KR20180101908A - 발광 다이오드 및 이를 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프 - Google Patents

발광 다이오드 및 이를 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프 Download PDF

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Abstract

발광 다이오드가 제공된다. 일 실시예에 따른 발광 다이오드는 1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 반도체 적층체; 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 ZnO 투명 전극층; 제1 도전형 반도체층에 접속하는 제1 전극; 및 ZnO 투명 전극층에 접속하는 제2 전극을 포함하고, 여기서 ZnO 투명 전극층의 표면은 제2 전극이 형성되지 않은 부분에 한정되어 형성된 요철을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 다이오드 및 이를 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프{LIGHT EMITTING DIODE AND FILAMENT LIGHT EMITTING DIODE LAMP INCLUDING THE LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광 다이오드 및 이를 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프에 관한 것으로, 구체적으로 발열량이 적은 발광 다이오드 및 이를 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프를 제공한다.
일반적으로 실내 또는 실외의 조명등으로 백열전구나 형광등이 많이 사용되고 있는데, 이러한 백열전구나 형광등은 수명이 짧고 소비전력이 큰 단점을 포함하고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 쉬운 구동 제어, 빠른 응답 속도, 긴 수명, 적은 소비 전력 및 높은 휘도 특성을 갖는 발광 다이오드를 적용한 필라멘트 발광 다이오드 램프가 개발되기에 이르렀다.
다만, 필라멘트 발광 다이오드 램프가 포함하는 발광 다이오드는 일반적으로 그 크기가 작아 구동되는 전류 밀도가 높고, 그에 따라 고온의 열을 발생시킨다. 또한 필라멘트 발광 다이오드 램프는 복수의 발광 다이오드를 포함하며, 복수의 발광 다이오드의 배치 간격이 조밀하여 열에 의한 파손의 우려가 높다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 발열량이 적은 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 순방향 전압이 낮고, 광 추출 효율이 개선된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고 하는 또 다른 과제는 전극의 박리를 방지할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 높은 신뢰도를 갖는 필라멘트 발광 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 높은 신뢰도를 갖는 필라멘트 발광 모듈을 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 반도체 적층체; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 ZnO 투명 전극층; 상기 제1 도전형 반도체층에 접속하는 제1 전극; 및 상기 ZnO 투명 전극층에 접속하는 제2 전극을 포함하고, 상기 ZnO 투명 전극층의 표면은 상기 제2 전극이 형성되지 않은 부분에 한정되어 형성된 요철을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 발광 다이오드 램프는 소켓부; 상기 소켓부에 고정되는 투명 커버; 및 상기 투명 커버 내에 위치하되, 상기 전기 소켓부에 접속하는 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈을 포함하고, 상기 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈은 복수의 발광 다이오드를 포함하고, 각각의 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 반도체 적층체; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 ZnO 투명 전극층; 상기 제1 도전형 반도체층에 접속하는 제1 전극; 및 상기 ZnO 투명 전극층에 접속하는 제2 전극을 포함고, 상기 ZnO 투명 전극층의 표면은 상기 제2 전극이 형성되지 않은 부분에 한정되어 형성된 요철을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드는 두꺼운 두께를 갖는 ZnO 투명 전극층을 포함하여, 낮은 순방향 전압으로 구동될 수 있고, 그에 따라 자체적으로 발생되는 열의 양이 적을 수 있다. 또한, 발열량이 적은 발광 다이오드를 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프는 열 방출을 위한 별도의 방열판, 방열 가스를 포함하지 않고도 효율적으로 동작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도이고, 도 2는 도 1의 절취선 A-A'를 따라 취해진 단면도이고, 도 3은 도 1의 절취선 B-B'를 따라 취해진 단면도이다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 계략적인 단면도들을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 발광 모듈의 제조 방법 및 필라멘트 발광 모듈을 나타낸다.
도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 필라멘트 발광 다이오드 램프의 다양한 실시예를 나타낸다.
이하 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드는 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 반도체 적층체; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 ZnO 투명 전극층; 상기 제1 도전형 반도체층에 접속하는 제1 전극; 및 상기 ZnO 투명 전극층에 접속하는 제2 전극을 포함하고, 상기 ZnO 투명 전극층의 표면은 상기 제2 전극이 형성되지 않은 부분에 한정되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 요철은 50nm 이상의 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 ZnO 투명 전극층의 말단이 상기 제2 도전형 반도체층의 상면과 이루는 각은 수직하거나 예각, 또는 둔각인 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 적층체는, 상기 제1 도전형 반도체층의 일부를 노출시키는 메사 식각 영역을 포함하고, 상기 제1 전극 패드 및 제1 전극 연장부는 상기 메사 식각 영역 내에서 상기 제1 도전형 반도체층에 접속한다.
상기 제1 전극은 제1 전극 패드 및 상기 제1 전극 패드로부터 연장되는 제1 전극 연장부를 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 전극 패드 및 상기 제2 전극 패드로부터 연장되는 제2 전극 연장부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 필라멘트 발광 다이오드 램프는 소켓부; 상기 소켓부에 고정되는 투명 커버; 및 상기 투명 커버 내에 위치하되, 상기 소켓부에 접속하는 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈을 포함하고, 상기 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈은 복수의 발광 다이오드를 포함하고, 각각의 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 반도체 적층체; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 ZnO 투명 전극층; 상기 제1 도전형 반도체층에 접속하는 제1 전극; 및 상기 ZnO 투명 전극층에 접속하는 제2 전극을 포함하고, 상기 ZnO 투명 전극층의 표면은 상기 제2 전극이 형성되지 않은 부분에 한정되어 형성된 요철을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 필라멘트 발광 다이오드 램프는 상기 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈의 구동을 제어하기 위한 구동기를 더 포함할 수 있고, 또한 상기 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈을 상기 소켓부에 고정하는 지지체를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 필라멘트 발광 모듈은, 지지 기판; 및 상기 지지 기판의 양단에 위치하는 전극을 더 포함하고, 상기 복수의 발광 다이오드는 상기 지지 기판 상에 실장되는 것을 특징으로 한다.
상기 필라멘트 발광 모듈은, 상기 복수의 발광 다이오드가 실장되는 지지 기판을 덮는 파장 변환층을 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 지지 기판은 전체적으로 직선의 바 형상을 갖거나 또는 적어도 일부의 곡선 영역을 포함할 수 있다. 상기 투명 커버의 내부는 진공 상태가 유지될 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 평면도이고, 도 2는 도 1의 절취선 A-A'를 따라 취해진 단면도이고, 도 3은 도 1의 절취선 B-B'를 따라 취해진 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판(10), 상기 기판(10)상에 위치하되, 제1 도전형 반도체층(21), 활성층(23) 및 제2 도전형 반도체층(25)을 포함하는 반도체 적층체(20), 상기 반도체 적층체(20) 상에 위치하는 투명 전극층(30)을 포함한다. 또한 발광 다이오드는 제1 도전형 반도체층(21)에 접속하는 제1 전극(40) 및 투명 전극층(30)에 접속하는 제2 전극(50)을 더 포함한다.
발광 다이오드는 직사각형의 평면 형상을 포함할 수 있으며, 이에 따라 제1 측면(1), 제2 측면(2), 제1 측면(1)에 대향하는 제3 측면(3) 및 제2 측면(2)에 대향하는 제4 측면(4)을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 평면 형상이 이에 제한되는 것은 아니며 다양한 형상을 포함할 수 있다.
기판(10)은 질화갈륨계 반도체 적층체(20)를 성장시키기에 적합한 기판(10)이면 특별히 제한되지 않는다. 기판(10)은, 예를 들어, 사파이어 기판(10), 실리콘 카바이드 기판(10), 질화갈륨 기판(10), 질화알루미늄 기판(10), 실리콘 기판(10) 등을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(21)은 상기 기판(10)상에 위치할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(21)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 반도체층이다. 제1 도전형 반도체층(21)은 GaN층, InGaN층, AlGaN층, InAlGaN층 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(21)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트인 Si, Ge, Sn, Se, Te 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
활성층(23)은 제1 도전형 반도체층(21) 상에 위치할 수 있다. 활성층(23)은 단일 양자 우물 또는 다중 양자 우물(MQW) 구조로 형성될 수 있다. 활성층(23)은 3족-5족 화합물 반도체 재료를 이용하여 GaN층, InGaN층, AlGaN층, InAlGaN층 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 활성층(23)은 InGaN층을 포함하는 우물층과 GaN층을 포함하는 장벽층이 교대로 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다. 활성층(23)은 제1 도전형 반도체층(21)에서 공급되는 캐리어와 후술되는 제2 도전형 반도체층(25)에서 공급되는 캐리어가 재결합하는 매커니즘을 통해 광을 발생시킬 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(21)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 반도체층(21)에서 공급되는 캐리어는 전자일 수 있고, 제2 도전형 반도체층(25)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 반도체층(25)에서 공급되는 캐리어는 정공일 수 있다.
비록 도면에는 도시되지 않았지만, 발광 다이오드는 상기 제1 도전형 반도체층(21)과 활성층(23) 사이에 위치하는 초격자층을 더 포함할 수 있다. 초격자층은 기판(10)과 제1 도전형 반도체층(21)의 격자 상수 차이에 의해 제1 도전형 반도체층(21)에 형성된 전위(dislocation)가 활성층(23)으로 전이되는 것을 차단하여 활성층(23)의 결점 품질 향상에 기여할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(25)은 활성층(23) 상에 위치할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(25)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 반도체층을 포함하며, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(25)은 GaN층, InGaN층, AlGaN층, InAlGaN층 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(25)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트인 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
반도체 적층체(20)는 제1 도전형 반도체층(21), 활성층(23) 및 제2 도전형 반도체층(25) 이외에도 결정 품질 향상을 위하여 비도핑층이나 기타 버퍼층을 포함할 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(25)이 p형 반도체층인 경우, 활성층(23)과 제2 도전형 반도체층(25) 사이에 형성되는 전류 차단층(미도시)과 같이 다양한 기능층들을 더 포함할 수 있다.
반도체 적층체(20)는 챔버 내에서 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Depositin) 기술을 이용하여 기판(10)상에 성장될 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 반도체 적층체(20)는 MBE(Molecular Beam Epitaxy), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 기술을 이용하여 상기 기판(10) 상에서 성장될 수 있다.
상기 반도체 적층체(20)는 제1 도전형 반도체층(21)의 일부를 노출 시키는 메사 식각 영역(20a)을 포함할 수 있다. 상기 메사 식각 영역(20a)은 제2 도전형 반도체층(25) 및 활성층(23)의 일부의 식각을 통해 형성될 수 있다. 또한, 메사 식각 영역(20a) 형성 과정에서 제1 도전형 반도체층(21)의 일부도 식각될 수 있다. 도 1을 참조하면, 메사 식각 영역(20a)은 발광 다이오드의 제2 측면(2) 및 제3 측면(3)이 만나는 모서리로부터 제2 측면(2)을 따라 제1 측면(1) 방향으로 연장되는 부분에 상대적으로 넓은 형상을 가질 수 있다. 메사 식각 영역(20a)은 후술되는 제1 전극(40)이 형성되기 위한 영역을 제공할 수 있다.
투명 전극층(30)은 제2 도전형 반도체층(25) 상에 위치할 수 있다. 투명 전극층(30)은 금속 산화물로 이루어진 오믹 컨택층으로, 특히 제2 도전형 반도체층(25)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 반도체층(25)과 오믹 컨택을 형성하여 전류 확산 효과를 높일 수 있다.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 ZnO 투명 전극층(30)을 포함할 수 있다. ZnO 투명 전극층(30)은 ITO 투명 전극층(30)에 비해 광 흡수율이 낮은 특성을 갖는다. 예를 들어, 동일한 두께를 가정할 경우, ZnO 투명 전극층(30)의 광 흡수율은 ITO 투명 전극층(30)의 광 흡수율의 1/20 수준에 해당할 수 있고, 이에 따라 ZnO 투명 전극층(30)에 의해 흡수되어 손실되는 광량은 ITO 투명 전극층(30)에 비해 작을 수 있다.
ZnO 투명 전극층(30)은 광 흡수율이 낮은 특성에 기인하여 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 투명 전극층(30)의 두께를 두껍게 형성하는 것에 따라 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 저항 값이 두께에 반비례하는 특성에 따라, 투명 전극층(30)의 두께를 두껍게 형성하는 경우, 투명 전극층(30)의 저항 값이 작아질 수 있다. 투명 전극층(30)의 저항 값이 작아지는 경우 전류 확산이 잘 이루어질 수 있고, 이에 따라 궁극적으로 발광 다이오드의 순방향 전압(Vf)이 작아질 수 있다. 동일한 크기의 전류가 인가되었을 때, 발광 다이오드의 순방향 전압(Vf)이 작을수록 소비 전력이 작고, 그에 따라 발광 다이오드의 발열량이 작을 수 있다.
또한, 투명 전극층(30)의 두께를 두껍게 형성하는 경우, 투명 전극층(30)의 표면에 요철(31)을 형성하는데 있어 공정상 이점이 있으며, 또한 형성되는 요철(31)의 크기에 대한 제약이 비교적 작을 수 있다. 투명 전극층(30)의 표면에 형성된 일정 크기의 요철(31)은 광의 전반사율을 감소시켜 발광 다이오드의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다. 본원 발명에 따른 발광 다이오드의 ZnO 투명 전극층(30)의 표면에 형성된 요철은 50nm 이상의 크기를 가질 수 있다. 다만, 투명 전극층(30)이 ITO 투명 전극층과 같이 얇은 경우에도 그 표면에 요철이 형성될 수 있지만, 이 경우 요철 형성 공정이 매우 까다로울 수 있으며, 형성되는 요철의 크기도 매우 제한적일 수 있다. 요철의 크기가 제한되는 경우, 광의 전반사를 효율적으로 감소시킬 수 없다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 요철(31)은 투명 전극층(30)의 표면에 형성되되, 다만 제2 전극(50)이 접속되는 영역(α)에는 형성되지 않은 특징을 갖는다. 즉, 요철(31)은 투명 전극층(30) 표면에서 제2 전극 패드(51) 및 제2 전극 연장부(53)가 접속되는 영역(α)을 제외한 나머지 영역에 형성될 수 있다. 이는 투명 전극층(30)의 표면에서 제2 전극(50)이 접속되는 영역(α)에 요철이 형성되는 경우, 제2 전극(50)이 투명 전극층(30)으로부터 쉽게 박리될 수 있기 때문이다. 따라서, 발광 다이오드의 신뢰성을 높이기 위해, 투명 전극층(30)의 표면에서 제2 전극(50)이 접속되는 영역(α)은 요철(31)을 포함하지 않을 수 있다.
제1 전극(40)은 메사 식각 영역(20a)에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(21) 상에 위치할 수 있다. 제1 전극(40)은 제1 전극 패드(21) 및 제1 전극 패드(41)로부터 연장된 제1 전극 연장부(43)를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 제1 전극 패드(41)는 발광 다이오드의 제2 측면(2) 및 제3 측면(3)이 접하는 모서리 근처의 메사 식각 영역(20a) 내에서, 제1 도전형 반도체층(21) 상에 위치할 수 있다. 또한 제1 전극 연장부(43)는 제1 전극 패드(41)로부터 연장되어 발광 다이오드의 제2 측면(2)을 따라 제1 측면(1)의 방향으로 연장될 수 있다.
제2 전극(50)은 투명 전극층(30) 상에 위치할 수 있다. 즉, 제2 전극(50)은 투명 전극층(30) 상에 위치하여, 제2 도전형 반도체층(25)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(50)은 제2 전극 패드(51) 및 제2 전극 패드(51)로부터 연장된 제2 전극 연장부(53)를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 제2 전극 패드(51)는 발광 다이오드의 제1 측면(1) 및 제4 측면(4)이 접하는 모서리 근처에서 투명 전극층(30) 상에 위치할 수 있다. 또한 제2 전극 연장부(53)는 제2 전극 패드(51)로부터 연장되어 발광 다이오드의 제4 측면(4)을 따라 제3 측면(3)의 방향으로 연장될 수 있다.
제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(51)는 발광 다이오드의 전기적 연결을 위한 것으로, 예를 들어, 제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(51) 각각에 와이어 본딩이 이루어 질 수 있다. 제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(51) 각각에 본딩된 와이어를 통해 발광 다이오드는 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있고, 전력을 공급 받을 수 있다. 제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(51)가 발광 다이오드 상에서 양 모서리에 서로 대향하여 배치되는 구조에 따라 전류 확산이 효율적으로 이루어 질 수 있다. 또한, 제1 전극 연장부(43) 및 제2 전극 연장부(53)에 의해 발광 다이오드에서 전류 확산이 효율적으로 이루어질 수 있고, 궁극적으로 발광 다이오드의 출력이 향상될 수 있다.
제1 전극(40) 및 제2 전극(50)은, 이에 제한 되는 것은 아니지만, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 또는 이들을 포함한 합금 중에서 선택된 적어도 하나의 도전성 재료로 형성될 수 있다. 또한 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)은 동일한 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 계략적인 단면도들을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 먼저 기판(10)을 준비하고 상기 기판(10)상에 반도체 적층체(20) 및 투명 전극층(30)을 형성한다. 반도체 적층체(20)는 질화물계 반도체층을 포함하며, 투명 전극층(30)은 ZnO 투명 전극층(30)을 포함할 수 있다. 반도체 적층체(20)는 예를 들어, 기판(10)을 챔버내에 배치시키고 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Depositin) 기술을 이용하여 기판(10) 상에서 성장될 수 있다. ZnO 투명 전극층(30)은 반도체 적층체(20)가 성장된 기판(10)을 챔버 내에 배치시키고, 수열 합성(hydrothermal synthesis) 기술을 이용하여 상기 반도체 적층체(20) 상에서 성장될 수 있다. ZnO 투명 전극층(30)은 그 아래에 위치하는 반도체 적층체(20)와 동일하게 울짜이트(wurtzite) 결정 구조를 갖는다.
도 5를 참조하면, 투명 전극층(30) 상에 제1 마스크(60)를 형성한다. 제1 마스크(60)는 투명 전극층(30)의 일부를 노출시키는 제1 개구부(60a)를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 마스크(60)의 제1 개구부(60a)를 이용하여 투명 전극층(30)을 식각할 수 있다. 본 발명에 따른 발광 다이오드는 ZnO 투명 전극층(30)을 포함하고 ZnO는 산에 매우 약한 특성을 갖는다. 따라서, 제1 마스크(60)의 제1 개구부(60a)를 통해 노출된 투명 전극층(30)을 산성 용액을 이용하여 습식 식각 할 수 있다.
이 경우, 습식 식각을 함에 있어서, 산성 용액의 ph를 제어하여 투명 전극층(30)의 말단이 제2 도전형 반도체층(25)의 상면과 이루는 경사를 제어할 수 있다. 예를 들어, 비교적 낮은 ph를 갖는 강 산성 용액을 이용하여 ZnO 투명 전극층(30)을 습식 식각하는 경우, 도 6a와 같이, ZnO 투명 전극층(30)의 말단이 제2 도전형 반도체층(25)의 상면과 이루는 각이 둔각이 되는 역-메사 구조(30a)를 형성할 수 있다. ZnO 투명 전극층(30) 말단이 역-메사 구조(30a)를 갖는 경우 광 추출 효율이 좋을 수 있다. 즉, ZnO 투명 전극층(30) 말단이 역-메사 구조(30a)를 갖는 경우, ZnO 투명 전극층(30)의 표면에서 전반사되어 ZnO 투명 전극층(30)의 말단으로 향하는 광이 다시 전반사 되지 않고 외부로 잘 빠져 나갈 수 있다.
반대로 비교적 높은 ph를 갖는 약 산성 용액을 이용하여 ZnO 투명 전극층(30)을 습식 식각하는 경우 도 6c와 같이 ZnO 투명 전극층(30)의 말단이 제2 도전형 반도체층(25)의 상면과 이루는 각이 예각이 되는 메사 구조(30c)를 형성할 수 있다. 그리고, 그 중간의 ph에 해당하는 산성 용액을 이용하여 ZnO 투명 전극층(30)을 습식 식각하는 경우, 도 6b와 같이 ZnO 투명 전극층(30)의 말단이 제2 도전형 반도체층(25)의 상면과 이루는 각이 수직이 되는 구조(30b)를 형성할 수 있다. ZnO 투명 전극층(30) 말단이 메사 구조(30c)를 갖는 경우 전기적 특성면에서 역-메사 구조(30a)보다 효율적일 수 있다. 즉, ZnO 투명 전극층(30) 말단이 메사 구조(30c)를 갖는 경우, ZnO 투명 전극층(30)이 제2 도전형 반도체층(25)과 접촉하는 면적이 역-메사 구조(30a)보다 더 넓을 수 있고, 이에 따라 전류 확산이 더 효율적으로 이루어 질 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 6에서 투명 전극층(30)의 식각을 통해 노출된 반도체 적층체(20)의 일부를 식각하여 메사 식각 영역(20a)을 형성할 수 있다. 메사 식각 영역(20a)은 건식 식각 방법을 통해 형성될 수 있다. 구체적으로 제1 마스크(60)의 제1 개구부(60a)를 이용하여 스퍼터 식각, 반응성 이온 식각, 증기상 식각 등의 방법으로 제2 도전형 반도체층(25) 및 활성층(23)을 식각하여 제1 도전형 반도체층(21)을 노출 시킬 수 있다. 이 경우, 제1 도전형 반도체층(21)의 일부도 식각될 수 있다. 도 7을 참조하면, 메사 식각 영역(20a)의 측면은 경사지게 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 투명 전극층(30) 및 메사 식각 영역(20a) 상에 제2 마스크(70)를 형성할 수 있다. 제2 마스크(70)는 제2 개구부(70a)를 포함할 수 있다. 제2 개구부(70a)는 복수개로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 개구부(70a) 중 하나는 투명 전극층(30) 상에 위치하여 투명 전극층(30)의 일부를 노출 시킬 수 있고, 또한 제2 개구부(70a) 중 다른 하나는 메사 식각 영역(20a) 상에 위치하여 제1 도전형 반도체층(21)의 일부를 노출 시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 제2 마스크(70)의 제2 개구부(70a)를 이용하여 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)을 형성할 수 있다. 비록 도 9에서는 제2 개구부(70a)를 이용하여 형성된 제1 전극 연장부(43)만이 개시되어 있지만, 동일한 방법으로 제1 전극 패드(41), 제2 전극 패드(51) 및 제2 전극 연장부(53)를 형성할 수 있다는 것을 충분히 유추할 수 있다. 그리고, 도면에는 제1 전극 연장부(43)만이 도시되어 있지만, 제1 및 제2 전극들(40, 5)은 통상의 리프트 오프 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 투명 전극층(30)의 표면에 요철(31)을 형성할 수 있다. 구체적으로 산성 용액으로 투명 전극층(30)의 표면을 에칭하여 요철(31)을 형성할 수 있다. 본원 발명에 따른 발광 다이오드는 ZnO 투명 전극(30)을 포함할 수 있고, 앞서 언급된 것처럼 낮은 광 흡수 특성에 기인하여 ZnO 투명 전극층(30)은 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 즉, ZnO 투명 전극층(30)은 그 표면에 요철(31)을 포함할 수 있을 정도의 충분한 두께를 가질 수 있다. ZnO는 산에 매우 약한 특성을 갖는다. 따라서, 묽게 희석한 산성 용액으로 단시간 ZnO 투명 전극층(30)을 단시간 처리하는 방법을 통해 그 표면에 요철(31)을 형성할 수 있으며, 그 처리 시간 및 산성 용액의 농도에 따라 요철(31)의 크기를 제어할 수 있다. 예를 들어, ZnO 투명 전극층(30)을 대략 1000:1로 묽게 희석한 산성 용액으로 대략 40초 정도 처리하여 그 표면에 요철(31)을 형성할 수 있다. 이러한 방법을 통해 형성된 요철(31)은 대략 50nm 이상의 크기를 가질 수 있다.
요철(31) 형성 공정이 제2 전극(50)이 형성 공정 이후에 이루어지므로, 제2 전극 패드(51) 및 제2 전극 연장부(51)가 접속된 부분의 투명 전극층(30) 표면에는 요철(31) 패턴이 형성될 수 없다. 이와 같은 특징은 앞서 언급된 도 3을 통해 개시되어 있다. 즉, 제2 전극(50)이 형성된 부분을 제외한 투명 전극층(30)의 나머지 영역에 요철(31)이 형성될 수 있다. 만약 제2 전극(50)과 접속하는 투명 전극층(30)의 표면에 요철(31) 패턴이 형성될 경우, 제2 전극(50)이 투명 전극층(30)으로부터 박리되기 쉽기 때문에 제2 전극(50)이 접속하는 투명 전극층(30) 표면에는 요철(31) 패턴이 형성되지 않게 하는 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 발광 모듈의 제조 방법 및 필라멘트 발광 모듈을 나타낸다.
도 11a를 참조하면, 먼저 지지 기판(310)을 준비한다. 지지 기판(310)은 유리, 경질 유리, 석영 유리, 투명 세라믹 또는 플라스틱 등으로 형성될 수 있다. 또는 지지 기판(310)은 일 실시예에 따라 플렉서블(flexible)한 재질로 형성될 수 있다. 지지 기판(310)의 양 끝단은 각각 전극(320)을 포함할 수 있다. 상기 전극(320)은 외부의 전력을 필라멘트 발광 모듈(300)로 공급하기 위한 것이다. 상기 전극(320)은 접착제 등에 의해 지지 기판(310)에 고정될 수 있다.
비록 도 11a에서 지지 기판(310)이 직선의 바(bar) 형상을 갖는 것으로 개시되어 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 지지 기판(310)의 적어도 일부 영역은 곡선 형상을 포함할 수 있다. 지지 기판(310)이 곡선 형상을 포함하도록 형성되거나, 또는 직선의 바 형상의 지지 기판(310)이 플렉서블(flxible)한 재질로 형성되어 적어도 일부가 외력에 의해 곡선 형상으로 변형될 수 있다. 곡선 형상의 지지 기판(310)에 의해, 예를 들어 도 13 내지 15에 개시된 것과 같은, 다양한 디자인의 필라멘트 발광 모듈(300)이 제작 될 수 있다.
도 11b를 참조하면, 상기 지지 기판(310)상에 적어도 하나의 발광 다이오드(330)가 실장 될 수 있다. 필라멘트 발광 모듈(300)에 실장되는 발광 다이오드(330)는 상대적으로 크기가 작고, 그에 따라 높은 전류 밀도 조건에서 구동되어 각각의 발광 다이오드에서 고온의 열이 발생될 수 있다. 또한 필라멘트 발광 모듈(300)에 실장되는 발광 다이오드(330)는 매우 조밀한 밀도로 배치될 수 있다. 즉, 발광 다이오드(330) 사이의 이격 거리가 상대적으로 매우 작을 수 있고, 그에 따라 단위 면적에서 발생되는 열의 양이 매우 클 수 있다. 이 경우, 필라멘트 발광 모듈(300)이 자체적으로 발생되는 많은 열에 의해 파손될 수 있다.
따라서, 본원 발명에 따른 필라멘트 발광 모듈(300)은 ZnO 투명 전극층(30)을 포함하는 도 1 내지 도 10에 개시된 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 앞서 언급된 것처럼 ZnO 투명 전극층(30)을 포함하는 발광 다이오드는 상대적으로 낮은 순방향 전압(Vf)으로 구동될 수 있고, 그에 따라 발열량이 적은 것을 특징으로 한다. 따라서 ZnO 투명 전극층(30)을 포함하는 발광 다이오드는 고 전류 밀도 조건에서 구동되며, 조밀하게 배치되는 필라멘트 발광 다이오드 모듈에 적합할 수 있다.
다시 도 11b를 참조하면, 복수의 발광 다이오드(330)는 와이어(331)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 비록 도 11b에서 복수의 발광 다이오드(330)가 와이어(331)에 의해 직렬 연결된 것이 도시되어 있지만, 이는 실시예의 제한으로 이해되어서는 안 된다. 즉, 다른 실시예에 따라 복수의 발광 다이오드(330)는 병렬연결 또는 직/병렬 연결될 수 있다. 복수의 발광 다이오드(330) 중 최 외각에 위치하는 것은 상기 전극(320)과 와이어(331)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 지지 기판(310)은 전기 배선(미도시)을 포함할 수 있으며, 이 경우 각각의 발광 다이오드는 와이어(331)에 의한 본딩을 요구하지 않는다. 즉, 이 경우 각각의 발광 다이오드는 지지 기판(310)에 포함하는 전기 배선(미도시)에 의해 전기적으로 직/병렬 연결될 수 있다.
도 11c를 참조하면, 상기 적어도 하나의 발광 다이오드(330)가 실장된 지지 기판(310)을 덮는 파장변환층(340)이 형성될 수 있다. 파장변환층(340)은 구조적 안정성을 높이기 위해 전극(320)의 일부를 덮을 수 있다. 파장변환층(340)은 형광체를 포함하여, 형광체는 발광 다이오드에서 방출되는 광의 파장을 변화 시킬 수 있다. 파장변환층(340)은 다양한 조합의 형광체 조합을 포함할 수 있으며, 그에 따라 필라멘트 발광 모듈(300)에서 방출되는 광의 파장이 제어될 수 있다.
도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 필라멘트 발광 다이오드 램프의 다양한 실시예를 나타낸다.
도 12 내지 도 15를 참조하면, 필라멘트 발광 다이오드 램프는 공통적으로 소켓부(100), 투명 커버(200) 및 필라멘트 발광 모듈(300)을 포함할 수 있다. 또한 필라멘트 발광 다이오드 램프는 배선부(400) 및 지지체(500)를 더 포함할 수 있다.
소켓부(100)는 도전체로 구성될 수 있으며, 외부 장치에 접속되어 상기 필라멘트 발광 모듈(300)에 전력을 공급하는 역할을 할 수 있다.
투명 커버(200)는 빛이 투과할 수 있는 투명한 재질로 구성될 수 있으며, 그 하단이 상기 소켓부(100)에 연결되어 고정될 수 있다. 투명 커버(200)는 빛이 확산되어 외부로 방출되도록 하는 광 확산 커버 일 수 있으며, 이에 따라 필라멘트 발광 다이오드 램프는 넓은 광 지향각을 가질 수 있다. 또한 투명 커버(200)는 그 내부에 위치하는 필라멘트 발광 모듈(300)을 보호하는 역할을 할 수 있다. 도 12 내지 도 15에 도시된 바와 같은 상기 투명 커버(200)의 형상은 그 하단이 개방되며 대체로 구형 형상을 포함할 수 있으나, 다만 이에 제한되지 않는다.
필라멘트 발광 모듈(300)은 복수의 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 또한, 필라멘트 발광 모듈(300)은 지지 기판, 전극 및 파장변환층을 더 포함할 수 있다. 복수의 발광 다이오드는 지지기판 상에 실장되며 각각 직렬, 병렬 또는 직/병렬 형태로 전기적으로 연결될 수 있다.
필라멘트 발광 모듈(300)은 도 11에 개시된 필라멘트 발광 모듈(300)을 포함하며, 필라멘트 발광 모듈(300)이 포함하는 복수의 발광 다이오드는 도 1 내지 도 10에 개시된 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 즉, 필라멘트 발광 모듈(300)은, 앞서 언급된 ZnO 투명 전극층을 포함하며, 낮은 순방향 전압으로 구동 가능하여 발열량이 적은 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 그에 따라 필라멘트 발광 모듈(300)이 자체적으로 발생시키는 열의 양이 작을 수 있고, 따라서 고온에 의해 파손될 위험이 작을 수 있다.
이와 달리 종래 기술에 따른 필라멘트 발광 모듈은 비교적 얇은 두께로 형성된 ITO 투명 전극층에 의해 상대적으로 높은 순방향 전압을 갖는 발광 다이오드를 포함하며, 이에 따라 높은 발열량에 의해 필라멘트 발광 모듈이 파손되어 신뢰도를 저하시키는 문제를 야기하였다. 따라서, 헬륨 가스 등과 같이 점성 계수가 낮고, 열전도도가 높은 가스를 이용하여 필라멘트 발광 모듈에서 발생되는 열을 외부로 방출하였다. 즉, 점성 계수가 낮고 열전도도가 높은 가스를 투명 커버 내부에 충전시키고, 상기 가스의 대류를 이용하여 필라멘트 발광 모듈로부터 발생되는 열을 외부로 방출하는 방법을 이용한 것이다.
하지만, 본원 발명에 따른 필라멘트 발광 모듈(300)은 발광 다이오드의 순방향 전압이 낮은 특성에 따라 자체적인 발열량이 작으므로, 투명 커버(200) 내에 별도의 방열을 위한 가스를 포함하지 않아도 되는 이점이 있다. 이에 따라, 본원 발명에 따른 필라멘트 발광 다이오드 램프는 가스를 포함하지 않으므로 제조 비용 및 제조 공정상 이점이 있으며, 또한 커명 커버의 재료 및 형태를 선택하는데 있어서 제약이 적다. 예를 들어, 투명 커버(200)는 밀폐되되, 그 내부는 가스가 포함되지 않은 진공 상태를 유지할 수 있다. 다른 예로 투명 커버(200)는 외부와 연결되는 개구부를 포함할 수 있으며, 투명 커버(200) 내부에 대기가 채워질 수 있다.
배선부(400)는 필라멘트 발광 모듈(300)을 지지하는 역할을 하며, 또한 필라멘트 발광 모듈(300)을 소켓부(100)에 전기적으로 연결하는 역할을 할 수 있다. 배선부(400)의 일단은 필라멘트 발광 모듈(300)의 전극부에 연결되며, 타단은 소켓부(100)에 연결될 수 있다.
지지체(500)는 상기 배선부(400) 및 상기 필라멘트 발광 모듈(300)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 지지체(500)는 소켓부(100)에 고정될 수 있으며, 상기 배선부(400)의 일부가 상기 지지체(500)를 관통하는 구조를 통해 지지체(500)에 고정될 수 있다.
또한, 비록 도면에는 개시되지 않았지만, 필라멘트 발광 다이오드 램프는 필라멘트 발광 모듈의 구동을 제어하기 위한 구동부를 더 포함할 수 있다. 상기 구동부는 단일의 필라멘트 발광 모듈 또는 직/병렬 연결된 복수의 필라멘트 발광 모듈의 구동을 제어할 수 있다. 상기 구동부는 소켓부(100) 내부의 공간에 위치할 수 있다.
개별적으로 검토해 보면, 도 12에 개시된 필라멘트 발광 다이오드 램프는 2개의 직선형 필라멘트 발광 모듈(300a, 300b)을 포함하며, 상기 2개의 직선형 필라멘트 발광 모듈(300a, 300b)은 직렬 연결된 구조를 갖는다. 다만, 이는 실시예의 제한으로 이해되어서는 안되며, 따라서 필라멘트 발광 다이오드 램프는 1개, 3개, 4개 등 다양한 개수의 필라멘트 발광 모듈(300)을 포함할 수 있다. 또한 복수의 필라멘트 발광 모듈(300)은 직렬 연결뿐만 아니라 병렬 연결, 직/병렬 연결되는 구조를 가질 수도 있다. 또한, 복수의 필라멘트 발광 모듈(300)은 서로에 의해 그림자가 발생되는 것을 최소화할 수 있는 다양한 배치 구조를 가질 수 있다.
도 13에 개시된 필라멘트 발광 다이오드 램프는 하나의 곡선형 필라멘트 발광 모듈(300)을 포함하며, 필라멘트 발광 모듈(300)의 양단이 배선부(400)에 접속된 구조를 갖는다. 또한, 필라멘트 발광 모듈(300)을 지지체(400)에 고정시키기 위한 와이어(510)를 더 포함할 수 있다.
도 14에 개시된 필라멘트 발광 다이오드 램프는 두 개의 필라멘트 발광 모듈(300a, 300b)을 포함하며, 각각의 필라멘트 발광 모듈(300a, 300b)은 직선 영역 및 곡선 영역을 포함할 수 있다.
도 15에 개시된 필라멘트 발광 다이오드 램프는 하나의 나선형 필라멘트 발광 모듈(300)을 포함하며, 필라멘트 발광 모듈(300)이 지지체(500)를 중심으로 나선형으로 회전하여 지지체(500)를 둘러싸는 구조를 갖는다.

Claims (17)

  1. 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 반도체 적층체;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 ZnO 투명 전극층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 접속하는 제1 전극; 및
    상기 ZnO 투명 전극층에 접속하는 제2 전극을 포함하고,
    상기 ZnO 투명 전극층의 표면은 상기 제2 전극이 형성되지 않은 부분에 한정되어 형성된 요철을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 ZnO 투명 전극층의 말단이 상기 제2 도전형 반도체층의 상면과 이루는 각은 수직하거나 예각인 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 ZnO 투명 전극층의 말단이 상기 제2 도전형 반도체층의 상면과 이루는 각은 둔각인 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 적층체는, 상기 제1 도전형 반도체층의 일부를 노출시키는 메사 식각 영역을 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 메사 식각 영역 내에서 상기 제1 도전형 반도체층에 접속하는 발광 다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 제1 전극 패드 및 상기 제1 전극 패드로부터 연장되는 제1 전극 연장부를 포함하고,
    상기 제2 전극은 제2 전극 패드 및 상기 제2 전극 패드로부터 연장되는 제2 전극 연장부를 포함하는 발광 다이오드.
  6. 소켓부;
    상기 소켓부에 고정되는 투명 커버; 및
    상기 투명 커버 내에 위치하되, 상기 소켓부에 접속하는 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈은 복수의 발광 다이오드를 포함하고,
    각각의 발광 다이오드는,
    제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 반도체 적층체;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 ZnO 투명 전극층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 접속하는 제1 전극; 및
    상기 ZnO 투명 전극층에 접속하는 제2 전극을 포함하고,
    상기 ZnO 투명 전극층의 표면은 상기 제2 전극이 형성되지 않은 부분에 한정되어 형성된 요철을 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 ZnO 투명 전극층의 말단이 상기 제2 도전형 반도체층의 상면과 이루는 각은 수직하거나 예각인 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 ZnO 투명 전극층의 말단이 상기 제2 도전형 반도체층의 상면과 이루는 각은 둔각인 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 반도체 적층체는, 상기 제1 도전형 반도체층의 일부를 노출시키는 메사 식각 영역을 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 메사 식각 영역 내에서 상기 제1 도전형 반도체층에 접속하는 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 전극은 제1 전극 패드 및 상기 제1 전극 패드로부터 연장되는 제1 전극 연장부를 포함하고,
    상기 제2 전극은 제2 전극 패드 및 상기 제2 전극 패드로부터 연장되는 제2 전극 연장부를 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈의 구동을 제어하기 위한 구동기를 더 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 적어도 하나의 필라멘트 발광 모듈을 상기 소켓부에 고정하는 지지체를 더 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  13. 청구항 6에 있어서,
    상기 필라멘트 발광 모듈은,
    지지 기판; 및
    상기 지지 기판의 양단에 위치하는 전극을 더 포함하고,
    상기 복수의 발광 다이오드는 상기 지지 기판 상에 실장되는 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 필라멘트 발광 모듈은, 상기 복수의 발광 다이오드가 실장되는 지지 기판을 덮는 파장변환층을 더 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 지지 기판은 직선의 바 형상을 갖는 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 지지 기판은 적어도 일부의 곡선 영역을 포함하는 필라멘트 발광 다이오드 램프.
  17. 청구항 6에 있어서,
    상기 투명 커버의 내부는 진공 상태인 필라멘트 발광 다이오드 램프.
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