(57)【要約】【課題】本発明は発光素子パッケージ用レンズ及びこれを備える発光素子パッケージに関する。【解決手段】本発明は構造が簡単で、レンズ面に対する構造変更を通じて発光素子チップから発生する光がレンズ面により内部に全反射されることを防ぎ、光抽出の効率を増大させることができる発光素子パッケージ用レンズ及びこれを備える発光素子パッケージを提供する。【選択図】図１
2010199544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ本体上に実装される発光素子チップを覆う発光素子パッケージ用レンズにおいて、
前記レンズは前記パッケージ本体の上部側に突出形成される外部表面が１つのメイン曲率半径を有し、前記メイン曲率半径より小さいサブ曲率半径を有する屈折レンズが前記レンズの外部表面上に突出形成され、前記メイン曲率半径に沿って複数個備えられる発光素子パッケージ用レンズ。
【請求項２】
前記屈折レンズは、フライアイレンズであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子パッケージ用レンズ。
【請求項３】
前記屈折レンズは、メイン曲率半径に対するサブ曲率半径の比が条件式１を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子パッケージ用レンズ。
［条件式１］２√２＜Ｒ／ｒ＜１
ここで、Ｒ：メイン曲率半径
ｒ：サブ曲率半径
【請求項４】
前記屈折レンズは、フライアイパターンを成す各屈折レンズ間の間隔と前記屈折レンズのサブ曲率半径に関して条件式２を満たすことを特徴とする請求項１または３に記載の発光素子パッケージ用レンズ。
［条件式２］ｄ＝ｒ／２
ここで、ｄ：屈折レンズ間の間隔
ｒ：サブ曲率半径
【請求項５】
前記屈折レンズは、前記外部表面に沿って一定間隔で陥没形成される複数の横線と縦線が交差して形成される区画に形成されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の発光素子パッケージ用レンズ。
【請求項６】
前記屈折レンズは、前記複数の横線と縦線によって凸のメッシュ形状からなることを特徴とする請求項５に記載の発光素子パッケージ用レンズ。
【請求項７】
実装部が露出されるよう上部側に開放されたキャビティが形成されるパッケージ本体と、
前記パッケージ本体によって保持されるリードフレームと、
前記実装部上に実装され前記リードフレームと電気的に連結される少なくとも１つの発光素子チップと、
請求項１から６の何れか１項に記載の発光素子パッケージ用レンズと、
を含む発光素子パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子パッケージ用レンズ及びこれを備える発光素子パッケージに関し、より詳細にはレンズの表面に対する構造変更を通じてレンズの内面に届く光の角度を臨界角以内に変えることで、光抽出の効率を増大させることができるようにする発光素子パッケージ用レンズ及びこれを備える発光素子パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＩｎＰ等の化合物半導体（ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）材料の変更を通じて発光源を構成することで、多様な色の光が具現できる半導体素子をいう。
【０００３】
一般的に、発光ダイオード素子の特性を決める基準には、色（ｃｏｌｏｒ）及び輝度、輝度の強さの範囲等がある。このような発光ダイオード素子の特性は、１次的には発光ダイオード素子に用いられている化合物半導体材料によって決まるが、２次的な要素にチップを実装するためのパッケージの構造によっても大きな影響を受ける。高輝度と使用者の要求による輝度の角度分布を得るためには、材料開発等による１次的な要素のみでは限界があり、パッケージ構造等に多くの関心が注がれた。
【０００４】
このような発光素子パッケージは熱的、電気的信頼性のみではなく、光学的特性を発揮しなければならないため、通常の半導体パッケージとは異なる構造を有する。
【０００５】
最近、発光素子パッケージが電装用、照明用、フラッシュ用等に多様に開発されて、夫々の用途に適合する指向角条件を満たすと共に、光抽出の効率を増加させる方向にパッケージの設計、レンズの設計等が行われている。
【０００６】
現在までは、エピタキシャル成長されたＬＥＤチップの製造工程においてチップの上面にテクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）を形成する構造、チップ形状のタッピング（ｔａｐｐｉｎｇ）を設ける構造、反射層を設ける構造等多様な方向で光抽出の効率を増加させようと努力しているが、まだ、不十分である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は構造が簡単で、レンズ面に対する構造変更を通じて、発光素子チップから発生する光がレンズ面によって内部に全反射される光の量を減らすことで、光抽出の効率を増大させることができるパッケージ用レンズ及びこれを備える発光素子パッケージを提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施例による発光素子パッケージ用レンズは、パッケージ本体上に実装される発光素子チップを覆う発光素子パッケージ用レンズにおいて、前記レンズは前記パッケージ本体の上部側に突出形成される外部表面が１つのメイン曲率半径を有し、前記メイン曲率半径より小さいサブ曲率半径を有する屈折レンズが前記レンズの外部表面上に突出形成され前記メイン曲率半径に沿って複数個備えることができる。
【０００９】
また、前記屈折レンズは、フライアイ（ｆｌｙ−ｅｙｅ）レンズであることができる。
【００１０】
また、前記屈折レンズは、メイン曲率半径に対するサブ曲率半径の比が条件式１を満たすことができる。
【００１１】
［条件式１］２√２＜Ｒ／ｒ＜１
ここで、Ｒ：メイン曲率半径
ｒ：サブ曲率半径
【００１２】
また、前記屈折レンズは、フライアイパターンを成す各屈折レンズ間の間隔と前記屈折レンズのサブ曲率半径に関して条件式２を満たすことができる。
【００１３】
［条件式２］ｄ＝ｒ／２
ここで、ｄ：屈折レンズ間の間隔
ｒ：サブ曲率半径
【００１４】
また、前記屈折レンズは、前記外部表面に沿って一定間隔で陥没形成される複数の横線と縦線が交差して形成される区画に形成されることができる。
【００１５】
また、前記屈折レンズは、前記複数の横線と縦線によって凸のメッシュ（ｍｅｓｈ）形状からなることができる。
【００１６】
一方、本発明の実施例による発光素子パッケージ用レンズを備える発光素子パッケージは、実装部が露出されるよう上部側に開放されたキャビティが形成されるパッケージ本体と、前記パッケージ本体によって保持されるリードフレームと、前記実装部上に実装され前記リードフレームと電気的に連結される少なくとも１つの発光素子チップと、前記パッケージ本体の上部側に突出形成される外部表面が１つのメイン曲率半径を有し、前記メイン曲率半径より小さいサブ曲率半径を有する屈折レンズが前記外部表面上に突出形成され前記メイン曲率半径に沿って複数個備えられるレンズと、を含むことができる。
【００１７】
また、前記屈折レンズは、フライアイレンズであることができる。
【００１８】
また、前記屈折レンズは、メイン曲率半径に対するサブ曲率半径の比が条件式１を満たすことができる。
【００１９】
［条件式１］２√２＜Ｒ／ｒ＜１
ここで、Ｒ：メイン曲率半径
ｒ：サブ曲率半径
【００２０】
また、前記屈折レンズはフライアイパターンを成す各屈折レンズ間の間隔と前記屈折レンズのサブ曲率半径に関して条件式２を満たすことができる。
【００２１】
［条件式２］ｄ＝ｒ／２
ここで、ｄ：屈折レンズ間の間隔
ｒ：サブ曲率半径
【００２２】
また、前記屈折レンズは前記外部表面に沿って一定間隔で陥没形成される複数の横線と縦線が交差して形成される区画に形成されることができる。
【００２３】
また、前記屈折レンズは前記複数の横線と縦線によって凸のメッシュ形状からなることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の実施例による発光素子パッケージ用レンズ及びこれを備える発光素子パッケージは構造が簡単で、発光素子チップから発生する光がレンズ面によって内部に反射されることを防ぎ、光抽出の効率を増大させることで光学的特性に優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例による発光素子パッケージ用レンズを概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に図示された発光素子パッケージ用レンズにおける屈折レンズの設計条件をより具体的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施例による発光素子パッケージを概略的に示す斜視図である。
【図４】図３に図示された発光素子パッケージを示す平面図である。
【図５】図３に図示された発光素子パッケージを示す断面図である。
【図６】図３に図示された発光素子パッケージにおけるレンズと屈折レンズの設計条件をより具体的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明による発光素子パッケージ用レンズ及びこれを備える発光素子パッケージの実施例に関する具体的な事項を図面を参照し説明する。
【００２７】
図１は本発明の実施例による発光素子パッケージ用レンズを概略的に示す斜視図であり、図２は図１に図示された発光素子パッケージ用レンズにおける屈折レンズの設計条件をより具体的に示す断面図である。
【００２８】
図１及び図２に図示したように、本発明の実施例による発光素子パッケージ用レンズ（以下'レンズ'とする）４０は、パッケージ本体１０上に実装される発光素子チップ（不図示）を覆うことで前記発光素子チップを密封する光透過性のモールディング部材である。
【００２９】
このような前記レンズ４０は上部側にドーム（ｄｏｍｅ）形状の凸レンズ構造を有し、前記発光照射チップの光分布を調節することで、より広い領域に光を照射することができるようにする。
【００３０】
前記レンズ４０は、前記パッケージ本体１０のキャビティ（不図示）上部にシリコンまたはエポキシ樹脂を注入してモールディングするか、または射出成形を通じて形成されたレンズ４０を前記パッケージ本体１０の上部に取り付ける方式で備えることができる。
【００３１】
しかし、これに限定せず、ポリカーボネート樹脂等の光透過性を有する多様な種類の樹脂を用いることができる。
【００３２】
特に、前記レンズ４０は、上部側に突出形成される外部表面が１つのメイン曲率半径Ｒを有し、前記メイン曲率半径Ｒより小さいサブ曲率半径ｒを有する屈折レンズ５０が前記外部表面上に突出形成され前記メイン曲率半径Ｒに沿って複数個備えられる。
【００３３】
また、前記屈折レンズ５０は、前記凸の外部表面に沿って複数の屈折レンズ５０が隣接して一定パターンのアレイ（ａｒｒａｙ）を形成するフライアイレンズであることが好ましい。
【００３４】
即ち、１つの凸のレンズ４０面上に凸の屈折レンズ５０が複数個突出形成されるフライアイパターンの構造を有することで、前記発光素子チップ（不図示）から出射される光は前記レンズ４０の凸の外部表面、即ち、空気と接するレンズ４０の境界面に到達する際、前記屈折レンズ５０の屈折面によって臨界角以内の角度で到達する。
【００３５】
従って、前記発光素子チップから出射される光は、前記レンズ４０の境界面で全反射され、再びレンズ４０の内部に再反射されないため、光抽出の効率が低下することを防ぐことができる。
【００３６】
前記屈折レンズ５０は、前記レンズ４０の表面に沿って一定間隔で陥没形成される複数の横線５１と縦線５２が交差して形成される区画に形成される。
【００３７】
図面でのように、前記フライアイパターンを成す前記屈折レンズ５０は、前記複数の横線５１と縦線５２により四角のメッシュ形状からなる。
【００３８】
また、各屈折レンズ５０は、所定サイズのメイン曲率半径Ｒを有する前記レンズ４０のドーム形状のように、より小さいサブ曲率半径ｒを有するドーム形状の構造で形成される。
【００３９】
ここで、前記レンズ４０のメイン曲率半径Ｒと前記屈折レンズ５０のサブ曲率半径ｒの間には下記の条件式１を満たす関係が成立する。
【００４０】
［条件式１］２√２＜Ｒ／ｒ＜１
【００４１】
若し、レンズ４０のメイン曲率半径Ｒに対する屈折レンズ５０のサブ曲率半径ｒの比が"２√２"より小さい場合は、光源から発生する光がレンズの内部面に対して臨界角以上の角度を有するようになり、内部に再反射することで、光抽出の効率の増加の割合を最大限にできないという問題が生じる。
【００４２】
また、レンズ４０のメイン曲率半径Ｒに対する屈折レンズ５０のサブ曲率半径ｒの比が"１"より大きい場合は、前記サブ曲率半径ｒで補完して拡大できる臨界角の範囲が減る上、レンズのメイン曲率半径Ｒを通じて放出できる光も内部に全反射されることがあるという問題が発生する。
【００４３】
一方、前記フライアイパターンを成す各屈折レンズ５０間の間隔ｄと前記屈折レンズのサブ曲率半径ｒの間には下記の条件式２を満たす関係が成立する。
【００４４】
［条件式２］ｄ＝ｒ／２
【００４５】
但し、前記条件式２は、本発明の好ましい実施例による前記屈折レンズ５０間の間隔ｄと屈折レンズのサブ曲率半径ｒの間の関係を示したものであり、前記間隔ｄとサブ曲率半径ｒの間の関係が前記条件式２に限定されるものではない。
【００４６】
前記レンズ４０及び屈折レンズ５０の設計数値、即ち、前記レンズ４０の曲率半径Ｒ、高さ、前記屈折レンズの形態（フライアイパターン）とサブ曲率半径ｒ等の数値は、図６でのように、前記レンズ４０が装着されるパッケージ本体１０のキャビティ１３の反射面の傾きΘとサイズ、発光素子チップまでの距離等パッケージ本体１０の条件に従い最適化することができる。
【００４７】
本発明の好ましい実施例によりキャビティの反射面の傾きが４５度で、前記レンズ４０の曲率半径Ｒが３ｍｍで、前記屈折レンズ５０のサブ曲率半径ｒが０.９ｍｍの場合に、最上の光抽出の効率を示すと計算された。
【００４８】
一方、図３から図６を参照し本発明の実施例による発光素子パッケージ用レンズを備える発光素子パッケージに関して説明する。
【００４９】
図３は本発明の実施例による発光素子パッケージを概略的に示す斜視図であり、図４は図３に図示された発光素子パッケージを示す平面図であり、図５は図３に図示された発光素子パッケージを示す断面図であり、図６は図３に図示された発光素子パッケージにおけるレンズと屈折レンズの設計条件をより具体的に示す断面図である。
【００５０】
図３から図５に図示されたように、本発明の実施例による発光素子パッケージ用レンズを備える発光素子パッケージ１はパッケージ本体１０、リードフレーム２０、発光素子チップ３０、レンズ４０を含んで構成される。
【００５１】
前記パッケージ本体１０は、内部に前記発光素子チップ３０を実装する実装部１２が上部側に開放される所定サイズのキャビティ１３を備える。
【００５２】
また、前記パッケージ本体１０は、前記キャビティ１３を成す縁の内側面が前記実装部に向かって下向傾斜されるように備えられて反射面１１を形成する。
【００５３】
従って、前記発光素子チップ３０から出射される光が前記反射面１１を通じて反射され外部に向かうようにすることで、光効率を高める。より効率的な具現のために、前記反射面１１上には高反射率を有する反射膜がさらに備えられることができる。
【００５４】
前記リードフレーム２０は、前記パッケージ本体１０により囲まれて保持され、外部の電源と電気的に連結されて前記発光素子チップ３０に電源を供給する。
【００５５】
また、前記リードフレーム２０は、前記キャビティ１３底面の実装部１２上に実装される前記発光素子チップ３０とワイヤボンディングまたはフリップチップボンディング方式によって電気的に連結される。
【００５６】
好ましくは、円滑な熱放出のために前記実装部１２の下部側にヒートシンク（不図示）をさらに備えることもできる。
【００５７】
また、前記リードフレーム２０は、効率的な電流印加のために導電性材質からなることが好ましい。
【００５８】
前記発光素子チップ３０は、外部から印加される電源により所定波長の光を出射する半導体素子の一種であり、本発明による実施例では単一の発光素子チップ３０が前記実装部１２の中心部に備えられると図示し説明している。
【００５９】
しかし、これに限定されず、複数の発光素子チップ３０を備えることもでき、この場合、前記発光素子チップ３０は青色発光素子チップ、赤色発光素子チップ及び緑色発光素子チップの組み合わせからなることが好ましい。
【００６０】
一方、前記パッケージ本体１０の上部側には、キャビティ１３内に実装される発光素子チップ３０を覆って保護するようにドーム形状のレンズ４０が備えられる。
【００６１】
前記レンズ４０は、前記パッケージ本体１０のキャビティ１３上部にプラスチック樹脂を注入してモールディングするか、または射出成形を通じて形成されたレンズ４０を前記パッケージ本体１０の上部に取り付ける方法で備えることができる。
【００６２】
特に、前記レンズ４０は上部側に突出形成される外部表面が１つのメイン曲率半径Ｒを有し、前記メイン曲率半径Ｒより小さいサブ曲率半径ｒを有する屈折レンズ５０が前記外部表面上に突出形成されて前記メイン曲率半径Ｒに沿って複数個備えられる。
【００６３】
そして、前記屈折レンズ５０は、前記凸の外部表面に沿って複数の屈折レンズ５０が隣接して一定パターンのアレイを形成するフライアイレンズであることが好ましい。
【００６４】
即ち、１つの凸のレンズ４０面上に凸の屈折レンズ５０が複数個突出形成されるフライアイパターンの構造を有することで、前記発光素子チップから出射される光は前記レンズ４０の凸の外部表面、即ち、空気と接するレンズ４０の境界面に到達する際、前記屈折レンズ５０の屈折面によって臨界角以内の角度で到達する。
【００６５】
従って、前記発光素子チップから出射される光は、前記レンズ４０の境界面で全反射されて再びレンズ４０の内部に再反射されないため、光抽出の効率が低下することを防ぐことができる。
【００６６】
前記屈折レンズ５０は、前記レンズ４０の表面に沿って一定間隔で陥没形成される複数の横線５１と縦線５２が交差して形成される区画に形成される。
【００６７】
図３及び図４のように、前記フライアイパターンを成す前記屈折レンズ５０は、前記複数の横線５１と縦線５２により四角のメッシュ形状からなる。
【００６８】
また、各屈折レンズ５０は、所定サイズのメイン曲率半径Ｒを有する前記レンズ４０のドーム形状のように、より小さいサブ曲率半径ｒを有するドーム形状の構造で形成される。
【００６９】
図６のように、前記屈折レンズ５０の具体的な設計条件は前記図１及び図２で説明した条件と実質的に同一であり、具体的な説明は省略する。
【００７０】
また、前記レンズ４０及びフライアイパターンの設計数値、即ち、前記レンズ４０の曲率半径Ｒ、高さ、前記フライアイの形態とセルの曲率半径ｒ等の数値は、前記キャビティ１３の反射面の傾きΘとサイズ、発光素子チップ３０までの距離等パッケージ本体１０の条件に従い最適化することができる。
【００７１】
以上のように、本発明の実施例による発光素子パッケージは、発光素子チップを実装するパッケージ本体に所定の傾きの反射面を成すキャビティを備え、上部側にはドーム形状の表面に沿ってフライアイパターンの屈折レンズを形成したレンズを備えることで、光抽出の効率を増大させることができる。
【００７２】
特に、レンズの外部表面にフライアイパターンの屈折レンズを複数個形成することで、発光素子チップから出射される光がレンズの境界面で全反射されて再び内部に入ってくることを防ぎ、光抽出効率を増大させることができる。
【００７３】
本発明は前述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲によって限定される。従って、請求の範囲に記載の本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは当技術分野の通常の知識を有する者には自明であり、これも添付の請求範囲に記載の技術的思想に属する。
【図１】
2010199544.tif 000003
【図２】
2010199544.tif 000004
【図３】
2010199544.tif 000005
【図４】
2010199544.tif 000006
【図５】
2010199544.tif 000007
【図６】
2010199544.tif 000008