KR100939819B1 - 3차원 광크리스탈을 적용한 백라이트 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정크리스탈디스플레이에서 백라이트의 광원으로 쓰이는 발광소자에 관한 것으로, 좀더 자세하게는 발광소자에 광크리스탈을 적층하여 빛을 편광 시키는 발광소자에 관한 것이다.

본 발명의 발광소자는 제1 전극층(301b), 상기 전극층(301b) 상부에 적층된 기판층(304), 상기 기판층(304) 상부에 적층된 PN다이오드층(303), 상기 PN다이오드층(303) 상부에 소정의 위치에 적층되고 투과되는 빛을 편광시키는 광크리스탈층(401), 상기 PN다이오드층(303) 상부에는 크리스탈층(401)을 제외한 나머지 부분에 적층된 절연층(302), 상기 절연층(302) 상부에 적층된 제 2전극층(301a)을 포함한다.

광크리스탈, 발광다이오드, 액정크리스탈디스플레이, LCD, LED, 편광

Description

3차원 광크리스탈을 적용한 백라이트 발광소자{back light light-emitting- diode using 3-D photonic crystal}

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 직하형 백라이트 구조의 단면도이다.

도 2는 종래 기술의 일 실시예에 따른 사이드형 백라이트 구조의 단면도이다.

도 3은 종래 기술의 일 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 광크리스탈을 적용한 발광소자의 단면도이다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자에 있어서 광크리스탈 밴드갭 다이어그램에서의 TE모드의 통과상태를 나타낸 도면이다.

도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자에 있어서 광크리스탈 밴드갭 다이어그램에서의 TM모드의 통과상태를 나타낸 도면이다.

*도면의 주요부호에 대한 설명

101 : 편광판 102 : 확산판

103 : 도광판 104 : 발광소자

105 : 반사판 301a : 제 1전극층

301b : 제 2전극층 302 : 절연층

303 : PN 다이오드층 304 : 기판층

305 : P웰 영역 401 : 광크리스탈층

본 발명은 액정 표시 소자용 백라이트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 편광판을 사용하지 않고, 발광소자자체에서 빛을 편광시켜서 액정내로 직접 투과시키도록 하여 빛의 효율을 높이는 3차원 광크리스탈을 적용한 백라이트 발광소자에 관한 것이다.

통상적으로, 액정크리스탈디스플레이(LCD)는 매트릭스 형태로 배열되어진 다수의 액정셀들과 이들 액정셀 각각에 공급될 비디오 신호를 전환하기 위한 다수의 제어용 스위치들로 구성된 액정패널에 의해 백라이트 유닛(Back Light Unit)에서 공급되는 광빔의 투과량이 조절되어 화면에 원하는 화상을 표시한다.

상기 액정크리스탈디스플레이는 두 개의 유리판 사이에 액정을 주입해 상하 유리판에 설치된 전극에 전원을 인가하여 각 화소에서 액정 분자배열이 변화하여 영상을 표시하는 장치로서 크게 패널부, 구동부, 백라이트부로 구성된다.

또한, CRT, PDP, FED와는 달리 액정크리스탈디스플레이에 의한 표시는 그 자 체가 비발광성이기 때문에 빛이 없는 곳에서는 사용이 불가능하다. 이러한 단점을 보완하여 어두운 곳에서의 사용이 가능하게 할 목적으로 정보표시면에 균일하게 면조사하는 장치가 백라이트이다.

백라이트는 유리기판, 컬러필터, 구도소자, 편광판과 함께 칼라 액정크리스탈디스플레이의 5개 주요 부품중 하나이다. 백라이트는 형광등의 위치에 따라서 사이드형과 직하형으로 나눌 수 있는데, 노트북이나 모니터용 액정크리스탈디스플레이처럼 화면의 밝기가 300nit 이하이고 두께가 얇아야 되는 경우에는 사이드형이 쓰이고, 화면의 두께보다는 밝기가 중요시되는 경우는 직하형을 많이 쓴다. 화면색의 표시영역은 백라이트에서 나오는 빛의 스펙트럼과 컬러필터의 투과 스펙트럼이 결정한다.

도 1은 종래 직하형 백라이트 구조의 단면도로서, 직하형 백라이트는 편광판(101), 확산판(102), 도광판(103), 발광소자(104)를 포함한다. 또한, 도 1은 직하형 백라이트의 발광소자에서 주사된 빛이 이동하는 경로를 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 광원은 편광판(101) 또는 확산판(102)과 수평 아래에 위치한다. 이에 따라 직하형 백라이트는 반사판(105)을 구비하지 않아도 된다. 도 1에 도시된 직하형 백라이트의 구성 및 작동방법은 도 2에 도시된 사이드형 백라이트의 그것과 유사하므로 이하 사이트형 백라이트 구조와 함께 설명하도록 한다.

도 2는 종래 사이드형 백라이트의 구조를 보여주고 있다. 사이드형 백라이트는 편광판(101), 확산판(102), 도광판(103), 발광소자(104) 및 반사판(105)을 포함한다. 또한, 도 2는 사이드형 백라이트의 발광소자에서 주사된 빛이 이동하는 경로 를 도시하고 있다.

도 2를 참조하면, 백라이트는 발광부와 도파부로 나누어진다. 발광부는 발광소자(104)와 여기에 전력을 공급하는 인버터(도면 미도시)로 구성된다. 도파부는 발광소자에서 나온 빛을 균일한 면광원으로 만드는 광부품계로서 도광판(103), 반사판(105), 확산판(102), 편광판(101)으로 구성된다.

발광소자(104)에서 나온 빛이 도광판(103)에 들어가면 대부분의 빛은 전반사 되어 그 끝까지 전달된다. 도광판(103) 평면에 수직한 방향을 기준으로 특정각 이하로 들어온 빛은 전반사 되지 않고 반사판으로 투과되거나 또는 바로 확산판(102)으로 나간다. 도광판(103)과 반사판(105)이 맞닿는 산란부분에 빛이 산란되도록 투명한 분말을 바르거나 또는 반사판(105)을 발광소자 방향으로 가늘게 홈을 만든다. 단위면적당 분말의 면적이나 단위길이당 홈 수를 조절하여 빛이 도광판(103)의 면전체에서 고른 밝기로 나오게 한다. 이 빛은 도광판(103)의 산란중심(scattering center)때문에 좁은 영역에서의 빛의 밝기가 고르지 않으므로 확산판(102)을 지나게 하여 전체에서 밝기를 균일하게 만든다. 노트북 컴퓨터에서와 같이 특정 시야각 부분에서만 밝게 할 경우에는 확산판(102) 앞에는 편광판(101)을 두어 빛의 진행방향을 조절한다.

그러나, 도 1에 도시된 직하형 백라이트는 빛이 바로 상부로 입사하기 때문에 반사판(105)이 필요없다.

도 3은 종래기술에 따른 발광소자의 단면도이다. 발광소자는 제 1전극층(301b), 기판층(304), PN다이오드층(303), 절연층(302) 및 제2 전극층(301a)을 포함한다.

도 3을 참조하면, 최하부에는 제 1전극층(301b)이 형성되고, 상기 제1 전극층(301b) 상부에 기판층(304)이 적층되며, 상기 기판층(304) 상부에는 PN다이오드층(303)이 적층된다. 상기 PN 다이오드는 N형 반도체 상부중앙에 P형 물질이 우물 형태로 주입되거나 확산되어 있는 P웰 영역(305)을 포함한다. 상기 PN접합 다이오드 상부에는 절연층(302)이 적층되어 있고 상기 절연층(302)의 중앙에는 다이오드발광에 의한 빛이 표면으로 방출되도록 홈이 패여있다. 상기 절연층(302) 상부에는 제2 전극층(301a)이 형성된다.

그러나, 광원으로 사용되는 상기 발광소자(104)는 자체적으로 편광이 되어 있지 않다. 이에 따라 액정내로 투과하도록 하기 위해서는 별도의 편광자 또는 편광시트(편광판)(101)가 반드시 구비되어야 하는 번거로움이 있고, 또한 상기 편광자 또는 편광시트(101)를 통과하면서 많은 양의 빔이 손실되어 결과적으로 전력소모에도 악영향을 미친다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 백라이트 자체에서 편광된 빔이 액정내로 직접 투과하도록 백라이트광원을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 편광판 제작을 위한 추가공정을 제거하여 제작공정을 줄이는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 자체 편광된 광원의 사용으로 인해 편광판 사용에 의한 손실을 줄이는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 액정크리스탈디스플레이에서 백라이트의 발광소자는 제1 전극층(301b), 상기 전극층상부에 적층된 기판층(304), 상기 기판층 상부에 적층된 PN다이오드층(303), 상기 PN다이오드층(303) 상부에 소정의 위치에 적층되고 투과되는 빛을 편광시키는 광크리스탈층(401), 상기 PN다이오드층(303) 상부에는 크리스탈층(401)을 제외한 나머지 부분에 적층된 절연층(302), 상기 절연층(302) 상부에 적층된 제 2전극층(301a)을 포함한다.

본 발명에서 PN다이오드층(303)은 N형 반도체 상부소정의 위치에 P형 물질을 주입 또는 확산하는 방법 중 선택된 하나의 방법에 의해 우물형상의 P웰 영역(305)을 형성하고, 상기 N형반도체의 상부면과 상기 P웰 영역의 상부면이 동일면상에 존재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 광크리스탈층(401)은 3차원 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 광크리스탈층(401)은 미세구형적층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트용으로 사용되는 광원의 단면도이다.

상기 실시예에서 백라이트용 광원은 제1 전극층(301b), 기판층(304), PN다이오드층(303), 절연층(302), 광크리스탈층(401), 제2 전극층(301a)을 포함한다.

상기 실시예는, 광크리스탈층(401)의 적층형태가 미세구형으로 적층되어 있는 상태를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 백라이트용 발광소자는 최하부에 제1 전극층(301b)을 형성하고, 상부에 기판층(304)을 적층한다. 상기 기판층(304) 상부에 PN다이오드층(303)를 적층한다. 상기 PN다이오드층(303) 상부에는 PN다이오드에 의해 방출되는 빛을 편광시키기 위한 광크리스탈을 미세구형으로 적층하고, 상기 PN접합 다이오드 상부에는 광크리스탈층을 제외한 나머지부분에 절연층(302)이 형성된다. 상기 절연층(302) 상부에는 제2 전극층(301a)이 형성된다.

이하, 본 발명의 요부인 광결정층(401)에 대해서 상술한다.

3차원 광크리스탈은 발광층(PN접합다이오드의 사이)으로 부터 나오는 자발방출을 편광 시키는 역할을 하며, 상기와 같은 역할을 하기 위해서 기존의 LED상부중 빛이 발광되는 부분에 채우거나, 이미 형성된 광크리스탈을 올려서 접착하는 것이 바람직하다.

3차원 광크리스탈을 제작하는 방법은 종래 제안되어온 미세구형체를 자기 조립시키는 방법이 대표적이다. 100㎚~1㎛ 직경을 가지는 구형구조물의 형태를 가지며 격자구조에 따른 밴드갭을 갖는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 광크리스탈 구조에 대한 밴드갭 다이어그램을 나타낸다.

상기 실시예는, TE(Transverse Electric) 모드와 TM(Transverse Magnetic)모드에 대한 빛의 투과상태를 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, TE모드는 차단하고, TM모드는 통과시키는 경우를 보여준다. 상기 밴드갭 다이어그램은 광결정내 격자의 구조에 따라 다양하게 나타난다.

광결정에 대한 밴드갭은 특정파장영역, 편광상태, 방향에 대해 반사 또는 투과하는 성질을 가진다. 이를 발광소자(LED)와 같은 여러 편광상태 및 비교적 넓은 파장영역을 가진 자발발광형태의 광원에 적용하면 특정 편광상태의 빛만을 통과시키는 필터로서의 역할을 수행한다.

상기와 같은 필터의 역할을 하기 위해서는 해당되는 파장에 속하는 영역에서 특정편광상태만 투과되도록 하는 밴드구조를 형성해야 한다. 밴드구조를 형성하는 요인으로는, 사용하는 구형체 물질의 유전상수(또는 굴절율), 격자상수 대비 구형체의 반지름(또는 지름), 격자구조(주로 다이아몬드 격자구조와 면심입방 격자구조(FCC))가 있다. 이들의 조합으로 원하는 파장의 편광필터를 형성하게 된다. 또한, 구조를 형성한 구형체가 공기이며 나머지 공간을 다른 굴절율을 가진 유전체가 둘러싸고 있는 역 오팔구조 역시 밴드갭을 가질 수 있다.

역 오팔구조에 대해 설명하면 다음과 같다.

실리카의 굴절률이 1.45 정도여서, 오팔 그 자체는 광밴드갭 결정의 역할이 크지 않으나, 오팔의 비어있는 틈새(void)에 탄소, 금속산화물, 고분자, 금속, 반도체 등 여러 가지 재료를 침투시킬 수 있는 주형(template)으로써 중요한 역할을 한다. 예로 폴리메틸 메타크리레이트 고분자의 경우, 광반응 혹은 열반응 촉매를 약간 섞은 메틸 메타크리레이트 단량체를 오팔구조의 틈새에 스며들게 한 후, 자외선 혹은 열에 의한 중합반응을 거쳐 폴리메틸메타크리레이트-실리카 오팔구조를 형성한다. 계속해서 플루오르화수소산으로 실리카입자들을 제거하면, 스위스 치즈 모양의 소위 역 오팔(inversed opal)구조를 얻을 수 있다. 이때 고분자의 경우, 오팔을 선택적으로 제거한 후에 일어나는 수축변형을 최소화 할 수 있는 고분자막을 선택하는 것이 중요하다. 면심입방구조 구조체에서는 8번, 9번 밴드사이에 광밴드갭이 존재함이 알려져 있다.

백색 백라이트용 발광소자를 구현하기 위해서는 현재 i)자외선발광소자와 형광물질을 사용하는 방법과 ii)빨강, 녹색, 파랑색 발광소자를 조합하는 방법 및 iii)노랑/녹색 발광소자 와 파랑색 발광소자를 조합하는 방법이 있다. 상기 ⅱ),ⅲ)의 경우 각각의 발광소자에 3차원 광크리스탈을 적용하여 편광효과를 지닌 백라이트의 제조가 가능하다.

3차원 광크리스탈의 제조방법은 현재 여러 가지 방법이 소개되어 있다.

본 발명에 적용할 3차원 광크리스탈은 콜로이드 형태의 균일한 지름을 가진 실리카, 실리콘, 폴리머등의 구형 물질이다. 콜로이드 결정은 다음과 같은 과정에 의해 형성된다.

콜로이드상태의 직경 100 ∼ 300 nm 실리카(SiO₂)들을 (폴리스티렌등 유기물 입자를 이용할 수도 있음) 외부의 진동을 최소로 한 상태로 두게되면, 중력과 열적 요동에 의해 서서히 가라앉으며 바닥 면에서부터 강한 반사빛을 띠는 콜로이드결정 이 성장함을 관찰할 수 있다. 상용화된 실리카입자를 쓰거나, 스토버법에 의해 비교적 균일한 구형 입자를 얻을 수 있다.. 이와 같은 침전법(sedimentation)에 의한 결정성장의 속도와 결정화정도는 입자들의 크기의 균일도에 의해 결정되므로, 상용 실리카콜로이드의 경우 원심분리기를 이용하여 균일도를 향상시키는 것이 바람직하다. 본 실험연구에서는 전압을 인가하기 위해 투명전극기판(ITO 판 혹은 플라스틱 기판)을 10∼20㎛ 간격으로 두고 그 사이에 콜로이드 크리스탈(colloidal crystal)을 형성시킨다. 결정구조는 평면내 삼각형 모양으로 실리카구 들이 서로 밀착된 면심입방구조나 조밀육방구조(hexagonal close-packed) 구조가 가능하나, 대개 열역학적으로 더 안정된 구조인 면심입방구조를 취함이 알려져 있다. 구입자들 사이공간에 있는 물을 서서히 증발시켜 소위 "오팔" 구조를 만든다. 추후 다른 물질을 구 틈새로 침투(infiltration)시키기 위해 오팔 구조체를 200 ∼ 600 ℃ 고온에서 소결처리(sintering)하여, 구입자들간의 목(neck)을 생성시킨다.

광크리스탈이 형성되는 전체 면적은 발광소자의 발광면에 맞도록 제작되고, 크기조절을 위해서는 해당크기의 틀 위에 침전, 증발시킨 다음 발광소자위에 접착시키는 방법이나, 직접 발광소자위에 침전시키는 방법 등을 사용하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 특정편광에 대해서 상대적으로 투과량이 많도록 조절할 수 있게 된다.

따라서, 선형편광된 광원이 필요한 액정크리스탈디스플레이의 경우, 자체편광된 광원을 편광판과 함께 사용하면 임의편광되거나 편광 되지 않은 광원과 편광판을 사용할 경우보다 광손실량이 줄어드는 효과가 있다.

그리고, 특정편광상태가 필요한 자체발광소자에 적용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 액정크리스탈디스플레이 백라이트용 광원의 현재 배치형태인 직하형, 사이드형 방식 등에 다양하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

결론적으로, 3차원 광크리스탈의 편광필터기능을 이용한 발광소자를 포함하는 백라이트를 사용함으로 액정투과전 편광판이 필요하지 않게 되므로, 전체적인 공정에서 1단계를 축소하는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 액정크리스탈디스플레이에서의 백라이트의 발광소자에 있어서, 제1 전극층(301b), 상기 전극층(301b) 상부에 적층된 기판층(304), 상기 기판층(304) 상부에 적층된 PN다이오드층(303), 상기 PN다이오드층(303) 상부에 소정의 위치에 적층되고 투과되는 빛을 편광시키는 광크리스탈층(401), 상기 PN다이오드층(303) 상부에는 크리스탈층(401)을 제외한 나머지 부분에 적층된 절연층(302), 상기 절연층(302) 상부에 적층된 제 2전극층(301a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트 발광소자.
2. 제 1항에 있어서, PN다이오드층(303)은 N형반도체 상부소정의 위치에 P형 물질을 주입 또는 확산하는 방법 중 선택된 하나의 방법에 의해 우물형상의 P웰 영역(305)을 형성하고, 상기 N형반도체의 상부면과 상기 P웰 영역의 상부면이 동일면상에 존재하는 것을 특징으로 하는 백라이트 발광소자.
3. 제 1항에 있어서, 광크리스탈층(401)은 3차원 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 백라이트 발광소자.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 광크리스탈층(401)은 미세구형적층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백라이트 발광소자.

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