KR20100039868A - 집적된 정전류 구동기를 갖는 ｌｅｄ - Google Patents

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KR20100039868A
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Abstract

전원 전압을 LED 동작 전압에 매칭시키기 위한 집적 회로를 포함하는 LED 패키지, 이러한 집적 회로를 포함하는 LED, 이러한 패키지를 포함하는 시스템, 및 공급원 및 동작 전압을 매칭시키기 위한 방법이 기재된다. 집적 회로는 통상적으로 전원 변환기 및 정전류 회로를 포함한다. LED 패키지는 또한 집적 또는 외부 컴포넌트에 대한 핀아웃, 변압기 및 정류기, 또는 정류기 회로와 같은 기타 능동 또는 수동 컴포넌트를 포함할 수 있다. 외부 컴포넌트는 LED에 의해 방출되는 광의 특성 또는 LED 전류 레벨을 조정하기 위한 제어 시스템을 포함할 수 있다. 전원 공급 장치 및 전류 제어 컴포넌트를 LED로 집적함으로써, 더 적고 작은 소자 고유의 컴포넌트를 사용하는 비교적 작은 LED의 제조를 제공할 수 있다.

Description

집적된 정전류 구동기를 갖는 ＬＥＤ{LED WITH INTEGRATED CONSTANT CURRENT DRIVER}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광 소자(LED; light emitting device) 및 집적된 구동 전자 장치를 갖는 발광 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드 및 레이저 다이오드는 충분한 전압을 인가하면 광을 생성할 수 있는 잘 알려져 있는 고체 상태 전자 소자이다. 발광 다이오드 및 레이저 다이오드는 일반적으로 발광 소자(LED)로 불릴 수 있다. 발광 소자는 일반적으로 사파이어(Al2O3), 규소(Si), 탄화규소(SiC), 갈륨비소(GaAs) 등과 같은 기판 상에 성장된 질화갈륨(GaN)과 같은 에피텍셜(epi) 층에 형성된 p-n 접합을 포함한다. LED에 의해 생성되는 광의 파장 분포는, p-n 접합이 제조되는 재료와, 소자의 활성 영역을 포함하는 얇은 에피텍셜 층의 구조에 따라 좌우된다. 상업용 고효율 LED는 통상적으로 두 부류의 Ⅲ-Ⅴ 반도체 재료로부터 제조된다. Ⅲ족 질화물(Ⅲ-N) 기반의 재료는 자외선에서 청색-녹색까지의 색 범위에 사용되고, Ⅲ족 비화물(arsenide)-인화물(phosphide)(Ⅲ-AsP)은 황색 내지 근적외선에 대하여 사용된다.
높은 절연파괴 전계, 넓은 밴드갭(상온에서 질화갈륨(GaN)의 경우 3.36eV), 큰 전도대 오프셋, 및 높은 포화 전자 이동 속도를 포함하는 그들 고유의 재료 특성 조합으로 인해 Ⅲ족 질화물 기반의 재료 시스템으로 형성된 LED에 최근 많은 관심이 있었다. 도핑 및 활성 층이 통상적으로 규소(Si), 탄화규소(SiC), 및 사파이어(Al2O3)와 같은 상이한 재료로 제조될 수 있는 기판 상에 형성된다. SiC 웨이퍼가 종종 이러한 유형의 이종접합구조(heterostructure)에 바람직한데, 이들은 Ⅲ족 질화물에 매우 가까운 결정 격자 정합을 가지며, 그 결과 보다 높은 품질의 Ⅲ족 질화물 막이 되기 때문이다. SiC는 또한 매우 높은 열 전도성을 갖고, 그리하여 SiC 상의 Ⅲ족 질화물 소자의 총 출력 전력이 (사파이어나 Si 상에 형성된 일부 소자의 경우와 같은) 웨이퍼의 열 저항에 의해 제한되지 않는다. 또한, 반절연성 SiC 웨이퍼의 이용가능성은 감소된 기생 커패시턴스 및 소자 분리를 위한 용량을 제공하며, 이는 상업용 소자를 가능하게 한다.
전류 싱킹(current-sinking) 소자인 LED는 통상적으로 효율적이고 안정적인 동작을 위해(예를 들어, 출력 강도 및 색상을 제공하고 유지하기 위해) 정전류(constant-current) 직류 전원 공급 장치(power supply)를 필요로 한다. 전자 시스템의 전압 공급을 LED의 요구 전압에 매칭(matching)시킬 수 있는 정전류 전원 공급 장치는 수많은 형태를 취할 수 있지만, 이들은 능동 컴포넌트(예를 들어, 트랜지스터, 발진기, 연산 증폭기) 뿐만 아니라 선형 및 비선형 수동 컴포넌트(예를 들어, 다이오드, 서미스터, 인덕터, 커패시터, 저항)로 구성된 회로를 필요로 한다. 높은 효율성을 위해, 입력 전압은 LED(들)의 동작 전압에 가능한 잘 매칭되어야 한다.
전자 소자 내의 통상적으로 이용가능한 전원은 배터리, 연료 전지, 또는 AC 주 공급 장치로부터 DC 전압을 제공하기 위한 정류 또는 스위칭 전원 공급 장치와 같은 전압 공급원이다. LED 회로는 통상적으로 정전류를 제공하도록 인덕터 및 커패시터에 접속되어 있는 하나 이상의 트랜지스터, 발진기, 또는 증폭기로 구성된다. 현행 LED 기술에서는 전원 공급 장치(공급원) 및 전류 제어 컴포넌트가 LED와 물리적으로 분리되어 있으며, 이들 기술은 전원 및 제어 컴포넌트에 관련하여 다음 단점들 중 하나 이상의 단점을 갖는다:
(a) 공급원의 전압이 통상적으로 LED의 동작 전압에 매칭되지 않음;
(b) LED들의 동작 전압이, 동일한 제조자로부터 그리고 동일한 부품 유형 및 로트(lot)로부터 나온 것이더라도, 보통 전압 공급원 동작을 허용할 만큼 충분히 잘 매칭되지 않음;
(c) 정전류 회로의 설계에 익숙하지 않을 수 있는 잠재적인 LED 사용자의 경우 LED 외부의 구동 회로의 실현이 문제가 될 수 있음; 그리고
(d) 공간이 한정되어 있는 응용 제품은 LED 외부의 전원 공급 장치를 허용할 수 없음.
간략하게, 일반적으로, 본 발명은 전자 시스템의 전압 공급 장치를 LED의 요구 동작 전압에 매칭시키기 위한 집적 회로에 관한 것이다. 집적된 LED 패키지는 전기 및/또는 광학 액세스를 제공할 단자를 갖는 전자 컴포넌트에 대한 비교적 작은 컨테이너를 제공하도록 제조될 수 있다. 그리하여 본 발명은 공급원 전압을 LED의 동작 전압과 매칭시키기 위하여 공급원 전압을 조작할 수단을 제공하고, 임의의 특정 유형의 LED에 대하여 별도의 전원 공급 장치 또는 전류 제어 회로를 갖거나 설계해야 할 필요성을 없애도록 돕는다.
본 발명은 일반 조명 장치, 휴대용 전자 소자, 및 개인용 조명을 비한정적으로 포함하는 조명을 필요로 하는 광범위하게 다양한 상황에 사용될 수 있다.
특히, 본 발명은 더 적은 수의 컴포넌트로 LED의 전원 공급 장치 및 전류 제어 컴포넌트와, LED/능동 구동기에 더하여 필요한 외부 수동 컴포넌트를 집적한다. LED로 집적되는 전원 공급 회로의 일부를 가짐으로써, 정전압 전원 공급 장치로써 LED의 사용을 단순화한다. 잠재적인 LED 사용자는 예를 들어 별도의 전원 공급 또는 전류 제어 회로를 설계하거나 가져야할 필요가 없을 것이다. LED의 이용가능한 입력 전압 및 요구되는 전류 구동에 적합한 수동 컴포넌트가 여전히 특정 소자 또는 소자 유형에 대하여 선택되어야 하지만, 이는 일반적으로 전체 전원 공급 회로를 설계하는 것보다 쉬워야 한다.
여러 양상 중 하나에 있어서, 본 발명은 적어도 하나의 LED, 적어도 하나의 전압 레벨 변환기, 및 적어도 하나의 정전류 회로가 패키지에 전기 접속되고 패키지로 집적되어 있는 발광 소자 패키지에 관한 것이다. 또 다른 양상에서, 소자는 적어도 하나의 전기 커넥터를 더 포함한다. 또 다른 양상에서, 커넥터는 적어도 하나의 전원에 대한 전기 접속을 제공한다. 부가의 양상에서, 커넥터는 적어도 하나의 제어 시스템에 대한 전기 접속을 제공한다. 또 부가의 양상에서, 제어 시스템은 적어도 하나의 LED 전류에 대한 제어를 제공한다. 다른 양상에서, 제어 시스템은 LED에 의해 방출되는 광의 적어도 하나의 특성에 대한 제어를 제공한다.
다른 양상에서, 본 발명은 LED로 집적되고 LED에 전기 접속되어 있는 적어도 하나의 집적된 전압 레벨 변환기 및 적어도 하나의 정전류 회로를 갖는 패키징된 LED에 관한 것이다. 또 다른 양상에서, 본 발명은 패키징된 LED를 포함하는 발광 시스템에 관한 것이다. 부가의 양상에서, 발광 시스템은 적어도 하나의 전원을 포함한다. 또 부가의 양상에서, 발광 시스템은 적어도 하나의 제어 시스템을 포함한다. 다른 양상에서, 제어 시스템은 패키징된 LED에 접속되고, LED에 의해 방출되는 광의 적어도 하나의 특성에 대한 제어를 제공한다.
부가의 양상에서, 본 발명은 LED로 집적되고 LED에 전기 접속되어 있는 적어도 하나의 전압 레벨 변환기 및 적어도 하나의 정전류 회로를 포함하는 LED에 관한 것이다.
다른 양상에서, 본 발명은, LED로 집적되고 LED에 전기 접속되어 있으며 LED에 전압 레벨을 제공하는 구동 회로에 전원으로부터 전압 레벨을 제공함으로써 전원 전압을 LED 동작 전압에 매칭시키기 위한 방법에 관한 것이다. 부가의 양상에서, 회로에 의해 제공되는 전압 레벨은 전원에 의해 제공되는 전압 레벨과 유사하거나 그보다 작다. 또 부가의 양상에서, 회로에 의해 제공되는 전압 레벨은 LED의 동작 전압과 일치한다.
본 발명의 이들 및 기타 양상과 이점이 다음의 상세한 설명과 예로써 본 발명의 특징을 도시한 첨부 도면들로부터 명백하게 될 것이다.
본 발명에 따르면, 발광 소자(LED) 및 집적된 구동 전자 장치를 갖는 발광 소자를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 집적된 전원 공급 장치 LED의 블록도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 집적된 구동기 LED 패키지의 하나의 실시예의 개략 단면도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 집적된 구동기 LED 패키지의 다른 실시예의 개략 단면도이다.
도 3은 집적된 구동기를 갖는 LED를 포함하는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 핀아웃(pin-out) 구성의 개략도이다.
도 4는 LED와 집적되는 강압형(step down) 변환기 및 전류원 구동기를 갖는 본 발명의 하나의 실시예의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 LED 패키지의 하나의 실시예의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 LED 패키지의 다른 실시예의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 LED 패키지의 또 다른 실시예의 개략도이다.
일반적으로, 본 발명은 집적 회로를 포함하는 LED 패키지에 대해 기재한다. 특히, 본 발명은 전원 전압을 LED 동작 전압에 매칭시키기 위한 집적 회로를 포함하는 LED 패키지, 이러한 집적 회로를 포함하는 LED, 이러한 패키지를 포함하는 시스템, 이러한 패키지에서의 공급원 및 동작 전압을 매칭시키기 위한 방법, 및 패키징된 LED의 발광 특성을 제어하기 위한 시스템에 대해 기재한다. 집적 회로는 통상적으로 전원 변환기 및 정전류 회로를 포함한다. 다른 실시예에서, 패키지는 또한 내부 또는 외부 컴포넌트에 대한 핀아웃, 변압기 및 정류기, 또는 정류기 회로와 같은 기타 능동 또는 수동 컴포넌트를 포함할 수 있다. 전원 공급 장치 및 전류 제어 컴포넌트를 LED 패키지로 집적함으로써, 더 적고 더 작은 소자 고유의(device-specific) 컴포넌트를 필요로 하는 더 작은 LED 패키지의 제조를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 그리고 청구항으로부터 명백할 것이다. 다음의 설명은 본 발명을 실시하기 위해 고려할 수 있는 최선의 모드를 나타내는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시한다. 이러한 설명을 한정하는 의미로 취해서는 안 되고, 단지 본 발명의 일반적인 원리를 기재할 목적으로 이루어지는 것이며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 정의된다.
아래에서 설명되는 실시예들의 세부 내용을 다루기 전에, 일부 용어를 정의하거나 명확하게 한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "포함한다", "포함하는", "함유한다", "함유하는", "갖는다", “갖는" 또는 이들의 임의의 기타 변형은 배타적인 것이 아닌(non-exclusive) 포함을 망라하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 구성요소들의 리스트를 포함하는 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치가 반드시 그들 구성요소에만 한정되는 것이 아니고, 이러한 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치에 명시적으로 열거되거나 내재되지 않은 다른 구성요소도 포함할 수 있다. 또한, 명시적으로 달리 언급하지 않는 한, "또는(or)"은 포괄적인(inclusive) 논리합을 칭하는 것이지 배타적 논리합(exclusive or)을 칭하는 것이 아니다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 다음 중 임의의 하나에 의해 충족되는 것이다: A가 참이고(또는 존재하고) B가 거짓임(또는 존재하지 않음), A가 거짓이고(또는 존재하지 않고) B가 참임(또는 존재함), 그리고 A와 B 둘 다 참임(또는 존재함).
또한, 부정관사("a" 또는 "an")의 사용은 본 발명의 구성요소 및 성분을 기재하는데 채용된다. 이는 단지 편의상 본 발명의 일반적인 의미를 주고자 행해지는 것이다. 이러한 기재는 하나 또는 적어도 하나를 포함하는 것으로 읽혀져야 하며, 단수형 또한 달리 의미하는 것이 명백하지 않는 한 복수형도 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 정의는 기재한 특정 실시예를 칭하며 한정하는 것으로서 취해져서는 안 되고, 본 발명은 다른 기재하지 않은 실시예에 대한 등가물을 포함한다. 본 명세서에 기재된 것들과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 테스트에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 아래에 기재된다. 또한, 재료, 방법, 및 예는 단지 예시적인 것이며 한정하고자 하는 것이 아니다.
이제 본 발명을 예시하는 것이지 한정하는 것이 아닌 실시예들의 보다 구체적인 세부 내용에 주목한다.
본 발명은 정전류 전원 공급 장치의 하나 이상의 더 작은 능동 및 수동 컴포넌트가 LED와 동일한 패키지 내에 집적되어 있는 LED 패키지를 제공한다. 바람직하게는, 부피가 큰 수동 컴포넌트만 LED 외부에 두도록, 전원 공급 장치의 모든 능동 컴포넌트 뿐만 아니라 소형화될 수 있는 이들의 수동 컴포넌트가 LED 패키지로 집적된다. 그러나, 이러한 부피가 큰 컴포넌트들이 기술 진보를 통해 더 소형화됨에 따라, 이들 컴포넌트도 또한 본 발명에 따라 동일한 패키지에 LED와 함께 집적될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 집적된 LED 패키지(10)의 하나의 실시예가 3개의 기능 블록, 즉 전압 변환기(12), 정전류 회로(14), 및 LED 다이/칩("LED")(16)을 포함하는 것으로서 도 1의 블록도 형태로 도시되어 있다. 이 도면에서의 화살표는 이들 3개 블록 내에서 전류가 흐를 수 있는 방향을 나타낸다. 이 집적된 LED 구성은 각각의 LED 설비 또는 응용 제품에 대하여 별도의 전압 변환기 또는 전류 제어 회로를 포함시키거나 설계해야 할 필요성을 없애며, LED의 설치 및 사용을 최종 사용자에 대하여 훨씬 더 쉽게 한다. 전압 변환 및 정전류 회로에 필요한 부피가 더 큰 컴포넌트는 도 1의 기능 블록(12 또는 14)에 포함될 수 있거나, 다른 실시예에서 별도의 기능 블록에 포함될 수 있다.
전압 변환기 및 정전류 회로의 컴포넌트들은 본 발명에 따라 LED 패키지 내에 수많은 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 이들 컴포넌트는 LED와 동일한 반도체 기판 상에 형성될 수 있거나, 또는 하나 이상의 별도의 전원 반도체 다이 또는 기판(“전원 기판(power substrate)”) 상에 형성될 수 있다. 그러면, 전원 기판은 하나 이상의 LED를 갖는 동일한 전자 패키지로 집적될 수 있다. 전원 기판과 LED는 수직(예를 들어, 적층형 다이) 또는 수평 배열과 같은 수많은 다양한 방식으로 배열될 수 있다.
도 2a는 서브마운트(22), 전원 기판(24), 및 LED(26)를 포함하는 본 발명에 따른 적층형 LED 패키지(20)의 하나의 실시예를 도시한다. 전원 기판(24)은 서브마운트(22) 상에 실장되고, LED(26)는 전원 기판(24) 상에 실장되며, 둘 다 공지된 실장 방법을 사용한다. 결과적인 구조는 전원 기판(24)이 서브마운트(22)와 LED(26) 사이에 끼어 있으며, 컴포넌트들 사이에 적합한 전기적 상호접속을 제공하고 전기 신호를 전도하기 위한 컴포넌트들 간의 와이어 본드(28)를 갖는다.
도 2b는 적층형 패키지(20)의 컴포넌트들과 유사한 컴포넌트들을 포함하는 본 발명에 따른 패키지(30)의 다른 실시예를 도시한다. 유사한 컴포넌트에 대하여 동일한 참조 번호가 여기에 사용된다. 패키지(30)는 서브마운트(22), 전원 기판(24), LED(26) 및 와이어 본드(28)를 포함한다. 그러나, 이 실시예에서는 전원 기판(24) 및 LED(26)가 서브마운트(22) 상에 수평 배열된다. 즉, LED(26)는 전원 기판(24)에 인접하게 서브마운트(22)에 실장된다. 이들 컴포넌트는 또한 본 발명에 따라 수많은 다른 방식으로 실장될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
전압 변환 및 정전류 회로는 여기에서는 상세하게 설명되지 않는 공지된 반도체 제조 공정을 사용하여 전원 기판 상에 제조될 수 있다. 회로는 공지된 재료로 제조된 기판 상에 공지된 반도체 재료 시스템으로부터 형성될 수 있다.
본 발명은 LED에 관련하여 여기에 기재되지만, 본 발명은 또한 하나 이상의 반도체 층을 포함하는 레이저 다이오드 또는 기타 반도체 소자에도 적용할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. LED의 제조 및 동작은 일반적으로 당해 기술 분야에 공지되어 있으며 여기에서는 간략하게만 설명한다. LED의 층들은 공지된 공정을 사용하여 제조될 수 있으며, 적합한 공정으로는 금속 유기 화학 증착법(MOCVD; metal organic chemical vapor deposition)을 사용하는 제조 공정이 있다. LED의 층들은 일반적으로, 제1 및 제2 반대 도핑된 에피텍셜 층들 사이에 끼여 있는 활성층/영역을 포함하며, 이들은 전부 성장 기판 상에 연속적으로 형성된다. 버퍼, 핵생성, 접촉 및 전류 확산층 뿐만 아니라 광 추출 층 및 요소를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 추가적인 층들 및 요소들이 또한 LED에 포함될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 활성 영역은 단일 양자 우물(SQW), 다중 양자 우물(MQW), 이중 이종접합구조(double heterostructure) 또는 초격자(super lattice) 구조를 포함할 수 있다.
LED(26)의 층들은 다양한 재료 시스템들로부터 제조될 수 있으며, 바람직한 재료 시스템으로는 Ⅲ족 질화물 기반의 재료 시스템이 있다. Ⅲ족 질화물은 질소와 주기율표의 Ⅲ족의 원소들, 보통 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 인듐(In) 사이에 형성되는 이들의 반도체 화합물을 칭한다. 이 용어는 또한 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN) 및 알루미늄 인듐 갈륨 질화물(AlInGaN)과 같이 3성분 및 4성분 화합물을 칭하기도 한다. 바람직한 실시예에서, 반대 도핑된 에피텍셜 층들은 질화갈륨(GaN)을 포함하고, 활성 영역은 InGaN을 포함한다. 대안의 실시예에서, 반대 도핑된 층들은 AlGaN, AlGaAs 또는 AlGaInAsP일 수 있다.
성장 기판은 사파이어, 탄화규소, 질화알루미늄(AlN), GaN과 같은 수많은 재료로 제조될 수 있으며, 적합한 기판으로는 4H 폴리타입(polytype)의 탄화규소가 있지만, 3C, 6H 및 15R 폴리타입을 포함하는 다른 탄화규소 폴리타입도 또한 사용될 수 있다. 탄화규소는 사파이어보다도 Ⅲ족 질화물에 더 가까운 결정 격자 정합과 같은 특정 이점을 가지며, 그 결과 보다 높은 품질의 Ⅲ족 질화물 막이 된다. 탄화규소는 또한 매우 높은 열 전도성을 가지며, 그리하여 탄화규소 상의 Ⅲ족 질화물 소자의 총 출력 전력이 (사파이어 상에 형성된 일부 소자의 경우와 같을 수 있는) 기판의 열 방산에 의해 제한되지 않는다. SiC 기판은 Durham, North Carolina의 Cree Research, Inc.로부터 입수할 수 있고, 이들을 생성하기 위한 방법은 과학 문헌은 물론 미국 특허 번호 제34,861호, 제4,946,547호, 및 제5,200,022호에 서술되어 있다.
LED(26)는 또한 바람직하게는 형광체인 다운 변환(down conversion) 재료에 의해 코팅될 수 있다는 것을 더 이해하여야 한다. 형광체 코팅은 스핀 코팅, 전기영동 증착, 정전 증착, 프린팅, 젯 프린팅 또는 스크린 프린팅과 같은 다양한 공정을 사용하여 도포될 수 있다. 수많은 다양한 형광체들이 본 발명에 따른 LED를 코팅하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 특히 백색 광을 방출하는 LED 패키지에 적응된다. 본 발명에 따른 하나의 실시예에서, LED(26)는 그의 활성 영역으로부터 청색 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있고, 형광체는 청색광의 일부를 흡수하여 황색을 재방출한다. LED(26)는 청색 및 황생 광의 백색 광 조합을 방출한다. 하나의 실시예에서, 형광체는 상업적으로 입수가능한 YAG:Ce를 포함하지만, Y3Al5O12:Ce(YAG)와 같은 (Gd,Y)3(Al,Ga)5O12:Ce 시스템에 기초한 형광체로 제조된 변환 입자를 사용하여 전범위의 넓은 황색 스펙트럼 방출이 가능하다. 그러나, 다른 황색 형광체도 또한 사용될 수 있고, 다른 형광체 또는 재료가 코팅에 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
서브마운트(22)는 수많은 다양한 재료로 형성될 수 있으며, 바람직한 재료로는 전기 절연성이다. 적합한 기판 재료는 산화알루미늄 또는 질화알루미늄과 같은 세라믹 재료를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 서브마운트(22)는 또한 전기 트레이스(trace) 및 LED 실장 패드를 포함할 수 있으며, LED(26)는 실장 패드에 실장되고 전기 트레이스는 LED(26)에의 전기 접속을 위한 전도성 경로를 제공한다. 전기 트레이스는 LED에 직접(와이어 본드 없이) 또는 트레이스 중 하나와 LED 사이의 하나 이상의 본드 와이어에 의해 LED(26)에 대한 전기 접속을 제공한다.
상기 언급한 바와 같이, 구동 LED는 또한 전압 변환이나 정전류 공급을 위한 큰 수동 전기 컴포넌트(예를 들어, 인덕터, 변압기, 커패시터)를 필요로 할 수 있다. 주전원이 교류(AC)인 다른 실시예에서, 변압기 또는 정류기 회로와 같은 별도의 AC-DC 변환 소자도 또한 필요할 수 있다. 일부 실시예에서 이들 회로의 전부 또는 일부가 LED 패키지에 집적될 수 있으며, 다른 실시예에서는 이들 컴포넌트의 크기가 LED 패키지 자체보다 더 클 수 있다. 이러한 실시예에서는 LED 패키지의 일부로서 핀아웃이 포함될 수 있으며, 이는 공지된 상호접속 방식을 사용하여, 예를 들어 인쇄 회로 보드의 전도성 트레이스를 통하여, 이러한 더 큰 외부 컴포넌트에 대한 외부 접속을 가능하게 한다. 핀아웃은 수많은 다양한 방식으로 구성될 수 있으며, 도 3은 집적된 전압 변환기 및 정전류 회로를 갖는 LED 패키지에 대한 핀아웃 구성을 갖는 본 발명에 따른 LED 패키지(30)의 하나의 실시예를 도시한다. C+(31), C-(32), L+(34), 및 L-(35) 핀이 필요한 수동 컴포넌트에 대하여 사용될 수 있고, LED 전류를 설정하고 디밍(dimming) 제어를 허용할 추가적인 핀아웃이 필요할 수 있다. 그에 비해, 보통의 LED는 애노드 Vin+(37) 및 캐소드 Vin-(38) 접속만 갖는다.
본 발명에 따른 다양한 실시예들에 있어서, 전압 변환기 컴포넌트의 선택 및 상호접속은, 변환되어야 할 입력 전압이 LED를 원하는 동작 전류로 구동하는데 필요한 전압보다 큰지, 작은지, 아니면 큰 전압에서 작은 전압으로 변하는지 여부에 따라 좌우된다. 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 변환기의 비한정적인 예로는, 입력 전압이 LED 전압보다 큰 경우 사용되는 강압형(벅(buck)) 변환기, 입력 전압이 LED 전압보다 작은 경우 사용되는 승압형(step-up)(부스트(boost)) 변환기, 입력 전압이 LED 전압 위에서 아래로 변할 수 있는 상황에 사용되는 벅-부스트(buck-boost) 변환기(예를 들어, 입력 전압을 공급하는 배터리가 LED 전압보다 높은 전압에서 시작하지만 사용함에 따라 LED 전압 아래로 감소하는 경우) 뿐만 아니라, 플라잉 커패시터(flying capacitor) 또는 전하 펌프(charge-pump), 선형 전압 레귤레이터를 포함한다. 이들 회로는 일반적으로 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 이들 회로 중 하나의 예가 도 4에 도시되고 아래에 설명된다.
본 발명의 정전류 회로는 LED 다이와 직렬인 전류 제한 저항으로서 가장 기본적인 것일 수 있지만, 이는 정전류를 생성하는 가장 효율적인 방법이 아닐 수 있다. 본 발명에 적합한 다른 유형의 정전류 회로는 연산 증폭기를 사용하여 전류 감지 및 피드백을 구비한 선형 레귤레이터 및 JFET 전류원을 비한정적으로 포함하며, 이들은 전부 당해 기술 분야에 일반적으로 공지되어 있다.
도 4는 강압형 변환기(42) 및 외부 수동 컴포넌트(48)를 포함하는 전압 변환기(41)를 포함하는 본 발명에 따른 하나의 실시예의 LED 패키지(40)의 개략도이다. 패키지(40)는 정전류원 회로(44) 및 LED(46)를 더 포함한다. 도시된 실시예에서, 변환기(42), LED(46) 및 회로(44)는 상기 기재한 바와 같이 LED 패키지(40)에 집적된다. 외부 수동 컴포넌트(48)는 LED 패키지(40)에 집적되지 않지만, 도 3에 도시되고 상기 기재한 핀아웃을 통하는 것과 같이, 전압 변환기(41)를 완성하도록 LED 패키지(40)에 연결될 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 변압기와 같은 부피가 큰 수동 컴포넌트는 기술 진보를 통해 더 소형화됨에 따라 LED 패키지(40)로 집적될 수 있다.
상기 기재한 바와 같이, 수많은 다양한 전압 변환기가 본 발명에 사용될 수 있으며, 전압 변환기(42)는 강압형(벅) 전압 변환기를 포함한다. 수많은 다양한 컴포넌트가 전압 변환기(42)에 사용될 수 있으며, 도시된 바와 같은 전압 변환기(42)는 도시된 바와 같이 상호접속되어 있는 트랜지스터(50), 발진기(52) 및 다이오드(54)를 포함한다. 외부 컴포넌트(48)는 또한 수많은 다양한 컴포넌트를 포함할 수 있으며, 도시된 실시예는 인덕터(56) 및 커패시터(58)를 포함한다. 전압 변환기(42)의 강압 동작은 일반적으로 당해 기술 분야에 공지되어 있으며 여기에서는 간략하게만 설명된다. 전압 변환기(42)의 강압 동작은 일반적으로 트랜지스터(50) 및 다이오드(54)의 동작과 외부 컴포넌트(48) 상의 인덕터(56)의 협동으로부터 일어난다. 발진기(52)는 트랜지스터(50)가 온(on) 상태에 있을 때를 제어하며, 온 상태인 경우 전압 VL이 VL = Vi - Vo로서 인덕터에 가해진다. 이 온 상태 동안, 인덕터(56)를 통하는 전류는 선형으로 상승하고, 다이오드(54)는 입력 전압에 의해 역방향 바이어싱되어, 어떠한 전류도 이를 통하여 흐르지 않는다. 트랜지스터(50)가 발진기(52)에 의해 오프(off) 상태로 되었을 경우, 다이오드(54)는 순방향 바이어싱되고, 인덕터(56)에서의 전압 VL은 VL = -VO(다이오드 전압 강하는 무시함)이다. 따라서, 인덕터를 통하는 전류가 감소한다. 이러한 동작으로부터, 출력 전압 VO은 입력 전압 Vi의 듀티 사이클(duty cycle)에 따라 선형으로 변하며, 이는 발진기(52)의 듀티 사이클에 의해 제어된다. 그리하여, 예를 들어, 입력 전압의 1/4과 같도록 출력 전압을 강압하는 것은, 대략 25%의 듀티 사이클을 갖는 발진기를 필요로 할 것이다.
정전류 회로(44)는 도시된 바와 같이 LED(46)에 연결되고, LED(46)를 통하여 흐르는 비교적 정전류를 유지한다. 수많은 다양한 정전류 회로가 본 발명에 따라 사용될 수 있으며, 도시된 바와 같은 회로(44)는 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET; junction field effect transistor)(60)를 포함한다. 당해 기술 분야에 일반적으로 공지되어 있는 바와 같이, JFET는 도시된 바와 같이 자신의 게이트를 자신의 소스에 구속시킴으로써 전류원으로서 작용하도록 이루어질 수 있다. 그러면 흐르는 전류는 JFET의 IDSS이다. 상기 설명한 바와 같이, 다양한 실시예들에 있어서, 공지된 부스트 변환기와 같은 상이한 전압 변환기 및 정전류 회로가 사용될 수 있으며, 이는 또한 LED와 전류원을 구동하기 위하여 입력측으로부터의 전압을 상위 레벨로 증가시킬 외부 인덕터 및 커패시터를 필요로 할 수 있다. 다른 실시예에서, JFET는 LED에의 공급 전류가 일정하도록 발진기의 듀티 사이클을 제어하기 위해 전류 감지 저항 뿐만 아니라 검출 및 피드백 회로로 교체될 수 있다.
본 발명은 수많은 다양한 패키지 유형으로 사용될 수 있으며, LED 패키지(70)의 하나의 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 패키지(70)는 도 2b에 도시되고 상기에 기재한 것들과 유사한 서브마운트(72), 전원 기판(74), LED(76) 및 와이어 본드(78)를 포함한다. 패키지(70)는 LED(80)에 의해 생성된 광을 반사시키도록 배열된 반사 컵(80)을 더 포함하며, 그리하여 반사된 광은 패키지(70)로부터의 유효 광 방출에 기여할 수 있다. 반사 컵은 LED(76)로부터 광을 반사/산란시키는 재료로 제조될 수 있다. 플라스틱을 포함하는 고융점 재료와 같은 많은 다양한 재료가 사용될 수 있다.
패키지(70)는 또한, 반사컵(80) 내부 영역을 채우며 서브마운트(72)의 표면 뿐만 아니라 전원 기판(74), LED(76) 및 와이어 본드(78)를 덮는 봉지재(encapsulant)(82)를 포함한다. 실리콘 또는 중합체를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 봉지재에 대한 수많은 다양한 재료들이 사용될 수 있다. 렌즈(84)가 봉지재(82) 상에 포함되며, 봉지 재료는 바람직하게 렌즈(84)의 굴절률과 일치하거나 거의 일치하는 굴절률 및 높은 광 투과성을 갖는 고온 중합체이다. 렌즈는 유리, 석영, 고온 및 투명 플라스틱, 실리콘 또는 이들 재료의 조합과 같은 수많은 다양한 광 투과 재료로 제조될 수 있다. 렌즈(84)는 바람직하게 봉지재(82)의 상면에 배치되거나 봉지재(82)에 접착된다. 이러한 구성은 효율적인 동작에 필요한 많은 수의 전자 컴포넌트들을 집적하며 견고한(robust) LED 패키지(70)를 제공한다.
도 6은 상기 기재한 LED 패키지(70)의 것들과 유사한 LED(76), 와이어 본드(78), 반사 컵(80), 봉지재(82) 및 렌즈(84)를 갖는 본 발명에 따른 LED 패키지(90)의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예는 또한 서브마운트(92)를 포함하지만, 서브마운트(92)의 일부가 증착 영역(deposition region)(94)이므로, 별도의 전원 기판 대신에, 전압 변환기 및 정전류 회로 컴포넌트가 제조된다. 회로 컴포넌트는 공지된 반도체 제조 공정을 사용하여 제조될 수 있으며, 서브마운트(92)는 반도체 재료의 형성과 양립할 수 있는 수많은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 증착 영역(94)이 서브마운트(92)의 하면에 도시되어 있지만, 이는 다른 영역에 위치될 수 있다. 서브마운트(92)는 또한 증착 영역(94)으로부터 LED(76)로 전기 신호를 전달할 전도성 비아(96)를 포함할 수 있다. LED(76)에 대향하는 서브마운트(92) 상에 전압 변환 및 정전류 회로 요소를 가짐으로써, 패키지 동작 동안 열 누적을 감소시킬 수 있다.
도 7은 상기 기재한 LED 패키지(70)의 것들과 유사한 LED(76), 와이어 본드(78), 반사 컵(80), 봉지재(82) 및 렌즈(84)를 또한 갖는 본 발명에 따른 LED 패키지(100)의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예는 또한 전압 변환기 및 정전류 회로 요소가 증착되는 증착 영역(104)을 갖는 서브마운트(102)를 포함한다. 그러나, 이 실시예에서는 증착 영역이 LED(76)와 동일한 서브마운트(104) 표면 상에 있다. LED(76)는 도시된 바와 같이 증착 영역(104) 바로 위에 그와 전기 접촉하도록 실장될 수 있거나, 또는 다른 실시예에서 그에 인접할 수 있다.
본 발명은 광전, 전자 및 반도체 소자를 비한정적으로 포함하는 다수의 다양한 소자 유형을 제조하는데 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 패키지의 컴포넌트들의 배열 또는 구성은 전원 기판 또는 증착 영역, 및 LED에 의해 발생되는 열의 영향을 최소화하도록 설계될 수 있다. 열 방산을 용이하게 하는 구성의 비한정적인 예로는, 높은 열 전도성을 갖는 칩 컴포넌트를 사용하는 것과, 상기 언급한 바와 같이 패키지의 하면에 전원 기판 또는 증착 영역을 배치하는 것을 포함한다. 이들 배열은 전기 신호를 접속시킬 비아를 필요로 할 수 있지만, 회로가 LED와 분리되어 있기 때문에, 이들은 통상적으로 다른 유형의 소자 패키지보다 양호한 열 방산을 갖는다.
본 발명은 여기에서 LED와 함께 사용되는 단일 전원 기판 또는 증착 영역에 관련하여 기재되었지만, 다수의 전원 기판 또는 증착 영역이 또한 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 여기에 기재된 LED 패키지의 각각은 동일하거나 상이한 색/파장의 광을 방출하는 다른 이미터 또는 다수의 LED와 사용될 수 있다는 것을 더 이해하여야 한다(예를 들어, 적색, 녹색, 및 청색 광을 방출하기 위하여). 이는 LED마다 상이한 기능 컴포넌트 또는 전류 레벨을 필요로 할 수 있다.
여기에서 설명한 실시예 및 예는 본 발명의 속성과 그의 실시 응용을 설명함으로써 당해 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들이 본 발명을 형성하고 사용할 수 있도록 제시되었다. 그러나, 당해 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 설명과 예는 단지 설명과 예를 위한 목적으로 제시되었다는 것을 알 것이다. 전술한 바와 같은 설명은 본 발명을 개시된 정확한 형태에 한정하거나 총망라하고자 하는 것이 아니다. 다음 청구항의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고서 상기 교시에 비추어 많은 수정 및 변형이 가능하다. 당해 기술 분야에서의 숙련자라면, 본 발명은 수많은 유형의 조명 시스템에 잠재적으로 적용될 수 있다는 것을 알 것이다.
12: 전압 변환기
14: 정전류 회로
16: LED
22: 서브마운트
24: 전원 기판
26: LED
28: 와이어 본드
40: LED 패키지
41: 전압 변환기
42: 변환기
44: 정전류 회로
46: LED
48: 외부 수동 컴포넌트
50: 트랜지스터
52: 발진기
54: 다이오드
56: 인덕터
58: 커패시터
60: JFET

Claims (21)

  1. 발광 소자 패키지에 있어서,
    적어도 하나의 동작 전압을 갖는 적어도 하나의 LED; 및
    적어도 하나의 전압 레벨 변환기 및 적어도 하나의 정전류 회로를 포함하는 회로를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전압 레벨 변환기 및 상기 적어도 하나의 정전류 회로가 패키지로 집적되며 상기 LED에 전기 접속되는 것인 발광 소자 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로는 구동 회로인 것인 발광 소자 패키지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로는 상기 LED에 적어도 하나의 동작 전압을 제공하는 것인 발광 소자 패키지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전압 레벨 변환기는 DC 전압 변환기, 전하 펌프, 스위칭 모드 전원 공급 장치(switched-mode power supply), 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것인 발광 소자 패키지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 변압기 및 적어도 하나의 정류기를 더 포함하는 발광 소자 패키지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 제1 전기 커넥터를 더 포함하는 발광 소자 패키지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 전기 커넥터는 적어도 하나의 전원에 대한 전기 접속을 제공하는 것인 발광 소자 패키지.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 전기 커넥터는 적어도 하나의 제어 시스템에 대한 전기 접속을 제공하는 것인 발광 소자 패키지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 시스템은 적어도 하나의 LED 전류에 대한 제어를 제공하는 것인 발광 소자 패키지.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 시스템은 상기 LED에 의해 방출된 광의 적어도 하나의 특성에 대한 제어를 제공하는 것인 발광 소자 패키지.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 시스템은 직렬 버스, 병렬 버스, 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 통하여 상기 패키지에 접속되는 것인 발광 소자 패키지.
  12. 청구항 1의 소자 패키지를 포함하는 패키징된 LED.
  13. 청구항 1의 패키지를 포함하는 발광 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    적어도 하나의 전원을 더 포함하는 발광 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    적어도 하나의 제어 시스템을 더 포함하는 발광 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 패키지에 접속되고, 상기 LED에 의해 방출된 광의 적어도 하나의 특성에 대한 제어를 제공하는 것인 발광 시스템.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 시스템은 직렬 버스, 병렬 버스, 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 통하여 상기 패키지에 접속되는 것인 발광 시스템.
  18. 적어도 하나의 전압 레벨 변환기 및 적어도 하나의 정전류 회로를 포함하는 LED에 있어서,
    상기 변환기 및 상기 회로가 상기 LED로 집적되며 상기 LED에 전기 접속되는 것인 LED.
  19. 전원 전압을 LED 동작 전압에 매칭시키는 방법에 있어서,
    전원으로부터 구동 회로에 제1 전압 레벨을 제공하는 것을 포함하고,
    상기 회로는 LED로 집적되고;
    상기 회로는 상기 LED에 전기 접속되며, 상기 LED에 제2 전압 레벨을 제공하는 것인 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제2 전압 레벨은 약 상기 제1 전압 레벨보다 작은 것인 방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 제2 전압 레벨은 상기 LED의 동작 전압과 일치하는 것인 방법.
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