KR101104744B1 - 발광 장치 - Google Patents

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박건
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Abstract

본 발명은 발광 장치에 대한 것으로, 이 장치는 기판 위에 적어도 하나의 제1 발광소자 패키지; 및 교류전원에 대하여 상기 제1 발광소자 패키지와 반대로 연결되는 적어도 하나의 제2 발광소자 패키지를 포함하며, 상기 제1 및 제2 발광소자 패키지는 복수의 발광 다이오드가 각각의 발광셀을 형성하는 발광칩를 포함하고, 상기 발광셀은 동일한 방향으로 직렬 연결되며, 상기 발광셀과 상기 발광셀 사이의 이격 영역에 이웃한 열의 상기 발광셀과 직렬 연결하기 위한 연결선을 포함한다. 따라서, 발광칩 내의 배선의 연결이 단순해짐으로써 누설전류가 감소하므로 소자 신뢰성이 확보될 수 있다.

Description

발광 장치{THE LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 발광 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 발광 다이오드를 포함하는 교류용 발광 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)는 GaAs 계열, AlGaAs 계열, GaN 계열, InGaN 계열 및 InGaAlP 계열 등의 화합물 반도체 재료를 이용하여 발광 원을 구성할 수 있다.
이러한 발광 다이오드는 패키지화되어 다양한 색을 방출하는 발광 장치로 이용되고 있으며, 발광 장치는 칼라를 표시하는 점등 표시기, 문자 표시기 및 영상 표시기 등의 다양한 분야에 광원으로 사용되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 동시에 구동되는 복수의 발광 다이오드를 가지는 복수의 발광소자 패키지를 가지는 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 기판 위에 적어도 하나의 제1 발광소자 패키지; 및 교류전원에 대하여 상기 제1 발광소자 패키지와 역방향으로 연결되는 적어도 하나의 제2 발광소자 패키지를 포함하며, 상기 제1 및 제2 발광소자 패키지는 복수의 발광 다이오드가 각각의 발광셀을 형성하는 발광칩을 포함하고, 상기 발광셀은 동일한 방향으로 직렬 연결되며, 상기 발광셀과 상기 발광셀 사이의 이격 영역에 이웃한 열의 상기 발광셀과 직렬 연결하기 위한 연결선을 포함한다.
상기 제1 또는 제2 발광소자 패키지가 교대로 구동될 때, 구동되는 상기 발광소자 패키지에 포함되는 상기 복수의 발광 다이오드가 동시에 빛을 발생할 수 있다.
상기 발광칩 내의 상기 복수의 발광셀은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
상기 발광칩은, 칩기판, 상기 칩기판 위에 형성되는 상기 복수의 발광셀, 상기 복수의 발광셀을 덮는 제1 절연층, 상기 절연층 위에 상기 발광셀과 이웃한 상기 발광셀을 전기적으로 연결하는 배선, 그리고 상기 배선을 덮는 제2 절연층을 포함할 수 있다.
상기 발광셀은 상기 칩기판 위에 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 위에 활성층, 상기 활성층 위에 제2 도전형 반도체층, 그리고 상기 발광셀은 상기 제1 도전형 반도체층의 일부를 노출하는 홈을 포함하며, 상기 배선은 상기 홈의 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 이웃한 발광셀의 상기 제2 도전형 반도체층까지 연결될 수 있다.
상기 복수의 발광셀이 m X n의 매트릭스 형상으로 배열될 때, 첫번째 행부터 n-1행까지의 상기 발광셀은 상기 홈이 다음행의 발광셀을 향하여 형성되며, 상기 n행의 발광셀은 상기 홈이 다음열의 발광셀을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 n행의 발광셀은 상기 홈이 모서리 영역에 형성될 수 있다.
첫번째행의 발광셀과 상기 n행의 발광셀은 상기 연결선에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 연결선은 상기 배선과 동일한 층으로 형성될 수 있다.
상기 연결선은 상기 기판의 러프니스 패턴을 따라 형성되는 굴곡부를 포함할 수 있다.
상기 연결선은 은, 금 또는 백금을 포함하는 합금층을 포함할 수 있다.
각각의 상기 제1 또는 제2 발광소자 패키지의 복수의 발광 다이오드는 상기 배선 및 상기 연결선에 의해 직렬연결될 수 있다.
상기 연결선은 상기 발광셀의 열과 열 사이의 상기 이격 영역에 스트라이프 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1 또는 제2 발광소자 패키지는, 캐비티가 형성되어 있는 몸체, 상기 캐비티 내에 분리되어 있는 제1 및 제2 도전부재, 상기 제1 및 제2 도전부재와 전기적으로 연결되어 있으며 상기 캐비티 내에 실장되며, 상기 복수의 발광 다이오드가 형성되어 있는 상기 발광칩, 그리고 상기 캐비티를 매립하는 수지재를 포함할 수 있다.
상기 교류용 발광 장치는, 상기 기판을 지지하는 케이스 몸체, 상기 케이스 몸체에 설치되며 외부 교류전원으로부터 교류전원을 제공받는 연결 단자, 그리고 상기 기판에 형성되는 복수의 제1 및 제2 발광소자 패키지를 덮는 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명과 같이 하나의 발광칩에 형성되는 복수의 셀을 동일한 구조로 형성하고, 하나의 발광칩 내의 복수의 셀이 직렬 연결되어 동시 구동함으로써 셀 사이의 연결이 단순해지고, 사용되는 마스크의 수효가 줄어들어 제조 공정이 단순해지고 경제적이다. 또한, 발광칩 내의 배선의 연결이 단순해짐으로써 누설전류가 감소하므로 소자 신뢰성이 확보될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시되어 있는 발광소자 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 발광 장치의 회로도이다.
도 4는 도 1의 발광 장치의 일 실시예에 따른 상세 회로도이다.
도 5는 도 4의 상세 회로도에 따른 발광칩의 상면도이다.
도 6은 도 4의 상세 회로도에 따른 발광칩의 다른 상면도이다.
도 7은 도 5의 발광칩을 Ⅰ-Ⅰ'으로 절단한 단면도이다.
도 8은 도 5의 발광칩을 Ⅱ-Ⅱ'으로 절단한 단면도이다.
도 9는 도 5의 발광칩을 Ⅲ-Ⅲ'으로 절단한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 장치의 분해 사시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 복수의 발광셀을 가지는 복수의 발광칩을 포함하며, 교류전압에 따라 복수의 발광칩이 선택적으로 빛을 방출하는 발광 장치에 대한 것으로, 각각의 발광칩이 동작할 때 상기 발광칩을 구성하는 복수의 발광셀이 동시에 빛을 생성하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도 1 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시되어 있는 발광소자 패키지를 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 1의 발광 장치의 회로도이다.
도 1을 참고하면, 발광 장치(100)는 케이스 몸체(110), 이 케이스 몸체(110)에 설치된 복수의 발광소자 패키지(200A-200D), 케이스 몸체(110)에 설치되며 외부 전원으로부터 전원을 제공받는 연결 단자(120)를 포함할 수 있다.
케이스 몸체(110)는 방열 특성이 양호한 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어 금속 또는 수지로 형성될 수 있다.
발광소자 패키지(200A-200D)는 기판(130) 위에 탑재된다.
상기 기판(130)은 절연체에 회로 패턴이 인쇄된 것일 수 있으며, 예를 들어, 일반 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB), 메탈 코아(metal core) PCB, 연성(flexible) PCB, 세라믹 PCB 등을 포함할 수 있다.
또한, 기판(130)은 빛을 효율적으로 반사하는 물질로 형성되거나, 표면이 빛이 효율적으로 반사되는 컬러, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다.
발광소자 패키지(200A-200D)는 각각 적어도 하나의 발광칩을 포함하며, 각각의 발광칩은 복수의 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)가 각각의 셀을 이루며 형성될 수 있다.
발광 다이오드는 적색, 녹색, 청색 또는 백색의 유색 빛을 각각 발광하는 유색 발광 소자 및 자외선(UV, UltraViolet)을 발광하는 UV 발광 소자를 포함할 수 있다.
또한, 발광소자 패키지(200A-200D)에서 방출되는 광의 진행 경로 상에는 형광 시트가 더 배치될 수 있으며, 형광 시트는 상기 발광소자 패키지(200A-200D)에서 방출되는 광의 파장을 변화시킨다.
예를 들어, 발광소자 패키지(200A-200D)에서 방출되는 광이 청색 파장대를 갖는 경우 형광 시트에는 황색 형광체가 포함될 수 있으며, 발광소자 패키지(200A-200D)에서 방출된 광은 상기 형광 시트를 지나 최종적으로 백색광으로 보여지게 된다.
상기 형광 시트는 복수의 발광소자 패키지(200A-200E)를 동시에 덮을 수 있으나, 이와 달리 각각의 발광소자 패키지(200A-200E)를 밀봉하는 밀봉재로 형성될 수 있다.
연결 단자(120)는 발광소자 패키지(200A-200D)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 도 1에 도시된 것에 따르면, 연결 단자(120)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합되지만, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 연결 단자(120)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해 외부 전원에 연결될 수도 있는 것이다.
또한, 도 1과 같이 케이스 몸체(110)와 연결되어 상기 발광소자 패키지(200A-200D)를 덮는 렌즈(140)를 더 포함한다. 상기 렌즈(140)는 투명 또는 반투명의 글라스로 형성되며, 상기 발광소자 패키지(200A-200D)가 실장되어 있는 기판(130)은 원주로 반구형일 수 있다.
상술한 바와 같은 발광 장치(100)는 상기 발광소자 패키지(200A-200D)에서 방출되는 광의 진행 경로 상에 광가이드 부재, 확산 시트, 집광 시트, 휘도 상승 시트 및 형광 시트 중 적어도 어느 하나가 배치되어, 원하는 광학적 효과를 얻을 수 있다.
이때, 상기 발광소자 패키지(200A-200D)는 짝수개가 배치될 수 있으며, 예를 들어 도 1과 같이 4개의 발광소자 패키지(200A-200D)가 매트릭스 형으로 배치될 수 있다.
각각의 발광소자 패키지(200A-200D)는 동일한 구조를 가질 수 있다.
상세하게는, 도 2와 같이 발광소자 패키지(200A-200D)는 캐비티를 포함하는 몸체(210), 발광칩(300), 수지물(260), 제1,2 도전 부재(230,240)를 포함한다.
상기 몸체(210)는 폴리프탈아미드(PPA), 액정폴리머(LCP), 신지오택틱폴리스티렌(SPS) 또는 세라믹(ceramics) 중 어느 하나의 재질을 포함하여 소정형상으로 사출 성형될 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다. 상기 몸체(210)의 상부(220)에는 컵 형상의 캐비티(215)가 일정 깊이로 형성된다. 캐비티(215)의 측면은 바닥면에 수직한 축을 기준으로 소정 각도만큼 경사지게 형성될 수 있다.
상기 몸체(210)에는 수평하게 배치되는 복수개의 제1,2 도전 부재(230,240)가 형성된다.
상기 제1,2 도전 부재(230,240)는 상기 캐비티(215) 내부에 노출되며 서로 전기적으로 분리된다. 제1,2 도전 부재(230,240)의 양 끝단은 몸체(210)의 외부로 노출되어 전극으로 이용되며, 전극으로 사용되는 영역은 도 2와 같이 몸체(210) 하부로 절곡되어 있을 수 있다. 제1,2 도전 부재(230,240) 중 캐비티(215) 내부에 노출되는 부분의 표면에는 반사 물질이 코팅될 수도 있다.
제1 도전 부재(230)와 제2 도전부재(240) 사이의 캐비티(215) 바닥면에는 발광칩(300)이 본딩되어 있으며, 각각의 와이어(250)를 통해 제1,2 도전 부재(230,240)에 연결될 수 있다.
상기 발광칩(300)은 와이어 본딩, 다이 본딩, 플립 본딩 방식을 선택적으로 이용하여 탑재할 수 있으며, 이러한 본딩 방식은 칩 종류 및 칩의 전극 위치에 따라 변경될 수 있다.
발광칩(300)은 III족과 V족 원소의 화합물 반도체 예컨대 AlInGaN, InGaN, GaN, GaAs, InGaP, AllnGaP, InP, InGaAs 등의 계열의 반도체를 이용하여 제조된 반도체 발광 다이오드를 선택적으로 포함할 수 있다.
또한, 각 발광칩(300)은 청색 LED 칩, 황색 LED 칩, 녹색 LED 칩, 적색 LED 칩, UV LED 칩, 호박색 LED 칩, 청-녹색 LED 칩 등으로 이루어질 수 있다.
발광칩(300)의 구조는 뒤에서 상세히 설명한다.
또한, 제1,2 도전 부재(230,240)는 발광칩(300)의 보호를 위해 제너 다이오드(도시하지 않음)와 같은 보호 소자와 전기적으로 연결될 수도 있다.
한편, 캐비티(215)의 측면에는 반사층(도시하지 않음)이 형성될 수 있으며, 캐비티(215)를 매립하며 수지물(260)이 형성된다. 수지물(260)은 투명한 실리콘 또는 에폭시 재질을 포함하며, 형광체를 포함할 수도 있다.
다시 도 1을 참고하면, 기판(130) 위에 배열되는 4개의 발광소자 패키지(200A-200D) 중 대각선으로 배열되는 2개의 발광소자 패키지(200A,200B)는 동시에 구동되고, 이웃한 발광소자 패키지(200C,200D)와 교대로 구동되어 빛을 발생한다.
즉, 도 1에서는 제1 발광소자 패키지(200A)와 제1 발광소자 패키지(200A)의 대각선에 있는 제2 발광소자 패키지(200B)가 동시에 구동되고, 제3 발광소자 패키지(200C)와 그의 대각선에 있는 제4 발광소자 패키지(200D)가 동시에 구동되며, 제1 및 제2 발광소자 패키지(200A,200B)의 동작과 제3 및 제4 발광소자 패키지(200C,200D)의 동작은 교대로 진행된다.
이러한 발광소자 패키지(200A-200D)의 교대 발광은 교류 전원(150)을 인가함에 따라 진행된다.
도 3을 참고하면, 교류 전원(150)에 연결되어 있는 4개의 발광소자 패키지(200A-200D)는 각각이 하나의 발광 다이오드로서 동작하므로 발광 다이오드로 도시한다.
제1 발광소자 패키지(200A)와 대각선의 제2 발광소자 패키지(200B)가 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 직렬로 연결되어 있고, 제3 발광소자 패키지(200C)와 그의 대각선의 제4 발광소자 패키지(200D)가 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 제1 및 제2 발광소자 패키지(200A,200B)와 제3 및 제4 발광소자 패키지(200C,200D)는 역방향으로 연결되어 있다.
즉, 제1 노드(n1)는 제1 발광소자 패키지(200A)의 음의 전극과 연결되고 제3 발광소자 패키지(200C)의 양의 전극과 연결되고, 제2 노드(n2)는 제2 발광소자 패키지(200B)의 양의 전극과 연결되고, 제4 발광소자 패키지(200D)의 음의 전극과 연결되어 있다.
제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 교류 전원(150)이 연결되어 있으며, 교류 전원(150)과 제1 노드(n1) 또는 제2 노드(n2) 사이에는 정합을 위한 저항(R1) 또는 캐패시터 등이 연결될 수 있다.
따라서, 교류 전원(150)으로부터 한주기의 반주기 동안 음의 전압이 제1 노드(n1)에 인가되면 제1 및 제2 발광소자 패키지(200A,200B)가 도통되어 발광소자 패키지(200A,200B)의 발광칩(300)이 빛을 발생하고 제3 및 제4 발광소자 패키지(200C,200D)는 역전압이 걸림으로써 구동하지 않으며, 다음 반주기 동안 양의 전압이 제1 노드(n1)에 인가되면 제3 및 제4 발광소자 패키지(200C,200D)가 도통되어 발광소자 패키지(200C,200D)의 발광칩(300)이 빛을 발생하고 제1 및 제2 발광소자 패키지(200A,200B)는 구동하지 않는다.
이때, 교류 전원(150)은 상용 전압인 220V일 수 있으며, 60Hz의 주기를 가질 수 있다.
따라서, 단시간 동안 제1 및 제2 발광소자 패키지(200A,200B)와 제3 및 제4 발광소자 패키지(200C,200D)가 교대로 빛을 발생함으로써 육안으로는 발광 장치(100)가 일정하게 빛을 조사하는 것으로 인식할 수 있다.
이때, 각각의 발광소자 패키지(200A-200D) 내의 발광칩(300)은 복수개의 발광 다이오드를 포함하며, 하나의 발광칩(300)을 이루는 발광 다이오드의 구성은 도 4와 같을 수 있다.
도 4는 발광 장치의 일 실시예에 따른 상세 회로도이다.
도 4를 참고하면, 각각의 발광소자 패키지(200A-200D)는 발광칩(300) 내에 동일한 수효의 복수의 발광 다이오드(DA1-DAl ,DB1-DBl ,DC1-DCl,DD1-DDl)를 포함하며, 복수의 발광 다이오드(DA1-DAl ,DB1-DBl ,DC1-DCl,DD1-DDl)는 한 발광칩(300) 내에 직렬로 연결되어 있다.
즉, 제1 발광소자 패키지(200A) 내의 l개의 발광 다이오드(DA1-DAl)는 제1 발광 다이오드(DA1)의 음의 전극이 제1 노드(n1)와 연결되어 있으며, 양의 전극이 제2 발광 다이오드(DA2)의 음의 전극과 연결되어 있다. 이와 같은 직렬 연결이 제l-1 발광 다이오드(DAl-1)까지 연결되어 있으며, 제l 발광 다이오드(DAl)의 양의 전극이 제3 발광소자 패키지(200B)의 제1 발광 다이오드(DB1)의 음의 전극과 연결됨으로써 제1 발광소자 패키지(200A)와 제2 발광소자 패키지(200B)가 직렬 연결된다.
제2 발광소자 패키지(200B)의 복수의 발광 다이오드(DB1-DBl) 또한 직렬 연결되어 있으며, 마지막 발광 다이오드인 제l 발광 다이오드(DBl)의 양의 전극이 제2 노드(n2)와 연결된다.
제3 발광소자 패키지(200C)의 제1 발광 다이오드(DC1)의 양의 전극이 제1 노드(n1)와 연결되어 있으며, 마지막인 제l 발광 다이오드(DCl)가 제4 발광소자 패키지(200D)의 제1 발광 다이오드(DD1)와 연결되고, 제l 발광 다이오드(DDl)의 음의 전극이 제2 노드(n2)에 연결되어 제3 및 제4 발광소자 패키지(200C,200D)를 직렬연결한다.
이와 같이, 각 발광소자 패키지(200A-200D) 내의 복수의 발광 다이오드(DA1-DAl,DB1-DBl,DC1-DCl,DD1-DDl)가 직렬 연결되어 동시 발광하며, 전압이 인가될 때 전압을 분배함으로써 각 발광 다이오드(DA1-DAl ,DB1-DBl ,DC1-DCl,DD1-DDl)의 구동 전압에 해당하는 전압만큼이 개별 다이오드에 인가될 수 있다.
즉, 다음의 수학식에 따라 하나의 발광소자 패키지(200A-200D) 내의 발광 다이오드의 수효(L)가 결정된다.
[수학식]
L=VSOURCE/(m x Vdriving)
이때, VSOURCE는 교류 전원(150)의 최대값, m은 직렬 연결되는 발광소자 패키지(200A-200D)의 수효, Vdriving은 하나의 발광 다이오드를 구동하기 위한 구동 전압을 의미한다.
예를 들어, 교류 전원(150)이 220V이고, 직렬 연결되어 있는 2개의 발광소자 패키지(200A, 200B)가 직렬 연결되며, 하나의 발광 다이오드의 구동 전압이 3.2V인 경우, 한 발광소자 패키지의 발광 다이오드의 수효(L)은 34를 충족한다.
따라서, 한 패키지(200A-200D) 내에 34개의 발광 다이오드(DA1-DAl ,DB1-DBl , DC1-DCl,DD1-DDl),(l=34)가 직렬 연결되어 있을 수 있으며, 이때 한 발광소자 패키지(200A-200D) 내의 34개의 발광 다이오드(DA1-DAl ,DB1-DBl ,DC1-DCl, DD1-DDl)는 하나의 발광칩(300) 내에 형성될 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 9를 참고하여 본 실시예에 따른 발광 장치(100)의 발광칩(300)의 일 예를 설명한다.
도 5는 도 4의 상세 회로도에 따른 발광칩의 상면도이고, 도 6은 도 4의 상세 회로도에 따른 발광칩의 다른 상면도이고, 도 7은 도 5의 발광칩을 Ⅰ-Ⅰ'으로 절단한 단면도이며, 도 8은 도 5의 발광칩을 Ⅱ-Ⅱ'으로 절단한 단면도이고, 도 9는 도 5의 발광칩을 Ⅲ-Ⅲ'으로 절단한 단면도이다.
도 5 내지 도 9를 참고하면, 각각의 발광소자 패키지(200A-200D) 내에 실장되는 하나의 발광칩(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 복수개, 예를 들어 34개의 발광 다이오드를 포함한다.
상기 발광칩(300)은 모서리 영역에 2개의 패드(390, 391)가 형성되어 있으며 상기 패드(390, 391)가 발광소자 패키지(200A-200D)의 도전 부재(230, 340)와 와이어(250) 등을 통해 전기적으로 연결되어 있다.
각각의 발광 다이오드(DA1-DAl ,DB1-DBl ,DC1-DCl, DD1-DDl)는 한 발광칩(300) 내에서 하나의 셀로 기능하므로, 이하에서는 각 발광 다이오드(DA1-DAl ,DB1-DBl , DC1-DCl, DD1-DDl)를 발광셀로 명명한다.
기판(310) 위에 복수개의 발광셀이 배열되어 있다.
복수의 발광셀은 기판(310) 위에 mXn 매트릭스 형태로 배열되어 있으며(m,n은 자연수), 발광셀이 34개인 경우, 6X6의 매트릭스 형태로 배열될 수 있으며, 패드(390, 391)가 형성되어 있는 발광셀이 이웃하는 발광셀의 2배의 면적을 가질 수 있다.
상기 복수의 발광셀 중 패드(390, 391)가 형성되는 발광셀은 서로 마주보는 모서리 영역에 형성되어 있으며, 복수의 발광셀은 동일한 구조를 가진다.
상세하게는, 하나의 발광셀은 기판(310)으로부터 돌출되어 있는 발광 구조물을 가지며, 상기 발광 구조물의 일부에 제1 도전형 반도체층(330)과 연결하기 위한 홈이 형성되어 있다.
따라서, 상기 발광셀의 상면은 ㄷ자 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 복수의 발광셀은 동일한 구조를 갖도록 배치되어 있으며, 바람직하게는 홈이 다음 행의 발광셀을 향하도록 아래로 열린 ㄷ자 형상을 갖는다.
이때, 마지막 행의 발광셀은 이웃한 열의 발광셀과의 연결을 위해 홈이 연결하고자하는 열을 향하도록 90도 회전하여 측면으로 열린 ㄷ자 형상을 갖는다.
또는, 마지막 행의 발광셀은 전류가 주입되는 제1 도전형 반도체층(330)과 투명전극층(360) 사이의 거리를 일정하게 유지하기 위하여 도 6과 같이 투명전극층(360)과 연결되는 배선(380)으로부터 먼 모서리 영역을 제거하여 제1 도전형 반도체층(330)을 노출하는 홈이 형성될 수도 있다.
상기 발광셀의 노출된 제1 도전형 반도체층(330)과 이웃한 발광셀의 투명전극층(360) 상면을 연결하는 배선(380)에 의해 직렬연결되어 있으며, 직렬 연결은 열을 따라 진행된다.
이때, 하나의 열과 이웃한 열 사이의 직렬 연결을 위해 연결선(385)이 형성되어 있다.
즉, 마지막행의 발광셀의 노출된 제1 도전형 반도체층(330)과 상기 연결선(385)을 연결하는 배선이 형성되어 있으며, 이웃한 열의 첫번째 발광셀의 투명전극층(360)과 상기 연결선(385)을 연결하는 배선이 형성되어 두 개의 발광셀을 직렬연결한다.
상기 연결선(385)은 상기 발광셀의 열과 열 사이의 이격 영역에 스트라이프 형상을 갖도록 형성되어 있는 전도성 부재로서, 상기 배선(380)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
이와 같이, 매트릭스 형상으로 배치되는 복수의 발광셀을 직렬연결할 때, 복수의 발광셀을 동일한 구조로 형성하고, 이웃한 열과 열의 직렬연결을 위해 이격 영역에 연결선(385)을 형성한다.
상기 기판(310)은 절연 또는 도전성 기판(310)일 수 있으며, 예컨대 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나, 바람직하게는 사파이어 기판(310)을 이용할 수 있다.
상기 기판(310)의 표면에는 러프니스 패턴이 형성되어 있으며, 상기 러프니스 패턴의 직경은 각 발광셀의 발광 구조물의 직경보다 작을 수 있다.
상기 러프니스 패턴은 도트 패턴 또는 프리즘 패턴일 수 있다.
바람직하게는 상기 기판(310)은 PSS(Patterned sapphire substrate)일 수 있다.
상기 발광셀 각각은 제1 도전형 반도체층(330), 상기 제1 도전형 반도체층(330)의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층(350) 및 상기 제1 도전형 반도체층(330)과 제2 도전형 반도체층(350) 사이에 활성층(240)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(330, 350)은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다.
제1 도전형 반도체층(330), 활성층(240) 및 제2 도전형 반도체층(350)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (B, Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다.
상기 활성층(240)은 다중양자우물구조로 형성된 반도체층일 수 있다.
도 7 및 도 8에서는 기판(310)과 제1 도전형 반도체층(330) 사이에 버퍼층(320)을 더 포함하는 것으로 도시하였으나, 상기 버퍼층(320)은 삭제 가능하다.
상기 제2 도전형 반도체층(350) 위에는 투명전극층(360)이 형성되어 있다.
상기 투명전극층(360)은 활성층(240)에서 생성된 광을 투과시키며 제2 도전형 반도체층(350)에 전류를 분산시키며 공급한다.
이때, 제1 도전형 반도체층(330) 위의 적층 구조는 제1 도전형 반도체층(330)의 상면보다 좁은 면적을 갖도록 형성되어, 위에서 설명한 바와 같이 제1 도전형 반도체층(330)의 일부를 노출하도록 홈이 형성되어 ㄷ자 구조를 갖거나 도 6과 같이 모서리 영역이 식각될 수 있다. 각 발광셀에는 투명전극층(360)이 형성되는 제1 상면과 제1 도전형 반도체층(330)이 노출되는 제2 상면이 형성된다.
상기 발광칩(300)의 전체를 덮는 제1 절연층(370)이 형성되어 있으며, 제1 절연층(370)은 투명전극층(360) 위 및 제1 도전형 반도체층(330)의 제2 상면 위를 노출하는 개구부(371, 372)를 포함한다.
상기 제1 절연층(370) 위에 상기 제1 도전형 반도체층(330)를 노출하는 개구부(372)와 이웃한 셀의 투명전극층(360)을 노출하는 개구부(371)를 연결하는 배선(380)이 형성되어 이웃한 셀을 직렬 연결한다.
상기 배선(380)은 열을 따라 진행하며, 상기 제1 도전형 반도체층(330) 위에 통전을 위한 넓은 면적을 가지며 상기 발광 구조물의 측면을 따라 연장될 수 있다.
한편, 상기 발광셀이 이루는 열과 열 사이의 이격 영역의 상기 제1 절연층(370) 위의 연결선(385)은 상기 배선(380)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 또는 상기 배선(380)과 동일한 물질로 제1 층이 형성되며, 그 위에 반사율이 높은 은, 금, 또는 백금을 포함하는 합금의 제2 층이 더 형성되어 복수의 층상 구조를 가질 수도 있다.
상기 연결선(385)과 상기 배선(380)이 동일한 층으로 형성되어 마지막행의 발광셀의 제1 도전형 반도체층(330)으로부터 이웃한 열의 첫번째행의 발광셀의 투명전극층(360)까지 연장되는 하나의 배선(380)을 이룬다.
상기 기판(310)의 러프니스 패턴에 의해 버퍼층(320) 또한 러프니스 패턴을 가질 때, 상기 연결선(385)은 상기 러프니스 패턴 위에 형성됨으로써 굴곡부를 가진다. 상기 굴곡부는 상기 기판(310)의 러프니스 패턴보다 큰 직경을 가질 수 있다.
한편, 상기 배선(380) 및 상기 연결선(385)을 덮으며 발광칩(300) 전면에 제2 절연층(375)이 형성되며, 상기 제2 절연층(375)은 배선(380) 및 연결선(385)이 수분 등에 의해 오염되는 것을 방지하며, 외압에 의해 배선(380) 및 발광셀들이 손상되는 것을 방지한다.
상기 제1 절연층(370) 또는 제2 절연층(375)은 상기 연결선(385)에 의해 반사되는 빛이 상부로 방출되도록 투광성의 절연물질을 포함하며, 바람직하게는 Al2O3, Si3N4, TiO2, ZrO2, CeF3, HfO2, MgO, Ta2O5, ZnS 또는 PbF2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 절연층(375)은 모서리 영역의 셀의 투명전극층(360) 위의 배선(380) 및 상기 제1 도전형 반도체층(330) 위의 배선(380)을 노출하는 개구부를 포함한다.
상기 제2 절연층(375)의 개구부에 의해 노출되는 배선(380)이 외부의 패키지와 연결하는 패드(390, 391)가 되며, 이때 선택되는 셀은 대각선에 서로 마주보는 모서리 영역의 셀로서 첫번째 셀과 마지막 셀로 정의된다.
이와 같이, 하나의 발광칩(300)에 형성되는 복수의 셀을 직렬 연결할 때, 동일한 구조로 형성하고, 연결선(385)을 형성하여 이웃한 열과 열을 전기적으로 연결하여 하나의 발광칩(300) 내의 복수의 셀을 동시 구동함으로써 셀 사이의 연결이 단순해지고, 사용되는 마스크의 수효가 줄어들어 제조 공정이 단순해지고 경제적이다.
또한, 발광셀과 발광셀 사이의 이격 영역에 형성되는 연결선(385)은 상기 발광셀로부터 발생하는 빛을 반사하여 상부로 방출하여 상기 발광셀의 측면에서 방출되는 빛을 상부로 전달함으로써 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 연결선(385)에 굴곡부가 형성됨으로써 상기 반사되는 빛이 산란하여 전반사를 줄여 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 발광셀의 측벽은 기판(310) 상부면에 대해 경사지게 형성되어 위로 갈수록 폭이 좁아질 수 있다. 상기 측벽의 경사는 활성층(240)에서 생성된 광의 방출 효율을 향상시키며, 상기 발광셀들 위에 형성될 다른 층들의 연속적인(conformal) 증착을 돕는다.
도 10 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 장치의 분해 사시도이다.
도 10을 참고하면, 본 발명에 다른 조명 장치(1000)는 형광커버(1220), 발광 장치, 그리고 본체(1210)를 포함한다.
상기 본체(1210)는 발광 장치를 수용하는 수용부 및 상기 수용부의 양 끝에 위치하는 전원 단자(1230)를 포함한다. 상기 본체(1210)의 수용부 내에는 상기 형광커버(1220)와 상기 발광 장치가 장착된다. 또한, 상기 본체(1210)에는 상기 전원 단자(1230)와 연결되어 전원을 공급하는 전원공급장치(도시하지 않음)가 연결되거나 포함될 수 있다. 상기 전원공급장치로는 SMPS(Switched-Mode Power Supply)가 사용될 수 있다.
또한, 상기 본체(1210)에는 철심에 코일을 감은 초크코일로 형광램프와 직렬로 연결하여 전류의 증가를 방지하는 안정기(도시하지 않음)가 더 포함될 수 있다.
상기 발광 장치는 전원공급장치로부터 받은 전력에 의해 발광하는 적어도 하나의 발광 소자 패키지(200A-200D)와, 상기 발광 소자 패키지(200A-200D)가 장착되는 모듈 기판(1240)을 포함한다.
상기 형광커버(1220)는 상기 본체(1210)와 결합하며, 상기 형광커버(1220)는 일정한 두께를 가진 판형상으로서, 판형상에는 단면의 모양이 일자인 형상, 단면의 모양이 반원인 형상, 단면의 모양이 반타원인 형상, 단면의 모양이 개방된 다각형인 형상 등 다양하게 구비될 수 있다.
상기 형광커버(1220)는 상기 발광 장치와 이격되어 설치될 수 있다.
상기 형광커버(1220)는 내부에 복수의 형광체를 포함하고 있으며, 상기 발광 장치(1210)로부터 빛을 수신하면, 상기 형광체가 여기하였다가 기저상태로 천이하면서 빛을 방출한다.
도 10의 조명 장치(1000)는 도 1 내지 도 9에서 설명하고 있는 구조를 가지는 발광소자 패키지(200A-200D)를 포함하는 발광 장치를 적용할 수 있다.
즉, 발광소자 패키지(200A-200D)는 도 1에 도시하고 있는 4개의 발광소자 패키지 중 직렬연결되는 제1 및 제2 발광소자 패키지(200A, 200B) 사이에 제3 및 제4 발광소자 패키지(200C, 200D)가 위치함으로써, 일렬로 형성되는 발광소자 패키지(200A-200D)가 교대로 발광하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 이와 달리 상기 발광소자 패키지(200A-200D)가 매트릭스 형이 아닌 바(BAR)형의 발광칩(300)을 포함함으로써 제1 내지 제4 발광소자 패키지(200A-200D)가 바형의 기판(1240) 위에서 열을 번갈아가며 형성될 수도 있다.
발광소자 패키지(200A-200D)의 발광칩(300)의 구조 및 패키지의 구조는 상기 설명에 한정되지 않으나, 한 발광소자 패키지(200A-200D)의 복수의 발광 다이오드가 동시에 구동되어 빛을 발광함은 동일하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
발광 장치 100, 1000
케이스 몸체 110
연결단자 120
발광소자 패키지 200A, 200B, 200C, 200D
발광칩 300
교류전원 150
연결선 385

Claims (16)

  1. 기판 위에 적어도 하나의 제1 발광소자 패키지; 및
    교류전원에 대하여 상기 제1 발광소자 패키지와 반대로 연결되는 적어도 하나의 제2 발광소자 패키지를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 발광소자 패키지는 복수의 발광 다이오드가 각각의 발광셀을 형성하는 발광칩를 포함하고,
    상기 발광셀은 동일한 방향으로 직렬 연결되며, 상기 발광셀과 상기 발광셀 사이의 이격 영역에 이웃한 열의 상기 발광셀과 직렬 연결하기 위한 연결선을 포함하는 교류용 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 발광소자 패키지가 교대로 구동될 때, 구동되는 상기 발광소자 패키지에 포함되는 상기 복수의 발광 다이오드가 동시에 빛을 발생하는 교류용 발광 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발광칩 내의 상기 복수의 발광셀은 매트릭스 형태로 배열되어 있는 교류용 발광 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발광칩은,
    칩기판,
    상기 칩기판 위에 형성되는 상기 복수의 발광셀,
    상기 복수의 발광셀을 덮는 제1 절연층,
    상기 절연층 위에 상기 발광셀과 이웃한 상기 발광셀을 전기적으로 연결하는 배선, 그리고
    상기 배선을 덮는 제2 절연층을 포함하는 교류용 발광 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발광셀은
    상기 칩기판 위에 제1 도전형 반도체층,
    상기 제1 도전형 반도체층 위에 활성층,
    상기 활성층 위에 제2 도전형 반도체층, 그리고
    상기 발광셀은 상기 제1 도전형 반도체층의 일부를 노출하는 홈을 포함하며,
    상기 배선은 상기 홈의 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 이웃한 발광셀의 상기 제2 도전형 반도체층까지 연결되어 있는 교류용 발광 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 발광셀이 m X n의 매트릭스 형상으로 배열될 때,
    첫번째 행부터 n-1행까지의 상기 발광셀은 상기 홈이 다음행의 발광셀을 향하여 형성되며,
    상기 n행의 발광셀은 상기 홈이 다음열의 발광셀을 향하도록 배치되는 교류용 발광 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 n행의 발광셀은 상기 홈이 모서리 영역에 형성되어 있는 교류용 발광 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    첫번째행의 발광셀과 상기 n행의 발광셀은 상기 연결선에 의해 전기적으로 연결되는 교류용 발광 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연결선은 상기 배선과 동일한 층으로 형성되는 교류용 발광 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 칩기판은 상기 발광셀이 형성되는 면에 러프니스 패턴을 가지는 교류용 발광 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연결선은 상기 기판의 러프니스 패턴을 따라 형성되는 굴곡부를 포함하는 교류용 발광 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연결선은 은, 금 또는 백금을 포함하는 합금층을 포함하는 교류용 발광 장치.
  13. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 제1 또는 제2 발광소자 패키지의 복수의 발광 다이오드는 상기 배선 및 상기 연결선에 의해 직렬연결되어 있는 교류용 발광 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 연결선은 상기 발광셀의 열과 열 사이의 상기 이격 영역에 스트라이프 형태로 형성되어 있는 교류용 발광 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 발광소자 패키지는,
    캐비티가 형성되어 있는 몸체,
    상기 캐비티 내에 분리되어 있는 제1 및 제2 도전부재,
    상기 제1 및 제2 도전부재와 전기적으로 연결되어 있으며 상기 캐비티 내에 실장되며, 상기 복수의 발광 다이오드가 형성되어 있는 상기 발광칩, 그리고
    상기 캐비티를 매립하는 수지재를 포함하는 교류용 발광 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 교류용 발광 장치는,
    상기 기판을 지지하는 케이스 몸체,
    상기 케이스 몸체에 설치되며 외부 교류전원으로부터 교류전원을 제공받는 연결 단자, 그리고
    상기 기판에 형성되는 복수의 제1 및 제2 발광소자 패키지를 덮는 렌즈를 포함하는 교류용 발광 장치.
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WO2014081243A1 (en) * 2012-11-23 2014-05-30 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting diode having a plurality of light emitting units

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