KR101158079B1 - 다수의 셀이 결합된 발광소자 - Google Patents

다수의 셀이 결합된 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 셀이 결합된 발광 소자에 관한 것으로, 단일 기판상에 다수의 수직형 발광셀이 직렬로 접속된 적어도 하나의 제 1 어레이와 적어도 하나의 제 2 어레이를 포함하고, 상기 제 1 어레이와 제 2 어레이는 서로 역병렬로 연결되며, 상기 제 1 어레이 및 제 2 어레이내 각각의 수직형 발광셀은 그 상부에 제 2 전극패드 및 그 하부에 제 1 전극패드를 포함하고, 상기 제 1 어레이내 일 발광셀의 하부에 배치된 제 1 전극패드와, 그와 인접한 제 2 어레이내 일 발광셀의 하부에 배치된 제 1 전극패드를 서로 연결하는 연결부를 갖는 다수의 셀이 결합된 발광소자에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 수직 타입의 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자를 통해 조명용으로 사용할 수 있는 발광 장치를 제작할 수 있다.
수직형, 연결부, 발광소자, 조명용, 교류

Description

다수의 셀이 결합된 발광소자{A luminous element having numerous cells}
도 1은 종래의 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 설명하기 위한 단면도들이고, 도 2c는 본 발명에 따른 발광셀의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 설명하기 위한 평면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1...발광소자 10...기판
20...제 1 전극패드 40...제 2 전극패드
30...반도체층 32...베이스기판
34...제 1 도전형 반도체층 36...제 2 도전형 반도체층
50...배선 60...연결부
100...발광셀 200...발광적층체
본 발명은 다수의 셀이 결합된 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 단일 기판상에 다수의 수직형 발광셀이 배열된 발광소자에 관한 것이다.
발광 다이오드는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 정공)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.
이와 같이 발광 다이오드가 일반 조명용도로 적용되면 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어진다. 즉, 발광 다이오드의 소모 전력이 기존의 조명 장치에 비해 수 내지 수 십분의 1에 불과하고, 수명이 수 내지 수십배에 이르러, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 월등하다.
일반적으로, 발광 다이오드를 조명용으로 사용하기 위해서는 별도의 패키징 공정을 통해 발광소자를 형성하고, 다수의 개별 발광소자를 와이어 본딩을 통해 직렬 연결하고, 외부에서 보호 회로 및 교류/직류 변환기 등을 설치하여 램프의 형태로 제작하였다.
도 1은 종래의 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 발광 칩이 실장된 다수의 발광소자(1)를 직렬 접속시켜 일반 조명 용도의 발광 장치를 제작하였다. 이를 위해 다수의 발광 소자(1)를 직렬로 배열한 다음, 금속배선 공정을 통해 각기 다른 발광 소자(1)내부의 발광칩을 전기적으로 직렬 연결하였다. 이러한, 제조공정에 관해서는 미국 특허 제 5,463,280호에 개시되어 있다. 하지만, 상술한 구조를 통한 종래의 기술로 조명 용도의 발광 장치를 제작하였을 경우, 많은 갯수의 소자에 일일이 금속 배선 공정을 수행하여야 하기 때문에 공정단계가 많아질 뿐만 아니라 공정이 복잡해지는 문제가 발생한다. 또한, 공정의 단계가 증가할수록 이에 따른 불량 발생률 또한 높아지게 되어 대량 생산에 걸림돌이 되고 있다. 또한, 소정의 충격에 의해 금속배선이 단락되어 발광소자의 동작이 종료되는 경우가 발생할 수도 있다. 또한, 개개의 발광소자가 직렬로 배열하게 되면 차지하게 되는 공간이 커지게 되어 램프의 크기가 상당히 커지는 단점이 발생하였다.
앞서 설명한 소자 레벨의 발광칩 어레이가 아닌 웨이퍼 레벨에서의 마이크로칩을 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 배선간의 단선이 우려되고, 배선간의 중첩영역에 많은 간섭이 발생하게 된다. 또한, 상술한 매트릭스 형태의 구조로는 고전압이 인가되는 조명용 발광장치에 적용할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일 기판상의 다수의 수직형 발광셀이 교류에서 구동할 수 있는 발광소자를 제공하는데, 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때 문에 패키지의 제작공정을 단순화할 수 있으며, 불량률을 감소시킬 수 있어 대량 생산에 유리한 다수의 셀이 어레이된 발광소자를 제공하는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 단일 기판상에 다수의 수직형 발광셀이 직렬로 접속된 적어도 하나의 제 1 어레이와 적어도 하나의 제 2 어레이를 포함하고, 상기 제 1 어레이와 제 2 어레이는 서로 역병렬로 연결되며,
상기 제 1 어레이 및 제 2 어레이내 각각의 수직형 발광셀은 그 상부에 제 2 전극패드 및 그 하부에 제 1 전극패드를 포함하고,
상기 제 1 어레이내 일 발광셀의 하부에 배치된 제 1 전극패드와, 그와 인접한 제 2 어레이내 일 발광셀의 하부에 배치된 제 1 전극패드를 서로 연결하는 연결부를 갖는 다수의 셀이 결합된 발광소자에 관한 것이다.
상기 제 1 어레이내 발광셀의 수와 상기 제 2 어레이내 발광셀의 수가 동일할 수 있다.
상기 연결부는 제 1 전극패드와 같은 재질일 수 있으며, 상기 제 1 전극패드와 동시에 형성에 형성된 것일 수도 있다.
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 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제 공되는 것이다. 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 설명하기 위한 단면도들이고, 도 2c는 본 발명에 따른 발광셀의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 기판(10)상에 발광 반도체층(30)과 발광 반도체층(30) 상하에 형성된 제 1 및 제 2 전극 패드(20 및 40)를 갖는 수직형 발광적층체(200)가 배치된다.
상기 기판(10)으로 본 실시예에서는 실리콘 기판을 사용하였다. 물론 이에 한정되지 않고, 절연성의 기판을 사용할 수 있고, 실리콘 기판 이외의 반도체 성질을 갖는 기판을 사용할 수도 있고, 열전도성이 우수한 기판을 사용할 수도 있다. 만일 전도성의 기판을 사용할 경우는 절연을 위해 그 상부 표면에 절연층이 형성된 기판을 사용한다.
상기 수직형 발광적층체(200)는 베이스기판(32), 제 1 도전형 반도체층(34) 및 제 2 도전형 반도체층(36)이 순차적으로 적층된 발광 반도체층(30)과, 발광 반도체층(30) 상하에 형성된 제 1 및 제 2 전극 패드(N형 전극패드 및 P형 전극패드, 또는 P형 전극패드 및 N형 전극패드; 20 및 40)를 포함하여 이루어진다. 이를 위해 베이스기판(32)상에 제 1 도전형 반도체층(34)과 제 2 도전형 반도체층(36)을 순차적으로 형성하고, 베이스기판(32)의 하면에 제 1 전극 패드(20)를 형성하고, 제 2 도전형 반도체층(36) 상면에 제 2 전극 패드(40)를 형성한다.
상기 발광 반도체층(30)은 상기의 설명에 한정되지 않고, 버퍼층(미도시), 활성층(미도시) 등을 더 포함할 수 있다. 이후, 상기의 발광적층체(200)를 기판(10)상에 소정의 페이스트(미도시)를 이용하여 접착한다. 물론, 상기 발광적층체(200)와 기판(10)의 결합방법은 소정의 페이스트를 이용하는 방법 이외의 다양한 본딩방법을 이용하여 이 둘간을 결합될 수 있음은 물론이다.
다음으로, 소정의 식각공정을 통해 상기 수직형 발광적층체(200)중, 제 2 전극패드(40)와 발광 반도체층(30)의 일부, 그리고 제 1 전극패드의 일부를 식각하여, 각각의 발광셀(100)들을 분리한다. 이때, 동일 어레이내(제 1 어레이내 또는 제 2 어레이내) 발광셀(100)들은 하부의 제 1 전극패드까지 식각되어 서로 전기적으로 분리되어 있으며, 다른 어레이(제 1 어레이와 제 2 어레이간)의 인접한 발광셀들은 하부의 제 1 전극패드의 연장부, 즉, 연결부(60)에 의하여 전기적으로 연결되어있다.
또한, 동일 어레이내 발광셀(100)들의 하부의 제 1 전극패드(20)의 일부를 노출시켜, 이후 소정의 배선 형성공정을 통해 동일 어레이내 인접한 발광 셀(100)간의 전극들을 연결한다. 즉, 동일 어레이내 일 발광셀(100)의 노출된 제 1 전극패드(20)와 이와 인접한 다른 일 발광셀(100)의 제 2 전극패드(40)를 배선(50)으로 연결한다. 이에 의하여 동일 어레이내 발광셀(100)들은 직렬로 접속될 수 있다. 이때 에어 브리지(air bridge) 또는 스탭 커버(step cover) 등의 공정을 통해 각기 인접한 발광셀(100)의 제 1 전극패드와 제 2 전극패드간을 전기적으로 연결하는 도전성 배선(50)을 형성하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 단일 기판(10)상에 다수의 수직형 발광셀(100)이 직렬로 접속된 제 1 어레이와 제 2 어레이가 형성되어 있으며, 상기 제 1 어레이와 제 2 어레이는 양끝단의 전극패드를 이용하여 서로 역병렬로 연결되어 있다. 또한, 제 1 어레이내 일 발광셀의 하부에 배치된 제 1 전극패드와, 그와 인접한 제 2 어레이내 일 발광셀의 하부에 배치된 제 1 전극패드는 연결부(60)를 통하여 서로 연결되어 있다.
상기 연결부(60)는 발광적층체의 제 1 전극패드를 식각할 때, 식각을 하지 않아 남겨진 부분일 수 있으며, 이에 상기 연결부(60)와 제 1 전극패드는 동일한 재질일 수 있고 동시에 형성된 것일 수 있다.
상기 본 발명의 실시예에서는 SiC기판(32)상에 n-GaN층(34) 및 p-GaN층(36)을 순차적으로 적층한 발광적층체(200)의 상하부에 각각 제 1 및 제 2 전극 패드를 형성하고, 이를 기판(예를 들면, 실리콘 기판)에 접착한 다음 소정의 식각공정을 이용하여 발광셀을 형성하였다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 방법에만 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 본 발명에서는 모기판상에 n-GaN층, p-GaN층 및 제 2 전극 패드를 포함하는 적층체를 형성하고 이를 식각한 다음 기판과 대향하는 발광층의 표면에 서브마운트 기판을 본딩하고, 이어 모기판을 적층체로부터 분리한 다음 다시 기판상에 제 1 전극 패드가 본딩된 기판을 본딩함으로써 본 발명의 수직형 발광소자를 형성할 수도 있다.
그리고 본 발명의 발광소자를 구성하는 수직형 발광셀(100)의 개수는 교류 구동이 가능한 전압의 숫자 만큼 형성하는 것이 효과적이다. 즉, 본 발명에서는 단일 발광셀(100)을 구동하기 위한 전압/전류와 조명용 발광소자에 인가되는 교류 구동전압에 따라 직렬 접속되는 발광셀(100)의 개수가 매우 다양할 수 있다. 물론 바람직하게는 10 내지 1000개의 발광셀을 직렬 접속한다. 더욱 바람직하게는 30 내지 70개의 셀을 직렬 접속하는 것이 효과적이다. 예를 들어, 가정용 220V 교류 구동에서는 일정 구동 전류에 3.3V 짜리 단위 발광 다이오드 셀을 66 내지 67개를 직렬로 연결하여 발광소자를 제작한다. 또한, 110V 교류 구동에서는 일정 구동 전류에 3.3V 짜리 단위 발광 다이오드 셀을 33 내지 34개를 직렬로 연결하여 발광소자를 제작한다. 본 발명에서는 제 1 어레이 및 제 2 어레이내 상기 수직형 발광셀(100)의 개수가 같은 것이 보다 바람직할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 수직 타입의 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자를 통해 조명용으로 사용할 수 있는 발광 장치를 제작할 수 있다.
또한, 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때문에 고전원 또는 가정용 교류 전원에서 발광할 수 있는 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 다수의 발광 셀이 기판상에서 전기적으로 연결된 발광 소자를 사용하기 때문에 조명용 발광 장치의 제작 공정을 단순화시킬 수 있고, 조명용 발광 장치의 제작시 발생하는 불량률을 줄일 수 있으면, 조명용 발광 장치를 대량 생산할 수 있다.

Claims (7)

  1. 단일 기판상에 다수의 수직형 발광셀이 직렬로 접속된 적어도 하나의 제 1 어레이와 적어도 하나의 제 2 어레이를 포함하고, 상기 제 1 어레이와 제 2 어레이는 서로 역병렬로 연결되며,
    상기 제 1 어레이 및 제 2 어레이내 각각의 수직형 발광셀은 그 상부에 제 2 전극패드 및 그 하부에 제 1 전극패드를 포함하고,
    상기 제 1 어레이내 일 발광셀의 하부에 배치된 제 1 전극패드와, 그와 인접한 제 2 어레이내 일 발광셀의 하부에 배치된 제 1 전극패드를 서로 연결하는 연결부를 갖는 다수의 셀이 결합된 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 어레이내 발광셀의 수와 상기 제 2 어레이내 발광셀의 수가 동일한 것을 특징으로 하는 다수의 셀이 결합된 발광소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연결부는 제 1 전극패드와 같은 재질임을 특징으로 하는 다수의 셀이 결합된 발광소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연결부는 제 1 전극패드와 동시에 형성된 것임을 특징으로 하는 다수의 셀이 결합된 발광소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    동일 어레이내 발광셀들은 하부의 제1 전극패드까지 식각되어 서로 전기적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 다수의 셀이 결합된 발광소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 상부 표면에 절연층이 형성된 전도성 기판인 것을 특징으로 하는 다수의 셀이 결합된 발광소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전도성 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 다수의 셀이 결합된 발광소자.
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