KR20050108177A - 맥동 전류를 이용하여 엘이디 소자의 광출력을 증가시키는방법 및 상기 방법을 이용한 엘이디 소자의 구동유닛 - Google Patents

맥동 전류를 이용하여 엘이디 소자의 광출력을 증가시키는방법 및 상기 방법을 이용한 엘이디 소자의 구동유닛 Download PDF

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KR20050108177A
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Abstract

본 발명은 맥동전류(pulsation current)를 이용하여 LED 소자의 광출력을 증가시키는 방법 및 상기 방법을 이용한 LED 소자의 구동유닛을 개시한다. 본 발명의 한 유형에 따르면, 본 발명은, n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자에 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 인가하는 것을 특징으로 하는 한다. 본 발명의 다른 유형에 따르면, 본 발명은, n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자; 및 상기 반도체 발광 소자에 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 인가하는 전압인가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

맥동 전류를 이용하여 엘이디 소자의 광출력을 증가시키는 방법 및 상기 방법을 이용한 엘이디 소자의 구동유닛{A method for increasing optical output of LED device using pulsation current and a driving unit of LED device using the method}
본 발명은 화합물 반도체 발광 소자(LED)의 광출력을 증가시키는 방법 및 상기 반도체 발광 소자의 구동유닛에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 맥동전류(pulsation current)를 이용하여 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법 및 상기 방법을 이용한 반도체 발광 소자의 구동유닛에 관한 것이다.
LED와 같이 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기적인 신호를 빛으로 변화시키는 반도체 발광소자는 다른 발광체에 비해 수명이 길고, 구동 전압이 낮으며, 소비전력이 적다는 장점이 있다. 또한, 응답속도 및 내충격성이 우수할 뿐만 아니라 소형 경량화가 가능하다는 장점도 가지고 있다. 이러한 반도체 발광소자는 사용하는 반도체의 종류와 구성물질에 따라 각기 다른 파장의 빛을 발생할 수 있어, 필요에 따라 여러 가지 다른 파장의 빛을 만들어 사용할 수 있다. 특히, 생산기술의 발달과 소자 구조의 개선으로 매우 밝은 빛을 낼 수 있는 고휘도 반도체 발광소자도 개발되어 그 쓰임새가 매우 넓어졌다. 더욱이, 청색을 발하는 고휘도 반도체 발광소자가 개발됨으로써, 녹색, 적색, 청색의 고휘도 반도체 발광소자를 사용하여 자연스러운 총 천연색의 표시가 가능하게 되었다.
도 1은 일반적인 반도체 발광 소자의 동작 원리를 개략적으로 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 발광 소자(10)는, 사파이어 기판(11) 위에 n-형 반도체층(12), 활성층(13) 및 p-형 반도체층(14)를 연속하여 적층하고, 상기 n-형 반도체층(12)의 일측과 p-형 반도체층(14) 위에 n-형 전극(15)과 p-형 전극(16)을 각각 증착한 구조를 하고 있다. 이러한 구조의 반도체 발광 소자(10)에 순방향으로 전압을 인가하면, n-형 반도체층(12)의 전도대에 있는 전자가 p-형 반도체층(14)의 가전자대에 있는 정공과의 재결합을 위해 천이되면서 그 에너지 만큼 활성층(13)에서 빛으로 발광된다. 상기 활성층(13)에서 발생된 빛은, 반도체 발광 소자의 구조에 따라, 활성층(13)의 상부로 직접 방출되거나, p-형 전극(16)에 의해 반사되어 기판을 통해 방출된다.
상기와 같은 구조를 갖는 반도체 발광 소자(10)는 일반적으로 극성을 갖기 때문에, 지금까지는 도 2에 도시된 바와 같이 직류(DC) 전원을 사용하여 구동되었다. 인가되는 전압의 극성이 반대일 경우에는, n-형 반도체층(12)의 전자와 p-형 반도체층(14)의 정공이 활성층(13)으로 이동하지 않아 빛이 발광되지 않기 때문이다. 그런데, 직류 전원을 인가하여 반도체 발광 소자를 구동할 경우에는, 정공의 이동도에 비해 전자의 이동도가 훨씬 크기 때문에, n-형 반도체층(12)에서 나온 전자가 대부분 p-형 반도체층(14) 가까이에 치우쳐서 분포하게 된다. 이로 인하여, 발광효율이 떨어지는 문제가 있다.
반도체 발광 소자를 구성하는 반도체 재료 중, 특히 Ⅲ족 질화물(주로 GaN와 관련된 화합물) 반도체에서 정공의 이동도가 떨어지는 것으로 알려져 있다. 그러나, 질화물 반도체는 광학적, 전기적, 열적 자극에 매우 안정성을 보이며 청색 영역에서 자색 영역까지 넓은 범위 내에서 빛을 내도록 제조할 수 있기 때문에 오늘날 주목되고 있다. 따라서, 현재 상기 질화물 반도체를 이용하여 보다 저전력으로 구동되며 발열량이 적은 고효율 고휘도의 반도체 발광 소자를 개발하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 그와 같은 연구를 수행하기 위해서는 막대한 비용과 시간이 투입되어야 하는데, 이는 제조업자에게는 큰 부담이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 보다 간단한 방법으로 활성층 내의 전자 분포가 p-형 반도체층 가까이에 치우치는 것을 방지함으로써 반도체 발광 소자의 발광 효율을 향상시키는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 보다 간단하고 저렴하게 화합물 반도체 발광 소자(LED) 소자의 광출력을 증가시키고 안정성을 향상시키는 방법 및 상기 방법을 이용한 반도체 발광 소자의 구동유닛를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 본 발명에 따른 방법은, n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자에 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 인가하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값은 0.1V보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 맥동 전류의 주기는 적어도 1kHz인 것이 좋으며, 상기 맥동 전류의 듀티비(duty ratio)는 10% 내지 90%의 범위 내에 있는 것이 좋다.
한편, 상기 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값은 순방향 전압의 절대값보다 큰 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 역방향 전압의 크기는 상기 반도체 발광 소자의 항복전압(breakdown voltage)보다 작아야 한다.
또한, 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 상술한 방법에 따르면, 방극성 방향이 서로 반대가 되도록 병렬연결되어 한 쌍을 이루고 있는 적어도 2 개의 반도체 발광 소자에 상기 맥동 전류를 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자 구동유닛은, n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자; 및 상기 반도체 발광 소자에 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 인가하는 전압인가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값은 0.1V보다 큰 것이 좋으며, 상기 맥동 전류의 주기는 적어도 1kHz이다.
그리고, 본 발명에 따르면 상기 전압인가부에서 발생되는 맥동 전류의 듀티비(duty ratio)는 10% 내지 90%의 범위 내에 있는 것이 좋다.
한편, 상기 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값은 순방향 전압의 절대값보다 큰 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 역방향 전압의 크기는 상기 반도체 발광 소자의 항복전압(breakdown voltage)보다 작아야 한다.
여기서, 상기 반도체 발광 소자는 질화물계 반도체 발광 소자이다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자 구동유닛은, n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 다수의 반도체 발광 소자; 및 상기 반도체 발광 소자에 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 인가하는 전압인가부;를 포함하며, 상기 다수의 반도체 발광 소자 중에서 적어도 2 개의 반도체 발광 소자는 극성 방향이 서로 반대가 되도록 병렬연결되어 한 쌍을 이루고 있는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 맥동 전류의 주기는 적어도 1kHz인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 한 쌍의 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값과 순방향 전압의 절대값은 실질적으로 동일하며, 맥동 전류의 듀티비는 실질적으로 50%이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법 및 반도체 발광 소자 구동유닛의 구성 및 동작에 대해 상세히 설명한다.
본 출원의 발명자는 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위하여, 도 5와 같이 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 반도체 발광 소자(LED)에 인가해 보았다. 또한, 이때 방출되는 빛의 세기(즉, 광출력)를 비교하기 위하여, 도 4와 같이, 역방향의 전압 없이 순방향의 전압만이 주기적으로 발생되는 맥동 전류를 동일한 반도체 발광 소자에 인가하였다. 이 실험에서 사용된 반도체 발광 소자는 402nm 파장의 빛을 내는 UV LED 램프였으며, 맥동 전류의 듀티비(duty ratio)는 50%였다. 여기서, 듀티비는, 도 3을 통해 알 수 있듯이, 전체 주기(b)에 대한 순방향 전압이 인가되는 시간(a)의 비율(a/b)을 말한다.
상기 실험 결과, 도 6의 그래프에 도시된 바와 같이, 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류를 인가한 경우, 반도체 발광 소자의 광출력이 향상된다는 것을 관찰할 수 있었다. 도 6의 그래프에서, ○로 표시된 것은 -3V의 역전압이 존재하는 경우의 광출력이며, □로 표시된 것은 역전압이 존재하는 않는 경우의 광출력이고, △로 표시된 것은 상기 두 경우에 대한 광출력의 비율을 나타낸다. 도 6의 그래프를 보다 구체적으로 살펴보면, 순방향의 전압이 2.9V일 때, 역전압이 없는 경우의 광출력에 비하여 역전압이 존재할 경우의 광출력이 크게 향상된다는 것을 알 수 있다. 또한, 순방향의 전압이 점점 높아짐에 따라 광출력의 향상 정도는 낮아지지만, 여전히 역전압이 없는 경우의 광출력에 비하여 역전압이 존재할 경우의 광출력이 더 높음을 알 수 있다. 일반적으로 반도체 발광 소자는 약 3.0V 내지 3.2V의 전압으로 구동되기 때문에, 이 구간 내에서 충분한 광출력 향상 효과를 얻을 수 있다.
이렇게 역방향의 전압(reverse voltage)이 존재하는 경우에 관찰되는 반도체 발광 소자의 광출력 향상 효과는 다음과 같은 두 가지 모델, 즉 전자 밀도 변화 모델과 양자 속박 효과 모델(quantum confined stark effect; QCSE)을 이용하여 설명될 수 있다.
먼저, 도 7은 전자 밀도의 변화 모델을 이용하여 본 발명의 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드를 예시적으로 도시한다. 도 7에서 위쪽에 있는 에너지 밴드는 전도대(Conductive band)를 나타내며, 아래쪽에 있는 에너지 밴드는 가전자대(valence band)를 나타낸다. 또한, 도 7의 에너지 밴드에서 왼쪽은 p-형 반도체층을, 오른쪽은 n-형 반도체층을 나타내며, 가운데 부분은 활성층이다. 도7에 도시된 바와 같이, 상기 활성층은 다중 양자 우물(multiple quantum well; MQW) 구조이다. p-형 반도체층을 구성하는 재료는, 예컨대, GaN:Mg로 이루어질 수 있으며, n-형 반도체층을 구성하는 재료는, 예컨대, GaN:Si로 이루어질 수 있다. 다중 양자 우물 구조를 갖는 활성층의 경우, 예컨대, InGaN으로 양자 우물층을 형성하고, GaN으로 장벽(barrier)층을 형성할 수 있다. 그리고, p-형 반도체층으로 전자가 진입하는 것을 방지하기 위해, 예컨대, AlGaN:Mg로 전자 저지층(electron blocking layer; EBL)을 형성하기도 한다.
이러한 구조에서, n-형 반도체층에 (-)극을 연결하고 p-형 반도체층에 (+)극을 연결하여 전압을 인가하면, n-형 반도체층에서 여기된 전자가 전도대의 에너지 장벽을 넘어 활성층을 통해 p-형 반도체층을 향해 이동한다. 또한, p-형 반도체층의 정공(hole) 역시 가전자대에서 활성층을 통해 n-형 반도체층을 향해 이동한다. 이때, 활성층의 양자 우물에 있는 전자가 천이하면서 정공과 재결합하게 되고, 그 결과 전도대와 가전자대 사이의 에너지 차이만큼 빛으로 방출된다. 그런데, 앞서 이미 설명한 바와 같이, 정공의 이동도(mobility)가 전자의 이동도에 비해 훨씬 작고 p-형 반도체층의 전도성이 낮기 때문에, 평형 상태에서 전자의 분포 밀도가 곡선 "I"와 같이 p-형 반도체층 쪽으로 치우치게 된다. 이러한 현상은 특히 질화물계 반도체 발광 소자에서 발생하기 쉽다. 그 결과, 활성층 내에서 빛의 방출은 활성층의 전체 영역에서 고르게 이루어지는 것이 아니라, 거의 p-형 반도체층과의 경계 부분에서 대부분 이루어지게 된다. 따라서, 내부양자효율이 감소하여 광출력이 저하된다.
이때, 본 발명에서 제시된 방법에 따라 주기적으로 역방향의 전압을 걸어주게 되면, 도 7의 곡선 "Ⅱ"와 같이, 역전압이 존재하지 않는 경우에 비해 평형상태에서 전자의 분포 밀도가 n-형 반도층 쪽으로 더 이동하게 된다. 이는 n-형 반도체층에 인가되는 (+)전압으로 인해 전자가 p-형 반도체층을 향해 이동하지 못하고 n-형 반도체층 방향으로 힘을 받게 되기 때문이다. 따라서, 역전압이 존재하지 않는 경우에 비해 활성층 전체 영역에서 고르게 빛의 방출이 이루어질 수 있기 때문에, 내부효율이 증가하여 광출력이 향상되는 것으로 예상할 수 있다.
한편, 도 8a 내지 도 8c는 양자 속박 효과 모델(QCSE)을 이용하여 본 발명의 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드를 도시한다. 도 7에서는 에너지 밴드를 수평으로 도시하였으나, 실제로 에너지 밴드는 내부의 응력(strain) 등으로 발생하는 자발분극효과(spontaneous polarization effect; SPE) 및 순방향의 전압으로 인하여, 도 8a에 도시된 바와 같이, n-형 반도체층에서 p-형 반도체층을 향해 아래로 기울어져 있다. 이 경우, n-형 반도체층에 (-)극을 연결하고 p-형 반도체층에 (+)극을 연결하여 전압을 인가하면 다음과 같은 현상이 일어난다. 즉, 도 8a에 도시된 바와 같이, n-형 반도체층에서 넘어온 전자는 양자 우물의 제일 낮은 부분에 위치하게 된다. 마찬가지로 p-형 반도체층에서 넘어온 정공은 제일 높은 부분에 위치하게 된다. 따라서, 전자가 정공과 재결합하기 위해 진행해야 하는 거리가 멀어지면서 전자와 정공 사이에 지역적인 분리가 발생하게 된다. 이러한 현상을 슈타르크 효과(Stark effect)라고 한다. 그 결과, 전자와 정공의 재결합이 어려워져 활성층의 내부양자효율이 떨어지고 광출력이 저하된다.
이러한 상태에서, n-형 반도체층에 (+)극을 연결하고 p-형 반도체층에 (-)극을 연결하여 전압을 인가하면, 도 8b에 도시된 바와 같이, 양자 우물의 바닥 부분이 수평하게 된다. 따라서, 주기적으로 역방향의 전압을 걸어주게 되면, 상술한 슈타르크 효과(Stark effect)가 일정 부분 감소하게 된다. 그 결과, 전자가 양자 우물 내의 속박에서 풀려나게 되어 활성층의 내부양자효율이 증가하고 광출력이 향상되는 것으로 예상할 수 있다.
상술한 전자 밀도 변화 모델과 양자 속박 효과 모델(QCSE)의 원리에 의하면, 도 6의 실험결과에서 순방향의 전압이 증가할수록 본 발명에 따른 광출력 증가 효과가 감소하는 원인도 설명할 수 있다. 먼저, 양자 속박 효과 모델에 의하면 다음과 같이 설명될 수 있다. 즉, 전압이 증가할수록 n-형 반도체층에서 활성층으로 이동하는 전자의 양도 많아지게 된다. 그러면, 활성층 내의 양자 우물에 더 많은 전자가 존재하게 된다. 도 8c는 이러한 상태를 도시한다. 그 결과, 전자가 양자 우물의 제일 낮은 부분에 위치하게 되면서 발생하는 슈타르크 효과의 영향이 거의 상쇄되고, 양자 우물의 바닥이 평평해지는 것과 거의 같은 효과가 생기게 된다. 또한, 전자 밀도 변화 모델에 의할 경우, n-형 반도체층에서 활성층으로 이동하는 전자의 양이 많아지게 되면, 동일한 역방향의 전압에 의해 변화시켜야 할 전자의 양이 많아지므로 도 7의 △x의 크기가 작아지게 된다. 그러므로 충분한 효율의 증가를 볼 수 없다.
또한, 상술한 전자 밀도 변화 모델과 양자 속박 효과 모델의 원리에 의하면 이하의 실험결과들도 적절하게 설명할 수 있다.
먼저, 도 9는 역전압의 크기에 따른 LED의 광출력의 변화를 도시하는 그래프이다. 여기서, 순방향 전압의 크기를 3V로 고정하고, 맥동전류의 주파수를 1MHz, 듀티비를 50%로 하였다. 그리고, 역방향 전압의 크기를 0V에서 -5V까지 변화시키면서 반도체 발광 소자의 광출력을 측정하였다. 그 결과, 도 9의 그래프에 도시된 바와 같이, 역방향 전압의 크기가 증가할수록 반도체 발광 소자의 광출력 역시 증가하는 것을 알 수 있다. 전자 밀도 변화 모델에 의할 경우, 역방향 전압이 커지면서 n-형 반도체층 방향을 향해 전자에 작용하는 힘이 더욱 커지게 된다. 따라서, 전자의 분포 밀도가 활성층의 중심부에 더욱 가깝게 되기 때문에, 활성층 전체 영역에서 더욱 고르게 빛의 방출이 이루어져 광출력이 향상되는 것으로 설명될 수 있다. 또한, 양자 속박 효과 모델에 의할 경우, 역방향 전압의 크기가 증가할수록 양자 우물의 바닥 부분이 더욱 수평에 가깝게 되면서, 슈타르크 효과의 감소폭이 커지게 된다. 이로 인해, 활성층의 내부양자효율이 증가하고 광출력이 향상되는 것으로 설명될 수 있다.
이렇게, 역방향 전압의 크기가 증가할수록 반도체 발광 소자의 광출력이 증가하므로, 본 발명에 따르면 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키기 위하여 주기적으로 적어도 0.1V 이상의 역전압을 인가한다. 또한, 도 6에서와 같이, 순방향의 전압이 증가할수록 광출력의 증가 효과가 감소하므로, 이러한 경우에는 역방향 전압의 절대값 크기를 순방향 전압의 절대값 크기보다 더 크게 함으로써 광출력 증가율의 감소를 극복할 수 있을 것이다. 다만, 역방향 전압의 크기는 반도체 발광 소자의 항복전압(breakdown voltage)보다 커서는 안될 것이다. 일반적으로 반도체 발광 소자의 항복전압은 -20V 내외이므로 역방향 전압은 약 -20V 정도가 최대가 될 것이다.
한편, 도 10은 맥동전류의 주파수 변화에 따른 반도체 발광 소자의 광출력의 변화를, 역전압이 없는 경우와 역전압이 존재하는 경우에 대해서 각각 비교하여 도시하는 그래프이다. 여기서, ○로 표시된 것은 -3V의 역전압이 존재하는 경우의 광출력이며, □로 표시된 것은 역전압이 존재하는 않는 경우(최소 전압이 0V)의 광출력이다. 이때, 순방향 전압은 3.1V로 고정하였으며, 듀티비는 50%이었다. 도 10의 그래프에 도시된 바와 같이, 맥동전류의 주파수가 1kHz일 경우에는 반도체 발광 소자의 광출력 아주 약간만 증가하였으나, 주파수가 증가할수록 광출력의 증가효과도 더욱 커졌다. 이러한 현상은, 만약 한 주기가 차지하는 시간이 길어지게 되면, 활성층 내에서 전자 분포의 재배열이 일반적인 DC 전류와 동일하게 되기 때문으로 설명될 수 있을 것이다.
도 11은 맥동전류의 듀티비(duty ratio) 변화에 따른 반도체 발광 소자의 광출력의 변화를, 역전압이 없는 경우와 역전압이 존재하는 경우에 대해서 각각 비교하여 도시하는 그래프이다. 여기서, ○로 표시된 것은 -3V의 역전압이 존재하는 경우의 광출력이며, □로 표시된 것은 역전압이 존재하는 않는 경우(최소 전압이 0V)의 광출력이다. 이때, 순방향 전압은 3.1V로 고정하였으며, 맥동전류의 주파수는 1MHz였다. 도 11의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 듀티비가 작을수록 광출력의 증가효과는 커졌으며, 듀티비가 커질수록 광출력 증가의 효과는 감소하였다. 듀티비가 커지게 되면, 한 주기에서 순방향 전류의 양은 증가하는 반면, 역방향 전류의 양은 감소하게 된다. 따라서, n-형 반도체층으로부터 활성층으로 이동하는 전자의 양은 많아지는 반면, 전자가 활성층 내에 고르게 분포할 수 있도록 n-형 반도체층으로 전자를 재분포시키는데는 시간이 불충분하기 때문에, 상기와 같은 결과가 생기는 것으로 설명할 수 있다. 만약 듀티비가 작을 경우, n-형 반도체층으로부터 활성층으로 이동하는 전자의 양이 적고, 전자가 활성층 내에 고르게 분포할 수 있도록 n-형 반도체층으로 전자를 재분포시키는 시간도 충분하기 때문에, 광출력이 크게 증가한다. 따라서, 반도체 발광 소자에 인가되는 맥동전류의 듀티비는 대략 10% 내지 90%의 범위 내에 있는 것이 적당하다.
지금까지 본 발명의 원리 및 상기 본 발명의 원리에 따른 반도체 발광 소자의 광출력 증가를 상세히 설명하였다. 상술한 설명을 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따르면 반도체 발광 소자의 구조를 변경하지 않고도 광출력을 크게 증가시킬 수 있었다. 그러나, 반도체 발광 소자에 역전압이 인가되는 동안에는 빛이 방출되지 않기 때문에, 시간 평균적으로는 광출력이 감소하는 것으로 보일 수도 있다.
도 12는 이러한 점을 보완할 수 있는 반도체 발광 소자의 구동유닛의 예를 도시한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자의 구동유닛을 보면, 적어도 2 개의 반도체 발광 소자; 및 상기 반도체 발광 소자에 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 인가하는 전압인가부;를 포함한다. 여기서, 상기 2 개의 반도체 발광 소자는 극성 방향이 서로 반대가 되도록 병렬연결되어 하나의 쌍을 이루고 있다.
이러한 구성에서, 상기 전압인가부로부터 (+) 전압이 발생되는 경우에는 제 1 반도체 발광 소자(D1)가 발광을 한다. 그 동안, 제 2 반도체 발광 소자(D2)에는 역전압이 걸리게 되므로 활성층 내의 전자분포가 재배치된다. 양자 속박 효과 모델에 의해 설명할 경우에는, 활성층 내의 양자 우물 바닥이 평평하게 된다. 그런 후, 전압인가부로부터 (-) 전압이 발생되는 경우에는 제 2 반도체 발광 소자(D2)가 발광을 한다. 그 동안, 제 1 반도체 발광 소자(D1)에는 역전압이 걸리게 되므로 활성층 내의 전자분포가 재배치된다. 마찬가지로, 양자 속박 효과 모델에 의해 설명할 경우에는, 활성층 내의 양자 우물 바닥이 평평하게 된다. 본 발명에 따른 구동유닛에서는, 이렇게 두 개의 반도체 발광 소자가 교대로 발광을 하게 되므로, 시간 평균적으로도 광출력이 증가하게 된다. 다만, 이 경우에는, 두 개의 반도체 발광 소자가 동일한 광출력을 갖도록, 순방향의 전압과 역방향의 전압이 같은 크기이어야 하며, 듀티비도 50%인 것이 바람직하다.
상술한 설명을 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따르면 반도체 발광 소자의 구조를 근본적으로 변경하지 않고도 동일한 전류를 인가할 때의 광출력을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 전압 인가 방법에 따르면 반도체 발광 소자의 발광 효율이 크게 향상된다. 더욱이, 연속 전류가 지속적으로 흐르는 경우에 비하여, 반도체 발광 소자가 주기적으로 오프(off)되기 때문에 반도체 발광 소자의 발열량이 감소한다. 그 결과, 반도체 발광 소자의 안정성 역시 크게 향상될 수 있다.
또한, 맥동전류를 반도체 발광 소자에 인가하는 방식이므로, 가정용 교류전류(AC)를 사용할 때 AC-DC 컨버터를 사용할 필요가 없다.
나아가, 본 발명에 따르면 반도체 발광 소자의 발열량이 낮기 때문에 대용량의 디스플레이 장치에 응용할 경우 보다 높은 효율을 얻을 수 있을 것이다.
지금까지 본 발명은 LED와 같은 반도체 발광 소자를 위주로 설명하였지만, 그 이외의 고체형 조명(Solid-State Lighting) 기술에도 본 발명과 동일한 원리가 적용될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 화합물 반도체 발광 소자(LED)의 층 구조를 도시한다.
도 2는 DC 전원을 이용한 종래의 반도체 발광 소자의 구동 방법을 도시한다.
도 3은 일반적인 맥동전류를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 역전압이 없는 맥동전류를 이용한 반도체 발광 소자의 구동 방법을 도시한다.
도 5는 역전압이 존재하는 맥동전류를 이용한 본 발명에 따른 반도체 발광 소자의 구동 방법을 도시한다.
도 6은 맥동전류를 인가하였을 때, 인가된 전압의 크기에 따른 반도체 발광 소자의 광출력의 변화를, 역전압이 없는 경우와 역전압이 존재하는 경우에 대해서 각각 비교하여 도시하는 그래프이다.
도 7은 전자 밀도의 변화 모델을 이용하여 본 발명의 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드를 예시적으로 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 양자 속박 효과 모델을 이용하여 본 발명의 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드를 예시적으로 도시한다.
도 9는 역전압의 크기에 따른 반도체 발광 소자의 광출력의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 10은 맥동전류의 주파수 변화에 따른 반도체 발광 소자의 광출력의 변화를, 역전압이 없는 경우와 역전압이 존재하는 경우에 대해서 각각 비교하여 도시하는 그래프이다.
도 11은 맥동전류의 듀티비(duty ratio) 변화에 따른 반도체 발광 소자의 광출력의 변화를, 역전압이 없는 경우와 역전압이 존재하는 경우에 대해서 각각 비교하여 도시하는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 따른 반도체 발광 소자의 구동유닛의 예를 도시한다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
10......화합물 반도체 발광 소자 11......투명기판
12......n-형 반도체층 13.......활성층
14......p-형 반도체층 15.......n-형 전극
16......p-형 전극

Claims (19)

  1. n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자에 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값은 0.1V보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 맥동 전류의 주기는 적어도 1kHz인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 맥동 전류의 듀티비(duty ratio)는 10% 내지 90%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값은 순방향 전압의 절대값보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 역방향 전압의 크기는 상기 반도체 발광 소자의 항복전압(breakdown voltage)보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    극성 방향이 서로 반대가 되도록 병렬연결되어 한 쌍을 이루고 있는 적어도 2 개의 반도체 발광 소자에 맥동 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자는 질화물계 반도체 발광 소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 광출력을 증가시키는 방법.
  9. n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 반도체 발광 소자; 및
    상기 반도체 발광 소자에 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 인가하는 전압인가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값은 0.1V보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 맥동 전류의 주기는 적어도 1kHz인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 맥동 전류의 듀티비(duty ratio)는 10% 내지 90%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값은 순방향 전압의 절대값보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 역방향 전압의 크기는 상기 반도체 발광 소자의 항복전압(breakdown voltage)보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자는 질화물계 반도체 발광 소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  16. n-형 반도체층, 활성층 및 p-형 반도체층을 포함하는 다수의 반도체 발광 소자; 및
    상기 반도체 발광 소자에 순방향의 전압과 역방향의 전압이 교호하는 맥동 전류(pulsation current)를 인가하는 전압인가부;를 포함하며,
    상기 다수의 반도체 발광 소자 중에서 적어도 2 개의 반도체 발광 소자는 극성 방향이 서로 반대가 되도록 병렬연결되어 한 쌍을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 맥동 전류의 주기는 적어도 1kHz인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 반도체 발광 소자에 인가되는 역방향 전압의 절대값과 순방향 전압의 절대값은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 반도체 발광 소자에 인가되는 맥동 전류의 듀티비는 실질적으로 50%인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 구동유닛.
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