KR20070025008A - 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광다이오드 패키지에 관한 것으로서, 장착식 렌즈를 사용하여 기존 봉지재 사용에 따른 여러 문제점을 해결함과 동시에, 그 장착식 렌즈의 사용으로, 장착식 렌즈와 LED칩 사이에 존재하는 공기층 또는 가스층으로 인한 발광효율 저하를 LED칩의 광 출사면을 개량하여 줄여줄 수 있는 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명은 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지를 개시한다. 상기 발광다이오드 패키지는, 리세스를 갖는 패키지 본체와; 상기 리세스 내 리드 전극 상에 실장되어지되, 광 출사면을 거친면으로 형성하여 빛의 내부 전반사를 줄인 LED칩과; 상기 LED칩과 이격된 채 상기 리세스를 덮도록, 상기 패키지 본체에 장착되는 렌즈를 포함한다. 따라서, 본 발명은 상기 렌즈가 패키지 본체에 간단하고 저렴한 방식에 의해 장착될 수 있으며, 그 장착시에 LED칩과 이격되므로, LED칩 등의 부품의 파손 및 열화를 막을 수 있다. 특히, LED칩에 형성된 거친면은 LED칩 내에서 빛이 내부 전반사되는 양을 줄이므로, 렌즈와 LED칩 사이에 생긴 공기층 또는 가스층으로 야기되는 발광효율 저하를 억제 또는 줄여줄 수 있다.

발광다이오드, 패키지, 렌즈, 장착, 거친면, 전반사

Description

렌즈 장착식 발광다이오드 패키지{LENS MOUNT TYPE LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지를 도시한 단면도.

도 2는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지를 도시한 단면도.

도 3은 도 1에 도시된 발광다이오드 패키지의 LED칩을 개략적으로 도시한 도면.

도 4a 및 도 4b는 공기층 또는 가스층이 LED칩과 서로 경계를 이룰 때 광추출 효율을 향상시키는 원리를 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10: 패키지 본체 20: LED칩

25a: 거친면 30: 리드 전극

40: 렌즈

본 발명은, 발광다이오드 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 장착식 렌즈로써 패키지 내의 LED칩(Light Emitting Diode chip)을 보호하며, 그 렌즈와 LED칩 사이의 공기층(또는, 가스층) 존재로 인한 발광효율 저하를 발광다이오드의 광 출사면을 개량하여 줄여줄 수 있는 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지에 관한 것이다.

발광다이오드 패키지는, 패키지 본체와 상기 패키지 본체에 실장된 LED칩을 포함하는 것으로서, 백열전구, 형광등 및 방전 광원에 비해 작은 크기, 긴 수명, 그리고 저전력 등의 장점을 갖는다. 또한, 상기 발광다이오드 패키지는, LED칩 및 이와 연결된 본딩 와이어를 덮어, 이들을 수분 등의 외부환경으로부터 보호하기 위한 봉지재를 포함한다.

상기 봉지재는, 몰딩 성형에 의해 LED칩을 완전히 감싸는 것으로서, LED칩 및 본딩 와이어를 보호하는 용도와 함께 LED칩과의 경계면에서 광추출 효율을 높이는 용도로 사용된다. 이를 위해, 상기 봉지재는 에폭시 소재가 주로 이용되는데, 에폭시는 광 굴절율이 대략 1.54로서 공기(광 굴절율 1)에 비해 LED칩과의 광 굴절율 차이가 상대적으로 작으며, 따라서, 빛이 LED칩의 내부에서 전반사(total reflection) 되는 양을 어느 정도 줄여주는데 기여할 수 있다.

그러나, 전술한 종래의 발광다이오드 패키지는, LED칩을 둘러싸도록 몰딩된봉지재가 그 내측에 싸인 본딩 와이어를 파손시킬 수 있었으며, 또한, LED칩에서 발생하는 열에 의해, 봉지재, 그리고 그 봉지재에 싸인 LED칩 및 본딩 와이어가 열화되는 등의 문제점을 야기한다. 특히, 상기 봉지재를 몰딩하는 공정이 복잡하고 제조 공정상에서 많은 비용 손실을 야기하므로, LED칩의 보호 및 발광효율 용도로 사용되는 기존 봉지재를 대체할 수 있는 수단이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 장착식 렌즈를 사용하여 기존 봉지재 사용에 따른 여러 문제점을 해결함과 동시에, 그 장착식 렌즈의 사용으로, 장착식 렌즈와 LED칩 사이에 존재하는 공기층 또는 가스층으로 인한 발광효율 저하를 LED칩의 광 출사면을 개량하여 줄여줄 수 있는 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지는, 리세스를 갖는 패키지 본체와, 상기 리세스 내 리드 전극 상에 실장되어지되 광 출사면을 거친면으로 형성하여 빛의 내부 전반사를 줄인 LED칩과, 상기 LED칩과 이격된 채 상기 리세스를 덮도록, 상기 패키지 본체에 장착되는 렌즈를 포함한다. 따라서, 상기 렌즈는 패키지 본체에 간단한 방식에 의해 장착될 수 있으며, 그 장착시에 LED칩과 이격되므로, 발광다이오드 패키지의 부품 파손 및 부품 열화를 막을 수 있다. 특히, LED칩에 형성된 거친면은 LED칩 내에서 빛이 내부 전반사되는 양을 줄이므로, 렌즈와 LED칩 사이에 생긴 공기층 또는 가스층으로 야기되는 발광효율 저하를 억제 또는 줄여줄 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 상기 렌즈는 형광제를 포함하는데, 상기 렌즈는 상기 형광제를 포함한 수지로 사출성형되거나, 또는, 투명 또는 반투명의 수지, 유 리 또는 필름에 상기 형광제를 코팅하여 제조될 수 있다. 이에 더하여, 상기 렌즈는 상기 LED칩으로부터 나온 빛의 지향각을 좁혀주는 볼록부를 전면에 구비할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

<실시예>

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 발광다이오드 패키지(1)는 패키지 본체(10), LED칩(20), 리드 전극(30) 등을 포함한다. 패키지 본체(10)는 LED칩(20)이 실장될 수 있도록 리세스(12)를 포함한다. 상기 리세스(12)의 측벽은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 일정한 기울기를 갖도록 형성된다.

리드 전극(30)은 음극전극(cathode)과 양극전극(anode)으로 이루어진 채 패키지 본체(10)의 바닥면에 안착 지지된다. 상기 리드 전극(30)의 일부는 리세스(12) 내에 노출되어 있고, 그 나머지 일부는 상기 패키지 본체(10)를 관통하여 패키지 본체(10)의 외부로 연장되어 있다. 또한, 외부로 연장된 리드 전극들(30)은 표면 실장을 위해 절곡된다.

도시되어 있지는 않지만, 본 발명이 고온의 열을 발생시키는 파워 발광다이오드 패키지에 이용되는 경우, 패키지 본체(10)에는 LED칩(20)에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 히트싱크가 설치될 수 있다. 이때, 상기 패키지 본체(10)는 상기 리드 전극들(30)을 삽입 몰딩하여 형성될 수 있으며, 이 과정에서 전술한 히트싱크도 함께 삽입몰딩될 수 있다.

앞서 언급된 바와 같이, 패키지 본체(10)의 리세스(12) 내에는 LED칩(20)이 실장되어 상기 리드 전극들(30)에 전기적으로 연결된다. 본 실시예에서, 상기 LED칩(20)은 리드 전극들(30) 중 하나의 리드 전극에 안착되어 전기적으로 접촉되며, 나머지 리드 전극은 본딩 와이어에 의해 LED칩(20)과 연결된다.

한편, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지(1)는 리세스(12) 내에 실장된 LED칩(20)을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 렌즈(40)를 구비한다. 상기 렌즈(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 리세스(12)의 상측에 장착식으로 설치되며, 이에 따라, LED칩(20)과는 서로 이격되어 있다. 따라서, 렌즈(40)에 의해 구획된 리세스(12) 내부는 공기층 또는 다른 가스층이 형성되는데, 본 실시예에서는, 상기 리세스(12)의 내부에 공기 또는 제습된 질소가 채워진다.

상기 렌즈(40)는 LED칩(20)에서 나온 빛을 원하는 색의 빛으로 변화시키기 위한 형광제를 포함하는데, 형광제를 포함하는 렌즈(40)는 형광제가 혼합된 용융 수지를 사출성형하여 제작되거나, 고상의 유리, 수지 또는 필름의 표면에 형광제를 코팅하여 제작될 수 있다. 한편, 상기 렌즈(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 평판 형태도 가능하지만, 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시된 변형 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지(1)에서와 같이, LED칩(20)에서 나온 빛의 지향각을 좁혀 원하는 방향으로의 국부 조명을 가능하게 하는 볼록부(42)를 구비한 렌즈(40)의 사용도 가능하다. 도 2의 (b)에서 도면부호 44는 형광제 코팅층을 나타낸다.

앞서 언급된 바와 같이, 렌즈(40) 장착에 의해, 그 렌즈(40)와 LED칩(20) 사이에는 공기층(또는, 가스층)이 필연적으로 생기는데, 공기의 광 굴절율은 1로서 LED칩(20)의 광 굴절률과는 큰 차이를 갖는다. 이러한 광 굴절율 차이로 인해 전반사 임계각이 커지므로, LED칩(20)에서 발생한 빛은 공기층과 LED칩(20) 사이의 경계면을 투과하지 못하고, 결국, 경계면을 투과되지 못한 빛은 LED칩(20) 내부에서 전반사되는 과정에 손실된다.

도 3은 전술한 LED칩을 도시한 도면으로서, 공기층(또는, 가스층)과 LED칩 사이의 광 굴절율 차이로 인한 광 추출 효율 감소를 상쇄시키는 LED칩(20)의 구조를 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 LED칩(20)은 기판(21), N형 반도체층(22), 활성층(23), P형 반도체층(24), 투명전극층(25), 그리고, 전극패드(26)가 아래쪽에서 위쪽을 향해 적층되어 있는 구조로 이루어진다. 특히, 투명전극층(25)은 활성층(23)에서 발생된 빛이 출사되는 광 출사면을 상측에 구비한다. 상기 전극패드(26)는 상기 투명전극층(25)의 광 출사면을 가리지 않도록 상기 광 출사면 위의 일부 영역에 국부적으로 마련된다. 본 실시예에서, 상기 기판(21)은 도전성 기판으로서 도 1에 도시된 리드 전극(30)들 중 하나의 전극에 안착되어 전기적으로 접속된다. 그리고, 상기 전극패드(26)에는 본딩 와이어의 일단이 결합되며, 그 본딩 와이어의 타단은 도 1에 도시된 리드 전극(30)들 중 나머지 하나의 전극에 연결된다. 따라서, 상기 LED칩(20)은 전류가 통할 수 있는 구조가 되며, P형 반도체층(24)과 N형 반도체층(22) 사이에 있는 활성층(23)에서는 빛이 발생된다.

상기 투명전극층(25)은 광 출사면을 구비하되, 그 광 출사면은 LED칩, 보다 구체적으로는 소정의 기울기를 갖는 다수의 경사면 조합으로 이루어진 거친면(25a)으로 형성된다. 상기 거친면(25a)은 상기 광 출사면을 건식 또는 습식 에칭하여 형성된 것이다. 위와 같이, 본 실시예의 LED칩(20)은 거친면(25a)을 구비함으로써, LED칩(20)과 공기의 광 굴절율 차이로 정해지는 전반사 임계각 내에서, 빛의 내부 전반사를 최대한으로 줄여주고, 이를 통해, 빛의 추출효율을 높여주는데 기여한다.

위에서, 상기한 거친면(25a)이 투명전극층(25) 상에 형성된 것으로 설명되었지만, 이는 하나의 실시예이며, 기판에 광 출사면이 형성되는 LED칩(예를 들면, 플립본딩이 적용되는 LED칩)의 경우에는 기판 상에 거친면이 형성될 수 있으며, 투명전극층 없이 N형 반도체층 또는 P형 반도체층이 외부로 노출되는 경우, 그 N형 반도체층 또는 P형 반도체층의 광 출사면이 거친면으로 형성된다. 그리고, 전술한 각 반도체층 외에 버퍼층 및/또는 전류확산층과 같은 층들이 형성될 수 있으며, 이는 본 발명과 직접적인 연관성이 적으므로 그 구체적인 설명은 생략한다.

도 4a 및 도 4b는 LED칩(20)의 광 출사면에 거친면(25a)을 형성한 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하여 설명하기 위한 모식도로서, 도 4a에는 LED칩(20')의 광 출사면에 거친면이 형성되어 있지 않고, 도 4b에는 LED칩(20)의 광 출사면에 거친면(25a)이 형성되어 있다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 공기와 LED칩(20')의 광 굴 절율 차이에 의해 아래의 [수학식 1]과 같이 전반사 임계각(θ_c)이 결정되며, 그 전반사 임계각(θ_c)이 도 4a 및 도 4b에 점선으로 표시되어 있다.

θ_c=Sin^-1(n_a/n_s) {여기에서, n_a는 공기의 광 굴절율, n_s는 LED칩(20 및 20')의 광 굴절율}

도 4a를 참조하면, 전반사 임계각(θ_c)보다 큰 각도로 LED칩(20')과 공기층 사이의 경계면에 도달한 빛이 그 경계면을 투과하지 못하고 다시 LED칩(20') 내부로 흡수된다. 이 흡수된 빛은 결국 내부 전반사를 거치면서 LED칩(20') 내부에서 손실된다.

이에 반해, 도 4b를 참조하면, 전반사 임계각(θ_c)보다 큰 각도로 LED칩(20)과 공기층 사이의 경계면에 도달한 빛이 그 경계면을 투과하여 외부로 출사된다. 이는 LED칩(20)의 출사면이 거친면(25a)으로 형성되어 국부적으로는 빛의 투과를 허용하는 각도의 경사면이 형성됨으로써 가능하다.

따라서, 도 4a의 경우에는, LED칩(20')에서 발생된 빛의 대부분이 LED칩(20')의 광 출사면을 투과하지 못하는 반면, 도 4b의 경우에는, LED칩(20)에서 발생된 빛들 대부분이 LED칩(20)의 광 출사면을 투과한 후 공기층 및 그 위의 렌즈(40)를 지나 외부로 바람직하게 전달될 수 있다.

전술한 본 실시예의 설명에서, 빛이 패키지 상부로 출사되는 상방향 출사형 발광다이오드 패키지를 주로 하여 설명하였지만, 빛이 LED칩 측부로 출사되는 측방향 출사형 발광다이오드 패키지 또한 본 발명의 범위 내에 있음은 물론이다.

전술한 바와 같이, 본 발명은, 발광효율의 큰 저하 없이, 단순하고 저렴한 방식으로 발광다이오드 패키지를 제조할 수 있는 효과를 제공한다. 즉, 본 발명은 장착식 렌즈를 이용하여 발광다이오드 패키지의 제조공정을 단순하고 저렴하게 개선함과 동시에, 그 장착식 렌즈 사용으로 야기될 수 있는 발광다이오드 패키지의 발광효율 저하를 LED칩의 광 출사면에 거친면을 형성함으로써 해결할 수 있다.

게다가, 본 발명은 종래 봉지재 사용으로 야기되던 부품의 파손, 열화 등의 문제점을 해결할 수 있으며, 또한, 형광제를 코팅 또는 혼합하는 간단한 방식으로, 원하는 색의 빛을 구현할 수 있다. 그리고, 본 발명은 렌즈에 볼록부를 형성하는 경우, 빛의 지향성을 향상시켜, 원하는 방향으로 조명이 용이하며, 이는 휴대폰, 컴퓨터 등 전자기기에서의 국부 조명에 바람직하게 응용될 수 있도록 해준다.

Claims (5)

1. 리세스를 갖는 패키지 본체와;

   상기 리세스 내 리드 전극 상에 실장되어지되, 광 출사면을 거친면으로 형성하여 빛의 내부 전반사를 줄인 LED칩과;

   상기 LED칩과 이격된 채 상기 리세스를 덮도록, 상기 패키지 본체에 장착되는 렌즈를;

   포함하는 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 렌즈는 형광제를 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 렌즈는 상기 형광제를 포함한 수지로 사출성형된 것임을 특징으로 하는 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 렌즈는 투명 또는 반투명의 수지, 유리 또는 필름에 상기 형광제를 코팅하여 제조된 것임을 특징으로 하는 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지.
5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈는 상기 LED칩으 로부터 나온 빛의 지향각을 좁혀주는 볼록부를 전면에 구비한 것을 특징으로 하는 렌즈 장착식 발광다이오드 패키지.

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