KR100961483B1 - 다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를이용한 발광 장치 - Google Patents

다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를이용한 발광 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 셀이 어레이된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 조명용 발광장치에 관한 것으로, 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 소자 및 이의 제조 방법를 제공하되, 다수의 발광 셀 각각은 N형 반도체층과 P형 반도체층을 포함하며, 인접한 발광 셀의 N형 반도체층과 P형 반도체층이 전기적으로 연결되고, 일 끝단의 발광 셀의 N형 반도체층상에 N형 패드가 형성되고, 다른 일 끝단의 발광 셀의 P형 반도체층 상에 P형 패드가 형성된다. 또한, 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 소자와, 상기 발광 소자에 소정의 전원을 공급하는 전원부 및 상기 발광 소자에 인가되는 전압 및 전류의 파형을 조절하기 위한 제어부를 포함하는 발광장치를 제공한다. 이로써, 가정용 교류전원에 사용가능한 조명용 발광 장치의 제작 공정을 단순화시킬 수 있고, 조명용 발광 장치의 제작시 발생하는 불량률을 줄일 수 있으며, 조명용 발광 장치를 대량 생산할 수 있다. 또한, 발광 소자 외부에 소정의 정류 회로를 둠으로 인해 교류 동작시 직류 구동 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
발광 셀, 발광 소자, 직렬 접속, 금속배선, 정류 브리지, 조명용 발광 장치

Description

다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 발광 장치{Luminous element having arrayed cells and method of manufacturing thereof and luminous apparatus using the same}
도 1은 종래의 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 단위 발광 셀의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 발광 셀이 배열된 발광 소자의 단면도이다.
도 4 내지 도 8은 각기 본 발명의 제 1 내지 제 8 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 9는 본 발명에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 발광 소자 20 : 기판
30 : 버퍼층 40 : N형 반도체층
50 : 활성층 60 : P형 반도체층
70 : 투명전극 80 : 배선
90, 95 : 패드 100 : 발광 셀
150 : 정류 브리지부 200 : 발광 소자
210, 220, 230, 240, 250, 260 : 전극
310 : 전원부 320 : 제어부
본 발명은 다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 발광 장치에 관한 것으로, 특히, 단일 기판상에 다수의 발광용 셀이 배열된 단일의 발광 소자와 이의 제조 방법에 관한 것이고, 또한, 이를 이용하여 제조된 발광장치에 관한 것이다.
발광 다이오드는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 양공)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭한다. 이러한 발광 다이오드는 표시 소자 및 백라이트로 이용되고 있으며, 최근 일반 조명용도로 이를 적용하기 위해 활발한 연구가 진행중이다.
이는 발광 다이오드가 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길기 때문이다. 즉, 발광 다이오드의 소모 전력이 기존의 조명 장치에 비해 수 내지 수 십분의 1에 불과하고, 수명이 수 내지 수십배에 이르러, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 월등하기 때문이다.
일반적으로, 발광 다이오드를 조명용으로 사용하기 위해서는 별도의 패키징 공정을 통해 발광 소자를 형성하고, 다수의 개별 발광소자를 와이어 본딩을 통해 직렬 연결하고, 외부에서 보호 회로 및 교류/직류 변환기 등을 설치하여 램프의 형 태로 제작하였다.
도 1은 종래의 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 발광 칩이 실장된 다수의 발광 소자(10a 내지 10c)를 직렬 접속시켜 일반 조명 용도의 발광 장치를 제작하였다. 이를 위해 다수의 발광 소자(10a 내지 10c)를 직렬로 배열한 다음, 금속배선 공정을 통해 각기 다른 발광 소자(10a 내지 10c)내부의 발광 칩을 전기적으로 직렬 연결하였다. 이러한, 제조 공정에 관해서는 미국 공개 특허 제 5,463,280호에 개시되어 있다. 하지만, 상술한 구조를 통한 종래의 기술로 조명 용도의 발광 장치를 제작하였을 경우, 많은 개수의 소자에 일일이 금속 배선 공정을 수행하야야 하기 때문에 공정단계가 많아지고 복잡해지는 문제가 발생한다. 또한, 공정의 단계가 증가할수록 이에 따른 불량 발생률 또한, 높아지게 되어 대량 생산에 걸림돌이 되고 있다. 또한, 소정의 충격에 의해 금속배선이 단락 되어 발광소자의 동작이 종료되는 경우가 발생할 수 있다. 또한, 개개의 발광 소자를 직렬로 배열하여야 함으로 인해 차지하게 되는 공간이 커지게 되어 램프의 크기가 상당히 커지는 단점이 발생하였다.
또한, 앞서 설명한 소자 레벨의 발광 칩 어레이가 아닌 웨이퍼 레벨에서의 마이크로칩을 어레이함에 관해서는 한국 공개특허공보 제2004-9818호에 개시되어 있다. 이는, 표시 장치에 관한 것으로 각각의 화소에 발광을 유도하는 발광 다이오드가 배치 되도록 발광 셀을 매트릭스 형태로 배열한다. 하지만, 상술한 매트릭스 형태로 배열된 구조의 소자를 발광시키기 위해서는 세로 방향과 가로 방향으로 각기 서로 다른 전기적 신호를 인가하여야할 뿐만 아니라, 전기적 신호를 어드레스 방식으로 인가하여야 하기 때문에 이를 제어하기가 극히 어렵다. 또한, 매트릭스 형태의 배열로 인해 배선간의 단선이 우려되고, 배선간의 중첩영역에 많은 간섭이 발생하게 된다. 또한, 상술한 매트릭스 형태의 구조로는 고전압이 인가 되는 조명용 발광장치에 적용할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 단일칩의 발광 소자를 사용하여 발광 다이오드 램프를 제작할 수 있고, 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때문에 램프의 제작 공정을 단순화 할 수 있으며, 불량률을 감소시킬 수 있어 대량 생산에 유리한 다수의 셀이 어레이된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 발광 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 다수의 발광 셀이 단위 칩 내에서 직렬 접속된 발광 소자를 제공한다.
여기서, 상기 다수의 발광 셀 각각은 N형 반도체층과 P형 반도체층을 포함하되, 인접한 발광 셀의 N형 반도체층과 P형 반도체층이 전기적으로 연결되고, 일 끝단의 발광 셀의 N형 반도체층상에 N형 패드가 형성되고, 다른 일 끝단의 발광 셀의 P형 반도체층 상에 P형 패드가 형성된다.
상기 발광 셀에 소정의 정류 전원을 인가하기 위한 정류 브리지부를 더 포함한다. 외부의 교류 전원과 상기 정류 브리지부를 연결하기 위한 전극들을 더 포함 하고, 상기 발광 셀과 상기 정류 브리지부를 외부의 전원과 연결하기 위한 전극들을 더 포함할 수 있다. 상기 직렬 접속된 다수의 발광 셀 블록들이 병렬 접속된다.
또한, 기판상에 N형 반도체층과 P형 반도체층이 형성된 다수의 발광 셀을 마련하는 단계와, 인접한 발광 셀의 N형 반도체층과 P형 반도체층을 금속배선으로 연결하는 단계 및 양 끝단의 발광 셀의 N형 반도체층과 P형 반도체층 각각의 상부에 각기 N형 패드와 P형 패드를 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기의 다수의 발광 셀을 마련하는 단계는, 기판 상에 버퍼층, 상기 N형 반도체층, 활성층 및 상기 P형 반도체층을 순차적으로 결정 성장하는 단계와, 상기 N형 반도체층의 일부를 노출하는 단계 및 개별 발광 셀을 전기적으로 절연하는 단계를 포함한다.
또한, 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 소자와, 상기 발광 소자에 소정의 전원을 공급하는 전원부 및 상기 발광 소자에 인가되는 전압 및 전류의 파형을 조절하기 위한 제어부를 외부에 포함하는 발광장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명에 따른 단위 발광 셀의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 발광 셀(100)은 기판(20)과, 기판(20)상에 순차적으로 적층된 버퍼층(30), N형 반도체층(40), 활성층(50) 및 P형 반도체층(60)과, N형 반도체층(40) 상에 형성된 N형 본딩 패드(도 3a의 95번 참조)와, P형 반도체층(60) 상에 형성된 P형 본딩 패드(도 3a의 90번 참조)를 포함한다.
이때, N형 본딩 패드 하부와 P형 본딩 패드 하부 각각에 N형 저항 접속막(미도시) 및 P형 저항 접속막(미도시)을 더 포함할 수 있다. 또한, P형 반도체층(60)과 P형 본딩 패드 사이에 투명 전극층(70)을 더 포함할 수 있다.
상기에서 기판(20)은 발광 다이오드를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, 본 실시예에서는 사파이어로 구성된 결정 성장의 기판(20)을 사용한다. 즉, 상술한 다층의 구조는 결정성장의 기판(20)위에 에피택셜 성장을 통해 형성되기 때문이다.
다음으로, 버퍼층(30)은 결정 성장시에 기판(20)과 후속층들의 격자 부정합을 줄위기 위한 층으로서, 반도체 재료인 GaN을 포함하여 이루어진다. N형 반도체층(40)은 전자가 생성되는 층으로서, N형 화합물 반도체층과 N형 클래드층으로 형성된다. 이때, N형 화합물 반도체 층은 N형 불순물이 도핑되어 있는 GaN을 사용한다. P형 반도체층(60)은 전공이 생성되는 층으로서, P형 클래드층과 P형 화합물 반도체층으로 형성된다. 이때, P형 화합물 반도체층은 P형 불순물이 도핑되어 있는 AlGaN을 사용한다.
활성층(50)은 소정의 밴드 갭과 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결 합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어진다. 또한, 활성층(50)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 전공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 목표로 하는 파장에 따라 활성층(50)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다.
N형 본딩 패드와 P형 본딩 패드는 발광 셀(100)을 외부의 금속배선과 전기적으로 연결하기 위한 패드로서, Ti/Au의 적층 구조로 형성할 수 있다. 또한, 상술한 투명 전극층(70)은 P형 본딩 패드를 통해 입력되는 전압을 P형 반도체층(60)에 균일하게 전달하는 역할을 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 발광 셀(100)은 사파이어 기판(20)상에 형성된 수평타입의 발광 칩을 지칭하는 것으로, 본 발명에서는 하나의 발광 칩을 이용하여 하나의 발광 소자를 제작하지 않고, 다수의 발광 칩을 이용하여 하나의 발광 소자를 형성하기 때문에 종래의 발광 칩을 발광 셀로서 표기하였다.
이하 상술한 발광 셀의 제조 방법을 간략히 살펴본다.
사파이어 기판(100) 상에 버퍼층(30), N형 반도체층(40), 활성층(50) 및 P형 반도체층(60)을 순차적으로 결정 성장시킨다. P형 반도체층(60) 상에 투명 전극층(70)을 더 형성할 수도 있다. 각각의 층은 앞서 설명한 물질들을 증착하기 위한 다양한 방법을 통해 형성된다.
이후, 마스크를 이용한 사진 식각공정을 실시하여 N형 반도체층(40)의 일부를 개방한다. 즉, 상기 마스크를 식각마스크로 하는 식각공정을 통해 P형 반도체층(60), 활성층(50) 및 N형 반도체층(40)의 일부를 제거하여 N형 반도체층(40)을 노 출시킨다. 이때, 마스크는 감광막을 이용하여 형성하되, N형 패드가 형성될 영역을 개방하고, 개개의 셀를 전기적으로 고립할 수 있는 형상으로 형성한다. 식각 공정은 습식, 건식 식각공정을 실시할 수 있으며, 본 예에서는 플라즈마를 이용한 건식 식각을 실시하는 것이 효과적이다.
계속적인 식각공정을 실시하여 개별 발광 셀(100)을 전기적으로 분리한다. 즉, 사파이어 기판(20)이 드러날 때까지 N형 반도체층(40)과 버퍼층(30)을 식각하여 각각의 셀을 절연한다.
상술한 바와같이 단일의 마스크를 이용하여 식각을 실시할 수도 있지만, 각기 서로 다른 마스크를 이용하여 식각을 실시할 수도 있다. 즉, N형 패드가 형성될 영역을 개방하는 제 1 마스크를 이용한 제 1 식각을 실시한 다음, 발광 셀(100)을 전기적으로 분리하기 위해 소정 영역을 개방하는 제 2 마스크를 이용한 제 2 식각을 실시할 수 있다.
상기 마스크를 제거한 다음, 개방된 N형 반도체층(40)상에 N형 패드를 형성하고, P형 반도체층(60)상에 P형 패드를 형성한다.
앞서 언급한 바와 같이 본 발명은 단위 발광 셀을 직렬 배열시켜 이를 발광 소자로 제작한다. 하기에서는 이에 관해 도면을 참조하여 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 발광 셀이 배열된 발광 소자의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 발광 소자는 다수의 발광 셀(100-1 내지 100-n)이 직렬 접속되어 있다. 즉, 발광 소자는 인접한 발광 셀(100-1 내지 100-n)의 N형 반도체층(40)과 P형 반도체층(60)이 전기적으로 연결되고, 일 끝단의 발광 셀(100-n)의 N형 반도체층(40)상에 N형 패드(95)가 형성되고, 다른 일 끝단의 발광 셀(100-1)의 P형 반도체층(60) 상에 P형 패드(60)가 형성된 다수의 발광 셀(100)을 포함한다.
인접한 발광 셀(100-1 내지 100-n)의 N형 반도체층(40)과 P형 반도체층(60)은 소정의 금속 배선(80)을 이용하여 전기적으로 접속시킨다. 또한, 본 발명에서는 발광 셀(100-1 내지 100-n)들을 직렬 연결하여 교류 구동이 가능한 전압의 숫자만큼 형성하는 것이 효과적이다. 본 발명에서는 단일 발광 셀(100)을 구동하기 위한 전압/전류와 조명용 발광 소자에 인가되는 교류 구동전압에 따라 직렬 접속되는 발광 셀(100)의 개수가 매우 다양할 수 있다. 바람직하게는 10 내지 1000개의 셀을 직렬 접속한다. 더욱 바람직하게는 30 내지 70개의 셀을 직렬 접속하는 것이 효과적이다. 예를 들어, 220V 교류 구동에서는 일정 구동 전류에 3.3V 짜리 단위 발광 다이오드 셀을 66 내지 67개를 직렬로 연결하여 발광 소자를 제작한다. 또한, 110V 교류 구동에서는 일정 구동 전류에 3.3V 짜리 단위 발광 다이오드 셀을 33 내지 34개를 직렬로 연결하여 발광 소자를 제작한다.
예들 들어 도 3a와 같이, 제 1 내지 제 n 개의 발광 셀(100-1 내지 100-n)이 직렬 접속된 발광 소자에 있어서, 제 1 발광 셀(100-1)의 P형 반도체층(60)상에 P형 패드(90)가 형성되고, 제 1 발광 셀(100-1)의 N형 반도체층(40)과 제 2 발광 셀(100-2)의 P형 반도체층(60)이 제 1 배선(80-1)을 통해 접속된다. 또한, 제 3 발광 셀(100-3)의 N형 반도체층(40)과 제 4 발광 셀(미도시)의 P형 반도체층(미도시)이 제 2 배선(80-2)을 통해 접속된다. 그리고, 제 n-2 발광 셀(미도시)의 N형 반도체층(미도시)과 제 n-1 발광 셀(100-n-1)의 P형 반도체층(60)이 제 n-1 배선(80-n-1)을 통해 접속되고, 제 n-1 발광 셀(100-n-1)의 N형 반도체층(40)과, 제 n 발광 셀(100-n)의 P형 반도체층(60)이 제 n 배선(80-n)을 통해 접속된다. 또한, 제 n 발광 셀(100-n)의 N형 반도체층(40)에 N형 패드(95)가 형성된다.
본 발명의 기판(20)은 다수의 발광 소자를 제작할 수 있는 기판일 수 있다. 이에, 도 3a 및 도 3b의 A 영역을 이러한 다수의 소자를 개별적으로 절단하기 위한 절단 영역을 지칭한다.
또한, 상술한 발광 소자는 외부 교류전압을 정류하기 위한 정류용 제 1 내지 제 4 다이오드(미도시)가 형성될 수 있다. 제 1 내지 제 4 다이오드는 정류 브리지형태로 배열된다. 제 1 내지 제 4 다이오드간의 정류 노드들이 각기 발광 셀의 N형 패드와 P형 패드에 접속될 수 있다. 상기 제 1 내지 제 4 다이오드로 발광 셀을 사용할 수 있다.
이하 상술한 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 소자의 제조 방법을 간략히 살펴본다.
사파이어 기판(20)상에 버퍼층(30), N형 반도체층(40), 활성층(50) 및 P형 반도체층(60)을 순차적으로 결정 성장시킨다. P형 반도체층(60) 상에 투명 전극층(70)을 더 형성할 수도 있다.
소정의 패터닝 공정을 통해 상기 N형 반도체층(40)의 일부를 개방하고, 각각의 발광 셀(100)을 전기적으로 절연한다. 패터닝 공정은 전체 구조상에 감광막을 도포한 다음, 소정의 리소그라피 공정을 통해 소정 영역이 개방된 감광막 마스크(미도시)를 형성한다. 상기 소정영역은 발광 셀(100)들간의 사이 영역 및 개방될 N형 반도체층(40)영역을 지칭한다. 상기 감광막 마스크를 식각마스크로 하는 식각공정을 실시하여 P형 반도체층(60)과 활성층(50)을 식각하여 N형 반도체층(40)을 개방하고, 계속적인 식각공정을 실시하여 N형 반도체층(40)의 일부를 식각하여 개별 발광 셀(100) 형성하고, 이를 전기적으로 절연한다.
뿐만 아니라, 다수의 패터닝 공정을 실시하여 N형 반도체층(40)의 일부를 개방하고, 각각의 발광 소자를 전기적으로 절연할 수도 있다. 즉, 도 3a와 같이 P형 반도체층(60), 활성층(50) 및 N형 반도체층(40)의 일부를 식각하여 N형 반도체층(40)의 일부를 노출시키고, 별도의 공정을 통해, P형 반도체층(60), 활성층(50), N형 반도체층(40) 및 버퍼층(30)을 식각하여 발광 셀(100)을 전기적으로 절연한다. 뿐만 아니라, 도 3b와 같이 N형 반도체층(40)까지만 식각하여 발광 셀(100)을 전기적으로 절연할 수도 있다. 상기 패터닝 공정시 사용되는 식각 공정은 습식, 건식 식각공정을 실시할 수 있으며, 예에서는 플라즈마를 이용한 건식 식각을 실시하는 것이 효과적이다.
상술한 제조 공정과 동일한 방법을 이용하여 정류 브리지용 다이오드들도 함께 형성할 수도 있다. 물론, 통상의 반도체 제조 공정을 적용하여 별로도 정류 브리지용 다이오드를 형성할 수도 있다.
이후, 소정의 브리지(Bridge) 공정 또는 스탭 커버리지(Step Coverage) 등의 공정을 통해 각기 인접한 발광 셀(100-1 내지 100-n)의 N형 반도체층(40)과 P형 반 도체층(60)을 전기적으로 연결하는 도전성 배선(80-1 내지 80-n)을 형성한다. 도전성 배선(80-1 내지 80-n)은 도전성의 물질을 이용하여 형성하되, 금속 또는 불순물로 도핑된 실리콘 화합물을 이용하여 형성한다.
상술한 브리지 공정은 에어브리지 공정이라고도 하며, 서로 연결할 칩 간에 포토 공정을 이용해 감광액을 도포하고 현상하여 감광막 패턴을 형성하고, 그 위에 금속 등의 물질을 진공 증착등의 방법으로 먼저 박막으로 형성하고, 다시 그 위에 도금 또는 금속증착등의 방법으로 금을 포함하는 도전성 물질을 일정 두께로 도포한다. 이후, 솔벤트등의 용액으로 감광막 패턴을 제거하면 도전성 물질의 하부는 다 제거되고 브리지 형태의 도전성 물질 만이 공간에 형성된다.
또한, 스텝커버리지 공정은 서로 연결할 칩 간에 포토공정을 이용해 감광액을 도포하고, 현상하여 서로 연결될 부분만을 남기고 다른 부분은 감광막 패턴으로 뒤덮고, 그 위에 도금 또는 금속증착 등의 방법으로 금을 포함하는 도전성 물질을 일정두께로 도포한다. 이어서, 솔벤트 등의 용액으로 감광막 패턴을 제거하면 도전성 물질이 덥힌 이외의 부분은 다 제거되고 이 덮혀진 부분 만이 남아 연결할 칩 사이를 전기적으로 연결시키는 역할을 하게 되다.
한편, 양끝단에 위치한 발광 셀(100-1 및 100-n)에 각기 외부와 전기적 접속을 위한 P형 패드(90)와 N형 패드(95)를 형성한다. 정류 브리지용 다이오드를 P형 패드(90)와 N형 패드(95)에 각기 접속시킬 수도 있고, 별도의 도전성 배선을 P형 패드(90)와 N형 패드(95)에 접속시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 발광 소자의 제조는 일 실시예일뿐 이에 한정되지 않고, 다양한 공정과 제조 방법이 소자의 특성 및 공정의 편의에 따라 변경되거나 추가 될 수 있다. 즉, 앞서 언급한 수평형의 발광 셀 뿐만 아니라 수직형의 발광 셀 직렬 연결하여 발광 소자를 제작할 수 있다.
예를 들어, N형 패드, N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층 및 P형 패드가 순차적으로 적층된 형상의 다수의 수직형 발광 셀을 기판상에 형성하거나, 형성된 발광 셀을 기판상에 본딩한다. 이후, 인접한 발광 셀의 N형 패드 및 P형 패드간을 배선으로 연결하여 다수의 발광 셀간을 직렬 연결하여 발광 소자를 제작한다. 물론 상기의 수직형 발광 셀은 상술한 예에 한정된 구조가 아닌 다양한 구조가 가능하고, 상기의 기판이 아니 별도의 호스트 기판 상에 다수의 수직형 발광 셀을 본딩하고, 이들간을 직렬 연결도 가능하다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)이 외부와 전기적으로 연결된다. 도 3a 및 도 3b에서 설명한 본 발명의 발광 소자(200)에 와이어 공정을 통해 N형 패드(95) 및 P형 패드(90)에 각기 제 1 및 제 2 전극(210 및 220)을 형성한다. 제 1 및 제 2 전극(210 및 220) 각각은 애노드전극 및 캐소드전극을 지칭한다. 이로써, 다수의 발광 셀(100)이 직렬 접속된 단일의 발광소자(200)를 제조한다.
뿐만 아니라, 교류 구동시에도 동작할 수 있도록 별도의 제어부가 추가된 발광 소자를 제공할 수 있다.
다수의 발광 셀들이 직렬 연결된 상기의 경우에 한정되지 않고, 다수의 발광 셀들이 직렬 연결된 다수의 발광 셀 블록을 병렬 연결시켜 발광 소자를 제작할 수 있다. 이에 관해 후술한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)을 포함하는 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)이 전극 사이에서 병렬 접속된다.
상기의 도 5에서는 제 1 발광 셀 블록(1000a)과 제 2 발광 셀 블록(1000b)이 제 1 및 제 2 전극(210 및 220) 사이에 병렬 접속되어 있다. 이때, 제 1 발광 셀 블록(1000a)의 캐소드는 제 1 전극(210)에 접속되고, 애노드는 제 2 전극(220)에 접속되며, 제 2 발광 셀 블록(1000b)의 캐소드는 제 2 전극(220)에 접속되고, 애노드는 제 1 전극(210)에 접속된다. 이는 일 실시예일뿐, 2개 이상의 발광 셀 블록(1000)이 병렬 연결될 수도 있다. 또한, 병렬 연결된 두개의 발광 셀 블록(1000a 및 1000b) 각각은 앞서 언급한 발광 셀(100) 개수의 절반 정도의 개수의 발광 셀(100)이 포함되어 구성될 수도 있다. 즉, 발광 소자에 포함된 발광 셀 블록(1000)내의 발광 셀이 40이면, 제 1 발광 셀 블록(1000a)내에 20개, 제 2 발광 셀 블록(1000b)내에 20개로 나누어질 수 있다. 물론 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)내의 발광 셀(100)의 개수는 이와 같이 한정되지 않는다. 하지만, 발광소자의 밝기의 변화를 최소화하기 위해 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b) 내의 발광 셀(100)의 개수가 동일한 것이 바람직하다.
상술한 구성의 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 동작을 살펴보면, 만일 제 1 전극(210)에 +전압이 인가되고, 제 2 전극(220)에 -전압이 인가될 경우, 제 2 발광 셀 블록(1000b)이 발광하게 된다. 한편, 제 1 전극(210)에 -전압이, 제 2 전극(220)에 +전압이 인가될 경우, 제 1 발광 셀 블록(1000a)이 발광하게 된다. 즉, 외부의 교류 전원이 발광 소자에 인가되더라도 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)이 번갈아 가면서 발광하기 때문에 교류전원에서도 충분히 사용이 가능하다. 또한 가정에서 사용되는 전원은 60Hz 이므로 두개의 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)이 번갈아 가면서 발광하여도 아무런 문제가 없다.
이뿐만 아니라 소정의 정류 동작을 하는 별도의 브리지부를 포함하는 발광 소자를 제작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)과, 발광 셀과 접속되고 발광 셀(100)에 소정의 전류를 인가하기 위한 정류 브리지부(150)와 상기 정류 브리지부(150)와 접속된 전극들(210 및 220)을 포함한다.
본 실시예에서는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)이 외부의 전원과 집적 접속되지 않고, 제 1 및 제 2 전극(210 및 220)에 접속된 정류 브리지부(150)를 통해 외부의 전원에 전기적으로 접속된다. 상기의 정류 브리지부(150)는 제 1 전극(210)과 발광 셀(100)의 에노드 단자에 접속된 제 1 다이오드(D1)와, 발광 셀(100)의 에 노드단자와 제 2 전극(220)에 접속된 제 2 다이오드(D2)와, 제 2 전극(220)과 발광 셀(100)의 캐소드에 접속된 제 3 다이오드(D3)와, 발광 셀(100)의 캐소드와 제 1 전극(210)에 접속된 제 4 다이오드(D4)를 포함하여 이루어진다. 따라서, 정류 브리지부(150)는 교류 구동중 순방향 전압 인가시 순방향으로 정렬된 브리지 다이오드(D1 및 D3)에 의해 전류가 직렬 접속된 발광 셀(100)에 인가되고, 역방향 전압 인가시 역방향으로 정렬된 정류브리지 다이오드(D2 및 D4)에 의해 전류가 직렬 접속된 발광 셀(100)에 인가된다. 이로써, 교류전원에 상관없이 계속적으로 발광 소자(200)가 발광하게 된다.
또한, 외부의 전원이 정류 브리지와 직렬 접속된 발광 셀에 동시에 인가될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)과, 발광 셀(100)에 소정의 전류를 인가하기 위한 정류 브리지부(15)와, 상기 발광 셀(100)과 정류 브리지부(150)에 각기 접속된 전극들(210 내지 240)을 포함한다.
본 실시예에서는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)이 제 2 및 제 4 전극(220 및 240)에 의해 외부의 전원과 집적 접속되고, 제 1 및 제 3 전극(210 및 230)에 접속된 정류 브리지부(15)에 의해 외부 전원과 전기적으로 접속되어 있다. 상기의 발광 셀(110)과 접속되는 전원과 정류 브리지부(150)와 접속되는 전원은 동일한 전 원일 수도 있고, 각기 다른 전원일 수도 있다.
상기의 정류 브리지부(150)는 제 1 전극(210)과 제 2 전극(220)사이에 접속된 제 1 다이오드(D1)와, 제 2 전극(220)과 제 3 전극(230) 사이에 접속된 제 2 다이오드(D2)와, 제 3 전극(230)과 제 4 전극(240) 사이에 접속된 제 3 다이오드(D3)와, 제 4 전극(240)과 제 1 전극(210) 사이에 접속된 제 4 다이오드(D4)를 포함하여 구성하되, 제 2 전극(220) 및 제 4 전극(240)은 각기 발광 칩(100)의 에노드 및 캐소드에 접속된다.
본 실시예에서는 교류 전원은 정류 브리지부(150)를 통해 인가되고, 제 2 전극(220) 및 제 4 전극(240)은 외부로부터 RC필터를 연결하여 사용할 용도로 따로 마련된 것이다. 직류 전원은 발광 셀(100)에 직접 인가된다. 이로써, 본 발명의 발광 소자(200)의 전체 입출력 전극 단자수는 4개가된다. 이때, 2개는 교류 구동용 이고, 나미지 2개는 RC 필터를 병렬로 연결할 용도로 준비되어 있다. RC 필터의 역할은 전류 성분중 리플 요소(Ripple Factor)를 최소화 하기 위함이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)과, 발광 셀(100)에 소정의 전류를 인가하기 위한 정류 브리지부(150)와, 상기 정류 브리지부(150)에 접속된 전극들(210 및 220)과, 상기 정류 브리지부(150)에 접속되고, LED 어레이의 저항을 조절하기 위한 외부 연결용 음전극(250)과 상기 발광 셀(100)에 접속된 직류용 양전극(260)을 포함한다.
본 실시예에서는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)의 양전극(260)과 외부 연결용 음전극(250) 사이에 저항체를 임으로 직렬 연결하여 과부하를 방지할 수 있다.
상기의 정류 브리지부(150)는 제 1 전극(210)와 외부 연결용 음전극(250)사이에 접속된 제 1 다이오드(D1)와, 외부 연결용 음전극(250)과 제 2 전극(220) 사이에 접속된 제 2 다이오드(D2)와, 제 2 전극(220)과 발광 셀(100)의 캐소드 사이에 접속된 제 3 다이오드(D3)와, 발광 셀(100)의 캐소드와 제 1 전극(210) 사이에 접속된 제 4 다이오드(D4)를 포함하여 구성된다.
도 9는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)과, 발광 셀(100)에 소정의 전류를 인가하기 위한 정류 브리지부(150)와, 정류 브리지부(150)와 발광 셀(100)에 각기 접속된 전극들(210 내지 240)과, 상기 정류 브리지부(150)에 접속된 외부 연결용 음전극(250)을 포함한다.
본 실시예에서는 정류브리지부(150)의 두 단자(210 및 230)가 교류 전원에 연결되고 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)이 연결된 제 2 및 제 4 전극(220 및 240)에는 병렬로 RC회로가 연결되어 교류 성분의 리플 요소를 최소화 하고, 외부 연결용 음전극(250)에는 직렬로 저항체를 연결하여 발광 셀(100)에 걸리는 과부하를 방지할 수 있는 특징이 있다.
상기의 정류 브리지부(150)는 제 1 전극(210)과 외부 연결용 음전극(250)사 이에 접속된 제 1 다이오드(D1)와, 외부 연결용 음전극(250)과 제 3 전극(230) 사이에 접속된 제 2 다이오드(D2)와, 제 3 전극(230)과 제 4 전극(240) 사이에 접속된 제 3 다이오드(D3)와, 제 4 전극(240)과 제 1 전극(210) 사이에 접속된 제 4 다이오드(D4)를 포함하여 구성하되, 제 4 전극(240)은 발광 칩(100)의 캐소드에 접속된다.
본 실시예에서는 전체 입출력 전극 단자수는 5개가 되고, 교류 전원은 정류 브리지부(150)를 통해 인가되고, 나머지 전극들은 각각 외부 연결용 음전극(250), 병렬로 RC회로가 연결되는 두 전극(220 및 240)으로 구성된다.
도 10은 본 발명에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10을 참조하면, 전원부(310)와, 다수의 발광 셀(100)이 직렬 접속된 발광 소자(200)와, 발광 소자(200)에 인가되는 전압 및 전류의 파형을 조절하기 위한 제어부(320)를 포함한다.
상기 도면에서는 전원부(310)로 교류 전원이 인가되고, 제어부(320)에 구성된 병렬 RC회로와 직렬 저항체를 발광소자(200)부에 연결하는 형태로 구성된다.
제어부(320)는 발광 소자(200) 내부의 발광 셀(100)과 각기 병렬 접속된 커패시터(C1) 및 제 1 저항(R1)을 포함한다. 발광 셀(100)과 직렬 접속된 제 2 저항(R2)을 더 포함할 수도 있다.
이를 도 10을 참조하여 조명용 발광 장치의 구조 및 동작에 관해 구체적으로 설명한다.
발광 소자(200)의 정류 브리지부(150)는 제 1 및 제 2 단자를 통해 교류 전 원과 접속된다. 제 1 및 제 2 단자가 접속되지 않는 정류 브리지부(150)의 두 노드 사이에 제 2 저항(R2)과 발광 셀(100)부가 직렬 접속된다. 또한, 제 1 및 제 2 단자가 접속되지 않는 정류 브리지부(150)의 두 노드에 제 1 커패시터(C1)와 제 1 저항(R1)이 각기 병렬 접속된다. 즉, 직렬 접속된 제 2 저항(R2)과 발광 셀(100)부가 제 1 커패시터(C1) 및 제 1 저항(R1)과 각기 병렬 접속된다.
따라서, 본 발광 장치에 교류 전원을 인가시키면 발광 소자(200)내의 정류 브리지부(150)를 통해 양과 음으로 구분된 전류가 발광 셀(100)부의 양방향으로 인가되고, 이로써, 순차적으로 발광을 하게 된다. 또한, 각각 병렬로 접속된 커패시터(C1)와, 저항(R1 및 R2)으로 인해 전류의 파형이 조절된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 단일의 발광 소자를 통해 조명용으로 사용할 수 있는 발광 장치를 제작할 수 있다.
또한, 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때문에 고전압 및 가정용 교류전원에서 발광할 수 있는 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 다수의 발광 셀이 기판상에서 전기적으로 연결된 발광 소자를 사용하기 때문에 조명용 발광 장치의 제작 공정을 단순화시킬 수 있고, 조명용 발광 장치이 제작시 발생하는 불량률을 줄일 수 있으면, 조명용 발광 장치를 대량 생산할 수 있다.
또한, 발광 소자 칩의 전극과 소정의 정류 회로를 연결하여 교류 동작시 리플 요소를 최소화 하여 발광 효율을 극대화하고 저하체의 설치를 통해 LED 어레이 에 걸리는 부하를 조절하여 발광 소자 칩을 보호할 수 있다.

Claims (22)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 복수의 발광셀;을 포함하며, 상기 발광셀은 각각 n형 반도체층과 p형 반도체층을 포함하는 발광소자에 있어서,
    상기 발광소자는,
    외부 교류전원에 대하여 전압의 순방향 및 역방향 주기에서 모두 발광하는 적어도 하나의 발광셀을 포함하는 제 1발광셀 블록;과
    외부 교류전원에 대하여 전압의 순방향 및 역방향 주기중 하나의 주기에서만 발광하는 적어도 하나의 발광셀을 포함하는 제 2발광셀 블록;을 포함하고,
    상기 제 2발광셀 블록은 제 1발광셀 블록의 양 단부에 연결되어 교류 전원의 순방향 및 역방향에 대하여 상기 제 1발광셀 블록을 발광가능하도록 구성된 발광소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1발광셀 블록의 한 끝단의 n형 반도체층이 상기 제 2발광셀 블록의 순방향 주기에서 발광하는 발광셀의 p형 반도체층에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 발광소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1발광셀 블록의 한 끝단의 n형 반도체층이 상기 제 2발광셀 블록의 역방향 주기에서 발광하는 발광셀의 p형 반도체층에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 발광소자.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1발광셀 블록의 한 끝단의 p형 반도체층이 상기 제 2발광셀 블록의 순방향 주기에서 발광하는 발광셀의 n형 반도체층에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 발광소자.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1발광셀 블록의 한 끝단의 p형 반도체층이 상기 제 2발광셀 블록의 역방향 주기에서 발광하는 발광셀의 n형 반도체층에 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 발광소자.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1발광셀 블록은 다수의 발광셀이 직렬로 연결된 어레이임을 특징으로 하는 발광소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1발광셀 블록은 상기 직렬로 연결된 어레이가 적어도 2개 포함되며, 적어도 2개의 어레이는 서로 병렬로 연결됨을 특징으로 하는 발광소자.
  16. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1발광셀 블록은 다수의 발광셀이 병렬로 연결된 것임을 특징으로 하는 발광소자.
  17. 제 9항에 있어서,
    상기 발광소자는 외부 전원의 공급을 위한 적어도 2개의 전극을 포함함을 특징으로 하는 발광소자.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 전극은 인접하여 위치하는 적어도 2개의 발광셀을 서로 역방향으로 접속함을 특징으로 하는 발광소자.
  19. 제 9항에 있어서,
    상기 발광소자는 외부소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 발광소자는 외부 전원의 입력을 위한 전극 외에 외부소자와의 연결을 위한 적어도 2개의 전극을 추가로 포함함을 특징으로 하는 발광소자.
  21. 제 19항 또는 제 20항에 있어서,
    상기 외부소자는 전류 및 파형을 조절하기 위한 제어부임을 특징으로 하는 발광소자.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제어부는 RC회로임을 특징으로 하는 발광소자.
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