KR101293883B1 - 모노리식 발광 디바이스, 그 구동 방법, 및 조명 장치 - Google Patents

모노리식 발광 디바이스, 그 구동 방법, 및 조명 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 컬러링의 안정성이 우수하면서도, 컬러링을 조정가능하고 미세화에 적합한 모노리식 발광 디바이스 및 그것을 사용한 조명 장치 및 그 구동 방법을 제공한다. 모노리식 발광 디바이스는, pn 접합을 갖는 반도체 재료 및 그 반도체로부터 빛을 출력하고, 그 빛의 일부 또는 전부를 흡수하여 다른 파장의 빛으로 변환하기 위한 형광체를 포함하는 층이 형성되어 있는 발광 다이오드가, 단일 기판상에 모노리식으로 복수개 어레이 배치되어 이루어진 조명용의 모노리식 발광 디바이스로서, 상기 어레이가 m개(m≥2)의 상기 발광 다이오드로 이루어진 발광 다이오드군에 의해 구성되어 있고, 그 발광 다이오드군은, 각각이 미리 정해진 N종류(N≥2, 단 N≤m)의 발광 스펙트럼 형상 중 어느 하나를 갖는 N종류의 발광 다이오드에 의해 구성되어 있고, 상기 발광 다이오드에 대한 공급 전력량을, 발광 스펙트럼 형상의 종류에 따라 그룹을 분류한 발광 다이오드 그룹마다 바꾸는 것에 의해, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 가변으로 하도록 했다.

Description

모노리식 발광 디바이스, 그 구동 방법, 및 조명 장치{MONOLITHIC LIGHT EMITTING DEVICE, DRIVING METHOD THEREFOR, AND LIGHTING}
본 발명은, 모노리식 발광 디바이스, 이것을 사용한 조명 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
질화물 반도체를 사용한 백색 발광 다이오드는, 이미 휴대전화 등의 소형 액정 디스플레이의 백라이트용 광원으로서 널리 사용되게 되었고, 금후는 형광등을 대신하는 일반 조명 광원으로서의 응용이 기대되고 있다. 백색 발광 다이오드가 형광등으로 대체되기 위해서는, 발광 효율의 향상과 함께 비용의 저감이 중요한 과제이다. 또한, 마이크로 머신이나 캡슐형 위카메라 등의 신기술에서는, 극미소 조명에 대한 수요가 금후 급속하게 높아질 것으로 예상된다.
최근 많이 사용되고 있는 질화물계 반도체를 사용한 백색 발광 소자 및 백색 발광 다이오드는, 예를 들어 다음과 같은 공정으로 제조되고 있다. 우선 에피택셜 웨이퍼에 대하여 적당한 방법으로 에칭 처리나 전극 증착 등의 가공을 행한 후, 다이싱에 의해 웨이퍼로부터 잘라낸 다이오드 칩을 1개 또는 복수개 컵형상의 패키지에 고정하여 본딩한다. 그 후 형광체층을 형성하고 나서, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등의 투명도 높은 수지로 밀봉하고, 렌즈 형상의 수지의 형성을 거쳐 개개의 발광 다이오드가 얻어진다. 형광체층의 형성은, 에폭시계나 실리콘계의 수지에 형광체를 섞어, 정량 정밀도가 높은 디스펜서에 의해 정량 도포하는 방법이 일반적으로 사용되고 있다. 이렇게 하여 제조된 백색 발광 다이오드를 실장용 기판에 적절한 개수 배치함으로써, 필요한 조도를 갖는 백색 발광 소자가 제조된다.
발광 다이오드를 사용한 백색 발광 조명 장치는, 구조상 2개로 크게 나누어진다. 하나는, 청색 발광 다이오드와 황색으로 형광을 내는 재료를 조합하여 백색을 얻는 것이며, 또 하나는 빛의 3원색의 각각에서 발광하는 3개의 발광 다이오드로부터의 발광을 혼합하여 백색을 얻는 것이다.
질화물계 반도체를 사용한 백색 발광 소자 및 백색 발광 다이오드의 종래의 제조방법은 상술한 바와 같기 때문에, 공정이 번잡하고, 각각의 공정에서 조립ㆍ정량화 정밀도를 유지하기 위해서는 특수한 제조 장치가 필요할 뿐만 아니라, 공정마다의 검사도 필요해지는 등, 방대한 설비 투자를 필요로 하여, 그 만큼의 제조 비용이 발생한다.
또, 백라이트 조명 또는 일반 조명의 광원으로서의 용도로 사용되는 백색 발광 소자의 경우, 상술된 바와 같이, 청색 발광 다이오드와 황색 형광체의 조합이나, 도 16에 나타낸 바와 같이, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)으로 각각 발광하는 발광 다이오드로부터의 발광을 혼합시켜 백색을 얻는 방법이 있다. 후자는 전자에 비해 연색성이 우수하지만, 3색의 발광 다이오드 중 어느 하나라도 발광 강도에 변동이 생긴 경우, 컬러링 즉 그 발광 스펙트럼 형상이 변동되기 쉽다.
한편, 이미 널리 시판되고 있는 각종 조명 장치에 있어서는, 그 발광 디바이 스특성에 따라 여러가지 색조의 조명 장치가 제공되고 있고, 전구색, 일광(daylight)색 등등 다양한 컬러링의 것이 사용되고 있다. 이들은 각각의 사용 환경에서 사용목적 또는 사용자의 취향 등에 따라 구별되어 사용되고 있다. 그러나, 동일한 사용 장소에서 사용 목적이 상이한 경우, 또는 사용자의 교체 또는 사용자 자신의 취향의 변화 등에 의해 상이한 컬러링의 조명이 필요해진 경우에는, 조명 장치 종류를 바꾸거나, 또는 적어도 그 강도(조도)를 조정하는 정도의 대처가 필요하므로, 보다 간편하고 보다 용이하게 컬러링을 조정하는 것이 가능한 발광 디바이스 내지 그것을 사용한 조명 장치가 필요로 되고 있다.
또 종래 기술에서는, 발광 다이오드를 사용한 백색 발광 소자를 제작할 때, 도 16에 나타낸 바와 같이, 개개의 발광 다이오드 칩을 1개 1개 핸들링하여 배치해 갈 필요가 있다. 그러나, 발광 다이오드 소자의 칩 사이즈는 작기 때문에 취급하기가 어렵다. 그 때문에 고가의 고정밀도 핸들링 머신을 필요로 하는 것 외에, 발광 다이오드 소자의 칩 사이즈를 생각대로 축소화하는 것이 어려워, 비용의 저감이 어렵다.
본 발명의 목적은, 종래 기술에서의 상술한 문제점을 해결할 수 있는 모노리식 발광 디바이스, 이것을 사용한 조명 장치 및 그 구동 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 목적은, 또한 컬러링의 안정성이 우수하면서도, 컬러링을 조정가능하며 미세화에 적합한 모노리식 발광 디바이스 및 그것을 사용한 조명 장치 및 그 구동 방법을 제공하는 것에 있다.
제1 발명에 의하면, pn 접합을 갖는 반도체 재료 및 그 반도체로부터 빛을 출력하고, 그 빛의 일부 또는 전부를 흡수하여 상이한 파장의 빛으로 변환하기 위한 형광체를 포함하는 층이 형성되어 있는 발광 다이오드가, 단일 기판상에 모노리식으로 복수개 어레이 배치되어 이루어진 조명용의 모노리식 발광 디바이스로서, 상기 어레이가 m개(m≥2)의 상기 발광 다이오드를 포함하는 발광 다이오드군에 의해 구성되어 있고, 그 발광 다이오드군은, 각각이 미리 정해진 N종류(N≥2, 단 N≤m)의 발광 스펙트럼 형상 중 어느 하나를 갖는 N종류의 발광 다이오드에 의해 구성되어 있고, 상기 발광 다이오드에 대한 공급 전력량을, 발광 스펙트럼 형상의 종류에 따라 그룹을 분류한 발광 다이오드 그룹마다 바꾸는 것에 의해, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 가변으로 한 모노리식 발광 디바이스가 제공된다.
제2 발명에 의하면, pn 접합을 갖는 반도체 재료 및 그 반도체로부터 빛을 출력하고, 그 빛의 일부 또는 전부를 흡수하여 상이한 파장의 빛으로 변환하기 위한 형광체를 포함하는 층이 형성되어 있는 발광 다이오드가, 단일 기판상에 모노리식으로 복수개 어레이 배치되어 이루어진 조명용의 모노리식 발광 디바이스로서, 상기 어레이가 m개(m≥2)의 상기 발광 다이오드를 포함하는 발광 다이오드군에 의해 구성되어 있고, 그 발광 다이오드군은, 적어도 1종류의 백색계 발광 스펙트럼 형상을 포함하는 N종류(N≥2, 단 N≤m)의 발광 스펙트럼 형상을 갖는 N종류의 발광 다이오드를 포함하여 구성되어 있고, 상기 발광 스펙트럼 형상의 종류에 따라 그룹을 분류한 발광 다이오드 그룹마다 공급 전력량을 바꾸는 것에 의해, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 가변으로 한 모노리식 발광 디바이스가 제공된다.
제3 발명에 의하면, pn 접합을 갖는 반도체 재료 및 그 반도체로부터 빛을 출력하고, 그 빛의 일부 또는 전부를 흡수하여 다른 파장의 빛으로 변환하기 위한 형광체를 포함하는 층이 형성되어 있는 발광 다이오드가, 단일 기판상에 모노리식으로 복수개 어레이 배치되어 이루어진 조명용의 모노리식 발광 디바이스로서, 상기 어레이가 m개(m≥2)의 상기 발광 다이오드를 포함하는 발광 다이오드군에 의해 구성되어 있고, 그 발광 다이오드군은, 각각이 미리 정해진 N종류(N≥2, 단 N≤m)의 백색계 발광 스펙트럼 형상 중 어느 하나를 갖는 N종류의 발광 다이오드에 의해 구성되어 있고, 상기 발광 다이오드에 대한 공급 전력량을, 상기 백색계 발광 스펙트럼 형상의 종류에 따라 그룹을 분류한 발광 다이오드 그룹마다 바꾸는 것에 의해, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 가변으로 한 모노리식 발광 디바이스가 제공된다.
제4 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 발광 다이오드군을 구성하는 발광 다이오드의 각 하나의 전극부는 군용(群用) 공통 전극에 접속되어 있고, 상기 발광 다이오드 그룹을 구성하는 발광 다이오드의 각 다른 하나의 전극부는, 상기 발광 다이오드 그룹마다 대응하여 설치된 N개의 그룹용 공통 전극에 상기 발광 다이오드 그룹마다 공통 접속되어 있고, 상기 군용 공통 전극과 N개의 그룹용 공통 전극을 통하여 공급되는 전력을 바꾸는 것에 의해, N종류의 발광 스펙트럼마다의 강도 또는 발광 스펙트럼 형상을 가변하여, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 조정할 수 있게 되어 있는 디바이스가 제공된다.
제5 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 발광 다이오드군을 구성하고 있는 pn 접합을 갖는 복수의 발광 다이오드에 서로 공통인 적어도 하나의 도전성 반도체층을 가지며, 그 도전성 반도체층이 상기 기판에 보다 가까운 위치의 도전층을 공통으로 가지며, 상기 발광 다이오드군을 구성하고 있는 발광 다이오드의 전극부를 외부 접속용 전극부에 접속하기 위한 배선이 상기 기판상에 모노리식으로 형성되어 있는 디바이스가 제공된다.
제6 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 형광체를 포함하는 층이 pn 접합 반도체에 의해 형성된 발광 다이오드에 근접하여, 또는 직접 접속되어 있는 디바이스가 제공된다.
제7 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 어레이를 구성하는 m개의 발광 다이오드가, 조명 장치로서의 사용 환경에서 개개의 발광 다이오드로부터의 발광 스펙트럼을 식별할 수 없을 정도로 서로 근접하여 형성되어 있는 디바이스가 제공된다.
제8 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 어레이를 구성하는 m개의 발광 다이오드로부터의 광방사 방향으로 광산란체를 포함하는 광혼합부가 설치되어 있고, 조명 장치로서의 사용 환경에서 개개의 발광 다이오드로부터의 발광 스펙트럼을 식별할 수 없을 정도로 근접하여 형성되어 있는 디바이스가 제공된다.
제9 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 발광 다이오드로부터의 빛의 일부를 흡수하여 기전력을 발생하여 외부로 출력하는 것을 가능하게 하기 위해, 상기 발광 다이오드에 근접하여 상기 기판상에 모노리식으로 형성된 수광 소자 및 그 수광 소자를 외부와 전기적으로 접속하기 위해 필요한 전극 및 그 접속 배선을 포함하고 있는 디바이스가 제공된다.
제10 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 기판상에 상기 발광 다이오드에 근접하여 형성되고, 상기 발광 다이오드와는 반대의 극성을 갖는 다이오드 또는 유전체를 포함하는 커패시터가 상기 발광 다이오드와 병렬 접속되어 있는 디바이스가 제공된다.
제11 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 발광 다이오드를 형성하는 반도체로부터의 방사 광파장이 470㎚ 이하인 디바이스가 제공된다.
제12 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 발광 다이오드를 형성하는 반도체가 우르차이트형(wurtzite) 결정 구조를 갖는 질화물 반도체인 디바이스가 제공된다.
제13 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 발광 다이오드를 형성하는 형광체가 유기 재료인 디바이스가 제공된다.
제14 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스에 있어서, 상기 발광 다이오드를 형성하는 형광체가 고분자 재료인 디바이스가 제공된다.
제15 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 디바이스를 사용한 조명 장치가 제공된다.
제16 발명에 의하면, 상기 1, 2 또는 3에 기재된 모노리식 발광 디바이스의 구동 방법으로서, 상기 발광 다이오드를, 상기 발광 다이오드 그룹마다 구동 전류 또는 구동 시간에 의해 조정하여, 전체 평균 발광 스펙트럼 형상을 조정하도록 한 모노리식 발광 디바이스의 구동 방법이 제안된다.
제17 발명에 의하면, 상기 9에 기재된 모노리식 발광 디바이스의 구동 방법으로서, 상기 수광 소자로부터의 출력에 기초하여 전체 평균 발광 스펙트럼 형상을 피드백 조정하도록 한 모노리식 발광 디바이스의 구동 방법이 제안된다.
도 1은, 본 발명의 실시형태(모노리식 발광 디바이스)의 평면도를 나타낸다.
도 2는, 모노리식 발광 디바이스에 있어서 어레이의 제1 열의 단면도를 나타낸다.
도 3은, 도 1에 나타내는 발광 디바이스의 3개의 컬러링 그룹의 색도도에서의 색좌표를 나타낸다.
도 4는, 도 1 및 도 2에 나타낸 발광 디바이스의 제조 공정을 나타낸다.
도 5는, 도 1 및 도 2에 나타낸 발광 디바이스의 제조 공정을 나타낸다.
도 6은, 본 발명의 제2 실시형태(모노리식 발광 디바이스)를 나타낸다.
도 7은, 제2 모노리식 발광 디바이스에서의 색좌표에서의 컬러링의 실현 범위를 나타낸다.
도 8은, 제2 모노리식 발광 디바이스의 평면도를 나타낸다.
도 9는, 제2 모노리식 발광 디바이스의 응용예인 백라이트의 구성을 나타낸 다.
도 10은, 점광원에 사용한 종래의 백라이트의 구성을 나타낸다.
도 11은, 종래의 백라이트의 변형예를 나타낸다.
도 12는, 본 발명의 제3 실시형태(모노리식 발광 디바이스)를 나타낸다.
도 13은, 제3 모노리식 발광 디바이스의 제어 유닛부에서 사용되는 보호 회로의 일례를 나타낸다.
도 14는, 제3 모노리식 발광 디바이스의 제어 유닛부에서 사용되는 다른 보호 회로의 일례를 나타낸다.
도 15는, 제3 모노리식 발광 디바이스의 층구성을 나타낸다.
도 16은, 발광 다이오드를 사용한 종래 기술에 의한 백색 발광 소자의 구성예를 나타낸다.
도 17은, 3×3의 어레이의 실체 현미경 사진이다.
도 18은, 소자 동작시의 발광 상태의 실체 현미경 사진이다.
도 19는, 소자 동작시의 발광 상태의 실체 현미경 사진이다.
도 20은, 소자 동작시의 발광 상태의 실체 현미경 사진이다.
도 21은, 전류량을 변화시켰을 때 얻어진 색조 변화의 모습을 나타낸다.
(부호의 설명)
1, 101, 302 : 발광 디바이스
2 : 사파이어 기판
3 : 반도체 기판
4 : 공통 전극
5, 6 : 활성층
7 : P 반투명 전극
81, 82, 83 : 형광체층
9 : 절연막
11, 12, 13 : 전극
111, 112, W1, W2, W3 : 배선
121, 122, 123, 124 : 발광 다이오드
201 : 발광 다이오드 셀
202 : 공통
203 : p 배선
301A : 광입사면
301 : 도광판
303, 304 : 확산판
305 : 광원
401 : 기판
402 : 발광 다이오드부
403 : 센서부
404 : 제어 유닛부
405, 406 : 다이오드
407 : 커패시터
408 : 발광 다이오드 회로
501 : 발광 다이오드 기능층
502 : 트랜지스터 기능층
601 : 발광 다이오드
602 : 프린트 기판
D1∼D25 : 발광 다이오드
G : 발광 다이오드군
L : III족 질화물 에피층
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태의 일례에 관해 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명에 의한 조명용의 발광 디바이스의 실시형태의 일례를 나타내는 평면도이다. 조명용의 발광 디바이스(1)는 반도체 발광 다이오드를 복수 사용하여 구성되어 있고, 발광 디바이스(1)에는 m개(m≥2)의 발광 다이오드로 구성되는 발광 다이오드 어레이가 포함되어 있다. 이들 m개의 발광 다이오드는, 전체적으로 하나의 발광 다이오드군을 구성하고 있다. 이 발광 다이오드군은, 각각이 미리 정해진 N종류(N≥2, 단 N≤m)의 발광 스펙트럼 형상 중 어느 하나를 갖는 N종류의 발광 다이오드로 구성되어 있다.
발광 디바이스(1)는 이상과 같이 구성되어 있기 때문에, 발광 디바이스(1)로부터는, 개개의 발광 다이오드로부터 빛이 출력되어, 이들 출력광은 컬러링이 서로 다른 N종류의 빛이 되었고, 이들 출력광은 발광 디바이스(1)로부터 합성광으로서 출력된다. 본 실시형태에서는, 이 출력광의 합성광이, 발광 디바이스(1)로부터 백색계 출력광으로서 출력된다.
도 1에 나타낸 실시형태에서는, 25개(m=25)의 발광 다이오드(D1∼D25)를 5×5의 배열의 어레이로서, 발광 다이오드군(G)을 구성한 예가 나타나 있다. 여기서는, N=3으로 설정되어 있고, 이 어레이에는 컬러링이 다른 3종류의 백색계 발광 다이오드가 포함되는 구성으로 되어 있다. 제1 컬러링(그룹 1)은 약간 푸른 빛을 띤 백색, 제2 컬러링(그룹 2)은 약간 녹색을 띤 백색, 제3 컬러링(그룹 3)은 약간 붉은 빛이 강한 백색을 각각 발광하는 구성의 것으로 되어 있다.
도 1의 구성에서는, 25개의 발광 다이오드(D1∼D25) 중, 발광 다이오드 D1, D4, D7, D10, D13, D16, D19, D22, D25는 그룹 1, 발광 다이오드 D2, D5, D8, D11, D14, D17, D20, D23은 그룹 2, 발광 다이오드 D3, D6, D9, D12, D15, D18, D21, D24는 그룹 3에 속해 있고, 발광 다이오드(D1∼D25)는, 상기 3종류의 컬러링에 따라 3개의 발광 다이오드 그룹으로 분류되어 있다. 즉, 제1 컬러링을 갖는 발광 다이오드가 포함되는 제1 발광 다이오드 그룹, 제2 컬러링을 갖는 발광 다이오드가 포함되는 제2 발광 다이오드 그룹, 제3 컬러링을 갖는 발광 다이오드가 포함되는 제3 발광 다이오드 그룹이다.
이들 발광 다이오드(D1∼D25)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제1 열째(L1)에 D1∼D5, 제2 열째(L2)에 D6∼D10, 제3 열째(L3)에 D11∼D15, 제4 열째(L4)에 D16∼D20, 제5 열째(L5)에 D21∼D25가 그 순서대로 배열되어 있기 때문에, 각 발광 다이 오드로부터의 발광 출력이 균일하게 합성되는 구성으로 되어 있다.
도 2는, 도 1의 제1 열째(L1)의 부분 단면도이다. 도 2에서, 2는 사파이어 기판, 3은 반도체 기판, 4는 n형 전극이다. 발광 다이오드(D1)는, 반도체 기판(3)상에 형성된 활성층(5, 6)상에 P 반투명 전극(7)을 설치한 것으로, 활성층(5, 6) 사이에는 pn 접합이 형성되어 있다. 이와 같이 구성되는 발광 다이오드(D1)에는 형광체층(81)이 형성되어 있다. 여기서는, 형광체층(81)은, P 반투명 전극(7)의 위에 직접 설치되어 있지만, 형광체층(81)를 발광 다이오드(D1)에 부착하는 구성은, 이 구성에 한정되지 않고, 형광체층(81)을 발광 다이오드(D1)상에 접근시켜 형성하는 등, 적절한 구성을 채택할 수 있다.
부호 9로 나타내는 것은 절연층이며, 절연층(9)내에는 공통 전극(4) 외에, 제1 전극(11), 제2 전극(12), 제3 전극(13)이 형성되어 있다. 발광 다이오드(D1)의 P 반투명 전극(7)은, 배선(W1)에 의해 제1 전극(11)에 접속되어 있다. 제1 전극(11)은, 제1 발광 다이오드 그룹에 속하는 발광 다이오드에 공통으로 전력을 공급하기 위한 전극이며, 발광 다이오드(D1) 외에, 제1 발광 다이오드 그룹에 속하는 다른 발광 다이오드의 P 반투명 전극(7)이 제1 전극(11)에 접속되어 있다.
이상, 발광 다이오드(D1)에 관해 상세히 설명했지만, 그룹 1에 속하는 다른 발광 다이오드도 동일한 구성을 갖고 있다. 그룹 2, 3에 속하는 발광 다이오드도, 기본적인 구성은 발광 다이오드(D1)와 동일한다. 그러나, 그룹 2에 속하는 발광 다이오드에는 형광체층(81)과는 상이한 형광 특성의 형광체층(82)이 형성되어 있는 것, 및 P 반투명 전극(7)이, 제2 발광 다이오드 그룹에 속하는 발광 다이오드에 공 통으로 전력을 공급하기 위한 전극인 제2 전극(12)에 배선(W2)에 의해 접속되어 있는 점에서 상이하다. 또, 그룹 3에 속하는 발광 다이오드에는 형광체층(81)과는 상이한 형광 특성의 형광체층(83)이 형성되어 있는 것, 및 P 반투명 전극(7)이, 제3 발광 다이오드 그룹에 속하는 발광 다이오드에 공통으로 전력을 공급하기 위한 전극인 제3 전극(13)에 배선(W3)에 의해 접속되어 있는 점에서 상이하다.
어떻든간에, 모든 발광 다이오드(D1∼D25)는 1장의 반도체 기판(3)상에 모노리식으로 형성되어 있고, 전극을 통해 이들 발광 다이오드의 각 활성층(5, 6) 사이에 전압을 인가하면, pn 접합을 갖는 반도체 재료 및 그 반도체로부터 빛이 방사된다. 이 방사된 빛은 형광체층(81, 82, 83) 중 어느 하나에 의해, 그 일부 또는 전부가 흡수되고, 이에 의해 이 방사광은 다른 파장의 빛으로 변환되어 외부로 방출된다.
발광 디바이스(1)는 이상과 같이 구성되어 있기 때문에, 제1 전극(11), 제2 전극(12), 제3 전극(13)의 각각에 설치되어 있는 외부와의 각 접속 단부(11A, 12A, 13A)에, 대응하는 구동 회로를 접속하여, 그룹 1, 2, 3마다의 발광 강도, 즉 3개의 각 컬러링마다의 발광 강도를 독립적으로 변화시킬 수 있다. 이 구동 방법은, 발광 다이오드 그룹마다 구동 전류 또는 구동 시간에 따라 조정하고, 전체 평균 발광 스펙트럼 형상을 조정하는 방법으로 할 수 있다.
도 1에 나타낸 실시형태에서는, 제1∼제3의 각 발광 다이오드 그룹을 단독으로 발광시킨 경우, 각 발광 다이오드 그룹의 발광색은 도 3에 나타낸 바와 같이, CIE 색좌표에서 X=0.30, Y=0.30으로부터 각각 청, 녹, 적색에 치우친 좌표 A, 좌표 B, 좌표 C의 3점이 되도록 설정되어 있다. 모든 발광 다이오드(D1∼D25)를 동시에 발광시켜, 각 발광 다이오드 그룹마다 전류량을 조정하면, 좌표 A, 좌표 B, 좌표 C의 3점으로 둘러싸인 영역내에서의 임의의 좌표의 컬러링을 얻을 수 있다. 따라서, 발광 디바이스(1)에 의하면, 사용자의 기호에 따라 컬러링을 조정가능한 백색계 조명이 실현된다.
이와 같이, 각 발광 다이오드 그룹의 컬러링을, CIE 색좌표에서 X=0.30, Y=0.30으로부터 조금만 치우친 점의 컬러링에 설정되어 있기 때문에, 각 발광 다이오드 그룹의 발광 강도의 조정에 의한 백색계의 발광색의 컬러링 조절을 용이하게 행할 수 있고, 또한 그 조절된 컬러링의 안정성을 높이는 데 도움이 된다.
단순히 전체 컬러링의 안정성을 높이기 위해서는, 좌표 A, 좌표 B, 좌표 C를 최대한 X=0.30, Y=0.30의 보다 근방으로 하는 것이 이상적이지만, 한편으로 상기와 같이 사람이 인식할 수 있을 정도로 컬러링을 조정하기 위해서는, 각각이 편차를 가지고 있어야 한다. 대략 실용적인 조명으로서 기능하기 위해서는, 색온도가 3000K∼15000K의 범위에서 조정가능하면 된다.
도 4 및 도 5는, 도 1 및 도 2에 나타낸 발광 디바이스(1)의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (A)∼(E)는 그 제1 공정∼제5 공정을 나타내고, 도 5의 (A)∼(D)는 그에 이어지는 제6 공정∼제9 공정을 나타내고 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 발광 디바이스(1)의 제조방법의 일례에 관해 설명한다. 우선 사파이어 기판(2)을 준비하고, 그 위에 반도체 기판(3), 활성층(5, 6)을 적층한다(도 4의 (A)). 다음으로, 활성층(5)상에 P 반투명 전극(7)을 형성하고 (도 4의 (B)), 반도체 기판(3)을 노출시키기 위한 에칭을 행하여 복수의 발광 다이오드를 형성한다(도 4의 (C)).
다음 공정에서는, 노출한 반도체 기판(3)상에 공통 전극(4)을 형성하고(도 4의 (D)), 그 후 SiO 등의 절연막(9)을 형성하고, 공통 전극(4)을 절연막(9)내에 매립한다(도 4의 (E)).
이렇게 하여 형성된 절연막(9)상에 독립된 3개의 전극인 제1 전극(11), 제2 전극(12), 제3 전극(13)을 소정 패턴으로 형성한다(도 5의 (A)). 그리고, 브릿지용 절연막(9A)을 형성하여, 제1 전극(11), 제2 전극(12), 제3 전극(13)을 매립하고(도 5의 (B)), 각 P 반투명 전극(7)을 제1 전극(11), 제2 전극(12), 제3 전극(13) 중의 소요의 전극에 접속하기 위한 배선(W1, W2, W3)을 형성한다(도 5의 (C)). 마지막으로, P 반투명 전극(7) 위에 스크린 인쇄 등의 수법을 이용하여 형광체를 함유하는 수지층을 필요 막두께까지 도포하여 형광체층(81, 82, 83)을 형성한다(도 5의 (D)). 여기까지의 공정은 모두 웨이퍼 형상대로, 소위 모노리식으로 가공 처리를 한다. 다음으로, 소자마다 웨이퍼를 분리하여 도 1 및 도 2에 나타내는 발광 디바이스를 얻는다.
본 발명에 의한 백색계 발광 디바이스는, 웨이퍼 단위의 포토리소그래피를 주로 하는 가공을 반복함으로써 제조할 수 있다. 따라서 종래의 백색계 발광 디바이스와 비교하여, 간편하게 양호한 위치 정밀도로 형성된 백색계 발광 디바이스를 얻을 수 있다. 동시에 수율이 우수하고, 정밀한 장치가 불필요해지므로, 저렴하게 백색계 발광 디바이스를 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 개별 소자를 조 립하는 종래 방법에 비해 보다 미세화에 대한 난이도가 낮아진다.
또, 본 발명은 특히 인간의 눈의 감도의 영역에서 민감한 백색계의 컬러링 조정 기능이 우수한 안정성을 가지며, 또한 그 용도ㆍ사용 상황에 따라, 백색으로서의 컬러링(즉 평균 발광 스펙트럼 형상)을 가변으로 함으로써 폭넓은 용도에 대응할 수 있는 조명 장치를 제공할 수 있다.
또, 본 발명은 특히 백색 조명 영역에서 유효하지만, 그 원리로 볼 때 백색으로 한정되는 것이 아니라, 백색을 기조로 하면서 특정한 파장 영역을 갖는 발광 다이오드를 어레이 중에 첨가함으로써, 사용 목적에 따라 그 특정한 파장을 강조한, 백색으로부터 일탈한 색조를 제공하는 것도 가능하다.
예를 들어 녹색 성분을 추가함으로써 나무 그늘의 일조 상태에 가까운 컬러링을, 적색/오렌지색 성분을 추가함으로써 해질녘의 색에 가까운 컬러링을, 청색 성분을 추가함으로써 해저에서의 분위기에 가까운 컬러링을, 각각 제공하는 것이 가능해지고, 종래의 조명의 프레임을 초과한 폭넓은 컬러링 대역을 갖는 조명 장치를, 저비용의 반도체 칩의 형태로 제공할 수 있다.
형광체로는, 현재 일반적으로 사용되고 있는 무기계 형광체 외에, 유기계 저분자 형광체 또는 고분자 형광체를 사용할 수 있다. 무기계 형광체는 이미 널리 사용되고 있고, 높은 신뢰성을 갖는 재료로서 본 발명에 적용하는 것이 가능하다. 또, 유기계의 경우에는 무기계와 같은 입자 형상이 아니기 때문에, 특히 미소한 셀 사이즈를 갖는 발광 다이오드 어레이의 제작시에, 통상의 리소그래피 외에 인쇄 기술 등을 이용하여 형성이 용이하여, 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명의 형광체로서 사용할 수 있는 유기 재료로는, 실온에서 형광 및/또는 인광을 갖는 화합물이며, 저분자이어도 되고 고분자이어도 된다.
형광체로서 고분자 화합물을 사용하는 경우는, 일반적으로는 평균 분자량이 1000 이상인 화합물이다. 하기 식 (1)로 표시되는 반복 단위로 이루어진 것이 예시된다.
-Ar1- ㆍㆍㆍ 식 (1)
여기서, Ar1은, 아릴렌기, 2가의 복소환 화합물기 및 2가의 방향족 아민기를 포함하는 군에서 선택되는 기를 나타낸다.
Ar1은, 아릴렌기, 2가의 복소환 화합물기 및 2가의 방향족 아민기를 포함하는 군에서 선택되는 기이다.
2가의 복소환 화합물기란, 복소환 화합물로부터 수소원자 2개를 제외한 나머지의 원자단이며, 축합환을 갖는 것, 독립된 단환식 복소환 화합물 또는 축합환 2개 이상이 직접 또는 비닐렌 등의 기를 통해 결합한 것도 포함된다. 또, 복소환 화합물과 방향족 탄화수소가 결합한 것도 포함된다. 2가의 복소환 화합물기는 치환기를 가져도 된다. 2가의 복소환 화합물기에서의 치환기를 제외한 부분의 탄소수는 통상 4∼60 정도이고, 바람직하게는 2∼20이다. 또, 2가의 복소환 화합물기의 치환기를 포함한 전체 탄소수는 통상 2∼100 정도이다. 여기서 복소환 화합물이란, 고리식 구조를 갖는 유기 화합물 중, 고리를 구성하는 원소가 탄소원자 뿐만 아니라, 산소, 유황, 질소, 인, 붕소 등의 헤테로원자를 고리내에 포함하는 것을 말한다.
2가의 방향족 아민기란, 방향족 아민으로부터 수소원자 2개를 제외한 나머지의 원자단이다. 2가의 방향족 아민기는 치환기를 갖고 있어도 된다. 2가의 방향족 아민기에서의 치환기를 제외한 부분의 탄소수는 통상 4∼60 정도이다.
본 발명의 형광체로서 사용하는 고분자 형광 재료는, 단일한 반복 단위를 포함하는 호모폴리머이어도 되지만, 복수 종류의 반복 단위를 포함하는 공중합체이어도 된다. 발광과 전하 수송의 두 기능을 적절하게 갖는 구조로 하기 위해서는, 공중합체를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 그 고분자 화합물의 구조는, 랜덤, 블록, 그라프트 등 중의 어느 하나, 또는 이들의 조합이어도 된다. 분기가 있는 타입의 경우는, 단순한 분기가 아니라 하이퍼 브랜치이어도 된다.
또, 본 발명의 형광체에 사용할 수 있는 발광 재료로는, 공지의 저분자 화합물, 삼중항 발광 착체도 들 수 있다. 저분자 화합물에서는, 예를 들어, 나프탈렌 유도체, 안트라센 또는 그 유도체, 펠릴렌 또는 그 유도체, 폴리메틴계, 크산텐계, 쿠마린계, 시아닌계 등의 색소류, 8-히드록시퀴놀린 또는 그 유도체의 금속 착체, 방향족 아민, 테트라페닐시클로펜타디엔 또는 그 유도체, 또는 테트라페닐부타디엔 또는 그 유도체 등을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 일본 특허공개 소 57-51781호, 일본 특허공개 소 59-194393호 공보에 기재되어 있는 것 등, 공지의 것을 사용할 수 있다.
소자의 제작시에 이들 유기 용매 가용성의 고분자 형광체를 사용하면, 용액으로 막을 형성하는 경우, 이 용액을 도포한 후 건조에 의해 용매를 제거하기만 하면 된다.
용액으로 막을 형성하는 방법으로는, 스핀코트법, 캐스팅법, 마이크로 그라비아 코팅법, 그라비아 코팅법, 바코팅법, 롤코팅법, 와이어바 코팅법, 딥코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 플렉소 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 잉크젯 프린트법 등의 도포법을 사용할 수 있다. 패턴 형성이나, 다색으로 나누어 도포하는 것이 용이하다는 점에서, 스크린 인쇄법, 플렉소 인쇄법, 오프셋법, 잉크젯 프린트법 등의 인쇄법이 바람직하다.
용액을 사용하여 박막을 적층하는 경우에는, 사용하는 용액에 의해 용액에 접하는 층이 용해되지 않아야 한다. 따라서, 상기 방법에 의해 용액으로 적층하는 경우에는, 박막 형성에 사용하는 용액이, 그 용액이 접하는 층을 용해시키지 않는 용매 종류를 선택하거나, 또는 광가교나 열가교에 의해 용액이 접하는 층을 불용화시킨 후에, 용액에 의해 적층하는 방법을 채택하는 등의 연구가 필요하다. 박막을 적층하는 구성에 의하면, 발광 소자와의 조합에 의해 적절히 색도를 변화시키는 것이 가능해진다.
인쇄법 등에서 사용하는 용액(잉크 조성물)으로는, 적어도 1종류의 고분자 형광체가 함유되어 있으면 되고, 고분자 형광체 이외에, 발광 재료, 용매, 안정제, 자외선 경화제, 열경화제 등의 첨가제를 포함하고 있어도 된다.
잉크 조성물의 점도의 적정치는 인쇄법에 따라 다르다. 잉크젯 프린트법 등 잉크 조성물 중이 토출 장치를 경유하는 것인 경우에는, 토출시의 막힘이나 비행 굴곡을 방지하기 위해 점도가 25℃에서 1∼20mPaㆍs의 범위인 것이 바람직하고, 5∼20mPaㆍs의 범위인 것이 보다 바람직하고, 7∼20mPaㆍs의 범위인 것이 더욱 바람 직하다.
인쇄법 등에서 사용하는 용액(잉크 조성물)은, 고분자 화합물의 외에, 점도 및/또는 표면 장력을 조절하기 위한 첨가제를 함유하고 있어도 된다. 그 첨가제로는, 점도를 높이기 위한 고분자량의 고분자 화합물(증점제)이나 빈용매, 점도를 낮추기 위한 저분자량의 화합물, 표면 장력을 낮추기 위한 계면활성제 등을 적절하게 조합하여 사용하면 된다.
상기 고분자량의 고분자 화합물로는, 본 발명의 고분자 화합물과 동일한 용매에 가용성이며, 발광이나 전하 수송을 저해하지 않는 것이면 된다. 예를 들어, 고분자량의 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 또는 본 발명의 고분자 화합물 중 분자량이 큰 것 등을 사용할 수 있다. 폴리스티렌 환산의 중량 평균 분자량이 50만 이상이 바람직하고, 100만 이상이 보다 바람직하다.
빈용매를 증점제로서 사용할 수도 있다. 즉, 용액 중의 고형분에 대한 빈용매를 소량 첨가함으로써 점도를 높일 수 있다. 이 목적으로 빈용매를 첨가하는 경우, 용액 중의 고형분이 석출되지 않는 범위에서 용매의 종류와 첨가량을 선택하면 된다. 보존시의 안정성도 고려하면, 빈용매의 양은, 용액 전체에 대해 50wt% 이하인 것이 바람직하고, 30wt% 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또, 본 발명의 용액은, 보존 안정성을 개선하기 위해, 산화방지제를 함유하고 있어도 된다. 산화방지제로는, 고분자 형광체와 동일한 용매에 가용성이며 발광이나 전하 수송을 저해하지 않는 것이면 되고, 페놀계 산화방지제, 인계 산화방지제 등이 예시된다.
사용하는 용매로는 특별히 제한은 없지만, 잉크 조성물을 구성하는 용매 이외의 재료를 용해 또는 균일하게 분산시킬 수 있는 것이 바람직하다.
그 용매로서 클로로포름, 염화메틸렌, 1,2-디클로로에탄, 1,1,2-트리클로로에탄, 클로로벤젠, o-디클로로벤젠 등의 염소계 용매, 테트라히드로푸란, 디옥산, 아니솔 등의 에테르계 용매, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠, 디에틸벤젠, 트리메틸벤젠, n-프로필벤젠, 이소프로필벤젠, n-부틸벤젠, 이소부틸벤젠, s-부틸벤젠, 에톡시벤젠, 시클로헥실벤젠, 1-메틸나프탈렌 등의 방향족 탄화수소계 용매, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄, n-노난, n-데칸, 비시클로헥실, n-헵틸시클로헥산, n-헥실시클로헥산, 비시클로헥실 등의 지방족 탄화수소계 용매, 아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논, 벤조페논, 아세토페논, 시클로헥세닐시클로헥사논, 2-프로필시클로헥사논, 2-헵타논, 3-헵타논, 4-헵타논, 2-옥타논, 2-노나논, 2-데카논, 디시클로헥실케톤비시클로헥실 등의 케톤계 용매, 아세트산에틸, 아세트산부틸, 에틸셀로솔브아세테이트, 벤조산메틸, 아세트산페닐 등의 에스테르계 용매, 에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디메톡시에탄, 프로필렌글리콜, 디에톡시메탄, 트리에틸렌글리콜모노에틸에테르, 글리세린, 1,2-헥산디올 등의 다가 알콜 및 그 유도체, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 시클로헥산올 등의 알콜계 용매, 디메틸술폭시드 등의 술폭시드계 용매, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드 등의 아미드계 용매가 예시된다.
이들 유기 용매는, 단독으로 또는 복수 조합하여 사용할 수 있다. 이들 중, 고분자 화합물 등의 용해성, 막형성시의 균일성, 점도 특성 등의 관점에서, 방향족 탄화수소계 용매, 지방족 탄화수소계 용매, 에스테르계 용매, 케톤계 용매가 바람직하고, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠, 디에틸벤젠, 트리메틸벤젠, n-프로필벤젠, 이소프로필벤젠, n-부틸벤젠, 이소부틸벤젠, s-부틸벤젠, 아니솔, 에톡시벤젠, 1-메틸나프탈렌, 시클로헥산, 시클로헥사논, 시클로헥실벤젠, 비시클로헥실, 시클로헥세닐시클로헥사논, n-헵틸시클로헥산, n-헥실시클로헥산, 2-프로필시클로헥사논, 2-헵타논, 3-헵타논, 4-헵타논, 2-옥타논, 2-노나논, 2-데카논, 디시클로헥실케톤, 아세토페논, 벤조페논이 보다 바람직하다.
용액 중의 용매의 종류는, 막형성성의 관점이나 소자 특성 등의 관점에서, 2종류 이상인 것이 바람직하고, 2∼3종류인 것이 보다 바람직하고, 2종류인 것이 더욱 바람직하다. 용액중에 2종류의 용매가 포함되는 경우, 그 중의 1종류의 용매는 25℃에서 고체 상태이어도 된다. 막형성성의 관점에서, 1종류의 용매는 비점이 180℃ 이상의 용매인 것이 바람직하고, 200℃ 이상의 용매인 것이 보다 바람직하다. 또, 점도의 관점에서, 2종류의 용매 모두 60℃에서 1wt% 이상의 방향족 중합체가 용해되는 것이 바람직하고, 2종류의 용매 중의 1종류의 용매에는, 25℃에서 1wt% 이상의 방향족 중합체가 용해되는 것이 바람직하다.
용액 중에 2종류 이상의 용매가 포함되는 경우, 점도 및 막형성성의 관점에서, 가장 비점이 높은 용매가 용액 중의 전체 용매 중량의 40∼90wt%인 것이 바람직하고, 50∼90wt%인 것이 보다 바람직하고, 65∼85wt%인 것이 더욱 바람직하다.
상기 실시형태에서는, 복수의 백색계의 발광 다이오드(D1∼D25)를 단일 에피택셜 기판상에 형성한 예를 설명했다. 그러나, 개개의 발광 다이오드는 색도도가 일정한 영역내에서 2종류 이상의 컬러링이 상이한 백색 발광 다이오드를 포함해도 되고, 또 발광 다이오드 이외에도 배선, 또는 보호 회로, 수광 소자, 수광 소자를 사용한 피드백 제어ㆍ구동 회로까지를 주로 하여 포토리소그래피 프로세스에 의해 모노리식으로 에피택셜 기판상에 제작하도록 할 수도 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 백색을 기조로 하면서 백색 이외의 다른 색조의 발광 다이오드군을 첨가하는 것에 의해, 보다 광범위한 색조 표현을 얻는 것도 가능하다.
도 6에는 본 발명의 다른 실시형태가 나타나 있다. 도 6의 예에서는, 발광 다이오드가 2×2 배열로 되어 있는 발광 디바이스(101)가 나타나 있다. 대각 위치에 있고 배선(111)에 병렬로 접속되어 있는 발광 다이오드(121 및 122)에는, 국제 조명 위원회(CIE) 색도 좌표 x=0.26, y=0.28(색도 좌표점 A)의 약간 푸른 백색 발광이 얻어지도록 형광체층이 형성되어 있다. 또 다른 배선(112)에 병렬로 접속되어 있는 발광 다이오드(123 및 124)에는, CIE 색도 좌표 x=0.50, y=0.45(색도 좌표점 B)의 약간 붉은 백색광이 얻어지도록 형광체층이 형성되어 있다. 이들 2종류의 컬러링이 상이한 백색계 발광 다이오드에 대하여, 앞서 설명한 실시형태의 경우와 마찬가지로, 컬러링의 그룹마다 전류량을 조정함으로써, 발광 디바이스(101)는 도 7의 색도 좌표점 D로부터 색도 좌표점 E를 연결하는 선상에서의 임의의 좌표의 백색계의 빛을 얻을 수 있다.
또한 모듈내의 발광 다이오드 셀의 배치(배열)는, 상술한 정방 매트릭스형의 배치에 한정되지 않고, 그 용도에 따라 여러가지 형태로 할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 나타낸 바와 같이, 복수의 발광 다이오드 셀(201)을 라인형으로 배치하고, 라인 배치된 이들 발광 다이오드(201)를 상이한 컬러링의 복수의 그룹으로 나눠, 각 컬러링 그룹마다 병렬 접속하는 구성으로 할 수도 있다.
도 8에 나타낸 형태의 발광 디바이스는, 각종 플랫 패널 디스플레이의 백라이트의 광원으로서 사용할 수 있다. 플랫 패널 디스플레이의 백라이트에서는, 디스플레이면에서의 조도 불균일을 작게 하는 것이 중요하다. 플랫 패널 디스플레이의 백라이트는 통상, 광원, 광혼합부, 도광부, 편광부를 포함한다.
도 9는 그 일응용예를 나타내는 것이며, 광입사면(301A), 도광판(301)의 폭 및 높이에 따른 사이즈이며 도 8에 나타낸 바와 같은 구성의 라인형 발광 디바이스(302)를 사용함으로써 의사적인 면광원을 얻을 수 있다.
도 10에 나타낸 바와 같은 현재 널리 사용되고 있는 1개의 백색 다이오드를 사용하는 점광원 타입에 비하여, 백색 발광 소자로부터 발생한 빛을 도광판에 효율적으로 입사시킬 수 있고 조도 불균일을 작게 할 수 있다. 도 10에 나타내는 점광원 타입의 광원(305)을 사용한 종래의 구성에서는, 패널면에서의 조도 불균일을 억제하기 위해, 일반적으로는 도광판(301)과 액정 패널(도시하지 않음) 사이에 그 액정 패널과 거의 동일한 면적을 갖는 확산판(304)을 설치하지만, 본 발명에 의한 발광 디바이스(302)에 의하면, 종래의 것에 비하여 현저하게 조도 불균일을 작게 할 수 있다. 따라서, 도 11에 나타낸 바와 같이 발광 디바이스(302)와 도광판(301) 사이에 발광 모듈 정도가 작은 확산판(303)을 광혼합부로서 설치하기만 하면 되기 때문에, 저비용으로 백라이드 모듈을 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 발광 디바이스는, 미세한 반도체 발광 소자를 사용하여 백색계의 컬러링 가변식의 조명 장치를 실현할 수 있고, 가는 관내나 좁은 간극에 삽입하여 내부를 검사하기 위해 조명하기 위한 조명 장치로서 사용할 수 있다. 본 발명에 의해 실현가능해지는 미소 조명에서는, 백색 발광 소자의 발광면내에서의 조도 불균일을 최대한 적게 할 필요가 있다. 그것에는 발광 부분의 셀의 사이즈와 그 배치 간격이 중요한 팩터인 것이 여러가지 실험의 결과 발견되었다.
여기서, 어레이를 구성하는 개개의 발광 다이오드의 상호 간격에 관해서는, 예를 들어 조명을 소정 거리로부터 직시하는 경우에는, 시야각 0.015°(54초) 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.0075° 이하(27초)이고, 이것은 예를 들어 30cm 떨어진 거리를 가정한 경우, 발광 다이오드간 거리로 하여 80㎛ 이하 및 40㎛ 이하에 각각 상당한다. 통상은 이 정도의 시야각 이하에서는 육안의 식별 분해능을 넘어, 발광 다이오드로부터의 발광은 서로 혼합되어 인식할 수 있다.
여기서는, 발광 셀 사이즈는 300㎛각으로 고정, 셀의 간격 100㎛인 것(타입 A)과 20㎛인 것(타입 B)을 2종류 제작했다. 발광 모듈로부터 10㎝의 거리에서 관찰하면, 타입 A는 개개의 셀의 발광이 분리되어 보이는 데 비해, 타입 B에서는 개개의 컬러링의 빛이 혼화되어 보였다. 발광 모듈로부터의 거리가 100㎝를 초과하면 타입 A에서도 모듈 전체가 하나의 점광원과 같이 보였다. 이 실험은, 그 사용 환경에 따라 근접시켜 발광 다이오드를 형성하는 것이 중요하다는 것을 나타내고 있다. 여기서는, 발광 셀의 간격에 관해 조사했지만, 발광 셀의 사이즈도 또한 혼색성에 영향을 미친다고 생각된다. 즉 발광 셀의 사이즈를 작게 하는 것으로도 또한 혼색 성이 향상된다. 따라서 미소 발광 셀끼리 양호한 제어성으로 근접시켜 제작할 수 있는 본 발명은, 광원으로부터 조사되는 대상물까지의 거리가 가까운 것이 상정되는 미소 광원의 실현에 대해서는 매우 중요한 것이다.
더욱 발전적인 본 발명의 실시형태에 관해 설명한다. 도 12는, 기판(401)상에, 발광 다이오드부(402), 백색 발광의 컬러링을 모니터하는 센서부(403), 집적 회로에 의한 제어 유닛부(404)를 조립한 모듈의 개념도이다.
제어 유닛부(404)내에 설치되는 보호 회로로는, 도 13과 같이 반대의 극성을 갖는 다이오드(405, 406)의 조합, 또는 도 14에 나타낸 바와 같이 유전체로 이루어진 커패시터(407)를 발광 다이오드 회로(408)와 병렬로 접속하면 된다. 유전체로 이루어진 커패시터(407)는 포토리소그래피에 의한 유전막의 패터닝과 금속 전극의 증착에 의해 제작할 수 있다.
제어 유닛부(404)의 스윗칭 회로로는, 도 15와 같이 발광 다이오드 기능층(501)의 하부에 바이폴라의 트랜지스터 기능층(502)을 형성함으로써, 커패시터(407)와 함께 스윗칭 회로를 형성하는 것이 가능해진다. 도 14에서는 트랜지스터 기능층(502)과 발광 다이오드 기능층(501)을 합하면 1pnpn이라는 사이리스터 구조로 되어 있다. 트랜지스터 기능층(502)은, 바이폴라 트랜지스터에 한정되지 않고, 전계 효과 트랜지스터에서도 제작가능하다.
또, 발광 다이오드 기능층(501)의 근방에 1개 또는 복수의 센서를 제작함으로써, 그 발광 출력, 또는 백색 발광의 컬러링을 모니터ㆍ피드백 제어하는 것이 가능하다.
상기 실시형태에서, 형광체를 효율적으로 여기하여 발광시켜, 형광체의 발광의 혼합 또는, 반도체 활성층으로부터의 발광과 형광체로부터의 발광의 혼합에 의한 의사적인 백색을 얻기 위해서는, 반도체 활성층으로부터의 발광은 청색 또는 그것보다 에너지적으로 높은 영역의 발광를 얻을 수 있어야 한다. 따라서 반도체 활성층으로부터의 발광 파장은 약 470㎚ 이하인 것이 바람직하다. 그와 같은 발광을 얻을 수 있는 재료로는, 우선 GaN, InGaN, AlGaN 등의 우르차이트형 결정 구조를 갖는 질화물 반도체나 ZnO가 있다.
본 발명은, 이상의 것 외에, 예를 들어 경구 투여에 의한 캡슐형 위카메라 등의 매우 한정된 스페이스에서 사용하는 조명, 검출기 및 해석 기능을 갖는 모듈의 실현에 유망한 기술로서 기대된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 관해 상세히 설명한 것에서 명확한 바와 같이, 제1 모노리식 발광 디바이스에 의하면, 어레이를 구성하는 발광 다이오드의 색조에 관해서는 무제한이고, 예를 들어 RGB 삼색계 외에 자유로운 색조를 선택할 수 있다. 제3 모노리식 발광 디바이스에 의하면, 어레이를 구성하는 발광 다이오드의 색조는 모두 백색계에 제한되어 있고, 예를 들어, 동일한 백색이라도 일광(daylight)색, 전구색, 온백색 등의 상이한 색조를 갖는 백색 발광 다이오드군을 조합함으로써, 보다 미세한 색조 제어가 가능한 타입이다.
이에 비해, 제2 모노리식 발광 디바이스에 의하면, 어레이를 구성하는 다이오드로서 백색을 기조색으로 하여 적어도 1종류 포함하고 있지만, 여기에 백색 이외의 다른 색을 조합함으로써 백색을 기조로 하면서 보다 넓은 색조 표현을 가능하 게 하고 있고, 예를 들어 다른 색으로서 녹색을 첨가함으로써 백색을 기조로 하면서 녹색의 나무 그늘과 같은 색조를, 또 오렌지색을 첨가함으로써 안정된 이끼색과 같은 색조를 표현할 수 있다. 또한, 예를 들어 곤충에 대해 기피 작용이 있는 자외광을 첨가함으로써, 색조 표현 이외에 방충 효과를 갖는 조명을 제공할 수 있다.
이와 같이 색조 표현 영역의 점에서는, 제1 모노리식 발광 디바이스가 가장 넓고, 제2 모노리식 발광 디바이스가 2번째로 넓고, 그 다음으로 제3 모노리식 발광 디바이스이다. 한편 목표로 한 색조 영역 주변에서의 섬세한 조정 능력 및, 개개의 발광 다이오드의 출력 변동ㆍ경시 변화와 같은 변동 요소에 대한 안정성의 점에서는, 제3 모노리식 발광 디바이스가 가장 양호하고, 제2 모노리식 발광 디바이스가 2번째로 양호하고, 그 다음으로 제1 모노리식 발광 디바이스이다.
실시예
본 발명의 모노리식 발광 디바이스의 제조예 및 평가 결과를 나타낸다.
(실시예 1)
기판으로서 사파이어의 C면을 경면 연마한 것을 사용했다. 결정 성장 방법은 MOVPE법에 의해 실시하고, 저온 성장 GaN을 버퍼층으로서 사용하는 2단계 성장법을 이용하여 n형 GaN층, InGaN 웰층과 비도핑 GaN 장벽층을 교대로 성장시키는 다중 양자 우물 구조, Mg 도핑 p형층을 성장시켰다.
이렇게 하여 얻은 시료에 통상의 방법으로 Ni-Au 투명 전극을 형성하고, 발광 다이오드(이하 LED로 약기한다)로 하였다. n 전극으로서 Al을 사용했다. 또한 실시형태에 기재되어 있는 바와 같이 포토리소 공정을 반복함으로써, 도 17에 나타 낸 바와 같은 3×3의 어레이를 제작했다. 1화소의 사이즈는 100㎛x100㎛이다. 소자의 동작을 확인하여 1∼3 그룹의 화소가 발광하는 것을 확인했다. 도 18 내지 도 20은 이들 발광 상태의 실체 현미경 사진이다. 그 후, 스크린 인쇄(마이크로테크사 MT-320)로 형광체(테르븀ㆍ알루미늄ㆍ가넷계)와 자외선 경화 수지를 혼합한 점조 액체를 화소에 도포했다. 이 경우, 점조 액체의 점성은 형광체와 자외선 경화 수지의 혼합비로 제어했다. 이 경우는 형광체 5.5g에 대해 수지 13g, 경화제 0.5g의 비율로 혼합했다.
이 점조 액체를 그룹 1 및 3의 화소에 도포량 1에 비해, 그룹 2의 화소에 도포량 2의 비율로 도포했다. 도포량의 비율은 스크린 인쇄기를 사용한 중복 도포의 횟수로 제어할 수 있었다.
그룹 1 및 3과 그룹2의 화소의 전류량을 변화시켜 색조가 변화하는 것이 확인할 수 있다. 도 21은 이 색조의 변화를 나타내는 것으로, 도 21에 나타내는 색도도상의 A의 라인을 따라 색조가 변화하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 의하면, 컬러링의 안정성이 우수하면서도, 컬러링을 조정가능하고 미세화에 적합한 모노리식 발광 디바이스 및 그것을 사용한 조명 장치 및 그 구동 방법이 제공된다.

Claims (17)

  1. pn 접합을 갖는 반도체 재료 및 이 반도체로부터 빛을 출력하고, 이 빛의 일부 또는 전부를 흡수하여 상이한 파장의 빛으로 변환하기 위한 형광체를 포함하는 층이 형성되어 있는 발광 다이오드가, 단일 기판상에 모노리식(monolithically)으로 복수개 어레이 배치되어 이루어진 조명용의 모노리식 발광 디바이스로서,
    상기 어레이는 m개(m≥2)의 상기 발광 다이오드를 포함하는 발광 다이오드군에 의해 구성되어 있고,
    상기 발광 다이오드군은, 각각이 미리 정해진 N종류(N≥2, 단 N≤m)의 발광 스펙트럼 형상 중 어느 하나를 갖는 N종류의 발광 다이오드에 의해 구성되어 있고,
    개개의 상기 발광 다이오드에 접속하여 발광 다이오드의 구동을 제어하는 구동 회로를 포함하고,
    상기 구동 회로의 제어에 의해, 상기 발광 다이오드에의 공급 전력량을, 발광 스펙트럼 형상의 종류에 따라 그룹을 분류한 발광 다이오드 그룹마다 바꾸는 것에 의해, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 가변할 수 있도록 하고,
    상기 발광 다이오드군을 구성하는 발광 다이오드의 각 일측의 전극부는 군용(群用) 공통 전극에 접속되어 있고, 상기 발광 다이오드 그룹을 구성하는 발광 다이오드의 각 타측의 전극부는, 상기 발광 다이오드 그룹마다 대응하여 형성된 N개의 그룹용 공통 전극에 상기 발광 다이오드 그룹마다 공통 접속되어 있고, 상기 군용 공통 전극과 N개의 그룹용 공통 전극을 통하여 공급되는 전력을 바꾸는 것에 의해, N종류의 발광 스펙트럼마다의 강도 또는 발광 스펙트럼 형상을 가변하여, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 조정할 수 있게 되어 있는 것인 모노리식 발광 디바이스.
  2. pn 접합을 갖는 반도체 재료 및 이 반도체로부터 빛을 출력하고, 이 빛의 일부 또는 전부를 흡수하여 상이한 파장의 빛으로 변환하기 위한 형광체를 포함하는 층이 형성되어 있는 발광 다이오드가, 단일 기판상에 모노리식으로 복수개 어레이 배치되어 이루어진 조명용의 모노리식 발광 디바이스로서,
    상기 어레이는 m개(m≥2)의 상기 발광 다이오드를 포함하는 발광 다이오드군에 의해 구성되어 있고,
    상기 발광 다이오드군은, 1종류 이상의 백색계 발광 스펙트럼 형상을 포함하는 N종류(N≥2, 단 N≤m)의 발광 스펙트럼 형상을 갖는 N종류의 발광 다이오드를 포함하여 구성되어 있고,
    개개의 상기 발광 다이오드에 접속하여 발광 다이오드의 구동을 제어하는 구동 회로를 포함하고,
    상기 구동 회로의 제어에 의해, 상기 발광 스펙트럼 형상의 종류에 따라 그룹이 분류된 발광 다이오드 그룹마다 공급 전력량을 바꾸는 것에 의해, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 가변할 수 있도록 하고,
    상기 발광 다이오드군을 구성하는 발광 다이오드의 각 일측의 전극부는 군용(群用) 공통 전극에 접속되어 있고, 상기 발광 다이오드 그룹을 구성하는 발광 다이오드의 각 타측의 전극부는, 상기 발광 다이오드 그룹마다 대응하여 형성된 N개의 그룹용 공통 전극에 상기 발광 다이오드 그룹마다 공통 접속되어 있고, 상기 군용 공통 전극과 N개의 그룹용 공통 전극을 통하여 공급되는 전력을 바꾸는 것에 의해, N종류의 발광 스펙트럼마다의 강도 또는 발광 스펙트럼 형상을 가변하여, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 조정할 수 있게 되어 있는 것인 모노리식 발광 디바이스.
  3. pn 접합을 갖는 반도체 재료 및 이 반도체로부터 빛을 출력하고, 이 빛의 일부 또는 전부를 흡수하여 상이한 파장의 빛으로 변환하기 위한 형광체를 포함하는 층이 형성되어 있는 발광 다이오드가, 단일 기판상에 모노리식으로 복수개 어레이 배치되어 이루어진 조명용의 모노리식 발광 디바이스로서,
    상기 어레이는 m개(m≥2)의 상기 발광 다이오드를 포함하는 발광 다이오드군에 의해 구성되어 있고,
    상기 발광 다이오드군은, 각각이 미리 정해진 N종류(N≥2, 단 N≤m)의 백색계 발광 스펙트럼 형상 중 어느 하나를 갖는 N종류의 발광 다이오드에 의해 구성되어 있고,
    개개의 상기 발광 다이오드에 접속하여 발광 다이오드의 구동을 제어하는 구동 회로를 포함하고,
    상기 구동 회로의 제어에 의해, 상기 발광 다이오드에의 공급 전력량을, 상기 백색계 발광 스펙트럼 형상의 종류에 따라 그룹을 분류한 발광 다이오드 그룹마다 바꾸는 것에 의해, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 가변할 수 있도록 하고,
    상기 발광 다이오드군을 구성하는 발광 다이오드의 각 일측의 전극부는 군용(群用) 공통 전극에 접속되어 있고, 상기 발광 다이오드 그룹을 구성하는 발광 다이오드의 각 타측의 전극부는, 상기 발광 다이오드 그룹마다 대응하여 형성된 N개의 그룹용 공통 전극에 상기 발광 다이오드 그룹마다 공통 접속되어 있고, 상기 군용 공통 전극과 N개의 그룹용 공통 전극을 통하여 공급되는 전력을 바꾸는 것에 의해, N종류의 발광 스펙트럼마다의 강도 또는 발광 스펙트럼 형상을 가변하여, 상기 어레이 전체로부터의 평균 발광 스펙트럼을 조정할 수 있게 되어 있는 것인 모노리식 발광 디바이스.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드군을 구성하고 있는 pn 접합을 갖는 복수의 발광 다이오드에 서로 공통인 하나 이상의 도전성 반도체층을 가지며, 이 도전성 반도체층이 상기 기판에 보다 가까운 위치의 도전층을 공통으로 가지며, 상기 발광 다이오드군을 구성하고 있는 발광 다이오드의 전극부를 외부 접속용 전극부에 접속하기 위한 배선이 상기 기판상에 모노리식으로 형성되어 있는 것인 모노리식 발광 디바이스.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형광체를 포함하는 층은 pn 접합 반도체에 의해 형성된 발광 다이오드에 근접하여, 또는 직접 접속되어 있는 것인 모노리식 발광 디바이스.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이를 구성하는 m개의 발광 다이오드는, 조명 장치로서의 사용 환경에서 개개의 발광 다이오드로부터의 발광 스펙트럼을 식별할 수 없을 정도로 서로 근접하여 형성되어 있는 것인 모노리식 발광 디바이스.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이를 구성하는 m개의 발광 다이오드로부터의 광방사 방향으로 광산란체를 포함하는 광혼합부가 설치되어 있고, 조명 장치로서의 사용 환경에서 개개의 발광 다이오드로부터의 발광 스펙트럼을 식별할 수 없을 정도로 근접하여 형성되어 있는 것인 모노리식 발광 디바이스.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드로부터의 빛의 일부를 흡수하여 기전력을 발생하여 외부로 출력하는 것을 가능하게 하기 위해, 상기 발광 다이오드에 근접하여 상기 기판상에 모노리식으로 형성된 수광 소자 및 이 수광 소자를 외부와 전기적으로 접속하기 위해 필요한 전극 및 상기 전극의 접속 배선을 포함하고 있는 것인 모노리식 발광 디바이스.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판상에 상기 발광 다이오드에 근접하여 형성되고, 상기 발광 다이오드와는 반대의 극성을 갖는 다이오드 또는 유전체를 포함하는 커패시터가 상기 발광 다이오드와 병렬 접속되어 있는 것인 모노리식 발광 디바이스.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드를 형성하는 반도체로부터의 방사 광파장이 470㎚ 이하인 것인 모노리식 발광 디바이스.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드를 형성하는 반도체는 우르차이트형(wurtzite) 결정 구조를 갖는 질화물 반도체인 것인 모노리식 발광 디바이스.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드를 형성하는 형광체는 유기 재료인 것인 모노리식 발광 디바이스.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드를 형성하는 형광체는 고분자 재료인 것인 모노리식 발광 디바이스.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 모노리식 발광 디바이스를 사용한 조명 장치.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 디바이스의 구동 방법으로서, 상기 발광 다이오드를, 상기 발광 다이오드 그룹마다 구동 전류 또는 구동 시간에 의해 조정하여, 전체 평균 발광 스펙트럼 형상을 조정하도록 한 모노리식 발광 디바이스의 구동 방법.
  17. 제9항에 기재된 모노리식 발광 디바이스의 구동 방법으로서, 상기 수광 소자로부터의 출력에 기초하여 전체 평균 발광 스펙트럼 형상을 피드백 조정하도록 한 모노리식 발광 디바이스의 구동 방법.
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