KR20100060558A - 교류구동 발광장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교류구동 발광장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는 복수의 LED가 서로 전기적으로 연결되어 2단자 회로를 형성하되, 상기 2단자 회로에 교류 전압 인가 시 양 방향 전압 모두에서 발광이 가능한 제1 내지 제n LED 배열 구조(n은 3 이상의 자연수)를 포함하되, 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조는 상기 제1 LED 배열 구조부터 상기 제n LED 배열 구조까지 순차적으로 일 단자가 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조 중 적어도 2개는 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 교류구동 발광장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, AC에서 구동 가능한 최적의 LED 배열을 구비한 교류구동 발광장치를 얻을 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 교류구동 발광장치를 사용할 경우, 고 연색성을 갖는 백색광을 얻을 수 있으며, 제조 공정에서의 수율이 향상될 수 있다.
LED 구동회로, AC 전압, 사다리망 회로, 백색광, 연색지수

Description

교류구동 발광장치{AC DRIVING LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 교류구동 발광장치, 특히, 고 연색성을 갖는 백색광을 발광할 수 있는 교류구동 발광장치에 관한 것이다.
반도체 발광다이오드(LED)는 출력 및 효율이나 신뢰성 측면에서 광원으로서 유익한 장점을 가지므로, 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트를 대체할 수 있는 고출력, 고효율 광원으로서 적극적으로 연구 개발되고 있다.
일반적으로, 발광다이오드는 낮은 직류전류에서 구동된다. 따라서, 정규전압(예, 교류 220V)에서 발광다이오드를 구동하기 위해서는 낮은 DC 출력전압을 공급하는 추가적인 회로(예, AC/DC 컨버터)가 요구된다. 그러나, 이러한 추가적인 회로의 도입은 LED 모듈의 구성을 복잡하게 할 뿐만 아니라, 공급전원의 변환과정에서 효율성과 신뢰성의 저하가 야기될 수 있다. 또한, 광원 외의 추가적인 부품으로 인해 제품 가격이 증가하고 제품의 크기가 증가되며 스위칭 모드 동작시에 주기성분에 의해 EMI 특성이 나빠지는 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 추가적인 컨버터 없이 AC 전압에도 구동 가 능한 다양한 형태의 LED 구동회로가 제안되고 있다. 하지만, 일반적으로 AC 구동형 LED 구동회로에서는, 대부분의 LED가 AC 전압의 특정 반주기에서만 구동 가능하도록 배열되므로, 원하는 광량을 얻는데 필요한 LED의 개수가 크게 증가한다.
이러한 LED의 필요 개수는 동일한 광량을 제공하더라도 그 LED의 배열 방법에 따라 달라질 수 있으나, 종래의 배열에서는 매우 낮은 효율을 갖고 있다. 예를 들어, 종래의 대표적인 역병렬 배열 또는 브리지 배열인 경우에는, 각각 실제 연속적으로 발광되는 LED 수는 전체 LED 수의 50%와 60% 정도에 불과하다. 즉, 원하는 발광수준을 얻기 위해서 소모되는 LED 수가 많아지는 비효율적인 문제가 있다.
따라서, 보다 효율적인 LED의 배열을 통해 동일한 광량을 보다 적은 수의 LED를 사용하여 제공될 수 있으며, 이는 AC 구동형 LED회로의 제조와 판매의 경제성 측면에서 매우 중요한 문제이다. 또한, 실제 교류 구동 발광장치를 구현하는데 있어서, 각 단위 LED 셀의 연결은 일반적으로 복잡한 양상을 가질 수 있다. 따라서, 배선 연결형태 및 이를 형성하는 공정을 복잡하고 양산성이 낮다는 문제가 있을 수 있다. 또한, 다수의 LED 셀을 복잡한 연결을 가지므로, 높은 집적도를 갖도록 소형화된 형태로 설계하는 것도 중요한 과제로 인식되고 있다.
본 발명은 일 목적은 AC에서 구동 가능한 최적의 LED 배열을 구비하며, 고 연색성을 갖는 백색광을 발광할 수 있는 교류구동 발광장치를 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,
복수의 LED가 서로 전기적으로 연결되어 2단자 회로를 형성하되, 상기 2단자 회로에 교류 전압 인가 시 양 방향 전압 모두에서 발광이 가능한 제1 내지 제n LED 배열 구조(n은 3 이상의 자연수)를 포함하되, 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조는 상기 제1 LED 배열 구조부터 상기 제n LED 배열 구조까지 순차적으로 일 단자가 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조 중 적어도 2개는 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 교류구동 발광장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조에는 각각 적색, 녹색 및 청색을 발광하는 것이 적어도 하나씩 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조에는 적색 및 청색의 빛을 발광하는 것보다 녹색의 빛을 발광하는 것이 더 많이 구비된 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 n은 k2(k는 2 이상의 자연수)과 같으며, 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조는 k×k 매트릭스 구조로 배열된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 n은 4이며, 상기 제1 내지 제4 LED 배열 구조는 적색 및 청색의 빛을 발광하는 것이 각각 1개 구비되며, 녹색의 빛을 발광하는 것이 2개 구비된 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조는 서로 간에 와이어에 의해 전기적으로 연결된 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, AC에서 구동 가능한 최적의 LED 배열을 구비한 교류구동 발광장치를 얻을 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 교류구동 발광장치를 사용할 경우, 고 연색성을 갖는 백색광을 얻을 수 있으며, 제조 공정에서의 수율이 향상될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 교류구동 발광장치를 개략적으로 나타내는 평면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 발광장치의 등가회로를 나타낸다.
우선, 도 1을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 교류구동 발광장치(100)는 서로 전기적으로 연결된 4개의 LED 배열 구조로 나뉘며, 이를 제1 내지 제4 LED 배열 구조로 칭할 수 있다. 각각의 LED 배열 구조는 복수의 LED(101)가 서로 전기적으로 연결되어 2단자 회로를 구성하며, 도 1에 도시된 바와 같이 정사각형 또는 직사각형의 레우아웃을 가질 수 있다. 상기 제1 내지 제4 LED 배열 구조는 서로 일 단자가 전기적으로 연결되어 전체 회로를 구성할 수 있다.
상기 제1 내지 제4 LED 배열 구조는 각각 교류 전압에서 작동되며, 특히, 2개의 단자에 서로 다른 방향의 전압을 가할 경우, 모두 발광이 될 수 있도록 회로가 구성된다. 이를 위해, 상기 제1 내지 제4 LED 배열 구조는 다양한 형태의 회로 구성을 가질 수 있으나, 도 2에 도시된 것과 같은 사다리망 회로를 가질 경우, 양 방향 전압에서 모두 발광이 가능함과 더불어 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 도 2의 회로 구조에서, 각각의 LED는 다이오드로 표현될 수 있으며, 하나의 사다리망 회로는 하나의 LED 배열 구조를 나타낸다. 도 2에 도시된 회로 구조를 사용할 경우, 하나의 LED 배열 구조에 포함된 23개의 LED 중에서 양 방향 전압 모두에서 발광을 유지하는 LED(turn-on LED)가 7개로서 도 9(a) 및 도 9(b)에 도시된 회로 구조에 비하여 우수한 발광 효율을 보일 수 있다. 다만, 도 9(a) 및 도 9(b)의 회로 구조 역시, 교류 전압의 양 방향 모두에서 발광이 가능하므로, 본 발명에서 이들을 배제하는 것은 아니며, 필요에 따라, LED 배열 구조로서 이들을 이용할 수도 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 교류 전압에서 작동이 가능한 1개의 LED 배열 구조를 사용하지 않고 복수 개의 LED 배열 구조를 채용하여 이들을 와이어(w) 등으로 상호 연결하여 사용한 것을 특징으로 한다. 이러한 구조를 채용할 경우, 제조 공정에서의 수율을 향상시킬 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 것과 같이, 하나의 LED 배열 구조를 사용한 경우에는 이에 포함된 하나의 LED가 불량 시 전체 구조가 정상적으로 동작하지 않게 되는 문제가 있으나, 본 실시 형태와 같이, LED 배열 구조를 분할할 경우에는 하나의 LED가 불량 시 1/4 부분에 한해서는 불량으로 취급되어 수율이 0%에서 75%로 크게 향상될 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 것과 같이, 4개의 LED 배열 구조로 분할한 것에서 더 나아가 도 6에 도시된 것과 같이 16분할도 가능하며, 이보다 더욱 분할할 수도 있을 것이다. LED 배열 구조가 분할될 수록 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 LED 배열 구조에 의한 백색광의 연색지수가 향상될 수 있다.
복수 개로 분할된 LED 배열 구조(제1 내지 제4 LED 배열 구조)를 사용함으로써 수율이 향상됨과 더불어, 각각의 LED 배열 구조가 방출하는 빛의 파장을 서로 달리하여 고 연색성을 갖는 백색광을 얻을 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 경우, 형광체를 따로 사용하지 않고, 각 LED 배열 구조에서 방출되는 빛의 파장, 예컨대, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)으로 달리함으로써 백색광을 얻을 수 있다. 특히, 녹색 LED의 출력이 상대적으로 작은 것을 고려하여, 도 1에 도시된 것과 같이, 4개의 LED 배열 구조 중 녹색을 방출하는 것의 개수를 2개로 함으로써 연색성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 경우, 각각의 색을 도 1과 달리 배치할 수도 있으며, LED 배열 구조를 더욱 분할할 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 도 6에 도시된 실시 형태에 따른 교류구동 발광장치(200)의 경우, 16개의 LED 배열 구조로 분할될 수 있으며, 도 7은 도 6의 LED 배열 구조의 회로도를 나타낸다. 이 경우에도 적색, 녹색, 청색의 배치는 연색지수 향상을 위해 도 7에 도시된 방식 외에 다양하게 변화될 수 있으며, 다만, 녹색광을 방출하는 LED 배열 구조의 개수를 적색광 및 청색광을 방출하는 것보다 많게 하는 것이 바람직하다.
한편, 도 4는 도 2의 구동회로에 따른 발광 장치를 나타내는 평면도이다. 이 경우, 설명의 편의를 위해 도 2와 달리 도 4에서는 8개의 LED를 구비하는 LED 배열 구조를 나타내었으며, 이는 도 2의 회로도에서 사다리 부분이 7개에서 2개로 줄어든 경우로 이해될 수 있다(도 3의 회로도 참조). 도 2에 도시된 교류구동형 발광장치는 4개의 변, 즉 제1 내지 제4 변(e1-e4)으로 이루어진 직사각형인 기판(31)을 포함한다. 상기 기판(31) 상면의 제1 변(e1)을 따라 3개의 제1 LED 셀(A1, A2, A3)이 나란히 배열되며, 상기 제1 변(e1)과 대향하는 제2 변(e2)을 따라 3개의 제2 LED 셀(B1, B2, B3)이 나란히 배열된다. 상기 제1 및 제2 LED 셀의 열 사이에는 2개의 제3 LED 셀(C1, C2)이 배열된다. 이와 같이, 상기 제1 내지 제3 LED 셀에 의해 하나의 LED 배열 구조가 구성될 수 있다.
본 실시 형태에 채용되는 제1 내지 3 LED 셀에서, 제1 및 제2 전극(37, 37' 및 38)은 각각 해당 셀 상면에서 대향하는 양변에 인접하도록 배치된다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극(37, 37' 및 38)은 그 변에 따라 연장된 부분을 갖도록 형성된다. 이와 같이 상기 제1 및 제2 전극(37, 37' 및 38)이 대향하는 양변에서 연장되도록 형성됨으로써 각 LED 셀의 전체 발광면적에서 더욱 균일한 전류분포를 도모할 수 있으며, 결과적으로 발광효율을 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태와 같이, 1번째의 제1 LED 셀(A1)은 상기 기판(31) 상면의 제3 변(e3)을 따라 1번째의 제2 LED 셀(B1)까지 연장되도록 형성될 수 있다. 또한, 마지막인 3번째의 제2 LED 셀(B3)은 상기 기판(31) 상면의 제4 변(e4)을 따라 3번째의 제1 LED 셀(A3)까지 연장되도록 형성될 수 있다. 이러한 셀의 크기와 형상을 조정함으로써 더욱 높은 집적도를 실현할 수 있다. 상기 교류구동 발광장치는 상기 1번째 제1 LED 셀(A1)의 제1 전극 및 상기 1번째 제2 LED 셀(B1)의 제2 전극에 연결된 제1 외부전극(P1)과, 3번째 제1 LED 셀(A3)의 제2 전극 및 3번째 제2 LED 셀(B3)의 제2 전극에 연결된 제2 외부전극(P2)을 갖는다.
바람직하게, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 외부전극(P1)은 상기 1번째의 제1 LED 셀(A1) 상에 위치하며, 상기 제2 외부전극(P2)은 상기 3번째의 제2 LED 셀(B3) 상에 위치할 수 있다. 연장된 LED 셀(A1,B3)이 다른 셀에 비해 상대적으로 넓은 발광면적을 갖도록 설계하기에 유리하므로, 외부전극을 위한 면적을 확보하기 용이할 수 있다.
도 5(a) 내지 5(d)는 도 4에 도시된 발광 장치의 측단면도이다.
본 실시형태에 따른 교류 구동 발광장치의 제1 내지 제3 LED 셀은 상기 기판(31) 상에 순차적으로 성장된 제1 도전형 반도체층(34), 활성층(35) 및 제2 도전형 반도체층(36)으로부터 얻어질 수 있다. 즉, 기판(31) 전체 상면에 성장된 발광구조를 위한 제1 도전형 반도체층(34), 활성층(35) 및 제2 도전형 반도체층(36)을 적절한 분리공정을 통해 각 셀 단위로 분리시킴으로써 도 4에 도시된 다수의 제1 내지 제3 LED 셀의 배열형태를 얻을 수 있다.
도 5(a)는 도 4에 도시된 발광장치를 X1-X1'선을 따라 절개해 본 단면도이다. 도 5(a)를 참조하면, 1번째 제1 LED 셀(A1)과 2 번째 제1 LED 셀(A2)은 기판영역까지 노출시키는 완전분리공정(I1)에 의해 분리되는데 반하여, 2번째 제1 LED 셀(A2)과 3번째 제1 LED 셀(A3)은 제1 도전형 반도체층 영역까지만 노출시키는 반 분리공정(I2)으로 구분될 수 있다. 바람직하게, 2번째 제1 LED 셀(A2)과 3번째 제1 LED 셀(A3)은 상기 제1 도전형 반도체층(34)의 노출된 영역에 형성된 제2 전극(37')을 공유할 수 있다. 이와 같이, 원하는 LED 구동회로가 유지되는 범위에서 부분적으로 반분리공정을 적용하고, 그 노출된 제1 도전형 반도체층영역에 제2 전극(37')을 형성하여 인접한 셀간의 공유 전극으로서 제공함으로써 공정을 단순화하고 집적화도를 보다 향상시킬 수 있다.
도 5(b)는 도 4에 도시된 발광장치를 X2-X2'선을 따라 절개해 본 단면도이다. 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 1번째 제1 LED 셀(A1)과 3 번째 제2 LED 셀(B3)은 완전분리공정(I1)에 의해 제3 LED 셀들(C1,C2)과 분리되며, 제2 LED 셀(B1,B2)은 서로 완전분리공정(I1)에 의해 분리된다.
도 5(c)는 도 4에 도시된 발광장치를 Y1-Y1'선을 따라 절개해 본 단면도이다. 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 제1 LED 셀(A1)과 제2 LED 셀(B3) 및 제3 LED 셀은 서로 완전분리공정(I1)에 의해 분리된다. 각 셀의 전극간의 배선(39)은 앞서 설명한 바와 같이 에어 브릿지 또는 와이어에 의해 구현될 수 있다.
도 5(d)는 도 4에 도시된 발광장치를 Y2-Y2'선을 따라 절개해 본 단면도이다. 도 5(d)에 도시된 바와 같이, 1번째의 제1 LED 셀(A1)과 1번째 제2 LED 셀(B1)은 완전분리공정(I1)에 의해 분리된다. 이와 유사하게, 마지막인 3 번째의 제1 및 제3 LED 셀(A3,B3)의 분리 및 연결형태도 유사하게 이해될 수 있다. 물론, 본 실시형태와 달리, 상기 제1 내지 제3 LED 셀은 모두 상기 기판까지 노출된 영역(완전분리공정)에 의해 인접한 다른 LED 셀과 분리되도록 형성될 수 있으며, 공유전극 없이 각 셀마다 개별 제1 및 제2 전극을 갖도록 형성할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 교류구동 발광장치를 개략적으로 나타내는 평면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 발광장치의 등가회로를 나타낸다.
도 4는 도 2의 구동회로에 따른 발광 장치를 나타내는 평면도이며, 도 3은 도 4에 도시된 발광장치의 등가회로를 나타낸다.
도 5(a) 내지 5(d)는 도 4에 도시된 발광 장치의 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 교류구동 발광장치를 개략적으로 나타내는 평면도이며, 도 7은 도 6에 도시된 발광장치의 등가회로를 나타낸다.
도 8은 하나의 LED 배열 구조를 사용한 에 따른 교류구동 발광장치를 나타내는 평면도이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 본 발명에서 채용 가능한 LED 배열 구조의 회로도를 나타낸다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200: 교류구동 발광장치 101: LED
31: 기판 제1 및 제2 전극: 37, 37` 및 38
34: 제1 도전형 반도체층 35: 활성층
36: 제2 도전형 반도체층

Claims (6)

  1. 복수의 LED가 서로 전기적으로 연결되어 2단자 회로를 형성하되, 상기 2단자 회로에 교류 전압 인가 시 양 방향 전압 모두에서 발광이 가능한 제1 내지 제n LED 배열 구조(n은 3 이상의 자연수)를 포함하되,
    상기 제1 내지 제n LED 배열 구조는 상기 제1 LED 배열 구조부터 상기 제n LED 배열 구조까지 순차적으로 일 단자가 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조 중 적어도 2개는 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 교류구동 발광장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조에는 각각 적색, 녹색 및 청색을 발광하는 것이 적어도 하나씩 구비된 것을 특징으로 하는 교류구동 발광장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n LED 배열 구조에는 적색 및 청색의 빛을 발광하는 것보다 녹색의 빛을 발광하는 것이 더 많이 구비된 것을 특징으로 하는 교류구동 발광장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 n은 k2(k는 2 이상의 자연수)과 같으며, 상기 제1 내지 제n LED 배열 구조는 k×k 매트릭스 구조로 배열된 것을 특징으로 하는 교류구동 발광장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 n은 4이며, 상기 제1 내지 제4 LED 배열 구조는 적색 및 청색의 빛을 발광하는 것이 각각 1개 구비되며, 녹색의 빛을 발광하는 것이 2개 구비된 것을 특징으로 하는 교류구동 발광장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n LED 배열 구조는 서로 간에 와이어에 의해 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 교류구동 발광장치.
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