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KR101970938B1 - 지향각이 조절된 발광소자 패키지 및 이를 이용한 발광장치 - Google Patents

지향각이 조절된 발광소자 패키지 및 이를 이용한 발광장치 Download PDF

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KR101970938B1
KR101970938B1 KR1020190015545A KR20190015545A KR101970938B1 KR 101970938 B1 KR101970938 B1 KR 101970938B1 KR 1020190015545 A KR1020190015545 A KR 1020190015545A KR 20190015545 A KR20190015545 A KR 20190015545A KR 101970938 B1 KR101970938 B1 KR 101970938B1
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device chip
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Abstract

본 발명에 의한 지향각이 조절된 발광소자 패키지(100)는 적어도 하나 이상의 제1 리드프레임(102); 상기 제1 리드프레임에 대응되면서 이격되도록 형성된 적어도 하나 이상의 제2 리드프레임(106); 상기 제1 리드프레임 위에 실장된 발광소자 칩(120); 상기 제1 리드프레임 및 제2 리드프레임의 일부 표면 위에 고정되면서 상기 발광소자 칩 둘레의 원주 상 일부에 제1 경사면(135)을 갖도록 형성된 제1 패키지 본체(130); 및 발광소자 칩(120) 둘레의 원주 상 상기 일부를 제외한 나머지 부분에 제2 경사면(145)을 갖도록 형성된 제2 패키지 본체(140);를 포함하되, 상기 제2 패키지 본체(140)의 제2 경사면(145)과 상기 발광소자 칩(120) 사이의 최단 거리는 상기 제1 경사면(135)과 발광소자 칩 사이의 최단 거리보다 더 짧으며, 상기 발광소자 칩에서 발광되는 빛 중 상기 제2 경사면(145) 방향으로 방출되는 빛이 반사되어 상기 발광되는 빛의 방출 각도가 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 지향각이 조절된 발광소자 패키지에 의하면, 별도의 렌즈를 포함하지 않으면서 특정 방향으로 지향각을 제어할 수 있으므로 제조비용을 절감할 수 있는 등 여러 가지 장점이 있다.

Description

지향각이 조절된 발광소자 패키지 및 이를 이용한 발광장치{Light emitting device package having a controlled beam angle and light emitting apparatus using the same}
본 발명은 지향각이 조절된 발광소자 패키지 및 이를 이용한 발광장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 제1 리드프레임 위에 실장된 발광소자 칩과, 제1 리드프레임 및 이와 이격되어 형성된 제2 리드프레임의 일부 표면 위에 고정되면서 상기 발광소자 칩 둘레의 원주 상 일부에 제1 경사면을 갖도록 형성된 제1 패키지 본체와, 발광소자 칩 둘레의 원주 상 상기 일부를 제외한 나머지 부분에 제2 경사면을 갖도록 형성된 제2 패키지 본체를 포함하되, 상기 제2 패키지 본체의 제2 경사면과 상기 발광소자 칩 사이의 최단 거리는 상기 제1 경사면(135)과 발광소자 칩 사이의 최단 거리보다 더 짧게 형성시킴으로서 발광소자로부터 방출되는 빛의 지향각을 조절하는 발광소자 패키지 및 이를 이용한 발광장치에 관한 것이다.
이러한 발광소자 패키지를 이용함에 따라 렌즈의 도움 없이도 지향각을 제어함으로써 광손실 억제를 통한 휘도를 증가시킬 수 있고, 전력소비 및 제조비용을 절감할 수 있으며, 빛공해도 줄일 수 있다.
발광 다이오드(LED, light emitting diode)는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환시키는 고체 상태의 발광소자이다. 일반적으로 이런 발광소자는 n형과 p형의 반대되는 불순물로 도핑된 반도체층들 사이에 개재된 하나 이상의 반도체 재료의 활성층을 포함한다. 이러한 불순물로 도핑된 반도체층들을 가로질러 바이어스가 인가되는 경우, 전자(electron)와 정공(hole)이 상기 활성층에 주입되고, 이들이 재결합하여 빛이 발생된다.
일반적으로, 기판 또는 리드 프레임에 해당하는 베이스 상에 발광 다이오드와 같은 발광소자 칩이 실장(實裝)되고, 발광소자 칩의 상부를 돔(dome) 형태의 렌즈 등으로 덮는 패키지 형태의 발광소자 패키지가 사용된다. 이를 통해, 발광소자 칩을 외부의 오염물질이나 충격 등으로부터 보호하며, 렌즈에 의한 빛의 전반사를 최소화시켜 광 추출 효율을 개선시킬 수 있다.
그러나, 발광소자 칩에서 생성된 빛은 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 발광소자 칩의 전 영역으로 방출되므로, 발광소자 패키지의 지향각이 지나치게 넓은 문제가 있으며, 넓은 지향각을 가지게 됨에 따라 지향각을 제어하기 위해서는 렌즈 구성이 추가될 수 있다. 하지만 이럴 경우 출사되는 빛이 렌즈에 입사될 수 있도록 렌즈의 직경이 필연적으로 클 수밖에 없고, 그에 따라, 렌즈를 포함한 발광소자 패키지의 크기가 커지게 되며, 발광소자 패키지를 포함하는 전체 모듈의 크기가 커지게 되어, 제조비용이 상승하는 문제가 있다.
이에 대한 대안으로, 발광소자 칩에서 생성된 빛을 발광소자 패키지의 상부로 반사시켜서 지향각을 좁히는 방법이 사용된다. 구체적으로, 발광소자 칩 주변에 위치하는 반사면을 포함하는 하우징이 사용되고 있다. 다만, 이 경우에는 하우징에 의한 광의 흡수가 일어날 수 있으며, 이를 방지하기 위해 하우징의 반사면에 반사율이 높은 물질이 배치되어야 하므로 제조비용이 증가할 수 있고, 하우징과 렌즈의 계면이 발광소자 칩까지 이어지므로, 습기 등의 외부 오염물질이 발광 다이오드 칩으로 쉽게 침투될 수 있어서 발광소자 패키지의 신뢰성이 저하될 수 있는 문제가 있다.
한편, 전기에너지를 빛에너지로 변환시킬 수 있는 발광소자 패키지 는 LED 조명등, 디스플레이 장치 등의 여러 분야의 발광장치에 응용될 수 있다. 이들 중에서 디스플레이 장치는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 반도체 발광소자들로 구성될 수 있다. 이러한 반도체 발광소자 간의 간격은 디스플레이 장치의 해상도를 결정하며, 고해상도의 디스플레이 장치를 구성하기 위해서는 개별 발광소자들이 밀집하여 배치될 수 있는 표면실장형 발광소자 패키지가 사용되고 있다.
현재 디스플레이 장치에 적용되는 표면실장형 발광소자 패키지는 주로 실내용으로 사용하기 위하여 최적화된 것이어서, 상하 지향각 보다는 좌우 지향각을 고려하여 발광소자 칩들이 배치되어 있다. 이를 옥외용 디스플레이 장치에 적용할 경우에 디스플레이 상부 방면으로 광 손실이 발생하는 문제점이 발생되고 있다.
따라서 별도의 렌즈를 포함하지 않으면서 특정 방향으로 지향각을 제어할 수 있는 발광소자 패키지와, 이를 이용한 디스플레이 장치 등과 같은 발광장치가 요구된다.
일본 공개특허공보 특개2018-022835호(2018. 02. 08) 한국 등록특허공보 제10-0851636호(2008. 8. 13)
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 필요성에 착안하여 발명된 것으로서, 별도의 렌즈의 도움 없이 발광소자 칩에 인접하게 패키지 본체를 배치하여 발광소자 칩으로부터 방출되는 빛 중에서 상기 패키지 본체의 경사면 방향으로 방출되는 빛을 반사시켜 방출되는 빛의 지향각을 조절하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 발광소자 칩을 봉지하는 봉지재와 패키지 본체 사이에 일정 거리만큼 이격시켜 봉지재의 표면장력에 의한 휘도 불균일 문제를 억제함으로써 발광소자 패키지의 신뢰성을 높이는 것을 또 다른 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 지향각이 조절된 발광소자 패키지(100)는 적어도 하나 이상의 제1 리드프레임(102); 상기 제1 리드프레임에 대응되면서 이격되도록 형성된 적어도 하나 이상의 제2 리드프레임(106); 상기 제1 리드프레임 위에 실장된 발광소자 칩(120); 상기 제1 리드프레임 및 제2 리드프레임의 일부 표면 위에 고정되면서 상기 발광소자 칩 둘레의 원주 상 일부에 제1 경사면(135)을 갖도록 형성된 제1 패키지 본체(130); 및 발광소자 칩(120) 둘레의 원주 상 상기 일부를 제외한 나머지 부분에 제2 경사면(145)을 갖도록 형성된 제2 패키지 본체(140);를 포함하되, 상기 제2 패키지 본체(140)의 제2 경사면(145)과 상기 발광소자 칩(120) 사이의 최단 거리는 상기 제1 경사면(135)과 발광소자 칩 사이의 최단 거리보다 더 짧으며, 상기 발광소자 칩에서 발광되는 빛 중 상기 제2 경사면(145) 방향으로 방출되는 빛이 반사되어 상기 발광되는 빛의 방출 각도가 조절되는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 제2 패키지 본체(140)는 상기 발광소자 칩을 봉지하는 봉지재(110)와 일정 거리만큼 떨어진 이격거리(d)를 가지며, 상기 이격거리(d)는 0.05mm 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 발광소자 칩의 법선방향을 기준으로 상기 제2 패키지 본체(140) 상부면의 높이는 상기 제1 패키지 본체(130)의 상부면의 높이 이상이고, 제2 경사면(145)은 발광소자 칩(120)의 실장면과 대략 수직을 이루도록 형성되며, 제2 경사면(145)에는 상기 발광소자 칩으로부터 방출된 빛을 반사시킬 수 있도록 반사막이 형성된 것을 특징으로 한다.
나아가 이렇게 지향각이 조절된 발광소자 패키지를 이용하여 지향 각이 조절되는 디스플레이 장치와 같은 발광장치를 제공한다.
본 발명에 따른 지향각이 조절된 발광소자 패키지에 의하면, 별도의 렌즈를 포함하지 않으면서 특정 방향으로 지향각을 제어할 수 있으므로 제조비용을 절감할 수 있다.
그리고 상기 지향각이 조절된 발광소자 패키지와 이를 이용한 발광장치를 통해 광손실 억제에 따른 휘도를 증가시킬 수 있고, 전력소비를 감소시킬 수도 있으며, 빛공해도 줄일 수 있는 장점이 있다.
추가적으로 봉지재와 제2 패키지 본체의 제2경사면 사이를 일정 거리만큼 이격시켜 봉지재 형성시에는 표면장력에 기인한 휘도 불균일 문제를 방지함으로써 발광소자 패키지의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 표면실장형 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지향각이 조절된 표면실장형 발광소자 패키지의 (a) 정면도와 (b) 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지향각이 조절된 표면실장형 발광소자 패키지의 (a) 정면도와 (b) 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 지향각이 조절된 표면실장형 발광소자 패키지와, 도 4b는 종래기술에 따른 표면실장형 발광소자 패키지에 대한 각각의 수직 방향의 지향각 측정 결과이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 해당 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 및 세부적인 구성은 설명을 위해 단순화되었다. 그리고 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들임을 참고하여야 한다.
또한 첨부된 도면을 참고하여 설명함에 있어서, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 부호를 부여하고, 이와 관련된 중복되는 설명은 생략한다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 경우 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 2(a)와 도 2(b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지향각이 제어된 표면실장형 발광소자 패키지를 나타내는 정면도 및 단면도가 도시되어 있다. 도 2(b)에 도시된 단면도는 도 2(a)의 정면도에서 A-A 부분에 대한 단면을 도시한 것이다.
첨부된 도 2(a)와 도 2(b)에 각각 도시된 정면도 및 측면도를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예인 지향각이 조절된 표면실장형 발광소자 패키지(100)는 상기 패키지의 내부 실장공간으로 3개의 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 발광소자 칩(120)이 각각 실장되는 제1 리드프레임(102)과, 상기 제1 리드프레임(102)으로부터 연장되어 패키지 외부로 노출되는 3개의 제1 리드단자(104)를 포함하고, 상기 제1 리드프레임(102)에 대응되며 상기 패키지의 내부 실장공간으로 노출된 3개의 제2 리드프레임(106)과, 상기 제2 리드프레임(106)으로부터 연장되어 패키지 외부로 노출되는 3개의 제2 리드단자(108)를 포함한다. 상기 발광소자 칩(120)은 발광소자 패키지 당 1개만이 배치될 수 있고, 이럴 경우 제1,2 리드프레임 및 제1,2 리드단자도 발광소자 칩의 개수에 대응하여 각각 한 쌍만 배치될 수 있으며, 발광소자 칩의 필요 수요에 대응하여 다양한 리드프레임 및 리드단자가 배치될 수 있다.
또한 발광소자 패키지(100)는 일예로 실장된 발광소자 칩(120)이 모두 노출되면서 그 주변의 원주 중 일부(일예: 대략 절반 정도)를 둘러싸 고정시키는 제1 패키지 본체(130) 및 제2 패키지 본체(140)을 포함한다. 여기에서 적용분야의 필요 및 발광소자 칩의 배치에 따라 상기 제1 패키지 본체(130)는 원주의 절반이 아닌 임의의 원주 상에 형성될 수 있다. 그리고 제1,2 패키지 본체(130,140)는 내측면에 각각 제1 경사면(135)과 제2 경사면(145)을 포함한다.
추가적으로 발광소자 패키지(100)는 일예로 실리콘과 같은 봉지 수지를 이용하여 발광소자 칩(120)을 둘러싸서 보호할 수 있는 봉지재(110)를 더 포함할 수 있다. 상기 봉지재(110)는 발광소자 칩(120)으로부터 방출된 빛을 효과적으로 패키지 외부로 방출하면서 다양한 형광체를 더 포함할 수 있으며, 봉지재(110)의 상부 노출 표면은 지향각을 고려하여 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한 상기 봉지재(110)는 상기 제1 패키지 본체(130)의 상기 제1 경사면(135)과 제2 패키지 본체(140)의 제2 경사면(145) 사이의 공간에 형성된다.
첨부된 도 2(b)의 측면도와 같이 제2 패키지 본체(140)의 법선 방향 높이는 제1 패키지 본체(130)의 법선 방향 높이 보다 높게 형성되며, 경우에 따라서는 동일하게 형성될 수도 있다. 이와 함께 도 2(a)의 정면도에서 확인할 수 있는 것처럼 상기 제1 패키지 본체(130)는 발광소자 칩 주변의 대략 반원에 도너츠 형상처럼 배치되는 반면, 제2 패키지 본체(140)는 발광소자 칩(120)에 최대한 인접하게 배치되면서 상기 제1패키지 본체가 배치되지 않은 컵부의 대략 나머지 반원 영역을 모두 채울 수 있도록 형성된다. 이를 달리 표현하면, 제2 패키지 본체(140)의 제2 경사면(145)과 상기 발광소자 칩(120) 사이의 최단 거리는 상기 제1 경사면(135)과 발광소자 칩 사이의 최단 거리보다 더 짧게 형성된다. 그리고 상기 제2 경사면(145)은 발광소자 칩(120)의 실장면과 대략 수직(법선에 대해 5°이내로 경사지거나 수직인 상태를 포함)을 이루도록 형성될 수 있다.
발광소자 칩(120)으로부터 발광된 빛 중에서 상기 제2 패키지 본체(140)의 제2 경사면(145)을 향해 방출되는 빛은 제2 경사면(145)에 의해 반사됨으로써 발광되는 빛의 방출 각도를 조절할 수 있는 것이다. 상기 제2 경사면(145) 및 상기 제1 경사면(135)에는 반사 특성 및 휘도의 향상과 발광되는 빛의 파장을 고려하여 폴리프탈아미드(Polyphthalamide, PPA) 등 공지의 다양한 반사막(미도시)이 추가로 형성될 수 있다. 추가적으로 발광소자 칩으로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 상기 반사막은 상기 제2 패키지 본체(140)의 상부 표면에도 형성될 수 있고, 추가적으로 그 상부 표면에 형성된 반사막은 표면적을 넓히기 위해 다양한 요철 형상으로 형성될 수 있다.
제1,2 패키지 본체는 동일한 물질로 형성될 수 있는데, 필요에 따라서 다른 물질로 형성될 수도 있다. 그리고 제1,2 패키지 본체는 발광소자 패키지 기술분야에서 통상적으로 사용되는 재료로 형성되며, 일례로 폴리프탈아미드(Polyphthalamide, PPA)와 같은 플라스틱으로 형성될 수 있다.
여기에서 상기 봉지재(110)는 제2 패키지 본체(140)의 제2 경사면(145)과 직접 접촉하도록 형성할 수도 있지만, 봉지재(110) 형성시 주입되는 수지가 표면장력에 의해 휘도 편차를 발생시키는 점을 발견하여 상기 봉지재(110)와 상기 제2 경사면(145) 사이는 첨부된 도 3에 도시된 것과 같이 일정거리만큼 이격되는 것이 바람직하다. 이러한 이격거리(d)는 0.05mm 이상일 때 최적임을 실험을 통해 확인하였다. 이격거리(d)가 0.05mm 보다 작을 경우에는 주입된 수지가 제2 패키지 본체(140)의 제2 경사면(145)을 타고 상부 표면까지 형성됨에 따라 발광소자 칩(120)으로 방출된 빛이 평균적인 지향각을 벗어나 지향각의 불균일성 및 휘도 편차가 커짐을 확인하였다.
발광소자 칩(120)의 법선방향을 기준으로 상기 제1 패키지 본체(130) 상부면의 높이는 상기 제2 패키지 본체(140)의 상부면의 높이 이상인 것이 바람직하며, 일예로 상기 제1 패키지 본체(130) 상부면의 높이는 상기 제2 패키지 본체(140)의 상부면의 높이 보다 약 1 mm 이상 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 지향각이 조절된 표면실장형 발광소자 패키지와, 종래기술에 따른 표면실장형 발광소자 패키지에 대한 수직방향의 지향각 측정 결과가 첨부된 도 4a 및 도 4b에 각각 도시되어 있는데, 지향각 측정을 위한 상기 수직 방향은 첨부된 도 2(a)에서 A-A 부분에 대응되는 것이다. 도 3에서 확인할 수 있는 것처럼 종래기술에 비해 실시예의 지향각이 일정 각도로 제어되고 있음을 확인할 수 있다.
앞서 살펴본 지향각이 조절된 표면실장형 발광소자 패키지(100)는 옥외용 전광판 등 다양한 디스플레이 장치 등의 발광장치에 적용될 수 있다. 나아가 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 패키지는 도 2(a)와 동일한 방향(상기 제2 패키지 본체가 지향각을 조절하도록 지면을 기준으로 상기 제1 패키지 본체 대비 상대적으로 상부측에 배치됨)으로 복수개 결합시켜 모듈로 구성되고, 이들 모듈을 평면에 배치함으로써 전광판과 같은 발광 장치를 구성하게 된다.
이상 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해해야 할 것이다. 그리고 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정해지는 것임은 자명하다 할 것이다.
100 발광소자 패키지 102: 제1 리드프레임
104: 제1 리드단자 106: 제2 리드프레임
108: 제2 리드단자 110: 봉지재
120: 발광소자 칩 130: 제1 패키지 본체
135: 제1 경사면 140: 제2 패키지 본체
145: 제2 경사면 d: 이격거리

Claims (8)

  1. 적어도 하나 이상의 제1 리드프레임(102);
    상기 제1 리드프레임에 대응되면서 이격되어 형성된 적어도 하나 이상의 제2 리드프레임(106);
    상기 제1 리드프레임 위에 실장된 발광소자 칩(120);
    상기 제1 리드프레임 및 제2 리드프레임의 일부 표면 위에 고정되면서 상기 발광소자 칩 둘레의 원주 상 일부에 제1 경사면(135)을 갖도록 형성된 제1 패키지 본체(130); 및
    상기 발광소자 칩(120) 둘레의 원주 상 상기 일부를 제외한 나머지 부분에 제2 경사면(145)을 갖도록 형성된 제2 패키지 본체(140);를 포함하되,
    상기 제2 패키지 본체(140)의 제2 경사면(145)과 상기 발광소자 칩(120) 사이의 최단 거리는 상기 제1 경사면(135)과 발광소자 칩 사이의 최단 거리보다 더 짧으며, 상기 발광소자 칩에서 발광되는 빛 중 상기 제2 경사면(145) 방향으로 방출되는 빛이 반사되어 상기 발광되는 빛의 방출 각도가 조절되되,
    상기 제2 패키지 본체(140)는 상기 발광소자 칩을 봉지하는 봉지재(110)와 일정 거리만큼 떨어진 이격거리(d)를 갖는 것을 특징으로 하는 지향각이 조절된 발광소자 패키지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이격거리(d)는 0.05mm 이상인 것을 특징으로 하는 지향각이 조절된 발광소자 패키지.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 발광소자 칩의 법선방향을 기준으로 상기 제2 패키지 본체(140) 상부면의 높이는 상기 제1 패키지 본체 상부면의 높이 이상인 것을 특징으로 하는 지향각이 조절된 발광소자 패키지.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    제2 경사면(145)은 발광소자 칩(120)의 실장면과 수직을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 지향각이 조절된 발광소자 패키지.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    제2 경사면(145)에는 상기 발광소자 칩으로부터 방출된 빛을 반사시킬 수 있도록 반사막이 형성된 것을 특징으로 하는 지향각이 조절된 발광소자 패키지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반사막은 상기 제2 패키지 본체(140) 상부면까지 연장 형성되고, 상기 상부면은 요철형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 지향각이 조절된 발광소자 패키지.
  8. 제5항의 지향각 조절된 발광소자 패키지를 이용하여 지향각이 조절되는 것을 특징으로 하는 발광장치.
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