)로 갈수록 점차 커지게 된다. 이때의 m은 2≤m≤15 또는 5≤m≤15를 만족할 수 있다. 이때 상기 최외곽 발광 소자(Le)로부터 방출된 광의 추출 효율이 가장 저하되므로, 상기 각도(θm)는 최외곽 발광 소자(Le)로부터 방출된 광의 임계각 이내로 하여 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 예컨대, 도 6에서, 제2출사영역(52A)은 수직한 축 방향에 대해 경사 각도(θ4)는 인접한 출사면의 경사 각도(θ3)보다 크게 배치되어, 최 외곽 소자(Le)로부터 방출된 광이 제2출사영역(52)을 통해 방출되도록 할 수 있다. 이에 따라 광원 모듈의 색도 균일성, 다중 반사에 억제에 따른 광도 개선 효과를 줄 수 있다. 또한 광학 렌즈(50)의 에지 영역 예컨대, 제2출사영역(52)에서의 광 손실을 줄여줄 수 있다.
실시 예는 광원 모듈의 사이즈를 변경하지 않고 광 추출 효율을 개선할 수 있어, 다른 리플렉터나 도광판과 같은 구성들의 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
도 15는 도 13의 광원 모듈의 다른 예이다.
도 15를 참조하면, 광원 모듈은 발광 소자(20), 수지층(30) 및 광학 렌즈(50B)를 포함할 수 있다.
상기 수지층(30)은 외측 면이 상기 광학 렌즈(50B)의 외측에 노출될 수 있다. 상기 수지층(30)의 상면 면적은 상기 광학 렌즈(50B)의 바닥 면적과 동일할 수 있다. 상기 수지층(30)은 원 형상 또는 다각 형상일 수 있으며, 상기 광학 렌즈(50B)의 최 외곽 라인(P2)와 동일한 외 형상을 가질 수 있다.
상기 광학 렌즈(50B)는 상기 수지층(30)의 상면(32)에 부착될 수 있다. 상기 광학 렌즈(50B)는 부착 시 상기 수지층(30)이 경화되기 전에 부착될 수 있다. 다른 예로서, 상기 광학 렌즈(50B)과 상기 수지층(30) 사이에 접착층(35)이 배치될 수 있으며, 상기 접착층(35)은 상기 수지층(30)과 동일한 재질이거나, 실리콘 또는 에폭시와 같은 투명한 수지 재료일 수 있다. 상기 접착층(35)은 광학 렌즈(50B)를 수지층(30)에 접촉시켜 줄 수 있으며, 상기 광학 렌즈(50B)와 수지층(30) 사이의 외측에 노출될 수 있다.
상기 수지층(30)의 외측이 노출될 경우, 상기 수지층(30)의 외 측에는 수지 재질의 반사 부재가 배치될 수 있다. 상기 수지 재질의 반사 부재는 실리콘 또는 에폭시와 같은 재질을 갖고, 내부에 금속 산화물이 첨가될 수 있다.
실시 예에 따른 광학 렌즈 또는 광원 모듈은 각 종 지시 장치, 조명 장치, 가로등, 실내등, 실외등, 차량 램프와 같은 용도로 사용될 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 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.
4: 제1경계라인
5: 출사면
5A: 서브 출사면
6: 제2경계 라인
10: 회로기판
20: 발광 소자
30: 수지층
35; 접착층
50: 광학 렌즈
52,52A: 제2출사 영역
53,53A: 제3출사 영역
55,55A: 제1출사 영역
61: 제2경계라인
S1: 제1출사면
S2: 제2출사면

Claims (16)

  1. 표면 중심으로부터 멀어질수록 점차 낮은 높이와 점차 넓은 너비를 갖는 복수의 제1경계 라인;
    상기 복수의 제1경계 라인 중 가장 작은 너비를 갖는 제1경계 라인의 내측에 제1출사 영역, 가장 큰 너비를 갖는 제1경계 라인의 외측에 제2출사 영역, 상기 제1출사 영역과 제2출사 영역 사이에 원주 방향으로 복수의 제3출사 영역을 갖는 출사면을 포함하며,
    상기 제1출사 영역은 평탄한 표면을 갖고,
    상기 제2,3출사 영역은 경사진 표면을 가지며,
    상기 제3출사 영역은 서로 다른 기울기를 가지며,
    상기 제2출사 영역은 상기 제3출사 영역 중에서 상기 제2출사 영역에 인접한 영역의 기울기보다 작은 기울기를 갖는 광학 렌즈.
  2. 서로 다른 높이를 갖고 중심 축으로부터 서로 다른 반경을 갖고 원주 방향으로 배치된 복수의 제1경계라인 사이에 출사면을 포함하며,
    상기 출사면은 표면 중심에 평탄한 제1출사 영역과 최 외곽 둘레에 제2출사 영역을 포함하며,
    상기 출사면 중에서 m-1번째 제1경계라인의 외측에 배치된 영역의 기울기(am)는 다음과 같이 구할 수 있으며,
    am=cot{sin-1[1/n]-(π/2)-tan-1{(Xl-Xm)/Ym-1}}이며,
    상기 n은 출사면의 굴절률이며,
    상기 Xl은 상기 중심 축으로부터 마지막 제1경계 라인까지의 거리이며,
    상기 Xm은 상기 중심 축으로부터 m번째 제1경계 라인까지의 거리이며,
    상기 Ym -1은 상기 Xm과의 교차되며 상기 바닥으로부터 m번째 제1경계 라인까지의 높이이며,
    상기 l>m을 만족하며,
    상기 m은 2≤m≤15의 범위인 광학 렌즈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 출사면은 원주 방향을 따라 분리된 복수의 서브 출사면을 포함하는 광학 렌즈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 서브 출사면은 상기 표면 중심으로부터 서로 동일한 각도를 갖고 연장된 복수의 제2경계 라인 사이에 배치되는 광학 렌즈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출사면은 상기 제2출사 영역으로 진행할수록 너비가 점차 커지는 광학 렌즈.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출사면은 상기 제2출사 영역으로 진행할수록 상기 기울기가 점차 커지는 광학 렌즈.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출사면은 제1,2출사 영역 사이에 배치되며 상기 복수의 제1경계 라인 사이에 배치된 복수의 제3출사 영역을 포함하며,
    상기 제2,3출사 영역 각각은 원뿔대 형상 또는 다각뿔대 형상을 갖는 광학 렌즈.
  8. 회로 기판;
    상기 회로 기판 상에 복수의 발광 소자; 및
    상기 복수의 발광 소자 상에 광학 렌즈를 포함하며,
    상기 복수의 발광 소자는 상기 광학 렌즈의 표면 중심과 대응되는 중심으로부터 동심원 형상의 원주 방향을 따라 배열되며,
    상기 광학 렌즈는, 서로 다른 높이를 갖고 중심 축으로부터 서로 다른 반경을 갖고 원주 방향으로 배치된 복수의 제1경계라인 사이에 복수의 출사면을 포함하며,
    상기 복수의 출사면은 표면 중심에 평탄한 제1출사 영역과, 최 외곽 둘레에 기울기를 갖는 제2출사 영역과, 상기 제1,2출사 영역 사이에 기울기를 갖는 제3출사 영역을 포함하며,
    상기 동심원 형상의 원주 방향을 따라 배열된 상기 발광 소자들은 상기 제1경계라인과 수직 방향으로 대응되는 광원 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 발광 소자들의 중심은 상기 제1경계라인과 대응되며,
    상기 제2,3출사 영역은 원뿔대 또는 다각뿔대 형상을 갖는 광원 모듈.
  10. 제8항에 있어서, 상기 발광 소자는 상기 광학 렌즈의 표면중심에 대응되는 중심 위치에 더 배치되며,
    상기 발광 소자 중 최 외곽 소자는 상기 광학 렌즈의 최 외곽 라인보다 내측에 배치되는 광원 모듈.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 소자를 따라 배열된 동심원 형상의 원주들 간의 간격은 서로 동일한 광원 모듈.
  12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 렌즈의 출사면은 상기 제2출사 영역으로 진행할수록 인접한 제1경계 라인 사이의 간격이 점차 커지며,
    상기 출사면은 상기 제2출사 영역으로 진행할수록 상기 기울기가 점차 커지는 광원 모듈.
  13. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 발광 소자를 덮는 수지층을 포함하며, 상기 수지층 상에는 상기 광학 렌즈가 배치되며,
    상기 수지층은 형광체를 포함하는 광원 모듈.
  14. 제12항에 있어서, 상기 수지층의 외 측은 상기 광학 렌즈보다 내측에 배치되고 상기 발광 소자의 최 외곽 소자보다 외측에 배치되며,
    상기 수지층의 두께는 상기 발광 소자 두께의 2배 이하인 광원 모듈.
  15. 제13항에 있어서, 상기 수지층의 외 측은 상기 광학 렌즈보다 외측에 배치되고 상기 발광 소자의 최 외곽 소자보다 외측에 배치되며,
    상기 수지층의 두께는 상기 발광 소자 두께의 2배 이하인 광원 모듈.
  16. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 출사면 중에서 m-1번째 제1경계라인의 외측에 배치된 출사면의 기울기(am)는 다음과 같이 구할 수 있으며,
    am=cot{sin-1[1/n]-(π/2)-tan-1{(Xl-Xm)/Ym -1}}
    상기 n은 출사면의 굴절률이며,
    상기 Xl은 상기 중심 축으로부터 마지막 제1경계 라인까지의 거리이며,
    상기 Xm은 상기 중심 축으로부터 m번째 제1경계 라인까지의 거리이며,
    상기 Ym -1은 상기 Xm과의 교차되며 상기 바닥으로부터 m번째 제1경계 라인까지의 높이이며,
    상기 l>m을 만족하며,
    상기 m은 2≤m≤15의 범위인 광원 모듈.

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