WO2016159499A1 - 렌즈 및 이를 포함하는 발광소자 모듈 - Google Patents

렌즈 및 이를 포함하는 발광소자 모듈 Download PDF

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WO2016159499A1
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lens
angle
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김기현
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엘지이노텍(주)
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    • F21S41/255—Lenses with a front view of circular or truncated circular outline
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses

Definitions

  • Embodiments relate to a lens and a light emitting device module including the same.
  • Group 3-5 compound semiconductors such as GaN and AlGaN, are widely used for optoelectronics and electronic devices due to many advantages, such as having a wide and easy to adjust band gap energy.
  • light emitting devices such as light emitting diodes or laser diodes using semiconductors of Group 3-5 or 2-6 compound semiconductor materials of semiconductors have been developed through the development of thin film growth technology and device materials such as red, green, blue and ultraviolet light.
  • Various colors can be realized, and efficient white light can be realized by using fluorescent materials or combining colors.
  • Low power consumption, semi-permanent life, fast response speed, safety and environment compared to conventional light sources such as fluorescent and incandescent lamps can be realized. Has the advantage of affinity.
  • a white light emitting device that can replace a fluorescent light bulb or an incandescent bulb that replaces a Cold Cathode Fluorescence Lamp (CCFL) constituting a backlight of a transmission module of an optical communication means and a liquid crystal display (LCD) display device.
  • CCFL Cold Cathode Fluorescence Lamp
  • LCD liquid crystal display
  • a molding part may be disposed around the light emitting device to protect the light emitting structure, the wire, or the like.
  • the molding part made of a material such as silicon, the light may be refracted to act as the primary lens.
  • a secondary lens may be used to adjust the emission path of light, and the above-described secondary lens is commonly referred to as a 'lens'.
  • the optical path may vary depending on the material and shape of the lens, and the shape of the lens is more important for an application in which light emitted from a light source must be directed only in a specific direction such as front or rear.
  • a beam angle or a field angle which is a distribution of light emitted from the light emitting device module including the lens, may be determined.
  • the light emitted from the light emitting device module may have various intensity distributions according to angles, and distribution of light having intensity of 1/10 or more of the maximum intensity as much as beam angle indicating distribution range of light having intensity of 1/2 or more of maximum intensity.
  • the field angle representing the range is also important.
  • the light emitted from the light emitting device module may be emitted in an excessively wide range, thereby reducing the light efficiency.
  • Embodiments provide a lens for reducing a field angle of light emitted from a light emitting device module.
  • An embodiment includes a first body, a second body on the first body, and a curved portion on the second body, wherein grooves are formed in the first body and the second body, and the first body is formed.
  • the first body protrudes from the second body, the side wall of the first body absorbs light, the side wall of the second body is inclined toward the center direction To provide.
  • the ratio of the height of the first body to the height of the second body is 0.23 to 0.336, and the ratio may have a tolerance of 10%.
  • the height of the first body and the overall height is 0.23 to 0.855 and the ratio may have a tolerance of 10%.
  • the height of the second body and the overall height is 0.336 to 0.855, and the ratio may have a tolerance of 10%.
  • the ratio of the length of the first body to the maximum radius of the second body is 1 to 0.728, and the ratio may have a tolerance of 10%.
  • the ratio of the length of the first body to the minimum radius of the second body is 1 to 0.665, and the ratio may have a tolerance of 10%.
  • the ratio of the minimum and maximum radii of the second body is 0.665 to 0.728, and the ratio may have a tolerance of 10%.
  • Another embodiment includes a lens and a light source disposed in the groove of the lens, the ratio of the length of the first body and the maximum horizontal distance from the edge of the light exit surface of the light source to the edge of the second body 1 to 0.378, the ratio provides a light emitting device module having a tolerance of 10%.
  • the light L 11 is a light L 12 emitted refracted on the light output surface of the lens ratio of the light exit surface and the angle ⁇ 12 ⁇ 12 / ⁇ 11 may be greater than 1.04.
  • the light L 21 is a light L 22 emitted refracted on the light output surface of the lens ratio of the light exit surface and the angle ⁇ 22 ⁇ 22/2 21 may be greater than 1.22.
  • light L 41 is a light L 42 emitted refracted on the light output surface of the lens ratio of the light exit surface and the angle ⁇ 42 ⁇ 42/2 41 may be greater than 1.80.
  • Another embodiment includes a first body, a second body on the first body, and a curved portion on the second body, wherein grooves are formed in the first body and the second body, and In the boundary region of the first body and the second body, the first body protrudes from the second body, the side wall of the first body absorbs light, and the side wall of the second body is inclined toward the center direction.
  • An angle ⁇ where the light L 21 emitted from the edge region of the light exit surface of the light source and passing through the edge of the second body in the boundary region of the first and second bodies forms the light exit surface about 21, the light L 21 is a light L 22 emitted refracted on the light output surface of the lens ratio of the light exit surface and the angle ⁇ 22 ⁇ 22 / ⁇ 21 provides a large light-emitting element module than 1.22.
  • the light L 31 emitted from the central region of the light exit surface of the light source and passing through the edge of the second body in the boundary region of the second body and the curved portion to an angle ⁇ 31 at which the light exit surface is formed;
  • L 31 is the light output surface the light L 32 emitted refracted on the light output surface of the lens and an angle ⁇ 32 ratio ⁇ 32 / ⁇ 31 of is more than 1.34, light emitted from the edge area of the light exit surface of the light source
  • the light L 41 is refracted at the light exit surface of the lens to an angle ⁇ 41 where the light L 41 passing through the edge of the second body in the boundary region of the second body and the curved portion forms the light exit surface.
  • the ratio ⁇ 42 / ⁇ 41 of the angle ⁇ 42 between the emitted light L 42 and the light exit surface may be greater than 1.80.
  • the light emitted from the lens and the light emitting device module including the same according to the embodiment may reduce the field angle, thereby improving light efficiency.
  • 1A is a view showing the configuration of an embodiment of a lens
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of a light emitting device disposed in the lens of FIG. 1A;
  • FIG. 1C is a top view of the lens of FIG. 1B
  • FIG. 2 is a view showing the light emitting device of FIG.
  • 3 is a view showing the size and the like of each configuration of the lens
  • 4A to 4D are diagrams showing paths of light emitted from a light emitting device
  • 5A to 5C are diagrams showing beam angles and field angles of light emitted from a light emitting device module according to an embodiment, and beam angles and field angles of light emitted from a conventional light emitting device module;
  • 6A to 6B are diagrams showing beam angles, field angles, and light efficiency of light emitted from a conventional light emitting device module.
  • the above (on) or below (on) or under) when described as being formed on the "on or under” of each element, the above (on) or below (on) or under) includes both two elements being directly contacted with each other or one or more other elements are formed indirectly between the two elements.
  • the above (on) or below when expressed as “on” or “under”, it may include the meaning of the downward direction as well as the upward direction based on one element.
  • FIG. 1A is a view illustrating a configuration of an embodiment of a lens
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of a light emitting device disposed inside the lens of FIG. 1A
  • FIG. 1C is a plan view of the lens of FIG. 1B.
  • the lens 100 may include the first body 110, the second body 120, and the curved portion 130, and the first body 110, the second body 120, and the curved surface.
  • the unit 130 may be made of the same material as each other, for example, a silicon-based material.
  • Grooves may be formed in the first body 110 and the second body 120, and at least a part of a light source such as the light emitting device 10 may be inserted into the groove.
  • the upper surface of the groove that is, the interface between the first body 110 and the second body 120 and the groove may be curved, and in detail, may be spherical or aspheric.
  • the horizontal cross section of the first body 110 may have a circular, oval or polygonal shape, and may have a constant thickness, and the first body 110 may have a second body 120 at a lower portion of the second body 120. It may be disposed to protrude more than), but is not limited thereto.
  • the side wall of the first body 110 may absorb light, and the side wall and the curved portion 130 of the second body 120 may be translucent.
  • the second body 120 may have a circular cross section in a horizontal direction, and the sidewall of the second body 120 may be inclined in the center direction. That is, the diameter to the radius of the second body in the boundary region between the first body 110 and the second body 120 is the diameter of the second body in the boundary region between the second body 120 and the curved portion 130.
  • the sidewall of the second body may be inclined inwardly of the lens 100 from the bottom to the top in FIG. 1A.
  • the surface of the curved portion 130 may form a curved surface, for example, may be formed as a spherical surface or an aspherical surface.
  • the light emitting device 10 is disposed in a dotted line, and the horizontal cross section of the light emitting device 10 may have a rectangular or other shape in addition to the illustrated square.
  • FIG. 2 is a view showing the light emitting device of FIG.
  • a light emitting diode is illustrated as an embodiment of the light emitting device, wherein the bonding layer f, the reflective layer e, and the ohmic layer d are disposed on the supporting substrate g.
  • a light emitting structure may be disposed on the mix layer d, and a channel layer k may be disposed in an edge region of the lower portion of the light emitting structure.
  • the support substrate g may be implemented as at least one of copper (Cu), gold (Au), nickel (Ni), molybdenum (Mo), and copper-tungsten (Cu-W).
  • the support substrate g may be implemented as a carrier wafer, for example, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC, SiGe, Ga 2 O 3 , GaN, or the like.
  • a bonding layer f may be disposed on the support substrate g.
  • the bonding layer f may bond the reflective layer e to the support substrate g.
  • the bonding layer f may include, for example, at least one of Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag, or Ta.
  • the reflective layer e may be formed on the bonding layer f.
  • the reflective layer (e) is a material having excellent reflection properties, for example, silver (Ag), nickel (Ni), aluminum (Al), rubidium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), magnesium (Mg), zinc (Zn), platinum (Pt), gold (Au), hafnium (Hf), or a combination of these materials, or a combination of these metal materials with IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, It may be formed in a multilayer using a light transmissive conductive material such as AZO, ATO.
  • the reflective layer (e) may be laminated with IZO / Ni, AZO / Ag, IZO / Ag / Ni, AZO / Ag / Ni, and the like, but is not limited thereto.
  • An ohmic layer d may be formed on the reflective layer e.
  • the ohmic contact with the bottom surface of the light emitting structure 130 may be formed in a layer or a plurality of patterns.
  • a light transmissive electrode layer and a metal may be selectively used.
  • ITO indium tin oxide
  • IZO indium zinc oxide
  • IZTO indium zinc tin oxide
  • IAZO indium aluminum zinc oxide
  • IrOx, RuOx, RuOx / ITO Ni, Ag,
  • Ni / IrOx / Au and Ni / IrOx / Au / ITO may be used to implement a single layer or multiple layers.
  • the support substrate g, the bonding layer f, the reflective layer e, and the reflective layer d may be first electrodes, and may supply current to the light emitting structure.
  • the channel layer k may be disposed between the first electrode and the light emitting structure.
  • the channel layer k may be disposed in the lower edge region of the light emitting structure and may be formed of a light transmissive material, for example, a metal oxide, a metal nitride, a light transmissive nitride, a light transmissive oxide, or a light transmissive insulating layer.
  • the channel layer k may be formed of indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium zinc oxide (IZON), indium zinc tin oxide (IZTO), indium aluminum zinc oxide (IZO), and indium gallium (IGZO).
  • IGTO indium gallium tin oxide
  • AZO aluminum zinc oxide
  • ATO antimony tin oxide
  • GZO gallium zinc oxide
  • SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2, etc. have.
  • the light emitting structure may be disposed on the first electrode.
  • the light emitting structure includes a first conductive semiconductor layer (a), an active layer (b), and a second conductive semiconductor layer (c).
  • the first conductivity type semiconductor layer (a) may be implemented with compound semiconductors such as group III-V and group II-VI, and may be doped with the first conductivity type dopant.
  • the first conductive semiconductor layer (a) is AlGaN, a semiconductor material having a compositional formula of Al x In y Ga (1-xy) N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP may be formed of any one or more.
  • the first conductivity type dopant may include an n type dopant such as Si, Ge, Sn, Se, Te, or the like.
  • the first conductivity type semiconductor layer (a) may be formed as a single layer or a multilayer, but is not limited thereto.
  • the active layer (b) is disposed between the first conductivity type semiconductor layer (a) and the second conductivity type semiconductor layer (c), and has a single well structure, a multi well structure, a single quantum well structure, and a multi quantum well (MQW).
  • Well may include any one of the quantum dot structure or quantum line structure.
  • the active layer (b) is formed of a well layer and a barrier layer, for example, AlGaN / AlGaN, InGaN / GaN, InGaN / InGaN, AlGaN / GaN, InAlGaN / GaN, GaAs (InGaAs) using a compound semiconductor material of group III-V elements.
  • a barrier layer for example, AlGaN / AlGaN, InGaN / GaN, InGaN / InGaN, AlGaN / GaN, InAlGaN / GaN, GaAs (InGaAs) using a compound semiconductor material of group III-V elements.
  • / AlGaAs, GaP (InGaP) / AlGaP may be formed of any one or more pair structure, but is not limited thereto.
  • the well layer may be formed of a material having an energy band gap smaller than the energy band gap of the barrier layer.
  • the second conductivity-type semiconductor layer (b) may be formed of a semiconductor compound.
  • the second conductivity-type semiconductor layer (c) may be implemented with compound semiconductors such as group III-V and group II-VI, and the second conductivity-type dopant may be doped.
  • the second conductivity-type semiconductor layer c is, for example, a semiconductor material having a compositional formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), AlGaN It may be formed of any one or more of, GaNAlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP.
  • the second conductive dopant may be a p-type dopant such as Mg, Zn, Ca, Sr, or Ba.
  • the second conductivity-type semiconductor layer (c) may be formed as a single layer or a multilayer, but is not limited thereto.
  • an electron blocking layer may be disposed between the active layer b and the second conductive semiconductor layer c.
  • the electron blocking layer may have a superlattice structure, for example, AlGaN doped with a second conductivity type dopant may be disposed, and GaN having a different composition ratio of aluminum may be formed as a layer.
  • the plurality may be alternately arranged, but is not limited thereto.
  • the surface of the first conductivity-type semiconductor layer (a) forms a pattern such as irregularities to improve light extraction efficiency, and the second electrode (h) is disposed on the surface of the first conductivity-type semiconductor layer (a).
  • the surface of the first conductive semiconductor layer a on which the second electrode h is disposed may be patterned or not formed along the surface of the first conductive semiconductor layer a.
  • the second electrode h may be formed in a single layer or a multilayer structure including at least one of aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), and gold (Au). have.
  • a current blocking layer (not shown) may be disposed below the light emitting structure to correspond to the second electrode h.
  • the current blocking layer j may be made of an insulating material, and supported by the current blocking layer j.
  • the current supplied from the direction of the substrate g may be evenly supplied to the entire area of the second conductivity-type semiconductor layer c.
  • a passivation layer i may be formed around the light emitting structure, and the passivation layer i may be formed.
  • Silver may be made of an insulating material, and the insulating material may be made of an oxide or nitride which is non-conductive.
  • the passivation layer 180 may be formed of a silicon oxide (SiO 2 ) layer, an oxynitride layer, and an aluminum oxide layer.
  • FIG. 2 Although a vertical light emitting device is illustrated in FIG. 2, various light sources such as a horizontal light emitting device or a flip chip type light emitting device may be disposed.
  • the light emitting device 10 may be disposed in the groove, but a part of the light emitting device package or the circuit board including the light emitting device 10 may be inserted into the groove, and the light emitting device or the light emitting device package may be disposed.
  • the structure in which the above-described lens is disposed may be referred to as a light emitting device module.
  • 3 is a view showing the size and the like of each configuration of the lens.
  • the ratio of the height h0 of the light source 10, the height h1 of the first body 110, the height of the second body 120, and the height h3 of the entire lens 100 shown in FIG. 3 is 0.7.
  • Vs. 0.23 vs. 0.336 vs. 0.855, and the ratio of the respective heights may have a tolerance of 10%.
  • the heights h0, h1, h2 and h3 described above are distances in the vertical direction of each part in FIG. 3, and lengths of the length first body 110 and the like described later are distances in the left and right directions of each part in FIG. 3.
  • the distance in the left and right directions of the first body 110 is constant, and the distance in the left and right directions of the second body 120 may be greater than the distance from the top.
  • the length of the first body 110 is from the maximum radius W3 of the second body, the minimum radius W2 of the second body 120, and the edge of the light exit surface of the light source 10. If the ratio is larger than the above-described ratio with respect to the horizontal distance W1 to the maximum radius of the lens 100, the size of the lens 100 may increase in size, thereby increasing the volume of the light emitting device module including the lens.
  • the ratio of the maximum radius (W3) of the second body to the half (W4) of the length of the) is greater than 0.728, or the second body (with respect to 1/2 (W4) of the length of the first body (110)
  • the ratio of the minimum radius W2 of 120 is greater than 0.665 or the second body 120 from the edge of the light exit surface of the light source 10 with respect to 1/2 (W4) of the length of the first body 110.
  • the ratio of the horizontal distance W1 to the maximum radius of is greater than 0.378, the horizontal size of the second body 120 increases, so that the angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, and ⁇ 4 shown in FIG. 3 may increase. Field angle It can be.
  • 4A to 4D are diagrams showing paths of light emitted from a light emitting device.
  • the light exit surface of the light source 10 has a center area and two edge regions P11 and P12, and the second body 120 at the boundary area between the first body 110 and the second body 120.
  • the central region O of the second body 120 and the second body in the boundary region between the first body 110 and the second body 120 may be located.
  • the edge region P22 of the second body 120 is emitted from the central region c of the light exit surface of the light source 10 to be in the boundary region between the first body 110 and the second body 120.
  • ) for passing the light L 11 is the ratio of the light output surface and forming on the angle ⁇ 11, the light L 11 are light L 12 is a light exit surface and the angle ⁇ 12 is refracted is emitted from the light exit surface of the lens (100) ⁇ 12 / ⁇ 11 may be greater than 1.04.
  • Table 1 below shows the change of the field angle according to the above-described change of the ratio ⁇ 12 / ⁇ 11 when the length of the light source 10 is 0.7 mm in FIG. 4A, and the ratio of the angle and the field angle are respectively primed. Rounded off at the third point.
  • the ratio ⁇ 12 / ⁇ 11 of the angle ⁇ 12 indicates that the field angle is 153 degrees or more at 0.98 or less smaller than 1.04, and the field angle is 153 degrees or less at 1.07 or more larger than 1.04.
  • the edge region of the second body 120 is emitted from the edge region P12 of the light exit surface of the light source 10 to form a boundary region between the first body 110 and the second body 120.
  • the ratio of the passing light L 21 is a light exit surface and the angle ⁇ 21, the light L angle 21 is the light L 22 that is refracted is emitted from the light exit surface of the lens 10 if the light output to achieve for ⁇ 22 ⁇ 22 / ⁇ 21 may be greater than 1.22.
  • Table 2 below shows the change in the field angle according to the change of the above-described angle ratio ⁇ 22 / ⁇ 11 when the length of the light source 10 is 0.7 mm in FIG. 4B, and the ratio of the angle and the field angle are respectively primed. Rounded off at the third point.
  • the ratio ⁇ 12 / ⁇ 11 of the angle ⁇ 12 indicates that the field angle is 154 degrees or more at 1.19 or less that is smaller than 1.22, and the field angle is 153 degrees or less at 1.28 or more that is larger than 1.22.
  • the light L is emitted from the central region c of the light exit surface of the light source 10 and passes through the edge region P32 of the second body 120 at the boundary region of the second body 120 and the curved portion. 31, the light exit surface and the angle ⁇ 31 to about, light L 31 is refracted on the light output surface of the lens 100, the light L 32 is a light exit surface which is emitted with an angle ⁇ 32 ratio ⁇ 32 / ⁇ 31 of the May be greater than 1.34.
  • the light emitted from the edge region P12 of the light exit surface of the light source 10 passes through the edge region P32 of the second body 120 at the boundary region of the second body 120 and the curved portion.
  • L 41 is on the light exit surface and the angle ⁇ 41, the light L 41 is light that is refracted is emitted from the light exit surface of the lens (100)
  • L 42 is the ratio of the light exit surface and the angle ⁇ 42 ⁇ 42 / ⁇ 41 May be greater than 1.80.
  • the field angle may be within a certain range, for example, 153 degrees or less.
  • ratios of angles of light emitted from the light source 10 to the light exit surface of the light source 10 and angles of light to the light exit plane of the lens 100 are greater than the above-described ranges.
  • the amount of light emitted in the lateral direction from the light exit surface of the lens 100 is increased to increase the field angle, and thus the amount of light traveling in the upper direction of the lens 100 is reduced to reduce the light efficiency.
  • the ratios satisfy the above-mentioned range the field angle is within the above-described angle, and thus the amount of light traveling in the upper direction of the lens 100 increases, so that the light efficiency may increase as described below.
  • the upward direction refers to a direction in which light emitted from the lens 100 is directed toward a subject based on FIGS. 4A to 4D.
  • 5A to 5C are diagrams showing beam angles and field angles of light emitted from the light emitting device modules according to the embodiment, and beam angles and field angles of light emitted from the conventional light emitting device modules.
  • the field angle of the light emitted from the light emitting device module according to the embodiment shown in FIG. 5A is reduced and improved compared to the conventional light emitting device modules of FIGS. 5B and 5C.
  • the beam angle and the field angle of the light emitted from the light emitting device module are 119.54 degrees and 164.07 degrees, respectively.
  • the beam angle and the field angle of the light emitted from the light emitting device module are 128.55 degrees and 175.93 degrees, respectively.
  • the beam angle and the field angle of the light emitted from the light emitting device module are 121.02 degrees and 152.32 degrees, respectively, and the field angle of FIG. 5A is reduced compared to the field angle of FIGS. 5B and 5C.
  • 6A and 6B are diagrams showing beam angles, field angles, and light efficiency of light emitted from a conventional light emitting device module.
  • FIG. 6A illustrates a case in which a lens or molding having a sidewall absorbing light and an upper surface is transmissive is disposed
  • FIG. 6B illustrates a case in which a translucent lens or molding is disposed in both a sidewall and an upper surface.
  • the beam angle is 112.20 degrees
  • the field angle is 156.23
  • the light efficiency is 42.45 percent
  • the beam angle is 146.42 degrees
  • the field angle is 171.75 and the light efficiency is 74.59 percent.
  • the light emitting device module according to the embodiment shown in FIG. 5A is improved by decreasing the field angle to 152.32, and the light efficiency is 88.71% (percent) at 42.45 and 74.59 per cent of FIGS. 6A and 6B.
  • the light efficiency is 88.71% (percent) at 42.45 and 74.59 per cent of FIGS. 6A and 6B.
  • the light is emitted from the light emitting device module and proceeds outside the field angle.
  • the amount of light to be reduced is reduced, so that light can be concentrated into the beam angle or the field angle, thereby increasing the light efficiency.
  • the lens and the light emitting device module including the same according to the embodiment may be used in a lighting device or the like.

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Abstract

실시예는 제1 몸체와, 상기 제1 몸체 상의 제2 몸체와, 상기 제2 몸체 상의 곡면부를 포함하고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 내부에 그루브(groove)가 형성되고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서 상기 제1 몸체는 상기 제2 몸체로부터 돌출되어 배치되고, 상기 제1 몸체의 측벽은 광을 흡수하고, 상기 제2 몸체의 측벽은 중심 방향으로 경사를 이루는 렌즈를 제공한다.

Description

렌즈 및 이를 포함하는 발광소자 모듈
실시예는 렌즈 및 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 변할 수 있으며, 특히 광원에서 방출되는 광을 전방이나 후방 등 특정 방향으로만 진행시켜야 하는 어플리케이션의 경우 렌즈의 형상은 더욱 중요하다.
렌즈의 형상에 따라서, 렌즈를 포함하는 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 분포인 빔 앵글(Beam angle)이나 필드 앵글(Field angle)이 결정될 수 있다. 발광소자 모듈에서 방출되는 광은 각도에 따라 다양한 세기 분포를 가질 수 있는데, 최대 세기의 1/2 이상의 세기를 나타내는 광의 분포 범위를 나타내는 빔 앵글 못지 않게 최대 세기의 1/10 이상의 세기를 나타내는 광의 분포 범위를 나타내는 필드 앵글도 중요하다.
필드 앵글이 너무 넓어지면 발광소자 모듈에서 방출되는 광이 지나치게 넓은 범위로 출사되어 광효율이 저하될 수 있다.
실시예는 발광소자 모듈로부터 방출되는 광의 필드 앵글을 줄이는 렌즈를 제공하고자 한다.
실시예는 제1 몸체와, 상기 제1 몸체 상의 제2 몸체와, 상기 제2 몸체 상의 곡면부를 포함하고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 내부에 그루브(groove)가 형성되고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서 상기 제1 몸체는 상기 제2 몸체로부터 돌출되어 배치되고, 상기 제1 몸체의 측벽은 광을 흡수하고, 상기 제2 몸체의 측벽은 중심 방향으로 경사를 이루는 렌즈를 제공한다.
제1 몸체의 높이와 제2 몸체의 높이의 비는 0.23 대 0.336이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있다.
제1 몸체의 높이와 전체의 높이는 0.23 대 0.855이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있다.
제2 몸체의 높이와 전체의 높이가 0.336 대 0.855이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있다.
제1 몸체의 길이와 상기 제2 몸체의 최대 반경의 비는 1 대 0.728이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있다.
제1 몸체의 길이와 상기 제2 몸체의 최소 반경의 비는 1 대 0.665이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있다.
제2 몸체의 최소 반경과 최대 반경의 비는 0.665 대 0.728이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있다.
다른 실시예는 상술한 렌즈와 렌즈의 그루브에 배치되는 광원을 포함하고, 상기 제1 몸체의 길이와 상기 광원의 광출사면의 가장자리로부터 상기 제2 몸체의 가장 자리 까지의 최대 수평 거리의 비는 1 대 0.378 이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가지는 발광소자 모듈을 제공한다.
상기 광원의 광출사면의 중앙 영역에서 출사되어 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L11이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ11에 대한, 상기 광 L11이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L12가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ12의 비율 θ12/θ11은 1.04보다 클 수 있다.
상기 광원의 광출사면의 가장 자리 영역에서 출사되어 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L21이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ21에 대한, 상기 광 L21이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L22가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ22의 비율 θ22/221은 1.22보다 클 수 있다.
상기 광원의 광출사면의 중앙 영역에서 출사되어 상기 제2 몸체와 곡면부의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L31이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ31에 대한, 상기 광 L31이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L32가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ32의 비율 θ32/231은 1.34보다 클 수 있다.
상기 광원의 광출사면의 가장 자리 영역에서 출사되어 상기 제2 몸체와 곡면부의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L41이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ41에 대한, 상기 광 L41이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L42가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ42의 비율 θ42/241은 1.80보다 클 수 있다.
또 다른 실시예는 제1 몸체와, 상기 제1 몸체 상의 제2 몸체와, 상기 제2 몸체 상의 곡면부를 포함하고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 내부에 그루브(groove)가 형성되고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서 상기 제1 몸체는 상기 제2 몸체로부터 돌출되어 배치되고, 상기 제1 몸체의 측벽은 광을 흡수하고, 상기 제2 몸체의 측벽은 중심 방향으로 경사를 이루는 렌즈; 및 상기 렌즈의 그루브에 배치되는 광원을 포함하고, 상기 광원의 광출사면의 중앙 영역에서 출사되어 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L11이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ11에 대한, 상기 광 L11이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L12가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ12의 비율 θ12/θ11은 1.04보다 크고, 상기 광원의 광출사면의 가장 자리 영역에서 출사되어 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L21이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ21에 대한, 상기 광 L21이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L22가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ22의 비율 θ22/θ21은 1.22보다 큰 발광소자 모듈을 제공한다.
상기 광원의 광출사면의 중앙 영역에서 출사되어 상기 제2 몸체와 곡면부의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L31이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ31에 대한, 상기 광 L31이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L32가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ32의 비율 θ32/θ31은 1.34보다 크고, 상기 광원의 광출사면의 가장 자리 영역에서 출사되어 상기 제2 몸체와 곡면부의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L41이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ41에 대한, 상기 광 L41이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L42가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ42의 비율 θ42/θ41은 1.80보다 클 수 있다.
실시예에 따른 렌즈 및 이를 포함하는 발광소자 모듈에서 방출된 광은 필드 앵글이 감소되어 광효율이 향상될 수 있다.
도 1a는 렌즈의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이고,
도 1b는 도 1a의 렌즈의 내부에 발광소자가 배치된 단면도이고,
도 1c는 도 1b의 렌즈의 평면도이고,
도 2는 도 1b의 발광소자를 나타낸 도면이고,
도 3은 렌즈의 각 구성의 크기 등을 나타낸 도면이고,
도 4a 내지 도 4d는 발광소자에서 방출된 광의 경로들을 나타낸 도면들이고,
도 5a 내지 도 5c는 실시예에 따른 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 빔 앵글과 필드 앵글, 및 종래의 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 빔 앵글과 필드 앵글을 나타낸 도면이고,
도 6a 내지 도 6b는 종래의 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 빔 앵글과 필드 앵글과 광효율을 나타낸 도면이다.
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 1a는 렌즈의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이고, 도 1b는 도 1a의 렌즈의 내부에 발광소자가 배치된 단면도이고, 도 1c는 도 1b의 렌즈의 평면도이다.
실시예에 따른 렌즈(100)는 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120) 및 곡면부(130)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120) 및 곡면부(130)는 서로 동일한 재료, 예를 들면 실리콘 계열의 물질로 이루어질 수 있다.
제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)에는 그루브(groove)가 형성될 수 있고, 그루브에는 발광소자(10) 등의 광원의 적어도 일부가 삽입되며 배치될 수 있다.
그루브의 상부면, 즉 제1 몸체(110) 및 제2 몸체(120)와 그루브의 경계면은 곡면일 수 있고, 상세하게는 구면 또는 비구면일 수 있다.
제1 몸체(110)의 수평 방향의 단면은 원형, 타원형 또는 다각형 형상일 수 있고, 두께가 일정할 수 있으며, 제1 몸체(110)는 제2 몸체(120)의 하부에서 제2 몸체(120)보다 돌출되어 배치될 수 있으며 이에 한정하지는 않는다.
제1 몸체(110)의 측벽은 광을 흡수하고, 제2 몸체(120)의 측벽 및 곡면부(130)는 투광성일 수 있다. 제1 몸체(110)의 측벽이 투광성일 경우, 발광소자(10)에서 방출되어 제1 몸체(110)을 통과하고 외부로 진행하는 광량이 증가하여 발광소자 모듈의 필드 앵글이 증가할 수 있다.제2 몸체(120)는 수평 방향의 단면이 원형일 수 있고, 제2 몸체(120)의 측벽은 중심 방향으로 경사를 이룰 수 있다. 즉, 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)의 경계 영역에서의 제2 몸체의 지름 내지 반지름은, 제2 몸체(120)와 곡면부(130)의 경계 영역에서의 제2 몸체의 지름 내지 반지름보다 클 수 있으며, 따라서 제2 몸체의 측벽은 도 1a에서 아래로부터 위로 갈수록 렌즈(100)의 안쪽 방향으로 경사질 수 있다.
곡면부(130)의 표면은 곡면을 이룰 수 있으며, 예를 들어 구면 또는 비구면으로 형성될 수 있다.
도 1c에서 발광소자(10)가 점선으로 배치되고 있으며, 발광소자(10)의 수평 방향의 단면은 도시된 정사각형 외에 직사각형이나 기타 다른 형상일 수 있다.
도 2는 도 1b의 발광소자를 나타낸 도면이다.
발광소자의 일실시예로 발광 다이오드(Light emitting diode)를 도시하고 있으며, 발광 다이오드는 지지기판(g) 상에 접합층(f)과 반사층(e) 및 오믹층(d)이 배치되고, 오믹층(d) 상에 발광 구조물(light emitting structure)이 배치될 수 있고, 발광 구조물의 하부의 가장 자리 영역에는 채널층(channel layer, k)이 배치될 수 있다.
지지기판(g)은 베이스 기판으로서, 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W) 등 중에서 적어도 하나로 구현될 수 있다. 또한 지지기판(g)은 캐리어 웨이퍼, 예를 들어 Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC, SiGe, Ga2O3, GaN 등으로 구현될 수 있다.
상기 지지기판(g)상에는 접합층(f)이 배치될 수 있다. 접합층(f)은 지지기판(g)에 반사층(e)을 접합시킬 수 있다. 접합층(f)는 예를 들어 Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
접합층(f)상에는 반사층(e)가 형성될 수 있다. 반사층(e)은 반사특성이 우수한 물질, 예를 들어 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 루비듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 백금(Pt), 금(Au), 하프늄(Hf) 및 이들의 선택적인 조합으로 구성된 물질 중에서 형성되거나, 상기 금속 물질과 IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성할 수 있다. 또한 반사층(e)은 IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni 등으로 적층할 수 있으며 이에 한정하지 않는다.
반사층(e)상에는 오믹층(d)이 형성될 수 있다. 발광 구조물(130)의 하면에 오믹 접촉되며, 층 또는 복수의 패턴으로 형성될 수 있다. 오믹층(d)은 투광성 전극층과 금속이 선택적으로 사용될 수 있으며, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 구현할 수 있다.
지지기판(g), 접합층(f), 반사층(e) 및 반사층(d)은 제1 전극일 수 있으며 발광 구조물에 전류를 공급할 수 있다.
제1 전극과 발광 구조물 사이에 채널층(k)이 배치될 수 있다. 채널층(k)은 발광 구조물의 하부 가장자리 영역에 배치될 수 있고 투광성 물질로 형성될 수 있으며 예컨대 금속 산화물, 금속 질화물, 투광성 질화물, 투광성 산화물 또는 투광성 절연층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널층(k)는 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZON(IZO nitride), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 등에서 선택적으로 형성될 수 있다.
제1 전극 상에는 발광 구조물이 배치될 수 있다. 발광 구조물은 제1 도전형반도체층(a)과 활성층(b) 및 제2 도전형반도체층(c)을 포함하여 이루어진다.
제1 도전형 반도체층(a)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(a)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(a)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(a)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(b)은 제1 도전형 반도체층(a)과 제2 도전형 반도체층(c) 사이에 배치되며, 단일 우물 구조, 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(b)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과장벽층, 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(b)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(c)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(c)은 예컨대, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaNAlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(c)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(c)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도시되지는 않았으나, 활성층(b)과 제2 도전형 반도체층(c)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer)가 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교대로 배치될 수도 있으나 이에 한정하지 않는다.
제1 도전형 반도체층(a)의 표면이 요철 등의 패턴을 이루어 광추출 효율을 향상시킬 수 있고, 제1 도전형 반도체층(a)의 표면에는 제2 전극(h)이 배치되는데 도시된 바와 같이 제2 전극(h)이 배치되는 제1 도전형 반도체층(a)의 표면은 제1 도전형 반도체층(a)의 표면을 따라 패턴을 이루거나 패턴을 이루지 않을 수 있다. 제2 전극(h)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광 구조물의 하부에는 제2 전극(h)와 대응하여 전류 차단층(미도시)이 배치될 수 있는데, 전류 차단층(j)은 절연성 물질로 이루어질 수 있으며, 전류 차단층(j)에 의하여 지지기판(g) 방향에서 공급되는 전류가 제2 도전형 반도체층(c)의 전 영역으로 고루 공급될 수 있다.발광 구조물의 둘레에는 패시베이션층(i)이 형성될 수 있는데, 패시베이션층(i)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층(180)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
도 2에서 수직형 발광소자를 도시하고 있으나, 수평형 발광소자나 플립 칩 타입의 발광소자 등 다양한 광원이 배치될 수 있다.
상술한 실시예에서 발광소자(10)가 그루브 내에 배치될 수 있으나, 발광소자(10)를 포함하는 발광소자 패키지 또는 회로 기판까지 그루브 내에 일부가 삽입되어 배치될 수 있으며, 발광소자나 발광소자 패키지 상에 상술한 렌즈가 배치된 구조를 발광소자 모듈이라 할 수 있다.
도 3은 렌즈의 각 구성의 크기 등을 나타낸 도면이다.
도 3에 표시된 광원(10)의 높이(h0)와 제1 몸체(110)의 높이(h1)와 제2 몸체(120)의 높이와 렌즈(100)의 전체의 높이(h3)의 비는 0.7대 0.23대 0.336 대 0.855일 수 있으며, 각각의 높이들의 비율은 10%의 공차를 가질 수 있다.
상술한 높이 h0, h1, h2 및 h3는 도 3에서 각 부분의 상하 방향의 거리이고, 후술하는 길이 제1 몸체(110) 등의 길이는 도 3에서 각 부분의 좌우 방향의 거리이다. 제1 몸체(110)의 좌우 방향의 거리는 일정하고, 제2 몸체(120)의 좌우 방향의 거리는 하부에서의 거리가 상부에서의 거리보다 클 수 있다.
그리고, 제1 몸체(110)의 길이의 1/2(W4)과 제2 몸체의 최대 반경(W3)과 제2 몸체(120)의 최소 반경(W2)과, 광원(10)의 광출사면의 가장자리로부터 제2 몸체(120)의 최대 반경까지의 수평 거리(W1)의 비는 1 대 0.728 대 0.665 대 0.378 이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있다.
제1 몸체(110)의 길이가, 제2 몸체의 최대 반경(W3)과 제2 몸체(120)의 최소 반경(W2)과 광원(10)의 광출사면의 가장자리로부터 제2 몸체(120)의 최대 반경까지의 수평 거리(W1)에 대하여 상술한 비율보다 더 크면 렌즈(100)의 가로 방향의 사이즈가 증가하여, 렌즈가 구비된 발광소자 모듈의 부피가 커질 수 있다.제1 몸체(110)의 길이의 1/2(W4)에 대하여 제2 몸체의 최대 반경(W3)의 비율이 0.728보다 크거나, 제1 몸체(110)의 길이의 1/2(W4)에 대하여 제2 몸체(120)의 최소 반경(W2)의 비율이 0.665보다 크거나, 제1 몸체(110)의 길이의 1/2(W4)에 대하여 광원(10)의 광출사면의 가장자리로부터 제2 몸체(120)의 최대 반경까지의 수평 거리(W1)의 비율이 0.378보다 커지면, 제2 몸체(120)의 가로 방향의 사이즈가 증가하여 도 3에 도시된 각도들(θ1, θ2, θ3, θ4)이 커질 수 있으므로 필드 앵글이 커질 수 있다.
그리고, 광원(10)의 광출사면의 중앙 영역 또는 가장 자리 영역에서 출사되어, 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)의 경계 영역에서의 제2 몸체(120)의 가장 자리 또는 제2 몸체(120)와 곡면부(130)의 경계 영역에서의 제2 몸체(120)의 가장 자리를 지나는 광의 경로들이 각각 광출사면과 이루는 각도(θ1, θ2, θ3, θ4)가 도시되고 있는데, 도 4 a 내지 도 4d에서 후술한다.
도 4a 내지 도 4d는 발광소자에서 방출된 광의 경로들을 나타낸 도면들이다.
광원(10)의 광출사면은 중앙 영역(center)과 2개의 가장 자리 영역(P11, P12)을 가지고, 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)의 경계 영역에서 제2 몸체(120)는 2개의 가장 자리 영역(P21, P22)을 가지고, 제2 몸체(120)와 곡면부(130)의 경계 영역에서의 제2 몸체(120)는 2개의 가장 자리 영역(P31, P32)을 가진다. 그리고, 광출사면의 중앙 영역(c)의 수직 방향으로, 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)의 경계 영역에서 제2 몸체(120)의 중앙 영역(O)과, 제2 몸체(120)와 곡면부(130)의 경계 영역에서의 제2 몸체(120)의 중앙 영역(O')이 각각 위치할 수 있다.
도 4a에서 광원(10)의 광출사면의 중앙 영역(c)에서 출사되어 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)의 경계 영역에서의 제2 몸체(120)의 가장 자리 영역(P22)를 지나는 광 L11이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ11에 대한, 광 L11이 렌즈(100)의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L12가 광출사면과 이루는 각도 θ12의 비율 θ12/θ11은 1.04보다 클 수 있다.
아래의 표 1은 도 4a에서 광원(10)의 길이가 0.7 밀리미터일 때, 상술한 각도의 비율 θ12/θ11의 변화에 따른 필드 앵글의 변화를 나타내고, 각도의 비율과 필드 앵글은 각각 소수 셋째점에서 반올림한 값이다.
각도 θ12의 비율 θ12/θ11은 1.04보다 작은 0.98 이하에서는 필드 앵글이 153도 이상을 나타내고, 1.04보다 큰 1.07 이상에서는 필드 앵글이 153도 이하를 나타내고 있다.
표 1
필드 앵글 155.16 156.97 154.22 153.14 149.38 147.93 146.70 148.02
θ12/θ11 0.91 0.94 0.97 0.98 1.07 1.08 1.10 1.11
도 4b에서 광원(10)의 광출사면의 가장 자리 영역(P12)에서 출사되어 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)의 경계 영역에서의 제2 몸체(120)의 가장 자리 영역(P22)을 지나는 광 L21이 광출사면과 이루는 각도 θ21에 대한, 광 L21이 렌즈(10)의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L22가 광출사면과 이루는 각도 θ22의 비율 θ22/θ21은 1.22보다 클 수 있다.
아래의 표 2는 도 4b에서 광원(10)의 길이가 0.7 밀리미터일 때, 상술한 각도의 비율 θ22/θ11의 변화에 따른 필드 앵글의 변화를 나타내고, 각도의 비율과 필드 앵글은 각각 소수 셋째점에서 반올림한 값이다.
각도 θ12의 비율 θ12/θ11은 1.22보다 작은 1.19 이하에서는 필드 앵글이 154도 이상을 나타내고, 1.22보다 큰 1.28 이상에서는 필드 앵글이 153도 이하를 나타내고 있다.
표 2
필드 앵글 159.97 155.84 154.22 159.92 147.93 148.02 146.70 147.59
θ22/θ21 1.13 1.16 1.18 1.19 1.28 1.29 1.33 1.35
도 4c에서 광원(10)의 광출사면의 중앙 영역(c)에서 출사되어 제2 몸체(120)와 곡면부의 경계 영역에서의 제2 몸체(120)의 가장 자리 영역(P32)를 지나는 광 L31이 광출사면과 이루는 각도 θ31에 대한, 광 L31이 렌즈(100)의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L32가 광출사면과 이루는 각도 θ32의 비율 θ32/θ31은 1.34보다 클 수 있다.
도 4d에서 광원(10)의 광출사면의 가장 자리 영역(P12)에서 출사되어 제2 몸체(120)와 곡면부의 경계 영역에서의 제2 몸체(120)의 가장 자리 영역(P32)을 지나는 광 L41이 광출사면과 이루는 각도 θ41에 대한, 광 L41이 렌즈(100)의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L42가 광출사면과 이루는 각도 θ42의 비율 θ42/θ41은 1.80보다 클 수 있다.
도 4c와 도 4d에 도시된 실시예에서 비율 θ32/θ31과 θ42/θ41이 각각 1.34와 1.80보다 클 때, 필드 앵글이 일정 범위 예를 들면, 153도 이하로 될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d에서 광원(10)에서 방출되는 광이 광원(10)의 광출사면에 이루는 각도들과 광이 렌즈(100)의 광출사면에 대하여 이루는 각도들의 비율들이 상술한 범위보다 클 때 렌즈(100)의 광출사면에서 측면 방향으로 방출되는 광량이 증가하여 필드 앵글이 커지고, 따라서 렌즈(100)의 상부 방향으로 진행하는 광량이 감소하여 광효율이 감소할 수 있으며, 상술한 각도들의 비율들이 상술한 범위를 만족할 때 필드 앵글이 상술한 각도 이내의 범위이고 따라서 렌즈(100)의 상부 방향을 진행하는 광량이 증가하여 후술하는 바와 같이 광효율이 증가할 수 있다. 여기서, 상부 방향이라 함은 도 4a 내지 도 4d를 기준으로 하며 렌즈(100)에서 방출된 광이 피사체를 향하는 방향을 뜻한다.
도 5a 내지 도 5c는 실시예에 따른 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 빔 앵글과 필드 앵글, 및 종래의 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 빔 앵글과 필드 앵글을 나타낸 도면이다.
도 5a에 도시된 실시예에 따른 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 필드 앵글이, 도 5b와 도 5c의 종래의 발광소자 모듈에서 비하여 감소하여 개선된 것을 확인할 수 있다. 도 5b에서 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 빔 앵글과 필드 앵글은 각각 119.54도와 164.07도이고, 도 5c에서 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 빔 앵글과 필드 앵글은 각각 128.55도와 175.93도이며, 도 5a의 실시예에서 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 빔 앵글과 필드 앵글은 각각 121.02도와 152.32도이며, 도 5a의 필드 앵글이 도 5b와 도 5c의 필드 앵글에 비하여 감소하고 있다.
도 6a 및 도 6b는 종래의 발광소자 모듈에서 방출되는 광의 빔 앵글과 필드 앵글과 광효율을 나타낸 도면이다.
도 6a는 측벽이 광을 흡수하고 상부면이 투광성인 렌즈 내지 몰딩부가 배치된 경우이고, 도 6b는 측벽과 상부면이 모두 투광성의 렌즈 내지 몰딩부가 배치된 경우이다. 도 6a에서 빔 앵글은 112.20도이고 필드 앵글은 156.23이고 광효율은 42.45퍼센트이고, 도 6b에서 빔 앵글은 146.42도이고 필드 앵글은 171.75이고 광효율은 74.59퍼센트이다.
도 6a 및 도 6b에 비하여 도 5a에 도시된 실시예에 따른 발광소자 모듈은 필드 앵글 152.32로이 감소하여 개선되고 있으며, 광효율도 88.71 %(퍼센트)로 도 6a 및 도 6b의 42.45 퍼센트 및 74.59 퍼센트에 비하여 개선되고 있다. 즉, 도 4a 내지 도 4d에서 설명한 바와 같이 렌즈의 입사면에서 광출사부로 진행하는 광에 비하여 광출사부에서 굴절된 광이 보다 윗 방향으로 향하므로, 발광소자 모듈에서 방출되어 필드 앵글 외부로 진행하는 광량이 감소하고, 따라서 빔 앵글 또는 필드 앵글 내로 광이 집중되어 광효율이 증가할 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.
실시예에 따른 렌즈 및 이를 포함하는 발광소자 모듈은 조명 장치 등에 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1 몸체와, 상기 제1 몸체 상의 제2 몸체와, 상기 제2 몸체 상의 곡면부를 포함하고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 내부에 그루브(groove)가 형성되고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서 상기 제1 몸체는 상기 제2 몸체로부터 돌출되어 배치되고, 상기 제1 몸체의 측벽은 광을 흡수하고, 상기 제2 몸체의 측벽은 중심 방향으로 경사를 이루는 렌즈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 몸체의 높이와 제2 몸체의 높이의 비는 0.23 대 0.336이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있는 렌즈.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 몸체의 높이와 전체의 높이는 0.23 대 0.855이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있는 렌즈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 몸체의 높이와 전체의 높이가 0.336 대 0.855이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있는 렌즈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 몸체의 길이와 상기 제2 몸체의 최대 반경의 비는 1 대 0.728이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가지는 렌즈.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 몸체의 길이와 상기 제2 몸체의 최소 반경의 비는 1 대 0.665이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가지는 렌즈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 몸체의 최소 반경과 최대 반경의 비는 0.665 대 0.728이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가지는 렌즈.
  8. 제1 몸체와, 상기 제1 몸체 상의 제2 몸체와, 상기 제2 몸체 상의 곡면부를 포함하고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 내부에 그루브(groove)가 형성되고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서 상기 제1 몸체는 상기 제2 몸체로부터 돌출되어 배치되고, 상기 제1 몸체의 측벽은 광을 흡수하고, 상기 제2 몸체의 측벽은 중심 방향으로 경사를 이루는 렌즈; 및
    상기 렌즈의 그루브에 배치되는 광원을 포함하고,
    상기 제1 몸체의 길이와 상기 광원의 광출사면의 가장자리로부터 상기 제2 몸체의 가장 자리까지의 최대 수평 거리의 비는 1 대 0.378 이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가지는 발광소자 모듈.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 광원의 광출사면의 중앙 영역에서 출사되어 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L11이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ11에 대한, 상기 광 L11이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L12가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ12의 비율 θ12/θ11은 1.04보다 큰 발광소자 모듈.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 광원의 광출사면의 가장 자리 영역에서 출사되어 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L21이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ21에 대한, 상기 광 L21이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L22가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ22의 비율 θ22/θ21은 1.22보다 큰 발광소자 모듈.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 광원의 광출사면의 중앙 영역에서 출사되어 상기 제2 몸체와 곡면부의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L31이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ31에 대한, 상기 광 L31이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L32가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ32의 비율 θ32/θ31은 1.34보다 큰 발광소자 모듈.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 광원의 광출사면의 가장 자리 영역에서 출사되어 상기 제2 몸체와 곡면부의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L41이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ41에 대한, 상기 광 L41이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L42가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ42의 비율 θ42/θ41은 1.80보다 큰 발광소자 모듈.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 몸체의 높이와 제2 몸체의 높이의 비는 0.23 대 0.336이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있는 발광소자 모듈.
  14. 제18항에 있어서,
    상기 제1 몸체의 높이와 전체의 높이는 0.23 대 0.855이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있는 발광소자 모듈.
  15. 제8 항에 있어서,상기 제2 몸체의 높이와 전체의 높이가 0.336 대 0.855이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가질 수 있는 발광소자 모듈.
  16. 제8 항에 있어서,상기 제1 몸체의 길이와 상기 제2 몸체의 최대 반경의 비는 1 대 0.728이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가지는 발광소자 모듈.
  17. 제8 항에 있어서,상기 제1 몸체의 길이와 상기 제2 몸체의 최소 반경의 비는 1 대 0.665이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가지는 발광소자 모듈.
  18. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 몸체의 최소 반경과 최대 반경의 비는 0.665 대 0.728이고, 상기 비율은 10%의 공차를 가지는 발광소자 모듈.
  19. 제1 몸체와, 상기 제1 몸체 상의 제2 몸체와, 상기 제2 몸체 상의 곡면부를 포함하고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 내부에 그루브(groove)가 형성되고, 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서 상기 제1 몸체는 상기 제2 몸체로부터 돌출되어 배치되고, 상기 제1 몸체의 측벽은 광을 흡수하고, 상기 제2 몸체의 측벽은 중심 방향으로 경사를 이루는 렌즈; 및
    상기 렌즈의 그루브에 배치되는 광원을 포함하고,
    상기 광원의 광출사면의 중앙 영역에서 출사되어 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L11이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ11에 대한, 상기 광 L11이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L12가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ12의 비율 θ12/θ11은 1.04보다 크고,
    상기 광원의 광출사면의 가장 자리 영역에서 출사되어 상기 제1 몸체와 제2 몸체의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L21이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ21에 대한, 상기 광 L21이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L22가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ22의 비율 θ22/θ21은 1.22보다 큰 발광소자 모듈.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 광원의 광출사면의 중앙 영역에서 출사되어 상기 제2 몸체와 곡면부의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L31이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ31에 대한, 상기 광 L31이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L32가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ32의 비율 θ32/θ31은 1.34보다 크고,
    상기 광원의 광출사면의 가장 자리 영역에서 출사되어 상기 제2 몸체와 곡면부의 경계 영역에서의 상기 제2 몸체의 가장 자리를 지나는 광 L41이 상기 광출사면과 이루는 각도 θ41에 대한, 상기 광 L41이 렌즈의 광출사면에서 굴절되어 출사되는 광 L42가 상기 광출사면과 이루는 각도 θ42의 비율 θ42/θ41은 1.80보다 큰 발광소자 모듈.
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