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KR100849829B1 - 넓은 지향각을 갖는 발광다이오드 패키지 - Google Patents

넓은 지향각을 갖는 발광다이오드 패키지 Download PDF

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KR100849829B1
KR100849829B1 KR1020080024876A KR20080024876A KR100849829B1 KR 100849829 B1 KR100849829 B1 KR 100849829B1 KR 1020080024876 A KR1020080024876 A KR 1020080024876A KR 20080024876 A KR20080024876 A KR 20080024876A KR 100849829 B1 KR100849829 B1 KR 100849829B1
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Abstract

본 발명은 지향각을 개선한 LED 패키지에 관한 것이다. 본 발명의 LED 패키지는 서로 간격을 두고 배치되고, 열 및 전기 전도체로 된 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임; 상기 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임과 전기적으로 연결된 LED 칩; 상기 제1 및 제2 리드 프레임의 적어도 일부를 둘러싸고, 상기 제1 리드 프레임의 연장부와 상기 제2 리드 프레임의 연장부를 외부로 돌출시키며, 경사진 내면이 상기 LED 칩 둘레에 컵부를 형성하는 패키지 본체; 상기 LED 칩을 봉지하면서 상기 컵부를 적어도 부분적으로 채운 제1 봉지부; 및 상기 제1 봉지부 보다 큰 굴절률을 갖고 상기 제1 봉지부의 상층에서 상기 본체의 컵부에 배치된 제2 봉지부를 포함하고, 상기 제1 리드 프레임은 상기 LED 칩이 장착된 기부, 상기 기부로부터 외측으로 경사지게 상향 연장된 연결부 및 상기 연결부로부터 다시 수평으로 연장된 연장부를 포함하며, 상기 제1 봉지부 및 제2 봉지부는 상기 굴절률의 차이에 기초하여 상기 LED 칩으로부터 상기 패키지 본체의 경사진 내면 쪽으로 향해 진행하는 빛의 적어도 일부를 상기 경사진 내면과 부딪침이 없이 외부로 방출하여 지향각을 증가시키도록 구성된다.
LED, 패키지, 지향각, 굴절률, 광확산제

Description

넓은 지향각을 갖는 발광다이오드 패키지{LIGHT EMITTING DIODE PACKET HAVING WIDE BEAM ANGLE}
본 발명은 발광다이오드에 관한 것이며, 더 구체적으로는 방출되는 빛의 지향각을 개선한 발광다이오드 패키지에 관한 것이다.
발광다이오드 즉 LED(Light Emitting Diode)는 전류가 가해지면 다양한 색상의 빛을 발생시키기 위한 반도체 장치이다. LED에서 발생되는 빛의 색상은 주로 LED의 반도체를 구성하는 화학 성분에 의해 정해진다. 이러한 LED는 필라멘트에 기초한 발광 소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다.
이러한 LED는 패키지 형태로 사용되고 있으며, 종래기술의 LED 패키지의 일례가 도 1에 단면도로 도시된다.
도 1을 참조하면, LED 패키지(10)는 기판(12)에 형성된 한 쌍의 도전 패턴(14, 16) 및 도전 패턴(14)에 장착된 LED 칩(18)을 포함한다. LED 칩(18)은 보 통 와이어(도시 생략)에 의해 도전 패턴(14, 16)에 전기적으로 연결된다. LED 칩(18) 둘레에는 패키지 측벽(20)이 형성되어 있고, 패키지 측벽(20)에 의해 형성된 오목한 컵부 내에는 투명 수지가 채워져 봉지부(22)를 형성한다.
이러한 구성의 LED 패키지(10)는 LED 칩(18)에서 발생한 빛을 일정한 각도로 상향 방출하도록 구성된 것이다. 하지만, 빛의 상향 방출 각도가 제한된다는 단점을 갖는다.
도 1에 도시한 것과 같이, LED 칩(18)이 동작하여 그 초점(F)에서 빛이 발생하는 경우를 살펴보자. 이때, 빛(L1)은 LED 칩(18)의 법선인 축선(A)에 대해 소정 각도(α)로 상향 방출되고 빛(L2)은 축선(A)에 대해 각도(α)보다 큰 각도(β)로 상향 방출된다. 이렇게 되면, 빛(L1)은 봉지부(22)의 상면을 통과하여 외부로 방출되고, 빛(L2)은 측벽(20)에 반사된 다음 상향 방출된다. 따라서 각도(α)가 LED 패키지(10)의 지향각이 된다.
이 지향각이 작으면 빛이 측벽(20)에 부딪치는 양이 많아져 전반적인 광방출 효율이 떨어진다. 또, 빛의 방출이 좁은 범위로 한정되므로 다수의 LED 패키지(10)를 이용한 조명에는 적합하지 않다. 따라서 지향각을 증가시킬 수 있으면 바람직하다.
이와 같은 지향각은 주로 측벽(20)의 높이와 컵부의 폭에 의해 정해진다. 예컨대 측벽(20)의 높이를 낮추거나 컵부의 폭을 증가시키면 지향각을 증가시킬 수 있다. 하지만 측벽(20)의 높이는 공정 조건을 고려할 때 일정 수치 이상이 요구되므로 이를 줄이는 것은 한계가 있다. 또, 컵부의 폭을 증가시키는 것은 LED 패키 지(10)의 부피도 역시 증가하므로 바람직하지 않다.
한편, 지향각을 증가시키기 위해 봉지부(22)를 돔 모양으로 측벽(20) 위로 돌출시키는 방식을 적용할 수 있다. 하지만, 이를 위해서는 수지를 도팅(dotting)해야 하는데 이는 공정이 까다롭고 세부 단계가 많아지는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 광학 특성이 서로 다른 제1 및 제2 봉지부를 하층과 상층에 배치함으로써 빛의 지향각을 개선한 LED 패키지를 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 서로 간격을 두고 배치되고, 열 및 전기 전도체로 된 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임; 상기 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임과 전기적으로 연결된 LED 칩; 상기 제1 및 제2 리드 프레임의 적어도 일부를 둘러싸고, 상기 제1 리드 프레임의 연장부와 상기 제2 리드 프레임의 연장부를 외부로 돌출시키며, 경사진 내면이 상기 LED 칩 둘레에 컵부를 형성하는 패키지 본체; 상기 LED 칩을 봉지하면서 상기 컵부를 적어도 부분적으로 채운 제1 봉지부; 및 상기 제1 봉지부 보다 큰 굴절률을 갖고 상기 제1 봉지부의 상층에서 상기 본체의 컵부에 배치된 제2 봉지부를 포함하고, 상기 제1 리드 프레임은 상기 LED 칩이 장착된 기부, 상기 기부로부터 외측으로 경사지게 상향 연장된 연결부 및 상기 연결부로부터 다시 수평으로 연장된 연장부를 포함하며, 상기 제1 봉지부 및 제2 봉지부는 상기 굴절률의 차이에 기초하여 상기 LED 칩으로부터 상기 패키지 본체의 경사진 내면 쪽으로 향해 진행하는 빛의 적어도 일부를 상기 경사진 내면과 부딪침이 없이 외부로 방출하여 지향각을 증가시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 LED 패키지에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에서 상기 제2 봉지부는 굴절률 증가용 필러를 함유한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 제2 봉지부는 돔 형태로 상기 패키지 본체의 상단 너머로 돌출한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 제2 봉지부는 광확산제를 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 광확산제는 중합체(polymer), 오팔계 광물, SiO2, 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 제1 봉지부는 광확산제를 함유하며, 상기 제2 봉지부는 돔 형태로 상기 패키지 본체의 상단 너머로 돌출하도록 상기 제1 봉지부의 상면에 부착된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 LED 패키지에 따르면, 광학 특성이 서로 다른 제1 및 제2 봉지부를 하층과 상층에 배치함으로써 빛의 지향각을 개선할 수 있다. 구체적으로 낮은 굴절률의 제1 봉지부 위에 높은 굴절률의 제2 봉지부를 배치하여 빛이 제1 봉지부에서 제2 봉지부로 입사할 때와 제2 봉지부에서 외부로 방출될 때의 각도를 조절함으로써 지향각을 증가시킬 수 있다. 또, 제2 봉지부에 굴절률 증가용 필러를 첨가함으로써, 제2 봉지부의 굴절률을 증가시켜 위의 효과를 얻을 수도 있다. 아울러, 하층의 제1 봉지부에 광확제를 혼합하고 상층의 제2 봉지부를 돔 형태로 구성함으 로써 지향각을 더욱 증가시킬 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지의 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 LED 패키지(100)는 서로 간격을 두고 마주 배치된 제1 및 제2 리드 프레임(110, 120), 제1 리드 프레임(110)에 장착되어 전기적으로 연결된 LED 칩(130) 및 제1 및 제2 리드 프레임(110, 120)을 고정시키는 측벽인 패키지 본체(140)를 포함한다.
제1 LED 프레임(110)은 LED 칩(130)이 장착된 기부(112), 이 기부(112)로부터 외측으로 경사지게 상향 연장된 연결부(114) 및 이 연결부(114)로부터 다시 수평으로 연장된 연장부(116)를 포함한다. 기부(112)에는 LED 칩(130)이 장착되어 (도시 생략한) 와이어 또는 솔더 범프 등에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 연결부(114)와 연장부(116)는 패키지 본체(140)에 둘러싸여 고정되고 연장부(116)의 말단이 패키지 본체(140) 밖으로 돌출되어 있다. 이와 같이 하면, 리드 프레임(110)은 LED 칩(130)의 열을 효과적으로 외부로 방출하면서 패키지 본체(140)에 단단히 고정된다.
또, 제2 리드 프레임(120)은 와이어(132)에 의해 LED 칩(130)과 연결된 기부(122), 이 기부(122)로부터 외측으로 경사지게 상향 연장된 연결부(124) 및 이 연결부(124)로부터 다시 수평으로 연장된 연장부(126)를 포함한다. 제2 리드 프레 임 기부(122)는 제1 리드 프레임 기부(112)와 동일 높이의 상면을 가지므로, 전체 리드 프레임(110, 120)의 제작과 와이어(132)의 연결 작업 및 패키징 작업이 용이하다. 또한, 연결부(124)와 연장부(126)는 패키지 본체(140)의 수지에 둘러싸여 고정되고 연장부(126)의 말단이 패키지 본체(140) 밖으로 돌출되므로, 제2 리드 프레임(120)이 패키지 본체(140)에 단단히 고정된다.
패키지 본체(140)는 제1 및 제2 리드 프레임(110, 120)을 고정하면서 LED 칩(130)을 둘러싼 오목한 컵부를 형성하고 있다. 이 컵부는 패키지 본체(140)의 내측 경사면(142)에 의해 형성된다. 본 실시예에서 패키지 본체(140)는 수지로 형성되는 것이 바람직하지만, 반드시 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 1과 같이 세라믹 기판과 측벽으로 형성할 수도 있다.
내측 경사면(142)에 의해 형성된 컵부 내에는 제1 및 제2 봉지부(150, 160)가 형성되어 있다. 제1 및 제2 봉지부(150, 160)는 투명한 수지를 컵부 안에 채운 다음 경화시켜 형성한다. 이때, 제1 봉지부(150)의 수지는 제2 봉지부(160)의 수지보다 낮은 굴절률을 갖는다.
한편, LED 칩(130)은 제1 리드 프레임 기부(112)에 예컨대 솔더 범프(도시 생략)로 전기적으로 연결된 수직 구조 LED 칩으로 도시하였지만, 와이어(도시 생략)로 연결될 수도 있다.
제1 봉지부(150)의 굴절률이 제2 봉지부(160)의 굴절률보다 작을 때에 얻는 효과를 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3에 도시한 LED 패키지(100)는 도 2에 도시한 것과 동일한 구성이다.
이와 같은 LED 패키지(100)에 있어서, LED 칩(130)이 동작하여 그 초점(F)으로부터 칩(130)의 법선인 축선(A)에 대해 소정 각도(β)를 갖는 빛이 상향 방출될 때, 제1 및 제2 봉지부(150, 160)가 동일한 굴절률을 갖는다면, 이 빛은 경사면(142)에 부딪쳐 반사될 것이다. 이를 참조부호 L'으로 점선으로 표시하였다.
하지만, 본 발명에서와 같이, 제1 봉지부(150)의 굴절률이 제2 봉지부(160)의 굴절률보다 작다면, 빛은 실선으로 표시한 참조부호 L과 같이, 제1 봉지부(150)와 제2 봉지부(160) 사이의 계면에서 1차 굴절 다음 제2 봉지부(160)와 외부 매질 예컨대 공기와의 계면에서 2차 굴절되어 외부로 방출된다.
이러한 본 발명의 LED 패키지(100)를 도 1에 도시한 종래기술의 LED 패키지(10)와 비교하면 그 차이를 확실히 알 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 LED 패키지(100)의 경사면(142) 사이의 간격이 도 1의 LED 패키지(10)의 컵부의 폭과 동일하고, LED 패키지(100)의 경사면(142)의 높이가 도 1의 LED 패키지(10)의 측벽(20)의 높이와 동일하다고 가정한다. 즉 본 발명의 LED 패키지(100)가 도 1에 도시한 LED 패키지(10)와 동일한 방사 창을 갖는다고 가정한다. 이렇게 하면, 도 3의 방출 각도(β)는 도 1의 방출 각도(β)와 동일하게 된다. 하지만, 동일한 방출 각도(β)에서, 본 발명의 LED 패키지(100)는 빛을 경사면에 부딪치는 일 없이 상향 방출시키지만, 도 1의 종래기술의 LED 패키지(10)는 빛이 측벽(20)의 경사면에 부딪히게 된다. 위의 각도(β)가 본 발명의 LED 패키지(100)에서는 지향각 범위 내에 있으나 도 1의 LED 패키지(10)에서는 지향각(α) 범위 밖에 있음을 알 수 있다. 그 결과, 본 발명의 LED 패키지(100)는 그 지향각이 종래기술의 LED 패키지(10)에 비해 증가하게 된다.
이와 같이 지향각이 증가하면 광추출 효율이 증가하고 지향 특성을 더 개선할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따는 LED 패키지(100-2)가 도 4에 단면도로 도시된다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 패키지(100-2)는 제2 봉지부(160-2)가 패키지 본체(140)의 상단 너머로 돔 모양으로 돌출한 것을 제외하고는 도 2의 LED 패키지(100)와 동일한 구성이다. 나머지 구성은 LED 패키지(100)의 것과 동일하므로 동일한 도면부호를 부여하고 반복 설명하지는 않는다.
본 실시예의 LED 패키지(100-2)는 제2 봉지부(160-2)가 제1 봉지부(150)보다 큰 굴절률을 가지면서 돔 모양으로 형성되므로 LED 칩(130)에서 발생한 빛의 지향각을 더 증가시킬 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 패키지(100-3)가 도 5에 단면도로 도시된다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 패키지(100-3)는 제2 봉지부(160-3)에 굴절률 증가용 필러(162)가 함유된 것을 제외하고는 도 2의 LED 패키지(100)와 동일한 구성이다. 나머지 구성은 LED 패키지(100)의 것과 동일하므로 동일한 도면부호를 부여하고 반복 설명하지는 않는다.
굴절률 증가용 필러(162)를 제2 봉지부(160-3)에 바람직하게는 균일하게 분산시키면, 제2 봉지부(160-3)는 제1 봉지부(150)보다 굴절률이 증가하게 되고 그에 따른 효과는 도 3을 참조하여 전술한 것과 같다.
한편, 바람직한 굴절률 증가용 필러(162)로는 굴절율 1.45 이상, 투과율 80% 이상인 SiO2와 굴절율 2.5 이상, 반사율 90% 이상인 TiO2 등이 있으며, 입자 크기를 나노 치수(nano size)로 작게 할수록 효과적이다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지(100-4)가 도 6에 단면도로 도시된다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 LED 패키지(100-4)는 도 2와 5의 LED 패키지(100, 100-3)와 유사하지만, 제2 봉지부(160-4)에 광확산제(164)가 첨가된 점이 구별된다. 나머지 구성은 LED 패키지(100, 100-3)의 것과 동일하므로 동일한 도면부호를 부여하고 반복 설명하지는 않는다.
본 실시예의 LED 패키지(100-4)에서, 제2 봉지부(160-4) 내에 바람직하게는 균일하게 분산된 미립 형태의 광확산제(164)는 LED 칩(130) 또는 그 초점(F)에서 도달한 빛(L1)을 굴절시킨다. 광확산제(164)에 의해 굴절된 빛은 전체적으로는 그 진행 각도보다 넓게 퍼진 각도로 제2 봉지부(160-4) 밖으로 방출된다. 이렇게 하면, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이, LED 칩(130)에서 발생한 빛을 LED 패키지(100-4)로부터 더 넓은 각도로 방출시킬 수 있다. 즉 지향각 증가의 효과를 얻을 수 있다.
한편, 광확산제(164)로는 중합체(polymer), 오팔(opal)계 광물, SiO2, TiO2 등을 사용할 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 LED 패키지에 대해 설명한다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 패키지(100-5)는 제1 및 제2 리드 프레임(110, 120), LED 칩(130) 및 패키지 본체(140)의 구성에 있어서는 전술한 LED 패키지(100)와 동일하다. 하지만, 패키지 본체(140)에 의해 LED 칩(130) 둘레에 형성된 컵부 내에는 광확산제(152)가 혼합된 봉지부(150-5)가 형성되고 이 봉지부(150-5) 상면에는 돔 형태의 커버 또는 렌즈로 된 제2 봉지부(160-5)가 부착되어 있는 점이 구별된다. 제2 봉지부(160-5)는 접착제(166)에 의해 제1 봉지부(150-5)에 결합되어 있지만, 다른 적절한 수단에 의해 부착될 수 있다.
광확산제(152)는 LED 칩(130)에서 발생한 빛을 확산시켜 제1 봉지부(150-5)밖으로 방출함으로써, 빛의 지향각을 증가시킨다. 또, 제1 봉지부(150-5) 상면에 부착된 제2 봉지부(160-5)는 제1 봉지부(150-5)에서 방출된 빛의 지향각을 더 증가시킨다. 이와 같은 구성에 의해, LED 패키지(100-5)는 증가한 지향각을 가질 수 있다.
한편, 광확산제(152)로는 중합체(polymer), 오팔(opal)계 광물, SiO2, TiO2 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 LED 패키지의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지의 종단면도이다.
도 3은 도 2의 LED 패키지의 지향각 특성을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 패키지의 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 패키지의 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 LED 패키지의 종단면도이다.
<도면의 주요 부분의 부호의 설명>
110, 120: 리드 프레임 130: LED 칩
140: 패키지 본체 142: 경사면
150, 160: 봉지부 152, 164: 광확산제
162: 굴절률 증가용 필러

Claims (7)

  1. 서로 간격을 두고 배치되고, 열 및 전기 전도체로 된 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임;
    상기 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임과 전기적으로 연결된 LED 칩;
    상기 제1 및 제2 리드 프레임의 적어도 일부를 둘러싸고, 상기 제1 리드 프레임의 연장부와 상기 제2 리드 프레임의 연장부를 외부로 돌출시키며, 경사진 내면이 상기 LED 칩 둘레에 컵부를 형성하는 패키지 본체;
    상기 LED 칩을 봉지하면서 상기 컵부를 적어도 부분적으로 채운 제1 봉지부; 및
    상기 제1 봉지부 보다 큰 굴절률을 갖고 상기 제1 봉지부의 상층에서 상기 본체의 컵부에 배치된 제2 봉지부를 포함하고,
    상기 제1 리드 프레임은 상기 LED 칩이 장착된 기부, 상기 기부로부터 외측으로 경사지게 상향 연장된 연결부 및 상기 연결부로부터 다시 수평으로 연장된 연장부를 포함하며,
    상기 제1 봉지부 및 제2 봉지부는 상기 굴절률의 차이에 기초하여 상기 LED 칩으로부터 상기 패키지 본체의 경사진 내면 쪽으로 향해 진행하는 빛의 적어도 일부를 상기 경사진 내면과 부딪침이 없이 외부로 방출하여 지향각을 증가시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 봉지부는 굴절률 증가용 필러를 함유한 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제2 봉지부는 돔 형태로 상기 패키지 본체의 상단 너머로 돌출한 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 봉지부는 광확산제를 함유하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 광확산제는 중합체(polymer), 오팔계 광물, SiO2, 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 봉지부는 광확산제를 함유하며, 상기 제2 봉지부는 돔 형태로 상기 패키지 본체의 상단 너머로 돌출하도록 상기 제1 봉지부의 상 면에 부착된 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 광확산제는 중합체(polymer), 오팔계 광물, SiO2, 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
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