KR100911774B1 - 지연형광체를 구비하는 교류용 발광소자 - Google Patents

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Abstract

지연형광체를 구비하는 교류용 발광소자가 개시된다. 이 발광소자는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 칩, 상기 발광 다이오드 칩을 덮는 투명부재 및 상기 발광셀들에서 방출된 광에 의해 여기되어 가시광선 영역의 광을 방출하는 지연형광체를 포함한다. 지연형광체를 채택함으로써, 교류전원에 의해 구동되는 발광소자의 명멸현상을 방지할 수 있다.
발광소자, 발광 다이오드, 발광셀, 명멸(flicker), 형광체, 지연형광체

Description

지연형광체를 구비하는 교류용 발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE FOR AC POWER OPERATION WITH LONG PERSISTENT PHOSPHORESCENCE PHOSPHOR}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 칩을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 교류 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자의 교류 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 발광소자의 발광특성을 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지연형광체를 채택하여 명멸현상을 방지할 수 있는 교류용 발광소자에 관한 것이다.
발광 다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 발산한다. 이러한 발광 다이오드는 표시소자 및 백라이트로 널리 이용되고 있다. 또한, 발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어, 백열전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명 용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다.
발광 다이오드는 교류전원하에서 전류의 방향에 따라 온/오프를 반복한다. 따라서, 발광 다이오드를 교류전원에 직접 연결하여 사용할 경우, 발광 다이오드가 연속적으로 빛을 방출하지 못하며, 역방향 전류에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있다.
이러한 발광 다이오드의 문제점을 해결하여, 고전압 교류전원에 직접 연결하여 사용할 수 있는 발광 다이오드가 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 "발광 성분들을 갖는 발광소자"(LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS)라는 제목으로 사카이 등(SAKAI et. al.)에 의해 개시된 바 있다.
상기 WO 2004/023568(Al)호에 따르면, LED들이 사파이어 기판과 같은 절연성 기판 상에서 금속배선들에 의해 2차원적으로 직렬연결된 LED 어레이들을 형성한다. 이러한 두개의 LED 어레이들이 상기 기판 상에서 역병렬로 연결된다. 그 결과, AC 파워 서플라이에 의해 상기 어레이들이 서로 교대로 온-오프를 반복하여 광을 방출한다.
그러나, 상기 WO 2004/023568(Al)호에 개시된 바에 따르면, 동일 라인의 발광셀들이 동시에 온-오프를 반복한다. 따라서, 기판 상에서 연속적으로 균일한 광 이 방출되지 못하고 명멸현상(깜박임, flicker effect)이 발생된다. 이러한 깜박임은 비록 육안으로 관찰되지 않더라도, 조명용으로 장시간 사용할 경우, 눈의 피로를 야기시킬 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 명멸현상을 방지 또는 완화할 수 있는 교류용 발광소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 다양한 색, 예컨대 백색광을 방출할 수 있는 교류용 발광소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여, 본 발명은 지연형광체를 구비하는 교류용 발광소자를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광소자는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 칩, 상기 발광 다이오드 칩을 덮는 투명부재 및 상기 발광셀들에서 방출된 광에 의해 여기되어 가시광선 영역의 광을 방출하는 지연형광체를 포함한다.
여기서, 상기 "지연형광체"는 축광형광체라고도 하며, 여기광원이 차단된 후의 잔광시간이 긴 형광체를 의미하며, 여기서 잔광시간은 여기광원이 차단되 후의 초기값의 10%가 되는데 걸리는 시간으로 정의된다. 본 실시예에 있어서, 상기 지연형광체는 잔광시간이 1msec 이상일 수 있으며, 약 8msec 이상이면 더욱 바람직하다. 한편, 상기 지연형광체의 잔광시간의 상한은 특별히 한정되지는 않지만, 발광소자의 용도에 따라서 너무 길지 않은 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 일반 가정 용 조명용도로 사용되는 발광소자의 경우, 상기 지연형광체의 잔광시간은 수분이하인 것이 바람직하며, 인테리어용 조명용도의 경우에도 잔광시간은 10시간 이하로 충분하다.
본 실시예에 따르면, 발광 다이오드 칩이 가시광선을 방출할 경우, 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광과 상기 지연 형광체에서 방출된 광이 혼합되어 상기 발광소자의 광방출 시간이 증가되므로, 교류용 발광소자의 명멸현상을 방지할 수 있다.
상기 지연형광체는 상기 발광 다이오드 칩과 상기 투명부재 사이에 또는 상기 투명부재 내에 분산되어 위치할 수 있다.
상기 지연형광체는 적색, 녹색 또는 청색을 방출하는 형광체일 수 있으며, 이들 형광체들의 조합일 수 있다.
한편, 상기 지연형광체 이외에, 상기 발광 다이오드 칩에 의해 여기되어 가시광선 영역의 광을 방출하는 다른 형광체를 더 포함할 수 있다. 이러한 형광체는 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광을 파장변환시키어 다양한 색의 발광소자를 제공하기 위해 채택된다. 예컨대, 상기 발광 다이오드 칩이 자외선을 방출하는 경우, 상기 지연형광체에서 방출하는 가시광선 영역의 광과 혼합되어 백색광을 방출하도록, 상기 다른 형광체는 적색, 녹색 및/또는 청색 형광체일 수 있다. 또한, 상기 발광 다이오드 칩이 청색광을 방출하는 경우, 상기 다른 형광체는 적색 및/또는 녹색 형광체이거나 황색 형광체일 수 있다.
한편, 상기 복수개의 발광셀들은 직렬, 병렬 및 직병렬 중 어느 하나의 방식 으로 전기적으로 연결된다. 여기서, 직렬연결은 하나의 경로를 따라 흐르는 전류에 의해 상기 발광셀들이 구동되도록 연결된 것을 의미하고, 병렬연결은 전류가 흐르는 경로가 복수개가 되도록 연결된 것을 의미한다. 상기 병렬연결은 발광셀들이 서로 역병렬로, 즉 반대방향으로 흐르는 전류에 의해 각각 구동되도록 연결된 것을 포함한다. 한편, 직병렬 연결은 직렬연결된 발광셀들의 어레이들이 서로 병렬로 연결되거나, 병렬연결된 어레이들이 직렬연결된 것을 의미하며, 여기서, 병렬은 역병렬을 포함한다. 이러한 연결방식에 의해, 상기 복수개의 발광셀들은 교류전원에 연결하여 구동될 수 있도록 서로 전기적으로 연결된다. 상기 복수개의 발광셀들은 금속배선들에 의해 연결되며, 적어도 하나의 직렬연결된 어레이들을 형성하여 교류 전원하에서 동작된다.
한편, 상기 발광셀들은 P형 반도체층, N형 반도체층 및 상기 P형 반도체층과 N형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함할 수 있으며, 상기 P형 및 N형 반도체층들과 상기 활성층은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체로 형성될 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 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광소자(1)를 설명하기 위한 단 면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발광소자(1)는 발광 다이오드 칩(3)을 포함한다. 상기 발광 다이오드 칩(3)은 직렬 연결된 복수개의 발광셀들을 갖는다. 상기 발광셀들은 자외선 또는 청색광을 방출하는 AlxInyGazN 계열의 화합물 반도체일 수 있다. 상기 발광 다이오드 칩(3) 및 상기 발광셀들의 구조는 도 2 및 도 3을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
상기 발광 다이오드 칩(3)은 리드단자(도시하지 않음)를 통해 외부전원에 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 상기 발광 다이오드 칩(3)은 리드단자에 연결되기 위한 두 개의 본딩패드들(도시하지 않음)을 가질 수 있다. 상기 본딩패드들은 각각 본딩와이어들(도시하지 않음)을 통해 상기 리드단자에 연결된다. 이와 달리, 상기 발광 다이오드 칩(3)은 서브마운트 기판(도시하지 않음)에 플립 본딩된 후, 상기 서브마운트 기판을 통해 리드단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드 칩(3)은 반사컵(9) 내에 배치될 수 있다. 상기 반사컵(9)은 발광 다이오드 칩(3)에서 방출된 광을 요구되는 시야각 내로 반사시키어, 일정 시야각 내의 휘도를 증가시킨다. 따라서, 반사컵(9)은 요구되는 시야각에 따라 일정한 경사면을 갖는다.
한편, 상기 형광체들(7)이 상기 발광 다이오드 칩(3) 상부에 위치하여, 상기 발광셀들에서 방출된 광에 의해 여기되어 가시광선 영역의 광을 방출한다. 상기 형광체들(7)은 지연형광체를 포함한다. 지연형광체는, 잔광시간이 1msec 이상일 수 있으며, 약 8msec 이상이면 더욱 바람직하다. 한편, 상기 지연형광체의 잔광시간의 상한은 발광소자의 용도에 따라 선택될 수 있으며, 특별히 한정되지는 않지만, 10시간 이하일 수 있다. 특히, 일반 가정용 조명용도로 사용되는 발광소자의 경우, 상기 지연형광체의 잔광시간은 수분이하인 것이 바람직하다.
지연형광체는 미국특허 US5,770,111호, 미국특허 US5,839,718호, 미국특허 US5,885,483호, US6,093,346호, US6,267,911호 등에 개시된 규산염, 알루민산염, 황화물 형광체 등일 수 있으며, 예컨대, (Zn,Cd)S:Cu, SrAl2O4:Eu,Dy, (Ca,Sr)S:Bi, ZnSiO4:Eu, (Sr,Zn,Eu,Pb,Dy)Oㆍ(Al,Bi)2O3, m(Sr,Ba)Oㆍn(Mg,M)Oㆍ2(Si,Ge)O2:Eu,Ln(여기서, 1.5≤m≤3.5, 0.5≤n≤1.5, M은 Be, Zn 및 Cd로 이루어진 일군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소, Ln은 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, KLu, B, Al, Ga, In, Tl, Sb, Bi, As, P, Sn, Pb, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Cr 및 Mn으로 이루어진 일군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소) 등일 수 있다.
상기 지연형광체는 발광 다이오드 칩(3)에서 방출된 광에 의해 여기되어 가시광선 영역의 광, 예컨대 적색, 녹색 및/또는 청색광을 방출할 수 있다. 이에 따라, 상기 지연형광체와 발광 다이오드 칩(3)에서 방출된 광의 혼합에 의해 다양한 색의 광을 방출하는 발광소자를 제공할 수 있으며, 백색광을 방출하는 발광소자를 제공할 수 있다.
한편, 상기 형광체들(7)은 지연형광체 이외에 발광 다이오드 칩(3)에 의해 여기되어 가시광선 영역의 광을 방출하는 다른 형광체들, 예컨대 적색, 녹색 및/또는 청색 형광체들, 또는 황색 형광체들을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 다른 형광체들은 YAG:Ce계 형광체, 오소실리리케이트계 형광체 또는 황화물 형광체들일 수 있다.
지연형광체 및 다른 형광체들은 상기 발광소자가 원하는 색의 광을 방출하도록 선택된다. 백색 발광소자의 경우, 지연형광체 및 상기 다른 형광체들은 발광 다이오드 칩(3)에서 방출된 광과 변환된 광들의 혼합색이 백색광이 되도록 다양한 조합의 형광체들로 구성될 수 있다. 또한, 지연형광체 및 상기 다른 형광체들의 조합은, 명멸현상 방지, 발광효율 및 연색평가수등을 고려하여 선택될 수 있다.
한편, 투명부재(5)가 상기 발광 다이오드 칩(3)을 덮을 수 있다. 투명부재(5)는 코팅층이거나 주형을 사용하여 형성된 몰딩부재일 수 있다. 투명부재(5)는 발광 다이오드 칩(3)을 덮어, 수분 또는 외력과 같은 외부환경으로부터 발광 다이오드 칩(3)을 보호한다. 투명부재(5)는 예컨대, 에폭시 또는 실리콘(silicone) 수지일 수 있다. 발광 다이오드 칩(3)이 반사컵(9) 내에 배치된 경우, 상기 투명부재(5)는, 도시한 바와 같이, 반사컵(9) 내에 위치할 수 있다.
형광체들(7)은 투명부재(5)와 발광 다이오드 칩(3) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 형광체들(7)을 상기 발광 다이오드 칩(3) 상에 도포한 후, 상기 투명부재(5)가 형성된다. 이와 달리, 형광체들(7)은, 도시한 바와 같이, 투명부재(5) 내에 분산되어 위치할 수 있다. 투명부재(5) 내에 형광체들(7)을 분산시키는 다양한 기술이 알려져 있으며, 예컨대 형광체와 수지 분말을 혼합한 혼합분말을 사용하 여 트랜스퍼 몰딩하여 투명부재(5)를 형성하거나, 액상 수지 내에 형광체를 분산시킨 후, 이 액상 수지를 경화시켜 투명부재(5)를 형성할 수 있다.
도 2 및 도 3은 직렬연결된 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 칩(도 1의 3)을 설명하기 위한 단면도들이다.
상기 발광다이오드 칩은 기판(20) 상에 형성되고, 배선들(80-1 내지 80-n)에 의해 직렬접속된 복수의 발광셀(100-1 내지 100-n)을 갖는다. 즉, 발광다이오드 칩은 인접한 발광셀(100-1 내지 100-n)의 N형 반도체층(40)과 P형 반도체층(60)이 전기적으로 연결되고, 일 끝단의 발광셀(100-n)의 N형 반도체층(40) 상에 N형 본딩 패드(95)가 형성되고, 다른 일 끝단의 발광셀(100-1)의 P형 반도체층(60) 상에 P형 본딩 패드(90)가 형성된 복수의 발광셀들(100)을 포함한다.
인접한 발광셀(100-1 내지 100-n)의 N형 반도체층(40)과 P형 반도체층(60)이 금속 배선(80)을 통해 전기적으로 접속되어 직렬 연결된 발광셀들의 어레이가 형성된다.
제1 내지 제n의 발광셀들(100-1 내지 100-n)이 직렬 접속된 발광다이오드 칩에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 발광셀(100-1)의 P형 반도체층(60)상에 P형 패드(90)가 형성되고, 제1 발광셀(100-1)의 N형 반도체층(40)과 제2 발광셀(100-2)의 P형 반도체층(60)이 제1 배선(80-1)을 통해 접속된다. 또한, 제2 발광셀(100-2)의 N형 반도체층(40)과 제3 발광셀(미도시)의 P형 반도체층(미도시)이 제2 배선(80-2)을 통해 접속된다. 그리고, 제n-2 발광셀(미도시)의 N형 반도체층(미도시)과 제n-1 발광셀(100-n-1)의 P형 반도체층(60)이 제n-2 배선(80-n-2)을 통해 접속되고, 제n-1 발광셀(100-n-1)의 N형 반도체층(40)과, 제n 발광셀(100-n)의 P형 반도체층(60)이 제n-1 배선(80-n-1)을 통해 접속된다. 또한, 제n 발광셀(100-n)의 N형 반도체층(40)에 N형 패드(95)가 형성된다.
본 실시예의 기판(20)은 복수개의 발광다이오드 칩을 제작할 수 있는 기판일 수 있다. 여기서, 도 2 및 도 3의 A는 이러한 복수개의 발광다이오드 칩을 개별적으로 절단하기 위한 절단부를 나타낸다.
또한, 상술한 발광다이오드 칩은 외부 교류전압을 정류하기 위한 정류용 다이오드 셀들을 가질 수 있다. 상기 다이오드 셀들은 정류 브리지형태로 연결되어 브리지 정류기를 구성한다. 상기 브리지 정류기는 외부전원과 상기 직렬 연결된 발광셀들의 어레이 사이에 위치한다. 이에 따라, 상기 직렬 연결된 발광셀들의 어레이에 일정한 방향의 전류가 공급된다. 상기 정류용 다이오드 셀들은 상기 발광셀들과 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 정류용 다이오드 셀들은 상기 발광셀들과 동일한 공정에 의해 형성될 수 있다.
한편, 상기 기판 상에 적어도 두개의 직렬 연결된 발광셀들의 어레이들이 형성될 수 있다. 상기 어레이들은 서로 역병렬로 연결되어, 교류전원에 의해 번갈아가며 구동된다.
상기 발광셀들을 연결하는 방식은 다양하게 선택될 수 있으며, 상기 발광셀들은 직렬, 병렬 또는 직병렬로 전기적으로 연결되어 교류전원에 의해 구동될 수 있다.
이하, 상기 직렬접속된 발광셀들을 갖는 발광다이오드 칩의 제조 방법을 설 명한다.
기판(20) 상에 버퍼층(30), N형 반도체층(40), 활성층(50) 및 P형 반도체층(60)을 순차적으로 성장시킨다. P형 반도체층(60) 상에 투명 전극층(70)을 더 형성할 수도 있다. 상기 기판(20)은 사파이어(Al2O3), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 리튬-알루미나(LiAl2O3), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 또는 질화갈륨(GaN) 기판일 수 있으며, 기판(20) 상에 형성될 반도체층의 물질에 따라 선택될 수 있다. 질화갈륨계 반도체층을 형성할 경우, 상기 기판(20)은 사파이어 또는 탄화실리콘(SiC) 기판일 수 있다.
상기 버퍼층(30)은 결정 성장시에 기판(20)과 후속층들의 격자 부정합을 줄위기 위한 층으로서, 예컨대 갈륨질화막(GaN)일 수 있다. SiC 기판이 전도성 기판일 경우, 상기 버퍼층(30)은 절연층으로 형성되는 것이 바람직하며, 반절연 GaN로 형성될 수 있다. N형 반도체층(40)은 전자가 생성되는 층으로서, N형 화합물 반도체층과 N형 클래드층으로 형성될 수 있다. 이때, N형 화합물 반도체 층은 N형 불순물이 도핑되어 있는 GaN을 사용할 수 있다. P형 반도체층(60)은 홀이 생성되는 층으로서, P형 클래드층과 P형 화합물 반도체층으로 형성될 수 있다. 이때, P형 화합물 반도체층은 P형 불순물이 도핑되어 있는 AlGaN을 사용할 수 있다.
활성층(50)은 소정의 밴드 갭과 양자 우물이 만들어져 전자 및 홀이 재결합되는 영역으로서, AlxInyGazN층을 포함할 수 있다. 활성층(50)을 이루는 물질의 조성비에 따라 전자 및 홀이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 요구 되는 파장의 광, 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출할 수 있도록 상기 Al, In 및 Ga의 조성비가 선택된다.
그 후, 사진 및 식각공정을 사용하여 상기 P형 반도체층(60) 및 활성층(50)들을 패터닝하여 상기 N형 반도체층(40)의 일부를 노출시킨다. 또한, 상기 노출된 N형 반도체층(40)의 일부를 제거하여 각각의 발광셀(100)을 전기적으로 절연한다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 노출된 버퍼층(30)을 제거하여 기판(20) 상부면을 노출시킬 수 있으며, 도 3과 같이, 버퍼층(30)에서 식각을 정지할 수 있다. 상기 버퍼층(30)이 전도성인 경우, 상기 노출된 버퍼층(30)을 제거하여 발광셀들을 전기적으로 분리시킨다.
상술한 제조 공정과 동일한 방법을 이용하여 정류 브리지용 다이오드 셀들도 함께 형성할 수 있다. 물론, 통상의 반도체 제조 공정을 사용하여 별도로 정류 브리지용 다이오드 셀들을 형성할 수도 있다.
이후, 소정의 브리지(Bridge) 공정 또는 스텝커버(Step-Cover) 등의 공정을 통해 각기 인접한 발광셀(100-1 내지 100-n)의 N형 반도체층(40)과 P형 반도체층(60)을 전기적으로 연결하는 배선(80-1 내지 80-n-1)을 형성한다. 배선(80-1 내지 80-n)은 도전성 물질을 이용하여 형성하며, 예컨대 금속 또는 불순물 도핑된 실리콘 또는 실리콘 화합물을 사용하여 형성한다.
한편, 양끝단에 위치한 발광셀(100-1 및 100-n)에 각기 외부와 전기적 접속을 위한 P형 본딩 패드(90)와 N형 본딩 패드(95)를 형성한다. 상기 P형 패드(90) 및 N형 패드(95)에 본딩와이어들(도시하지 않음)이 연결될 수 있다.
상술한 본 발명의 발광다이오드 칩의 제조 방법은 일 실시예일 뿐이며, 이에 한정되지 않고, 다양한 공정과 제조 방법이 소자의 특성 및 공정의 편의에 따라 변경되거나 추가될 수 있다.
예를 들어, 기판 상에 복수개의 발광셀들을 형성한 후, 별도의 호스트 기판 상에 상기 발광셀들을 본딩하고, 상기 기판을 레이저를 사용하여 분리하거나, 화학기계적연마 기술을 사용하여 제거함으로써 호스트 기판 상에 복수개의 발광셀들을 형성하는 것도 가능하다.
상기 발광셀(100) 각각은 기판(20) 상에 순차적으로 적층된 N형 반도체층(40), 활성층(50) 및 P형 반도체층(60)을 포함하며, 버퍼층(30)이 기판(20)과 발광셀(100) 사이에 개재된다. 상기 발광셀(100) 각각은 상기 P형 반도체층(60) 상에 형성된 투명전극층(70)을 포함한다. 또한, 수직형 발광셀의 경우, N형 반도체층 하부에 위치하는 N형 전극을 포함한다.
N형 본딩 패드와 P형 본딩 패드는 발광셀(100)을 외부의 금속배선 또는 본딩와이어와 전기적으로 연결하기 위한 패드로서, Ti/Au의 적층 구조로 형성할 수 있다. 또한, 상기 배선들(80)을 연결하기 위한 전극패드들을 상기 발광셀들(100)의 N형 반도체층 및 P형 반도체층 상에 형성할 수 있다. 또한, 상술한 투명 전극층(70)은 입력되는 전류를 분산시키어, 전류가 P형 반도체층(60)에 균일하게 입력되도록 한다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 발광다이오드 칩은 발광셀들(100)이 배선들(80)을 통해 직렬 연결된 발광셀들의 어레이를 갖는다. 그러나, 상기 발광셀들을 직렬 연결하는 방법은 다양하며, 예컨대 상기 배선들(80) 대신에 상기 발광셀들의 N형 반도체층 및 P형 반도체층 상에 금속범퍼들을 형성하고, 상기 금속범퍼들을 서브마운트에 본딩하여 발광셀들을 직렬연결할 수도 있다. 또한, 상기 배선들(80)을 통해 상기 발광셀들(100)을 직렬 연결한 후, 상기 발광셀들(100)을 서브마운트에 플립본딩할 수도 있다. 이 경우, 열전도율이 높은 서브마운트를 채택하여 발광셀들(100)에서 방출되는 열을 외부로 쉽게 방출할 수 있어, 광효율을 더욱 개선할 수 있다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 백색 발광소자의 교류 동작을 설명하기 위한 회로도들이다.
우선, 도 4를 참조하면, 발광셀들(31a, 31b, 31c)이 직렬 연결되어 제1 직렬 발광셀 어레이(31)를 형성하고, 또 다른 발광셀들(33a, 33b, 33c)이 직렬 연결되어 제2 직렬 발광셀 어레이(33)를 형성한다. 여기서, "직렬 발광셀 어레이"는 다수의 발광셀들이 직렬로 연결된 발광셀들의 어레이를 의미한다.
상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(31, 33)의 양 단부들은 각각 리드단자를 통해 교류전원(35) 및 접지에 연결된다. 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들은 교류전원(35)과 접지 사이에서 역병렬로 연결된다. 즉, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들의 양 단부들은 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(31, 33)은 서로 반대 방향으로 흐르는 전류에 의해 발광셀들이 구동되도록 배치된다. 즉, 도시한 바와 같이, 제1 직렬 어레이(31)에 포함된 발광셀들의 양극(anode) 및 음극(cathode)과 제2 직렬 어레이(33)에 포함된 발광셀들의 양극 및 음극은 서로 반 대 방향으로 배치된다.
따라서, 교류전원(35)이 양의 위상일 경우, 상기 제1 직렬 어레이(31)에 포함된 발광셀들이 턴온되어 발광하며, 제2 직렬 어레이(33)에 포함된 발광셀들은 턴오프된다. 이와 반대로, 교류전원(35)이 음의 위상일 경우, 상기 제1 직렬 어레이(31)에 포함된 발광셀들이 턴오프되고, 제2 직렬 어레이(33)에 포함된 발광셀들이 턴온된다.
결과적으로, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(31, 33)이 교류전원에 의해 턴온 및 턴오프를 교대로 반복함으로써, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들을 포함하는 발광다이오드 칩은 연속적으로 빛을 방출한다.
한편, 도 4의 회로는 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들의 양단부들이 교류전원(35) 및 접지에 각각 연결되도록 구성하였으나, 상기 양단부들이 교류전원의 양 단자에 연결되도록 구성할 수도 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들은 각각 세 개의 발광셀들로 구성되어 있으나, 이는 설명을 돕기 위한 예시이고, 발광셀들의 수는 필요에 따라 더 증가될 수 있다. 그리고, 상기 직렬 어레이들의 수도 더 증가될 수 있다.
도 5를 참조하면, 발광셀들(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)이 직렬 발광셀 어레이(41)를 구성한다. 한편, 교류전원(45)과 직렬 발광셀 어레이(41) 및 접지와 직렬 발광셀 어레이(41) 사이에 다이오드 셀들(D1, D2, D3, D4)을 포함하는 브리지 정류기가 배치된다. 상기 다이오드 셀들(D1, D2, D3, D4)은 발광셀들과 동일한 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 광을 방출하지 않을 수도 있다. 상기 직렬 발광셀 어레이(41)의 애노드 단자는 상기 다이오드 셀들(D1, D2) 사이의 노드에 연결되고, 캐소드 단자는 다이오드 셀들(D3, D4) 사이의 노드에 연결된다. 한편, 교류전원(45)의 단자는 다이오드 셀들(D1, D4) 사이의 노드에 연결되고, 접지는 다이오드 셀들(D2, D3) 사이의 노드에 연결된다.
상기 교류전원(45)이 양의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 다이오드 셀들(D1, D3)이 턴온되고, 다이오드 셀들(D2, D4)이 턴오프된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 다이오드 셀(D1), 상기 직렬 발광셀 어레이(41) 및 브리지 정류기의 다이오드 셀(D3)을 거쳐 접지로 흐른다.
한편, 상기 교류전원(45)이 음의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 다이오드 셀들(D1, D3)이 턴오프되고, 다이오드 셀들(D2, D4)이 턴온된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 다이오드 셀(D2), 상기 직렬 발광셀 어레이(41) 및 브리지 정류기의 다이오드 셀(D4)을 거쳐 교류전원으로 흐른다.
결과적으로, 직렬 발광셀 어레이(41)에 브리지 정류기를 연결하므로써, 교류전원(45)을 사용하여 직렬 발광셀 어레이(41)를 계속적으로 구동시킬 수 있다. 여기서, 브리지 정류기의 단자들이 교류전원(45) 및 접지에 연결되도록 구성하였으나, 브리지 정류기의 상기 단자들이 교류전원의 양 단자에 연결되도록 구성할 수도 있다. 한편, 교류전원을 사용하여 직렬 발광셀 어레이(41)를 구동함에 따라, 리플(ripple)이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 RC 필터(도시하지 않음)를 연결하여 사용할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 하나의 직렬 발광셀 어레이를 교류전원에 전기적으로 연결하여 구동시킬 수 있으며, 도 4의 발광다이오드 칩에 비해 발광셀의 사용효율을 높일 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 발광 다이오드의 연결은 발광셀들의 교류동작을 설명하기 위한 실시예들일 뿐이며, 상기 발광셀들을 연결하는 방식은 다양하게 선택될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 발광소자의 발광특성을 설명하기 위한 그래프이다. 여기서, 점선(a)은 종래의 교류용 발광소자의 발광특성을 설명하기 위한 개략적인 그래프이고, 실선(b)은 본 발명의 실시예들에 따른 발광소자의 발광특성을 설명하기 위한 개략적인 그래프이다.
도 6을 참조하면, 지연형광체를 사용하지 않는 종래의 발광소자는 교류전압의 인가에 의해 주기적으로 온-오프를 반복한다. 교류전원의 주기를 T라 하면, 직렬연결된 발광셀들의 두개의 어레이들은 T 동안 교대로 한 번씩 동작한다. 따라서, 발광소자는 점선(a)으로 표시한 바와 같이, 주기 T/2로 광을 방출한다. 한편, 교류전압이 직렬연결된 발광셀들의 문턱전압을 초과하지 못할 경우, 발광셀들은 동작하지 못한다. 따라서, 발광셀들이 동작하는 시간들 사이에는 일정한 시간동안, 즉 교류전압이 발광셀들의 문턱전압보다 작은 시간 동안, 발광셀들이 턴오프된 상태로 있게 된다. 따라서, 종래의 발광소자는 발광셀들이 동작하는 시간 사이의 간격에 의해 발광소자에서 명멸현상이 나타날 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 발광소자는 지연형광체를 채택하므로, 실선(b)로 나타낸 바와 같이, 발광셀들이 턴오프되어 있는 동안에도, 광이 방출된다. 따라서, 광 강도에 변동이 있기는 하지만, 광이 방출되지 않는 시간이 짧아지며, 지연형광체의 잔광시간이 길면, 발광소자는 연속적으로 광을 방출하게 된다.
일반 가정용 교류전원이 약 60Hz 주파수의 전압을 인가할 경우, 전원의 한 사이클은 약 16.7msec이며, 반 사이클은 약 8msec가 된다. 따라서, 발광소자가 동작하는 동안, 발광셀들이 모두 턴오프되는 시간은 8msec보다 작으며, 따라서 지연형광체가 1msec 이상인 경우 명멸현상을 충분히 완화할 수 있다. 특히, 지연형광체의 잔광시간이 발광셀들이 모두 턴오프되는 시간과 비슷한 경우, 발광소자는 연속적으로 광을 방출할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 지연형광체를 채택함으로써 명멸현상을 완화 또는 방지할 수 있 교류용 발광소자를 제공할 수 있다. 이에 더하여, 지연형광체와 다른 형광체들을 조합하여 백색광을 방출하는 교류용 발광소자를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 다이오드 셀들을 포함하는 브리지 정류기, 및 금속배선에 의해 직렬로 전기적으로 연결된 복수개의 발광셀들의 어레이를 단일기판 상에 갖는 발광 다이오드 칩;
    상기 발광 다이오드 칩을 덮는 투명부재; 및
    상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광에 의해 여기되어 가시광선 영역의 광을 방출하는 지연형광체를 포함하는 교류용 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다이오드 셀들은 동작시 광을 방출하는 교류용 발광소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 다이오드 셀들은 상기 발광셀들과 동일한 구조를 갖는 교류용 발광소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 브리지 정류기는 네개의 노드들을 갖고, 상기 복수개의 발광셀들의 어레이는 상기 브리지 정류기의 노드들 중 두개의 노드들 사이에 연결된 교류용 발광소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광에 의해 여기되어 가시광선 영역의 광 을 방출하는 다른 형광체를 더 포함하되, 상기 다른 형광체는 잔광시간이 1msec 미만이고,
    상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광과, 상기 지연형광체에서 방출된 가시광선 영역의 광과, 상기 다른 형광체에서 방출된 가시광선 영역의 광의 혼합에 의해 백색광을 방출하는 교류용 발광소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광은 청색광인 교류용 발광 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 지연형광체는 적색 영역의 광을 방출하고, 상기 다른 형광체는 황색 또는 녹색 영역의 광을 방출하는 교류용 발광 소자.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광은 자외선인 교류용 발광소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 지연형광체는 잔광시간이 상기 복수개의 발광셀들의 어레이가 턴오프되는 시간 이상인 것을 특징으로 하는 교류용 발광소자.
  10. 삭제
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