KR101001242B1

KR101001242B1 - 교류용 발광 다이오드

Info

Publication number: KR101001242B1
Application number: KR1020080082133A
Authority: KR
Inventors: 김종규; 박인규; 김대원; 신진철; 윤여진
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-12-17
Also published as: KR20100023400A

Abstract

교류용 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 서로 직렬 연결된 복수개의 브리지 정류기들 및 각 브리지 정류기에 연결된 발광셀들의 직렬 어레이들을 포함한다. 각 브리지 정류기는 제1 내지 제4 브리지부들로 이루어지고, 제1 및 제2 브리지부들과 제3 및 제4 브리지부들이 각각 입력단과 출력단에 연결되고, 상기 제1 및 제4 브리지부들이 제1 노드에 연결되고, 상기 제2 및 제3 브리부들이 제2 노드에 연결된다. 한편, 각 직렬 어레이는 제1 노드와 제2 노드에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 역방향 전압에 대한 안정성을 확보하면서 광효율을 높일 수 있다.

교류용 발광 다이오드, 브리지 정류기, 직렬 어레이

Description

교류용 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE FOR AC OPERATION}

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 외부의 교류-직류 변환기를 사용하지 않고도 교류 전원에 연결되어 구동될 수 있는 교류용 발광 다이오드에 관한 것이다.

발광 다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 접합된 구조를 가지는 전계발광 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.

일반적으로, 발광 다이오드는 순방향 전류가 흐를 때 구동되므로 교류전원하에서 전류의 방향에 따라 온/오프를 반복한다. 따라서, 발광 다이오드를 교류전원에 직접 연결하여 사용할 경우, 발광 다이오드가 연속적으로 빛을 방출하지 못하며, 역방향 전압에 의해 쉽게 파손될 수 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.

도 1은 종래의 교류용 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 교류용 발광 다이오드는 기판(11) 상에 서로 직렬 연결된 발광셀들(13)의 어레이들을 포함한다. 상기 발광셀들은 금속배선들을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 이러한 직렬 어레이들이 기판(11) 상에 형성된 패드들(15) 사이에서 서로 역병렬로 연결된다. 여기에서는, 6개의 열로 배열된 발광셀들(13)이 도시되어 있으며, 제1열(17), 제3열 및 제5열의 발광셀들이 서로 직렬 연결되어 하나의 어레이를 형성하고, 제2열(19), 제4열 및 제6열의 발광셀들이 서로 직렬 연결되며 다른 하나의 어레이를 형성하고, 이들 어레이들이 패드들(15) 사이에서 역병렬로 연결되어 있다.

패드들(15)에 외부의 교류전원이 연결된 경우, 반 주기 동안은 제1, 제3, 제5열의 어레이가 구동되고, 나머지 반 주기 동안은 제2, 제4 및 제6열의 어레이가 구동된다. 이에 따라, 상기 발광 다이오드는 교류 전원하에서 상기 어레이들이 서로 교대로 온-오프를 반복하여 광을 방출한다.

그러나, 상기 발광 다이오드는 통상 역병렬 연결된 어레이들을 이용하여 교류 구동되므로, 평균적으로 반 이하의 발광셀들만이 광을 방출한다. 따라서 종래의 교류용 발광 다이오드는 기판 상에 형성된 발광셀들의 구동효율이 낮으며 결과적으로 광효율이 낮은 문제점을 갖는다.

한편, 브리지 정류기에 발광셀들의 직렬 어레이를 연결하여 더 많은 수의 발 광셀들을 구동시킬 수 있다. 그러나, 발광셀들의 직렬 어레이에 인가되는 전압이 브리지 정류기를 구성하는 다이오드에 역방향 전압으로 인가되기 때문에, 일반적으로 다수의 발광셀들을 사용하여 고전압하에서, 예컨대 110V 또는 220V에서 구동되는 교류용 발광 다이오드의 경우, 브리지 다이오드가 파괴되기 쉽다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 교류전원하에서 구동되는 발광셀들의 수를 증가시켜 광효율을 개선함과 아울러 역방향 전압에 대한 안정성을 도모할 수 있는 교류용 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 교류용 발광 다이오드는 서로 직렬 연결된 복수개의 브리지 정류기들 및 상기 각 브리지 정류기에 연결된 발광셀들의 직렬 어레이들을 포함한다. 한편, 상기 각 브리지 정류기는 제1 내지 제4 브리지부들로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 브리지부들과 상기 제3 및 제4 브리지부들이 각각 입력단과 출력단에 연결되고, 상기 제1 및 제4 브리지부들이 제1 노드에 연결되고, 상기 제2 및 제3 브리부들이 제2 노드에 연결된다. 이에 더하여, 상기 각 직렬 어레이는 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에 전기적으로 연결된다.

또한, 상기 제1 내지 제4 브리지부들은 각각 적어도 하나의 발광셀들을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 브리지부들 내의 상기 발광셀들은 상기 제1 노드와 제2 노드에 연결된 직렬 어레이 내의 발광셀들과 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 브리지 정류기 내의 발광셀은 직렬 어레이 내의 발광셀을 형성하는 동안 동일 공정에 의해 함께 형성될 수 있다.

또한, 상기 브리지 정류기들 및 상기 직렬 어레이들은 단일의 발광 다이오드 칩 내에 형성될 수 있다.

새로운 서로 직렬 연결된 브리지 정류기들이 상기 서로 직렬 연결된 브리지 정류기들에 병렬로 연결될 수 있다. 이에 따라, 동일한 교류전압하에서 더 많은 수의 발광셀들을 구동시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 역방향 전압에 대한 안정성을 확보하면서 구동되는 발광셀들의 수를 증가시켜 교류용 발광 다이오드의 광효율을 높일 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.

도 2를 참조하면, 상기 교류용 발광 다이오드는 복수개의 브리지 정류기들 및 상기 각 브리지 정류기에 연결된 발광셀들의 직렬 어레이들(31, 32, 33)을 포함한다.

각각의 브리지 정류기는 제1 내지 제4 브리지부들(21, 22, 23, 24)로 이루어 진다. 상기 제1 브리지부(21)와 제2 브리지부(22)는 입력단(41)에 연결되고, 상기 제3 브리지부(23)와 제4 브리지부(24)는 출력단(43)에 연결된다. 여기서 입력단(41)과 출력단(43)은, 설명의 편의상 정한 것으로, 교류전원에 입력되는 전류의 방향에 따라 서로 뒤바뀔 수 있다.

상기 제1 브리지부(21)와 제2 브리지부(22)는 입력단(41)과 출력단(43) 사이에 인가된 전압에 대해 서로 반대 극성이 되도록 입력단(41)에 연결되고, 상기 제3 브리지부(23)와 제4 브리지부(24) 또한 입력단(41)과 출력단(43) 사이에 인가된 전압에 대해 서로 반대 극성이 되도록 출력단(43)에 연결된다.

한편, 상기 제1 브리지부(21)와 제4 브리지부(24)는 제1 노드(45)에 연결되고, 상기 제2 브리지부(22)와 제3 브리부(23)는 제2 노드(47)에 연결된다. 제1 브리지부(21)와 제4 브리지부(24)는 입력단(41)과 출력단(43) 사이에 인가된 전압에 대해 서로 반대 극성이 되도록 제1 노드(45)에 연결되고, 상기 제2 브리지부(22)와 제3 브리지부(23) 또한 입력단(41)과 출력단(43) 사이에 인가된 전압에 대해 서로 반대 극성이 되도록 제2 노드(47)에 연결된다.

상기 복수개의 브리지 정류기들은 이웃하는 브리지 정류기의 입력단(41)과 출력단(43)이 서로 전기적으로 연결됨으로써 직렬 연결된다. 따라서 하나의 브리지 정류기의 출력단(43)을 통해 나오는 전류는 그것에 연결된 브리지 정류기의 입력단(41)으로 유입된다.

한편, 복수개의 발광셀들이 직렬 연결된 어레이들(31, 32, 33)은 각각 상기 브리지 정류기의 제1 노드(45)와 제2 노드(47)에 전기적으로 연결된다. 상기 어레 이들(31, 32, 33)은 교류 전원(50)에서 입력되는 전류에 대해 순방향이 되도록 제1 노드(45)와 제2 노드(47)에 전기적으로 연결되며, 따라서 상기 어레이들(31, 32, 33)은 브리지 정류기의 브리지부들을 통해 서로 직렬 연결된다.

상기 제1 내지 제2 브리지부들(21 ~ 24) 및 직렬 어레이들(31, 32, 33)은 단일 기판(51) 상에 형성되어 단일의 발광 다이오드 칩 내에 배치될 수 있다.

한편, 상기 제1 내지 제2 브리지부들(21 ~ 24)은 각각 적어도 하나의 발광셀을 포함할 수 있으며, 발광셀만으로 구성될 수도 있다. 상기 브리지부들 내의 발광셀은 직렬 어레이들(31, 32, 33) 내의 발광셀들과 동일한 구조를 가질 수 있으며, 동일한 공정에 의해 형성될 수도 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 서로 직렬 연결된 브리지 정류기들은 하나의 어레이를 이루어 교류 전원에 연결되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 새로운 직렬 연결된 브리지 정류기들이 상기 어레이에 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 직렬 연결된 브리지 정류기들의 새로운 어레이가 상기 브리지 정류기들의 어레이에 병렬로 연결될 수 있다. 복수개의 이러한 새로운 어레이들이 상기 브리지 정류기들의 어레이에 병렬로 연결될 수 있다.이에 따라, 교류전원(50)의 동일 전압하에서 더 많은 수의 발광셀들을 구동시킬 수 있다.

상기 브리지부들(21 ~ 24) 및 직렬 어레이들 내의 발광셀들은 배선들을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 이러한 배선들은 에어 브리지 또는 스텝 커버 공정에 의해 형성될 수 있다.

도 4 및 도 5는 발광셀들의 직렬 어레이(31, 32, 33)를 설명하기 위한 부분 단면도이다. 여기서, 도 4는 에어브리지 공정에 의해 형성된 배선들에 의해 발광셀들이 직렬 연결된 것을 설명하기 위한 부분단면도이고, 도 5는 스텝커버 공정에 의해 형성된 배선들에 의해 발광셀들이 직렬 연결된 것을 설명하기 위한 부분 단면도이다.

도 4를 참조하면, 기판(51) 상에 복수개의 발광셀들(58)이 서로 이격되어 위치한다. 상기 발광셀들 각각은 제1 도전형 하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 제2 도전형 상부 반도체층(59)을 포함한다. 상기 활성층(57)은 단일 양자웰 구조 또는 다중 양자웰 구조일 수 있으며, 요구되는 발광 파장에 따라 그 물질 및 조성이 선택된다. 예컨대, 상기 활성층은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 한편, 상기 하부 및 상부 반도체층(55, 59)은 상기 활성층(57)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성되며, 질화갈륨 계열의 화합물 반도체로 형성될 수 있다.

한편, 상기 하부 반도체층(55)과 상기 기판(51) 사이에 버퍼층(53)이 개재될 수 있다. 버퍼층(53)은 기판(51)과 하부 반도체층(55)의 격자부정합을 완화시키기 위해 채택된다. 상기 버퍼층(53)은 도시된 바와 같이 서로 이격될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 버퍼층(53)이 절연성이거나 저항이 큰 물질로 형성된 경우, 서로 연속적일 수 있다.

상기 상부 반도체층(59)은, 도시한 바와 같이, 상기 하부 반도체층(55)의 일부 영역 상부에 위치하며, 상기 활성층은 상부 반도체층(59)과 하부 반도체층(55) 사이에 개재된다. 또한, 상기 상부 반도체층(59) 상에 투명전극층(61)이 위치할 수 있다. 상기 투명전극층(61)은 인디움틴산화막(ITO) 또는 Ni/Au 등의 물질로 형성될 수 있다.

한편, 배선들(67)이 상기 발광셀들(58)을 전기적으로 연결한다. 상기 배선들(67)은 하나의 발광셀의 하부 반도체층(55)과 그것에 이웃하는 발광셀의 투명전극층(61)을 연결한다. 상기 배선들은 도시한 바와 같이, 상기 투명전극층(61) 상에 형성된 전극패드(64)와 상기 하부 반도체층(55)의 노출된 영역 상에 형성된 전극패드(65)를 연결할 수 있다. 여기서, 상기 배선들(67)은 에어브리지 공정에 의해 형성된 것으로, 접촉부를 제외한 부분은 기판(51) 및 발광셀들(58)로부터 물리적으로 떨어져 있다. 상기 배선들(67)에 의해 단일 기판(51) 상에서 발광셀들이 직렬 연결된 직렬 어레이(31, 32, 33)가 형성된다.

도 5를 참조하면, 상기 발광셀들(58)을 연결하는 배선들은 스텝커버 공정에 의해 형성될 수 있다. 즉, 배선들(87)을 접촉시키기 위한 부분들을 제외하고, 상기 발광셀들의 모든 층들 및 기판(51)은 절연층(85)으로 덮혀진다. 그리고, 상기 배선들(87)이 상기 절연층(85) 상에서 상기 발광셀들을 전기적으로 연결한다.

예컨대, 상기 절연층(85)은 상기 전극패드들(64, 65)을 노출시키는 개구부들을 가지며, 상기 배선들(87)은 상기 개구부들을 통해 이웃하는 발광셀들의 전극패드들(64, 65)을 서로 연결하여 발광셀들을 직렬 연결한다.

한편, 브리지부들(21 ~ 24) 내의 발광셀 또한 상기 직렬 어레이들(31, 32, 33) 내의 발광셀들과 동일한 구조를 가질 수 있으며, 상기 배선들과 동일한 배선들에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.

이하에서, 다시 도 2를 참조하여 교류전압하에서 본 발명의 실시예들에 따른 교류용 발광 다이오드의 동작을 설명한다.

우선, 교류전원에 의해 직렬 연결된 브리지 정류기 중 제1 브리지 정류기의 입력단(41)에 양의 전압이, 마지막(제3) 브리지 정류기의 출력단(43)에 음의 전압이 인가되는 경우, 전류는 제1 브리지 정류기의 입력단(41)을 통해 입력되고, 제2 브리지부(22), 제1 직렬 어레이(31), 제4 브리지부(24)를 경유하여 제1 브리지 정류기의 출력단(43)을 통해 나간다.

한편, 상기 전류는 다시 제2 브리지 정류기의 입력단(41)으로 유입되고, 다시 제2 브리지부(22), 제2 직렬 어레이(32), 제4 브리지부(24)를 경유하여 제2 브리지 정류기의 출력단(43)을 통해 빠져나간다.

이 전류는 다시 제3 브리지 정류기의 입력단(41)으로 유입되고, 다시 제2 브리지부(22), 제3 직렬 어레이(32), 제4 브리지부(24)를 경유하여 제3 브리지 정류기의 출력단(43)을 통해 빠져나간다.

따라서, 상기 제1 내지 제3 직렬 어레이들(31, 32, 33)에 순방향 전류가 흐르고 이들 어레이들 내의 발광셀들이 구동되어 광이 방출될 수 있다.

이제, 교류전원의 전압 인가 방향이 바뀐 경우에 대해 설명한다.

제3 브리지 정류기의 출력단(43)을 통해 전류가 유입되고, 이 전류는 제3 브리지 정류기의 제3 브리지부(23), 제3 직렬 어레이(33), 제1 브리지부(21)를 경유하여 제3 브리지 정류기의 입력단(41)을 통해 빠져나간다.

한편, 상기 제3 브리지 정류기의 입력단(41)에서 나온 전류는 제2 브리지 정류기의 출력단(43)으로 유입되고, 다시 제3 브리지부(23), 제2 직렬 어레이(33), 제1 브리지부(21)를 경유하여 제2 브리지 정류기의 입력단(41)을 통해 빠져나간다.

또한, 상기 제2 브리지 정류기의 입력단(41)에서 나온 전류는 제1 브리지 정류기의 출력단(43)으로 유입되고, 다시 제3 브리지부(23), 제1 직렬 어레이(33), 제1 브리지부(21)를 경유하여 제1 브리지 정류기의 입력단(41)을 통해 빠져나간다.

따라서, 이 경우에도, 상기 제1 내지 제3 직렬 어레이들(31, 32, 33)에 순방향 전류가 흐르고 이들 어레이들 내의 발광셀들이 구동되어 광이 방출될 수 있다.

결과적으로, 상기 직렬 어레이들(31, 32, 33) 내의 발광셀들은 교류전원의 전압 인가 방향에 관계없이 구동되므로, 구동되는 발광셀들의 수를 증가시킬 수 있다.

한편, 제1 브리지부(21), 제1 직렬 어레이(31), 제4 브리지부(24)를 차례로 경유하여 전류가 흐르는 경우, 입력단(41)과 제1 노드(45) 사이의 전압 강하는 제1 브리지부(21)에 역방향 전압으로 작용하고, 제2 노드(47)와 출력단(43) 사이의 전압 강하는 제3 브리지부(23)에 역방향 전압으로 작용한다.

고전압, 예컨대 110V 또는 220V에서 구동되는 교류용 발광 다이오드에서 단일의 브리지 정류기에 발광셀들의 직렬 어레이를 연결한 경우, 직렬 어레이 내에 상당히 많은 수의 발광셀들이 포함되며, 따라서 제1 브리지부(21) 또는 제3 브리지부(23)에 인가되는 역방향 전압 또한 그에 따라 상당히 높아진다. 따라서, 상기 제1 브리지부(21) 또는 제3 브리지부(23) 내의 다이오드, 특히 발광셀이 높은 역방향 전압에 의해 파괴될 가능성이 높다.

이러한 문제는 교류전원의 극성이 바뀐 경우, 제2 브리지부(22) 및 제4 브리 지부(24)에 동일하게 나타난다.

이에 반해, 본 발명의 실시예들은 복수개의 브리지 정류기들을 직렬 연결함으로써 제1 내지 제3 직렬 어레이들(31, 32, 33)에 발광셀들을 분산시킬 수 있으며, 따라서 브리지부들(21과 23, 또는 22와 24)에 인가되는 역방향 전압을 낮출 수 있어 역방향 전압에 대한 교류용 발광 다이오드의 안정성을 도모할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 교류용 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류용 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략도이다.

도 4는 본 발명의 실시예들 따른 교류용 발광 다이오드 내의 발광셀들을 설명하기 위한 부분 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 교류용 발광 다이오드 내의 발광셀들의 다른 예를 설명하기 위한 부분 단면도이다.

Claims

서로 직렬 연결된 복수개의 브리지 정류기들; 및

상기 각 브리지 정류기에 연결된 발광셀들의 직렬 어레이들을 포함하되,

상기 각 브리지 정류기는 제1 내지 제4 브리지부들로 이루어지고,

상기 제1 및 제2 브리지부들과 상기 제3 및 제4 브리지부들이 각각 입력단과 출력단에 연결되고, 상기 제1 및 제4 브리지부들이 제1 노드에 연결되고, 상기 제2 및 제3 브리부들이 제2 노드에 연결되고,

상기 각 직렬 어레이는 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에 전기적으로 연결된 교류용 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 내지 제4 브리지부들은 각각 적어도 하나의 발광셀들을 포함하는 교류용 발광 다이오드.
청구항 2에 있어서, 상기 제1 내지 제4 브리지부들 내의 발광셀들은 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에 연결된 상기 직렬 어레이 내의 발광셀과 동일한 구조를 갖는 교류용 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 브리지 정류기들 및 상기 직렬 어레이들은 단일의 발광 다이오드 칩 내에 형성된 교류용 발광 다이오드.
청구항 1에 있어서, 상기 서로 직렬 연결된 브리지 정류기들에 병렬로 연결되는 새로운 서로 직렬 연결된 브리지 정류기들을 더 포함하는 교류용 발광 다이오드.