KR100554454B1 - 발광 다이오드 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 발광 다이오드 모듈은 자외선 발광 다이오드 칩과 같이 정전기 쇼크에 약한 이중 전극 발광 다이오드 칩을 정전기 방전에 강한 적외선 또는 적색 발광 다이오드 칩을 같이 실장하여, 정전기 방전과 같이 순간적인 역방향 고전압이 인가될 때 자외선 발광 다이오드 칩의 손상을 방지한다.
LED, 발광 다이오드 모듈, 정전기, 자외선 발광 다이오드, 이중 전극 발광 다이오드,

Description

발광 다이오드 모듈{Light Emitting Diode Module}
도 1은 자외선 또는 단파장 가시광선 발광 다이오드 칩의 개략적인 단면도이고,
도 2는 적외선 또는 적색 발광 다이오드 칩의 개략적인 단면도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 모듈을 도시한 단면도이다.
본 발명은 발광 다이오드(LED) 모듈에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 정전기 방전과 같은 순간적인 역방향 고전압이 인가될 때 손상되지 않는 발광 다이오드 모듈에 관한 것이다.
정전기 방전 현상은 주변매질의 절연내력의 파괴, 또는 서로 다른 전위의 두 물체가 직접적인 접촉이나 유도 현상에 의해 대전 물체가 가진 에너지가 순간적으로 방출되는 현상이다. 또한 생산공정 상에 있어서 정전기에 의한 반도체 소자의 정전기 파괴 현상은 외부의 정전기가 소자에 방전된 경우나 정전기를 축적한 소자가 외부의 접지 도전체에 접촉되어 방전한 경우, 그리고 소자 주위의 전기장 환경이 급변할 때 발생한다. 정전기에 의한 반도체 소자 파괴 및 열화의 메커니즘은 크게 2종류로 나눌 수 있다. 하나는 Au, Al 배선의 용단이나 소자내부의 통전 전류 에 의해 열이 발생하여 소자의 부 저항특성에 의한 전류 증가로 파괴되는 열적 파괴이고, 다른 하나는 소자 표면에서의 트랙킹이나 산화막 파괴를 일으키는 전계 파괴이다.
LED는 크기가 작고 신뢰성이 높으며 전력소모가 낮아 다양한 응용 제품에 사용되고 있으나, 정전기 방전이 일어나는 경우 순간 전류가 증가하여 LED의 PN 접합이 단락되어 그 수명을 다하게 된다. 이러한 LED 중에서도 특히 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩과 같은 이중 전극(bipolar) 구조를 갖는 LED는 정전기 쇼크에 매우 약하며, 특히 열적 파괴 요인에 의해 손상이 크다. 이 피해는 정전기 방전 펄스가 가해질 때 그 열이 퍼지지 못하여 집중되고 이 부분의 저항의 온도계수가 음이 되어 전류가 분로되어 결국 열 탈출(thermal runaway) 현상이 발생하여 접합이 단락되는 현상이다.
이러한 정전기 쇼크에 의한 LED 칩의 신뢰성을 높이기 위하여 종래에는 제너 다이오드를 LED와 같이 실장하였으나, 제너 다이오드는 가격이 비싸다는 경제적인 단점을 가질 뿐 아니라 크기가 커서 LED 칩과 동일 실장할 수 없어서 작업성이 떨어졌다.
또한, 공개특허 제2002-0066393호에서는 정전기 방전으로부터 PN접합 LED 칩을 보호하기 위하여, 동일한 절연 기판 상에 PN접합 LED 칩과 NP접합 보호소자를 집적하여 반도체 공정으로 연결시키는 구조가 제안되었다. 그러나, 동일한 절연 기판 위에 형성시킨 이러한 구조를 형성하기 위해서는 보호 소자와 LED 칩이 유사 성분 물질로 구성되어야 한다. 이는 정전기 쇼크를 견디는 범위를 한정시켜 보호 소자의 효율이 매우 낮게 된다. 또한, 이중 전극 구조를 가지므로 외부 정전기나 순간적인 역방향 고전압 인가 시에 순간적으로 외부 충격이 활성층 내에 골고루 전달되기 어렵게 되고, 일부분에 집중적으로 스트레스를 가하게 됨으로써 보호소자 자체도 단락되기 쉬운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기에서 언급한 문제점을 해소하는 발광 다이오드 모듈을 제공하는 것으로서, 외부 정전기 방전과 같은 순간적인 역방향 고전압 인가 시에도 안정적으로 동작을 할 수 있는 발광 다이오드 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 제조 공정이 용이하고 제조비용이 저렴하면서 정전기 방전에 안전한 발광 다이오드 모듈을 제공하는 것이다.
전술한 목적 및 기타 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈은
이중 전극 구조의 N 전극과 P 전극을 구비하는 제1 발광 다이오드 칩;
N 전극과 P 전극이 서로 대향하도록 위치하는 제2 발광 다이오드 칩;
제1 발광 다이오드 칩의 P 전극 및 제2 발광 다이오드 칩의 N 전극과 전기적으로 연결되는 양의 리드 단자; 및
제1 발광 다이오드 칩의 N 전극 및 제2 발광 다이오드 칩의 P 전극과 전기적으로 연결되는 음의 리드 단자로 이루어져, 제2 발광 다이오드 칩이 순간적인 역방향 고전압 인가에 의한 제1 발광 다이오드 칩의 손상을 방지한다.
이때, 바람직하게는 제2 발광 다이오드 칩의 P 전극이 음의 리드 단자와 접착되어 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 모듈을 설명한다. 발광 다이오드 모듈은 이중 전극 구조의 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100), 적외선 또는 적색 LED 칩(200), 양의 리드 단자(400)와 음의 리드 단자(300)로 이루어진다.
자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)은 정전기 방전에 의한 쇼크에 약한 이중 전극 구조의 칩으로서, 보통 200nm~600nm의 파장 범위의 빛을 방출한다. 이러한 자외선 또는 단파장 가시광선 LED칩은 일반적으로 사파이어 기판 위에 GaN, ZnSe, ZnS, SiC, GaP 등의 반도체물질로 형성된 것이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 절연성의 사파이어 기판(100) 위에 N형 반도체층(120), 활성층(130), P형 반도체층(140)이 형성되어 있으며, P형 반도체층(140) 위에는 P 전극(150)이, N형 반도체층(120) 위에는 N 전극(160)이 각각 형성되어 있다.
또한, 적외선 또는 적색 LED 칩(200)은 정전기에 비교적 강한 구조를 가진 칩으로서, 보통 600nm~3000nm의 파장 범위의 빛을 방출하며, 일반적으로 GaP, GaAs, GaAlAs, GaAs, GaP 기판을 사용하여 GaAs, GaAlAs, GaAsP, AlGaInP, InP, AlAs등의 반도체 물질로 형성된다. 이러한 적외선 또는 적색 LED 칩(200)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, P 전극(250), P형 기판(210), P형 반도체층(240), 활성층(230), N형 반도체층(220) 및 N 전극(260)이 차례로 적층되어 있어서, P 전극(250)과 N 전극(260)이 서로 대향하도록 형성되어 있다.
자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)은 적외선 또는 적색 LED 칩(200)과 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 연결되어 있다. 음의 리드 단자(300) 위에 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)과 적외선 또는 적색 LED 칩(200)이 접착되어 형성된다. 적외선 또는 적색 LED 칩(200)의 P 전극(250)은 음의 리드 단자(300)와 연결되고, N 전극(260)은 와이어(420)에 의하여 양의 리드 단자(400)와 전기적으로 연결된다. 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)의 P 전극(150)은 와이어(410)로 양의 리드 단자(400)와 연결되고, N 전극(160)은 와이어(310)에 의하여 음의 리드 단자(300)와 전기적으로 연결된다.
이러한 모듈은 인쇄 회로 기판(PCB)이나 플라스틱 지지부재 등의 적절한 지지부재에 실장되거나 패키지 형태로 형성될 수도 있고, 램프형의 플라스틱 몰딩으로 감싸여져 형성될 수도 있다. 또한, 적외선 또는 적색 LED 칩(200)은 도 3과 같이 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)과 인접하여 형성할 수도 있고, 설계 시의 필요에 따라 옆면 또는 뒷면 등에 다양하게 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 모듈의 동작원리는 정전기 방전과 같이 순간적인 역방향의 고전압이 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)에 인가될 때, 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)과 병렬로 연결된 적외선 또는 적색 LED 칩(200)으로 소정 전압을 초과하는 전류를 흐르도록 하여 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)을 보호할 수 있다. 또한, 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)의 경우는 순방향 전압이 인가되면 정상 동작을 하여 자외선 또는 단파장 가시광선을 방출하게 되며, 적외선 또는 적색 LED 칩(200)은 역방향 조건이 되므로 정상적인 동작을 하지 않아 빛을 방출하지 않는다. 따라서, 발광 다이오드 모듈은 정상적인 동작 조건에서 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)에 의해 자외선 또는 단파장 가시광선을 방출하게 되며, 순간적인 역방향의 고전압이 인가되더라도 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩(100)의 손상을 방지하게 된다.
본 발명의 실시예에 따라 자외선 LED 칩과 적색 LED 칩을 실제 실장한 발광 다이오드 모듈을 구현하여 실험하여 본 바, 300V 이하의 정전기 쇼크에 의해 손상되었던 자외선 LED 칩을 본 발명에 따라 적색 LED 칩과 같이 실장한 결과, 1 kV이상의 정전기 쇼크에서도 아무런 영향을 받지 않음을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈은 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩과 같이 정전기 방전에 의해 쉽게 손상되는 이중 전극 LED 칩을 인쇄회로 기판이나 패키지 등에 실장할 때, 정전기에 비교적 강한 적외선 또는 적색 LED 칩을 함께 실장하여 정전기 방전에 의한 손상을 방지할 수 있다.
또한, 자외선 또는 단파장 가시광선 LED 칩과 적외선 또는 적색 LED 칩은 발광다이오드 계열이므로 같은 시스템에서 구현이 가능하며, 완성된 적외선 또는 적색 LED 칩을 사용하여 금속 배선으로 연결시키는 공정이 추가될 뿐이므로 제조 공정이 용이하다. 더욱이, 적외선 또는 적색 LED 칩의 가격이 비교적 저렴하여 제조 비용을 낮출 수 있는 이점이 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다.

Claims (5)

  1. 이중 전극 구조의 N 전극과 P 전극을 구비하고, 파장 범위 200nm~600nm의 자외선 또는 단파장 가시광선을 방출하는 제1 발광 다이오드 칩;
    N 전극과 P 전극이 서로 대향하도록 위치하고, 파장 범위 600nm~3000nm의 적외선 또는 적색광을 방출하는 제2 발광 다이오드 칩;
    제1 발광 다이오드 칩의 P 전극 및 제2 발광 다이오드 칩의 N 전극과 전기적으로 연결되는 양의 리드 단자; 및
    제1 발광 다이오드 칩의 N 전극 및 제2 발광 다이오드 칩의 P 전극과 전기적으로 연결되는 음의 리드 단자
    를 포함하여, 제2 발광 다이오드 칩이 순간적인 역방향 고전압 인가에 의한 제1 발광 다이오드 칩의 손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 발광 다이오드 칩의 P 전극이 음의 리드 단자와 접착되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 발광 다이오드 칩이 GaAs, GaAlAs, GaAsP, AlGaInP, InP, AlAs에서 선택되는 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈.
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