KR102270426B1 - 발광 다이오드 칩, 발광 다이오드 패키지 및 백라이트 유닛 - Google Patents

발광 다이오드 칩, 발광 다이오드 패키지 및 백라이트 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 칩, 발광 다이오드 패키지 및 백라이트 유닛에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 의하면 발광층의 빛의 특정 파장 대역을 필터링하는 필터가 결합된 발광 다이오드 칩을 제공한다.

Description

발광 다이오드 칩, 발광 다이오드 패키지 및 백라이트 유닛{LIGHT EMITTING DIODE, LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE AND BACKLIGHT UNIT}
본 발명은 발광 다이오드 칩, 발광 다이오드 패키지 및 백라이트 유닛에 관한 것이다.
종래, 액정표시장치는, 액정 표시 패널은 화상을 표시하는 액정표시패널, 액정표시패널로 광을 조사하는 백라이트 유닛(BLU: Backlight Unit), 액정표시패널을 구동하기 위한 구동회로 유닛 및 각 구성 요소를 하나로 체결하기 위한 섀시 유닛 등을 포함한다.
백라이트 유닛은, 액정표시패널로 백생광을 조사해주기 위하여, 적색, 녹색 및 청색 광원을 포함하고 있는데, 각 색상별 광원으로서, 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode) 칩을 포함하는 발광 다이오드 패키지를 사용하고 있다.
이와 같이, 발광 다이오드 칩을 각 색상별 광원으로서 사용하는 경우, 발광 다이오드 칩이 고가이므로, 발광 다이오드 패키지를 제작하는데 상당한 비용이 드는 문제점이 있다. 특히, 청색 발광 다이오드 칩에 비해, 녹색 발광 다이오드 칩 및 적색 발광 다이오드 칩은 상당히 고가이다.
한편, 청색 발광 다이오드와 같이 특정한 색상의 발광 다이오드를 사용할 경우, 발광하는 빛의 스펙트럼이 표현하고자 하는 색상에 근접한지에 따라 발광하는 빛의 시인성을 높일 수 있다. 따라서, 발광 다이오드를 특정한 범위의 스펙트럼 대역으로 조정하는 기술이 필요하다.
본 실시예들의 목적은, 발광 스펙트럼의 대역이 조정된 발광 다이오드 칩을 제공하여, 발광된 빛을 변환하는 경우 변환된 색상과의 겹침 문제를 해결하는데 있다.
본 실시예들의 다른 목적은, 나노 홀이 위치하는 필터를 발광 다이오드 칩 또는 발광 다이오드 패키지에 결합시켜 발광층의 빛의 특정 파장 대역을 필터링하는데 있다.
본 실시예들의 또 다른 목적은, 특정 파장 대역의 빛을 필터링 하여 표현하고자 하는 색상 간의 구별을 명확히 하여 휘도를 유지하며 고색 재현을 가능하게 하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는, 발광층의 빛의 특정 파장 대역을 필터링하는 필터가 결합된 발광 다이오드 칩을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 발광 다이오드 칩과, 발광층의 빛의 특정 파장 대역을 필터링하는 필터가 결합된 발광 다이오드 패키지를 제공한다.
본 발명의 또다른 실시예는 특정 파장 대역이 필터링된 발광 다이오드 패키지가 결합되어 특정 색상의 반치폭이 줄어든 백라이트 유닛을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 발광 다이오드 칩의 발광 빛의 반치폭을 줄여 발광된 빛과 이를 변환한 빛 사이의 겹침 현상을 제거하여 고색 재현을 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 청색 발광 다이오드에서 녹색 빛으로 변환 시 휘도의 저하 없이 녹색과 청색 간의 색겹침 문제를 해결하여 고색 재현을 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 나노 홀이 포함된 필터를 발광 다이오드 칩 또는 발광 다이오드 패키지에 결합시켜 투과 가능한 빛의 최대 파장을 제어하여 투과된 빛의 반치폭을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 발광 다이오드 칩에 NCG용 컬러필터를 적용한 광원 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 3은 발광 다이오드 칩에 WCG용 컬러필터를 적용한 광원 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩 상에 밴드 패스 필터층을 추가한 단면을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 필터층이 추가된 발광 다이오드 칩의 단면을 보여주는 도면이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩 상에 필터를 형성하는 공정을 보여주는 도면이다.
도 11은 도 6 내지 도 10의 공정으로 형성된 발광 다이오드 칩을 보여준다. 발광 다이오드 칩에는 필터(420)이 증착되어 있다.
도 12는 청색 발광 다이오드 칩 상에 밴드패스 필터를 증착한 경우와 그렇지 않은 경우의 청색 파장 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 필터가 증착된 발광 다이오드 칩에 NCG용 컬러필터를 적용한 광원 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 필터가 증착된 발광 다이오드 칩의 CIE 다이어그램을 보여준다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 래터럴 칩 구조의 발광 다이오드 칩에 필터가 장착된 구성을 보여주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 의한 버티컬 칩 구조의 발광 다이오드 칩에 필터가 장착된 구성을 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 플립 칩 구조의 발광 다이오드 칩에 필터가 장착된 구성을 보여주는 도면이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 홀의 배열을 보여주는 도면이다.
도 19는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 필터를 발광 다이오드 패키지 상에 위치시킨 도면이다.
도 20은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 발광 다이오드 칩이 실장된 백라이트 유닛이 결합된 액정표시장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 21은 실시예들에 따른 직하 방식과 에지 방식의 백라이트 유닛을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 발광 다이오드의 구성을 보여주는 도면이다.
10은 발광 다이오드 칩(LED: Light Emitting Diode, 또는 "LED"라 함)의 단면을 보여준다. n 전극층(11), 발광층(15), p전극층(12)로 구성된다. n 전극층(11)은 n 타입 질화갈륨(n-GaN)층을 포함하며, p 전극층(12)은 p 타입 질화갈륨(p-GaN)층을 포함한다. 발광 다이오드의 발광 원리는 전압을 인가하면, n측의 전자는 p측에, p측의 정공은 n측으로 각각 주입 확산하여 전류가 흐르며, 발광층 영역 내에서 전자와 정공은 재결합하며 소멸하는데 이때 Eg(금지띠의 에너지 폭)에 해당하는 만큼의 발광현상이 일어난다. 이를 수학식으로 쓰면 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
λ= hc/Eg = 1240/Eg [nm]
발광층(15)을 보다 상세히 살펴보면, 발광층은 MQW((Multi Quantum Well) 구조로 GaN-InGaN의 서로 다른 밴드갭을 가지는 이종의 화합물 반도체이다. 증착방법, 재료의 특성에 따라 인듐(Indium)의 불균일한 분포는 동일한 LED 칩 내에서도 서로 다른 Eg 를 나타내며, 이러한 파장 변화에 기인한 반치폭(FWHM: Full Width at Hafl Maximum)이 증가하는 문제(Band broadening 또는 Tailing)를 발생시킨다. 20은 10과 같은 발광 다이오드에서 발광하는 빛의 스펙트럼을 보여주며, 반치폭이 증가함을 보여준다.
도 2는 발광 다이오드 칩에 NCG용 컬러필터를 적용한 광원 스펙트럼을 보여주는 도면이다. 210은 스펙트럼을 보여준다. 210에서 211은 발광 다이오드 칩에서 형성된 청색 스펙트럼을 나타내며, 212는 NCG(Normal Color Gamut)용 컬러필터에 의해 녹색으로 변환된 빛의 스펙트럼을 보여준다. 녹색 스펙트럼 부분을 보다 상세히 살펴보면 215에서 지시된 바와 같이 녹색의 스펙트럼의 범위가 넓다. 이는 청색을 발광하는 칩의 발광 스펙트럼의 반치폭(FWHM)이 넓기 때문이며, 앞서 보았던 발광층(MQW)(GaN-InGaN)에서 국부적으로 인듐의 양이 많아지면 Eg가 낮아지고 발광 스펙트럼의 장파장 쉬프트(shift)를 초래한다. 그런데 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 LED의 각 층을 성장시키는 방법으로는 인듐의 분포를 유니폼하게 제어하기 어렵다. 또한, 녹색 컬러필터(C/F)의 투과 스펙트럼의 밴드(Band)폭이 넓은데, 이는 컬러필터에 적용 가능한 안료의 종류가 제한적이기 때문이다.
230은 CIE 다이어그램을 보여준다. DCI 규격(231)과 비교할 때, NCG 컬러 필터를 적용한 발광 다이오드의 색재현은 약 95%를 커버한다.
도 3은 발광 다이오드 칩에 WCG용 컬러필터를 적용한 광원 스펙트럼을 보여주는 도면이다. 310은 스펙트럼을 보여준다. 310에서 311은 발광 다이오드 칩에서 형성된 청색 스펙트럼을 나타내며, 312는 WCG(Wide Color Gamut)용 컬러필터에 의해 녹색으로 변환된 빛의 스펙트럼을 보여준다.
고색재현(DCI 100%)을 위해 C/F의 밴드 폭(Band width)를 줄인 WCG 컬러 필터를 적용하면, 320과 같이 투과율이 저하한다. 약 -30%로 투과율 저하가 발생한다. 따라서 고색재현을 위해 WCG 컬러 필터를 사용하면, DCI (u'v') 중첩비 100% 달성은 가능하나 투과율 저하로 휘도가 저하되는 문제가 발생한다.
즉, 청색 발광 다이오드를 사용할 경우, 청색을 녹색으로 변환하기 위해 NCG 컬러필터 또는 WCG 컬러필터를 사용할 경우, 청색의 반치폭이 증가하여 녹색 컬러필터를 사용하여도 녹색과 청색이 혼색하거나 또는 녹색의 휘도가 저하하는 현상을 도 2 및 도 3에서 살펴보았다. 이에, 본 명세서에서는 청색 발광 다이오드와 같이 특정한 빛을 발광하는 다이오드 칩 상에 밴드 패스 필터(band pass filter)를 추가하여 특정한 광의 파장을 선택적으로 투과시키는 칩의 구성을 제안한다. 예를 들어 청색 발광 다이오드 칩 상에 청색의 파장과 녹색의 파장이 중첩되는 영역에서의 청색 빛을 필터링하여 고색재현을 구현한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩 상에 밴드 패스 필터층을 추가한 단면을 보여주는 도면이다.
410은 LED 칩의 구성을 보여준다. 사파이어 기판(411) 상에 질화갈륨 버퍼층(GaN buffer layer, 412)가 형성되며 그 위에 un-GaN(413) 및 n 타입 질화갈륨(n-GaN, 414), 그리고 MQW 층(415) 및 p형 질화갈륨(p-GaN, 416)으로 구성된다. 410은 에피(Epi) 칩을 일 실시예로 한다. 도 4에서 질화갈륨 버퍼층(412)은 30nm의 두께가 되며 un-GaN(413)은 2~3nm의 두께가 되며, n-GaN(414)은 2~3nm의 두께가 될 수 있다. MQW층(415)는 100~120nm의 두께가 되며 MWQ를 구성하는 물질로 InGaN/GaN을 일 실시예로 한다. p-GaN(416) 은 200~300nm의 두께를 가진다. 410과 같이 구성된 LED 칩 상에 420과 같은 필터(band pass filter)층을 추가할 수 있다. 420의 필터를 확대하면 425와 같으며, 다수의 홀들이 형성되어 있다. 홀 간의 간격은 피치(pitch)는 a이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 필터층이 추가된 발광 다이오드 칩의 단면을 보여주는 도면이다. 발광 다이오드 칩(500)에는 필터층(420)이 추가되어 있으며, 발광 다이오드의 p 타입 질화갈륨층(416) 상에 필터층(420)이 형성되어 있다.
발광 다이오드 칩(500)의 p-GaN(416) 상면에 필터(420)를 추가하여 청색의 발광 파장 중 일부만이 필터를 통하여 선택적으로 투과한다. 밴드 패스 필터는 나노 크기(nano size)의 두께(thickness)와 패턴(pattern), 그리고 간격(pitch)을 가지며, 간격과 홀의 직경에 따라 투과되는 빛의 파장 및 투과율을 조정할 수 있다. 필터를 통과한 파장의 피크 파장 길이(peak wavelength)는 수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 예측 가능하다. 수학식 2는 사각형의 배열(square array)인 경우에 최대 파장의 길이(λmax)를 보여주며, 수학식 3은 삼각형의 배열(triangular array)인 경우에 최대 파장의 길이(λmax)를 보여준다.
[수학식 2]
Figure 112014093997332-pat00001
[수학식 3]
Figure 112014093997332-pat00002
여기서 a는 홀간의 간격을 의미하며 본 발명의 일 실시예로 200nm 이상이며 350nm이하의 값을 홀간의 간격으로 설정할 수 있다. 200nm 이상 350nm 이하의 특정한 수치를 선택하여 홀 간의 간격을 설정할 수 있다. 예를 들어, 홀 간의 간격을 250 nm로 설정할 수 있다. 홀 간의 간격은 수학식 2 및 3에 따라 달리 결정될 수 있다. εm, εd 는 유전율(dielectric constant)로 알루미늄(Al) 및 하부층 각각의 유전율을 의미한다. 한편, i 및 j 값은 배열의 산란 차수(Scattering orders of the array)를 나타낸다. 따라서, 홀 간의 간격인 a의 값에 따라 투과하는 최대 파장의 길이가 결정되므로, 특정한 파장 대역 이상을 필터링하기 위해서 해당 파장에 해당하는 홀의 간격이 유지되도록 필터를 형성할 수 있다. 필터에 홀을 형성함에 있어 해당 홀의 간격을 200nm 이상 350nm이하 로 할 경우, 수학식 2 및 3을 적용하여 청색의 발광 영역 중 특정한 파장대역, 예를 들어 460nm 이상의 파장 대역을 필터링할 수 있으며, 그 결과 청색 발광 다이오드의 파장 대역의 반치폭을 줄일 수 있다. 이는 후술할 도 12에서 보다 상세히 살펴본다. 앞서 살펴본 홀 간의 간격과 투과시킬 수 있는 최대 파장과의 관계는 필터를 구성하는 물질의 유전율과 홀들의 배열에 따라 수학식 2 및 수학식 3을 적용하여 다양하게 도출될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
420의 밴드 패스 필터의 구조는 기판으로 알루미늄 또는 은을 이용하며 두께는 약 140nm를 일 실시예로 한다. 홀의 가공은 전자 리소그래피(Electron lithography, 전자빔 리소그래피) 또는 건식 식각(dry etch) 등을 통하여 홀을 형성할 수 있으며, 홀의 직격은 변환 비율(transmission ratio)에 따라 결정할 수 있다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 발광 다이오드 칩 상에 필터를 형성하는 공정을 보여주는 도면이다.
도 6은 사파이어 기판(411) 상에 에피 공정으로 p타입 질화갈륨층(p-GaN, 416)을 성장시킨 도면이다.
도 7은 p-GaN(416) 상에 필터 물질층(420a)을 형성한 도면이다. 필터 물질층(420a)은 앞서 설명한 바와 같이 140nm의 두께로 알루미늄, 은 등의 물질을 증착할 수 있다. 도 7은 홀이 형성되지 않은 필터 물질층(420a)을 증착한 도면이다. 도 7의 물질층의 일 실시예로 알루미늄, 은 등을 이용할 수 있는데, 이는 알루미늄, 은 등의 물질이 전도성을 가지면서 또한 얇은 두께가 가능하여 발광 다이오드 칩 상에 쉽게 증착하는 효과가 있다. 또한, 홀을 형성하기 위한 공정도 용이하다. 물론, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 은, 알루미늄 이외에도 특정한 파장 대역의 빛을 필터링하는 특징을 가지는 물질을 필터로 이용할 수 있다.
도 8은 홀이 형성된 필터 물질층(420)을 포함한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 6의 공정에서 도 8의 필터(420)을 바로 증착할 수 있다. 다른 실시예에 의하면, 도 7의 홀이 생성되지 않은 필터 물질층(420a)을 증착한 후, 홀을 생성하는 공정을 진행할 수 있다. 홀의 생성은 앞서 살펴본 바와 같이 전자 리소그래피, 건식 식각 등 다양한 공정 기법을 적용할 수 있으며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 필터를 증착하는 공정은 나노 홀이 생성된 필터층을 칩 상에 증착하는 제 1 실시예에 의하면 도 6 및 도 8의 순서로 진행될 수 있다. 한편, 필터를 증착하는 또다른 공정으로 필터층을 칩에 증착한 후, 홀을 생성하는 제2실시예에 의하면 도 6, 도 7, 및 도 8의 순서로 이루어질 수 있다.
도 9는 n 타입 질화갈륨층을 노출시키기 위해 식각한 도면이다. 건식 식각 등을 통하여 n-GaN(414)의 일부가 노출된다.
도 10은 패드를 증착한 도면이다. p-전극용 패드(1010)와 n-전극용 패드(1020)을 부착하였다.
도 11은 도 6 내지 도 10의 공정으로 형성된 발광 다이오드 칩을 보여준다. 발광 다이오드 칩에는 필터(420)이 증착되어 있다.
도 12는 청색 발광 다이오드 칩 상에 밴드패스 필터를 증착한 경우와 그렇지 않은 경우의 청색 파장 스펙트럼을 보여주는 도면이다. 1201은 필터를 적용하지 않은 종래의 발광 다이오드 칩의 발광 스펙트럼이며, 1202는 필터를 적용한 본 발명의 발광 다이오드 칩의 발광 스펙트럼이다. 필터는 1211에서 지시된 영역(예를 들어 420nm 이상의 파장 대역)을 필터링한다. 그 결과 본 발명에 의한 1202는 1212와 같이 빛이 없다. 즉 청색 발광 다이오드에서 출사된 빛 중에서 특정 대역 이상의 빛은 필터링된다. 도 12에서 나타난 바와 같이, 필터를 청색광 발광 다이오드에 사용할 경우, 청색과 녹색의 파장 대역이 중첩되지 않도록 청색광의 일부 파장 대역을 필터링하여, 청색이 녹색으로 변환될 경우, 고색 재현이 가능하도록 한다. 이는 청색 중 특정 파장 대역, 예를 들어 465nm 이상의 파장을 필터링하여, 이후 녹색 컬러필터를 투과한 청색광이 녹색으로 변환될 경우, 변환 이전의 청색광의 반치폭이 좁으므로, 변환된 녹색 역시 청색과 중첩되는 영역이 없으므로 혼색되지 않는다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 필터가 증착된 발광 다이오드 칩에 NCG용 컬러필터를 적용한 광원 스펙트럼을 보여주는 도면이다. 1301은 스펙트럼을 보여준다. 1301에서 1311은 발광 다이오드 칩에서 형성된 청색 스펙트럼을 나타내며, 1312는 NCG(Normal Color Gamut)용 컬러필터에 의해 녹색으로 변환된 빛의 스펙트럼을 보여준다. 녹색 스펙트럼 부분을 보다 상세히 살펴보면 1302와 같다. 도 2의 220과 비교할 1315에서 지시된 바와 같이 녹색의 스펙트럼의 범위가 좁아졌다. 청색을 발광하는 칩의 발광 스펙트럼의 반치폭(FWHM)이 좁아졌기 때문이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 필터가 증착된 발광 다이오드 칩의 CIE 다이어그램을 보여준다. DCI 규격(1431)과 비교할 때, NCG 컬러 필터를 적용한 발광 다이오드의 색재현(1432)은 약 99.5%를 커버하여 고색 재현이 가능하다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 의한 필터가 증착된 발광 다이오드와 NCG 컬러필터를 결합할 경우 고색 재현이 가능하면서도 휘도를 저하시키지 않는다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 래터럴 칩 구조의 발광 다이오드 칩에 필터가 장착된 구성을 보여주는 도면이다.
발광 다이오드 칩(1500)을 구성하는 요소로 기판(1501)과 제1반도체 전도층(1510), 발광층(1520) 및 제2반도체 전도층(1530)으로 구성되며 제2반도체 전도층(1530) 상에 필터(1540)이 형성되어 있다. 앞서 살펴본 도 11의 래터럴 칩에 적용할 경우, 제1반도체 전도층(1510)은 n-질화갈륨층(414)에 해당하며, 제2반도체 전도층(1530)은 p-질화갈륨층(416)에 해당한다. 도면에 미도시되었으나 제1반도체 전도층과 접촉하는 제1전극 및 제2반도체 전도층과 접촉하는 제2전극이 구성될 수 있으며, 앞서 도 11의 래터럴 칩에서 제1전극은 n-전극(1020)이며 제2전극은 p-전극(1010)에 해당한다. 도 15와 같은 구성에서 발광층(1520)에서 발광된 빛은 일정한 색상을 제공하지만, 그 색상의 반치폭이 넓음으로 인해 다른 색상으로 변환하는 과정에서 색의 순도를 떨어뜨릴 수 있다. 필터(1540)는 발광층(1520)에서 출사하는 빛의 파장 중 일정 파장 대역만을 투과시켜 반치폭을 줄임으로써 색의 순도를 높이거나 불필요한 발광 파장의 세기(intensity)를 제거할 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 의한 버티컬 칩 구조의 발광 다이오드 칩에 필터가 장착된 구성을 보여주는 도면이다.
발광 다이오드 칩(1600)의 구성을 살펴보면, 제1반도체 전도층(1610)과 제2반도체 전도층(1630) 사이에 발광층(1620)이 형성되며, 제2반도체 전도층(1630) 상에 필터(1640)가 형성된다. 한편 제1반도체 전도층(1610) 하에는 반사층(1608)이 위치하며, 제1전극(1655)와 제2전극(1605)이 각각 양 끝에 위치한다. 일 실시예로 제1전극(1605)은 p-전극이 될 수 있고, 구리 또는 구리 합금을 일 실시예로 한다. 제2전극(1655)은 n-전극이 될 수 있다. 제1반도체 전도층(1610)은 p-질화갈륨층을, 제2반도체 전도층(1630)은 n-질화갈륨층을 일 실시예로 한다.
도 17은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 플립 칩 구조의 발광 다이오드 칩에 필터가 장착된 구성을 보여주는 도면이다.
발광 다이오드 칩(1700)의 구성을 살펴보면, 제1반도체 전도층(1710)과 제2반도체 전도층(1730) 사이에 발광층(1720)이 형성되며, 제1반도체 전도층(1710)과 기판(1701) 사이에 필터(1740)가 형성된다. 제2반도체 전도층(1630) 하에는 반사층(도면에 미도시)이 선택적으로 위치할 수 있다. 제1전극(1705)와 제2전극(1755)이 각각 제1반도체 전도층(1710)과 제2반도체 전도층(1730)에 연결하여 위치한다. 일 실시예로 제1전극(1705)은 n-전극이 될 수 있고, 제2전극(1755)은 p-전극이 될 수 있다. 제1반도체 전도층(1710)은 n-질화갈륨층을, 제2반도체 전도층(1730)은 p-질화갈륨층을 일 실시예로 한다.
또다른 플립 칩 구조의 발광 다이오드 칩(179)의 구성을 살펴보면, 기판(1701) 상에 필터(1740)가 형성되어 있다. 발광층(1702)의 빛이 기판(1701)을 투과하여 외부로 나가게 되므로, 기판(1701) 상에 필터(1740)를 위치시킬 수 있다.
도 17의 구조는 발광층(1720)이 플립칩의 특성에 따라 칩의 중간부에 위치하거나, 또는 칩의 상면에 위치하는 특징을 보여준다. 발광층에서 나온 빛을 필터링하며 그 결과 발광층(1720)에서 나온 빛의 일부 파장 대역만이 칩 외부로 출사하며, 출사된 빛이 다른 색상으로 변환될 경우, 반치폭을 줄이므로 변환된 색상의 고색 재현을 가능하게 한다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 홀의 배열을 보여주는 도면이다. 도 18a는 홀들의 구조가 결정인 상태를 보여준다. 1801은 삼각형의 배열을 보여주며 1802는 사각형의 배열을 보여준다. 앞서 살펴본 바와 같이, 발광 다이오드가 청색광을 발광하며, 이 중에서 청색광 파장의 일정 대역 이상을 필터링하고자 할 경우, 1810 및 1820이 지시하는 홀 사이의 간격(a)의 값은 수학식 2 및 수학식 3에 의해 산출 가능하다. 청색광 파장에서 특정 파장 대역 이하, 예를 들어 420nm 이하의 파장만 투과시키고, 그 이상의 파장을 필터링 하기 위해 필터의 홀 간 거리가 200nm 이상 및 350nm이하가 되도록 필터를 형성할 수 있다. 도 18a 및 도 18b의 필터를 이용하여 청색광의 대역 중에서 녹색광과 중첩되는 파장 대역을 필터링하여 청색광 발광 다이오드를 사용할 경우 녹색의 고색 재현이 가능하다.
도 18b는 홀들의 구조가 준결정인 상태를 보여준다. 준결정인 상태인 1803 및 1804는 준결정의 구조이므로 각 홀간의 간격이 두 가지 이상의 값을 가질 수 있다. 그러나 준결정인 경우에도 앞서 살펴본 200nm 이상 및 350nm이하가 되도록 홀 간의 간격들을 조정하여 청색광 파장에서 특정 파장 범위 이하의 파장만 투과시킬 수 있다. 도 18a에서 살펴본 바와 같이 삼각형 또는 사각형 중에서 한가지의 배열로만 구성된 결정 구조로 필터가 형성될 수 있다. 또 다른 실시예로 도 18b에서 살펴본 바와 같이 삼각형과 사각형 또는 다각형의 형태가 혼합된 배열로 구성된 준결정 구조로 필터가 형성될 수 있다. 본 발명에서의 필터의 구조는 특정한 삼각형 또는 사각형에 한정되지 않으며, 필터링하고자 하는 파장 대역 및 필터의 물질에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
도 15, 도 16 및 도 17과 같은 발광 다이오드 패키지의 필터 혹은 발광 다이오드 칩의 기판 상에는 공기층(air)이 형성될 수 있다.
한편, 도 18a 및 도 18b와 같은 필터는 LED 칩 상에만 형성되지 않고, LED 패키지 상에도 형성된다. 상세히 살펴보면 도 19와 같다.
도 19는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 필터를 발광 다이오드 패키지 상에 위치시킨 도면이다. 기판(1900) 상에 발광 다이오드 칩(1910)이 위치하며, 발광 다이오드 칩(1910)의 빛은 필터(1940)을 투과한다. 그 결과 발광 다이오드 칩에서 발광한 빛의 일부 파장 대역만 필터(1940)를 투과하고, 다른 파장 대역은 투과하지 못하므로 보다 선명한 색재현이 가능하다.
도 19의 구성에서 발광층의 빛을 필터링하는 필터를 칩 상이 아닌 패키지에 형성할 수 있다. 색을 변환시키는 색변환 물질을 발광 다이오드 패키지의 외부에 위치시키는 경우 도 19와 같이 특정 색상의 발광 다이오드 패키지와 필터를 결합하여 특정 파장 대역의 빛만을 투과시켜 투과된 빛의 반치폭을 좁힐 수 있다. 예를 들어, 청색 발광 다이오드를 이용한 백라이트 유닛에서 청색 발광 다이오드 칩을 패키지 내에 실장하고, 패키지 외부에 필터를 결합시켜 이후 색변환 물질을 입사한 청색광이 녹색 및 적색으로 변환함에 있어 고색 재현을 가능하게 한다.
도 20은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 발광 다이오드 칩이 실장된 백라이트 유닛이 결합된 액정표시장치(Liquid Crystal Display Device, 100)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 실시예들에 따른 액정표시장치(100)는, 화상을 표시하는 액정표시패널(Liquid Crystal Display Panel, 110), 액정표시패널(110)로 광을 조사하는 백라이트 유닛(BLU: Backlight Unit, 120), 액정표시패널(110)을 구동하기 위한 구동회로 유닛(Driving Circuit Unit, 130) 및 각 구성 요소를 하나로 체결하기 위한 섀시 유닛(Chassis Unit, 140) 등을 포함한다.
전술한 액정표시패널(110)은, 간략하게 설명하면, 박막트랜지스터(TFT: Thin Film Transistor, 이하, "TFT"라 함)가 형성된 TFT-어레이 기판(111)과 컬러필터(CF: Color Filter)가 형성된 컬러필터 기판(112)이 일정한 간격(Cell Gap)만큼 이격 되고, TFT-어레이 기판(111)과 컬러필터 기판(112) 사이에 액정(Liquid)이 주입된 구조로 되어 있다.
전술한 구동회로 유닛(130)은, 액정표시패널(110)을 동작시키기 위한 여러 개의 드라이버 집적회로(Driver IC)와 각종 회로 소자가 부착된 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board) 등으로 구성된다.
여기서, 여러 개의 드라이버 집적회로는, 적어도 하나의 게이트 드라이버 집적회로(Gate Driver IC)와 적어도 하나의 데이터 드라이버 집적회로(Data Driver IC)를 포함한다.
이러한 여러 개의 드라이버 집적회로는 TFT-어레이 기판(111)에 연결된다.
드라이버 집적회로를 TFT-어레이 기판(111)에 연결하는 방법으로서, 드라이버 집적회로가 필름(Film) 위에 실장되어 TAB(Tape Automated Bonding) 기술을 이용하는 TCP(Tape Carrier Package) 실장 방식, 드라이버 집적회로가 TFT-어레이 기판(111)에 형성된 본딩 패드(Bonding Pad) 직접 연결되는 COG(Chip On Glass) 실장 방식 등이 있고, 이뿐만 아니라, 드라이버 집적회로와 TFT-어레이 기판(111)를 전기적으로 연결해주기만 하면 그 어떠한 방식도 가능하다.
전술한 구동회로 유닛(130)은 여러 개의 드라이버 집적회로를 제어하기 위한 전기신호를 생성하고 외부로부터 입력된 디지털 데이터 신호를 제어하는 타이밍 컨트롤러(Timing Controller) 등을 포함한다.
전술한 백라이트 유닛(120)은, 광원장치(Light Source Device)를 이용하여 밝기가 균일한 면광원을 형성하고 이를 액정표시패널(110)로 제공해준다.
본 실시예들에서 광원장치는, 일 예로, 적어도 하나의 색상의 빛을 발광하는 발광 다이오드 칩을 광원(Light Source)으로서 이용한다.
이러한 광원장치는, 적어도 하나의 발광 다이오드 칩을 포함하여 구성되며 전술한 본 발명의 일 실시예에 의한 필터가 부착된 발광 다이오드 칩을 포함하거나, 발광 다이오드 패키지에 필터가 부착된 실시예를 모두 포함한다.
전술한 백라이트 유닛(120)은, 광원장치, 즉, 발광 다이오드 패키지의 설치 방법에 따라, 직하(Direct) 방식 백라이트 유닛(BLU)일 수도 있고, 에지(Edge) 방식의 백라이트 유닛(BLU)일 수도 있다.
도 21은 실시예들에 따른 직하 방식과 에지 방식의 백라이트 유닛을 나타낸 도면이다.
도 21의 2101을 참조하면, 백라이트 유닛이 직하 방식 백라이트 유닛(Direct BLU)인 경우, 백라이트 유닛(2101)에서 발광 다이오드 패키지(2110)는 액정표시패널(110)의 아래 쪽에 촘촘하게 위치하여 액정표시패널(110)로 빛을 직접(Direct) 조사해준다.
도 21의 2102를 참조하면, 백라이트 유닛이 에지 방식 백라이트 유닛(Edge BLU)인 경우, 백라이트 유닛(2102)은, 액정표시패널(110)의 측면, 즉 액정표시패널(110)의 에지(Edge) 부분에 위치하는 발광 다이오드 패키지(2110)와, 도광판(LGP: Light Guide Panel, 2115) 및 반사판(2120) 등을 포함한다. 액정표시패널(110)의 측면에 위치한 광원장치로서의 발광 다이오드 패키지(2110)에서 방출된 빛은 도광판(2115)을 따라 반사판(2120)에 의해 반사되면서 액정표시패널(110)로 조사된다.
도 21에 미도시되었으나, 발광 다이오드 패키지(2110)에서 출사하는 빛을 변환하는 색변환층이 백라이트 유닛에 결합될 수 있다. 예를 들어, 발광 다이오드 패키지(2110)에서 필터를 통해 출사되는 빛이 청색광인 경우, 이를 녹색 및 적색으로 변환하는 색변환층이 백라이트 유닛에 결합될 수 있다. 이는 청색 발광 다이오드만을 이용하여 백색광을 생성하여 백라이트 유닛을 통해 액정표시패널로 백색광을 입사시킬 수 있다. 즉, 광원에서 발광하는 청색 빛 중에서 특정한 파장만을 필터를 통하여 투과시킬 수 있으므로 고색재현이 용이하다. 앞서 살펴본 다양한 LED 칩 구조에서 청색 발광 스펙트럼을 제어하는 필터를 칩에 증착 등을 통하여 결합시킨 후 발광 다이오드 칩의 발광층을 통해 출사하는 빛이 녹색 컬러 필터를 투과한 색상의 순도가 증가하여 백라이트 유닛의 백색광을 구현함에 있어 고색재현을 가능하게 한다.
또는 각각의 발광 다이오드 패키지가 녹색, 적색, 청색을 각각 출광할 수 있다. 이 경우, 녹색 및 적색 발광 다이오드 패키지에도 본 발명에서 제시한 필터를 결합시킬 수 있다.
한편, 실시예들에 따른 백라이트 유닛(120)의 광원장치로서의 발광 다이오드 패키지(2110)는, 백색광을 내기 위하여, 적색(Red) 빛을 방출하는 광원, 녹색(Green) 빛을 방출하는 광원, 청색(Blue) 빛을 방출하는 광원을 포함한다.
실시예들에 따른 백라이트 유닛(120)에 포함된 발광 다이오드 패키지(2110)는, 제1색상의 빛을 방출하는 광원으로서 제1색상 발광 다이오드 칩과, 제1색상의 빛의 파장 대역을 필터링하는 필터가 추가될 수 있다. 필터는 제1색상 발광 다이오드 칩 상에 증착되거나, 또는 패키지 상에 형성될 수 있다.
또한 발광 다이오드 패키지(2110)에는 제2색상 또는 제3색상의 빛을 방출하기 위한 색변환층으로 형광체 또는 컬러 필터가 형성될 수 있다. 물론, 이러한 형광체 또는 컬러 필터는 발광 다이오드 패키지의 외부에 형성될 수도 있다.
여기서 제1색상의 일 실시예로는 청색이 될 수 있으며, 필터가 제거하는 제1색상의 빛의 파장 대역은 제2색상인 녹색과 중첩되는 파장 대역일 수 있다.
다른 실시예로 제1색상은 녹색이 될 수 있으며, 필터가 제거하는 제1색상의 빛의 파장 대역은 제2색상인 적색 또는 청색과 중첩되는 파장 대역일 수 있다.
또 다른 실시예로 제1색상은 적색이 될 수 있으며, 필터가 제거하는 제1색상의 빛의 파장 대역은 제2색상인 녹색과 중첩되는 파장 대역일 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명을 적용할 경우, 광원의 스펙트럼 중에서 고색 재현을 위해 일부 파장 대역을 필터링할 수 있다. 즉, 광원에서 발광하는 빛 중에서 특정한 파장만을 필터를 통하여 투과시킬 수 있으므로 고색재현이 용이하다. 앞서 살펴본 다양한 LED 칩 구조에서 청색 발광 스펙트럼을 제어하는 필터를 칩에 증착 등을 통하여 결합시키면 녹색 컬러 필터를 투과한 색상의 순도가 증가하여 고색재현을 구현할 수 있으며, 별도의 컬러 필터 변경 없이도 DCI 커버리지를 높일 수 있다. 또한, 고색 재현 전용 컬러필터를 사용하지 않고 색상의 순도를 증가시키므로, 고색 재현 전용 컬러필터로 인한 투과율 감소 문제가 발생하지 않으므로 휘도를 개선하며 CI 효과를 가져올 수 있다.
전술한 필터의 일 실시예는 발광 다이오드 칩 상에 부착되는 밴드 패스 필터로 이는 파장 옵티마이저(Wavelength Optimizer)를 일 실시예로 한다. 또한, 발광되는 빛의 특정한 파장대역만을 투과시킨다는 점에서 본 발명의 필터는 UV와 같은 자외선을 발광하는 LED 또는 청색, 녹색, 적색 등의 특정 파장의 빛을 발광하는 LED 칩에 모두 적용할 수 있다. 필터를 구성하는 재질로는 알루미늄, 은 또는 이들을 이용한 합금이 될 수도 있고, 필터라 단일층 구조이거나 다중층 구조가 될 수 있다. 필터에는 나노 사이즈의 홀(1nm~1000nm의 크기)이 패터닝될 수 있으며, 홀 간의 간격을 조절하여 투과되는 파장을 제어할 수 있다. 필터를 투과한 빛의 스펙트럼은 앞서 도 12에서 살펴본 바와 같이 파장 대역이 달라진다. 즉, 특정한 파장 대역은 필터를 투과하지 않게 되므로, 보다 좁은 반치폭을 구현하여 색의 순도를 높이거나, 혹은 불필요한 파장 대역의 세기(intensity)를 제거할 수 있다. 또한 필터는 칩 상에 증착되는 방식 이외에도 패키지 상에 위치할 수 있다. 또한 백라이트 유닛에 결합되거나 액정 표시 패널에도 결합되어 특정 파장 대역의 빛만을 투과시킬 수 있다. 또한 일 실시예로 필터 상에는 공기층이 포함될 수 있다. 본 발명의 필터를 적용할 경우, 반치폭이 매우 좁은 빛을 방출하기 때문에, 고색재현(WCG: Wide Color Gamut)을 가능하게 한다.
이상에서의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 나타낸 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 구성의 결합, 분리, 치환 및 변경 등의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 액정표시장치 110: 액정표시패널
120: 백라이트 유닛 130: 구동회로 유닛
140: 섀시 유닛 420: 필터
500, 1500, 1600, 1700, 1790: 발광 다이오드 칩
1900: 발광 다이오드 패키지

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 제1반도체 전도층;
    상기 제1반도체 전도층 상에 위치하며, 제1 색의 빛을 출사하는 발광층;
    상기 발광층 상에 위치하는 제2반도체 전도층; 및
    상기 제1색의 빛 중 파장이 제1파장 이상인 빛을 차단하며, 다수의 홀을 갖는 필터를 포함하고,
    상기 필터는 적어도 두 가지의 홀 간의 간격을 갖고, 상기 홀 간의 간격은 상기 제1파장보다 작은 발광 다이오드 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터는 준결정의 구조로 위치하는 상기 다수의 홀을 포함하며,
    상기 준결정의 구조로 위치하는 상기 홀 간의 간격은 제1 홀 간 간격 및 상기 제1 홀 간 간격과 상이한 제2 홀 간 간격을 포함하고,
    상기 제1 홀 간 간격 및 상기 제2 홀 간 간격은 각각 200nm 이상이며 350nm 이하인 발광 다이오드 칩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필터는 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 이를 포함하는 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 칩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광층은 상기 제1 색 광인 청색광을 발광하며,
    상기 필터는 상기 청색광의 대역 중 녹색광과 중첩되는 상기 제1파장 이상의 빛을 차단하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 칩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩은 래터럴 칩 또는 버티컬 칩이며,
    상기 필터는 상기 제2반도체 전도층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 칩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩은 플립 칩이며,
    상기 필터는 상기 기판 상에 위치하거나 또는 상기 기판과 상기 제1반도체 전도층 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 칩.
  7. 기판, 상기 기판 상에 위치하는 제1반도체 전도층, 상기 제1반도체 전도층 상에 위치하며 제1 색의 빛을 출사하는 발광층, 상기 발광층 상에 위치하는 제2반도체 전도층을 포함하는 발광 다이오드 칩; 및
    상기 제1색의 빛 중 파장이 제1파장 이상인 빛을 차단하며, 다수의 홀을 갖는 필터를 포함하고,
    상기 필터는 적어도 두 가지의 홀 간의 간격을 갖고, 상기 홀 간의 간격은 상기 제1파장보다 작은 발광 다이오드 패키지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발광층은 상기 제1 색 광인 청색광을 발광하며,
    상기 필터는 상기 청색광의 대역 중 녹색광과 중첩되는 상기 제1파장 이상의 빛을 차단하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  9. 기판, 상기 기판 상에 위치하는 제1반도체 전도층, 상기 제1반도체 전도층 상에 위치하며 제1 색의 빛을 출사하는 발광층, 상기 발광층 상에 위치하는 제2반도체 전도층을 포함하는 발광 다이오드 칩 및 상기 제1색의 빛 중 파장이 제1파장 이상인 빛을 차단하며, 다수의 홀을 갖는 필터를 포함하는 발광 다이오드 패키지; 및
    상기 발광 다이오드 패키지의 빛을 액정 표시 패널로 반사시키는 도광판을 포함하고,
    상기 필터는 적어도 두 가지의 홀 간의 간격을 갖고, 상기 홀 간의 간격은 상기 제1파장보다 작은 백라이트 유닛.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 필터는 상기 발광 다이오드 칩에 결합되거나 또는 상기 발광 다이오드 패키지에 결합되는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
KR1020140132376A 2014-10-01 2014-10-01 발광 다이오드 칩, 발광 다이오드 패키지 및 백라이트 유닛 KR102270426B1 (ko)

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