KR20060037589A - 다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를이용한 발광 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 셀이 어레이된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 조명용 발광장치에 관한 것으로, 전극과 발광 반도체층을 포함하는 수직형의 다수의 발광 셀 및 상기 발광 셀이 직렬 접속된 호스트 기판을 포함하는 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다. 이로써, 고전압 또는 가정용 교류 전원을 사용하는 조명용 발광 장치의 제작 공정을 단순화시킬 수 있고, 조명용 발광 장치의 제작시 발생하는 불량률을 줄일 수 있으며, 조명용 발광 장치를 대량 생산할 수 있다. 또한, 발광 소자 외부에 소정의 정류 회로를 둠으로 인해 교류 동작시 직류 구동 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

발광 셀, 발광 소자, 직렬 접속, 금속배선, 정류 브리지, 조명용 발광 장치

Description

다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 발광 장치{Luminous element having arrayed cells and method of manufacturing thereof and luminous apparatus using the same}

도 1은 종래의 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 다른 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 5 내지 도 11은 각기 본 발명의 제 1 내지 제 7 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도들이다.

도 12는 본 발명에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 200 : 발광 소자 10 : 모체 기판

20 : 발광 반도체층 30, 50, 60 : 전극

40 : 호스트 기판 70 : 배선

100 : 발광 셀 150 : 정류 브리지부

210 내지 260 : 외부 단자 전극

310 내지 340 : 다이오드 블록

410, 420 : 전원패드 510 : 전원부

520 : 제어부

본 발명은 다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 발광 장치에 관한 것으로, 특히, 단일 기판상에 다수의 발광용 셀이 배열된 단일의 발광 소자와 이의 제조 방법에 관한 것이고, 또한, 이를 이용하여 제조된 발광장치에 관한 것이다.

발광 다이오드는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 양공)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.

이는 발광 다이오드가 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길기 때문이다. 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 월등하기 때문이다.

일반적으로, 발광 다이오드를 조명용으로 사용하기 위해서는 별도의 패키징 공정을 통해 발광 소자를 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 발광 소자(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 발광 칩을 전기적으로 직렬 연결하였다. 이러한, 제조 공정에 관해서는 미국 공개 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 많아지고 복잡해지는 문제가 발생한다. 또한, 공정의 단계가 증가할수록 이에 따른 불량 발생률 또한, 높아지게 되어 대량 생산에 걸림돌이 되고 있다. 또한, 소정의 충격에 의해 금속배선이 단락 되어 발광 소자의 동작이 종료되는 경우가 발생할 수 있다. 또한, 개개의 발광 소자를 직렬로 배열하여야 함으로 인해 차지하게 되는 공간이 커지게 되어 램프의 크기가 상당히 커지는 단점이 발생하였다.

또한, 앞서 설명한 소자 레벨의 발광 칩 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 각 기 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 인가 되는 조명용 발광장치에 적용할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 단일칩 형태로 발광 소자를 사용하여 발광 다이오드 램프를 제작할 수 있고, 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때문에 램프의 제작 공정을 단순화 할 수 있으며, 불량률을 감소시킬 수 있어 대량 생산에 유리한 다수의 셀이 어레이된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 발광 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 호스트기판 및 상기 호스트기판상에 직렬 또는 직병렬 연결된 다수의 수직형 발광셀을 포함하여 구성된 발광소자를 제공한다.

여기서, 상기 호스트기판은, 도체, 부도체, 및 반도체 기판중 어느 일측으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 부도체 호스트기판과 상기 다수의 발광셀 사이에는 전극패턴층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고, 상기 도체 또는 반도체 호스트기판과 상기 발광셀 사이에는, 상기 호스트기판측에 절연층이, 상기 다수의 발광셀측에 전극패턴층이 개재되어 있는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 다수의 수직형 발광셀은 각각 GaN계 반도체를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 모체기판에 화합물반도체를 성장시키는 단계와, 상기 화합물반도체를 다수의 수직형 발광셀로 형성한 후, 상기 각각의 수직형 발광셀의 상부에 제 1전극을 형성하는 단계와, 상기 수직형 발광셀의 상부에 호스트기판을 부착하는 단계와, 상기 모체기판을 제거한 후 상기 각 수직형 발광셀의 하부에 제 2전극을 형성하는 단계 및 상기 각 수직형 발광셀의 제 1전극들과 인접하는 수직형 발광셀의 제 2전극들을 직렬 또는 직병렬로 연결하는 단계를 포함하는 발광소자 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 호스트기판이 도체 또는 반도체기판인 경우, 상기 호스트기판과 상기 수직형 발광셀의 제 1전극 사이에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 모체기판에 화합물반도체를 성장시키는 단계와, 상기 화합물반도체를 다수의 수직형 발광셀로 형성하는 단계와, 상기 다수의 수직형 발광셀의 상부에 호스트기판을 부착하는 단계 및 상기 각 수직형 발광셀을 인접하는 수직형 발광셀들과 직렬 또는 직병렬로 연결하는 단계를 포함하는 발광소자 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 모체기판은 레이져를 이용한 리프트오프공정, 식각공정, 또는 CMP공정으로 제거되는 것을 특징으로 한다.

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 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명은 기판상에 각기 분리된 다수의 수직형 발광 셀이 형성된다. 이후, 다수의 수직형 발광 셀의 상부에 호스트 기판을 본딩한 다음, 하부의 모체 기판을 제거한다. 이후 다수의 수직형 발광 셀의 인접한 셀간의 서로 다른 전극간을 전기적으로 연결한다. 즉, 발광 셀간을 직렬 연결하여 발광 소자를 형성한다. 이러한 수직형 발광 셀의 구조를 간략히 살펴보면, 발광 반도체층과, 발광 반도체층 상하에 위치한 제 1 및 제 2 전극과, 제 1 전극과 접속된 전극 패턴을 포함하는 호스트 기판을 포함하고 있다. 물론 호스트 기판의 특성에 따라 전극 패턴과 호스트 기판 사이에 별도의 절연층을 더 포함할 수도 있다. 이러한 구조의 발광 셀들이 직렬 접속된 발광 소자를 제조하기 위해서는 다양한 제조 방법들이 제공될 수 있다.

이에 관한 구체적인 설명은 하기의 도면을 참조하여 설명한다.

도 2 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 모체기판(10)상에 반도체층(20)과 제 1 전극(30)을 포함하는 복수개의 분리된 발광 셀(100)을 형성하고, 소정의 전극 패턴(50)이 형성된 호스트 기판(40)을 마련한다.

모체 기판(10)으로는 반도체 소자의 제조가 가능한 모든 기판이 사용될 수 있고, 본 실시예에서는 사파이어 기판 또는 실리콘 기판을 사용한다.

상기의 발광 반도체층(20)은 다수의 물질층으로 이루어진 구조를 갖는다. 즉, 본 실시예에서는 버퍼층(미도시), N형 반도체층(미도시), 활성층(미도시) 및 P형 반도체층(미도시)이 순차적으로 적층된 형태의 구조를 갖는다. 또한, 제 1 전극(30)은 소정의 도전성 패드를 지칭하는 것이며, 각각의 발광 반도체층(20)은 소정간격 이격되어 있다.

이를 위해, 모체 기판(10)상에 버퍼층, N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 순차적으로 형성한다. 이때 버퍼층은 결정 성장시에 모체기판(10)과 후속층들의 격자 부정합을 줄위기 위한 층으로서, 반도체 재료인 GaN을 포함하여 이루어진다. 물론 이때, 버퍼층을 형성하지 않을 수도 있다. 또한, 상기의 N형 반도체층은 전자가 생성되는 층으로서, N형 화합물 반도체층과 N형 클래드층으로 형성된다. 이때, N형 화합물 반도체 층은 N형 불순물이 도핑되어 있는 GaN을 사용한다. 그리고, P형 반도체층은 전공이 생성되는 층으로서, P형 클래드층과 P형 화합물 반도체층으로 형성된다. 이때, P형 화합물 반도체층은 P형 불순물이 도핑되어 있는 AlGaN을 사용한다. 마지막으로 활성층은 소정의 밴드 갭과 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어진다. 이때 활성층을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 전공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 목표로 하는 파장에 따라 활성층에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다.

이후 P형 반도체층 상에 소정의 전극막을 형성한 후, 소정의 마스크를 이용한 식각공정을 통해 전극막, P형 반도체층, 활성층, N형 반도체층 및 버퍼층을 식각하여 각기 분리된 제 1 전극(30) 및 발광 반도체층(20)을 형성한다.

한편, 표면에 소정의 전극 패턴(50)이 형성된 호스트 기판(40)은 호스트 기판(40)의 하부 면상에 도전성 물질막을 형성한 다음, 이를 소정의 마스크를 이용하여 제거함으로써 제작된다. 물론 이뿐만 아니라 호스트 기판(40)상에 소정의 시드 패턴을 형성한 다음, 금속도금 방법을 통해 형성할 수도 있다. 또한, 인쇄회로 방법을 이용하여 형성할 수도 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기와 같이 전극 패턴(50)이 형성된 호스트 기판(40)의 전극 패턴(50)에 상기 제 1 전극(30)을 본딩한다. 이를 위해 호스트 기판(40)의 표면에 형성되는 전극패턴(50)은 하부의 제 1 전극(30)보다 더 크게 형성되고, 각각은 서로 인접한 전극패턴(50) 및 제 1 전극(30)과 물리적 및 전기적으로 분리되어 있게 된다. 또한, 호스트 기판(40) 표면의 전극 패턴(50)과 제 1 전극(30)간을 본딩하기 위해 별도의 도전성 페이스트를 이용하여 접착한다. 물론, 이외의 다양한 본딩방법을 이용하여 이둘간을 접착할 수 있다. 또한, 도 3에서보는 바와 같이 제 1 전극(30) 상부의 일측방향으로 전극 패턴(50)의 일부가 돌출되도록 하여 후속 전극간의 연결을 좀더 양호하게 할 수 있다.

다음으로, 하부의 모체기판(10)을 제거하고 모체 기판(10)이 제거된 영역의 발광 반도체층(20)의 하부에 제 2 전극(60)을 형성하여 호스트 기판(40) 하부에 다수의 수직형 발광 셀(100)을 형성한다. 이때, 하부의 모체기판(10)의 제거는 레이 져를 이용한 리프트 오프 공정을 통해 제거된다. 물론, 반도체 제조 공정에서 사용되는 식각공정 또는 CMP 공정을 통해 제거할 수도 있다. 모체 기판(10)이 제거됨으로 인해 모체 기판(10)상부의 발광 반도체층(20)이 노출된다. 이후 소정의 전극 패드 형성공정을 통해 모체기판(10)이 제거됨으로서 노출된 발광 반도체층(20) 상에 제 2 전극(60)을 형성하여 개개의 수직형 발광 셀(100)을 제조한다.

마지막으로, 인접한 개개의 수직형 발광 셀(100)의 서로 다른 전극간을 배선(70)을 이용하여 전기적으로 연결한다. 즉, 도 3에서와 같이 모체 기판(10)의 하부에 형성된 전극 패턴(50)과 이와 인접한 발광 셀(100)의 제 2 전극(60)간을 연결함으로써, 다수의 수직형 발광 셀(100)이 직렬 접속된 발광 소자를 형성한다. 이때, 양측 가장자리의 발광 셀(100) 각각의 전극 패턴(50)과 제 2 전극(60)은 별도의 외부 단자를 더 포함할 수 있다.

또한, 상술한 전극은 도전성의 물질막을 사용하되, 모든 전기 전도성을 갖는 물질을 사용할 수 있다.

상술한 본 발명의 일 실시예에서는 호스트 기판으로 전기 전도성이 없는 부도체물질일 경우에 관해 설명하였다. 하지만 이에 한정되지 않고 호스트 기판으로 전기 전도성을 갖는 도체 물질 또는 반도체 물질을 사용할 수도 있다. 또한, 제 1 전극을 형성하지 않고, 호스트 기판의 전극 패턴을 제 1 전극으로 사용할 수도 있고, 호스트 기판에 전극 패턴을 형성하지 않고, 제 1 전극이 형성된 발광 셀을 직접 호스트 기판에 실장할 수 있다. 이에 관해 하기에서 설명한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 다른 일 실시예들에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 5a를 참조하면, 호스트 기판(40)으로 SiC, Si 또는 금속을 사용할 경우, 그 표면에 부도체의 절연물질로 이루어진 소정의 절연층(45)을 형성한 다음, 절연층(45) 상에 앞선 실시예에서 설명하였던 전극패턴(50)을 형성한다. 또한, 도 2에서 설명하였던 모체기판(도 2의 10번 참조)상에 형성된 발광 반도체층(20)과 제 1 전극(30)을 전극 패턴(50)에 본딩한다. 이후, 하부의 모체 기판을 제거한 다음 노출된 발광 반도체층(20) 하부에 제 2 전극(60)을 형성한다.

그런다음, 와이어 본딩 또는 금속배선공정을 통해 이웃하는 발광 셀간의 서로 다른 전극들을 연결한다. 이때 인접한 셀의 제 1 전극(30) 및 제 2 전극(60)은 호스트 기판(40)의 전극 패턴(50)과 별도의 배선(70)을 통해 전기적으로 직렬 연결한다.

도 5b를 참조하면, 소정의 전극 패턴(50)이 형성된 호스트 기판(40)을 마련하고, 도 2에서 설명한 모체기판(도 2의 10번 참조) 상에 발광 반도체층(20)만을 형성한다. 본 실시예에서는 제 1 전극(도 2의 30번 참조)을 형성하지 않는다. 다음으로, 호스트 기판(40)의 전극 패턴(50)에 발광 반도체층(20)을 본딩한다. 이때, 도전성 페이스트를 이용하여 본딩한다. 이후, 하부의 모체 기판을 제거한 다음 노출된 발광 반도체층(20) 하부에 제 2 전극(60)을 형성한다.

그 후에 와이어 본딩 또는 금속배선공정을 통해 이웃하는 발광 셀(100)의 전극 패턴(50)과 제 2 전극(60)을 별도의 배선(70)을 이용하여 전기적으로 직렬 연결한다.

도 5c를 참조하면, 호스트 기판(40)을 마련하고, 도 2에서 설명한 반도체층(20)과 제 1 전극(30)을 포함하는 복수개의 분리된 셀을 마련한다. 다음으로, 호스트 기판(40)에 제 1 전극(30)을 본딩한다. 이후, 하부의 모체 기판을 제거한 다음, 노출된 발광 반도체층(20)의 일부를 제거하여 제 1 전극(30)의 일부를 노출시킨다. 그후, 제 1 전극(30)의 반대편 발광 반도체층(20)에 제 2 전극(60)을 형성한다.

다음으로, 와이어 본딩 또는 금속배선공정을 통해 이웃하는 발광 셀(100)간의 서로 다른 전극들을 연결한다. 이때 인접한 셀의 제 1 전극(30)과 제 2 전극은 별도의 배선(70)을 통해 전기적으로 직렬 연결한다.

상술한 본 발명의 실시예는 각각의 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태의 변형이 가능하다. 즉, 발광 반도체층(20)의 형성에 있어서도 다수의 반도체막들이 더 추가 될 수도 있고, 인접한 발광 셀(100)간을 연결하기 위해서 별도의 절연막을 형성하여 인접한 셀간을 전기적으로 고립시킨 다음, 각각의 전극을 노출하여 이들간을 소정의 배선(70)으로 연결할 수도 있다. 이뿐만 아니라 브리지(Bridge) 공정 또는 스탭 커버리지(Step Coverage) 등의 공정을 통해 각기 인접한 발광 셀(100)의 제 1 전극/전극패턴(30/50)과 제 2 전극(60)간을 전기적으로 연결하는 도전성 배선(70)을 형성한다.

상술한 브리지 공정은 에어브리지 공정이라고도 하며, 서로 연결할 칩 간에 포토 공정을 이용해 감광액을 도포하고 현상하여 감광막 패턴을 형성하고, 그 위에 금속 등의 물질을 진공 증착등의 방법으로 먼저 박막으로 형성하고, 다시 그 위에 도금 또는 금속증착등의 방법으로 금을 포함하는 도전성 물질을 일정 두께로 도포 한다. 이후, 솔벤트등의 용액으로 감광막 패턴을 제거하면 도전성 물질의 하부는 다 제거되고 브리지 형태의 도전성 물질 만이 공간에 형성된다.

또한, 스텝커버리지 공정은 서로 연결할 칩 간에 포토공정을 이용해 감광액을 도포하고, 현상하여 서로 연결될 부분만을 남기고 다른 부분은 감광막 패턴으로 뒤덮고, 그 위에 도금 또는 금속증착 등의 방법으로 금을 포함하는 도전성 물질을 일정두께로 도포한다. 이어서, 솔벤트 등의 용액으로 감광막 패턴을 제거하면 도전성 물질이 덮인 이외의 부분은 다 제거되고 이 덮혀진 부분 만이 남아 연결할 칩 사이를 전기적으로 연결시키는 역할을 하게 되다. 또한, 상기의 배선으로는 금속뿐만 아니라 전도성을 갖는 모든 물질들을 사용할 수 있다.

본 발명의 발광 소자 일단부에 위치한 발광 셀(100)의 제 1 전극(30)과 접속해 있는 전극 패턴(50)과 제 2 전극(60) 각각에 별도의 패드(즉, 외부 단자 전극)를 형성하여 외부로 부터 소정의 전원을 입력받을 수 있도록 한다.

그리고 본 발명의 발광 소자를 구성하는 수직형 발광 셀(100)의 개수는 교류 구동이 가능한 전압의 숫자 만큼 형성하는 것이 효과적이다. 즉, 본 발명에서는 단일 발광 셀(100)을 구동하기 위한 전압/전류와 조명용 발광소자에 인가되는 교류 구동전압에 따라 직렬 접속되는 발광 셀(100)의 개수가 매우 다양할 수 있다. 물론 바람직하게는 10 내지 1000개의 발광 셀을 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 발광 소자를 제작한다. 또한, 110V 교류 구동에서는 일정 구동 전 류에 3.3V 짜리 단위 발광 다이오드 셀을 33 내지 34개를 직렬로 연결하여 발광 소자를 제작한다.

또한, 상술한 발광 소자는 외부 교류전압을 정류하기 위한 정류용 제 1 내지 제 4 다이오드(미도시)가 형성될 수 있다. 제 1 내지 제 4 다이오드는 정류 브리지형태로 배열된다. 제 1 내지 제 4 다이오드간의 정류 노드들이 각기 발광 셀의 N형 패드와 P형 패드에 접속될 수 있다. 상기 제 1 내지 제 4 다이오드로 발광 셀을 사용할 수 있다. 이에 관해서는 후술하도록 한다.

이하 소정의 회로 개념도를 통해 본 발명의 발광 소자에 관해 설명한다.

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100) 블록이 외부와 전기적으로 연결된다. 도 2 내지 도 4에서 설명한 본 발명의 발광 소자(200)에 와이어 공정을 통해 N형 패드 및 P형 패드에 각기 외부 단자 전극(210 및 220)을 형성한다. 외부 단자 전극(210 및 220)은 애노드전극(210) 및 캐소드전극(220)을 지칭한다. 이로써, 다수의 발광 셀(100)이 직렬 접속된 단일의 발광소자(200)를 제조한다. 뿐만 아니라, 교류 구동시에도 동작할 수 있도록 별도의 제어부가 추가된 발광 소자를 제공할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)과, 발광 셀 블록과 접속되고 발광 셀(100)에 소정의 전류를 인가하기 위한 정류 브리지부(150)와 상기 정류 브리지부(150)와 접속된 외부 단자 전극들(210 및 220)을 포함한다.

본 실시예에서는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)이 외부의 전원과 집적 접속되지 않고, 제 1 및 제 2 외부 단자 전극(210 및 220)에 접속된 정류 브리지부(150)를 통해 외부의 전원과 전기적으로 접속된다. 상기의 정류 브리지부(150)는 제 1 외부 단자 전극(210)과 발광 셀(100)의 에노드 단자에 접속된 제 1 다이오드(D1)와, 발광 셀(100)의 에노드단자와 제 2 외부 단자 전극(220)에 접속된 제 2 다이오드(D2)와, 제 2 외부 단자 전극(220)과 발광 셀(100)의 캐소드에 접속된 제 3 다이오드(D3)와, 발광 셀(100)의 캐소드와 제 1 외부 단자 전극(210)에 접속된 제 4 다이오드(D4)를 포함하여 이루어진다. 따라서, 정류 브리지부(150)는 교류 구동중 순방향 전압 인가시 순방향으로 정렬된 브리지 다이오드(D1 및 D3)에 의해 전류가 직렬 접속된 발광 셀(100)에 인가되고, 역방향 전압 인가시 역방향으로 정렬된 정류브리지 다이오드(D2 및 D4)에 의해 전류가 직렬 접속된 발광 셀(100)에 인가된다. 이로써, 교류전원에 상관없이 계속적으로 발광 소자(200)가 발광하게 된다.

또한, 외부의 전원이 정류 브리지와 직렬 접속된 발광 셀에 동시에 인가될 수도 있다.

도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.

도 8을 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)과, 직렬 접속된 발광 셀(100) 블록에 소정의 전류를 인가하기 위한 정류 브리지부(150)와, 상기 발광 셀(100)과 정류 브리지부(150)에 각기 접속된 외부 단자 전극들(210 내지 240)을 포함한다.

본 실시예에서는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)이 제 2 및 제 4 외부 단자 전극(220 및 240)에 의해 외부의 전원과 직접 접속되고, 제 1 및 제 3 외부 단자 전극(210 및 230)에 접속된 정류 브리지부(15)에 의해 외부 전원과 전기적으로 접속되어 있다. 상기의 발광 셀(110)과 접속되는 전원과 정류 브리지부(150)와 접속되는 전원은 동일한 전원일 수도 있고, 각기 다른 전원일 수도 있다.

상기의 정류 브리지부(150)는 제 1 외부 단자 전극(210)과 제 2 외부 단자 전극(220)사이에 접속된 제 1 다이오드(D1)와, 제 2 외부 단자 전극(220)과 제 3 외부 단자 전극(230) 사이에 접속된 제 2 다이오드(D2)와, 제 3 외부 단자 전극(230)과 제 4 외부 단자 전극(240) 사이에 접속된 제 3 다이오드(D3)와, 제 4 외부 단자 전극(240)과 제 1 외부 단자 전극(210) 사이에 접속된 제 4 다이오드(D4)를 포함하여 구성하되, 제 2 외부 단자 전극(220) 및 제 4 외부 단자 전극(240)은 각기 발광 칩(100)의 에노드 및 캐소드에 접속된다.

본 실시예에서는 교류 전원은 정류 브리지부(150)를 통해 인가되고, 제 2 외부 단자 전극(220) 및 제 4 외부 단자 전극(240)은 외부로부터 RC필터를 연결하여 사용할 용도로 따로 마련된 것이다. 직류 전원은 발광 셀(100)에 직접 인가된다. 이로써, 본 발명의 발광 소자(200)의 전체 입출력 전극 단자수는 4개가된다. 이때, 2개는 교류 구동용 이고, 나미지 2개는 RC 필터를 병렬로 연결할 용도로 준비되어 있다. RC 필터의 역활은 전류 성분중 리플 요소(Ripple Factor)를 최소화 하기 위함이다.

도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.

도 9를 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)과, 발광 셀(100)에 소정의 전류를 인가하기 위한 정류 브리지부(150)와, 상기 정류 브리지부(150)에 접속된 외부 단자 전극들(210 및 220)과, 상기 정류 브리지부(150)에 접속되고, LED 어레이의 저항을 조절하기 위한 외부 연결용 음전극(250)과 상기 발광 셀(100)에 접속된 직류용 양전극(260)을 포함한다.

본 실시예에서는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)의 양전극(260)과 외부 연결용 음전극(250) 사이에 저항체를 임으로 직렬 연결하여 과부하를 방지할 수 있다.

상기의 정류 브리지부(150)는 제 1 외부 단자 전극(210)과 외부 연결용 음전극(250)사이에 접속된 제 1 다이오드(D1)와, 외부 연결용 음전극(250)과 제 2 외부 단자 전극(220) 사이에 접속된 제 2 다이오드(D2)와, 제 2 외부 단자 전극(220)과 발광 셀(100)의 캐소드 사이에 접속된 제 3 다이오드(D3)와, 발광 셀(100)의 캐소드와 제 1 외부 단자 전극(210) 사이에 접속된 제 4 다이오드(D4)를 포함하여 구성된다.

도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.

도 10을 참조하면, 본 실시예의 발광 소자(200)는 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)과, 발광 셀(100)에 소정의 전류를 인가하기 위한 정류 브리지부(150)와, 정류 브리지부(150)와 발광 셀(100)에 각기 접속된 외부 단자 전극들(210 내지 240)과, 상기 정류 브리지부(150)에 접속된 외부 연결용 음전극(250)을 포함한다.

본 실시예에서는 정류브리지부(150)의 두 외부 단자(210 및 230)가 교류 전원에 연결되고 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)이 연결된 제 2 및 제 4 외부 단자 전극(220 및 240)에는 병렬로 RC회로가 연결되어 교류 성분의 리플 요소를 최소화 하고, 외부 연결용 음전극(250)에는 직렬로 저항체를 연결하여 발광 셀(100)에 걸리는 과부하를 방지할 수 있는 특징이 있다.

상기의 정류 브리지부(150)는 제 1 외부 단자 전극(210)과 외부 연결용 음전극(250)사이에 접속된 제 1 다이오드(D1)와, 외부 연결용 음전극(250)과 제 3 외부 단자 전극(230) 사이에 접속된 제 2 다이오드(D2)와, 제 3 외부 단자 전극(230)과 제 4 외부 단자 전극(240) 사이에 접속된 제 3 다이오드(D3)와, 제 4 외부 단자 전극(240)과 제 1 외부 단자 전극(210) 사이에 접속된 제 4 다이오드(D4)를 포함하여 구성하되, 제 4 외부 단자 전극(240)은 발광 칩(100)의 캐소드에 접속된다.

본 실시예에서는 전체 입출력 전극 단자수는 5개가 되고, 교류 전원은 정류 브리지부(150)를 통해 인가되고, 나머지 전극들은 각각 외부 연결용 음전극(250), 병렬로 RC회로가 연결되는 두 외부 단자 전극(220 및 240)으로 구성된다.

상술한 바와 같이 브리지부(150)의 외부에 본 발명의 발광 칩(100)이 배치될 수도 있고, 브리지부(150) 내부에 발광 칩(100)이 배치될 수도 있다. 또한, 브리지 부(150)를 사용하지 않고, 다수의 발광 칩(100)을 병렬 연결할 수도 있다.

이하 이에 관해 좀더 구체적으로 설명한다.

본 발명의 다른 일 실시예로 직렬 접속된 다수의 발광 셀로 이루어진 발광 셀 블록을 브리지부 내부 즉, 브리지부의 마주보는 접점(직렬 접점들) 사이에 접속시켜 발광 소자의 집적도를 높일 수 있고, 교류전압에서 발광 셀 블록을 구동하도록 하여 조명용 밝기를 갖는 발광 소자를 제공한다. 또한, 브리지부를 이용하지 않고, 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록을 병렬 연결시켜 교류 전압에서 엇갈려가며 발광 셀 블록이 발광하도록 하여 조명용 밝기를 갖는 발광 소자를 제공한다.

먼저, 브리지부 내에 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록이 형성된 발광 소자를 살펴보면 다음과 같다.

도 11은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.

도 11을 참조하면, 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)을 포함하는 발광 셀 블록(1000)과, 직렬 접점에 상기 발광 셀 블록(1000)이 접속된 브리지 회로를 포함한다.

브리지부는 4개의 다이오드 블록(310 내지 340)을 포함하고 있고, 제 1 및 제 2 다이오드 블록(310 및 320)은 제 1 직렬 노드(SN1)에 의해 직렬 접속되고, 제 3 및 제 4 다이오드 블록(330 및 340)은 제 2 직렬 노드(SN2)에 의해 직렬 접속된다. 또한, 각기 직렬 접속된 제 1 및 제 2 다이오드 블록(310 및 320)과 제 3 및 제 4 다이오드 블록(330 및 340)은 제 1 및 제 2 병렬 노드(PN1 및 PN2)에 의해 병 렬 접속된다. 여기서, 제 1 및 제 2 병렬 노드(PN1 및 PN2)는 외부의 교류전원과 접속하기 위한 소정의 전원 패드(410 및 420)에 접속된다.

이때, 제 1 내지 제 4 다이오드 블록(310 내지 340) 각각은 적어도 한개 이상의 다이오드(311)를 포함하여 이루어진다. 도 4에서는 2개의 발광 다이오드를 하나의 다이오드 블록으로 구성하였다. 또한, 제 1 및 제 2 다이오드 블록(310 및 320) 각각은 직렬 노드에서 병렬 노드로 소정의 전류가 흐르게 하고, 제 3 및 제 4 다이오드 블록(330 및 340) 각각은 병렬 노드에서 직렬 노드로 소정의 전류가 흐르게 구성하는 것이 바람직하다. 물론 이에 한정되지 않고 다양한 실시예가 가능하다.

상술한 구성의 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 소정의 전원부(미도시)를 포함하여 발광 장치로써 구동한다. 이러한 발광 장치의 구동을 상기 도 12의 회로도를 통해 설명하면, 먼저 외부의 전원패드(410 및 420)를 통해 교류 전압이 인가되면 브리지부의 제 1 및 제 2 병렬노드(PN1 및 PN2)에 소정의 교류 전압이 인가된다. 만일, 제 1 병렬 노드(PN1)에 +전압이 인가되고, 제 2 병렬 노드(PN2)에 -전압이 인가될 경우, 전류가 제 1 병렬 노드(PN1), 제 3 다이오드 블록(330), 발광 셀 블록(1000), 제 2 다이오드 블록(320) 및 제 2 병렬 노드(PN2)를 통해 흐르게 되어 발광 셀 블록(1000)을 발광시킨다. 한편, 제 1 병렬 노드(PN1)에 -전압이, 제 2 병렬 노드(PN2)에 +전압이 인가될 경우는, 전류가 제 2 병렬 노드(PN2), 제 4 다이오드 블록(340), 발광 셀 블록(1000), 제 1 다이오드 블록(310) 및 제 1 병렬 노드(PN1)를 통해 흐르게 되어 발광 셀 블록(1000)을 발광시킨다. 이와 같이 외부의 교류 전원의 전압 상태에 상관없이 본 실시예의 발광 소자는 외부 전원이 인가되면 계속적인 발광을 할 수 있다.

다음으로, 브리지부를 이용하지 않고, 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록(다수의 발광 셀이 직렬 접속된)을 병렬 연결시켜 제작된 발광 소자를 살펴본다.

도 12는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.

도 12를 참조하면, 직렬 접속된 다수의 발광 셀(100)을 포함하는 적어도 2개 이상의 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)이 병렬 접속된다.

상기의 도 12에서는 제 1 발광 셀 블록(1000a)과 제 2 발광 셀 블록(1000b)이 제 10 및 제 20 병렬 노드(PN10 및 PN20) 사이에 병렬 접속되어 있다. 제 10 및 제 20 병렬 노드(PN10 및 PN20) 각각은 제 1 및 제 2 전원 패드(410 및 420)에 접속된다. 이때, 제 1 발광 셀 블록(1000a)의 캐소드는 제 10 병렬 노드(PN10)에 접속되고, 애노드는 제 20 병렬 노드(PN20)에 접속되며, 제 2 발광 셀 블록(1000b)의 캐소드는 제 20 병렬 노드(PN20)에 접속되고, 애노드는 제 10 병렬 노드(PN10)에 접속된다. 이는 일 실시예일뿐, 2개 이상의 발광 셀 블록(1000)이 병렬 연결될 수도 있다. 또한, 병렬 연결된 두개의 발광 셀 블록(1000a 및 1000b) 각각은 도 3에서 언급한 전체 발광 셀 블록(1000)의 발광 셀(100) 개수의 절반 정도의 개수의 발광 셀(100)이 포함되어 구성될 수도 있다. 즉, 발광 소자에 포함된 발광 셀 블록(1000)내의 발광 셀이 40이면, 제 1 발광 셀 블록(1000a)내에 20개, 제 2 발광 셀 블록(1000b)내에 20개로 나누어질 수 있다. 물론 제 1 및 제 2 발광 셀 블록 (1000a 및 1000b)내의 발광 셀(100)의 개수는 이와 같이 한정되지 않는다. 하지만, 발광소자의 밝기의 변화를 최소화하기 위해 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b) 내의 발광 셀(100)의 개수가 동일한 것이 바람직하다.

상술한 구성의 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발광 소자는 소정의 전원부(미도시)를 포함하여 발광 장치로써 구동한다.

이러한 발광 장치의 구동을 상기 도 12의 회로도를 통해 설명하면, 먼저 외부의 전원패드(410 및 420)를 통해 교류 전압이 인가된다. 이경우 만일, 제 10 병렬 노드(PN10)에 +전압이 인가되고, 제 20 병렬 노드(PN20)에 -전압이 인가될 경우, 제 2 발광 셀 블록(1000b)이 발광하게 된다. 또한, 제 10 병렬 노드(PN10)에 -전압이, 제 20 병렬 노드(PN20)에 +전압이 인가될 경우, 제 1 발광 셀 블록(1000a)이 발광하게 된다. 즉, 외부의 교류 전원이 발광 소자에 인가되더라도 제 1 및 제 2 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)이 번갈아 가면서 발광하기 때문에 교류전원에서도 충분히 사용이 가능하다. 또한 가정에서 사용되는 전원은 60Hz 이므로 두개의 발광 셀 블록(1000a 및 1000b)이 번갈아 가면서 발광하여도 아무런 문제가 없다.

이로써, 별도의 정류회로 없이도 교류에서 구동가능하고, 단일 셀만을 이용하기 때문에 공정을 간소화할 수 있다. 또한, 이와 같이 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀이 결합된 발광 소자를 이용하여 조명용 장치를 제조할 수 있다. 즉 본 발명의 발광 소자를 종래의 발광 장치에 사용할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 발광 소자의 전원 패드에 소정의 전압을 인가하는 전원부 접속시켜 발광 장치를 형성할 수 있다. 상기 전원부로는 1V 내지 500V를 인가하는 장치가 가능하고, 통상적으로 가정에서 사용하는 전압 및 손전등과 같은 발광 장치에서 사용하는 전압을 발생하는 장치를 사용할 수 있다. 또한, 전원 패드와 전원부 사이에는 전압강하를 위한 소정의 전압 분배부를 더 포함할 수도 있다. 이와같이 본 발명의 발광 소자는 종래의 전구와 같은 조명소자를 대신할 수 있다.

상술한 제 1 내지 제 7 실시예에 따른 발광 소자는 다양한 형상의 어레이가 가능하다. 즉, 발광 소자는 다수의 발광 셀이 매트릭스 배열된 발광 셀 블록과, 발광 셀 블록의 양측면에 각기 형성된 브리지용 제 1 내지 제 4 다이오드 블록을 포함한다. 구체적으로, 제 1 및 제 3 다이오드 블록은 상기 발광 셀 블록의 일측면(좌측)에 형성되고, 제 2 및 제 4 다이오드 블록은 상기 발광 셀 블록의 다른 일 측면(우측)에 형성되었다. 이때, 만일 제 7 실시예와 같이 병렬 연결일 경우에는 전원패드(즉, 병렬노드)에 병렬 접속되고 각기 다수의 발광 셀을 포함하는 제 1 및 제 2 발광 셀 블록을 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 발광 셀 블록내의 다수의 발광 셀들은 매트릭스 배열되어 있고, 각각의 발광 셀 블록 별로 직렬 접속되어 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 전기적 연결의 편의를 위해 다양한 배치가 가능하다. 이때 제 1 내지 제 4 다이오드와 발광 셀 블록간은 도 7 내지 10에서 도시된 바와 같이 연결되기 위한 별도의 패드와 같은 연결부를 가질수 있다.

다음으로, 이러한 발광 소자를 이용한 발광 장치에 관해 설명하면 다음과 같다.

도 13은 본 발명에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 전원부와, 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록을 포함하 는 발광 소자와, 발광 소자에 인가되는 전압 및 전류의 파형을 조절하기 위한 제어부를 포함한다.

상기 도 13에서는 전원부(510)로 교류 전원이 인가되고, 제어부(520)에 구성된 병렬 RC회로와 직렬 저항체를 발광소자(200)부에 연결하는 형태로 구성된다.

제어부(520)는 발광 소자(200) 내부의 발광 셀(100)과 각기 병렬 접속된 커패시터(C1) 및 제 1 저항(R1)을 포함한다. 발광 셀(100)과 직렬 접속된 제 2 저항(R2)을 더 포함할 수도 있다.

이를 도 13을 참조하여 조명용 발광 장치의 구조 및 동작에 관해 구체적으로 설명한다.

발광 소자(200)의 정류 브리지부(150)는 제 1 및 제 2 외부 단자 단자를 통해 교류 전원과 접속된다. 제 1 및 제 2 외부 단자 단자가 접속되지 않는 정류 브리지부(150)의 두 노드 사이에 제 2 저항(R2)과 발광 셀(100)부가 직렬 접속된다. 또한, 제 1 및 제 2 외부 단자가 접속되지 않는 정류 브리지부(150)의 두 노드에 제 1 커패시터(C1)와 제 1 저항(R1)이 각기 병렬 접속된다. 즉, 직렬 접속된 제 2 저항(R2)과 발광 셀(100)부가 제 1 커패시터(C1) 및 제 1 저항(R1)과 각기 병렬 접속된다.

따라서, 본 발광 장치에 교류 전원을 인가시키면 발광 소자(200)내의 정류 브리지부(150)를 통해 양과 음으로 구분된 전류가 발광 셀(100)부의 양방향으로 인가되고, 이로써, 순차적으로 발광을 하게 된다. 또한, 각각 병렬로 접속된 커패시터(C1)와, 저항(R1 및 R2)으로 인해 전류의 파형이 조절된다.

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 장치이 제작시 발생하는 불량률을 줄일 수 있으면, 조명용 발광 장치를 대량 생산할 수 있다.

또한, 발광 소자 칩의 전극과 소정의 정류 회로를 연결하여 교류 동작시 리플 요소를 최소화 하여 발광 효율을 극대화하고 저하체의 설치를 통해 LED 어레이에 걸리는 부하를 조절하여 발광 소자 칩을 보호할 수 있다.

Claims (9)

1. 호스트기판; 및

   상기 호스트기판상에 직렬 또는 직병렬 연결된 다수의 수직형 발광셀;을 포함하여 구성된 발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 호스트기판은, 도체, 부도체, 및 반도체 기판중 어느 일측으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 부도체 호스트기판과 상기 다수의 발광셀 사이에는 전극패턴층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 도체 또는 반도체 호스트기판과 상기 발광셀 사이에는, 상기 호스트기판측에 절연층이, 상기 다수의 발광셀측에 전극패턴층이 개재되어 있는 것을 특징 으로 하는 발광소자.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 다수의 수직형 발광셀은 각각 GaN계 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
6. 모체기판에 화합물반도체를 성장시키는 단계;

   상기 화합물반도체를 다수의 수직형 발광셀로 형성한 후, 상기 각각의 수직형 발광셀의 상부에 제 1전극을 형성하는 단계;

   상기 수직형 발광셀의 상부에 호스트기판을 부착하는 단계;

   상기 모체기판을 제거한 후 상기 각 수직형 발광셀의 하부에 제 2전극을 형성하는 단계; 및

   상기 각 수직형 발광셀의 제 1전극들과 인접하는 수직형 발광셀의 제 2전극들을 직렬 또는 직병렬로 연결하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 호스트기판이 도체 또는 반도체기판인 경우,

   상기 호스트기판과 상기 수직형 발광셀의 제 1전극 사이에 절연층을 형성하 는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조방법.
8. 모체기판에 화합물반도체를 성장시키는 단계;

   상기 화합물반도체를 다수의 수직형 발광셀로 형성하는 단계;

   상기 다수의 수직형 발광셀의 상부에 호스트기판을 부착하는 단계; 및

   상기 각 수직형 발광셀을 인접하는 수직형 발광셀들과 직렬 또는 직병렬로 연결하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법.
9. 제 6항 또는 제 8항에 있어서,

   상기 모체기판은 레이져를 이용한 리프트오프공정, 식각공정, 또는 CMP공정으로 제거되는 것;을 특징으로 하는 발광소자 제조방법.

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