KR101578230B1 - 수동 매트릭스 디스플레이 및 발광 다이오드 디바이스 - Google Patents

수동 매트릭스 디스플레이 및 발광 다이오드 디바이스 Download PDF

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Abstract

수동 매트릭스 디바이스는, 복수의 애노드 라인(4) 및 복수의 캐소드 라인(3) 사이에 배치되는 다이오드의 어레이를 포함하며, 다이오드의 적어도 일부 다이오드는 캐소드 라인 및 애노드 라인에 대해 순방향으로 지향되는 발광 다이오드(1)이고, 나머지 다이오드는 캐소드 라인 및 애노드 라인에 대해 역방향으로 지향되는 센싱 다이오드(2)이다.

Description

수동 매트릭스 디스플레이 및 발광 다이오드 디바이스{OPTOELECTRONIC DEVICES}
본 발명은 광전자 디바이스(optoelectronic devices), 디스플레이 및 그 구동 회로에 관한 것이다.
당해 기술분야에서 다양한 형태의 광전자 디스플레이가 알려져 있다. 이러한 형태들 중 하나는 예컨대 유기 또는 무기 단색 디스플레이 또는 다색 디스플레이(organic or inorganic monochromatic display or multicoloured display)에 LED(Light Emitting Diode)의 매트릭스(matrix)를 포함한다.
광전자 디스플레이에 대한 광전자 디바이스의 한 부류(one class)는 발광(또는 광전지(photovoltaic cells) 등과 같은 경우에는 검출)을 위해 유기 물질을 이용하는 것이다. 이들 디바이스의 기본 구조는 발광 유기층, 예컨대 폴리(p-페닐렌비닐렌(phenylenevinylene))("PPV") 또는 폴리플루오렌(polyfluorene)의 막이며, 발광 유기층은 유기층으로 네가티브의 전하 캐리어(전자)를 주입하기 위한 캐소드와, 포지티브의 전하 캐리어(정공)를 주입하기 위한 애노드 사이에 샌드위치되어 있다. 전자 및 정공은 유기층 내에서 결합하여 광자를 생성한다. 국제 특허 공개 공보 WO90/13148호에는, 유기 발광 물질이 폴리머이다. 미국 특허 공보 제4,539,507호에는, 유기 발광 물질이 (8-하이드록시퀴놀린(hydroxyquinoline)) 알루미늄("Alq3")과 같은 소분자 물질로서 알려진 종류의 것이다. 실제 디바이스에서는, 전극들 중 하나가 투명하여, 광자가 그 디바이스를 이탈하도록 한다.
전형적인 유기 발광 디바이스("OLED")는 인듐 주석 산화물(indium-tin-oxide)("ITO")와 같은 투명한 애노드로 덮여진 유리 기판 또는 플라스틱 기판 상에서 제조된다. 적어도 하나의 박막의 전자발광 유기 물질의 층이 제 1 전극을 덮는다. 마지막으로, 캐소드가 전자발광 유기 물질의 층을 덮는다. 캐소드는 전형적으로 금속 또는 합금이며, 알루미늄과 같은 단일층 또는 칼슘과 알루미늄과 같은 복수층을 포함한다.
동작시에는, 정공은 애노드를 통해 디바이스로 주입되고, 전자는 캐소드를 통해 디바이스로 주입된다. 정공과 전자는 유기 전자발광층에서 결합하여, 여기자(exciton)를 형성하고, 이 여기자는 그 후 복사 감쇠되어 광을 발하다.
유기 LED는 화소의 매트릭스 형태로 기판에 증착되어, 단색 또는 다색의 화소 디스플레이를 형성할 수 있다. 다색 디스플레이는 적색, 녹색, 청색을 발광하는 화소의 그룹을 이용하여 구현될 수 있다. 소위 활성 매트릭스 디스플레이는 각 화소와 관련되는 메모리 소자, 전형적으로는 저장 캐패시터 및 트랜지스터를 가진다. 소위 수동 매트릭스 디스플레이는 그러한 메모리 소자를 가지지 않으며, 대신에, 안정된 이미지의 느낌을 주도록 반복적으로 주사된다.
도 1은 발광 다이오드의 어레이를 포함하는 수동 매트릭스 디스플레이를 나타낸다. 발광 다이오드는 서로 접속되어 있고 다이오드를 구동하기 위해 전기적 바이어스를 공급하는 복수의 캐소드 라인과 복수의 애노드 라인 사이에 배치된다. 서로에 대해, 애노드 라인은 포지티브 바이어스되고, 캐소드 라인은 네가티브 바이어스된다.
도 2는 OLED 디바이스(100)의 예의 수직 단면도를 나타낸다. 활성 매트릭스 디스플레이에 있어서, 화소 영역의 일부는 관련된 구동 회로에 의해 점유된다(도 1에서 도시하지 않음). 디바이스의 구조는 도시를 위해 다소 간략화되어 있다.
OLED(100)는 전형적으로 0.7㎜ 또는 1.1㎜의 유리의 기판이지만 선택적으로 투명한 플라스틱인 기판(102)을 포함하며, 그 기판 위에 애노드층(106)이 증착된다. 애노드층은 전형적으로 약 150㎚ 두께의 ITO(indium tin oxide)를 포함하고, ITO 위에는 전형적으로 약 500㎚ 두께의 알루미늄인 금속 콘택트층이 제공되는데, 이 금속 콘택트층은 종종 애노드 금속으로서 불린다. ITO 및 콘택트 금속으로 덮여진 유리 기판은 미국 Corning사로부터 구입 가능하다. 콘택트 금속(및 선택적으로 ITO)은 종래의 포토리소그래피 처리 및 후속의 에칭에 의해, 디스플레이를 불투명하게 하지 않도록 소망하는 패턴으로 패터닝된다.
실질적으로 투명한 정공 수송층(108a)은 애노드 금속 위에 마련되며, 이 후에 전자발광층(108b)이 마련된다. 뱅크(112)는 예컨대 액적 살포(droplet deposition) 또는 잉크젯 프린팅 기술에 의해 이들 활성 유기층이 선택적으로 증착될 수 있는 웰(114)을 규정하기 위해서, 기판 상에 예컨대 포지티브(positive) 또는 네가티브(negative)의 포토레지스트 물질로부터 형성될 수 있다. 따라서, 웰은 디스플레이의 발광 영역 또는 화소를 규정한다.
그 후에, 소위 물리적 기상 증착법에 의해 캐소드층(110)이 마련된다. 캐소드층은 전형적으로, 칼슘 또는 바륨과 같은 낮은 일함수의 금속과, 그 위에 덮여진 비교적 두꺼운 알루미늄의 캡핑층(capping layer)을 갖고, 전자 에너지 레벨 매칭의 향상을 위해, 전자발광층에 바로 인접하는 불화 리튬(lithium fluoride)의 층과 같은 부가층을 선택적으로 포함한다.
어떤 응용에서는, 발광 능력보다는 광 센싱 능력을 가지는 예컨대, 광전지, 카메라 등의 디바이스를 제공하는 것이 바람직하다. 광 센싱 다이오드는 알려져 있고, 발광 다이오드 디바이스와 구조면에서 매우 유사하다. 광 센싱 다이오드는 본질적으로 전술한 바와 같은 발광 다이오드와 반대로 동작한다. 광 센싱 다이오드에 입사하는 광의 광자는, 디바이스의 광전기적 활성층에서 정공 및 전자를 포함하는 여기자를 생성한다. 대향하는 전극을 거쳐서 광전기적 활성층에 바이어스가 인가되면, 정공 및 전자는 적합한 센싱 회로에 의해 센싱될 수 있는 전류를 생성하는 대향 전극을 거쳐서 광전기적 활성층으로부터 추출될 수 있다. 정공은 네가티브 바이어스된 전극을 거쳐서 추출되는 반면, 전자는 포지티브 바이어스된 전극을 거쳐서 추출된다. 큰 바이어스를 요구하지 않고 정공 및 전자를 용이하게 추출하기 위한 전극에 대해 적당한 물질이 선택된다. 포지티브 바이어스된 전극에서는 전자 수용 물질이 선택되어야 하는 반면에, 네가티브 바이어스된 전극에서는 정공 수용 물질이 선택되어야 한다. 통상, 발광 디바이스에서 양호한 정공 주입체인 물질(애노드 물질)은 광 센싱 디바이스에서 양호한 정공 수용기로서도 기능한다. 마찬가지로, 발광 디바이스에서 양호한 전자 주입체인 물질(캐소드 물질)은 광 센싱 디바이스에서 양호한 전자 수용기로서 기능한다. 따라서, 센싱 디바이스에서는, 네가티브 바이어스된 전극(캐소드)은 정공을 용이하게 수용하기 위해서 바람직하게는 애노드 물질로 이루어지고, 포지티브 바이어스된 전극(애노드)은 바람직하게는 캐소드 물질로 이루어진다.
어떠한 응용에서는, 발광 화소 및 광 센서/검출기 화소 양쪽이 배치되는 디바이스를 마련하는 것이 바람직하다. 그러한 디바이스의 예로서는 복수의 광 센싱 화소도 포함하는 어레이에 복수의 발광 화소를 포함할 수 있는 터치 스크린이 있다. 그러한 디스플레이에 인접하게 사용자의 손가락이 위치하면, 디스플레이로부터 발광된 광은 반사되어, 사용자의 손에 인접한 하나 이상의 센싱 화소에 의해 검출될 수 있다. 이와 달리, 그러한 디스플레이의 광 센싱 화소를 액츄에이트하는데에 외부 광원 예컨대 광 펜(light pen)과 같은 다른 액츄에이팅 메카니즘이 사용될 수 있다. 액츄에이터의 위치는 어느 센싱 화소가 액츄에이트되는지를 결정한다. 이러한 기능은, 예컨대 디바이스 상에 디스플레이된 아이콘을 선택하거나 디바이스에 디스플레이된 메뉴로부터 옵션(option)을 선택하는데에 이용될 수 있다.
발광 화소 및 광 센서 화소 양쪽을 포함하는 활성 매트릭스 발광 다이오드 디스플레이 디바이스들이 알려져 있다. 그러나, 이들 디바이스는 복잡한 회로를 포함하며, 복잡한 제조 프로세스가 필요하여 결과적으로 비교적 높은 제조 비용이 소요된다.
본 발명의 실시예들은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것을 목적으로 한다.
본 출원인은 터치 스크린 등에서 사용하기 위한 발광 기능 및 광 센싱 기능 양쪽을 포함하는 더 단순하고 저렴한 디스플레이 디바이스를 제공하려고 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 출원인은, (활성 매트릭스 디스플레이보다는) 도 1에 도시한 것과 유사하지만 디스플레이에 입사되는 광을 검출하는데 이용되는 적어도 몇몇의 다이오드를 갖는 수동 매트릭스 발광 다이오드 디스플레이를 사용하는 것이 이러한 문제의 하나의 해결책임을 인지하였다. 즉, 센싱 회로는 디바이스에 입사하는 광을 검출하기 위해서 적어도 몇몇의 다이오드에 접속될 수 있다.
이러한 해결책이 갖는 하나의 문제는, 수동 매트릭스 다이오드 디바이스가 활성 매트릭스 디스플레이에서와 같이 각 다이오드에 대한 개별 회로를 포함하지 않는 것이다. 더 정확히 말하자면, 다이오드는 캐소드 라인과 애노드 라인의 공통 어레이 사이에 배치되고 주사될 때에 동일한 방향으로 바이어스된다. 광의 광자가 다이오드에 입사하고 전자-정공 쌍(여기자)이 다이오드의 광전기적 활성층에서 생성되면, 전자는 정공 주입 물질로 이루어지는 정공 주입 전극인 포지티브 바이어스된 전극을 향해 끌어당겨진다. 마찬가지로, 광의 광자에 의해 생성되는 정공은 전자 주입 물질로 이루어지는 전자 주입 전극인 네가티브 바이어스된 전극으로 끌어당겨진다. 정공 주입 물질이 전자를 곧바로 수용하지 않고, 전자 주입 물질이 곧바로 정공을 수용하지 않기 때문에, 입사광에 의해 형성되는 전하 캐리어에 의해 거의 전류가 생성되지 않는다. 이와 같이, 다이오드는 유효한 센서로서 기능하지 않을 것이다. 게다가, 다이오드가 또한 발광하기 때문에(다이오드가 순방향 바이어스되는 경우), 발광 및 검출의 기능이 구별되지 않아, 스위칭 온되기를 원하지 않는 다이오드가 턴 온되어 버릴 수 있다.
본 출원인은, 디스플레이의 몇몇의 다이오드를 역방향 바이어싱함으로써 전술한 문제를 부분적으로 해결할 수 있음을 인지하였다. 예컨대, 도 1로 되돌아가서, 간단한 표준 수동 매트릭스 디스플레이에 있어서, 화소는 제 1 행 전극을 (열에 대해) 네가티브 전위로 유지하고 포지티브의 바이어스를 각 열 전극에 공급하여 해당 행에 걸쳐 각 다이오드를 차례로 턴 온하도록 주사될 수 있다. 그 후, 제 2 행 전극은 네가티브 전위를 유지하고, 각 열 전극에 포지티브의 바이어스가 인가되어, 제 2 행에 걸쳐 각 다이오드를 차례로 턴 온할 수 있다. 그러나, 몇몇의 열 전극들이 행에 대해 네가티브의 바이어스(즉, 이들 열 전극으로부터 행 전극으로 전자가 흐르도록 보다 네가티브 전위)로 주어지면, 이들 열의 다이오드들은 역방향 바이어스되어 발광체보다 검출체로서 기능할 수 있다. 예컨대, 다이오드의 다른 열들은 이러한 방식으로 역방향 바이어스될 수 있다.
전술한 구성의 하나의 문제는 발광 다이오드를 순방향 바이어스하기 위해서 비교적 네가티브의 전위로 행 전극들을 유지하기 때문에, 검출기 다이오드를 역방향 바이어스하도록 열 전극들에 비교적 큰 네가티브의 전위를 인가해야 하는 것이다. 이것은 비효율적이어서 소비 전력의 증가 및 다이오드의 수명 단축을 초래한다. 게다가, 검출 다이오드의 감도(sensitivity)가 불량할 수 있다.
따라서, 본 출원인은 전술한 해결책이 실현 가능한 것임을 인지하였지만, 전술한 바와 같은 이러한 해결책에 문제가 있다.
이상의 내용으로부터, 본 발명의 관점에 따르면, 복수의 애노드 라인과 복수의 캐소드 라인 사이에 배치된 다이오드들의 어레이를 포함하되, 다이오드들의 적어도 몇몇 다이오드는 캐소드 라인 및 애노드 라인에 대해 순방향으로 지향되는 발광 다이오드이고, 나머지 다이오드들은 캐소드 라인 및 애노드 라인에 대해 역방향으로 지향되는 센싱 다이오드인 수동 매트릭스 디스플레이를 제공한다.
애노드 라인은 캐소드 라인에 대해 포지티브 바이어스되도록 배치될 수 있다. 따라서, 디스플레이는 캐소드 라인에 대해 애노드 라인을 포지티브 바이어스하도록 애노드 라인 및 캐소드 라인에 접속되는 구동 회로를 포함할 수 있다.
다이오드는 애노드, 캐소드, 그 사이에 배치된 광전기적 활성 물질을 포함할 수 있다.
발광을 위해 순방향으로 지향되는 다이오드는 애노드 라인에 인접하여 배치되고 이에 전기적으로 접속되는 그들의 애노드, 및 캐소드 라인에 인접하여 배치되고 이에 전기적으로 접속되는 그들의 캐소드를 가진다. 이들 다이오드의 애노드는 포지티브의 전하 캐리어(예컨대 정공)를 주입하는데 적합한 물질로 이루어지고, 이들 다이오드의 캐소드는 네가티브의 전하 캐리어(예컨대 전자)를 주입하는데 적합한 물질로 이루어진다.
반면에, 광의 검출을 위해 역방향으로 지향되는 다이오드는 캐소드 라인에 인접하여 배치되고 이에 전기적으로 접속되는 그들의 애노드층, 및 애노드 라인에 인접하여 배치되고 이에 전기적으로 접속되는 그들의 캐소드를 가진다. 이들 다이오드의 애노드는 포지티브의 전하 캐리어(예컨대 정공)를 수용하는데 적합한 물질로 이루어지고, 이들 다이오드의 캐소드는 네가티브의 전하 캐리어(예컨대 전자)를 수용하는데 적합한 물질로 이루어진다. 다시 말하면, 다이오드에 전기 바이어스를 공급하는 캐소드 라인 및 애노드 라인에 대해 발광 다이오드와 반대 방향으로 지향되도록 광 센싱 다이오드를 효과적으로 방향 전환시킨다. 즉, 센싱 다이오드는 다이오드를 바이어싱하는 캐소드 라인 및 애노드 라인에 대해 물리적으로 반전된다. 이것은 동일 방향으로 모든 다이오드들이 지향되는 도 1에 도시한 배열과 차이를 보인다.
본 발명의 문맥에서, 센싱 다이오드에 대해, 용어 캐소드 및 애노드는 이들 층으로 이용되는 물질의 고유 특성을 지칭함을 유의해야 할 것이다. 따라서, 캐소드는 전자를 용이하게 수용하는 물질로 이루어지는 반면, 애노드는 정공을 용이하게 수용하는 물질로 이루어진다. 발광 다이오드와는 달리, 센싱 다이오드에 있어서, 캐소드는 실제적으로 애노드 라인과 접촉하여, 포지티브 바이어스되는 반면, 애노드는 실제적으로 캐소드 라인과 접촉하여, 네가티브 바이어스된다.
전술한 실시예는, 추가 회로 구성이 불필요하여, 디스플레이의 제조가 더 용이하므로, 종래기술의 활성 매트릭스 디스플레이에 대해 이전에 개략 설명한 문제를 해결한다. 따라서, 본 발명의 디스플레이는 저렴하게 생산할 수 있다. 게다가, 그러한 배열은, 캐소드 라인과 애노드 라인에 대해 동일한 방향으로 그들의 모든 다이오드들이 지향되는 수동 매트릭스 디스플레이의 전술한 문제를 극복한다. 본 발명의 디스플레이는 더욱 효율적이며, 저소비 전력, 수명의 증가, 양호한 감도를 가지며, 스위칭 온되기를 원치 않는 다이오드가 스위칭 온되는 것이 완화된다.
전술한 배열에 있어서, 다이오드 자신들이 반전되기 때문에, 센싱 기능을 달성하기 위해 주사/구동 라인의 일부의 바이어싱을 반전할 필요가 없다. 따라서, 모든 주사 라인은 동일 방향으로 바이어스될 수 있고, 센싱 다이오드의 역바이어싱은, 캐소드 라인 및 애노드 라인에 대해 그들의 역방향 지향으로 인해 자연적으로 발생될 것이다.
캐소드 라인 및 애노드 라인에 대해 센싱 다이오드의 방향의 반전은, (1) 애노드 라인이 다이오드 어레이의 한 측에 배치되고, 캐소드 라인이 다이오드 어레이의 반대측에 배치되며, 발광 다이오드가 애노드 라인에 인접하는 애노드 물질 및 캐소드 라인에 인접하는 캐소드 물질로 형성되고, 센싱 다이오드가 캐소드 라인에 인접하는 애노드 물질 및 애노드 라인에 인접하는 캐소드 물질로 형성되도록 발광 다이오드에 대해 센싱 다이오드의 층이 반전되거나, (2) 센싱 다이오드의 층들이 발광 다이오드와 동일한 순서로 배치되지만, 캐소드 라인이 발광 다이오드의 캐소드와 접촉하지만 센싱 다이오드의 애노드에도 접촉하고, 애노드 라인이 발광 다이오드의 애노드에 접촉하지만 센싱 다이오드의 캐소드에도 접촉하도록 배치되도록 캐소드 라인 및 애노드 라인이 라우팅되는 2개의 상이한 방식으로 달성될 수 있다. 이와 같이, 다이오드의 층 구조의 어느 하나가 반전되거나 캐소드 라인 및 애노드 라인이, 캐소드 라인 및 애노드 라인에 대해 센싱 다이오드 및 발광 다이오드의 반대 방향을 이루도록 재라우팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 센싱 다이오드의 방향을 반전하기 위해 센싱 다이오드의 하나 이상의 층이 도핑된다.
광전기적 활성층으로/으로부터 전자의 효율적인 주입/수용을 제공하기 위해서, 캐소드는 3.5eV 미만, 바람직하게는 3.2eV 미만, 더 바람직하게는 3eV 미만의 일함수를 가질 수 있다.
광전기적 활성층으로/으로부터 정공의 효율적인 주입/수용을 제공하기 위해서, 애노드는 3.5eV보다 큰, 바람직하게는 4.0eV보다 큰, 더 바람직하게는 4.5eV보다 큰 일함수를 가질 수 있다.
그러나, 일 실시예에 따르면, 센싱 다이오드의 애노드 및 캐소드에 이용하는 물질은 동일하다. 바람직하게는, 이 물질은 전자 수용체 또는 정공 수용체 중 어느 하나와 같은 기능을 행할 수 있도록 중간적인 일함수를 가지도록 선택된다. 예컨대, 그 물질은 3~4.5eV, 바람직하게는 3.2~4.3eV, 더 바람직하게는 3.5~4.3eV의 일함수를 가질 수 있다. 그러한 물질의 예로는 알루미늄이 있다.
캐소드 라인 및 애노드 라인은 열 및 행으로 배열될 수 있다. 일부의 열/행은 센싱을 위한 반전 방향으로 지향되는 다이오드를 포함할 수 있다. 예컨대, 교번하는 열 또는 행은 센싱을 위해 반전 방향으로 지향되는 다이오드를 포함할 수 있다.
센싱 다이오드는 기판 상의 발광 다이오드와 나란히 배열될 수 있다. 이와 달리, 센싱 다이오드는 발광 다이오드의 상부 또는 하부에 적층 형태로 배치될 수 있다. 예컨대, 센싱 다이오드는 발광 다이오드의 상부 상에 적층될 수 있다. 이는 더 민감한 터치 스크린 디스플레이로 이어진다.
적층 배치는 발광 다이오드로부터 디바이스로 도로 반사되는 광을 검출하는 정확도를 증가시킬 수 있다. 게다가, 디스플레이의 발광 영역 및/또는 센싱 영역은, 발광 다이오드 및 센싱 다이오드가 나란히 배치된다는 경우와 달리, 발광 다이오드 및/또는 센싱 다이오드의 수가 줄어들 필요가 없으므로 증가될 수 있다. 따라서, 나란한 배치와 비교하면, 동일한 크기의 디스플레이에 더 많은 센서 및 발광체를 사용할 수 있다.
반면에, 센싱 다이오드 및 발광 다이오드의 나란한 배치는, 수직 적층 배치와 비교하면, 얇은 디스플레이 예컨대 얇은 플렉시블 디스플레이(thin flexible display)의 생산시에 장점이 있다. 게다가, 디스플레이 내의 광(예컨대 광전기적 활성층으로부터 발광된 광)의 흡수는, 적층 배치와 비교하면, 나란한 배치로 인해 감소된다.
센싱 다이오드 및/또는 발광 다이오드는 광전기적 활성층과 애노드 및/또는 캐소드 사이에 추가의 전하 주입층 및/또는 전하 수송층을 포함할 수 있다. 예컨대, 정공 수송 물질은 애노드와 광전기적 활성층 사이에 마련될 수 있다. 전자 수송 물질은 캐소드와 광전기적 활성층 사이에 마련될 수 있다. 애노드와 인접하는 정공 주입/수송층 또는 캐소드와 인접하는 전자 주입/수송층과 같은 추가 층도 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 발광 다이오드 및 그 위에 적층된 광 센싱 다이오드를 포함하는 발광 다이오드 디바이스가 제공된다. 이것은, 전술한 터치 감지 버튼과 같은 간단한 디바이스이거나, 앞서 설명한 디스플레이와 같은 매우 복잡한 디바이스일 수 있다. 전술한 바와 같이, 각 다이오드는 애노드 물질층, 캐소드 물질층 및, 그 사이에 배치되는 광전기적 활성 물질을 포함할 수 있다. 구동 회로는, 발광 다이오드의 캐소드 물질층을 네가티브 바이어스하고, 발광 다이오드의 애노드 물질층을 포지티브 바이어스하며, 광 센싱 다이오드의 애노드 물질층을 네가티브 바이어스하고, 광 센싱 다이오드의 캐소드 물질층을 포지티브 바이어스할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 첨부한 도면을 참조하여 단지 일례로서 설명될 것이다.
도 1은 전형적인 종래기술의 수동 매트릭스 어레이의 다이오드의 표준 배열을 나타내며, 모든 다이오드가 동일 방향으로 지향되는 도면,
도 2는 도 1에 도시한 바와 같은 수동 매트릭스 디스플레이의 수직 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수동 매트릭스 디스플레이의 센싱 다이오드 및 발광 다이오드의 어레이 구조를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 OLED 디바이스의 단면도로서, 센싱 다이오드의 방향의 반전(reversing)이 애노드 라인과 캐소드 라인의 재라우팅에 의해 이루어지는 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 OLED 디바이스의 단면도로서, 센싱 다이오드의 방향의 반전이 다이오드의 층상 구조의 반전에 의해 이루어지는 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 에너지 레벨을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라, 다이오드의 방향이 역방향으로 된 센싱 다이오드의 에너지 레벨을 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라, 동일한 물질이 양 전극에 이용되는 센싱 다이오드의 에너지 레벨을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 따라, 이용 가능한 도핑층 다이오드(doped layer diode)의 단면도,
도 10(a) 및 도 10(b)는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 및 센싱 다이오드의 수직 적층 배치(vertical stack arrangement)를 나타내는 도면,
도 11(a) 및 도 11(b)는 본 발명의 실시예에 따른 수직 적층 배치의 상면도/하면도,
도 12는 본 발명의 실시예들에서 이용할 수 있는 폴리머 블렌드(polymer blend)를 포함하는 센싱 다이오드를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명의 실시예들에서 이용할 수 있는 다른 센싱 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수동 매트릭스 디스플레이에서의 발광 다이오드(1) 및 센싱 다이오드(2)의 어레이 구조를 나타낸다. 도 1에 도시한 종래기술의 배열을 교차 참조함으로써 알 수 있는 바와 같이, 도 3에서의 배열은 센싱 다이오드(2)가 발광 다이오드(1)와 반대인 방향으로 지향되는 점이 다르다. 다이오드는 캐소드 라인(3)의 행과 애노드 라인(4)의 열 사이에 배치된다.
그 구조는 한번에 한 행씩 어드레싱한다. 3개의 전압 레벨이 규정될 수 있다. 그라운드 레벨 Vgnd는 0볼트이고, 센싱 다이오드 Vs의 바이어스 레벨은 예컨대 20볼트이며, 발광 다이오드의 전형적인 구동 전압 Vd는 (비록 그들이 전류로 구동될 수 있다고 하여도) 그라운드 레벨과 Vs 사이에 놓여진다. 행이 구동되면, 해당 행은 그라운드 레벨 전압으로 고정되고, 다른 모든 행들은 Vs로 설정된다. 센서 열은, 주사시에 Vs로 구동되며, 생성된 어떠한 전류는 센싱 회로에 의해 측정될 수 있다. 발광기 열은 순방향 및 발광 방향으로 전자가 흐르도록 하는 구동 전압 Vd로 구동된다.
오프-행들(off rows)의 센싱 다이오드는 제로 바이어스(zero bias)를 가지며, 이에 따라 입사광으로부터 거의 전류가 생성되지 않을 것이다.
오프-행들의 발광 다이오드는 역방향 바이어스되며 이에 따라 오프될 것이다. 오프-행들의 발광 다이오드를 역방향 바이어스하기 위해 Vd가 Vs보다 작은 것이 바람직하지만, Vd는 Vs와 동일하거나 발광 다이오드를 구동하는데 필요한 임계 전압을 초과하지 않는 양만큼 Vs보다 클 수 있다.
온 행(on row)의 센싱 다이오드는 Vs에 의해 역방향 바이어스되며, 이에 따라 센싱 다이오드로 입사되는 광을 검출하기 위한 향상된 양자 효율을 가질 수 있다. 전압을 Vs로 유지할 때에는, 전류가 생성되어 검출될 수 있다.
온 행의 발광 다이오드는 Vd에 의해 순방향 바이어스되며, 이에 따라 발광된다.
터치 스크린에 매우 근접한 임의의 물체로 향하는 발광 다이오드에 의해 발광된 광은 센싱 다이오드로 다시 반사될 것이다.
이러한 방법에 대한 변형으로서, 오프 행들은 Vs에서 센싱 다이오드의 기저 전압(built-in voltage)을 뺀 전압으로 유지될 수 있어, 이에 따라 어떠한 광전류도 켄칭(quenching)시킬 수 있다.
도 4는 캐소드 라인과 애노드 라인에 대해 반대인 방향으로 센싱 다이오드가 지향될 수 있는 한 방식을 나타낸다. 이것은, 도 4에 도시한 바와 같이, 애노드 라인(4)과 캐소드 라인(3)이 다이오드의 애노드(5) 및 캐소드(7)를 교대로 접촉시키도록 이들 라인들을 재라우팅함으로써 달성된다. 애노드(5)와 캐소드(7) 사이에는 광전기적 활성 물질(6)이 배치된다. 따라서, 각각의 다이오드는 하부 애노드(5), 광전기적 활성층(6), 캐소드(7)로 구성된다. 발광 다이오드(1)에서는, 캐소드 라인(3)은 캐소드(7)와 접촉하고, 애노드 라인(4)은 애노드(5)와 접촉한다. 센싱 다이오드(2)에서는, 캐소드 라인은 애노드(5)와 접촉하고, 애노드 라인은 캐소드(7)와 접촉한다. 다이오드의 하나씩 건너뛴 단자와 전극 라인이 접촉하도록 하기 위해서는, 뱅크 물질(8)에 비아(vias)가 마련될 수 있다.
도 4에 나타낸 배열은 교번하는 발광 열 및 센싱 열을 나타낸다. 그러나, 다른 배열도 상상할 수 있다. 예컨대, 교번하는 행들이 마련되거나, 디스플레이에서의 발광 다이오드의 수를 증가시키기 위해, 보다 적은 수의 센싱 다이오드를 마련할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 OLED 디스플레이의 단면도를 나타내며, 여기서 센싱 다이오드의 방향의 반전(reversing)은 다이오드의 적층 구조를 반전시키는 것에 의해 이루어진다. 이러한 배열에 있어서, 캐소드 라인(3)은 다이오드 어레이의 한 측면에 존재하고, 애노드 라인(4)은 다이오드 어레이의 반대측에 존재한다. 센싱 다이오드(2)의 방향의 반전은 애노드 라인(4)에 인접하여 캐소드 물질(7)을 배치하고, 캐소드 라인(3)에 인접하여 애노드 물질(5)을 배치함으로써 이루어진다. 반면에, 발광 다이오드에서는, 애노드 물질(5)을 애노드 라인(4)에 인접하여 배치하고, 캐소드 물질(7)을 캐소드 라인(3)에 인접하여 배치한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 에너지 레벨을 나타낸다. 예컨대, ITO의 애노드(5) 및 바륨의 캐소드(7)가 이용될 수 있다. 애노드(5)는 애노드 라인(4)에 의해 포지티브 바이어스되고, 캐소드(7)는 캐소드 라인(3)에 의해 네가티브 바이어스된다. 따라서, 포지티브로 대전된 정공은 애노드(5)로부터 광전기적 활성 물질의 HOMO 레벨로 주입된다. 마찬가지로, 전자는 캐소드(7)로부터 광전기적 활성 물질의 LUMO 레벨로 주입된다. 정공 및 전자는 광전기적 활성 물질에서 결합하여, 여기자를 형성하고, 여기자의 복사 감소에 의해서 광이 방출된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라, 다이오드의 방향이 반전된 센싱 다이오드의 에너지 레벨을 나타낸다. 이 경우, 다이오드의 캐소드 물질(7)은 애노드 라인(4)에 의해 포지티브 바이어스되고, 다이오드의 애노드 물질(5)은 캐소드 라인(3)에 의해 네가티브 바이어스된다. 이와 같이, 광의 광자의 흡수에 의해 광전기적 활성층에 여기자가 형성되면, 전자는 캐소드 물질(7)을 향해 바이어스되고, 정공은 애노드 물질(5)을 향해 바이어스될 것이다. 전자는 캐소드 물질(7)에 의해 수용되고, 정공은 애노드 물질(5)에 의해 수용될 것이다. 따라서, 전하는 다이오드 외부로 흘러서 검출될 수 있는 전류를 생성한다.
도 8은 동일한 물질을 양 전극을 형성하는데 이용한 센싱 다이오드의 에너지 레벨을 나타낸다. 이 경우에는 알루미늄이 이용될 수 있다. 도 7에 도시한 바와 같은 방식으로 다이오드가 기능한다. 애노드 물질(5) 및 캐소드 물질(7)의 페르미 레벨(Fermi level)을 갖는 광전기적 활성 물질의 HOMO 및 LUMO의 에너지 레벨 매칭이 도 7의 배열만큼 좋지 않고, 이에 따라 측정 가능한 전류를 생성하기 위해 더 큰 바이어스 전압이 요구될 수 있지만, 양 전극에 대해 동일한 물질을 이용하는 간단화에 의해, 어떠한 응용에서는 장점이 있을 수 있다.
더 양호한 에너지 레벨 매칭은 광전기적 활성층과 전극 사이에 추가의 전하 수송층을 삽입함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 도 9는 n-타입의 도핑층(10)이 캐소드(7)에 인접하여 배치되고 p-타입의 도핑층(12)이 애노드(5)에 인접하여 배치되는 배열을 나타낸다. 센싱 및/또는 발광 다이오드를 제조하는 특히 유용한 방법의 하나는, 용액으로부터 정공 수송 물질과 전자 수송 물질의 혼합물을 증착하고, 정공 수송 물질 및 전자 수송 물질을 상 분리하여(phase separating) 정공 수송층 및 전자 수송층을 형성하는 것을 수반한다. 광전기적 활성 물질(6)은 혼합물로도 증착되어, 도 9에 도시한 바와 같이 별개의 층으로 상 분리되거나 정공 또는 전자 수송층 중 하나로 남을 수 있다.
도 10(a)는 발광 및 센싱 다이오드(1, 2)의 수직 적층 배치를 나타낸다. 도시한 배치에서는, 발광 다이오드(1)는, 센싱 다이오드(2)의 상부에 배치되는데, 센싱 다이오드가 발광 다이오드의 상부에 배치되도록 당해 배열을 반전할 수도 있다.
도시한 적층 배치에 있어서, 센싱 다이오드(2)는 캐소드 라인 C와 접촉하는 하부 애노드 전극(5)(예컨대 알루미늄)을 포함하며, 이에 따라 그 위에 배치된 광전기적 활성층(6)으로부터 포지티브의 전하 캐리어를 수용하기 위해 네가티브 바이어스된다. 광전기적 활성층(6)은 하부 전극(5) 위에 배치되고, 상부 캐소드 전극(7)(예컨대 알루미늄)은 광전기적 활성층(6) 위에 배치된다. 상부 캐소드 전극(7)은 애노드 라인 B와 접촉하고, 이에 따라 광전기적 활성층(6)으로부터 네가티브의 전하 캐리어를 수용하기 위해 포지티브 바이어스된다. 도시한 실시예에서는, 센싱 다이오드(2)의 애노드 및 캐소드(5, 7)는 동일한 물질, 예컨대 알루미늄으로 형성된다. 그러나, 이들은 전술한 바와 같이 다른 물질로 형성될 수 있다.
센싱 다이오드(2) 위에 배치되는 것은 애노드 라인 B와도 접촉하는 발광 다이오드(1)의 애노드(5)(예컨대 TIO)이며, 이에 따라 그 위에 배치된 광전기적 활성층(6)으로 포지티브의 전하 캐리어를 주입하기 위해 포지티브 바이어스된다. 발광 다이오드(1)의 캐소드(7)(예컨대 바륨)는 광전기적 활성층(6) 위에 배치되며, 발광 다이오드(1)의 광전기적 활성층(6)으로 네가티브의 전하 캐리어를 주입하기 위해 캐소드(7)를 네가티브 바이어스하도록 캐소드 라인 A와 접촉하고 있다.
도 10(b)는 전하의 이동, 발광 및 흡수를 나타내는 도 10a에 도시한 배열에 대한 에너지 레벨도를 나타낸다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 캐소드 라인 A, C와 애노드 라인 B의 방향을 나타내는 수직 적층 배치의 평면도를 나타낸다.
다른 적층 배치가 예상될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 바이어싱 라인 A, C는 포지티브 바이어스되는 애노드 라인일 수 있고, 바이어싱 라인 B는 네가티브 바이어스되는 캐소드 라인일 수 있다. 이 경우, 센싱 다이오드의 하부 전극은 캐소드 물질을 포함하고, 센싱 전극의 상부 전극은 애노드 물질을 포함하며, 발광 다이오드의 하부 전극은 캐소드 물질을 포함하고, 발광 다이오드의 상부 전극은 애노드 물질을 포함한다.
오버라잉층(overlying layer)을 형성함에 수반되는 처리 단계로 인하여, 언더라잉층(underlying layer)을 보호하기 위한 버퍼층이 사용될 수도 있다.
폴리머 블렌드(polymer blend)를 포함하는 다이오드가 도 12에 도시되어 있다. 다이오드는 애노드(5)(예컨대 ITO)와, 정공 주입층(예컨대 PEDOT)(13)과, 발광 소자, 및 전하 수송 소자와 같은 다른 소자를 포함하는 폴리머 블렌드층(15)과, 캐소드(7)(예컨대 Al 또는 LiF)를 포함한다. 전자 수송층 및 정공 수송층을 포함하는 다층 구성을 포함하는 다이오드가 도 13에 도시되어 있다. 다이오드는 애노드(5), 정공 주입층(13), 정공 수송층(17), 전자 수송층(19), 및 캐소드(7)를 포함한다. 이들 다이오드가 본 발명의 실시예들의 다이오드로서 사용된다.
센싱 다이오드의 광전기적 활성 물질이 발광 다이오드로부터 발광된 광을 직접 흡수하지 않지만, 예컨대 외부 광원(예컨대, 광 펜) 또는 디바이스와 인접하는 외부 물체로부터의 반사에 의해 생성되는 상이한 주파수의 광을 흡수하도록 발광 다이오드 및 센싱 다이오드의 광전기적 활성 물질이 선택될 수 있다. 발광 다이오드 및 센싱 다이오드의 재료는 당해 기술분야에서 잘 알려져 있으며, 본 명세서의 교시로부터 당업자가 용이하게 선택할 수 있다.
특히 본 발명에 대해 그 바람직한 실시예들을 참조하여 나타내고 설명하였지만, 당업자라면, 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 형태 및 상세한 설명의 다양한 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (27)

  1. 수동 매트릭스 디스플레이로서,
    복수의 애노드 라인과 복수의 캐소드 라인 사이에 배치된 다이오드들의 어레이를 포함하되,
    상기 다이오드들의 어레이 중 적어도 일부는 상기 캐소드 라인 및 상기 애노드 라인에 대해 순방향으로 지향되는 애노드와 캐소드를 갖는 발광 다이오드(emissive diodes)이고, 상기 다이오드들의 어레이 중 나머지 다이오드들은 상기 캐소드 라인 및 상기 애노드 라인에 대해 역방향으로 지향되는 애노드와 캐소드를 갖는 센싱 다이오드(sensing diodes)인
    수동 매트릭스 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 라인과 상기 캐소드 라인에 접속되고, 상기 캐소드 라인에 대해 상기 애노드 라인을 포지티브 바이어스(positively bias)하도록 구성된 구동 회로를 포함하는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각 다이오드는 애노드 물질층으로 이루어진 애노드, 캐소드 물질층으로 이루어진 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치된 광전기적 활성 물질을 포함하는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  4. 제 3 항에 있어서,
    발광을 위해 상기 순방향으로 지향되는 다이오드는 상기 애노드 라인에 인접하여 배치되고 상기 애노드 라인과 전기적으로 접속되는 애노드 물질, 및 상기 캐소드 라인에 인접하여 배치되고 상기 캐소드 라인과 전기적으로 접속되는 캐소드 물질을 가지며,
    광 센싱을 위해 상기 역방향으로 지향되는 다이오드는 상기 캐소드 라인과 인접하여 배치되고 상기 캐소드 라인과 전기적으로 접속되는 애노드 물질, 및 상기 애노드 라인에 인접하여 배치되고 상기 애노드 라인과 전기적으로 접속되는 캐소드 물질을 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 애노드 라인은 상기 다이오드들의 어레이의 한 측에 배치되고,
    상기 캐소드 라인은 상기 다이오드들의 어레이의 반대측에 배치되며,
    상기 발광 다이오드는 상기 애노드 라인에 인접하는 애노드 물질 및 상기 캐소드 라인에 인접하는 캐소드 물질로 형성되고,
    상기 센싱 다이오드는 상기 캐소드 라인에 인접하는 애노드 물질 및 상기 애노드 라인에 인접하는 캐소드 물질로 형성되는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드의 애노드 물질 및 캐소드 물질의 층들은 상기 발광 다이오드와 동일한 순서로 배치되며, 상기 캐소드 라인 및 상기 애노드 라인은, 상기 캐소드 라인이 상기 발광 다이오드의 상기 캐소드 및 상기 센싱 다이오드의 상기 애노드와 접촉하고, 상기 애노드 라인이 상기 발광 다이오드의 상기 애노드와 상기 센싱 다이오드의 상기 캐소드와 접촉하도록, 상기 다이오드들의 어레이를 통해 라우팅되는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소드 물질은 3.5eV 미만의 일함수(workfunction)를 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 애노드 물질은 3.5eV보다 큰 일함수를 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드의 애노드 물질층 및 캐소드 물질층에 이용되는 물질은 동일한
    수동 매트릭스 디스플레이.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드의 애노드 물질층 및 캐소드 물질층에 이용되는 물질은 3~4.5eV 범위의 일함수를 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캐소드 라인 및 상기 애노드 라인은 열 및 행으로 배열되는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 다이오드들의 어레이는 상기 센싱 다이오드의 일부 열 또는 행을 포함하는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 다이오드들의 어레이는 상기 센싱 다이오드 및 상기 발광 다이오드의 교번하는 열 또는 행을 포함하는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드는 기판 상의 상기 발광 다이오드와 나란히 배열되는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드는 상기 발광 다이오드의 상부 또는 하부에 적층 형태로 배치되는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드 및 상기 발광 다이오드 중 적어도 하나는 전하 주입층 및 전하 수송층 중 적어도 하나를 포함하는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드의 하나 이상의 층이 도핑되는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드와 전기적으로 접촉하는 적어도 상기 애노드 라인 및 상기 캐소드 라인에 접속되는 센싱 회로를 포함하며,
    상기 센싱 회로는 상기 센싱 다이오드에 의해 발생된 전류를 감지하도록 구성되는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  19. 발광 다이오드 및 광 센싱 다이오드를 포함하되, 상기 발광 다이오드 및 상기 광 센싱 다이오드는 적층 형태로 배치되며, 각 다이오드는 애노드와 캐소드를 포함하며, 상기 발광 다이오드는 자신의 애노드가 구동 회로의 애노드 라인에 연결되고 자신의 캐소드가 상기 구동 회로의 캐소드 라인에 연결되도록 구성되며, 상기 광 센싱 다이오드는 자신의 애노드가 상기 캐소드 라인에 연결되고 자신의 캐소드가 상기 애노드 라인에 연결되도록 구성되는
    발광 다이오드 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서,
    각 다이오드는 애노드 물질층, 캐소드 물질층, 및 상기 애노드 물질층과 상기 캐소드 물질층 사이에 배치되는 광전기적 활성 물질을 포함하는
    발광 다이오드 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드의 상기 캐소드 물질층을 네가티브 바이어스하고, 상기 발광 다이오드의 상기 애노드 물질층을 포지티브 바이어스하며, 상기 광 센싱 다이오드의 상기 애노드 물질층을 네가티브 바이어스하고, 상기 광 센싱 다이오드의 상기 캐소드 물질층을 포지티브 바이어스하도록 구성된 구동 회로를 포함하는
    발광 다이오드 디바이스.
  22. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소드 물질은 3.2eV 미만의 일함수(workfunction)를 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  23. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소드 물질은 3eV 미만의 일함수(workfunction)를 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  24. 제 3 항에 있어서,
    상기 애노드 물질은 4.0eV보다 큰 일함수를 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  25. 제 3 항에 있어서,
    상기 애노드 물질은 4.5eV보다 큰 일함수를 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  26. 제 9 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드의 애노드 물질층 및 캐소드 물질층에 이용되는 물질은 3.2~4.3eV 범위의 일함수를 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
  27. 제 9 항에 있어서,
    상기 센싱 다이오드의 애노드 물질층 및 캐소드 물질층에 이용되는 물질은 3.5~4.3eV 범위의 일함수를 갖는
    수동 매트릭스 디스플레이.
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