KR100692432B1 - 측면 발광용 렌즈 및 발광 소자 - Google Patents

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KR100692432B1
KR100692432B1 KR1020050083743A KR20050083743A KR100692432B1 KR 100692432 B1 KR100692432 B1 KR 100692432B1 KR 1020050083743 A KR1020050083743 A KR 1020050083743A KR 20050083743 A KR20050083743 A KR 20050083743A KR 100692432 B1 KR100692432 B1 KR 100692432B1
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Abstract

본 발명은 광학 렌즈 및 이를 이용한 발광 소자에 관한 것으로서, 몸체와, 상기 몸체의 중심축에 대해 전반사 기울기를 갖는 전반사면과, 상기 몸체의 중심축과 수직 또는 수평한 축방향으로 연장된는 직선형 면과 하향 연장되는 곡선형 면을 포함하는 렌즈와 이를 이용한 발광 다이오드를 제공한다. 이와 같이 본 발명은 내부 전반사면과, 내부 전반사면의 중심축과 수직 또는 수평한 축 방향으로 형성되는 직선형의 면 및 곡선형의 면을 갖는 렌즈를 통해 발광 칩의 전면으로 방사되는 광을 측면으로 유도할 수 있다. 또한, 렌즈 가장자리에 중심축에 대하여 수직 또는 수평한 축방향으로 형성되는 직선형의 면과 곡선형의 면을 형성함으로 렌즈의 제조공정이 쉬워지고, 이로 인해 렌즈 제작시 불량율을 줄일 수 있고, 렌즈의 제작 단가를 줄일 수 있다.
내부 전반사, 렌즈, 기울기, 굴절면, 발광 칩

Description

측면 발광용 렌즈 및 발광 소자{Side illumination Lens and Luminescent device using the same}
도 1a 및 도 1b는 종래의 발광 소자의 단면도.
도 2는 임계각을 설명하기 위한 개념도.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 3b는 제 1 실시예에 따른 렌즈의 사시도.
도 4는 제 1 실시예에 따른 내부 전반사 렌즈의 동작을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 시뮬레이션 결과그래프이다.
도 6a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 6b는 제 2 실시예에 따른 렌즈의 사시도.
도 7은 제 2 실시예에 따른 내부 전반사 렌즈의 동작을 설명하기 위한 개념도.
도 8은 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 시뮬레이션 결과그래프.
도 9a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 9b는 제 3 실시예에 따른 렌즈의 사시도.
도 10은 제 3 실시예에 따른 내부 전반사 렌즈의 동작을 설명하기 위한 개념도.
도 11은 제 3 실시예에 따른 발광 소자의 시뮬레이션 결과그래프.
도 12a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 12b는 제 4 실시예에 따른 렌즈의 사시도.
도 13은 제 4 실시예에 따른 내부 전반사 렌즈의 동작을 설명하기 위한 개념도.
도 14는 제 4 실시예에 따른 발광 소자의 시뮬레이션 결과그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 100 : 기판 11, 110 : 발광 칩
12, 120 : 렌즈 14 : 반사판
121 : 전반사면 122 : 측면
본 발명은 측면 발광용 렌즈 및 이를 구비하는 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부 전반사를 이용한 측면 발광용 렌즈 및 이를 구비하는 발광 소자에 관한 것이다.
일반적으로 발광 소자(Light emitting diode; LED)는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 양공)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 발광되는 현상을 이용한 소자이다. 종래에는 발광 소자가 발광할 수 있는 파장대가 적색과 녹색으로 한정되어 그 응용 분야가 제한적이었으나, 기술의 발달로 인해 청색 발광은 물론, 다양한 파장대의 발광이 가능하게 되어 발광 소자의 응용분야가 넓어지게 되었다. 특히 백색 발광이 실현됨에 따라 조명용 소자는 물론 액정을 이용한 표시 소자의 배면 광원 소자로도 그 사용이 확대되고 있다.
그러나 발광 소자가 방출하는 광의 방향이 랜덤하기 때문에 조명용 소자 및 배면 광원 소자로서 사용되기 위해서는 광을 목표로 하는 방향으로 유도하여야 한다. 종래에는 이러한 광의 유도를 위해 도 1a에 도시된 바와 같이 기판(10)상에 발광 칩(11)을 실장하고, 발광 칩(11)을 볼록 렌즈(12) 형상으로 봉지하고, 그 표면에 난반사를 위한 패턴(13)을 형성하여 광을 넓게 분산시켰고, 도 1b에 도시된 바와 같이 발광 칩(11)의 양측 영역에 반사컵(14)을 형성하여 광의 집중을 강화하였다. 상술한 발광 소자는 측면 방향보다 전면 방향으로의 광 방출이 많기 때문에, 측면 방향으로 넓게 광을 발산하여야 하는 배면 광원 소자로 적용하기 어려운 문제가 있다.
이에 따라, 광의 내부 전반사(Total Internal Reflection; TIR) 특징을 이용하여 측면 방향으로 광을 방출할 수 있는 소자의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한, TIR 특징을 가지는 종래의 렌즈는 미국 공개 특허 제6,679,621호에 개시되어 있다. 상기에서의 렌즈는 그 상부에 형성되고 소정의 기울기를 갖는 전반사면과, 전반사면에 의해 반사된 광이 외부로 방출되는 각기 다른 기울기를 갖는 다수의 굴절면을 포함한다. 이러한 종래의 렌즈는 전반사면의 좌우로 다수의 굴절면을 형성하기 때문에 렌즈의 제조 공정이 복잡해지고, 그 제작 단가가 상승되는 문제가 있다. 즉, 금형을 이용하여 렌즈를 제작할 경우에는 상하 좌우로 4벌의 금형이 요구되고, 캐스팅이나 연마 방법으로 제작할 경우에도 형태상의 복잡성으로 인해 제작이 용이하지 않은 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 전반사 기울기를 갖는 내부 전반사면과 이로부터 연장되는 적어도 하나 이상의 직선형 면 및 곡선형 면을 갖는 렌즈를 통해 측면 발광이 가능하고, 그 제작 공정이 용이하고, 제작 비용을 감소시킬 수 있는 렌즈 및 발광 소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 몸체와, 상기 몸체의 중심축에 대해 전반사 기울기를 갖고 중심부에 위치된 전반사면과, 상기 전반사면의 주연부에서 절곡되어 형성되는 직선형 면 및 상기 직선형 면의 주연부에서 연장 형성되는 곡선형 면을 포함하는 렌즈를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 몸체와, 상기 몸체의 중심축에 대해 전반사 기울기를 갖고 중심부에 위치된 전반사면과, 상기 전반사면의 주연부에서 연장 형성되는 곡 선형 면 및 상기 곡선형 면의 주연부에서 절곡되어 형성되는 직선형 면을 포함하는 렌즈를 포함한다.
상기 곡선형 면은 타원형으로, 타원의 단축과 장축의 비가 1:4 이하이다. 상기 직선형 면은 1회 이상 절곡된다. 상기 몸체의 굴절율은 1.2 내지 2.0이다.
여기서, 상기 전반사면은, 소정의 기울기를 갖는 단면이 브이(V)자 형 홈 형상의 제 1 전반사면 및 상기 제 1 전반사면의 주연부에서 상향 연장되어 상기 중심축에 대해 상기 제 1 전반사면보다 큰 구배를 갖도록 경사지게 형성된 제 2 전반사면을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 기판과, 상기 기판 상에 실장된 발광 칩 및 상기 발광 칩을 봉지하며 중심에 전반사 기울기를 갖는 전반사면과, 상기 전반사면의 주연부에서 절곡되어 형성되는 직선형 면과, 상기 직선형 면의 주연부에서 연장 형성되는 곡선형 면을 포함하는 렌즈를 포함하는 발광 소자를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 기판과, 상기 기판 상에 실장된 발광 칩 및 상기 발광 칩을 봉지하며 중심에 전반사 기울기를 갖는 전반사면과, 상기 전반사면의 주연부에서 연장 형성되는 곡선형 면과 상기 곡선형 면의 주연부에서 절곡되어 형성되는 직선형 면을 포함하는 렌즈를 포함하는 발광 소자를 제공한다.
상기 곡선형 면은 타원형으로, 타원의 단축과 장축의 비가 1:4 이하인 렌즈를 포함한다. 상기 직선형 면은 1회 이상 절곡되는 것을 특징으로 하는 렌즈를 포함한다.
여기서, 몸체의 굴절율이 1.2 내지 2.0인 렌즈를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 임계각을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 임계각이란 굴절률이 큰 물질(n1)에서 작은 물질(n2)로 광이 입사할 때, 그 이상의 더 큰 각도에서는 전반사가 일어나게 되는 입사각(θc)의 값을 지칭한다. 즉, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 광이 다른 매질(n2<n1)을 만나 굴절할 경우, 굴절각이 90도가 되는 입사각을 임계각이라고 지칭하고, 이때 입사각은 법선을 기준으로 측정한 각도(θc1)를 지칭한다. 입사각이 임계각보다 크면 전반사를 하게 된다.
이에 본 발명은 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 굴절률이 다른 두 매질(n2<n1)에 있어서, 일 매질(n1)에서 타 매질(n2)로 광이 수직하게 입사될 경우, 일 매질(n1)의 경계면이 소정의 기울기를 갖게 된다면, 입사되는 광과 경계면에 수직한 법선이 이루는 각이 임계각(θc2>θc1)보다 크게 된다. 이로인해 광은 일 매질(n1)을 투과하여 타 매질(n2)로 진행하지 못하고, 일 매질(n1) 내부로 반사하게 된다. 이러한 광의 전반사 현상을 이용하면 광이 투과되지 못하고 반사하게 된다. 여기서, 일 매질로는 렌즈와 같이 투광성이 우수한 물질을 사용하고, 타 매질은 예 를 들어 공기가 될 수 있다.
이러한 광학적 성질을 이용하여 발광 칩에서 출사되는 광 중, 칩의 중심 즉, 렌즈의 중심으로 출사되는 광은 전반사 현상에 의해 측면으로 유도되고, 칩의 측방으로 출사되는 광은 직선형의 면과 곡선형의 면을 통해 굴절되어 측면으로 유도할 수 있는 다수의 굴절면을 갖는 렌즈와 발광 소자에 관해 하기에서 설명한다.
<실시예 1>
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이고, 도 3b는 제 1 실시예에 따른 렌즈의 사시도이다. 도 4는 제 1 실시예에 따른 내부 전반사 렌즈의 동작을 설명하기 위한 개념도이고, 도 5는 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 3a, 도 3b 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자는 기판(100)과, 기판(100)상에 실장된 발광 칩(110)과, 발광 칩(110)을 봉지하며, 중심축(x) 방향에 대해 기울기를 갖는 단면이 브이(V)자 형상인 제 1 전반사면(121a)과, 상기 제 1 전반사면(121a)의 기울기보다 완만한 기울기를 갖는 제 2 전반사면(121b)과, 상기 중심축(x)과 수직한 방향으로 상기 제 2 전반사면의 주연부에서 연장된 직선형 제 1 면(122a)과, 상기 직선형 제 1 면(122a)의 주연부에서 하향 연장된 곡선형 제 2 면(122b)을 갖는 렌즈를 포함한다.
먼저, 상술한 본 실시예의 렌즈에 관해 먼저 살펴보면 다음과 같다.
도 3a에 도시된 바와 같이 제 1 전반사면(121a)은 발광 칩(110) 상부에 브이(V)자 형 홈으로 형성되고, 제 2 전반사면(121b)은 홈에서 상향 연장되어 중심축 (x)에 대해 제 1 전반사보다 큰 구배를 갖도록 경사지게 형성된다. 한편, 직선형 제 1 면(122a)은 발광 칩(110)이 실장되는 기판(100)과 수평한 직선형으로 형성되고, 곡선형 제 2 면(122b)은 제 1 면(122a)에서 연장되어 하향 라운딩된 곡선형으로 형성한다. 물론 제 1 면(122a)은 렌즈(120)의 하부면과 수평하게 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 면(122a, 122b)은 렌즈의 가장자리로 유도된 광을 렌즈의 측면으로 굴절시키는 면을 지칭한다.
상기에서 전체 렌즈(120)의 직경을 1로 하였을 경우, 제 1 전반사면(121a)은 상기 렌즈(120)의 중심 형성되고, 제 1 전반사면(121a)의 최대 직경은 1/12 내지 1/6이고, 제 2 전반사면(121b)은 상기 제 1 전반사면(121a)을 감싸는 형상으로 형성되고, 그 최대 직경은 1/7 내지 1/3이며, 제 1 면(122a)은 제 2 전반사면(121b)을 감싸는 원형 띠 형태로 형성되고, 그 최대 직경은 1/5 내지 2/3이며, 제 2 면(122b)은 전체 렌즈(120)의 직경과 동일하다. 여기서, 원형 띠 형태의 제 1 면(122a)의 폭은 렌즈 직경의 1/16 내지 1/8이다. 또한, 렌즈(120)의 높이를 1로 하였을 경우 제 1 전반사면(121a)의 높이는 1/6 내지 1/2이고, 제 2 전반사면(121b)의 높이는 1/6 내지 1/2이다.
제 2 면(122b)은 도 3a에서와 같이 타원형으로 형성되고, 타원의 단축과 장축의 비가 1:4 이하의 범위 내로 이루어진다. 즉, 이는 원형일 수도 있다.
이때, 전반사면(121a, 121b)의 기울기는 앞서 설명한 바와 같이 전반사면과 발광 칩(110)에서 발광되어 전반사면에 입사된 광이 이루는 각이 임계각보다 큰 각이 되도록 한다. 즉, 임계각은 렌즈(120)의 굴절율에 따라 달라지므로 본 실시예에 서의 렌즈(120)는 굴절율이 1.2 내지 2.0인 물질을 사용하여, 임계각이 30 내지 60도가 되도록 한다.
이와 같이 전반사면(121a, 121b)으로 입사되는 광과 전반사면이 이루는 각이 임계각 이상이 되도록 하기 위해 본 실시예에서는 제 1 전반사면(121a)의 기울기를 30 내지 89도로 하고, 제 2 전반사면(121b)의 기울기를 20 내지 60도로 한다. 이때, 상기의 기울기는 제 1 및 제 2 전반사면(121a, 121b)과 하부 기판(100)과의 이루는 각을 지칭한다. 바람직하게는 제 1 전반사면(121a)의 기울기를 40 내지 70도로 하고, 제 2 전반사면(121b)의 기울기를 30 내지 50도로 한다. 또한, 제 1 면(122a)은 기울기가 10도 이하로 형성하는 것이 바람직하고, 앞서 설명에선 그 기울기가 0인 평행한 상태를 설명하였다.
이를 통해, 도 4에 도시된 바와 같이 광원(발광칩)으로부터 제 1 및 제 2 전반사면(121a, 121b)으로 조사된 광(R2, R3)은 전반사되어, 라운딩된 제 2 면(122b)을 통해 y축 방향으로 광이 출사된다. 제 1 및 제 2 면(122a, 122b)으로 조사된 광(R4, R1)은 굴절되어 y축방향으로 광이 출사된다.
이와 같이 본 발명의 렌즈(120)는 중심부에 각기 다른 기울기를 갖는 전반사면을 갖고, 가장자리에 수평형 면과 라운딩된 면을 갖도록 형성하여 도 5에 도시된 바와 같이 광도의 피크값이 ±83도에서 ±10도 범위 내에 위치한다.
도 5에서는, 굴절율이 1.5인 렌즈(120)를 사용하였고, 제 1 전반사면(121a)과 발광 칩(110)으로부터 방출되는 광이 이루는 각이 임계각보다 큰 약 50도가 되도록하고, 제 2 전반사면(121b)과 발광 칩(110)으로부터 방출되는 광이 이루는 각 이 약 43도가 되도록 한 후, 발광 칩(110)이 위치한 영역을 기준으로 +90도에서 -90도의 범위 내에서의 광의 강도를 시뮬레이션하여 그 결과를 그래프로 나타내었다. 도 5의 그래프에서와 같이 ±83도 근방에서 그 강도가 가장 높다. 즉, +83도에서 그 강도가 약 0.97 정도이고, -83도에서는 그 강도가 약 0.94 정도이다. 또한, ±40도 내에서의 광의 강도가 0.2 이하이다.
이는 제 1 및 제 2 전반사면(121a, 121b)을 통해 전반사된 광과 제 1 및 제 2 면(122a, 122b)을 통해 굴절된 광이 발광 소자의 측면 방향으로 진행하기 때문이다.
상술한 본 발명의 렌즈(120)는 사출 금형공정을 통해 제작할 수도 있고, 타원곡면을 갖는 렌즈(120)의 상부 면을 연마 공정을 통해 연마하여 제작할 수도 있다. 이와 같은 제작 방법을 통해 본 발명의 렌즈를 제작할 경우, 수평한 직선형 면과 타원형의 곡선형 면으로 이루어지기 때문에 제작이 쉬워지며, 이에 따라 불량률이 감소되고 제작비용을 감소시킬 수 있다. 이뿐만 아니라, 앞서 설명한 종래의 기술에서는 다수의 굴절면이 일정한 거리에 따르는 기울기를 가지므로 그 사이즈가 커지게 되지만, 이에 반하여 본 발명은 이중의 굴절면을 갖고 그 형상이 수평형 및 타원형으로 형성되기 때문에 측면 발광의 효과는 늘리면서 그 사이즈는 작게 제작할 수 있다. 또한, 종래의 기술에서는 굴절면이 중심축 방향으로 파고 들어가는 형상이지만 본 발명의 렌즈의 굴절면은 전반사면의 주연부에서 외측으로 연장 형성된 형상이다.
상기의 발광 칩(110)으로는 PN접합을 통해 발광하는 모든 형태의 발광 칩을 사용할 수 있음을 물론 다수 개의 발광 칩이 기판 상에 실장될 수도 있다.
상기 발광 칩(110)이 실장되는 기판(100)은 전극이 패터닝된 PCB기판 또는 히트 싱크가 삽입된 기판 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 상기의 발광 칩(110) 상부에는 형광체를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 발광 칩이 렌즈에 의해 밀봉되는 가장 바람직한 실시예를 설명하였지만 발광 칩과 렌즈의 사이에 일정 공간(미도시)이 형성될 수도 있으며, 이때 상기의 공간 내에서 채워지는 물질은 굴절율이 1.2 내지 2.0인 물질에서 선택될 수 있으며, 예를 들어 에폭시/실리콘수지, 공기/다른가스(예를 들면 질소)로 채워지거나 진공일 수 있으며 여기에 형광체를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기의 렌즈는 직선형의 면과 이로부터 연장된 곡선형의 면을 포함하지만 이에 한정되지 않고 다양한 형상으로 변형가능하다. 즉, 곡선형의 면으로부터 연장된 다수의 직선형 면일 수 있으며, 이에 더하여, 또한, 직선형 면이 절곡될 수도 있다. 하기에서는 곡선형 면에서 연장되고 1번 절곡된 직선형 면을 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광용 렌즈와 발광 소자에 관해 설명한다.
<실시예2>
도 6a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이고, 도 6b는 제 2 실시예에 따른 렌즈의 사시도이다. 도 7은 제 2 실시예에 따른 내부 전반사 렌즈의 동작을 설명하기 위한 개념도이고, 도 8은 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 6a, 도 6b 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자는 기판(100) 과, 기판(100)상에 실장된 발광 칩(110)과, 발광 칩(110)을 봉지하며, 중심축(x)에 대해 소정의 기울기를 갖는 단면이 브이(V)자 형상의 제 1 전반사면(121a)과 제 1 전반사면(121a)의 기울기보다 완만한 기울기를 갖는 제 2 전반사면(121b)과, 상기 제 2 전반사면(121b)의 주연부에서 하향 연장된 곡선형의 제 1 면(122a)과, 상기 중심축(x)과 수직 방향으로 상기 제 1 면(122a)의 주연부에서 연장된 직선형의 제 2 면(122b)과, 상기 중심축(x)과 수평 방향으로 제 2 면(122b)의 주연부에서 연장된 직선형의 제 3 면(122c)을 갖는 렌즈(120)를 포함한다.
먼저, 상술한 본 실시예의 렌즈에 관해 먼저 살펴보면 다음과 같다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 상기에서 전체 렌즈(120)의 직경을 1로 하였을 경우, 제 1 전반사면(121a)은 상기 렌즈(120)의 중심 형성되고, 제 1 전반사면(121a)의 최대 직경은 1/12 내지 1/6이고, 제 2 전반사면(121b)은 상기 제 1 전반사면(121a)을 감싸는 형상으로 형성되고, 그 최대 직경은 1/7 내지 1/3이다. 그리고, 제 1 면(122a)은 제 2 전반사면(121b)을 감싸는 타원 형태로 형성되고, 그 최대 직경은 1/2 내지 7/8이며, 제 2 및 제 3 면(122b, 122c)의 최대 직경은 전체 렌즈(120)의 직경과 동일하다. 여기서, 제 2 면(122b)의 폭은 렌즈 직경의 1/16 내지 1/8이다.
또한, 렌즈(120)의 높이를 1로 하였을 경우에 제 1 전반사면(121a)의 높이는 1/12 내지 1/6이고, 제 2 전반사면(121b)의 높이는 1/12 내지 1/6이며, 제 1 면(122a)의 높이는 1/4 내지 3/4이며, 제 3 면(122c)의 높이는 1/4 내지 3/4이다. 여기서, 제 1 면(122a)은 도면에서와 같이 타원형으로 형성되고, 타원의 단축과 장 축의 비가 1:4 이하의 범위 내로 이루어진다. 즉, 이는 원형일 수도 있다.
이를 통해, 도 7에 도시된 바와 같이 광원(발광칩)으로부터 제 1 및 제 2 전반사면(121a, 121b)으로 조사된 광(R4, R5)은 전반사되어, 라운딩되어 제 1 면(122a)을 통해 y축 방향으로 광이 출사된다. 제 1, 2 및 3 면(122a, 122b, 122c)으로 조사된 광(R3, R2, R1)은 굴절되어 y축 방향으로 출사된다.
이와 같이 본 발명의 렌즈(120)는 중앙부에 각기 다른 기울기를 갖는 전반사면을 갖고, 가장자리에 라운딩형, 수평형 및 수직형 면을 갖도록 형성하여 도 8에 도시된 바와 같이 광도의 피크값이 ±64도에서 ±10도 범위 내에 위치한다.
도 8에서는 굴절율이 1.5인 렌즈(120)를 사용하였고, 제 1 전반사면(121a)과 발광 칩(110)으로부터 방출되는 광이 이루는 각이 임계각보다 큰 약 50도가 되도록하고, 제 2 전반사면(121b)과 발광 칩(110)으로부터 방출되는 광이 이루는 각이 약 43도가 되도록 한 후, 발광 칩이 위치한 영역을 기준으로 +90도에서 -90도의 범위내에서의 광의 강도를 시뮬레이션하여 그 결과를 그래프로 나타내었다.
도 8의 그래프에서와 같이 ±64도 근방에서 그 강도가 가장 높다. 즉, +64도에서 그 강도가 약 0.99 정도이고, -64도에서는 그 강도가 약 0.98 정도이다. 또한, ±40도 내에서의 광의 강도가 0.2 이하이다.
이는 앞서 설명한 바와 같이 제 1 및 제 2 전반사면(121a, 121b)을 통해 전반사된 광과 제 1 내지 제 3 면(122a, 122b, 122c)을 통해 굴절된 광이 발광 소자의 측면 방향으로 진행하기 때문이다.
이하 렌즈의 제작 방법과 발광 소자는 앞서 설명한 실시예와 동일함으로 생 략한다.
하기에서는, 2번 절곡된 직선형의 면과 이로부터 연장된 곡선형의 면을 갖는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 측면 발광용 렌즈와 발광 소자에 관해 설명한다.
<실시예3>
도 9a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이고, 도 9b는 제 3 실시예에 따른 렌즈의 사시도이다. 도 10은 제 3 실시예에 따른 내부 전반사 렌즈의 동작을 설명하기 위한 개념도이고, 도 11은 제 3 실시예에 따른 발광 소자의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 9a, 도 9b 및 도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자는 기판(100)과, 기판(100)상에 실장된 발광 칩(110)과, 발광 칩(110)을 봉지하며, 중심축(x)에 대해 소정의 기울기를 갖는 단면이 브이(V)자 형상의 제 1 전반사면(121a)과 제 1 전반사면(121a)의 기울기보다 완만한 기울기를 갖는 제 2 전반사면(121b)과, 상기 중심축(x)과 수직 방향으로 상기 제 2 전반사면(121b)의 주연부에서 연장된 직선형의 제 1 면(122a)과, 상기 중심축(x)과 수평 방향으로 상기 제 1 면(122a)의 주연부에서 하향 연장된 직선형의 제 2 면(122b)과, 상기 중심축(x)과 수직 방향으로 상기 제 2 면(122b)의 주연부에서 연장된 직선형의 제 3 면(122c)과, 상기 제 3 면(122c)의 주연부에서 하향 연장된 곡선형의 제 4 면(122d)을 갖는 렌즈(120)를 포함한다.
상술한 본 실시예의 렌즈에 관해 먼저 살펴보면 다음과 같다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 상기에서 전체 렌즈(120)의 직경을 1로 하였을 경우, 제 1 전반사면(121a)의 최대 직경은 1/12 내지 1/6이고, 제 2 전반사면(121b)의 최대 직경은 1/7 내지 1/3이다. 제 1 면(122a)의 최대 직경은 1/6 내지 1/2이고, 이때 제 1 면(122a)의 폭은 렌즈(120) 직경의 1/36 내지 1/24이다. 제 3 면(122c)의 최대 직경은 1/5 내지 3/2이고, 이때 제 3 면(122c)의 폭은 렌즈(120) 직경의 1/24 내지 1/7이다. 제 4 면(122d)은 렌즈(120) 전체 직경과 동일하다.
또한, 렌즈(120)의 높이를 1로 하였을 경우에 제 1 전반사면(121a)의 높이는 1/4 내지 3/4이고, 제 2 전반사면(121b)의 높이는 1/6 내지 1/4이며, 제 2 면(122b)의 높이는 1/12 내지 1/8이고, 제 4 면(122d)의 높이는 7/8 내지 11/12이다. 여기서, 제 4 면(122d)은 도면에서와 같이 타원형으로 형성되고, 타원의 단축과 장축의 비가 1:4 이하의 범위 내로 이루어진다. 즉, 이는 원형일 수도 있다.
이를 통해, 도 10에 도시된 바와 같이 광원(발광칩)으로 부터 제 1 및 제 2 전반사면(121a, 121b)으로 조사된 광(R2, R6)은 전반사되고, 면들(122a, 122b, 122c, 122d)을 통해 y축 방향으로 광이 출사된다. 또한, 제 1 내지 제 4 면(122a, 122b, 122c, 122d)으로 조사된 광(R5, R4, R3, R1)은 굴절되어 y축 방향으로 광이 출사된다.
이와 같이 본 발명의 렌즈(120)는 중앙부에 각기 다른 기울기를 갖는 전반사면을 갖고, 가장자리에 라운딩형 면 복수의 수평형 면 및 수직형 면을 갖도록 형성하여 도 11에 도시된 바와 같이 광도의 피크값이 ±76도에서 ±10도 범위 내에 위치한다.
도 11에서는 굴절율이 1.5인 렌즈(120)를 사용하였고, 제 1 전반사면(121a) 과 발광 칩(110)으로부터 방출되는 광이 이루는 각이 임계각보다 큰 약 50도가 되도록하고, 제 2 전반사면(121b)과 발광 칩(110)으로부터 방출되는 광이 이루는 각이 약 43도가 되도록 한 후, 발광 칩이 위치한 영역을 기준으로 +90도에서 -90도의 범위내에서의 광의 강도를 시뮬레이션하여 그 결과를 그래프로 나타내었다.
도 11의 그래프에서와 같이 ±76도 근방에서 그 강도가 가장 높다. 즉, +76도에서 그 강도가 약 0.98 정도이고, -77도에서는 그 강도가 약 0.97 정도이다. 또한, ±40도 내에서 광의 강도가 0.2 이하이다.
이하 렌즈의 제작 방법과 발광 소자는 앞서 설명한 실시예와 동일함으로 생략한다.
하기에서는, 1번 절곡된 직선형의 면과, 이로부터 연장된 곡선형의 면을 갖는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 측면 발광용 렌즈와 발광 소자에 관해 설명한다.
<실시예4>
도 12a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이고, 도 12b는 제 4 실시예에 따른 렌즈의 사시도이다. 도 13은 제 4 실시예에 따른 내부 전반사 렌즈의 동작을 설명하기 위한 개념도이고, 도 14는 제 4 실시예에 따른 발광 소자의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 12a, 도 12b 및 도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자는 기판(100)과, 기판(100)상에 실장된 발광 칩(110)과, 발광 칩(110)을 봉지하며, 중심축(x)에 대해 소정의 기울기를 갖는 단면이 브이(V)자 형상의 제 1 전반사면(121a)과 제 1 전반사면(121a)의 기울기보다 완만한 기울기를 갖는 제 2 전반사면(121b)과, 상기 중심축(x)과 수평 방향으로 상기 제 2 전반사면(121b)의 주연부에서 하향 연장된 직선형의 제 1 면(122a)과, 상기 중심축(x)과 수직 방향으로 상기 제 1 면(122a)의 주연부에서 연장된 직선형의 제 2 면(122b)과 상기 제 2 면(122b)의 주연부에서 하향 연장된 곡선형의 제 3 면(122c)을 갖는 렌즈(120)를 포함한다.
상술한 본 실시예의 렌즈에 관해 먼저 살펴보면 다음과 같다.
도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이 상기에서 전체 렌즈(120)의 직경을 1로 하였을 경우, 제 1 전반사면(121a)의 최대 직경은 1/12 내지 1/6이고, 제 2 전반사면(121b)의 최대 직경은 1/7 내지 1/3이다. 제 2 면(122b)의 최대 직경은 1/6 내지 2/3이고, 이때 제 2 면(122b)의 폭은 렌즈(120) 직경의 1/12 내지 1/6이다. 제 3 면(122c)은 렌즈(120) 전체 직경과 동일하다.
또한, 렌즈(120)의 높이를 1로 하였을 경우에 제 1 전반사면(121a)의 높이는 1/4 내지 3/4이고, 제 2 전반사면(121b)의 높이는 1/6 내지 1/4이며, 제 1 면(122a)의 높이는 1/12 내지 1/8이고, 제 3 면(122c)의 높이는 7/8 내지 11/12이다. 여기서, 제 3 면(122c)은 도면에서와 같이 타원형으로 형성되고, 타원의 단축과 장축의 비가 1:4 이하의 범위 내로 이루어진다. 즉, 이는 원형일 수도 있다.
이를 통해, 도 13에 도시된 바와 같이 광원(발광칩)으로 부터 제 1 및 제 2 전반사면(121a, 121b)으로 조사된 광(R2, R4)은 전반사되고, 면들(122a, 122b, 122c)을 통해 y축 방향으로 광이 출사된다. 또한, 제 1 내지 제 3 면(122a, 122b, 122c)으로 조사된 광(R5, R3, R1)은 굴절되어 y축 방향으로 광이 출사된다.
이와 같이 본 발명의 렌즈(120)는 중앙부에 각기 다른 기울기를 갖는 전반사 면을 갖고, 가장자리에 라인딩형 면 복수의 수평형 및 수직형 면을 갖도록 형성하여 도 14에 도시된 바와 같이 광도의 피크값이 ±70도에서 ±10도 범위 내에 위치한다.
도 11에서는 굴절율이 1.5인 렌즈(120)를 사용하였고, 제 1 전반사면(121a)과 발광 칩(110)으로부터 방출되는 광이 이루는 각이 임계각보다 큰 약 50도가 되도록하고, 제 2 전반사면(121b)과 발광 칩(110)으로부터 방출되는 광이 이루는 각이 약 43도가 되도록 한 후, 발광 칩이 위치한 영역을 기준으로 +90도에서 -90도의 범위내에서의 광의 강도를 시뮬레이션하여 그 결과를 그래프로 나타내었다.
도 11의 그래프에서와 같이 ±70도 근방에서 그 강도가 가장 높다. 즉, +72도에서 그 강도가 약 1.0 정도이고, -70도에서는 그 강도가 약 0.97 정도이며, ±40도 내에서 광의 강도가 0.2 이하이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 내부 전반사면과, 내부 전반사면의 중심축과 수직 또는 수평한 축 방향으로 형성되는 직선형의 면 및 곡선형의 면을 갖는 렌즈를 통해 발광 칩의 전면으로 방사되는 광을 측면으로 유도할 수 있다.
또한, 렌즈 가장자리에 중심축에 대하여 수직 또는 수평한 축방향으로 형성되는 직선형의 면과 곡선형의 면을 형성함으로 렌즈의 제조공정이 쉬워지고, 이로 인해 렌즈 제작시 불량율을 줄일 수 있고, 렌즈의 제작 단가를 줄일 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (11)

  1. 발광 소자 상측에 마련되는 발광 소자용 렌즈에 있어서,
    몸체;
    상기 몸체의 중심축에서 외측 상 방향으로 각기 다른 기울기를 가지며 연장되고, 발광 소자로부터 입사된 광을 반사시키는 전반사면;
    상기 전반사면의 외측 방향으로 연장 형성되고, 상기 전반사면에서 반사된 광을 굴절시키는 굴절면을 구비하고,
    상기 굴절면은,
    상기 전반사면의 주연부에서 연장되는 적어도 하나의 직선형면과,
    상기 직선형면의 주연부에서 상기 중심축에 대하여 외측 하 방향으로 곡선 형상이 되도록 연장된 곡선형면을 포함하는 발광 소자용 렌즈.
  2. 발광 소자 상측에 마련되는 발광 소자용 렌즈에 있어서,
    몸체;
    상기 몸체의 중심축에서 외측 상 방향으로 각기 다른 기울기를 가지며 연장되고, 발광 소자로부터 입사된 광을 반사시키는 전반사면;
    상기 전반사면의 외측 방향으로 연장 형성되고, 상기 전반사면에서 반사된 광을 굴절시키는 굴절면을 구비하고,
    상기 굴절면은,
    상기 전반사면의 주연부에서 상기 중심축에 대하여 외측 하 방향으로 곡선 형상이 되도록 연장된 곡선형면과,
    상기 곡선형면의 주연부에서 연장되는 적어도 하나의 직선형면을 포함하는 발광 소자용 렌즈.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 곡선형면의 수직 단면은 단축과 장축의 비가 1:4 이하인 타원형상인 발광 소자용 렌즈.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 직선형 면은 상기 중심축에 대하여 수직, 수평 또는 수직 및 수평하게 연장되거나, 1회 이상 절곡되는 것을 특징으로 하는 발광 소자용 렌즈.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 몸체의 굴절율이 1.2 내지 2.0인 발광 소자용 렌즈.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전반사면은,
    소정의 기울기를 갖는 단면이 브이(V)자 형 홈 형상의 제 1 전반사면; 및
    상기 제 1 전반사면의 주연부에서 상향 연장되어 상기 중심축에 대해 상기 제 1 전반사면보다 큰 구배를 갖도록 경사지게 형성된 제 2 전반사면을 포함하는 발광 소자용 렌즈.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 실장된 발광 칩; 및
    상기 발광 칩을 봉지하며 중심축에서 외측 상 방향으로 각기 다른 기울기를 가지며 연장되고, 발광 소자로부터 입사된 광을 반사시키는 전반사면과, 상기 전반사면의 외측 방향으로 연장 형성되고, 상기 전반사면에서 반사된 광을 굴절시키는 굴절면을 구비하고, 상기 굴절면은, 상기 전반사면의 주연부에서 연장되는 적어도 하나의 직선형면과, 상기 직선형면의 주연부에서 상기 중심축에 대하여 외측 하 방향으로 곡선 형상이 되도록 연장된 곡선형면을 포함하는 렌즈를 포함하는 발광 소자.
  8. 기판;
    상기 기판 상에 실장된 발광 칩; 및
    상기 발광 칩을 봉지하며 중심축에서 외측 상 방향으로 각기 다른 기울기를 가지며 연장되고, 발광 소자로부터 입사된 광을 반사시키는 전반사면과, 상기 전반사면의 외측 방향으로 연장 형성되고, 상기 전반사면에서 반사된 광을 굴절시키는 굴절면을 구비하고, 상기 굴절면은, 상기 전반사면의 주연부에서 상기 중심축에 대하여 외측 하 방향으로 곡선 형상이 되도록 연장된 곡선형면과, 상기 곡선형면의 주연부에서 연장되는 적어도 하나의 직선형면을 포함하는 렌즈를 포함하는 발광 소자.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 곡선형면의 수직 단면은 단축과 장축의 비가 1:4 이하인 타원형상인 발광 소자.
  10. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 직선형 면은 상기 중심축에 대하여 수직, 수평 또는 수직 및 수평하게 연장되거나, 1회 이상 절곡되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  11. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 몸체의 굴절율이 1.2 내지 2.0인 발광 소자.
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