KR101768984B1 - 능동형 led 모듈 - Google Patents

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브래들리 에스 오로
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엔티에이치 디그리 테크놀로지스 월드와이드 인코포레이티드
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Abstract

LED와 직렬로 컨트롤 MOSFET 또는 기타 트랜지스터를 갖는 LED 모듈이 개시되어 있다. 일실시예에서, MOSFET 웨이퍼는 LED 웨이퍼에 접합되고 하나의 LED로서 동일한 풋프린트로 수천 개의 능동형 3단자 LED 모듈들을 형성하도록 싱귤레이트된다. 적색, 녹색, 및 청색 LED의 다른 순방향 전압들에도 불구하고, RGB 모듈들이 병렬로 연결될 수 있고, 이들의 컨트롤전압들은 백색과 같이 하나의 인지된 컬러를 발생하도록 60Hz 이상으로 엇갈리게 배치된다. RGB 모듈들은 일반 조명 또는 컬러 디스플레이용의 패널에 연결될 수 있다. 패널에서 단일 유전체층이 모든 RGB 모듈들을 캡슐화해 컴팩트하고 저렴한 패널을 형성할 수 있다. 컬러 디스플레이와 조명패널 모두에 대해 다양한 어드레싱 기술들이 설명되어 있다. 입력 전압의 변화에 대한 LED의 감도를 줄이기 위한 다양한 회로들이 설명되어 있다.

Description

능동형 LED 모듈{ACTIVE LED MODULE}
본 발명은 발광다이오드(LED)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED를 통해 전류를 컨트롤하기 위해 LED와 직렬로 능동회로를 포함하는 단일 다이에 관한 것이다.
LED는 일반적으로 양극 단자와 음극 단자를 갖는 다이로 형성된다. LED 다이는 일반적으로 방열 및 패키징을 위해 큰 기판에 실장된다. 기판은 수동형 정전기 방전장치와 같은 추가회로를 포함할 수 있다. 그런 후 LED 다이 및 선택 기판이 일반적으로 패키지되며, 패키지는 인쇄회로기판(PCB)에 납땜되기 위한 강건한 양극 및 음극 리드들이 있다.
LED는 소정의 휘도를 달성하기 위해 전류소스에 의해 컨트롤될 수 있다. 전류소스는 별개의 다이에 형성된 MOSFET 또는 쌍극 트랜지스터일 수 있다. 전류소스와 LED는 일반적으로 와이어 또는 PCB에 의해 함께 연결된다.
LED 다이로부터 떨어져 있는 전류소스를 제공하는 것은 여분의 공간과 상호연결을 필요로 하므로, 비용이 추가된다. 부품들의 미스매치 가능성을 포함한 다른 단점도 있다. 집적된 전류소스 구동회로에 매우 컴팩트한 LED를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
컬러 디스플레이에서와 같이 또는 백색 광원을 만들기 위해 멀티-컬러 LED 를 구동시킬 때 추가 문제들이 발생한다. LED는 비선형 전압 대 전류 특징들을 갖는 2단자 전자장치이다. 특히 임계 전압 아래에서, LED는 고 임피던스이다. 임계치 이상에서, LED의 임피던스는 훨씬 더 낮다. 이 임계치는 주로 반도체 LED의 밴드갭에 의존한다. 밴드갭은 특정 피크 방출파장을 위해 선택된다. 적색 LED는 밴드갭이 2eV 크기이고, 청색 LED는 밴드갭이 3eV 크기이며, 녹색 LED는 밴드갭이 2eV 내지 3eV 크기이다. 순방향 전압이 밴드갭 에너지와 직접 관련있기 때문에, 적색, 녹색 및 청색 LED는 소정의 컬러 또는 광을 출력하기 위해 단순히 병렬로 연결될 수 없다; 각 컬러 LED는 자신의 드라이버 전류가 있어야 한다. 다른 컬러의 LED를 형성하는데 사용된 다른 재료들(가령, GaAs, GaN, 등)도 또한 순방향 전압에 영향을 준다. 또한, 동일 파장을 출력하는 LED는 내에서도, 이들의 순방향 전압은 공정변화로 인해 변하므로, 동일한 컬러의 LED들을 병렬로 연결하는 것도 문제다. 각 LED에 대한 별개의 드라이버 회로를 제공하고 이를 LED에 상호연결하는 것은 공간과 비용이 더 든다. 이는 디스플레이에서 RGB 픽셀들의 크기를 최소화려고 노력할 경우 특히 문제다.
LED는 수동형 매트릭스 어드레스가능한 어레이에 구성될 수 있다. 예컨대, LED 세트가 행 선택 드라이버에 연결된 어레이의 음극들 및 열 데이터 버스에 연결된 어레이의 양극들에 연결될 수 있다. 이들 행들 중 다수는 행렬로 어드레스 가능한 더 큰 어레이를 이루는데 사용될 수 있다. 어드레스된 행렬을 통해 컨트롤된 전류를 컨트롤하는 것은 가령 디스플레이에서 컬러 픽셀에 대해 광의 소정의 컬러 및 강도를 방출하도록 어드레스된 위치(들)에서 LED(들)에 전압을 가할 것이다. LED 간의 상호연결은 임피던스가 0아 아니기 때문에, 상호연결 네트워크를 통한 전압 강하가 LED의 논 어드레스 세트를 뜻하지 않게 순방향 바이어스시킬 수 있다. 이런 우발적 순방향 바이어스로 논어드레스 부분들에 초과 광이 유발될 것이며, 이는 어레이의 명암 콘트라스트를 줄인다.
이 문제는 하향 프린트 LED의 배치에 의해 악화되며, 여기서 하향 LED는 역바이어스 과도전압 억제를 위한 것이다. 하향 LED는 상향 LED에 대해 반대로 평행하다. 간단한 어드레싱 구조에서, 단지 상향 LED만이 광을 방출하게 되어 있다. 행이 선택되지 않을 경우, 관련된 LED는 임계치 아래 전압에서 바이어스되거나 가능하게는 역바이어스된다. 미선택 행들이 역바이어스될 경우, 반평행 하향 LED가 문제인데, 이는 하향 LED들을 순방향 바이어스시켜 상기 LED들이 광을 방출하게 해 어레이의 명암 콘트라스트를 감소시킨다.
어드레스 가능한 어레이에 연결될 경우, 상술한 문제를 방지한 집적형 LED 모듈을 만드는 것이 바람직할 것이다.
다른 컬러의 LED가 고밀도의 컴팩트한 RGB 픽셀들을 형성하도록 병렬로 연결될 수 있는 집적형 LED 모듈을 만드는 것이 또한 바람직할 것이다.
배경광, 전체 조명, 또는 컬러 디스플레이를 위한 광을 발생하기 위해 단일 패널에서 저렴하게 함께 패키지될 수 있는 다른 컬러의 집적형 LED 모듈을 만드는 것이 또한 바람직할 것이다.
다수의 LED 모듈들이 컴팩트한 광 또는 디스플레이 패널을 형성하도록 상호 연결 및 어드레싱 방식을 만드는 것이 또한 바람직할 것이다.
컬러 디스플레이에서와 같이 LED의 병렬 및 어드레스 가능한 연결과 관련된 문제들은 능동형 LED 모듈을 이용해 해결될 수 있다. 일실시예에서, 단일 수직 LED 모듈은 수직 구동 트랜지스터(전압-전류 컨버터)와 직렬인 LED를 포함한다. 3개 단자, 즉, 양전압 단자, 음전압 단자 및 LED를 통하는 전류를 컨트롤하기 위한 컨트롤단자가 상기 모듈에 제공된다. 양전압 단자 및 음전압 단자에 인가된 전압들 간의 차는 컨트롤단자에 최대치 컨트롤신호가 공급될 때 총 소정의 휘도까지 LED에 전력을 인가하기에 충분해야 한다.
컨트롤단자는 LED와 직렬연결된 MOSFET의 게이트 또는 소스에 연결될 수 있다. LED 임피던스의 임계 비선형이 수동으로보다는 능동으로 제어되도록 컨트롤단자가 추가된다. 모듈의 전력 단자 양단에 전압이 제공되는 LED 모듈에 대해, 컨트롤단자에 인가된 컨트롤전압에 의해 (LED가 광을 방출하는) 저임피던스 상태가 결정된다. LED의 병렬 또는 어드레스 가능한 네트워크에서 이런 능동형 LED는 컨트롤신호가 저임피던스 상태를 활성화시킬 때까지 고임피던스 상태로 항상 있게 된다. 이 능동형 임피던스 컨트롤은 순방향 전압과 기생전압 강하 및 역전류 경로들에 대한 감도를 떨어뜨린다.
일예로, 적색, 녹색, 및 청색 LED 모듈이 멀티-컬러 디스플레이용 어레이에 병렬 연결되며, (단일 픽셀을 형성하는) 임의의 RGB LED 세트는 3개 모듈들의 전압 단자 양단에 동일한 전압을 인가함으로써 어드레스 가능해진다. 각 모듈의 컨트롤단자는 픽셀에서 적색, 녹색, 및 청색 LED의 소정의 휘도를 달성하도록 다른 가변 컨트롤전압에 연결된다. 컨트롤전압은 RGB LED의 다른 순방향 전압이 더 이상 상관없도록 60Hz 이상으로 차례차례로 인가된다.
또 다른 실시예에서, 모듈은 백색광원에 직렬 및 병렬로 연결되며, 백색점은 적색광, 녹색광, 및 청색광의 상대적 조합에 의해 설정된다. 각 컬러 및 상기 각 컬러의 듀티 사이클에 대한 컨트롤전압은 소정의 백색광을 달성하도록 설정된다.
다른 실시예에서, 다양한 회로들이 LED와 집적되어 LED의 휘도가 입력 전압의 변화에 덜 민감하게 한다.
모듈은 LED 웨이퍼를 드라이버 트랜지스터 웨이퍼에 접합시키고, 이로써 각 LED의 단자를 각 드라이버 트랜지스터의 단자에 연결시켜 직렬 연결을 이룸으로써 형성될 수 있다. 그런 후 접합된 웨이퍼는 한 번에 수천 개의 모듈을 형성하도록 싱귤레이트된다. 또 다른 실시예에서, LED와 드라이버 트랜지스터는 에피텍셜층으로서 서로 위에 성장되거나, 드라이버 트랜지스터는 확산 또는 도판트의 주입에 의해 형성될 수 있다. 모듈은 풋프린트가 대략 하나의 종래 LED 다이(가령, 0.5㎟-1㎟)와 같을 수 있기 때문에 매우 컴팩트하다.
일실시예에서, LED는 웨이퍼 상에 스크린 프린트된다. 프린트가능한 LED는 50-5000㎛2 사이의 상단면적 범위로 형성될 수 있어, 모듈이 동일한 상단면적을 갖게 한다.
수백 개의 중간 전력의 LED를 이용한 대형 조명 시스템에서, 각각의 LED에 대한 종래 구동회로를 제공하는 것은 비실용적일 수 있다. 이런 백색광원에 대해, 많은 LED들은 일반적으로 직렬로 연결되고 고전압이 스트링을 가로질러 연결된다. 종래 기술에서, 이런 고전압을 제공하는 것은 때로 스텝업 레귤레이터를 필요로 하므로, 시스템에 비용이 추가된다. 본 발명은 고유하게 자신의 드라이버에 각 LED를 제공해 심지어 다른 컬러들의 많은 LED들이 병렬로 연결되게 하여 이들이 저전압(가령, 5볼트)으로 구동될 수 있게 한다. 각 LED에 자신의 드라이버를 제공하는 것은 또한 각 LED가 공정 변화, 온도에 따른 휘도의 변화, 및 노화에 따른 휘도의 변화에도 불구하고 소정의 휘도를 출력하도록 컨트롤될 수 있게 한다.
LED 디스플레이 또는 백색광원에 적합한 LED 모듈들의 다양한 어드레스 가능한 어레이들과 함께 다양한 모듈 실시예들을 설명한다.
일실시예에서, 모듈에 대한 패키징은 프린팅에 의해 형성된다.
본 발명의 내용에 포함됨.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일 LED 모듈의 개략도이다.
도 2는 드라이버 트랜지스터 웨이퍼에 접합되는 LED 웨이퍼의 작은 부분의 횡단면도이다.
도 3은 단일 싱귤레이트 모듈의 간략한 횡단면도이다.
도 4는 LED의 위치 및 사용된 드라이버 트랜지스터의 타입에 따라 도 3의 모듈의 3개 단자들에 고정 전압 및 가변 컨트롤전압을 인가하기 위한 다양한 방법들을 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 에피텍셜층을 성장시킴으로써 형성된 LED 및 드라이버 트랜지스터를 도시한 것이다.
도 7은 패널에서와 같이 패키징 후 싱귤레이트 모듈 다이를 도시한 것이다.
도 8은 LED의 양극에 연결된 PMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한 것이다.
도 9는 LED의 양극에 연결된 pnp 쌍극 드라이버 트랜지스터를 도시한 것이다.
도 10은 LED의 양극에 연결된 NMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한 것이다.
도 11은 LED의 양극에 연결된 npn 쌍극 드라이버 트랜지스터를 도시한 것이다.
도 12는 LED의 음극에 연결된 PMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한 것이다.
도 13은 LED의 음극에 연결된 pnp 쌍극 드라이버 트랜지스터를 도시한 것이다.
도 14는 LED의 음극에 연결된 NMOS 드라이버 트랜지스터를 도시한 것이다.
도 15는 LED의 음극에 연결된 npn 쌍극 드라이버 트랜지스터를 도시한 것이다.
도 16은 과도전압 억제를 위해 사용된 LED의 반평행 배열을 도시한 것이다.
도 17은 컬러 디스플레이 또는 백색광용으로 병렬 연결된 RGB LED 모듈을 도시한 것이다.
도 18은 백색광을 포함한 임의의 컬러를 만들기 위해 어떻게 도 17의 RGB LED가 컨트롤전압을 이용해 시퀀스될 수 있는지 도시한 것이다.
도 19는 컬러 디스플레이에서와 같이 함께 패키지된 RGB LED 모듈을 도시한것이다.
도 20은 행렬 어드레싱을 이용해 RGB LED 모듈의 어드레스가능한 네트워크를 도시한 것이다.
도 21은 RGB LED 모듈 어레이용 어드레싱 구성을 도시한 것이다.
도 22는 도 21의 네트워크에 사용하기 위한 RGB LED 모듈용 패키징 구성을 도시한 것이다.
도 23은 향상된 컬러 믹싱을 위한 컬러 LED 모듈의 지그재그 배열을 도시한 것이다.
도 24 내지 도 38은 다양한 2단자 LED 모듈을 도시한 것이다.
도 24는 LED를 통과하는 전류를 설정하기 위해 LED와 직렬의 저항을 도시한 것이다.
도 25는 LED를 통하는 전류를 조절하기 위해 LED와 직렬의 가변저항을 도시한 것이다.
도 26은 LED와 직렬의 전압 클램프 또는 레귤레이터를 도시한 것이다.
도 27은 LED와 직렬의 전류 제한기 또는 레귤레이터를 도시한 것이다.
도 28, 도 29 및 도 30은 LED 양단에 다른 전압 클램프를 도시한 것이다.
도 31 및 도 32는 트랜지스터와 저항을 이용해 형성된 전류 레귤레이터와 클램프를 도시한 것이다.
도 33 및 도 34는 트랜지스터, 저항 및 다이오드를 이용해 형성된 전류 레귤레이터와 클램프를 도시한 것이다.
도 35는 2개의 트랜지스터를 이용한 전류 소스를 도시한 것이다.
도 36은 2개의 트랜지스터를 이용한 전압 소스를 도시한 것이다.
도 37은 2개의 트랜지스터를 이용한 직렬 전류 소스를 도시한 것이다.
도 38은 백색광 픽셀을 포함한 컬러 픽셀용으로 병렬 연결된 2단자 RGB LED 모듈을 도시한 것이다.
도면에서 동일하거나 유사한 소자들은 동일한 참조부호로 표시되어 있다.
도 1은 3단자 LED 모듈(10)의 회로를 도시한 것이다. 모듈(10)은 웨이퍼로부터 싱귤레이트된 하나의 다이로 형성된다. 모듈(10)은 LED(12)와 상기 LED와 직렬의 소스 및 드레인을 갖는 PMOS 드라이버 트랜지스터(14)를 포함한다. 드레인-소스 임피던스가 LED(12)의 임피던스에 더해진다. 그러므로, 총 직렬 임피던스는 트랜지스터(14)의 게이트를 변조함으로써 컨트롤될 수 있다. 이런 방식으로, 트랜지스터(14)는 가변 저항 또는 스위칭 행동을 수행한다. 이와 같이, 게이트가 PMOS 트랜지스터 턴-온 임계치를 초과해 바이어스될 경우 순방향 전류가 다만 흐를 수 있다. 모듈(10)은 3개 단자들(16,17,18)만을 갖도록 패키지될 수 있다.
후술된 바와 같이, 하나의 트랜지스터인 능동형 LED의 다른 구성들도 가능하다. LED 및 트랜지스터의 특정 구성 및 특정 타입의 트랜지스터의 선택은 애플리케이션의 컨트롤 요건 또는 제약에 따른다.
도 2는 모듈(10)의 구조의 일실시예를 도시한 것이다. 도 2는 다른 재료 및 기술을 이용해 형성될 수 있는 2개의 웨이퍼(20 및 21)의 작은 부분을 도시한 것이다.
웨이퍼(20)는 수천 개의 수직 LED를 포함한 LED 웨이퍼이다. 청색광에 대해, 재료 시스템은 AlInGaN일 수 있고, 화학양론이 피크 방출 파장을 결정한다. 이런 LED를 형성하는 것은 잘 알려져 있다. 청색 LED가 임의의 컬러를 만들기 위해 인광물질로 균일하게 커버될 수 있다. LED 웨이퍼(20)는 대신 다른 재료 시스템을 사용해 녹색에서 적색까지 피크 파장의 폭넓은 범위를 달성할 수 있다. LED는 잘 알려진 바와 같이 다중우물 활성층을 포함할 수 있다. LED를 형성하는 것은 종래적이기 때문에 웨이퍼(20)가 아주 간략히 도시되어 있다. 기본적으로, n형 에피텍셜층(23) 및 p형 에피텍셜층(24)이 성장 기판(가령, 사파이어, SiC, 또는 GaAs) 위에 성장된다. pn 인터페이스에서 광이 발생된다. 활성층은 인터페이스에 형성될 수 있다. 성장 기판은 매우 저항이 크거나 광을 흡수할 경우 제거되어야 한다. n형 에피텍셜층(23)도 또한 얇아질 수 있다.
일실시예에서, LED 웨이퍼(20)의 하단면은 얇은 금층과 같은 투명 도전층으로 덮여져 층(23)에 저항 접촉을 형성하고 전류를 확산시킨다. 각 LED부는 단자(T1)을 형성하는 적어도 하나의 금속 전극을 갖는다. 금속 전극은 얇은 핑거, 별모양으로 형성될 수 있거나, 그렇지 않으면 하방으로 상당한 양의 광을 차단하지 않도록 작은 면적을 차지할 수 있다. 또 다른 실시예에서, LED 웨이퍼(20)의 하단면은 광이 각 싱귤레이트 LED의 측면 또는 상단으로부터만 방출되도록 반사체 층으로 코팅된다.
도 2의 하단층(26)은 상술한 것들을 포함한 임의 형태의 하단 도체를 나타낸다. 예에서, 하단 도체는 음극 도체이나, 몇몇 실시예에서, 하단 도체는 양극 도체이다.
LED 웨이퍼(20)의 상단면은 실질적으로 옴 접촉을 형성하도록 웨이퍼(21)의 하단면에 접합되게 준비된다. 일실시예에서, 웨이퍼(20)의 상단면은 압력 및 열에 의해 웨이퍼(21) 상에 유사한 금속층(30)에 접합되는 매우 평평한 반사금속층(28)이다. 또 다른 실시예에서, 웨이퍼(20 및 21)의 결합면은 본 명세서에 참조로 합체된 미국특허 제7,842,540호에 기술된 바와 같이 Ziptronix, Inc가 수행한 특허공정에 의해 될 수 있다. LED 웨이퍼(20)는 3-8인치와 같이 임의의 직경을 가질 수 있다. LED 웨이퍼(20)의 상단면과 하단면 사이에 인가된 적절한 전압으로 인해 LED가 광을 방출하게 된다.
상단 웨이퍼(21)는 LED 웨이퍼(20)에서 각 LED부와 관련된 수직 p채널 MOSFET를 형성한다. 일반적으로 웨이퍼에 수천 개의 LED와 MOSFET가 형성될 것이다. 웨이퍼(21)는 종래 포토리소그래피 기술에 의해 형성된 p형 실리콘 기판, p형 드레인 우물(32), n형 게이트(34) 및 p형 소스(36)를 이용할 수 있다. 각 드레인 우물(32)은 모듈의 싱귤레이션 가장자리들과 일치하는 사각형 형태를 가질 수 있다.
웨이퍼(21) 위에 다양한 유전체층들과 금속 전극들이 프린팅 또는 종래 진공챔버 기술을 이용해 형성될 수 있다. 스크린 프린팅과 같은 프린팅이 이용되면, 게이트(34)와 소스(36) 위에 개구들과 함께 유전체층(38)이 형성된다. 마스킹을 위한 스크린을 이용해 제 1 금속층(40)이 개구에 프린트되어 게이트(34)와 소스(36)에 접촉한다. 제 1 금속층(40)은 금속(가령, Ni, Ti, Al 등)함유 잉크 입자 또는 용매일 수 있다. 잉크가 경화되면, 용매가 증발되고 금속 입자들이 함께 소결된다. 소스(36) 금속 및 게이트(34) 금속 위의 개구들과 함께 또 다른 유전체층(42)이 프린트된다. 알루미늄과 같은 추가 금속층(44)이 소스(36) 금속 위에 프린트된 다음 두꺼운 소스 전극층(46)이 프린트된다. 금속층들은 장벽층을 포함할 수 있다. 도 2에서 단자(T2 및 T3)는 후술된 모듈 어레이 및 특정 타입의 패키징을 위해 설계되어 있다. 단자(T2 및 T3)는 적용 및 패키징에 따라 다르게 설계될 수 있다.
도체들에 손상을 방지하기 위해 웨이퍼(20 및 21)가 저항적으로 함께 접합된 후 상기 웨이퍼(21) 위에 다양한 유전체층 및 금속층이 형성될 수 있다.
50-5000㎛2 사이의 상단 표면적 범위로 프린트가능한 LED가 형성될 수 있어, 모듈들이 동일한 상단 표면적을 갖게 한다. 매우 작은 LED 크기에 대해, 싱귤레이션을 위한 바람직한 방법은 에칭이다.
그런 후, 에칭, 절단(sawing), 스크라이브 앤드 브레이크 방법, 레이저 등과 같은 종래 기술을 이용해 접합된 웨이퍼(20 및 21)가 싱귤레이트된다.
도 3은 간단한 싱귤레이트 LED 모듈(10)을 도시한 것이다. 일실시예에서, 모듈(10)의 크기(풋프린트)는 약 0.1㎟-1㎟이다. 광이 하단면으로부터 탈출하도록 모듈(10)의 하단면의 작은 부분을 차지하는 단자(T1)가 도시되어 있다.
도 1의 구성을 가정해 광을 방출하도록 도 3의 모듈(10)을 컨트롤하기 위해, 양의 전압이 소스 단자(T3)에 인가되고, 음의 전압이 음극 단자(T1)에 인가되며, MOSFET 임계치를 초과하는 게이트-소스 전압(Vgs)이 게이트 단자(T2)에 인가된다. 일실시예에서, LED를 바이어스 순방향 바이어스 시키기 위해, 단자(T3 및 T1) 양단의 전압차는 2볼트 보다 크다. 청색 LED(12)에 대해, 필요한 전압차는 4볼트 보다 더 클 수 있다.
도 4는 LED의 위치와 사용된 MOSFET 타입에 따라, LED 모듈을 컨트롤하는 다양한 방식을 식별한다. 예컨대, 게이트 전압을 컨트롤함으로써 MOSFT를 컨트롤하는 대신, 게이트 전압은 (양으로) 고정될 수 있고, 소스 전압은 소정의 Vgs를 달성하도록 컨트롤될 수 있다. LED와 전류/전압 컨트롤 트랜지스터의 다른 구성들이 후술된 도 8-15에 나타나 있다.
웨이퍼 접합을 이용해 LED부를 트랜지스터부에 접합시키는 이점은 2개 웨이퍼들용의 다른 재료들(가령, Si 및 GaN)이 이용될 수 있다는 것이다. LED와 트랜지스터가 동일 재료(가령, GaN 및 GaAs)를 기반으로 할 수 있는 경우, LED층과 트랜지스터층은 동일한 성장 기판 위에 에피텍셜로 성장될 수 있다. 일실시예에서, 고전자이동도 트랜지스터(HEMT), 헤테로구조 FET(HFET), 금속반도체 FET(MESFET), 또는 변조-도프 FET(MODFET)로 알려진 잘 알려진 타입의 GaN 또는 GaN-기반의 트랜지스터가 성장 기판(가령, GaAs, GaN, SiC, 사파이어 등) 전후로 청색에서 적색광을 발생하는 AlInGaP 또는 AlInGaN LED 위에 성장된다. 성장 기판은 저항이 높거나 빛을 흡수할 경우 제거될 수 있다.
도 5는 성장 기판(50)이 그 위의 LED층(52)에 이어 트랜지스터층(54)을 성장시킨 예를 도시한 것이다. LED 모듈(56)의 상단면 위에 유전체층 및 금속층은 도 2에서의 이들 층들과 유사할 수 있다. 기판(50)이 SiC와 같이 도전성이면, 모듈에 남을 수 있다. 광은 재료 및 적용에 따라 상단면, 하단면 또는 측면을 나갈 수 있다.
도 6은 성장 기판이 그 위의 LED층(52)과 트랜지스터층(54)을 성장시킨 예를 도시한 것이다. 성장 기판은 그런 후 제거되고 금속전극(미도시)이 LED 층(52)의 노출면 위에 형성된다. 트랜지스터 위의 유전체층 및 금속층은 도 2에서의 이들 층들과 유사할 수 있다. 그런 후 광은 트랜지스터 표면 맞은편의 LED층(52)의 하단면으로부터 나갈 수 있다.
도 6은 트랜지스터층(54)이 기판 웨이퍼에 성장되고 LED층(52)이 그런 후 상기 트랜지스터층(54) 위에 성장되는 예를 또한 나타낼 수 있다. 따라서, 트랜지스터층(54)은 LED층(52)에 대한 성장 기판으로서 작용한다. 일실시예에서, 성장 기판은 사파이어, SiC, GaN, 실리콘 등과 같은 GaN층들에 대한 종래 기판일 수 있다. 트랜지스터층(54)은 상술한 바와 같이 FET용 하나 이상의 GaN층일 수 있다. LED층(52)이 그런 후 청색광을 방출하는 종래의 GaN 기반의 헤테로접합 LED를 만들기 위해 성장된다. 그 다음 가령 트랜지스터층(54)을 노출시키기 위해 레이저 리프트오프 또는 그라인딩을 이용함으로써 성장 기판이 제거된다. 트랜지스터층(54)은 얇아질 수 있다. 일실시예에서, 트랜지스터층(54)은 n형 GaN층이고, 기판이 제거된 후, 도 2에 도시된 p형 게이트 영역과 n형 게이트 영역을 형성하도록 트랜지서터층(54)의 n형 면이 (가령, 확산 또는 주입에 의한) 종래 포토리소그래픽 마스킹 및 도핑 공정을 받는다. 도 2에 도시된 유전체층과 금속층이 도 2에 도시된 트랜지스터 구조를 만들도록 프린트될 수 있다.
도 6에 도시된 또 다른 실시예에서, 트랜지스터는 헤테로접합 타입이고 층(54)은 n형 소스층, p형 게이트층, 및 n형 드레인층으로 성장될 수 있다. 반대의 전도도들이 이용될 수 있다. 그런 후 LED층(52)이 트랜지스터층(54)의 상단층에 성장된다. 성장 기판이 제거된 후, 반도체층이 에칭될 수 있고 트랜지스터에 있는 다양한 층들에 전기 접촉을 위해 금속층들이 증착된다. 도 2에 도시된 유전체층 및 금속층은 FET 구조를 완성하기 위해 프린트될 수 있다. 다른 타입의 트랜지스터들이 LED층(52)과 일체로 형성될 수 있다. GaN 기반의 트랜지스터를 형성하는 것은 종래적이다.
최종 발생한 웨이퍼는 그런 후 저비용으로 수천 개의 각각의 LED모듈(10)을 형성하도록 싱큘레이트된다.
접적구조를 형성하도록 LED층(52)과 트랜지스터층(54)을 성장시킴으로써, (도 2에서와 같이) 접합된 장벽 양단의 임의의 전압강하가 방지되고 효율이 향상된다. 도 2의 접합된 구조에 비해 제조단가도 또한 훨씬 더 낮아진다.
도 7은 모듈을 캡슐화하고 모듈(10)에 전력 및 컨트롤 신호를 가하기 위한 도체들을 제공하기 위해 패키지된 모듈(10)을 도시한 것이다. 캡슐화된 모듈(10)은 많은 모듈들이 동일 패널에 캡슐화되는 디스플레이 패널의 일부를 형성할 수 있다. 도 7에서, 투명 플라스틱 또는 유리 패널과 같은 기판(62)에 LED 모듈(10)의 단자(T1)에 직접 접합하기 위해 금속 도체(64)가 제공된다. 패널에, 많은 도체들(64)이 어레이로 다양한 LED 모듈들에 연결될 수 있거나, 하나의 도체 시트가 LED 모듈을 병렬로 연결시킬 수 있다. 금속 도체(64)는 결국 전력 단자에 연결된다. LED로부터의 광이 기판(62)을 통해 아래로 방출될 수 있다. 금속 도체(64)는 단자(T1)에 접합하기 위한 금속 패드를 가질 수 있다. 금속 도체(64)는 또한 투명 도체부를 포함할 수 있다. 유전체층(66)이 그런 후 기판(62) 위에 스크린 프린트되어 모듈(10)의 측면을 캡슐화한다. 유전체층(66)은 또한 기판(62)에 지지된 다른 모듈들을 캡슐화할 수 있다.
모듈(10)은 측면 광방출을 제공하는 캡슐화 이전에 측면에 형성된 반사막(68)을 가질 수 있거나, 유전체층(66)이 백색과 같이 반사적일 수 있다. 막(68)은 또한 필요하다면 유전체 코팅을 나타낼 수 있다. 대안으로, LED로부터의 측면 광은 가령 유전체층(66)이 백색 티타늄 산화물 입자를 함유한 유전체층(66)에 의해 상하방으로 반사된다. 이런 경우, 기판(62)은 패널의 상단면을 통해 모든 광이 결국 나가도록 반사될 수 있다.
제 2 금속 도체(70)가 게이트 단자(T2)와 접촉하도록 MOSFET 및 유전체(66) 위에 형성된다. 유전체층(72)이 금속 도체(70) 위에 형성되고, 제 3 금속도체(74)가 소스 단자(T3)와 접촉하도록 유전체층(72) 위에 형성된다. 일실시예에서, 금속도체(64,70,72)는 컬러 디스플레이 또는 백색광원과 같은 어드레스 가능한 LED 패널의 협소한 행렬 라인들이다.
대부분의 경우, 유전체층(66)은 유전체층(72)보다 훨씬 더 두꺼울 것이다. 이들 2개의 도체들 간에 누전이 우려되지 않을 것이기 때문에, 도체(70 및 74)가 PMOS 트랜지스터에 대한 양의 컨트롤 전압들을 전하는 경우, 도체(70 및 74)를 분리시키기 위해 얇은 유전체층(72)이 적합하다. 따라서, 단자(T1)는 음의 전압단자여야 한다. 단자(T2 또는 T3) 중 어떤 것이 양의 전압 단자여야 하고 어떤 것이 컨트롤단자여야 하는지의 선택은 적용에 따른다. 일반적으로, 상단 도체(74)는 중간 도체(70)보다 저항이 더 낮다. 이와 같이, 단자(T3)에 대한 좋은 선택은 더 높은 전류의 양의 전압단자일 것이다.
패널은 주요 3원색인 적색, 녹색, 및 청색과 같은 다양한 컬러 또는 황색 및 백색과 같은 기타 컬러의 수천 개의 LED 모듈들(10)을 포함할 수 있다. 모든 LED는 청색 LED일 수 있고, 적색 및 녹색은 적색 및 녹색 인광물질에 의해 형성된다. 패널이 전체 조명을 위해 또는 LCD에 대한 배경광으로 사용될 백색광 패널이면, 각 LED는 녹색 및 적색 성분을 더해 백색광을 형성하는 인광이 코팅된 청색 LED일 수 있다. 패널은 두께가 2mm 크기이고 임의의 사이즈로 될 수 있다. 다양한 LED들이 직렬, 병렬 또는 소정의 전압강하와 전류를 달성하기 위한 조합과 같이 임의의 구성으로 연결될 수 있다.
광은 다양한 방식으로 패키지 모듈(10)로부터 방출될 수 있다. 트랜지스터 웨이퍼(21)가 가시광에 투명하면, 도체(70 및 74)는 투명하거나 협소하고, 웨이퍼(20 및 21) 사이 접합 인터페이스는 투명이며, LED광은 도 7의 방위에서 상단면을 통해 방출될 수 있다. 투명 웨이퍼(21)는 SiC 또는 GaN일 수 있고, 트랜지스터는 잘 알려진 GaN HEMT, MOSFET, 또는 MESFET 일 수 있다. 하단 도체(64) 및 기판(62)은 반사적일 수 있다.
대안으로, 광은 패키지의 하단을 통해 방출될 수 있으며, 도체(64)는 얇거나 투명하고 기판(62)은 투명한다. 웨이퍼 접합 인터페이스는 반사 금속일 수 있다.
대안으로, 모든 LED 광은 LED의 측벽을 통해 투과될 수 있고, 그런 후 패키지의 상단면 또는 하단면을 통해 상하방으로 반사될 수 있다. 웨이퍼 접합 인터페이스는 반사 금속일 수 있다. 유전체층(66)이 광을 상하방으로 반사하도록 확산적으로 반사될 수 있다. 도체(70 및 74)는 광이 상단면을 통해 방출될 경우 협소하거나 투명할 수 있다. 도체(64) 및 기판(62)은 그런 후 반사될 수 있다. 하단면 투과를 위해, 도체(70 및 74)는 반사적일 수 있고, 도체(64)는 협소하거나 투명이며, 기판(62)은 투명이다.
도 3의 단일 다이 모듈과 같은 모듈에서, 컨트롤 트랜지스터가 위쪽 트랜지스터 또는 아래쪽 트랜지스터로서 연결될 수 있고, 트랜지스터는 MOSFET, 쌍극자 트랜지스터, 또는 본 명세서에 언급된 다른 타입의 트랜지스터들 중 어느 하나일 수 있다. 트랜지스터 타입들 모두가 수직 트랜지스터로 형성된다. 도 8-15는 가능한 구성들 중 일부를 도시한 것이다. 모든 수직 트랜지스터 타입을 형성하는 것은 잘 알려져 있다.
도 8은 도 1과 동일하다.
도 9는 컨트롤 트랜지스터로서 위쪽 pnp 쌍극자 트랜지스터를 이용한다.
도 10은 컨트롤 트랜지스터로서 위쪽 n-채널 MOSFET를 이용한다.
도 11은 컨트롤 트랜지스터로서 위쪽 npn 쌍극자 트랜지스터를 이용한다.
도 12는 컨트롤 트랜지스터로서 아래쪽 p-채널 MOSFET를 이용한다.
도 13은 컨트롤 트랜지스터로서 아래쪽 pnp 쌍극자 트랜지스터를 이용한다.
도 14는 컨트롤 트랜지스터로서 아래쪽 n-채널 MOSFET를 이용한다.
도 15는 컨트롤 트랜지스터로서 아래쪽 npn 쌍극자 트랜지스터를 이용한다.
각 싱귤레이트된 LED 모듈용의 웨이퍼(21)에 형성된 회로(도 2)는 다수의 트랜지스터들 및 임의의 방식으로 연결된 저항과 같은 기타 부품들을 포함할 수 있다. 각 LED 모듈은 웨이퍼(21)에 형성된 부품들과 상호연결된 다수의 LED들을 또한 포함할 수 있다. LED 웨이퍼와 "전자장치" 웨이퍼를 접합하는 인터페이스는 LED와 전자 웨이퍼에 있는 부품들 간에 다수의 도전성 경로들을 만드는 전극 패턴을 포함할 수 있다. 가령, LED 웨이퍼의 상단에 형성된 전극 패턴은 기계적 접합을 만들고 소정의 전자적 연결을 제공하기 위해 전자장치의 하단에 형성된 전극 패턴에 해당할 수 있다. 접착제가 또한 사용되어 추가로 웨이퍼를 기계적으로 접합시킬 수 있다.
얇은 유전체층과 얇은 도체들을 이용한 LED 모듈의 고밀도 배열을 포함한 문제는 복잡할 수 있다. 예컨대, 프린트된 도전층들 간의 누전이 컨트롤능력을 강화 또는 감소시킬 수 있는 기생 전류경로를 만들 것이다. 누전으로 인한 있을 수 있는 기생저항이 도 16의 회로에 Rlk1, Rlk2, 및 Rlk3로 도시되어 있다. 도 16의 회로(80)는 반평행 연결된 모듈들이 단색용 픽셀을 형성하도록 함께 가까이 패키지되는 디스플레이 패널의 작은 부분일 수 있다.
"상향" LED(82)는 디스플레이 패널용 광을 방출하도록 컨트롤되게 되어 있고, "하향" LED(83)는 높은 역 과도전압의 경우 단자(86 및 94)를 단락시킴으로써 LED(82)의 역 과도전압 보호를 제공하도록 되어 있다. 간단한 어드레싱 구조로, LED(82)만이 빛을 내도록 되어 있다. 행이 선택되지 않으면 관련된 LED(가령, LED(82))는 임계치 아래에서 바이어스되거나 가능하게는 역 바이어스된다. 선택되지 않은 행들이 역 바이어스될 경우, 반평행 LED(가령, LED(83))가 문제인데, 이는 이들 LED들을 순방향 바이어스시켜, 광을 방출하게 하고 어레이의 명암 콘트라스트를 줄이기 때문이다.
도 16에서, LED(82)는 게이트 컨트롤단자(84)가 단자(86)에 가해진 양의 전압 미만의 임계 전압일 때 광을 방출하므로, MOSFET(88)가 온된다. 이때, MOSFET(90) 및 LED(83)는 오프된다. 저항(Rlk1)은 단자(84)와 양의 전압 단자(86) 간의 누전을 나타낸다. 이 누전은 p채널 MOSFET(88 및 90) 모두에 대한 약한 풀업을 제공하고 컨트롤되지 않은 상태인 디폴트로서 MOSFET(88 및 90)(및 LED(82 및 83) 오프)를 오프시키기 때문에 이점적이다. Rlk2로 나타낸 양의 전압 단자(86)와 음의 전압 단자(94) 간의 누전으로 전력이 손실되고 따라서 전력 효율이 저하된다; 그러나, Rlk2는 고저항이다. Rlk3로 나타낸 컨트롤단자(84)와 음의 전압 단자(94) 간의 누전은 MOSFET(88)에 대한 약한 게이트 풀다운이고 따라서 LED(82)의 컨트롤능력을 열화시킨다. 그러나, Rlk3로 인해 MOSFET(90)의 게이트와 소스 간의 몇몇 트랙킹이 야기되어 LED(83)를 오프시키는 이점이 있다.
보이는 바와 같이, 기생 저항의 문제는 고밀도 적용을 고려해야 한다. 기생 커패시턴스도 또한 고려될 수 있다.
도 17은 적어도 3개의 LED 모듈들을 포함한 단일 패키지에서의 회로도를 도시한 것이다. 패키지는 어드레스 가능한 LED 어레이를 포함한 디스플레이 패널일 수 있다. 한 모듈은 적색광을 방출하는 LED(98)를 포함하고, 한 모듈은 녹색광을 방출하는 LED(99)를 포함하며, 한 모듈은 청색광을 방출하는 LED(100)를 포함한다. LED(98 및 99)는 인광 코팅된 청색 LED일 수 있다. 모듈은 도 1 및 도 2와 유사한 p채널 MOSFET(101,102,103)을 포함한다. 패키지는 모듈들이 병렬 연결되도록 소스를 함께 전기연결하는 도체(106)(가령, X-어드레스 라인) 및 LED의 음극을 연결하는 도체(108)(X-어드레스 라인)를 포함한다. 각 LED는 도체(110-112)(가령, Y-어드레스 라인)에 의해 각각의 MOSFET의 게이트에 인가된 별개의 컨트롤전압에 의해 컨트롤된다. 이런 식으로, 백색을 포함한 임의의 컬러광이 패키지에 의해 발생될 수 있다. 3개 모듈들은 다스플레이에서 하나의 컬러 픽셀을 형성할 수 있거나, 백색광 패널의 일부일 수 있다.
병렬로 연결된 다른 컬러의 LED를 컨트롤할 경우 집적된 모듈의 이점은 모듈들이 양 및 음의 전압에 연결된 2개의 공통 단자들이 있고 제 3 단자가 한 번에 하나의 LED를 선택할 수 있다는 것이다. 한번에 한 컬러의 LED만을 온시킴으로써, 순방향 전압은 다른 LED들 양단의 전압에 영향을 주지 않는다. 예컨대, 컨트롤전압이 동시에 모두 낮은 상태가 되면, 적색 LED(98)의 낮은 순방향 전압은 녹색 및 청색 LED가 온 되지 못하게 한다. 한 번에 단지 하나의 LED 컬러만이 활성화되는 한, 다른 순방향 전압들 간에 충돌이 없다. 다른 LED 컬러의 턴온 기간은 시간적으로 나누어질 수 있고(시분할 다중화), 컨트롤전압 레벨은 활성 LED 순방향 전압에 대해 조절될 수 있다. 일실시예에서, MOSFET(101-103)의 게이트에 인가된 컨트롤전압은 약 60Hz 이상의 주파수로 순차적으로 제공되며, 컨트롤 전압의 상대적인 듀티 사이클이 광의 인지된 컬러를 컨트롤한다.
도 18은 3개 모듈로부터 발광을 컨트롤하기 위한 단일 사이클의 적색, 녹색, 및 청색 LED(98-100)의 상대적 온-타임의 예이다. 컨트롤전압은 각각의 LED가 소정의 기설정된 플럭스 레벨(가령, 공칭 최대 휘도)을 방출하게 하도록 각 컬러 LED에 대해 다를 수 있으며, 이로써 사이클당 (휘도에 대한) 절대 온-타임 및 (컬러에 대한) 상대 온-타임을 컨트롤함으로써 백색 또는 중립 광을 포함한 임의의 전체 휘도 레벨 및 컬러가 달성될 수 있다.
도 19는 3개 LED 모듈(109,110,111)을 포함한 패키지(108)를 도시한 것이다. 패키지는 어드레스 가능한 LED의 전체 패널일 수 있고, 도 19는 패널의 작은 부분을 단지 나타낼 수 있다. 모듈(109)은 적색 LED를 포함하고, 모듈(110)은 녹색 LED를 포함하며, 모듈(111)은 청색 LED를 포함한다. 도 19의 예에서, LED의 음극 단자(T1)는 기판(116)에 의해 지지되는 도체(114)에 의해 함께 연결된다. 패키지(108)로부터의 발광방향은 도 7을 참조로 언급된 이들 방향들 중 어느 하나일 수 있다. 모듈(109-111)에서 트랜지스터들은 p채널 MOSFET이며, 소스 전압 충분히 아래의 게이트 전압이 트랜지스터와 LED를 온시킨다. 트랜지스터의 게이트들은 도체(118)에 의해 공통으로 연결되고, 트랜지스터의 소스는 도면 페이지의 안팎으로 뻗어 있는 도체(120,121,122)에 의해 별개로 접촉된다. 도체(114 및 118) 양단의 전압은 LED 중 어느 하나의 순방향 전압보다 더 높다. 시분할 형태로 소스 전압들을 개별적으로 컨트롤함으로써, 각각의 트랜지스터들은 임의의 전류를 도전시켜 RGB 컬러의 혼합을 컨트롤하기 위해 별개로 컨트롤될 수 있다.
유전체층(66 및 72)은 도 7에서와 같을 수 있다.
대안으로, 도 19의 트랜지스터들의 소스들은 도체들(120-122)을 대체한 도체에 의해 함께 연결될 수 있고, 게이트는 게이트 전압을 통해 트랜지스터들을 개별적으로 컨트롤을 허용하도록 공통 도체(118)를 대체한 도체들에 의해 별개로 접촉된다.
일실시예에서, 도 19의 구조는 5개 단자들이 있는 하나의 3-모듈 패키지를 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 도 19의 구조는 단지 하나의 기판(116)을 갖는 훨씬 더 큰 패널의 일부이며, 각 컬러 픽셀 위치는 3개의 RGB 모듈들을 포함한다. 유전체(66)는 패널상의 모든 모듈들을 캡슐화하는 하나의 유전체층일 수 있다. 행의 픽셀들은 행(X) 도체들(114 및 118) 양단에 전압을 인가함으로써 어드레스될 수 있고, 어드레스된 행에서 임의의 픽셀 위치에서의 개개의 LED들은 적절한 컨트롤전압을 열(Y) 도체(120-122)에 인가함으로써 온될 수 있다. 열에서 많은 모듈들은 동일한 컨트롤 전압을 받을 수 있으나, 어드레스되지 않은 행의 LED는 온되지 않는다.
많은 LED들이 동시에 온될 수 있는 (LCD를 백라이팅하는 것을 포함한) (0.1W/in2 보다 큰) 고전압 조명 애플리케이션에서, 소정의 전력이 동작전압을 증가시키고 전류를 낮추는 이점이 있다. 프린트된 인터커넥터에서 전력손실은 전류의 제곱에 비례한다; 따라서, 전압은 더 크나 전류는 더 낮게 합해진 직렬의 다수의 LED 세그먼트들을 연결함으로써 효율이 높아질 수 있다. 도 20은 직렬(열) 연결된 병렬 RGB LED(행)의 다수의 세그먼트들을 갖는 광 패널을 도시한다. 패널은 훨씬 더 클 수 있다. LED(124)와 p채널 MOSFET(125)의 각 조합은 상술한 방식들 중 어느 하나로 형성된 하나의 모듈이다.
도 20의 패널의 사용의 일예에서, 백색광은 다음과 같이 생성된다. 양의 전압(가령, 15 볼트)이 도체(130)에 가해지고 음의 전압(가령, 접지)이 도체(132)에 가해진다. LED들 중 어느 하나의 최대 순방향 전압은 4볼트인 것으로 가정하기 때문에, 직렬의 3개의 LED들이 있고, 각 스트링을 구동시키기 위해 15 볼트면 충분하다. 도 20의 예에서, 적색 LED는 최좌측 열에 있고, 녹색 LED는 가운데 열에 있으며, 청색 LED는 최우측 열에 있다. 열에서 모든 적색 LED는 도체(136)에 가해진 동일한 적색 컨트롤 전압에 의해 컨트롤되고, 열에서 모든 녹색 LED는 도체(138)에 가해진 동일한 녹색 컨트롤 전압에 의해 컨트롤되며, 열에서 모든 청색 LED는 도체(140)에 가해진 동일한 청색 컨트롤 전압에 의해 컨트롤된다. 컨트롤전압 크기는 LED의 각 열을 통해 소정의 전류를 달성시키기 위해 다를 수 있다. 컨트롤 전압은 소정의 전체 컬러 출력을 달성하기 위해 도 18에 도시된 바와 같이 순서대로 그리고 듀티 사이클로 가해진다. 도체(136,138,140)를 따른 저항기 드라이버로 인해 열에 있는 각 MOSFET는 동일한 Vgs를 갖게 된다. 높은 값의 저항기들로 형성된 도체들(132 및 130) 간의 또 다른 저항기 드라이버는 모듈의 각 행이 LED가 오프일 때 동일한 전압을 가짐으로써 열에 있는 모든 MOSFET가 동시에 온되는 것을 보장한다.
RGB LED에서 나온 광은 패널의 면으로부터 수 밀리미터만 단지 혼합되고/되거나 광의 균일성을 향상시키기 위해 확산기 패널이 사용될 수 있다.
도체들(130 및 132) 간의 저항기 드라이버를 이용하는 대신, 별개의 전압이 각각의 X 도체(130,134,142,144)에 가해져 각 행의 양단에 5볼트의 전압을 가할 수 있다.
많은 작은 패널들은 하나의 큰 패널을 형성하도록 함께 연결될 수 있다. 작은 패널들은 소정의 전압 및 전류에 따라 직렬 및 병렬의 임의 조합으로 연결될 수 있거나, 각 패널은 자신의 전원에 의해 별개로 구동될 수 있다. 일실시예에서, 패널은 전체 조명을 위해 2×4 피트 천장판(램프)을 형성한다.
또 다른 실시예에서, 도 20의 패널은 컬러 디스플레이일 수 있다. 컬러 디스플레이에 대해, 도체들(130 및 132) 간의 저항기 드라이버가 제거되고, 하나의 모듈 행은 상기 행의 양단에, 가령, 5볼트의 전압을 제공함으로써 한 번에 어드레스된다. 그런 후, 컨트롤전압이 도체(136,138,140)에 순차적으로 가해져 하나의 컬러 픽셀에 대한 RGB 컬러를 만든다. 디스플레이는 임의의 크기일 수 있다.
도 20의 패널이 전체 조명을 위해 사용된다면, 행을 어드레싱할 필요가 없고, 컨트롤전압을 도체(136,138,140)에 가해 다양한 MOSFET를 온시킴으로써 빠른 시분할 반복 패턴으로 적색, 녹색 및 청색 LED의 열들이 단지 어드레스된다. 사람의 눈에, 컬러들은 깜빡임 없이 함께 섞인다. 소정의 인지되는 컬러(가령, 백색점)를 만들기 위해 컬러당 온-타임, 직렬로 특정 개수의 LED들, 또는 컬러당 컨트롤전압이 선택될 수 있다. 방출된 광은 사용자에 의해 선택될 수 있도록 컨트롤될 수 있다.
어드레스 가능한 픽셀들을 갖는 컬러 디스플레이와는 대조적으로 조명패널에 대해, 섞이지 않은 컬러의 시각적 불편함을 제거하기 위해 개별 RGB 소자들의 수렴이 중요하다. 따라서, 특정 확산길이 내에 소정의 컬러에 수렴하는 정규 패턴으로 개개의 LED 컬러들을 패턴화는 것이 필요하다. 둘째로, 따뜻한 백색 컬러들에 대해, 녹색 및 청색보다 상당히 더 많은 적색 전력이 요구된다. 패턴이 규칙적이고 녹색 및 청색 LED의 2배 많은 적색 LED를 갖는 2 레벨 RGB 어레이가 도 21에 도시되어 있다. 도 21은 전체 조명용 램프에서 RGB LED에 대한 어드레싱 방식을 도시한 것이다. 2 레벨 인터커넥트는 녹색 및 청색 도체로부터 적색 컨트롤 도체를 분리시킨다. 청색 및 녹색 LED 행들은 교번하는 반면, 적색 LED는 각 행에서 청색LED와 녹색 LED 사이에 있다.
도 21에서, 패널에 있는 모든 LED의 음극들은 공통 접지 도체에 연결되고, 모든 트랜지스터들(가령, p-채널 MOSFET)의 게이트들은 공통 양 전압 도체에 연결된다. 따라서, 소스 전압들은 LED를 통해 전류를 컨트롤하도록 컨트롤될 것이다. 청색 채널 어드레스 버스(150)는 청색 X 도체(152)를 청색 LED용 트랜지시터의 소스에 연결한다. 녹색 채널 어드레스 버스(154)는 녹색 X 도체(156)를 녹색 LED용 트랜지시터의 소스에 연결한다. 어드레스 버스(150 및 154)는 청색 및 녹색 LED가 대략 동일한 순방향 전압을 이용한다면 함께 연결될 수 있다. 적색 채널 어드레스 버스(158)는 넓고 적색 LED용 트랜지시터의 소스에 연결한다. 따라서, 패널에 의해 출력된 전체 컬러는 3개 어드레스 버스들(150,154,158)에 인가된 전압 및 컨트롤전압의 듀티 사이클에 의해 컨트롤된다. 도체 및 버스에 연결된 적색, 녹색, 및 청색 LED 모듈(159) 어레이가 패널을 정주시킨다. 적색, 녹색, 및 청색 LED의 개수와 타입은 패널의 최적 효율을 달성하도록 선택될 수 있다.
도 22는 RGB LED 패키지 모듈 세트를 도시한 도 21의 2개의 RGB 어레이 패널의 작은 부분의 도 21에서 선(22-22)을 따른 톱니형 횡단면 도를 도시한 것이다. 모든 유전체층들과 도체층들은 프린팅에 의해 형성될 수 있다.
도 22에서, 기판(160)은 투평판일 수 있다. 기판(160)에 지지된 접지(또는 음의 전압) 도체(162)는 적색 모듈(166), 녹색 모듈(167), 및 청색 모듈(168)의 음극 단자에 연결된다. 도체(162)는 광이 기판(160)을 통해 방출되게 하도록 투명하거나 얇을 수 있다. 유전체층(164)은 모듈(166-168)의 측면을 캡슐화한다. 게이트 도체(166)는 모듈(166-168)에서 MOSFET의 게이트에 연결된다. (도체(162) 전압에 대해) 고정된 양의 전압이 게이트 도체(166)에 인가된다. 유전체층(168)은 도체(166) 위에 형성된다. 청색 및 녹색 LED에 전류를 별도로 컨트롤하기 위해 (도면 안팎으로 뻗어 있는) 별개의 도체들(152 및 156)이 청색 및 녹색 모듈(168 및 167)의 각각의 소스 전극들(157)에 연결된다. 각 적색 LED 모듈은 도체(152 및 156) 위로 뻗어 있는 돋아진 소스 접점(170)을 갖는다. 유전체층(172)은 도체(152 및 156)과 유전체층(168) 위에 형성된다. 그런 후, 적색 채널 어드레스 버스(158)이 유전체층(172) 위에 형성되어 적색 LED 모듈(166)의 모든 소스들(173)과 접촉한다. 버스(158)는 전체 RGB LED 모듈 어레이를 커버하고 또한 반사체로서 작용한다. 보이는 바와 같이, 최종 발생한 패널은 적색, 녹색 및 청색 LED에 전류를 별도로 컨트롤하기 위해 컨트롤 도체들의 2개 레벨들을 갖는다. 도 21의 어레이에서 LED는 병렬 연결되고, LED의 다른 컬러들은 상술한 바와 같이 순차적으로 컨트롤된다. 최적의 전압 및 전류로 임의의 전체 휘도를 갖는 임의의 크기의 패널을 달성하도록 다수의 어레이들이 직렬 및 병렬 연결될 수 있다.
일실시예에서, 도체(152 및 156)는 폭이 약 1mm 이하이다. LED는 50㎛2-1mm2의 픽셀 크기를 만들 수 있다. 패널을 가로질러 균일한 광이 바람직한 백색광원에 대해, RGB 컬러는 패널 위에 약 1-2mm 높이에서만 섞인다. 확산기 시트가 또한 사용될 수 있다. 적색, 녹색 및 청색 LED는 깜빡임을 피하기 위해 60Hz 이상으로 순차적으로 전압이 가해질 수 있다. 각각의 듀티 사이클은 패널에 의해 방출된 전체 컬러를 결정한다.
대안으로, 도 22는 컬러 디스플레이의 하나의 컨트롤이능한 픽셀을 형성하거나 또는 임의의 다른 적용을 위한 하나의 패키지된 RGB 램프를 나타낼 수 있다.
도 23은 향상된 컬러 믹싱을 위한 적색, 녹색 및 청색 LED 모듈의 지그재그 배열을 도시한 것이다. 도 23에서, 적색 LED 모듈(180)의 짧은 대각선들은 지그재그 열에 배열되어 있다. 마찬가지로, 녹색 LED 모듈(182)의 짧은 대각선들은 지그재그 열에 배열되어 있고, 청색 LED 모듈(184)의 짧은 대각선들은 지그재그 열에 배열되어 있다. 최종 발생한 백색광에 더 따뜻함을 더하기 위해 추가 적색 LED 모듈(180) 열은 녹색과 청색 열 사이에 삽입될 수 있다. RGB 광의 지그재깅은 패널을 가로질러 더 균일한 백색광을 위해 상기 광을 더 잘 믹싱한다. RGB 모듈에 연결은 도 21 및 도 22에 대해 기술한 바와 같을 수 있으므로 간략히 하기 위해 도시하지 않았다.
몇몇 적용에서, 동일한 컬러의 LED 모듈들은 병렬로 연결하는 것이 이점적이다. 병렬로 연결된 임의의 개수의 레그들이 있을 수 있다. LED 모듈의 스트링은 병렬회로의 각 레그로부터 형성될 수 있고, 각 레그는 직렬의 다른 개수의 LED 모듈들을 포함할 수 있다. 하나의 레그에서 LED들은 함께 전력을 공급받고 각 레그는 독립적으로 컨트롤된다. 이 기술은 LED가 최대 효율로 동작하게 하는 한편 상대적으로 낮은 전류에서 주로 얻어지는 병렬회로에서 방출된 전체 휘도(플럭스)를 조절하는데 사용될 수 있다. 따라서, 더 큰 휘도를 달성하기 위해, LED 모듈의 스트링을 통해 전류를 증가시키는(효율이 더 낮아지는) 대신, LED 모듈들이 더 적은 LED 모듈의 스트링은 최적의 전류에서 전력을 공급받을 수 있다. 고효율의 휘도 레벨을 얻기 위해 시분할 다중화가 사용될 수 있다.
도 24-38은 웨이퍼 접합 모듈로 형성될 수 있거나, 수동회로 또는 능동회로가 LED와 동일한 웨이퍼에 에픽텍셜 성장되거나, 수동회로 또는 능동회로가 LED 웨이퍼에 도판트를 확산 또는 주입시킴으로써 형성되는 2단자 LED 모듈의 다양한 구성을 도시한 것이다. 모듈은 상단 전극과 하단 전극이 있을 수 있고, 하단 전극은 LED의 음극이며, 상단 전극은 수동회로 또는 능동회로의 전극이다. LED의 다른 배향들도 고안된다. 도 24-38의 회로들은 LED를 통해 전류를 컨트롤하고/컨트롤하거나 입력전압 변화에 대한 감도를 저하시킴으로써 LED의 실질적으로 균일한 휘도를 제공한다.
도 24는 LED를 통과하는 전류를 컨트롤하기 위해 단일 모듈 다이(194)에서 LED(192)와 직렬의 저항(190)을 도시한 것이다. 가장 간단한 V-I 컨버터가 도 24에서와 같이 직렬저항으로 구현된다. 저항은 LED 전압의 변화를 완충시킨다. LED의 큰 입력전압 및 상대적으로 적은 순방향 전압에 대해, 전류는 입력전압 나누기 직렬 저항과 대략 같다. 입력전압이 순방향 LED 전압보다 훨씬 클 경우, 도 24에서와 같이, 고정된 저항으로 LED 속성들에서 불확실성이 충분히 줄어들 수 있다. 병렬 연결된 RGB LED 모듈에 대해, 각 모듈에서 직렬 저항은 각 LED가 동시에 빛나도록 선택될 수 있다. 이는 적색 LED와 같이 LED에 낮은 순방향 전압을 제공하며, 녹색 및 청색 LED 양단의 전압을 녹색 및 청색 LED의 순방향 전압 아래의 전압으로 고정시킨다. 직렬 저항은 전압을 충분히 강하시켜 이런 고정을 방지한다.
순방향 LED 전압에 가까운 입력전압을 위해, 도 25에 도시된 바와 같이 가변저항(196)이 2 단자 모듈에 사용되어 LED(192)를 통해 전류를 컨트롤한다. LED의 순방향 전압이 LED마다 약간 변하고 필요한 전류를 달성하기 위해 저항값의 정확도가 중요하기 때문에 가변 저항이 사용된다. 가변 저항은 트랜지스터를 포함한 능동소자일 수 있다.
도 26은 단일 모듈에서 LED(192)와 직렬이거나 LED(192) 양단에 전압 클램프 또는 레귤레이터(198)를 도시한 것이다. 직렬 저항기 구현은 입력전압 변화에 대한 휘도 감도를 저하시키지 않는다. 전압소스 불확실성을 완충시키기 위해, 도 27에 도시된 전압 클램프 또는 레귤레이터(198) 또는 전류 레귤레이터 또는 리미터(200)가 사용될 수 있다. 따라서, 충분히 큰 입력전압을 위해, 휘도는 입력전압에 무관하다.
도 28, 29, 및 30은 LED 양단에 다른 전압 클램프들(202,206,210)을 도시한 것이다. 전압 클램프는 하나의 다이(도 28), 직렬의 여러 다이들(도 29), 또는 제너다이오드(도 30)에 의해 구현될 수 있다. 다이오드 클램프는 LED에 가해진 전압을 제한하고 직렬 저항은 LED에 대한 전류를 제한한다.
전압 클램핑과 다이오드 제한의 더 강건한 수단은 트랜지스터들을 이용해 구현될 수 있다. 도 31은 LED 양단에 클램프(212)를 도시한 것이고, 도 32는 트랜지스터와 저항을 이용해 형성된 전류 리미터(214)를 도시한 것이다. 트랜지스터들은 직렬 저항을 변화시키고 이에 따라 입력전압에 대한 감도를 저하시키기 위해 능동수단을 제공한다. 도 9의 모듈은 트랜지스터의 베이스와 음의 단자 간에 연결된 반도체 재료에서 저항을 형성함으로써 도 31의 회로를 형성하도록 사용될 수 있다. 마찬가지로, 도 11의 모듈은 트랜지스터의 베이스와 양의 단자 간에 연결된 반도체 재료에서 저항을 형성함으로써 도 32의 회로를 형성하도록 사용될 수 있다.
도 9 및 도 11의 모듈을 이용해 반도체 재료의 추가 회로소자들을 형성하고 상기 소자들 간에 연결을 형성함으로써 도 24-38의 회들 중 다양한 다른 회로들이 형성될 수 있다.
도 33은 클램프(218)를 나타내고, 도 34는 트랜지스터, 저항 및 다이오드를 이용해 형성된 전류 레귤레이터(222) 및 클램프를 나타낸다.
도 35는 2개의 트랜지스터들을 이용해 전류 소스(226)를 나타낸다. 더 많은 트랜지스터들이 사용되면 더 양호한 컨트롤이 달성될 수 있다.
도 36은 2개의 트랜지스터들을 이용해 전압 소스(230)를 나타낸다.
도 37은 2개의 트랜지스터들을 이용해 직렬 전류 소스(234)를 나타낸다.
도 38은 병렬로 연결된 도 24-37의 2단자 모듈들 중 어느 하나를 나타낸 것으로, 여기서 3개 모듈(240,242,244)은 전체 조명 또는 배경광과 같이 광패널에서 단일 광소자를 형성하도록 적색, 녹색, 및 청색 LED를 포함한다. 회로(246)는 각각의 RGB LED가 온되어지게 하도록 모듈 양단에 소정의 전압 강하를 또한 설정하면서 (LED를 통해 소정의 전류를 설정함으로써) 각 컬러 LED가 소정의 휘도를 방출하도록 설정된다. 집적된 LED 모듈은 기타 외부 구성부품들 없이 균일한 휘도를 달성하도록 나란할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 백색광을 만들기 위해 인광 코팅한 청색 LED를 포함해 모든 LED는 동일한 컬러이다.
도 24-38의 모듈들 중 어느 하나는 또한 3단자 모듈을 형성하기 위해 LED와 직렬의 도 1-23의 트랜지스터 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 제안된 방안들은 V-I 드라이버와 LED를 하나의 다이로 집적된다. 드라이버와 LED는 2개의 웨이퍼 접합 기판 또는 도일한 기판에 제조되는 집적회로를 이룬다. 이 집적은 LED의 고유한 기생 불확실성과 전체 시스템에 대한 상호연결을 줄인다. 집적은 또한 비집적 V-I 드라이버들을 이용하는 것에 비해 회로의 크기와 비용을 크게 줄인다. 이는 각 LED가 자신의 전용 드라이버를 갖게 한다.
추가로, 각 LED에 자신의 컨트롤이능한 드라이버를 제공함으로써 공정 변화, 온도에 따른 휘도의 변화, 및 노화에 따른 휘도의 변화에도 불구하고 각 LED가 소정의 휘도를 출력하도록 컨트롤되게 한다.
앞선 예들은 MOSFET과 쌍극자 트랜지스터를 사용한 것이다; 그러나, 본 발명의 범위는 트랜지스터 기술에 국한되지 않는다. CMOS, BiCMOS, BCD, 또는 기타 집적회로 프로세스를 이용해 상기 구현들이 만들어질 수 있다. 미도시된 추가 트랜지스터 기술들은 또한 JFET, IGBT, Thyristor(SCR), Triac. 및 기타와 같이 이용될 수 있다.
본 발명의 특별한 실시예들이 도시되고 기술되었으나, 폭넓은 태양에서 본 발명으로부터 벗어남이 없이 변경 및 변형이 이루어질 수 있고, 따라서, 특허청구범위는 본 발명의 진정한 기술사상 및 범위 내에 있기 때문에 이런 모든 변경 및 변형들을 본 발명의 범위내에 포함될 수 있음이 당업자에 명백할 것이다.

Claims (35)

  1. 제 1 상단 LED 도전면과 제 1 하단 LED 도전면이 있고 수직한 무기 제 1 발광 다이오드(LED); 및
    제 1 LED와 직렬의 수직한 제 1 트랜지스터를 포함하고,
    제 1 LED는, 제 1 상단 LED 도전면과 제 1 하단 LED 도전면 사이에 에피텍셜로 성장된 n-형 층과 에피텍셜로 성장된 p-형 층이 있으며,
    제 1 트랜지스터는 제 1 단자, 제 2 단자 및 제 3 단자가 있고,
    제 1 단자는 제 1 트랜지스터의 하단 도전면이고, 제 1 트랜지스터의 하단 도전면은 제1 상단 LED 도전면을 대향하며, 제 1 상단 도전면에 전기적 및 기계적으로 접합되며,
    제 1 트랜지스터는 상단면이 있고, 상기 상단면에 제 2 단자 및 제 3 단자가 형성되며,
    접합된 제 1 LED 및 수직한 제 1 트랜지스터는 제 1 트랜지스터가 제 1 LED와 실질적으로 크기가 같도록 함께 싱귤레이트되고,
    제 1 LED는 제 1 전압이 제 1 하단 LED 도전면에 인가되고 제 2 전압이 제 2 단자에 인가되며, 제 1 컨트롤전압이 제 3 단자에 인가될 경우 광을 방출하도록 구성되는 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 트랜지스터는 FET인 조명장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 단자는 드레인 단자이고, 제 2 단자는 게이트 단자이며, 제 3 단자는 소스 단자인 조명장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    제 1 단자는 드레인 단자이고, 제 2 단자는 소스 단자이며, 제 3 단자는 게이트 단자인 조명장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 LED는 제 1 컬러의 광을 방출하고,
    조명장치는:
    제 2 상단 LED 도전면과 제 2 하단 LED 도전면이 있고, 수직하며 제 2 컬러의 광을 방출하는 제 2 LED; 및
    제 2 LED와 직렬의 수직한 제 2 트랜지스터를 더 포함하고,
    제 2 트랜지스터는 제 4 단자, 제 5 단자 및 제 6 단자가 있으며, 제 4 단자는 제 2 트랜지스터의 하단 도전면이고, 제 2 트랜지스터의 하단 도전면은 제 2 상단 LED 도전면에 전기적 기계적으로 접합되며,
    제 2 트랜지스터는 상단면이 있고, 상기 제 2 트랜지스터의 상단면에 제 5 단자 및 제 6 단자가 형성되며,
    접합된 제 2 LED 및 수직한 제 2 트랜지스터는 제 2 트랜지스터가 제 2 LED와 실질적으로 크기가 같도록 함께 싱귤레이트되고,
    제 2 LED는 제 3 전압이 제 2 하단 LED 도전면에 인가되고 제 4 전압이 제 5 단자에 인가되며, 제 2 컨트롤전압이 제 6 단자에 인가될 경우 광을 방출하도록 구성되고,
    제 1 하단 LED 도전면과 제 2 하단 LED 도전면은 함께 연결되며,
    제 1 트랜지스터의 제 2 단자와 제 2 트랜지스터의 제 5 단자가 함께 연결되는 조명장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 1 컨트롤전압과 제 2 컨트롤전압이 제 1 LED와 제 2 LED에 각각 가해지고, 제 1 컨트롤전압과 제 2 컨트롤전압이 동시에 온 되지 않도록 시분할 다중화되는 조명장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 1 LED는 온일 경우 양단에 제 1 전압 강하를 갖고, 제 2 LED는 온일 경우 양단에 제 1 전압 강하와는 다른 제 2 전압 강하를 갖는 조명장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    멀티-컬러 발광장치를 형성하기 위해 제 1 LED, 제 2 LED, 제 1 트랜지스터, 및 제 2 트랜지스터가 함께 패키지되는 조명장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    멀티-컬러 발광장치는 도체가 제 1 하단 LED 도전면 및 제 2 하단 LED 도전면에 연결된 기판을 갖는 디스플레이 스크린에 패키지되고, 제 1 LED 및 제 2 LED에서 나온 광이 기판을 통해 방출되는 조명장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    멀티-컬러 발광장치는 도체가 제 1 하단 LED 도전면 및 제 2 하단 LED 도전면에 연결된 기판을 갖는 광패널에 패키지되고, 제 1 LED 및 제 2 LED에서 나온 광이 기판을 통해 방출되는 조명장치.
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