KR20060020089A

KR20060020089A - 다수의 셀이 결합된 발광 소자

Info

Publication number: KR20060020089A
Application number: KR20040068835A
Authority: KR
Inventors: 야베스라크로익
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-06

Abstract

본 발명은 다수의 발광 셀이 결합된 발광 소자에 관한 것으로, 다수의 다이오드 블록을 포함하는 브리지부와, 상기 브리지부의 내부의 소정 단자에 접속되고, 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자와, 직렬 접속된 다수의 발광 셀을 포함하고, 병렬 접속된 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자를 제공한다. 상기의 발광 셀 블록내의 발광 셀은 매트릭스 배열되어있다.

이로써, 소자를 집적화 시킬 수 있고, 교류 전원의 전압변화에서도 일정한 밝기를 유지할 수 있는 발광 장치를 제작할 수 있고, 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때문에 고전압에서 발광할 수 있는 발광 소자를 제작할 수 있으며, 조명용 발광 장치의 제작 공정을 단순화시킬 수 있고, 조명용 발광 장치의 제작시 발생하는 불량률을 줄일 수 있으며, 조명용 발광 장치를 대량 생산할 수 있다.

발광 셀, 발광 셀 블록, 직렬접속, 브리지, 병렬접속, 조명용 발광 장치, 매트릭스 배열

Description

다수의 셀이 결합된 발광 소자{Luminous element having arrayed cells}

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 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 개념 회로도이고, 도 5는 레이아웃도이다.

도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 개념 회로도이고, 도 7은 레이아웃도이다.

<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

210 내지 240 : 다이오드 블록 211 : 다이오드

310, 320 : 전원패드 1000 : 발광 셀 블록

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록을 브리지내부에 배치시키거나, 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록을 병렬 연결시켜 교류 전원에서도 구동할 수 있는 발광 소자에 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 수십 분의 1에 불과하고, 수명이 수 내지 수십 배에 이르러, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 월등하기 때문이다.

일반적으로, 발광 다이오드를 조명용으로 사용하기 위해서는 별도의 패키징 공정을 통해 발광 소자를 형성하고, 다수의 발광 소자를 와이어 본딩을 통해 직렬연결하고, 외부에서 보호회로 및 교류/직류 변환기 등을 설치하여 램프의 형태로 제작하였다.

도 1은 종래의 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 발광 셀이 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 셀을 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 셀에 일일이 금속 배선 공정을 수행하여야 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 셀의 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 셀 어레이가 아닌 웨이퍼 레벨에서의 마이크로셀을 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 배선간이 단선이 우려되고, 배선간의 중첩영역에 많은 간섭이 발생하게 된다. 또한, 상술한 매트릭스 형태의 구조로는 고전압을 인가받는 조명용 발광장치에 적용할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 다수의 발광 셀을 포함하는 발광 셀 블록이 브리지 회로 내부에 접속/배치되는 발광 소자, 또는 다수의 발광 셀을 포함하는 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록을 병렬 연결시켜 교류 전원에서도 발광 가능한 발광소자를 제공함을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때문에 램프의 제작 공정을 단순화 할 수 있으며, 불량률을 감소시킬 수 있어 대량 생산에 유리한 발광 소자를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 다수의 다이오드 블록을 포함하는 브리지부 및 상기 브리지부의 내부의 소정 단자에 접속되고, 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자를 제공한다.

상기 브리지부는, 제 1 및 제 2 노드 사이에 접속된 제 1 다이오드 블록과, 상기 제 2 및 제 4 노드 사이에 접속된 제 2 다이오드 블록과, 상기 제 1 및 제 3 노드 사이에 접속된 제 3 다이오드 블록 및 상기 제 3 및 상기 제 4 노드 사이에 접속된 제 4 다이오드 블록을 포함한다.

상기에서, 상기 발광 셀 블록은 상기 제 2 노드 및 상기 제 3 노드 사이에 접속된다.

여기서, 상기 다수의 발광 셀이 매트릭스 배열되고, 상기 매트릭스 배열된 상기 다수의 발광 셀의 양측 가장자리에 각각에 제 1 및 제 4 다이오드 블록과 제 2 및 제 3 다이오드 블록이 배열된다. 또한, 상기 제 1 및 제 4 다이오드 블록 사이에 외부 전원을 인가하기 위한 제 1 전원 패드와, 상기 제 2 및 제 3 다이오드 블록 사이에 외부 전원을 인가하기 위한 제 2 전원 패드가 형성된다. 그리고, 상기 매트릭스 배열된 상기 다수의 발광 셀의 다른 양측 가장자리에는 상기 다이오드 블록들과 상기 발광 셀 블록간을 전기적으로 연결하기 위한 소정의 노드가 형성된다. 상기의 제 1 내지 제 4 다이오드 블록 각각은 적어도 한개 이상의 다이오드를 포함하되, 상기 다이오드는 상기 발광 셀 크기의 1/1 내지 1/100 크기로 제작된다.

또한, 본 발명은 직렬 접속된 다수의 발광 셀을 포함하고, 병렬 접속된 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자를 제공한다.

여기서, 적어도 2개 이상의 상기 발광 셀 블록을 병렬 접속하기 위한 제 1 및 제 2 전원 패드를 더 포함한다. 적어도 2개 이상의 상기 발광 셀 블록내의 상기 다수의 발광 셀이 매트릭스 배열되고, 발광 셀 블록 각각의 다수의 발광 셀이 하나의 매트릭스 형태로 배열되되, 열방향 또는 행방향으로 직렬 접속된 상기 다수의 발광 셀이 엇갈리도록 배열된다.

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 완전하 도록 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 성장용 기판(20)을 사용한다. 즉, 상술한 다층의 구조는 결정성장용 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 반도체층은 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 재결합되는 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 셀을 지칭하는 것으로, 본 발명에서는 하나의 발광 셀을 이용하여 하나의 발광 소자를 제작하지 않고, 다수의 발광 셀을 이용하여 하나의 발광 소자를 형성하기 때문에 종래의 LED를 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 노출시킨다. 이때, 마스크는 감광막을 이용하여 형성하되, N형 패드가 형성될 영역을 개방하고, 개개의 셀을 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 바와 같이 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 단면도이 다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 발광 소자는 다수의 발광 셀(100-1 내지 100-n)이 직렬 접속된 발광 셀 블록(1000)을 포함한다. 즉, 발광 셀 블록(1000)은 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(100-1 내지 100-n)을 포함한다.

발광 셀 블록(1000) 내의 인접한 발광 셀(100-1 내지 100-n)의 N형 반도체층(40)과 P형 반도체층(60)은 소정의 금속 배선(80-1 내지 80-n)을 이용하여 전기적으로 접속시킨다. 또한, 본 발명에서는 발광 셀 블록(1000) 내의 발광 셀(100-1 내지 100-n)들을 직렬 연결시키되, 교류에서 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 발광 셀 블록(1000) 내의 직렬 접속되는 발광 셀(100)의 개수가 매우 다양할 수 있다. 바람직하게는 10 내지 1000개의 셀을 직렬접속 시켜 발광 셀 블록(1000)을 형성한다. 더욱 바람직하게는 15 내지 50개의 셀을 직렬 접속하는 것이 효과적이다. 예를 들어, 220V 교류 구동에서는 일정 구동 전류에 3.3V짜리 단위 발광 다이오드 셀을 66 내지 67개를 직렬로 연결하여 발광 소자를 제작한다. 또한, 110V 교류 구동에서는 일정 구동 전류에 3.3V짜리 단위 발광 다이오드 셀을 33 내지 34개를 직렬로 연결하여 발광 셀 블록(1000)을 제작한다.

예들 들어 도 3a와 같이, 제 1 내지 제 n 개의 발광 셀(100-1 내지 100-n)이 직렬 접속된 발광 셀 블록(1000)에 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)를 더 포함할 수 있다. 또는 2개의 발광 셀 블록(1000)을 병렬연결 시켜 교류 구동을 가능하게 할 수 있다. 이에 관해서는 후술한다.

이하 상술한 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록을 포함하는 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)이 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 동일 기판위에 함께 형성할 수도 있다. 물론, 통상의 반도체 제조 공정을 적용하여 별도로 정류 브리지용 다이오드를 형성할 수도 있다. 도 3에서는 이에 관하여 도시하지 않았다.

이후, 소정의 브리지(Bridge) 공정 또는 스텝 커버리지(Step Coverage) 등의 공정을 통해 각기 인접한 발광 셀(100-1 내지 100-n)의 N형 반도체층(40)과 P형 반도체층(60)을 전기적으로 연결하는 도전성 배선(80-1 내지 80-n)을 형성하여 발광 셀 블록(1000)을 제작한다. 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 하여, 서로 연결된 셀 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 제거하며 도전성 물질의 하부는 다 제거되고 브리지 형태의 도전성 물질만이 공간에 형성된다.

또한, 스텝커버리지 공정은 서로 연결할 셀 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 제거하면 도전성 물질이 덥힌 이외의 부분은 다 제거되고 이 덮여진 부분만이 남아 연결할 셀 사이를 전기적으로 연결시키는 역할을 하게 되다.

한편, 양끝단에 위치한 발광 셀(100-1 및 100-n)에 각기 외부와 전기적 접속 을 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.

상술한 바와 같이 직렬 접속된 다수의 발광 셀로 이루어진 발광 셀 블록을 브리지부 내부 즉, 브리지부의 마주보는 접점(직렬 접점들) 사이에 접속시켜 발광 소자의 집적도를 높일 수 있고, 교류전압에서 발광 셀 블록을 구동하도록 하여 조명용 밝기를 갖는 발광 소자를 제공한다. 또한, 브리지부를 이용하지 않고, 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록을 병렬 연결시켜 교류 전압에서 엇갈려가며 발광 셀 블록이 발광하도록 하여 조명용 밝기를 갖는 발광 소자를 제공한다.

이에 관해서는 발광 소자의 레이아웃과 회로를 이용하여 설명한다.

먼저, 브리지부 내에 발광 셀 블록이 형성된 발광 소자를 살펴보면 다음과 같다.

도 4를 참조하면, 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)을 포함하는 발광 셀 블록(1000)과, 직렬 접점에 상기 발광 셀 블록(1000)이 접속된 브리지 회로를 포함한다.

브리지부는 4개의 다이오드 블록(210 내지 240)을 포함하고 있고, 제 1 및 제 2 다이오드 블록(210 및 220)은 제 1 직렬 노드(SN1)에 의해 직렬 접속되고, 제 3 및 제 4 다이오드 블록(230 및 240)은 제 2 직렬 노드(SN2)에 의해 직렬 접속된다. 또한, 각기 직렬 접속된 제 1 및 제 2 다이오드 블록(210 및 220)과 제 3 및 제 4 다이오드 블록(230 및 240)은 제 1 및 제 2 병렬 노드(PN1 및 PN2)에 의해 병렬 접속된다. 여기서, 제 1 및 제 2 병렬 노드(PN1 및 PN2)는 외부의 교류전원과 접속하기 위한 소정의 전원 패드(310 및 320)에 접속된다.

이때, 제 1 내지 제 4 다이오드 블록(210 내지 240) 각각은 적어도 한개 이상의 다이오드(211)를 포함하여 이루어진다. 도 4에서는 2개의 발광 다이오드를 하나의 다이오드 블록으로 구성하였다. 또한, 제 1 및 제 2 다이오드 블록(210 및 220) 각각은 직렬 노드에서 병렬 노드로 소정의 전류가 흐르게 하고, 제 3 및 제 4 다이오드 블록(230 및 240) 각각은 병렬 노드에서 직렬 노드로 소정의 전류가 흐르게 구성하는 것이 바람직하다. 물론 이에 한정되지 않고 다양한 실시예가 가능하다.

상술한 브리지부의 제 1 및 제 2 직렬 노드(SN1 및 SN2) 사이에 도 3a 및 도 3b에서 언급한 본 발명의 발광 셀 블록(1000)이 접속된다.

상술한 구성의 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 소정의 전원부(미도시)를 포함하여 발광 장치로써 구동한다. 이러한 발광 장치의 구동을 상기 도 4의 회로도를 통해 설명하면, 먼저 외부의 전원패드(310 및 320)를 통해 교류 전압이 인가되면 브리지부의 제 1 및 제 2 병렬노드(PN1 및 PN2)에 소정의 교류 전압이 인 가된다. 만일, 제 1 병렬 노드(PN1)에 +전압이 인가되고, 제 2 병렬 노드(PN2)에 -전압이 인가될 경우, 전류가 제 1 병렬 노드(PN1), 제 3 다이오드 블록(230), 발광 셀 블록(1000), 제 2 다이오드 블록(220) 및 제 2 병렬 노드(PN2)를 통해 흐르게 되어 발광 셀 블록(1000)을 발광시킨다. 한편, 제 1 병렬 노드(PN1)에 -전압이, 제 2 병렬 노드(PN2)에 +전압이 인가될 경우는, 전류가 제 2 병렬 노드(PN2), 제 4 다이오드 블록(240), 발광 셀 블록(1000), 제 1 다이오드 블록(210) 및 제 1 병렬 노드(PN1)를 통해 흐르게 되어 발광 셀 블록(1000)을 발광시킨다. 이와 같이 외부의 교류 전원의 전압 상태에 상관없이 본 실시예의 발광 소자는 외부 전원이 인가되면 계속적인 발광을 할 수 있다.

또한, 본 발명의 발광 소자는 발광 셀 블록을 브리지 회로 내부에 형성하여 소자의 집적 도를 향상시킬 수 있다. 이에 관해서는 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5를 참조하면, 발광 소자는 다수의 발광 셀(100)이 매트릭스 배열된 발광 셀 블록(1000)과, 발광 셀 블록(1000)의 양측면에 각기 형성된 브리지용 제 1 내지 제 4 다이오드 블록(210 내지 240)을 포함한다.

도 5에서는 제 1 및 제 3 다이오드 블록(210 및 230)은 상기 발광 셀 블록(1000)의 일측면(좌측)에 형성되고, 제 2 및 제 4 다이오드 블록(220 및 240)은 상기 발광 셀 블록(1000)의 다른 일 측면(우측)에 형성되었다. 물론 이에 한정되지 않고, 전기적 연결의 편의를 위해 다양한 배치가 가능하다.

또한, 본 실시예에서는 상기와 같은 배치로 인해 제 1 및 제 2 다이오드 블록(210 및 220)을 직렬 연결시키고, 상기 발광 셀 블록(1000)과 전기적 접속을 위 해 상기 발광 셀 블록(1000)의 상측면에 형성된 제 1 직렬 노드(SN1)와, 제 3 및 제 4 다이오드 블록(230 및 240)을 직렬 연결시키고, 상기 발광 셀 블록(1000)과 전기적 접속을 위해 상기 발광 셀 블록(1000)의 하측면에 형성된 제 2 직렬 노드(SN2)를 더 포함한다. 또한, 상기 제 1 및 제 3 다이오드 블록(210 및 230)을 병렬 접속시키고, 외부의 전원과 접속을 위한 제 1 병렬 패드(310, PN1)와, 상기 제 2 및 제 4 다이오드 블록(220 및 240)을 병렬 접속시키고, 외부의 전원과 접속을 위한 제 2 병렬 패드(320, PN2)를 더 포함한다.

상기 매트릭스 배열된 다수의 발광 셀(100)은 직렬 접속된다. 즉, 발광 셀(100)의 N형 또는 P형 전극 각각은 인접한 발광 셀(100)의 P형 또는 N형 전극에 접속된다. 물론 제 1 및 제 2 직렬 노드(SN1 및 SN2)에 접속되는 발광 셀(100)들의 P형 또는 N형 전극은 직렬 노드(SN1 또는 SN2)에 접속된다.

본 실시예에서는 25개의 발광 셀(100)이 매트릭스 배열되어 발광 셀 블록(1000)을 이루고 있다. 즉, 도 5에서는 5x5 매트릭스형태로 배열되어 있고, 여기서, (0,0)부터 (0,4)는 23, 24, 25, 18, 17이고, (1,0)부터 (1,4)는 22, 21, 20, 19, 16이고, (2,0)부터 (2,4)는 11, 12, 13, 14, 15이고, (3,0)부터 (3,4)는 10, 7, 6, 5, 4이고, (4,0)부터 (4,4)는 9, 8, 1, 2, 3으로 되어 있다. 물론 이러한 매트릭스 배열을 무수히 많은 형태로 변형될 수도 있다. 상기의 숫자는 각기 하나의 발광 셀을 지칭한다.

또한, 1번째부터 시작하여 25번째의 발광 셀이 소정의 배선을 통해 직렬 연결되어 있다. 1번째의 발광 셀(도 3의 100-1 참조)의 P형 전극(도 3의 P형 반도체 층)은 제 2 직렬 노드(SN2)에 접속되고, N형 전극(도 3의 N형 반도체층)은 제 1 배선을 통해 2번째 발광 셀의 P형 전극에 접속된다. 2번째 발광 셀의 N형 전극은 3번째 발광 셀의 P형 전극에 접속된다. 이와같이 뒷 번호의 발광 셀의 N형 전극은 소정의 배선을 통해 앞 번호의 발광 셀의 P형 전극에 접속된다. 그리고, 25번째 발광 셀의 N형 전극은 제 1 직렬 노드(SN1)에 접속된다. 상기와 같이 1번째 및 25번째 발광 셀을 배열의 가운데에 위치시켜 직렬 노드와 발광 셀 블록의 접속을 배열의 중심부에 위치시킬 수 있다. 상술한 배열은 단지 일 실시예일뿐, 앞서 언급한 바와 같이 배열의 형태와 모양이 달라짐으로 인해 무수하게 변화 될 수 있다.

상기의 레이아웃도에서는 소정의 배선을 통해 직렬 접속된 4 개의 다이오드(211)를 포함하는 제 1 내지 제 4 다이오드 블록(210 내지 240)이 도시되어 있다. 이러한 다이오드 블록 내부의 다이오드의 개수는 한정되지 않고 다이오드의 브레이크다운 전압, 브리지의 효율과 인가된 전압에 따라 적어도 1개 이상의 다이오드를 포함한다. 또한, 다이오드 블록을 구성하는 다이오드(211)는 발광 셀(100) 크기의 1/1 내지 1/100정도의 크기로 구성하여 매트릭스 배열된 발광 셀 일측면의 길이 방향으로 돌출되지 않도록 한다. 본 실시예에서는 1/4 내지 1/10정도의 크기로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 다이오드로 발광 셀을 사용한다. 이는 발광 셀 블록 제작시 함께 제작할 수 있어 별도의 다이오드를 제작하는 것에 비해 공정을 단순화 할 수 있다.

다음으로, 브리지부를 이용하지 않고, 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록을 병렬 연결시켜 제작된 발광 소자를 살펴본다.

도 6을 참조하면, 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)을 포함하는 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)이 병렬 접속된다.

상기의 도 6에서는 제 1 발광 셀 블록(1000a)과 제 2 발광 셀 블록(1000b)이 제 10 및 제 20 병렬 노드(PN10 및 PN20) 사이에 병렬 접속되어 있다. 제 10 및 제 20 병렬 노드(PN10 및 PN20) 각각은 제 1 및 제 2 전원 패드(310 및 320)에 접속된다. 이때, 제 1 발광 셀 블록(1000a)의 캐소드는 제 10 병렬 노드(PN10)에 접속되고, 애노드는 제 20 병렬 노드(PN20)에 접속되며, 제 2 발광 셀 블록(1000b)의 캐소드는 제 20 병렬 노드(PN20)에 접속되고, 애노드는 제 10 병렬 노드(PN10)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 도 3에서 언급한 전체 발광 셀 블록(1000)의 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 다른 일 실시예에 따른 발광 소자는 소정의 전원부 (미도시)를 포함하여 발광 장치로써 구동한다.

이러한 발광 장치의 구동을 상기 도 6의 회로도를 통해 설명하면, 먼저 외부의 전원패드(310 및 320)를 통해 교류 전압이 인가된다. 이경우 만일, 제 10 병렬 노드(PN10)에 +전압이 인가되고, 제 20 병렬 노드(PN20)에 -전압이 인가될 경우, 제 2 발광 셀 블록(1000b)이 발광하게 된다. 또한, 제 10 병렬 노드(PN10)에 -전압이, 제 20 병렬 노드(PN20)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.

또한, 본 발명의 발광 소자는 발광 셀 블록(1000a와 1000b)만으로 이루어져있음으로 소자의 집적 도를 향상시킬 수 있다. 이에 관해서는 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7을 참조하면, 발광 소자는 전원패드(즉, 병렬노드; 310 및 320)에 병렬 접속되고 각기 다수의 발광 셀(100)을 포함하는 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)을 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)내의 다수의 발광 셀(100)들은 매트릭스 배열되어 있고, 각각의 발광 셀 블록 별로 직렬 접속되어 있다.

본 실시예에서는 34개의 발광 셀(100)과 전원패드(310 및 320)가 매트릭스 배열되어 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)을 포함하는 발광 소자를 이 루고 있다. 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)은 동일한 개수로 각기 17개의 직렬 접속된 발광 셀(100)을 포함한다. 즉, 도 7에서는 6x6 매트릭스형태로 배열되어 있고, 여기서, (0,0)부터 (0,5)는 제 1 전원패드, 1, 10, 11, 12, 13이고, (1,0)부터 (1,5)는 117, 2, 9, 106, 105, 14이고, (2,0)부터 (2,5)는 116, 3, 8, 107, 104, 15이고, (3,0)부터 (3,5)는 115, 4, 7, 108, 103, 16이고, (4,0)부터 (4,5)는 114, 5, 6, 109, 102, 17이고, (5,0)부터 (5,5)는 113, 112, 111, 110, 101, 제 2 전원패드로 되어 있다. 여기서, 1 내지 17은 제 1 발광 셀 블록(1000a)을 구성하는 발광 셀(100)이고, 101 내지 117은 제 2 발광 셀 블록(1000b)을 구성하는 발광 셀(100)이다. 상기와 같이 매트릭스의 중앙영역에 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)을 구성하는 발광 셀(100)을 교대로 배치하여 교류 전압에 의해 교차로 발광하는 발광 셀 블록의 점등 효과를 줄일 수 있다. 물론 이러한 매트릭스 배열을 무수히 많은 형태로 변형될 수도 있다.

여기서, 1번째부터 시작하여 17번째의 발광 셀(100)이 소정의 배선을 통해 직렬 연결되고, 101번째부터 시작하여 117번째의 발광 셀(100)이 소정의 배선을 통해 직렬 연결된다. 이때, 1번째 발광 셀(100)과 117번째의 발광 셀(100)은 제 1 전원패드(310)에 접속되어 있고, 17번째 발광 셀(100)과 101번째 발광 셀(100)은 제 2 전원패드(320)에 접속된다.

상술한 도면에서는 매트릭스 배열 내에 제 1 및 제 2 전원패드(310 및 320)가 포함되었지만, 이에 한정되지 않고, 매트릭스 배열된 발광 셀의 양측면에 제 1 및 제 2 전원패드가 형성될 수도 있다.

별도의 정류회로 없이도 교류에서 구동가능하고, 단일 셀만을 이용하기 때문에 공정의 간소화할 수 있다. 또한, 이와 같이 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀이 결합된 발광 소자를 이용하여 조명용 장치를 제조할 수 있다. 즉 본 발명의 발광 소자를 종래의 발광 장치에 사용할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 발광 소자의 전원 패드에 소정의 전압을 인가하는 전원부 접속시켜 발광 장치를 형성할 수 있다. 상기 전원부로는 1V 내지 500V를 인가하는 장치가 가능하고, 통상적으로 가정에서 사용하는 전압 및 손전등과 같은 발광 장치에서 사용하는 전압을 발생하는 장치를 사용할 수 있다. 또한, 전원 패드와 전원부 사이에는 전압강하를 위한 소정의 전압 분배부를 더 포함할 수도 있다. 이와같이 본 발명의 발광 소자는 종래의 전구와 같은 조명소자를 대신할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 브리지 회로 내부에 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자와, 병렬 접속된 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자를 이용하여 소자를 집적화 시킬 수 있고, 교류 전원의 전압변화에서도 일정한 밝기를 유지할 수 있는 발광 장치를 제작할 수 있다.

또한, 다수의 발광 셀을 동일 기판내에 매트릭스 형태로 배치시키므로 좁은 면적에 다수 소자를 고집적화시킬 수 있다.

또한, 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때문에 고전압에서 발광할 수 있는 발광 소자를 제작할 수 있다.

또한, 다수의 발광 셀이 기판상에서 전기적으로 연결된 발광 소자를 사용하 기 때문에 조명용 발광 장치의 제작 공정을 단순화시킬 수 있고, 조명용 발광 장치의 제작시 발생하는 불량률을 줄일 수 있으며, 조명용 발광 장치를 대량 생산할 수 있다.

Claims

다수의 다이오드 블록을 포함하는 브리지부; 및

상기 브리지부의 내부의 소정 단자에 접속되고, 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록;을 포함하는 발광 소자.
제 1 항에 있어서, 상기 브리지부는,

제 1 및 제 2 노드 사이에 접속된 제 1 다이오드 블록;

상기 제 2 및 제 4 노드 사이에 접속된 제 2 다이오드 블록;

상기 제 1 및 제 3 노드 사이에 접속된 제 3 다이오드 블록; 및

상기 제 3 및 상기 제 4 노드 사이에 접속된 제 4 다이오드 블록;을 포함하는 발광 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 발광 셀 블록은 상기 제 2 노드 및 상기 제 3 노드 사이에 접속된 발광 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 다수의 발광 셀이 매트릭스 배열되고, 상기 매트릭스 배열된 상기 다수의 발광 셀의 양측 가장자리에 각각의 다이오드 블록이 배열된 발광 소자.
제 4 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 4 다이오드 블록 사이에 제 1 전원 패드와, 상기 제 2 및 제 3 다이오드 블록 사이에 제 2 전원 패드가 형성된 발광 소자.
제 5 항에 있어서,

상기 매트릭스 배열된 상기 다수의 발광 셀의 다른 양측 가장자리에는 상기 다이오드 블록들과 상기 발광 셀 블록간을 전기적으로 연결하는 소정의 노드가 형성된 발광 소자.
제 5 항에 있어서,

상기 제 1 내지 제 4 다이오드 블록 각각은 적어도 한개 이상의 다이오드를 포함하되, 상기 다이오드는 상기 발광 셀 크기의 1/1 내지 1/100 크기로 제작된 발광 소자.
직렬 접속된 다수의 발광 셀을 포함하고, 병렬 접속된 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자.
제 8 항에 있어서,

적어도 2개 이상의 상기 발광 셀 블록과 연결되는 제 1 및 제 2 전원 패드를 더 포함하는 발광 소자.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

적어도 2개 이상의 상기 발광 셀 블록내의 상기 다수의 발광 셀이 매트릭스 배열된 발광 소자.
제 10 항에 있어서,

상기 발광 셀 블록 각각의 상기 다수 발광 셀이 하나의 매트릭스 형태로 배열되되, 열방향 또는 행방향으로 직렬 접속된 상기 다수의 발광 셀이 엇갈리도록 배열된 발광 소자.