KR20060084315A - Ｌｅｄ 어레이 회로 - Google Patents

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KR20060084315A
KR20060084315A KR1020050005139A KR20050005139A KR20060084315A KR 20060084315 A KR20060084315 A KR 20060084315A KR 1020050005139 A KR1020050005139 A KR 1020050005139A KR 20050005139 A KR20050005139 A KR 20050005139A KR 20060084315 A KR20060084315 A KR 20060084315A
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함헌주
김형석
박정규
박영삼
안호식
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Abstract

소모 전력이 저감되고, 역방향 전압으로부터 LED를 보호할 수 있는 LED 어레이 회로를 제공한다. 본 발명에 따른 LED 어레이 회로는, 제1 LED와 이에 병렬 연결된 제2 LED로 구성된 LED 쌍과; 상기 LED 쌍에 교류 전압을 공급하는 교류 전원을 포함하고, 상기 제1 LED는 상기 제2 LED와 서로 반대 방향으로 연결되어 있다.
LED 어레이 회로, LCD 백라이트

Description

ＬＥＤ 어레이 회로{LED Array Circuit}
도 1은 종래의 LCD 백라이트용 LED 어레이 회로를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 LED 어레이 회로를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 LED 어레이 회로를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 병렬연결된 2개의 LED를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101, 102: LED 100: 교류 전원
51, 61: 기판 52, 62: n형 클래드층
53, 63: 활성층 54, 64: p형 클래드층
55, 65: 투명 전극 56, 66: n측 전극
57, 67: p측 전극
본 발명은 LED 어레이 회로(LED array circuit)에 관한 것으로, 특히, LCD 백라이트(back light) 광원으로 사용할 수 있는 LED 어레이 회로에 관한 것이다.
차세대 LCD의 백라이트 광원으로서, 형광등 대신에 LED를 이용하는 방안이 주목 받고 있다. LED는 냉음극 형광 램프(cold cathode fluorescent lamp; CCFL)에 비하여 응답 속도가 빠를 뿐만 아니라 색 재현성이 좋으며, 별도의 인버터를 필요로 하지 않는다. 따라서, 다수의 LED를 LCD의 백라이트 광원으로 사용하면, 외부 회로를 단순화시킬 수 있고, 빠른 응답 속도를 구현할 수 있게 된다.
이러한 LED를 사용하여 기존의 냉음극 형광 램프의 밝기를 얻기 위해서는, 다수의 LED를 필요로 하는데, 다수의 LED를 동시에 동작시킴으로써 많은 전력이 요구된다. 특히, 직류 전원에 연결된 다수의 LED를 서로 직렬로 연결함으로써, 다수의 LED에 동시에 순방향 전류를 통과시킨다. 이에 따라, 직류 전원에 연결된 다수의 LED는 매우 큰 전력 소모를 발생시킨다.
도 1은 LCD 백라이트 광원으로 사용되는 종래의 LED 어레이 회로를 개략적으로 나타내는 회로도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 LCD 백라이트 광원용 LED 어레이 회로는 직류 전원(10)을 사용한다. 또한, 종래의 LCD 백라이트 광원용 LED 어레 이 회로 내에는 다수의 LED(11, 12)가 서로 직렬로 연결되어 있다. 특히, LED들(11, 12)은 일종의 다이오드(diode)로서 전류의 방향을 선택적으로 받아들이기 때문에, 직류 전압 인가시 순방향으로 전류가 흐를 수 있도록 서로 동일한 방향으로 연결되어 있다.
도 1에 도시된 종래의 LED 어레이 회로에 직류 전원을 연결하여 LED 어레이에 Vtotal 의 전체 직류 전압을 인가할 경우, LED 어레이에 의해 소모되는 전력(P')은 아래의 수학식 1과 같이 표현된다. 이 경우, LED 어레이 내에는 LED에 의한 자체 저항이외에 별도의 저항은 없고, 각 LED에 걸리는 전압은 서로 동일하다고 가정한다.
P' = I×Vtotal = I×(V1 + V2) = 2×I×V (여기서, V1 = V 2 = V)
윗 식에서, I는 LED(11, 12)를 통해 흐르는 전류를 나타내고, V1은 LED(11)에 걸리는 전압을 나타내고, V2는 LED(12)에 걸리는 전압을 나타내며, V1 = V2 = V 이다. 종래의 LCD 백라이트 광원용 LED 어레이 회로를 이용하여 더 큰 휘도를 얻기 위해서는 보다 많은 수의 LED를 직렬로 연결시켜야 한다. 이에 따라, 소모 전력도 더욱 커지게 된다.
또한, 도 1에 도시된 종래의 LED 어레이 회로에 따르면, 모든 LED(11, 12)는 순방향 전류가 흐르도록 동일한 방향으로 연결되어 있다. 따라서, LED 어레이에 순 간적으로 큰 역방향 전압(예컨대, 역방향 ESD 전압)이 인가될 경우, LED(11, 12)가 손상될 수 있다. 특히, 최근 청색 발광 소자로서 주목을 받고 있는 GaN계 LED는 역방향 ESD(정전기 방전' Electrostatic Discharge) 전압에 대한 내성이 취약하기 때문에, 인체의 접촉 등으로 인한 역방향 ESD 전압 발생시 GaN계 LED가 손상되기 쉽다.
역방향 ESD 전압으로 인한 LED의 손상을 억제하기 위해, 미국특허 제6,593,597호는, LED와 쇼트키 다이오드를 병렬로 연결시켜 ESD로부터 발광 소자를 보호하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 미국특허에 따르면, 별도의 쇼트키 다이오드를 형성함으로써 제조 공정이 복잡해지며, LED 어레이를 LCD 백라이트 광원으로 사용할 경우 발생되는 소모 전력을 낮추는 방안은 전혀 개시되어 있지 않다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 저감된 소모 전력을 갖는 LED 어레이 회로을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 순간적인 역방향 전압으로 인한 LED의 손상을 방지할 수 있는 LED 어레이 회로를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, LED 어레이 회로는, 제1 LED와 이 에 병렬 연결된 제2 LED로 구성된 LED 쌍과; 상기 LED 쌍에 교류 전압을 공급하는 교류 전원을 포함하고, 상기 제1 LED는 상기 제2 LED와 서로 반대 방향으로 연결되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 LED 어레이 회로는, 상기 LED 쌍에 교류 전압을 공급하는 교류 전원을 구비한다. 상기 교류 전원이 공급하는 교류 전압에 따라, 상기 제1 LED 및 제2 LED는 교대로 동작하게 된다. 이와 같이, 서로 반대방향으로 병렬 연결된 LED들로 구성된 LED 쌍을 이용함으로써, LED 어레이 회로 동작시 소모 전력을 종래에 비하여 저감시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 LED 어레이 회로는, 상기 LED 쌍을 복수개 포함하며, 상기 복수개의 LED 쌍은 서로 직렬로 연결되어 있다. 이와 같이, 여러개의 LED 쌍을 직렬로 연결함으로써 보다 큰 휘도의 LED 어레이 회로를 구현할 수 있게 된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, LED 어레이 회로는, 각각 p측 전극과 n측 전극을 구비하는 제1 LED 및 제2 LED와; 상기 제1 및 제2 LED에 교류 전압을 공급하는 교류 전원을 포함하며, 상기 제1 LED의 p측 전극은 상기 제2 LED의 n측 전극과 연결되고 상기 제1 LED의 n측 전극은 상기 제2 LED의 p측 전극과 연결된다. 또한, 상기 교류 전원의 일 단자는 상기 제1 LED의 p측 전극 및 상기 제2 LED의 n측 전극에 연결되며, 상기 교류 전원의 타 단자는 상기 제1 LED의 n측 전극 및 상기 제2 LED의 p측 전극에 연결될 수 있다.
본 발명은, 교류 전원을 이용하는 LED 어레이 회로를 제공한다. LED 어레이 회로 내에는 서로 반대 방향으로 병렬로 연결된 제1 LED 및 제2 LED로 이루어진 LED 쌍이 적어도 하나 포함되어 있다. 본 발명에 따르면, LED 어레이에 의한 소모 전력이 저감될 뿐만 아니라 역방향 ESD와 같은 순간적인 역방향 전압으로부터 LED 소자를 효과적으로 보호할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 LED 어레이 회로를 개략적으로 나타내는 회로도이다. 도 2a와 도 2b는 동일한 LED 어레이 회로를 나타내는 것으로, 도 2a는 제1 LED(101)에 순방향 전류가 흐르는 경우에 해당하고, 도 2b는 제2 LED(102)에 순방향 전류가 흐르는 경우에 해당한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 LED 어레이 회로는, 서로 병렬로 연결된 제1 LED(101)와 제2 LED(102)로 이루어진 LED 쌍을 포함한 다. 병렬 연결된 제1 LED(101)와 제2 LED(102)는 서로 반대방향으로 연결되어 있다. 즉, 제1 LED(101)는 제2 LED(102)에 대해 극성이 반대가 되도록 연결되어 있다. LED 어레이 회로는, 종래의 직류 전원(도 1의 도면부호 10 참조) 대신에 교류 전원(100)을 사용한다. 이 교류 전원(100)의 각 단자는 도 2a에 도시된 바와 같이 서로 병렬 연결된 제1 LED(101)와 제2 LED(102)에 연결되어, LED쌍에 교류 전압을 공급한다.
도 4에 도시된 단면도를 참조하여 상기 제1 LED(101)와 제2 LED(102)의 연결 구조를 구체적으로 설명하면, 다음과 같다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(51, 61), n형 클래드층(52, 62), 활성층(53, 53), p형 클래드층(54, 64), 투명 전극(55, 65), p측 전극(57, 67) 및 n측 전극(56, 66)을 각각 구비하는 제1 LED(101)와 제2 LED(102)는 반대 극성을 갖는 전극들끼리 서로 연결되어 있다. 즉, 제1 LED(101)의 p측 전극(57)은 제2 LED(102)의 n측 전극(66)과 연결되고, 제1 LED(101)의 n측 전극(56)은 제2 LED(102)의 p측 전극(67)과 연결되어 있다. 이로써, 제1 LED(101)와 제2 LED(102)는 서로 반대방향으로 병렬 연결된다. 또한, 교류 전원(100)의 일 단자는 제1 LED(101)의 p측 전극(57)과 제2 LED(102)의 n측 전극(66)에 연결되며, 교류 전원(100)의 타단자는 제1 LED(101)의 n측 전극(56)과 제2 LED(102)의 p측 전극(67)에 연결되어 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 실시형태에 따른 LED 어레이 회로의 동작을 설명하면, 다음과 같다. 먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 교류 전원(100)에 의해서 제1 LED(101)에 순방향 전압이 인가되면, 제1 LED(101)를 통해 전류(i1)가 흐르게 되어 제1 LED(101)는 발광하게 된다. 이 때, 제2 LED(102)에는 역방향 전압이 인가되기 때문에, 제2 LED(102)를 통해서는 전류가 거의 흐르지 않게 된다(i2 = 0).
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이 빠르게 극성이 변하는 교류 전원(100)에 의해, 제2 LED(102)에 순방향 전압이 인가되면, 제2 LED(102)를 통해 전류(i2)가 흐르게 되어 제2 LED(102)는 발광하게 된다. 이 때, 제1 LED(101)에는 역방향 전압이 인가되기 때문에, 제1 LED(101)를 통해서는 전류가 거의 흐르지 않게 된다(i1 = 0). 이와 같이 극성이 변하는 교류 전원(100)에 따라 각 LED(101, 102)가 교대로 동작하게 되는데, 이 때 소모되는 전력(P)은 아래와 같이 계산된다. 이 경우, 각각의 LED(101, 102)에 흐르는 순방향 전류(i1, i2)는 동일하며, 각각의 LED(101, 102)에 인가되는 전압을 'v' 라고 가정한다.
P = v ×i1 = v ×i2 = v×i (여기서, i1 = i2 = i)
그런데, 교류는 피크(peak) 값이 아닌 RMS(Root Mean Square)값을 실효치(effective value)로 사용하기 때문에, 소모 전력(P)은 아래와 같이 표현될 수 있다.
P= v×i = vrms × irms = 1/2×vpeak ×ipeak
본 실시형태에 따른 LED 어레이의 소모 전력(P)을 종래의 LED 어레이(도 1 참조)의 소모 전력(P')과 비교해 보면 다음과 같다. 단, 두 소모 전력(P, P')의 비교를 위해, 각각의 LED에 걸리는 전압(또는 전압의 피크 값)은 서로 동일하고, 각각의 LED에 통해 흐르는 전류(또는 전류의 피크 값)도 동일하다고 가정한다. 이러한 가정에 의해, V1 = V2 = vpeak = V 이고, I = ipeak 가 성립한다. 수학식 3과 수학식 1로부터 아래와 같은 수학식 4와 수학식 5를 얻게 된다. 여기서, V1 및 V2는 각각 도 1의 LED(11) 및 LED(12)에 걸리는 전압을 나타내고, I는 도 1의 LED(11, 12)에 흐르는 전류를 나타낸다.
P = 1/2 ×V ×I
P' = 2 ×V ×I
즉, 도 1에 도시된 종래의 LED 어레이 회로와 비교해보면, 본 실시형태에 따른 LED 어레이 회로의 소모 전력은, 종래 소모 전력의 1/4 배 정도된다. 따라서, 본 실시형태에 따르면, LED 어레이 회로의 소모 전력을 크게 절약할 수 있게 된다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 LED 어레이 회로를 개략적으로 나타내는 회로도이다. 도 3을 참조하면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 LED 쌍(도 2a의 도 면부호 101 및 102 참조)이 여러개 배치되어 있다. 즉, 서로 반대방향으로 병렬 연결된 제1 LED(101, 201,..., n01)와 제2 LED(102, 202,..., n02)로 이루어진 LED 쌍이 복수개 존재하며, 이 복수개의 LED 쌍은 서로 직렬로 연결되어 있다. 이와 같이, 여러개의 LED쌍을 직렬로 연결시킴으로써, 보다 큰 휘도의 LED 어레이 회로를 얻을 수 있게 된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 n개의 LED 쌍을 직렬로 연결시킴으로써, 도 2a 및 도 2b에 도시된 LED 어레이 회로에 비하여 n배의 휘도를 얻을 수 있게 된다.
도 2a, 도 2b 및 도 3에 도시된 LED 어레이 회로에 따르면, 종래에 비하여 소모 전력을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 역방향 ESD 전압과 같은 순간적으로 발생되는 큰 역방향 전압으로부터 LED를 보호할 수 있게 된다. 즉, 종래 방식의 LED 어레이 회로에서는 모든 LED가 동일한 방향으로만 배치됨으로써, 순간적인 역방향 전압 인가시 LED가 손상되는 문제점이 발생한다. 그러나, 본 실시형태들에서와 같이 서로 반대 방향으로 제1 LED(101)와 제2 LED(102)를 병렬 연결시키면, 어느 방향으로 ESD 전압이 발생하든지 상관 없이, 순방향 전압이 걸리는 LED를 통해 ESD 전압을 용이하게 방전시킬 수 있게 된다. 따라서, ESD 전압에 의한 LED의 손상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 서로 반대방향으로 병렬 연결된 제1 LED와 제2 LED로 이루어진 LED 쌍을 구비함으로써, 종래에 비하여 LCD 백라이트용 LED 어레이 회로의 소모 전력을 크게 절약할 수 있게 된다.
또한, 역방향 ESD 전압과 같은 순간적으로 발생되는 높은 역방향 전압으로부터 LED 소자를 효과적으로 보호할 수 있기 때문에, LED 어레이의 손상을 막고 LED 어레이 회로의 수명을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (5)

  1. 제1 LED와 이에 병렬 연결된 제2 LED로 구성된 LED 쌍; 및
    상기 LED 쌍에 교류 전압을 공급하는 교류 전원을 포함하고,
    상기 제1 LED는 상기 제2 LED와 서로 반대 방향으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 어레이 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 LED 및 제2 LED는, 상기 교류 전원이 공급하는 교류 전압에 따라 교대로 동작하는 것을 특징으로 하는 LED 어레이 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 LED 어레이 회로는, 상기 LED 쌍을 복수개 포함하며,
    상기 복수개의 LED 쌍은 서로 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 어레이 회로.
  4. 각각 p측 전극과 n측 전극을 구비하는 제1 LED와 제2 LED; 및
    상기 제1 LED 및 제2 LED에 교류 전압을 공급하는 교류 전원을 포함하고,
    상기 제1 LED의 p측 전극은 상기 제2 LED의 n측 전극과 연결되고, 상기 제1 LED의 n측 전극은 상기 제2 LED의 p측 전극과 연결되는 것을 특징으로 하는 LED 어 레이 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 교류 전원의 일 단자는 상기 제1 LED의 p측 전극 및 상기 제2 LED의 n측 전극에 연결되고, 상기 교류 전원의 타 단자는 상기 제1 LED의 n측 전극 및 상기 제2 LED의 p측 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 LED 어레이 회로.
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