KR102351775B1 - 화상 형성 장치 및 이에 포함되는 발광 소자 - Google Patents

화상 형성 장치 및 이에 포함되는 발광 소자 Download PDF

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Abstract

화상 형성 장치는 감광 드럼을 향하여 광을 발신하는 복수의 발광 소자를 구비한 노광부; 상기 광에 의하여 상기 감광 드럼의 표면에 형성된 정전 잠상을 현상하는 현상부를 포함하고, 상기 복수의 발광 소자 각각은, 상기 광을 생성하는 발광 층; 및 상기 생성된 광의 적어도 일부를 반사하는 반사 층을 포함하고, 상기 반사 층에는 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 서로 상이한 복수의 서브 반사 층을 포함할 수 있다.

Description

화상 형성 장치 및 이에 포함되는 발광 소자 {IMAGE FORMING APPARATUS AND LIGHT EMITTING DEVICE THEREIN}
개시된 발명은 발광 소자 및 화상 형성 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 사이리스터(thyristor)를 이용한 화상 형성 장치 및 이에 포함되는 발광 소자에 관한 발명이다.
일반적으로, 프린터, 복사기, 팩시밀리 등의 화상 형성 장치는 대전된 감광 드럼 상에 화상 정보를 노광 모듈에 의해 조사함으로 정전 잠상을 생성하고, 토너를 이용하여 정전 잠상을 현상한다. 이후, 화상 형성 장치는 인쇄 매체 위에 토너 이미지를 전사하고 정착시킴으로써 인쇄 매체에 화상을 형성할 수 있다.
이때 이용되는 노광 모듈로서 레이저를 이용해 주사 방향으로 레이저 광을 주사하는 레이저 스캐닝 유닛(Laser Scanning Unit: LSU)이 널리 이용되고 있다.
최근에 소형화를 위하여 주사 방향으로 복수의 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 배치하고, 복수의 발광 다이오드가 순차적으로 광을 발생시키는 엘이디 프린트 헤드(LED Print Head, LPH)에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 이러한 엘이디 프린트 헤드는 레이저 스캐닝 유닛에 비하여 생성되는 광의 세기가 작은 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 개시된 발명의 일 측면은 광이 기판에 의하여 흡수되는 것을 방지할 수 있는 발광 소자 및 이를 포함하는 화상 형성 장치를 제공하고자 한다.
또한, 개시된 발명의 다른 일 측면은 발광 소자의 온도 상승과 무관하게 광이 기판에 의하여 흡수되는 것을 방지할 수 있는 발광 소자 및 이를 포함하는 화상 형성 장치를 제공하고자 한다.
또한, 개시된 발명의 또 다른 일 측면은 광 생성 효율을 향상시킨 발광 소자 및 이를 포함하는 화상 형성 장치를 제공하고자 한다.
또한, 개시된 발명의 또 다른 일 측면은 광 추출 효율을 향상시킨 발광 소자 및 이를 포함하는 화상 형성 장치를 제공하고자 한다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 화상 형성 장치는 감광 드럼을 향하여 광을 발신하는 복수의 발광 소자를 구비한 노광부; 상기 광에 의하여 상기 감광 드럼의 표면에 형성된 정전 잠상을 현상하는 현상부를 포함하고; 상기 복수의 발광 소자 각각은, 상기 광을 생성하는 발광 층; 및 상기 생성된 광의 적어도 일부를 반사하는 반사 층을 포함하고, 상기 반사 층에는 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 서로 상이한 복수의 서브 반사 층을 포함할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층은 각각 서로 다른 파장의 광을 반사할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각은 저 굴절률 층 및 고 굴절률 층을 포함하고, 상기 저 굴절률 층의 굴절률은 상기 고 굴절률 층의 굴절률 보다 작을 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 층은 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 두께가 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 층은 서로 두께가 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 굴절률이 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층에 포함된 고 굴절률 층은 서로 굴절률이 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 저 굴절률 층은 저 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체로 구성되고, 상기 고 굴절률 층은 고 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체로 구성될 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층에 포함된 복수의 저 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체 각각은 서로 두께 및 알루미늄의 혼합 비율 중 적어도 하나가 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 두께 및 알루미늄의 혼합 비율 중 적어도 하나가 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 두께가 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 두께가 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 알루미늄의 혼합 비율이 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 알루미늄의 혼합 비율이 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 반사 층은 복수의 제1 서브 반사 층을 포함하는 제1 반사 층과 복수의 제2 서브 반사 층을 포함하는 제2 반사 층을 포함할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 제1 서브 반사 층 각각은 제1 저 굴절률 층과 제1 고 굴절률 층을 포함하고, 상기 복수의 제2 서브 반사 층 각각은 제2 저 굴절률 층과 제2 고 굴절률 층을 포함할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 제1 저 굴절률 층과 상기 제2 저 굴절률 층은 두께 및 굴절률이 서로 상이하고, 상기 제1 고 굴절률 층과 상기 제2 고 굴절률 층은 두께 및 굴절률이 서로 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 발광 층은 제1 p형 반도체 층, 제1 n형 반도체 층, 제2 p형 반도체 층 및 제2 n형 반도체 층이 차례로 적층될 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 발광 소자의 일단에 마련되는 상기 제2 n형 반도체 층의 표면에는 요철 구조가 형성될 수 있다.
실시 형태에 따라 제1 p형 반도체 층과 제2 p형 반도체 층 사이에 마련되는 상기 제1 n형 반도체 층에는 폭이 서로 다른 복수의 양자 우물이 형성될 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 발광 소자는 광을 생성하기 위하여 제1 p형 반도체 층, 제1 n형 반도체 층, 제2 p형 반도체 층 및 제2 n형 반도체 층이 차례로 적층되는 발광 층; 및 상기 생성된 광의 적어도 일부를 반사하기 위하여 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 서로 상이한 복수의 서브 반사 층을 포함하는 반사 층을 포함하고, 상기 복수의 서브 반사 층 각각은 굴절률이 서로 상이한 저 굴절률 층 및 고 굴절률 층을 포함할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층은 각각 서로 다른 파장의 광을 반사할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 층은 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 두께가 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 층은 서로 두께가 상이할 수 있다.
실시 형태에 따라 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 굴절률이 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층에 포함된 고 굴절률 층은 서로 굴절률이 상이할 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 따르면, 광이 기판에 의하여 흡수되는 것을 방지할 수 있는 발광 소자 및 이를 포함하는 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
또한, 개시된 발명의 다른 일 측면에 따르면, 발광 소자의 온도 상승과 무관하게 광이 기판에 의하여 흡수되는 것을 방지할 수 있는 발광 소자 및 이를 포함하는 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
또한, 개시된 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 광 생성 효율을 향상시킨 발광 소자 및 이를 포함하는 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
또한, 개시된 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 광 추출 효율을 향상시킨 발광 소자 및 이를 포함하는 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 화상 형성 장치의 외관을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 의한 화상 형성 장치의 구성을 도시한다.
도 3은 일 실시예에 의한 화상 형성 장치의 측-단면을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 의한 화상 형성 장치에 포함된 노광 모듈 및 현상 모듈을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 의한 프린트 헤드의 외관을 도시한다.
도 6은 일 실시예에 의한 프린트 헤드에 포함된 발광 소자의 배치를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 의한 프린트 헤드의 측-단면을 도시한다.
도 8은 사이리스터를 간략하게 도시한다.
도 9는 사이리스터의 전류-전압 관계를 도시한다.
도 10은 일 실시예에 의한 프린트 헤드의 구동 회로를 도시한다.
도 11은 일 실시예에 의한 프린트 헤드의 제어 신호 및 이미지 데이터를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 의한 발광 소자의 측-단면을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 의한 발광 소자의 발광 층을 도시한다.
도 14는 일 실시예에 의한 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다.
도 15는 일 실시예에 의한 발광 소자로부터 발신된 광의 스펙트럼을 도시한다.
도 16은 일 실시예에 의한 발광 소자의 발광 및 광 반사를 도시한다.
도 17은 브래그 미러(bragg reflector)에 의한 광 반사를 도시한다.
도 18은 알루미늄-갈륨-비소 반도체의 알루미늄 비율에 따른 광 굴절률을 도시한다.
도 19는 일 실시예에 의한 발광 소자에 포함된 반사 층의 일 예를 도시한다.
도 20은 도 19에 도시된 반사 층의 반사율을 도시한다.
도 21은 일 실시예에 의한 발광 소자에 포함된 반사 층의 다른 일 예를 도시한다.
도 22은 도 21에 도시된 반사 층의 반사율을 도시한다.
도 23은 일 실시예에 의한 발광 소자에 포함된 반사 층의 또 다른 일 예를 도시한다.
도 24은 도 23에 도시된 반사 층의 반사율을 도시한다.
도 25는 일 실시예에 의한 발광 소자에 포함된 반사 층의 또 다른 일 예를 도시한다.
도 26은 도 25에 도시된 반사 층의 반사율을 도시한다.
도 27은 다른 일 실시예에 의한 발광 소자의 측-단면을 도시한다.
도 28은 또 다른 일 실시예에 의한 발광 소자의 측-단면을 도시한다.
도 29는 또 다른 일 실시예에 의한 발광 소자의 발광 층을 확대 도시한다.
도 30 및 도 31은 또 다른 일 실시예에 의한 발광 소자의 발광 층의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다.
구체적으로, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, FPGA (field-programmable gate array)/ ASIC (application specific integrated circuit)과 같은 하드웨어, 메모리에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 또는 프로세서에 의하여 처리되는 하나 이상의 프로세스를 의미할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 개시된 발명의 일 실시예가 상세하게 설명된다. 첨부한 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낼 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 화상 형성 장치의 외관을 도시한다. 도 2는 일 실시예에 의한 화상 형성 장치의 구성을 도시한다. 도 3은 일 실시예에 의한 화상 형성 장치의 측-단면을 도시한다.
화상 형성 장치(1)는 문서(D)의 표면에 형성된 이미지를 획득하고, 획득된 이미지를 인쇄 매체(P)에 형성할 수 있다. 여기서, 문서(D)는 표면에 문자, 그림 등의 이미지가 형성된 종이, 필름, 천(cloth) 등을 의미하며, 인쇄 매체(P)는 표면에 문자, 그림 등의 이미지를 형성할 수 있는 종이, 필름, 천(cloth) 등을 의미한다.
화상 형성 장치(1)의 대표적인 예로, 통신을 통하여 수신된 이미지를 인쇄 매체(P)에 인쇄하는 인쇄기가 있다. 그러나, 화상 형성 장치(1)는 인쇄기에 한정되지 않으며, 문서(D) 표면의 형성된 이미지를 획득하여 인쇄 매체(P)에 인쇄하는 복사기, 문서(D) 표면에 형성된 이미지를 획득하여 저장하는 스캐너, 문서(D)의 표면에 형성된 이미지를 통신을 통하여 전송하거나 통신을 통하여 수신된 이미지를 인쇄하는 팩시밀리, 앞서 설명된 인쇄기, 복사기, 스캐너, 팩시밀리의 기능을 모두 수행할 수 있는 복합기(multifunction device)일 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3과 함께, 화상 형성 장치(1)의 구성이 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이 화상 형성 장치(1)는 외관상으로 본체(1b)와 본체(1b)의 상면을 덮는 플랫베드 커버(flatbed cover) (1a)를 포함할 수 있다.
본체(1b)는 화상 형성 장치(1)의 외관을 형성하고, 아래에서 설명하는 화상 형성 장치(1)의 주요한 구성을 보호할 수 있다.
또한, 본체(1b)의 상면에는 화상 형성 장치(1)가 문서(D)의 표면에 형성된 이미지를 획득할 수 있도록 투명한 재질로 구성되는 플랫베드(flatbed) (1e)가 마련될 수 있고, 투명한 플랫베드(1e)의 아래에는 문서(D)의 표면에 형성된 이미지를 획득하는 이미지 센서 모듈(11)이 마련될 수 있다. 또한, 본체(1b)의 하부에는 인쇄 매체(P)를 저장하는 용지함(1f)이 마련되고, 이미지가 형성된 인쇄 매체(P)가 배출되는 배지대(1g)가 마련될 수 있다.
플랫베드 커버(1a)는 플랫베드(1e)에 조사되는 외광을 차단하며, 이미지가 형성된 문서(D)를 자동으로 이송하는 자동 문서 공급기(Automatic Document Feeder, ADF)를 포함할 수 있다. 또한, 플랫베드 커버(1a)에는 문서(D)가 배치되는 급지대(1c)와 표면의 이미지가 획득된 문서(D)가 배출되는 배지대(1d)를 포함할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 화상 형성 장치(1)는 기능상으로 화상 획득부(10), 유저 인터페이스(40), 저장부(50), 통신부(70), 화상 형성부(60), 화상 처리부(20) 및 제어부(30)를 포함한다.
화상 획득부(10)는 문서(D)의 표면에 형성된 이미지를 획득하고, 획득된 이미지에 대응하는 이미지 데이터를 출력할 수 있다.
이러한, 화성 획득부(10)는 문서(D)의 표면에 형성된 이미지를 획득하는 이미지 센서 모듈(11), 문서(D)를 이송하는 문서 이송 모듈(12), 이미지 센서 모듈(11)을 이동시키는 센서 이동 모듈(13)을 포함할 수 있다.
이미지 센서 모듈(11)은 문서(D)의 표면에 형성된 이미지를 획득하기 위하여 라인 이미지 센서를 포함할 수 있다. 이때, 라인 이미지 센서는 1차원 이미지를 획득할 수 있으므로 문서(D)의 표면에 형성된 이미지는 2차원 이미지를 획득하기 위하여 화상 형성 장치(1)는 이미지 센서 모듈(11)을 이동시키거나 문서(D)를 이송할 수 있다.
예를 들어, 문서(D)가 플랫베드(1e)에 놓여진 경우, 화상 형성 장치(1)는 센서 이동 모듈(13)을 이용하여 이미지 센서 모듈(11)를 이동시키고, 이미지 센서 모듈(11)이 이동하는 동안 문서(D)의 이미지를 획득하도록 이미지 센서 모듈(11)을 제어할 수 있다.
또한, 문서(D)가 플랫베드 커버(1a)의 급지대(1c)에 놓여진 경우, 문서 이송 모듈(14)를 이용하여 문서(D)를 이송하고, 문서(D)가 이동되는 동안 문서(D)의 이미지를 획득하도록 이미지 센서 모듈(11)을 제어할 수 있다.
문서 이송 모듈(12)은 급지대(1c)에 놓여진 문서(D)의 2차원 이미지를 획득할 수 있도록 급지대(1c)에 놓여진 문서(D)를 이송 경로(FP)를 따라 배지대(1d)까지 이송하며, 센서 이동 모듈(13)은 플랫베드(1e)에 놓여진 문서(D)의 2차원 이미지를 획득할 수 있도록 이미지 센서 모듈(11)을 이동시킬 수 있다.
유저 인터페이스(40)는 사용자와 상호 작용할 수 있다.
예를 들어, 유저 인터페이스(40)는 사용자로부터 화상 형성 장치(1)가 문서(D)에 형성된 이미지를 컬러/모노로 획득하기 위한 컬러/모노 설정, 문서(D)에 형성된 이미지를 획득하기 위한 해상도 설정 등의 입력을 수신할 수 있다.
또한, 유저 인터페이스(40)는 사용자가 입력한 설정값, 화상 형성 장치(1)의 동작 상태 등을 표시할 수 있다.
이러한 유저 인터페이스(40)는 사용자로부터 미리 정해진 사용자 입력을 수신하는 복수의 버튼(41) 및 각종 정보를 표시하는 디스플레이(42)를 포함할 수 있다.
저장부(50)는 화상 형성 장치(1)을 제어하기 위한 제어 프로그램 및 제어 데이터 및 사용자 입력에 따라 다양한 기능을 수행하는 다양한 어플리케이션 프로그램 및 어플리케이션 데이터를 저장할 수 있다.
예를 들어, 저장부(50)는 화상 형성 장치(1)에 포함된 구성 및 자원(소프트웨어 및 하드웨어)를 관리하는 OS (operating system) 프로그램, 문서(D)의 이미지를 표시하는 이미지 재생 프로그램 등을 저장할 수 있다.
이러한, 저장부(50)는 전원이 차단되더라도 프로그램 또는 데이터가 손실되지 않는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저장부(50)는 자기 디스크 드라이브(Hard Disk Drive) (51) 또는 반도체 소자 드라이브(Solid State Drive) (52) 등을 포함할 수 있다.
통신부(70)는 외부 장치와 데이터를 주고받는다. 예를 들어, 통신부(70)는 사용자의 데스크 탑 단말기로부터 이미지 데이터를 수신하거나, 사용자의 휴대용 단말기로부터 이미지 데이터를 수신할 수 있다.
이러한 통신부(70)는 유선으로 근거리 통신망(Local Area Network, LAN)에 접속하는 유선 랜 모듈(71), 사용자의 단말기와 유선으로 통신하는 USB (Universal Serial Bus) 통신 모듈(72), 무선으로 근거리 통신망(LAN)에 접속하는 와이파이(WiFi™) 모듈(73), 사용자의 단말기와 무선으로 통신하는 블루투스(Bluetooth™) 모듈(74)을 포함할 수 있다.
화상 형성부(60)는 이미지 데이터에 따라 화상을 인쇄 매체(P)에 형성할 수 있다. 화상 형성부(60)는 용지함(1f)에 수납된 인쇄 매체(P)를 픽업하고, 픽업된 인쇄 매체(P)에 이미지를 형성하고, 이미지가 형성된 인쇄 매체(P)를 배지대(1e)로 배출할 수 있다.
이러한 화상 형성부(60)는 이송 모듈(61), 노광 모듈(62), 현상 모듈(63K, 63C, 63M, 63Y: 63), 전사 모듈(64), 정착 모듈(65)을 포함할 수 있다.
이송 모듈(61)는 인쇄 매체(P)를 용지함(1f)로부터 인쇄 매체(P)를 픽업하고, 픽업된 기록 매체(P)를 전사 모듈(64) 및 정착 모듈(65)을 거쳐 배지대(1e)까지 이송한다.
노광 모듈(62)는 화상 획득부(10)에 의하여 획득되거나 통신부(70)를 통하여 수신된 이미지에 대응하는 패턴의 광을 발신한다. 이러한 노광 모듈(62)는 프린트 헤드(LED Print Head: LPH)를 포함할 수 있다.
프린트 헤드는 아래에서 자세하게 설명된다.
현상 모듈(63)은 노광 모듈(62)로부터 발신된 광의 패턴에 대응하는 토너 이미지를 형성한다. 이러한, 현상 모듈(62)은 노광 모듈(62)으로부터 발신된 광에 의하여 정전 잠상이 형성되는 감광 드럼(63a), 정전 잠상이 형성되도록 감광 드럼(63a)를 대전시키는 대전 롤러(63b), 토너를 이용하여 감광 드럼(63c)에 형성된 정전 잠상을 현상하는 현상 롤러(63c)를 포함할 수 있다.
감광 드럼(63a)이 회전하는 동안, 대전 동작, 노광 동작 및 현상 동작에 의하여 토너 이미지가 형성된다. 구체적으로, 대전 롤러(63b)에 의하여 감광 드럼(63a)의 외주면이 (+) 또는 (-)로 대전되고, 노광 모듈(62)으로부터 발신된 광에 의하여 감광 드럼(63a)의 외주면에 정전 잠상이 형성된다. 또한, 감광 드럼(63a)의 외주면에 형성된 정전 잠상은 현상 롤러(63c)에 의하여 공급되는 토너에 의하여 현상된다.
또한, 컬러 이미지를 형성하기 위하여 현상 모듈(63)는 검정색(black)의 토너를 이용하여 정전 잠상을 현상하는 제1 현상 모듈(63K), 청록색(cyan)의 토너를 이용하여 정전 잠상을 현상하는 제2 현상 모듈(63C), 진홍색(magenta)의 토너를 이용하여 정전 잠상을 현상하는 제3 현상 모듈(63M), 노란색(yellow)의 토너를 이용하여 정전 잠상을 현상하는 제4 현상 모듈(63Y)를 포함할 수 있다.
전사 모듈(64)은 감광 드럼(63a)에 형성된 토너 이미지를 인쇄 매체(P)로 전달한다. 전사 모듈(64)은 감광 드럼(63)으로부터 토너 이미지를 획득하고, 토너 이미지를 기록 매체(P)에 전사하는 전사 벨트(64a)를 포함할 수 있다.
정착 모듈(65)은 인쇄 매체(P)에 전사된 토너 이미지를 열과 압력을 통하여 인쇄 매체(P)에 정착시킨다. 정착 모듈(65)은 토너 이미지가 전사된 인쇄 매체(P)를 가열하는 가열 롤러(65a), 토너 이미지가 전사된 인쇄 매체(P)를 가압하는 가압 롤러(65b)를 포함할 수 있다.
이처럼, 화상 형성부(60)는 인쇄 매체(P)가 이송되는 중에 노광-현상-전사-정착 과정을 통하여 인쇄 매체(P)에 이미지를 형성할 수 있다.
화상 처리부(20)는 화상 획득부(10)에 의하여 획득되거나 통신부(70)를 통하여 수신된 이미지를 분석하고 처리할 수 있다.또한, 화상 처리부(20)는 인쇄 매체(P)에 형성될 이미지를 화상 형성부(60)에 전송할 수 있다.
구체적으로, 화상 처리부(20)는 컬러 이미지를 검정색 이미지, 청록색 이미지, 진홍색 이미지 및 노란색 이미지로 구분하고, 검정색 이미지, 청록색 이미지, 진홍색 이미지 및 노란색 이미지를 화상 형성부(60)로 전송할 수 있다.
또한, 화상 처리부(20)는 2차원 이미지를 복수의 1차원 이미지(라인 이미지)로 분할하고, 분할된 라인 이미지를 화상 형성부(60)의 노광 모듈(62)에 순차적으로 전송할 수 있다.
이러한 화상 처리부(20)는 이미지의 처리를 위한 연산을 수행하는 그래픽 프로세서(21), 그래픽 프로세서(21)의 연산 동작과 관련된 프로그램 또는 데이터를 저장하는 그래픽 메모리(22)를 포함할 수 있다.
그래픽 프로세서(21)는 이미지 처리를 위한 연산을 수행하는 연산 회로(Arithmetic and Logic Unit, ALU), 연산될 데이터 또는 연상된 데이터를 기억하는 기억 회로(memorial circuit)를 포함할 수 있다.
그래픽 메모리(22)는 S램(Static Random Access Memory, S-RAM), D랩(Dynamic Random Access Memory, D-RAM 등의 휘발성 메모리와 롬(Read Only Memory), 이피롬(Erasable Programmable Read Only Memory: EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory: EEPROM), 플래시 메모리 등의 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다.
또한, 그래픽 프로세서(21)와 그래픽 메모리(22)는 별도의 칩으로 구현되거나 단일의 칩으로 구현될 수 있다.
제어부(30)는 앞서 설명된 화상 획득부(10), 유저 인터페이스(40), 저장부(50), 화상 형성부(60), 통신부(70) 및 화상 처리부(20)의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(30)는 노광 모듈(62)이 화상 처리부(20)로부터 전송된 라인 이미지에 따라 광을 발신하도록 노광 모듈(62)을 제어할 수 있다.
이러한 제어부(30)는 화상 형성 장치(1)의 동작을 제어하기 위한 연산을 수행하는 컨트롤 프로세서(31), 컨트롤 프로세서(31)의 연산 동작과 관련된 프로그램 및 데이터를 저장하는 컨트롤 메모리(32)를 포함할 수 있다.
컨트롤 프로세서(31)는 화상 형성 장치(1)의 동작을 제어하기 위한 연산을 수행하는 연산 회로(Arithmetic and Logic Unit, ALU), 연산될 데이터 또는 연상된 데이터를 기억하는 기억 회로(memorial circuit)를 포함할 수 있다.
컨트롤 메모리(32)는 S램(Static Random Access Memory, S-RAM), D랩(Dynamic Random Access Memory, D-RAM 등의 휘발성 메모리와 롬(Read Only Memory), 이피롬(Erasable Programmable Read Only Memory: EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory: EEPROM), 플래시 메모리 등의 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다.
또한, 컨트롤 프로세서(31)와 컨트롤 메모리(32)는 별도의 칩으로 구현되거나 단일의 칩으로 구현될 수 있다.
이상에서는 화상 형성 장치(1)의 전체적인 구성이 설명되었다.
이하에서는 화상 형성 장치(1)에 포함된 프린트 헤드가 설명된다.
도 4는 일 실시예에 의한 화상 형성 장치에 포함된 노광 모듈 및 현상 모듈을 도시한다. 도 5는 일 실시예에 의한 프린트 헤드의 외관을 도시한다. 도 6은 일 실시예에 의한 프린트 헤드에 포함된 발광 소자의 배치를 도시한다. 도 7은 일 실시예에 의한 프린트 헤드의 측-단면을 도시한다.
도 4, 도 5, 도 6 및 도 7과 함께, 프린트 헤드가 설명된다.
화상 형성 장치(1)는 컬러 이미지를 형성할 수 있다.
화성 형성 장치(1)는 컬러 이미지를 형성하기 위하여 청록색(cyan) 토너로 형성된 토너 이미지와 진홍색(magenta) 토너로 형성된 토너 이미지와 노란색(yellow) 토너로 형성된 토너 이미지 및 검정색(black) 토너로 형성된 토너 이미지를 혼합할 수 있다.
구체적으로, 화상 처리부(20)는 컬러 이미지를 검정색 이미지, 청록색 이미지, 진홍색 이미지 및 노란색 이미지로 구분하고, 검정색 이미지 데이터, 청록색 이미지 데이터, 진홍색 이미지 데이터 및 노란색 이미지 데이터를 화상 형성부(60)로 전송한다.
또한, 화상 형성부(60)는 화상 처리부(20)로부터 검정색 이미지 데이터, 청록색 이미지 데이터, 진홍색 이미지 데이터 및 노란색 이미지 데이터를 수신하고, 검정색 토너 이미지, 청록색 토너 이미지, 진홍색 토너 이미지 및 노란색 토너 이미지를 별도로 형성한다. 또한, 화상 형성부(60)는 검정색 토너 이미지, 청록색 토너 이미지, 진홍색 토너 이미지 및 노란색 토너 이미지를 혼합함으로써 컬러 이미지를 형성할 수 있다.
이처럼, 검정색 토너 이미지, 청록색 토너 이미지, 진홍색 토너 이미지 및 노란색 토너 이미지를 별도로 형성하기 위하여, 노광 모듈(61)은 도 4에 도시된 바와 같이 검정색 이미지에 대응하는 패턴의 광을 발신하는 제1 프린트 헤드(61K), 청록색 이미지에 대응하는 패턴의 광을 발신하는 제2 프린트 헤드(61C), 진홍색 이미지에 대응하는 패턴의 광을 발신하는 제3 프린트 헤드(61M), 노란색 이미지에 대응하는 패턴의 광을 발신하는 제4 프린트 헤드(61Y)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 프린트 헤드(61K)는 화상 처리부(20)로부터 검정색 이미지를 수신하고, 제어부(30)의 제어 신호에 따라 제1 현상 모듈(63K)의 감광 드럼(63a)에 검정색 이미지의 정전 잠상을 형성할 수 있다. 또한, 제1 현상 모듈(63K)가 검정색 이미지의 정전 잠상을 검정색 토너를 이용하여 현상함으로써 검정색 토너 이미지가 형성된다.
또한, 제2 프린트 헤드(61C)는 화상 처리부(20)로부터 청록색 이미지를 수신하고, 제어부(30)의 제어 신호에 따라 제2 현상 모듈(63C)의 감광 드럼(63a)에 청록색 이미지의 정전 잠상을 형성할 수 있다. 또한, 제2 현상 모듈(63C)가 청록색 이미지의 정전 잠상을 청록색 토너를 이용하여 현상함으로써 청록색 토너 이미지가 형성된다.
또한, 제3 프린트 헤드(61M)는 화상 처리부(20)로부터 진홍색 이미지를 수신하고, 제어부(30)의 제어 신호에 따라 제3 현상 모듈(63M)의 감광 드럼(63a)에 진홍색 이미지의 정전 잠상을 형성할 수 있다. 또한, 제3 현상 모듈(63M)가 진홍색 이미지의 정전 잠상을 진홍색 토너를 이용하여 현상함으로써 진홍색 토너 이미지가 형성된다.
또한, 제4 프린트 헤드(61Y)는 화상 처리부(20)로부터 노란색 이미지를 수신하고, 제어부(30)의 제어 신호에 따라 제4 현상 모듈(63Y)의 감광 드럼(63a)에 노란색 이미지에 대응하는 정전 잠상을 형성할 수 있다. 또한, 제4 현상 모듈(63Y)가 노란색 이미지의 정전 잠상을 노란색 토너를 이용하여 현상함으로써 노란색 토너 이미지가 형성된다.
화상 형성 장치(1)는 2차원 이미지를 형성할 수 있다.
화상 처리부(20)는 2차원 이미지를 복수의 1차원 이미지(라인 이미지)로 분할하고, 분할된 라인 이미지를 화상 형성부(60)의 노광 모듈(62)에 순차적으로 전송할 수 있다.
화상 형성부(60)는 감광 드럼(63a)이 회전하는 동안 감광 드럼(63a) 상에 1차원 토너 이미지를 순차적으로 형성하고, 감광 드럼(63a)에 형성된 1차원 토너 이미지를 전사 벨트(64a)를 통하여 인쇄 매체(P)에 순차적으로 전사한다. 그 결과, 인쇄 매체(P)에는 2차원 토너 이미지가 형성될 수 있다.
이처럼, 1차원 토너 이미지를 형성하기 위하여, 노광 모듈(61)은 도 5에 도시된 바와 같이 라인 광(Line Light)를 발신하는 프린트 헤드(80)를 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 프린트 헤드(80)는 앞서 설명된 제1 프린트 헤드(61K), 제2 프린트 헤드(61C), 제3 프린트 헤드(61M) 및 제4 프린트 헤드(61Y)를 대표하며, 제1 프린트 헤드(61K), 제2 프린트 헤드(61C), 제3 프린트 헤드(61M) 및 제4 프린트 헤드(61Y) 각각은 도 5에 도시된 프린트 헤드(80)와 동일한 형상일 수 있다.
도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 프린트 헤드(80)는 이미지 데이터에 따라 광을 발신하는 광원(84), 광원(84)를 지지하는 인쇄 회로 기판(83), 광원(84)에 전력 및 이미지 데이터를 제공하는 커넥터(85), 광원(84)로부터 발신된 광을 집광하는 광학 부재(82) 및 광원(84)와 인쇄 회로 기판(83)과 커넥터(85)와 광학 부재(82)를 보호하는 프린트 헤드 하우징(81)을 포함한다.
광원(84)는 복수의 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n)는 도 6 에 도시된 바와 같이 대략 일렬로 배치되며, 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n) 각각은 일렬로 배치된 복수의 발광 소자를 포함할 수 있다.
이와 같이 광원(84)은 대략 일렬로 배치된 복수의 발광 소자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 광원(84)는 40개의 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n)를 포함할 수 있으며, 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n) 각각은 256개의 발광 소자를 포함할 수 있다.
그 결과, 광원(84)는 대략 일렬로 배치된 10,240개의 발광 소자를 포함할 수 있다. 또한, 광원(54)은 일렬로 배치된 10,240개의 발광 소자를 이용하여 1200 DPI(Dot Per Inch) 이상의 해상도를 구현할 수 있다.
또한, 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n) 각각에 포함된 복수의 발광 소자는 구동 회로에 의하여 순차적으로 광을 발신할 수 있다.
예를 들어, 제1 발광 소자 어레이(84-1)에 포함된 복수의 발광 소자는 배치 순서에 따라 가장 왼쪽에서 배치된 발광 소자로부터 가장 오른쪽에 배치된 발광 소자까지 순차적으로 광을 발신할 수 있다.
또한, 제2 발광 소자 어레이(84-2)에 포함된 복수의 발광 소자는 배치 순서에 따라 가장 오른쪽에 배치된 발광 소자로부터 가장 오른쪽에 배치된 발광 소자까지 순차적으로 광을 발신할 수 있다.
이처럼, 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n) 각각에 포함된 복수의 발광 소자가 순차적으로 광을 발신함으로 인하여, 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n) 각각은 이미지 데이터를 수신하기 위한 하나의 단자를 포함할 수 있으며, 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n)의 면적을 감소시킬 수 있다.
인쇄 회로 기판(83)은 광원(84)을 고정한다. 구체적으로, 인쇄 회로 기판(83)은 광원(84)에 포함된 복수의 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n)를 고정할 수 있다.
또한, 인쇄 회로 기판(83)은 커넥터(85)와 함께 복수의 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n) 각각에 전력, 제어 신호 및 이미지 데이터를 전달할 수 있다. 구체적으로, 커넥터(85)는 제어부(30)로부터 송신된 제어 신호와 화상 처리부(20)로부터 송신된 이미지 데이터를 인쇄 회로 기판(83)에 전달하고, 인쇄 회로 기판(83)은 수신된 제어 신호와 이미지 데이터를 복수의 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n) 각각에 분배할 수 있다.
광원(84)에 포함된 복수의 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n)는 인쇄 회로 기판(83)으로부터 전달된 제어 신호와 이미지 데이터에 따라 순차적으로 광을 발신할 수 있다.
광학 부재(82)는 광원(84)이 발신한 광을 감광 드럼(63a)의 표면에 집중시킨다.
도 7에 도시된 바와 같이, 광원(84)은 사방으로 광을 발신한다. 광학 부재(82)는 광원(84)으로부터 사방으로 발신된 광을 감광 드럼(63a)의 표면에 집중시킨다. 이처럼, 사방으로 발신된 광을 집중시키기 위하여 광학 부재(82)는 결상 광학계 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 광학 부재(82)는 도 7에 도시된 바와 같이 광의 진행 방향이 변경되도록 렌즈의 중심으로부터 멀어질수록 굴절률이 증가하는 굴절률 분포형 렌즈(distributed index lens, gradient index lens, GRIN lens, rod lens)를 포함할 수 있다.
프린트 헤드 하우징(81)은 광원(84), 인쇄 회로 기판(83), 커넥터(85) 및 광학 부재(82)를 고정하고, 광원(84), 인쇄 회로 기판(83), 커넥터(85) 및 광학 부재(82)를 외부 충격으로부터 보호할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 프린트 헤드(80)는 일렬로 배치된 복수의 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n)를 포함하며, 복수의 발광 소자 어레이(84-1, 84-2, 84-3, ... 84-n) 각각은 일렬로 배치된 복수의 발광 소자를 포함할 수 있다.
이상에서는 프린트 헤드(80)의 구성이 설명되었다.
이하에서는 프린트 헤드(80)에 포함된 발광 소자 어레이의 구성 및 동작이 설명된다.
도 8은 사이리스터를 간략하게 도시한다. 도 9는 사이리스터의 전류-전압 관계를 도시한다. 다만, 도 8 및 도 9는 사이리스터를 설명하기 위한 도면일 뿐이며, 일 실시예에 의한 발광 소자가 도 8 및 도 9에 도시된 바에 한정되는 것은 아니다.
발광 소자로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 발광 사이리스터(thyristor) 또는 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)가 널리 이용된다. 프린트 헤드에는 3단자 발광 소자인 발광 사이리스터가 이용될 수 있다.
사이리스터(Th)는 도 8에 도시된 바와 같이 p-n-p-n 다이오드 구조로 형성되며, 애노드(anode) 단자(A), 캐소드(cathode) 단자(C) 및 게이트(gate) 단자(G)를 포함한다.
p-n-p-n 다이오드는 p형 반도체, n형 반도체, p현 반도체 및 n형 반도체가 순서대로 접합된 다이오드이다.
이러한 p-n-p-n 다이오드는 역방향으로는 전류를 통과시키지 않으며, 순방향으로는 상태에 따라 전류를 차단하거나, 전류를 통과시킬 수 있다. 구체적으로, 차단 상태에서 p-n-p-n 다이오드는 전류의 흐름을 차단하고, 전도 상태에서 p-n-p-n 다이오드는 순방향 전류(애노드 단자로부터 캐소드 단자로의 전류)를 통과시킬 수 있다.
p-n-p-n 다이오드의 차단 상태와 전도 상태는 p-n-p-n 다이오드에 인가되는 순방향 전압에 따라 결정된다.
예를 들어, 차단 상태의 p-n-p-n 다이오드에 브레이크오버 전압(breakover voltage) 보다 작은 전압이 인가되면 p-n-p-n 다이오드는 차단 상태를 유지하고, 전류를 통과시키지 않는다.
또한, 차단 상태의 p-n-p-n 다이오드에 브레이크오버 전압 이상의 전압이 인가되면, p-n-p-n 다이오드는 전도 상태로 전환되며 전류를 통과시킨다.
특히, 전도 상태로 전환된 p-n-p-n 다이오드의 경우, p-n-p-n 다이오드의 양단에 인가되는 전압의 크기가 브레이크오버 전압보다 작다. 다시 말해, p-n-p-n 다이오드가 차단 상태에서 전도 상태로 전환되면, p-n-p-n 다이오드의 양단 전압이 감소한다.
이때, p-n-p-n 다이오드의 2개의 n형 반도체 사이에 위치하는 p형 반도체에 전류를 공급할 수 있는 단자(게이트 단자)가 마련되면, 도 8의 좌측에 도시된 바와 같은 사이리스터(Th)가 형성된다.
이러한, 사이리스터(Th)는 도 8의 우측에 도시된 바와 같이 npn형 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor, BJT)와 pnp형 양극성 접합 트랜지스터(BJT)의 결합으로 모델링할 수 있다. 구체적으로, 사이리스터(Th)는 npn형 양극성 접합 트랜지스터의 콜렉터(collector) 단자와 pnp형 양극성 접합 트랜지스터의 베이스(base) 단자가 결합되고, npn형 양극성 접합 트랜지스터의 베이스(base) 단자와 pnp형 양극성 접합 트랜지스터의 콜렉터(collector) 단자가 결합된 형태이다. 또한, 사이리스터(Th)의 게이트 단자(G)는 npn형 양극성 접합 트랜지스터의 베이스(base) 단자와 연결된다.
이러한, 사이리스터(Th)는 게이트 단자(G)와 캐소드 단자(C) 사이의 전압에 따라 브레이크오버 전압의 값이 변화한다.
구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이 게이트 단자(G)에 공급되는 전류(IG)가 "0"이면, 사이리스터(Th)는 p-n-p-n 다이오드와 동일하게 동작한다.
게이트 단자(G)와 캐소드 단자(C) 사이에 전압(VGC)에 의한 전류(IG)가 게이트 단자(G)에 공급되면, 사이리스터(Th)의 브레이크오버 전압은 감소한다. 나이가, 게이트 단자(G)에 공급되는 전류(IG)가 증가할수록 사이리스터(Th)의 브레이크오버 전압을 점점 감소한다.
이때, 캐소드 단자(C)와 게이트 단자(G) 사이에 전압(VGC)이 사이리스터(Th)를 구성하는 물질의 에너지 밴드 갭(energy band gap)이 되면, 사이리스터(Th)는 PN 접합 다이오드와 유사하게 동작할 수 있다. 예를 들어, 사이리스터(Th)가 갈륨-비소(GaAs, 에너지 밴드 갭: 대략 1.4[eV])로 구성된 경우, 캐소드 단자(C)와 게이트 단자(G) 사이의 전압이 1.4[V]이 되면, 갈륨-비소 사이리스터는 갈륨-비소 PN 접합 다이오드와 유사하게 동작할 수 있다.
또한, 전도 상태(온 상태)의 사이리스터(Th)는 캐소드 단자(C)와 게이트 단자(G) 사이에 전압(VGC)에 의한 전류(IG)가 차단되더라도 전도 상태(온 상태)를 유지할 수 있다.
다시 말해, 사이리스터(Th)의 애노드 단자(A)와 캐소드단자(C) 사이에 브레이크오버 전압보다 작은 전압이 인가되면 사이리스터(Th)는 차단 상태(오프 상태)이다. 이때, 캐소드 단자(C)와 게이트 단자(G) 사이에 전압(VGC)이 사이리스터(Th)를 구성하는 물질의 에너지 밴드 갭(energy band gap) 이상이 되면,사이리스터(Th)는 전도 상태(온 상태)가 된다.
또한, 전도 상태(온 상태)의 사이리스터(Th)는 캐소드 단자(C)와 게이트 단자(G) 사이에 전압(VGC)이 인가되지 않더라도 전도 상태(온 상태)를 유지할 수 있다. 특히, 전도 상태(온 상태)의 사이리스터(Th)는 애노드 단자(A)와 캐소드 단자(C) 사이의 전압이 차단되면 비로소 오프된다.
PN 접합 다이오드와 마찬가지로 온 상태의 사이리스터(Th)에는 정공(h+)에 의한 전류와 전자(e-)에 의한 전류가 흐른다. 또한, 정공(h+)과 전자(e-)의 재결합(recombination)이 발생하며, 정공(h+)과 전자(e-)의 재결합에 의하여 광이 방출될 수 있다.
다시 말해, 사이리스터(Th) 역시 PN 접합 다이오드와 마찬가지로 발광 소자로 이용될 수 있다.
사이리스터(Th)의 이러한 전류-전압 특성과 발광 특성으로 인하여, 사이리스터(Th)는 프린트 헤드의 발광 소자로 이용될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 의한 프린트 헤드의 구동 회로를 도시한다. 도 11은 일 실시예에 의한 프린트 헤드의 제어 신호 및 이미지 데이터를 도시한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 발광 소자 어레이(84)는 복수의 사이리스터(Ts1와 Te1, Ts2와 Te2, Ts3와 Te3, ... ), 복수의 다이오드(D1, D2, D3, ...)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 발광 소자 어레이(84)는 광을 발신하는 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)와 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)를 순차적으로 온시키는 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...) 및 다이오드(D1, D2, D3, ...)를 포함할 수 있다.
또한, 발광 소자 어레이(84)에는 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)를 최초로 턴온시키기 위한 동작 개시 신호(φs), 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)를 순차적으로 턴온시키기 위한 제1 스캔 신호(φ1)와 제2 스캔 신호(φ2), 이미지 데이터가 순차적으로 입력되는 이미지 데이터 신호(φi)가 입력될 수 있다.
제1 발광 사이리스터(Te1)의 게이트 단자와 제1 스캔 사이리스터(Ts1)의 게이트 단자는 제1 게이트 노드(G1)에 연결되며, 제2 발광 사이리스터(Te2)의 게이트 단자와 제2 스캔 사이리스터(Ts2)의 게이트 단자는 제2 게이트 노드(G2)에 연결된다. 또한, 제1 게이트 노드(G1)와 제2 게이트 노드(G2) 사이에는 제1 다이오드(D1)가 마련될 수 있다. 다시 말해, 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)와 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)는 각각 쌍을 이루며, 한 쌍의 사이리스터(Ts1와 Te1, Ts2와 Te2, Ts3와 Te3, ... ) 사이에는 다이오드(D1, D2, D3, ...)가 마련될 수 있다.
또한, 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)와 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)의 게이트 단자와 연결된 제1 게이트 노드(G1)는 동작 개시 신호(φs) 라인과 연결될 수 있다.
또한, 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)의 애노드 단자는 전원(3V)에 연결되고, 캐소드 단자는 이미지 데이터 신호(φi) 라인에 연결될 수 있다.
제1, 제3 및 제5 스캔 사이리스터(Ts1, Ts3, T5)의 캐소드 단자는 제1 스캔 신호(φ1) 라인에 연결되고, 제2, 제4 및 제6 스캔 사이리스터(Ts2, Ts4, Ts6)의 캐소드 단자는 제2 스캔 신호(φ2) 라인에 연결될 수 있다. 다시 말해, 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)의 캐소드 단자는 제1 스캔 신호(φ1) 라인과 제2 스캔 신호(φ2) 라인에 교대로 연결될 수 있다.
또한, 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)의 애노드 단자는 전원(3V)에 연결될 수 있다.
발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...) 및 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)가 순차적으로 온되도록 동작 개시 신호(φs), 제1 스캔 신호(φ1) 및 제2 스캔 신호(φ2)가 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...) 및 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)에 입력될 수 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같은 동작 개시 신호(φs), 제1 스캔 신호(φ1) 및 제2 스캔 신호(φ2)가 입력될 수 있다.
도 11에 도시된 바에 의하면, 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...) 및 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)의 동작은 복수의 단계로 구별될 수 있으며, 각 단계마다 하나의 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)가 온될 수 있다.
우선, 발광 동작 전에는 동작 개시 신호(φs)는 "로우(0V)"이고, 제1 및 제2 스캔 신호(φ1, φ2)는 "하이(3V)"이다. 또한, 이미지 데이터 신호(φi)는 "하이(3V)"이다.
동작 개시 신호(φs)가 "로우(0V)"이고, 제1 및 제2 스캔 신호(φ1, φ2)가 "하이(3V)"이므로, 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 0[V]의 전압이 인가되고, 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)는 오프 상태를 유지한다.
또한, 동작 개시 신호(φs)가 "로우(0V)"이고, 이미지 데이터 신호(φi)가 "하이(3V)"이므로, 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 0[V]의 전압이 인가되고, 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)는 역시 오프 상태를 유지한다.
이후, 제1 단계(phase 1)에서 제1 스캔 신호(φ1)는 "로우(0V)"가 되고, 제2 스캔 신호(φ2)는 "하이(3V)"를 유지한다. 또한, 동작 개시 신호(φs)는 "하이(3V)"가 되고, 이미지 데이터 신호(φi)로써 제1 이미지 데이터(data1)가 입력된다.
제1 스캔 신호(φ1)가 "로우(0V)"이므로 제1 스캔 사이리스터(Ts1)의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 3[V]의 전압이 인가되고, 동작 개시 신호(φs)가 "하이(3V)"이므로 제1 스캔 사이리스터(Ts1)의 게이트 단자와 캐소드 단자 사이에 3[V]의 전압이 인가된다. 이처럼, 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 3[V]의 전압이 인가되고 게이트 단자와 캐소드 단자 사이에 3[V]의 전압이 인가되므로, 제1 스캔 사이리스터(Ts1)는 턴온될 수 있다.
제1 스캔 사이리스터(Ts1)가 온 상태가 되면, 제1 스캔 사이리스터(Ts1)의 게이트 단자의 전압은 애노드 단자의 전압과 대략 유사하게 된다. 예를 들어, 애노드 단자에 인가되는 전원의 전압이 3[V]이면, 제1 스캔 사이리스터(Ts1)의 게이트 단자의 전압은 대략 3[V]가 된다. 다시 말해, 제1 스캔 사이리스터(Ts1)가 온 상태인 동안, 제1 게이트 노드(G1)의 전압은 대략 3[V]가 된다.
이때, 제2 게이트 노드(G2)의 전압은 제1 게이트 노드(G1)의 전압과 제1 다이오드(D1)의 전압 강하 사이의 차이가 될 수 있다. 예를 들어, 제1 다이오드(D1)가 갈륨-비소(GaAs, 에너지 밴드 갭: 대략 1.4[eV])인 경우, 제1 다이오드(D1)의 전압 강하는 대략 1.4[V]이다. 따라서, 제2 게이트 노드(G2)의 전압은 대략 1.6[V]가 되고, 제3 게이트 노드(G3)의 전압은 대략 0.2[V]가 된다. 그 결과, 제3 스캔 사이리스터(Ts3)은 오프 상태를 유지한다.
또한, 제2 스캔 신호(φ2)가 "하이(3V)"이므로, 제2 스캔 사이리스터(Ts1)는 오프 상태를 유지한다.
제1 게이트 노드(G1)의 전압이 대략 3[V]이므로, 제1 발광 사이리스터(Te1)는 캐소드 단자의 전압 즉 이미지 데이터 신호(φi)인 제1 이미지 데이터(data1)에 따라 턴온되거나 오프 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이 제1 이미지 데이터(data1)가 "로우(0V)"이면, 제1 발광 사이리스터(Te1) 역시 턴온되며, 광을 발신할 수 있다.
이후, 제2 단계(phase 2)에서 제1 스캔 신호(φ1)는 "하이(3V)"가 되고, 제2 스캔 신호(φ2)는 "로우(0V)"가 된다. 또한, 이미지 데이터 신호(φi)로써 제2 이미지 데이터(data2)가 입력된다.
이때, 제1 스캔 신호(φ1)가 "하이(3V)"가 되기 앞서 제2 스캔 신호(φ2)가 먼저 "로우(0V)"가 되며, 제1 스캔 신호(φ1)와 제2 스캔 신호(φ2)가 모두 "로우(0V)"인 동안 이미지 데이터 신호(φi)는 "하이(3V)"가 된다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 스캔 신호(φ2)는 제1 시간(T1)에 "로우(0V)"가 되고, 제1 스캔 신호(φ1)는 제2 시간(T2)에 "하이(3V)"가 될 수 있다. 또한, 제1 시간(T1)과 제2 시간(T2) 사이에 이미지 데이터 신호(φi)는 "하이(3V)"가 된다.
앞서 설명된 바와 같이, 제1 스캔 사이리스터(Ts1)가 온 상태인 동안 제2 게이트 노드(G2)의 전압은 대략 1.6[V]를 유지할 수 있다. 또한, 제2 게이트 노드(G2)의 전압이 대략 대략 1.6[V]인 동안 제2 스캔 신호(φ2)가 "로우(0V)"가 되면, 제2 스캔 사이리스터(Ts2)의 게이트 단자와 캐소드 단자 사이의 전압이 대략 1.4[V]가 되고, 애노드 단자와 캐소드 단자 사이의 전압이 대략 3[V]가 될 수 있다. 그 결과, 제2 스캔 사이리스터(Ts2)가 턴온될 수 있다.
또한, 이미지 데이터 신호(φi)가 "하이(3V)"가 되므로 제1 발광 사이리스터(Te1) 역시 오프되고, 제1 스캔 신호(φ1)가 "하이(3V)"가 되면 제1 스캔 사이리스터(Ts1)는 오프된다. 이때, 제1 스캔 사이리스터(Ts1)는 턴오프되므로 제1 게이트 노드(G1)의 전압은 0[V]가 되고, 제1 발광 사이리스터(Te1)는 캐소드 단자의 전압이 상승하더라도 턴온되지 않는다.
제2 스캔 사이리스터(Ts2)가 턴온되므로, 제2 게이트 노드(G2)의 전압은 대략 3[V]가 된다. 또한, 제3 게이트 노드(G3)의 전압의 대략 1.6[V]가 되고, 제4 게이트 노드(G4)의 전압은 대략 0.2[V]가 된다. 따라서, 제4 스캔 사이리스터(Ts4)은 오프 상태를 유지한다.
또한, 제1 스캔 신호(φ1)가 "하이(3V)"이므로, 제3 스캔 사이리스터(Ts3)는 오프 상태를 유지한다.
제2 게이트 노드(G2)의 전압이 대략 3[V]이므로, 제2 발광 사이리스터(Te2)는 캐소드 단자의 전압 즉 이미지 데이터 신호(φi)인 제2 이미지 데이터(data2)에 따라 턴온되거나 오프 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이 제2 이미지 데이터(data2)가 "하이(3V)"이면, 제2 발광 사이리스터(Te2)는 오프 상태를 유지하고, 광을 발신하지 않는다.
이후, 제3 단계(phase 3)에서 제1 스캔 신호(φ1)는 "로우(0V)"가 되고, 제2 스캔 신호(φ2)는 "하이(3V)"가 된다. 또한, 이미지 데이터 신호(φi) 라인에 제3 이미지 데이터(data3)가 입력된다.
이때, 제2 스캔 신호(φ2)가 "하이(3V)"가 되기 앞서 제1 스캔 신호(φ1)가 먼저 "로우(0V)"가 되며, 제1 스캔 신호(φ1)와 제2 스캔 신호(φ2)가 모두 "로우(0V)"인 동안 이미지 데이터 신호(φi)는 "하이(3V)"가 된다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 스캔 신호(φ1)는 제3 시간(T3)에 "로우(0V)"가 되고, 제2 스캔 신호(φ2)는 제4 시간(T4)에 "하이(3V)"가 될 수 있다. 또한, 제3 시간(T3)과 제4 시간(T4) 사이에 이미지 데이터 신호(φi)는 "하이(3V)"가 된다.
앞서 설명된 바와 같이, 제2 스캔 사이리스터(Ts2)가 온 상태인 동안 제3 게이트 노드(G3)의 전압은 대략 1.6[V]를 유지할 수 있다. 또한, 제3 게이트 노드(G3)의 전압이 대략 대략 1.6[V]인 동안 제1 스캔 신호(φ1)가 "로우(0V)"가 되면, 제3 스캔 사이리스터(Ts3)의 게이트 단자와 캐소드 단자 사이의 전압이 대략 1.4[V]가 되고, 애노드 단자와 캐소드 단자 사이의 전압이 대략 3[V]가 될 수 있다. 그 결과, 제3 스캔 사이리스터(Ts3)가 턴온될 수 있다.
또한, 이미지 데이터 신호(φi)가 "하이(3V)"가 되므로 제2 발광 사이리스터(Te2)는 오프되고, 제2 스캔 신호(φ2)가 "하이(3V)"가 되면 제2 스캔 사이리스터(Ts2)는 오프된다. 이때, 제2 스캔 사이리스터(Ts2)는 턴오프되므로 제2 게이트 노드(G2)의 전압은 0[V]가 되고, 제2 발광 사이리스터(Te2)는 캐소드 단자의 전압이 상승하더라도 턴온되지 않는다.
제3 스캔 사이리스터(Ts3)가 턴온되므로, 제3 게이트 노드(G3)의 전압은 대략 3[V]가 된다. 또한, 제4 게이트 노드(G4)의 전압의 대략 1.6[V]가 되고, 제5 게이트 노드(G5)의 전압은 대략 0.2[V]가 된다. 따라서, 제5 스캔 사이리스터(Ts4)은 오프 상태를 유지한다.
또한, 제2 스캔 신호(φ2)가 "하이(3V)"이므로, 제4 스캔 사이리스터(Ts4)는 오프 상태를 유지한다.
제3 게이트 노드(G3)의 전압이 대략 3[V]이므로, 제3 발광 사이리스터(Te3)는 캐소드 단자의 전압 즉 이미지 데이터 신호(φi)인 제3 이미지 데이터(data3)에 따라 턴온되거나 오프 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이 제3 이미지 데이터(data3)가 "로우(0V)"이면, 제3 발광 사이리스터(Te3)는 턴온되고, 광을 발신할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 발광 소자 어레이(84)에 포함된 스캔 사이리스터(Ts1, Ts2, Ts3, ...)는 순차적으로 온되며, 발광 사이리스터(Te1, Te2, Te3, ...)는 이미지 데이터에 따라 순차적으로 광을 발신할 수 있다.
이상에서는 발광 소자 어레이(84)의 구성 및 동작이 설명되었다.
이하에서는 발광 소자 어레이(84)에 포함된 발광 사이리스터의 구성 및 동작이 설명된다.
도 12는 일 실시예에 의한 발광 소자의 측-단면을 도시한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 발광 소자(100)는 기본적으로 p-n-p-n 다이오드의 구조를 기본으로 2개의 n형 반도체 사이의 p형 반도체에 게이트 단자가 연결된 사이리스터 구조를 갖는다.
또한, 발광 소자(100)는 광을 발신하는 발광 층(110), 광을 반사하는 반사 층(120) 및 발광 소자(100)를 지지하는 기판(130)을 포함할 수 있다.
발광 소자(100)는 다양한 반도체 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 갈륨-비소(GaAs), 갈륨-질소(GaN), 인듐-비소(InAs) 등의 직접형 반도체가 이용될 수 있다. 특히, 갈륨-비소(GaAs)는 대략 1.43[eV]의 에너지 밴드 갭을 가지며, 대략 적외선 근방의 광을 방출할 수 있다. 또한, 갈륨-비소(GaAs)에 알루미늄(Al)을 혼합한 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs)는 알루미늄의 혼합 비율에 따라 광학적 특성이 달라질 수 있다.
이하에서는 발광 소자(100)는 갈륨-비소(GaAs) 또는 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs)로 구성된 것으로 가정한다.
발광 소자(100)의 기판(130)은 불순물이 혼합되지 않은 진성 갈륨-비소(GaAs) 반도체로 구성되거나, 아연(Zn) 등의 p형 불순물(억셉터, acceptor)이 혼합된 p형 갈륨-비소(GaAs) 반도체로 구성될 수 있다.
이러한 진성 반도체 또는 p형 반도체로 이루어진 기판(sub)상에 에피택셜을 성장시킴으로써 발광 층(110)과 반사 층(120)을 포함하는 p-n-p-n 다이오드 구조가 형성될 수 있다.
예를 들어, 기상 에피택시(vapor phase epitaxy, VPE) 또는 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)을 이용하여 제1 p형 반도체 층(p1)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 p형 반도체 층(p1)은 갈륨(Ga)과 비소(As)를 기본으로 아연(Zn) 등의 p형 불순물(억셉터, acceptor)이 혼합된 대기에서 에피택셜을 성장시킴으로써 형성될 수 있다.
또한, 제1 p형 반도체 층(p1)은 갈륨(Ga)과 함께 알루미늄(Al)을 혼합하여 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체로 형성될 수 있다. 이때, 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 혼합 비율은 설계하고자 하는 에너지 밴드 갭의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 p형 반도체 층(p1)은 알루미늄(Al) 대 비소(As)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As)일 수 있으며, 이때의 에너지 밴드 갭은 대략 대략 1.85[eV]이 된다.
또한, 제1 p형 반도체 층(p1)의 성장 중에 알루미늄의 혼합 비율을 변화시키면, 위치에 따라 알루미늄의 혼합 비율이 변화하는 p형 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체가 형성된다. 예를 들어, 제1 p형 반도체 층(p1)의 성장 중에 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율을 90:10에서 23:77으로 변경하고, 다시 23:77에서 90:10로 변경하면, 제1 p형 반도체 층(p1) 내에는 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체 층과 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체 층이 형성될 수 있다. 또한, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율 변경을 반복하면, 제1 p형 반도체 층(p1) 내에는 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체 층과 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체 층이 반복하여 형성될 수 있다.
이처럼, 알루미늄의 혼합 비율이 변화하는 p형 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체는 광을 반사할 수 있는 반사 층(120)이 된다. 반사 층(120)의 구성은 아래에서 자세하게 설명된다.
이후, 기상 에피택시(vapor phase epitaxy, VPE) 또는 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)을 이용하여 제1 n형 반도체 층(n1)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 n형 반도체 층(n1)은 갈륨(Ga)과 비소(As)를 기본으로 황(S) 등의 n형 불순물(도너, donor)이 혼합된 대기에서 에피택셜을 성장시킴으로써 형성될 수 있다.
또한, 제1 n형 반도체 층(n1)은 갈륨(Ga)과 함께 알루미늄(Al)을 혼합하여 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체로 형성될 수 있다. 이때, 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 혼합 비율은 발신하고자 하는 광의 파장에 따라 달라질 수 있다. 다시 말해, 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 혼합 비율은 설계하고자 하는 에너지 밴드 갭의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 780nm의 광을 발신하고자 하는 경우, 에너지 밴드 갭은 대략 1.6[eV]이며, 알루미늄(Al) 대 비소(As)의 비율은 13:87이 된다.
그 결과, 제1 n형 반도체 층(n1)은 알루미늄(Al) 대 비소(As)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga83As)일 수 있다.
이후, 기상 에피택시(vapor phase epitaxy, VPE) 또는 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)을 이용하여 제2 p형 반도체 층(p2)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 p형 반도체 층(p2)은 갈륨(Ga)과 비소(As)를 기본으로 아연(Zn) 등의 p형 불순물(억셉터, acceptor)이 혼합된 대기에서 에피택셜을 성장시킴으로써 형성될 수 있다.
또한, 제2 p형 반도체 층(p2)은 갈륨(Ga)과 함께 알루미늄(Al)을 혼합하여 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체로 형성될 수 있다. 이때, 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 혼합 비율은 발신하고자 하는 광의 파장에 따라 달라질 수 있다. 다시 말해, 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 혼합 비율은 설계하고자 하는 에너지 밴드 갭의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 780nm의 광을 발신하고자 하는 경우, 에너지 밴드 갭은 대략 1.6[eV]이며, 알루미늄(Al) 대 비소(As)의 비율은 13:87이 된다.
그 결과, 제2 p형 반도체 층(n1)은 알루미늄(Al) 대 비소(As)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga83As)일 수 있다.
이후, 기상 에피택시(vapor phase epitaxy, VPE) 또는 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)을 이용하여 제2 n형 반도체 층(n2)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 n형 반도체 층(n2)은 갈륨(Ga)과 비소(As)를 기본으로 황(S) 등의 n형 불순물(도너, donor)이 혼합된 대기에서 에피택셜을 성장시킴으로써 형성될 수 있다.
또한, 제2 n형 반도체 층(n2)은 갈륨(Ga)과 함께 알루미늄(Al)을 혼합하여 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체로 형성될 수 있다. 이때, 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 혼합 비율은 설계하고자 하는 에너지 밴드 갭의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제2 n형 반도체 층(n2)은 알루미늄(Al) 대 비소(As)의 비율이 25:75인 알루미늄-갈륨-비소(Al25Ga75As)일 수 있으며, 이때의 에너지 밴드 갭은 대략 대략 1.75[eV]가 된다.
이와 같은 제1 p형 반도체(p1), 제1 n형 반도체(n1), 제2 p형 반도체(p2) 및 제2 n형 반도체(n2)가 형성되고, 서로 접합되면 p-n-p-n 다이오드 구조가 형성되며, p-n-p-n 다이오드 구조가 광을 발신할 수 있는 발광 층(110)이 된다.
이처럼, 반사 층(120)은 p-n-p-n 다이오드 구조의 제1 p형 반도체(p1)에 형성되고, 발광 층(110)은 제1 p형 반도체(p1), 제1 n형 반도체(n1), 제2 p형 반도체(p2) 및 제2 n형 반도체(n2)가 결합되어 형성된다.
이하에서는 발광 층(110)과 반사 층(120)이 별도로 설명되나, 발광 층(110)과 반사 층(120)은 p-n-p-n 다이오드 구조의 일부이다.
우선, 발광 층(110)이 설명된다.
도 13은 일 실시예에 의한 발광 소자의 발광 층을 도시한다. 도 14는 일 실시예에 의한 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다. 도 15는 일 실시예에 의한 발광 소자로부터 발신된 광의 스펙트럼을 도시한다.
발광 층(110)은 도 13에 도시된 바와 같이 제1 p형 반도체 층(111), 제1 n형 반도체 층(112), 제2 p형 반도체 층(113) 및 제3 n형 반도체 층(114)을 포함할 수 있으며, 제1 p형 반도체 층(111), 제1 n형 반도체 층(112), 제2 p형 반도체 층(113) 및 제2 n형 반도체 층(114)은 순서대로 적층될 수 있다.
이때, 제1 p형 반도체 층(111), 제1 n형 반도체 층(112), 제2 p형 반도체 층(113) 및 제2 n형 반도체 층(114) 각각은 갈륨-비소에 알루미늄이 혼합된 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체일 수 있다. 또한, 제1 p형 반도체 층(111), 제1 n형 반도체 층(112), 제2 p형 반도체 층(113) 및 제3 n형 반도체 층(114)의 알루미늄(Al)의 혼합 비율은 서로 상이할 수 있다.
예를 들어, 제1 p형 반도체 층(111)는 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체일 수 있다. 이때, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체의 에너지 밴드 갭은 대략 1.85[eV]이다.
또한, 제1 n형 반도체 층(112)는 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체일 수 있다. 이때, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체의 에너지 밴드 갭은 대략 1.6[eV]이다.
또한, 제2 p형 반도체 층(113)는 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체일 수 있다. 이때, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체의 에너지 밴드 갭은 대략 1.6[eV]이다.
또한, 제2 n형 반도체 층(114)는 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 25:75인 알루미늄-갈륨-비소(Al25Ga75As) 반도체일 수 있다. 이때, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 25:75인 알루미늄-갈륨-비소(Al25Ga75As) 반도체의 에너지 밴드 갭은 대략 1.75[eV]이다.
이처럼, 제1 p형 반도체 층(111), 제1 n형 반도체 층(112), 제2 p형 반도체 층(113) 및 제2 n형 반도체 층(114)의 알루미늄(Al) 혼합 비율을 조절함으로써, 제1 n형 반도체 층(112) 또는 제2 p형 반도체 층(113)에서 광이 발신될 수 있다.
발광 층(110)을 포함하는 발광 소자(100)가 턴온되면, 도 13에 도시된 바와 같이 캐소드 단자(C)로부터 발광 소자(100)의 전도 대역(conduction band, Ec)로 전자(e-)가 공급되고, 애노드 단자(A)로부터 발광 소자(100)의 가전자 대역(valence band, Ev)으로 정공(h+)이 공급된다. 또한, 공급된 전자(e-)와 정공(h+)은 제1 n형 반도체 층(112) 또는 제2 p형 반도체 층(113)에서 에너지 밴드 갭(Eg)을 넘어 재결합(recombination)될 수 있다. 특히, 전자(e-)의 이동도(mobility)는 정공(h+)의 이동도보다 크므로 전자(e-)와 정공(h+)의 재결합은 주로 제1 n형 반도체 층(112)에서 발생할 수 있다.
또한, 전자(e-)와 정공(h+)이 재결합되면, 반도체의 에너지 밴드 갭에 해당하는 에너지를 갖는 광이 발신된다.
예를 들어, 제1 n형 반도체 층(112)이 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체인 경우, 도 14에 도시된 바와 같이 제1 n형 반도체(112)의 에너지 밴드 갭은 대략 1.6[eV]이며, 전자(e-)와 정공(h+)의 재결합에 의하여 파장이 780[nm]인 광(L)이 발신된다. 다시 말해, 제1 n형 반도체 층(112)에서 적외선이 발신될 수 있다.
이와 같이 전자(e-)와 정공(h+)의 재결합에 의하여 생성된 광은 특정한 방향으로 방출되는 것이 아니며 광은 사방으로 방출될 수 있다.
이처럼, 사방으로 방출된 광 중 일부는 기판(130)에 의하여 흡수되어 열 에너지로 전환될 수 있다. 그 결과, 발광 소자(100)의 온도가 상승할 수 있다. 또한, 반도체 소자의 온도가 변화함에 따라 반도체 소자의 에너지 밴드 갭이 변환하는 것으로 알려져 있다. 구체적으로, 반도체 소자의 온도가 상승함에 따라 반도체 소자의 에너지 밴드 갭이 감소하는 것으로 알려져 있다.
따라서, 발광 소자(100)의 온도가 상승함에 따라 제1 n형 반도체 층(112)의 에너지 밴드 갭이 감소하며, 전자(e-)와 정공(h+)의 재결합에 의하여 생성되는 광의 파장이 증가한다.
예를 들어, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체가 파장이 대략 780[nm]인 광을 발신하는 경우, 도 15에 도시된 바와 같이 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체의 온도 상승에 따라 방출되는 광의 파장이 증가할 수 있다.
구체적으로, 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체의 온도 변화에 따른 파장의 변화는 [△λ=0.24/△T, 단, △λ는 파장의 변화, △T는 온도 변화]으로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 발광 소자(100)의 온도가 20℃ 상승하면 발광 소자(100)가 방출하는 광의 파장은 대략 4.8nm 증가할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 발광 층(110)은 전자(e-)와 정공(h+)의 재결합에 의하여 특정한 파장의 광을 발신할 수 있다. 또한, 발광 층(110)이 발신하는 광의 파장은 발광 소자(100)의 온도 상승에 따라 증가할 수 있다.
이하에서는 반사 층(120)이 설명된다.
도 16은 일 실시예에 의한 발광 소자의 발광 및 광 반사를 도시한다. 도 17은 브래그 미러(bragg reflector)에 의한 광 반사를 도시한다. 도 18은 알루미늄-갈륨-비소 반도체의 알루미늄 비율에 따른 광 굴절률을 도시한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 광은 발광 층(110)으로부터 사방으로 방출된다. 구체적으로, 발광 층(110)으로부터 생성된 일부의 광(L1)은 외부로 방출될 수 있으며, 발광 층(110)으로부터 생성된 일부의 광(L2)은 발광 소자(110)의 기판(130)을 향하여 방출될 수 있다.
기판(130)을 향하여 방출된 광이 기판(130)에 의하여 흡수되는 경우, 발광 소자(100)의 온도는 급격히 상승되며, 발광 소자(100)의 성능이 불량화(degradation)될 수 있다.
이러한, 불량화를 방지하기 위하여, 발광 층(110)과 기판(130) 사이에 반사 층(120)이 마련되며, 기판(130)을 향하여 방출된 광은 반사 층(120)에 의하여 반사될 수 있다.
예를 들어, 기판(130)을 향하여 방출된 광 중 일부의 광(L3)은 반사 층(120)에 의하여 반사되어 외부로 방출될 수 있으며, 다른 일부의 광(L4)은 반사 층(120)을 통과하여 기판(130)에서 흡수될 수 있다.
이때, 반사 층(120)은 구조에 따라 특정한 파장을 갖는 광을 반사하거나, 특정 범위의 파장을 갖는 광을 반사할 수 있다.
반사 층(120)은 브래그 반사(bragg reflection)을 이용한 브래그 미러(bragg mirror)를 포함할 수 있다.
브래그 반사는 굴절률이 서로 다른 2개의 층을 포함하는 물질에 광이 입사되는 경우, 특정한 입사 각도에서 물질의 반사률이 매우 큰 현상을 의미한다.
구체적으로, 도 17에 도시된 바와 같이 제1 굴절률(index_1)을 갖는 제1 층과 제2 굴절률(index_2)을 갖는 제2 층을 포함하는 물질에 광(L1)을 조사하는 경우, 제1 층의 경계면(B1)에서 제1 반사 광(L2)이 반사되고, 제1 층과 제2 층의 경계면(B2)에서 제2 반사 광(L3)이 반사되고, 제2 층의 경계면(B3)에서 제3 반사 광(L4)이 반사될 수 있다. 이때, 각 층의 두께가 다음의 수학식 1을 만족할 경우, 제1 반사 광(L2), 제2 반사 광(L3) 및 제3 반사 광(L4)은 서로 보강 간섭을 일으킬 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015112415778-pat00001
단, d는 각 층의 두께이고, λ는 반사 광의 파장이고, n은 각 층의 굴절률을 나타낸다.
이와 같은 브래그 반사를 이용하여, 서로 다른 굴절률을 갖는 한 쌍의 층이 여러 층 적층되면, 특정한 파장의 광에 대하여 높은 반사율을 갖는 분포형 브래그 반사기(distributed bragg reflector, DBR)가 생성된다.
발광 소자(100)의 반사 층(120)은 이러한 분포형 브래그 반사기(DBR)로 구성될 수 있다.
이때, 각 층의 굴절률은 알루미늄(AI)의 합금 비율로서 조절될 수 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체의 굴절률은 광의 파장과 알루미늄(Al)의 비율에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 광의 파장이 780nm인 경우, 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체의 굴절률은 알루미늄(Al)의 비율이 증가할수록 감소한다.
즉, 알루미늄(Al)의 비율을 위치에 따라 주기적으로 변화시키면 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체의 굴절률이 위치에 따라 주기적으로 변화할 수 있으며, 분포형 브래그 반사기(DBR)가 생성될 수 있다.
이하에서는 반사 층(120)의 구체적인 예가 설명된다.
도 19는 일 실시예에 의한 발광 소자에 포함된 반사 층의 일 예를 도시한다. 도 20은 도 19에 도시된 반사 층의 반사율을 도시한다.
도 19에 도시된 바와 같이, 반사 층(121)은 복수의 서브 반사 층(121-1, 121-2, ... 121-n)을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 서브 반사 층(121-1, 121-2, ... 121-n)은 저-굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)과 고-굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)을 포함할 수 있다. 따라서, 반사 층(121)은 전체적으로 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)과 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)이 반복된다.
저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)의 두께(da)와 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)의 두께(db)는 서로 다를 수 있으며, 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)의 두께(da)와 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)의 두께(db)은 반사 층(121) 전체에서 일정하다.
또한, 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)의 굴절률(index_a)와 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)의 굴절률(index_b)는 서로 다를 수 있으며, 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)의 굴절률(index_a)와 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)의 굴절률(index_b)는 반사 층(121) 전체에서 일정하다.
이때, 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)의 두께(da) 및 굴절률(index_a)와 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)의 두께(db) 및 굴절률(index_b)는 목표 파장에 의하여 정해질 수 있다.
예를 들어, 반사 층(121)이 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체인 경우, 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체이고, 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체일 수 있다. 또한, 반사 층(121) 이외의 부분은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체일 수 있다.
또한, 목표 파장이 780nm 인 경우, 도 18을 참조하면 파장이 780nm 부근인 광에 대한 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체의 굴절률(index_a)은 대략 3.09이고, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체의 굴절률(index_b)은 대략 3.49이다. 또한, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체의 굴절률(index_0)는 대략 3.4이다.
[수학식 1]에 의하면, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.09인 경우 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 63.7nm이다. 따라서, 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체의 두께(da)는 대략 63.7nm이 된다.
또한, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.49인 경우, 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 56.0nm이다. 따라서, 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체의 두께(db)는 대략 56.0nm가 된다.
그 결과, 반사 층(121)은 굴절률(index_a)이 대략 3.09이고 두께(da)가 대략 63.7nm인 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)과 굴절률(index_b)이 대략 3.49이고 두께(db)가 대략 56.0인 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)이 반복될 수 있다.
또한, 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)과 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)을 포함하는 서브 반사 층(121-1, 121-2, ... 121-n)은 모두 동일한 파장의 광을 반사할 수 있다.
광의 파장 및 광의 입사각에 따른 반사 층(121)의 반사율은 도 20에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 도 20은 각각 12개의 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)과 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)을 포함하는 반사 층(121)의 반사율을 도시한다. 이때, 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)은 대략 63.7nm의 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체로 구성되고, 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)은 대략 56.0nm의 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체로 구성될 수 있다.
도 20을 참조하면, 780nm 파장의 광의 경우, 반사 층(121)의 반사율은 대부분의 입사각에서 80% 이상이다. 다만, 입사각이 12도를 초과하면 입사각이 증가함에 따라 반사 층(121)의 반사율이 감소하며, 입사각이 대략 15도인 경우 반사 층(121)의 반사율은 대략 70%가 된다.
그러나, 800nm 파장의 광의 경우, 입사각이 0도인 경우 반사 층(121)의 반사율은 대략 80% 이상이나, 입사각이 증감함에 따라 반사 층(121)의 반사율은 감소하며, 입사각이 대략 10도인 경우 반사 층(121)의 반사율은 대략 70%까지 감소한다. 특히, 입사각이 10도를 초과하면 반사율을 급격히 감소하여, 입사각이 16도 인 경우 반사율은 대략 30% 근방까지 감소한다.
이처럼, 반사 층(121)에 포함된 저 굴절률 층(121-1a, 121-2a, ... 121-na)과 고 굴절률 층(121-1b, 121-2b, ... 121-nb)의 굴절률(index_a, index_b)과 두께(da, db)가 일정한 경우, 반사 층(121)은 특정한 파장의 광(상기 예시에서 파장이 780nm인 광)에 대하여 80% 이상의 반사율을 갖지만, 파장이 더 큰 광(상기 예시에서 파장이 800nm인 광)에 대하여 반사율이 낮아진다.
다시 말해, 일정한 굴절률(index_a, index_b)과 두께(da, db)를 갖는 복수의 서브 반사 층(121-1, 121-2, ... 121-n)을 포함하는 반사 층(121)은 높은 반사율을 갖는 파장의 범위가 좁다.
도 21은 일 실시예에 의한 발광 소자에 포함된 반사 층의 다른 일 예를 도시한다. 도 22은 도 21에 도시된 반사 층의 반사율을 도시한다.
도 21에 도시된 바와 같이, 반사 층(122)은 복수의 서브 반사 층(122-1, 122-2, ... 122-n)을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 서브 반사 층(122-1, 122-2, ... 122-n)은 저-굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)과 고-굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)을 포함할 수 있다. 따라서, 반사 층(122)은 전체적으로 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)과 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)이 반복된다.
저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)의 굴절률(index_a)와 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 굴절률(index_b)는 서로 다를 수 있으며, 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)의 굴절률(index_a)와 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 굴절률(index_b)는 반사 층(122) 전체에서 일정할 수 있다.
또한, 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)의 두께(da1, da2, ... dan)와 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 두께(db1, db2, ... dbn)는 서로 다를 수 있으며, 반사 층(122) 내에서 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)의 두께(da1, da2, ... dan)와 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 두께(db1, db2, ... dbn)는 각각 변화할 수 있다.
이때, 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)의 두께(da1, da2, ... dan)와 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 두께(db1, db2, ... dbn)는 목표하는 파장 범위에 따라 변화할 수 있다.
예를 들어, 반사 층(122)이 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체인 경우, 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체이고, 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체일 수 있다. 또한, 반사 층(122) 이외의 부분은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체일 수 있다.
또한, 목표 파장의 범위가 780nm에서 800nm인 경우, 도 18을 참조하면 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체의 굴절률(index_a)은 대략 3.09이고, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체의 굴절률(index_b)은 대략 3.49이다. 또한, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체의 굴절률(index_0)는 대략 3.4이다.
[수학식 1]에 의하면, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.09인 경우 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 63.7nm이다. 따라서, 제1 저 굴절률 층(122-1a)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체의 두께(da1)는 대략 63.7nm이 된다.
또한, 파장이 800nm인 광에 대하여 굴절률이 3.09인 경우 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 65.4nm이다. 따라서, 제n 저 굴절률 층(122-na)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체의 두께(dan)는 대략 65.4nm이 된다.
따라서, 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)의 두께(da1, da2, ... dan)는 대략 63.7nm에서 대략 65.4nm까지 점진적으로 변화할 수 있다.
또한, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.49인 경우, 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 56.0nm이다. 따라서, 제1 고 굴절률 층(122-1b)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체의 두께(db1)는 대략 56.0nm가 된다.
또한, 파장이 800nm인 광에 대하여 굴절률이 3.49인 경우 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 57.8nm이다. 따라서, 제n 저 굴절률 층(122-nb)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체의 두께(dbn)는 대략 57.8nm이 된다.
따라서, 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 두께(db1, db2, ... dbn)는 대략 56.0nm에서 대략 57.8nm까지 점진적으로 변화할 수 있다.
또한, 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)과 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)을 포함하는 서브 반사 층(122-1, 122-2, ... 122-n) 각각은 서로 다른 파장의 광을 반사할 수 있다.
이상의 예시에서는 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)의 두께(da1, da2, ... dan)와 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 두께(db1, db2, ... dbn)가 상부에서 하부로 갈수록 두꺼워지는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)의 두께(da1, da2, ... dan)와 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 두께(db1, db2, ... dbn)는 상부에서 하부로 갈수록 얇아질 수 있다.
광의 파장 및 광의 입사각에 따른 반사 층(122)의 반사율은 도 22에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 도 22은 각각 12개의 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)과 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)을 포함하는 반사 층(122)의 반사율을 도시한다. 이때, 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)은 대략 63.7nm에서 대략 65.4nm까지의 두께를 갖는 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체로 구성되고, 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)은 대략 56.0nm에서 대략 57.8nm까지의 두께를 갖는 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체로 구성될 수 있다.
도 22를 참조하면, 780nm 파장의 광의 경우, 반사 층(122)의 반사율은 0도에서 16도까지의 입사각에서 반사율이 80% 이상이다.
또한, 800nm 파장의 광의 경우, 입사각이 0도에서 10도까지의 입사각에서 반사율이 80% 이다. 입사각이 10도를 초과하면 반사율이 감소하나, 입사각이 대략 16도인 경우 반사율은 60% 정도를 유지한다.
이처럼, 반사 층(122)에 포함된 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)과 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 두께가 변화하는 경우, 반사 층(122)은 일정한 파장 범위에서 높은 반사율을 유지할 수 있다. 다시 말해, 변화하는 두께를 갖는 복수의 서브 반사 층(122-1, 122-2, ... 122-n)을 포함하는 반사 층(122)은 넓은 파장 범위에서 높은 반사율을 나타낼 수 있다.
특히, 도 20과 도 22를 비교하면, 800nm 파장의 광에 대하여 복수의 서브 반사 층(122-1, 122-2, ... 122-n)의 두께가 변화하는 반사 층(122)은 복수의 서브 반사 층(121-1, 121-2, ... 121-n)의 두께가 일정한 반사 층(121)에 비하여 넓은 파장 범위에서 반사율이 향상된다.
도 23은 일 실시예에 의한 발광 소자에 포함된 반사 층의 또 다른 일 예를 도시한다. 도 24은 도 23에 도시된 반사 층의 반사율을 도시한다.
도 23에 도시된 바와 같이, 반사 층(123)은 복수의 서브 반사 층(123-1, 123-2, ... 123-n)을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 서브 반사 층(123-1, 123-2, ... 123-n)은 저-굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)과 고-굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)을 포함할 수 있다. 따라서, 반사 층(123)은 전체적으로 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)과 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)이 반복된다.
저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)의 두께(da)와 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)의 두께(db)는 서로 다를 수 있으며, 반사 층(123) 내에서 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)의 두께(da)와 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)의 두께(db)는 각각 일정하다.
또한, 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)의 굴절률(index_a1, index_a2, ... index_an)와 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)의 굴절률(index_b1, index_b2, ... index_bn)는 서로 다를 수 있으며, 반사 층(123) 내에서 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)의 굴절률(index_a1, index_a2, ... index_an)와 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)의 굴절률(index_b1, index_b2, ... index_bn)는 각각 변화할 수 있다.
이때, 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)의 굴절률(index_a1, index_a2, ... index_an)와 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)의 굴절률(index_b1, index_b2, ... index_bn)는 목표하는 파장 범위에 따라 변화할 수 있다.
예를 들어, 반사 층(123)이 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체인 경우, 제1 저 굴절률 층(123-1a)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체이고, 제1 고 굴절률 층(122-1b)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체일 수 있다. 또한, 반사 층(123) 이외의 부분은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체일 수 있다.
또한, 목표 파장의 범위가 780nm에서 800nm인 경우, 도 18을 참조하면 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체의 굴절률(index_a)은 대략 3.09이고, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체의 굴절률(index_b)은 대략 3.49이다. 또한, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체의 굴절률(index_0)는 대략 3.4이다.
[수학식 1]에 의하면, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.09인 경우 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 63.7nm이다. 따라서, 제1 저 굴절률 층(123-1a)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체의 두께(da1)는 대략 63.7nm이 된다.
또한, 파장이 800nm인 광에 대하여 두께가 대략 63.7nm인 경우, 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 굴절률은 대략 3.2이다. 따라서, 제n 저 굴절률 층(123-an)의 굴절률(index_an)는 3.2가 된다. 도 18을 참조하면, 파장이 800nm인 광에 대하여 굴절률이 3.2인 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율은 대략 80:20이다. 따라서, 제n 저 굴절률 층(123-an)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 80:20인 알루미늄-갈륨-비소(Al80Ga20As) 반도체로 구성된다.
따라서, 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)의 굴절률(index_a1, index_a2, ... index_an)은 대략 3.09에서 대략 3.2까지 점진적으로 변화할 수 있으며, 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)를 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체의 알루미늄 비율을 90%에서 80%까지 점진적으로 변화할 수 있다.
또한, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.49인 경우 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 56.0nm이다. 따라서, 제1 고 굴절률 층(123-1b)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체의 두께(db1)는 대략 56.0nm이 된다.
또한, 파장이 800nm인 광에 대하여 두께가 대략 56.0nm인 경우, 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 굴절률은 대략 3.497이다. 따라서, 제n 저 굴절률 층(123-bn)의 굴절률(index_bn)는 3.497가 된다. 도 18을 참조하면, 파장이 800nm인 광에 대하여 굴절률이 3.497인 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율은 대략 15:85이다. 따라서, 제n 고 굴절률 층(123-bn)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 15:85인 알루미늄-갈륨-비소(Al15Ga85As) 반도체로 구성된다.
따라서, 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)의 굴절률(index_b1, index_b2 ... index_bn)은 대략 3.49에서 대략 3.497까지 점진적으로 변화할 수 있으며, 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)를 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체의 알루미늄 비율을 23%에서 15%까지 점진적으로 변화할 수 있다.
또한, 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)과 고 굴절률 층(122-1b, 123-2b, ... 123-nb)을 포함하는 서브 반사 층(123-1, 123-2, ... 123-n) 각각은 서로 다른 파장의 광을 반사할 수 있다.
이상의 예시에서는 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)의 굴절률(index_a1, index_a2, ... index_an)와 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)의 굴절률(index_b1, index_b2 ... index_bn)이 상부에서 하부로 갈수록 증가하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)의 굴절률(index_a1, index_a2, ... index_an)와 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)의 굴절률(index_b1, index_b2 ... index_bn)은 상부에서 하부로 갈수록 감소할 수 있다.
광의 파장 및 광의 입사각에 따른 반사 층(123)의 반사율은 도 24에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 도 24는 각각 12개의 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)과 고 굴절률 층(123-1b, 123-2b, ... 123-nb)을 포함하는 반사 층(123)의 반사율을 도시한다. 이때, 저 굴절률 층(123-1a, 123-2a, ... 123-na)은 대략 3.09에서 대략 3.2까지의 굴절률을 갖는 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체로 구성되고, 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)은 대략 3.49에서 대략 3.497까지의 굴절률를 갖는 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체로 구성될 수 있다.
도 24를 참조하면, 780nm 파장의 광의 경우, 반사 층(123)의 반사율은 0도에서 16도까지의 입사각에서 반사율이 80% 이상이다.
또한, 800nm 파장의 광의 경우, 입사각이 0도에서 10도까지의 입사각에서 반사율이 80% 이다. 입사각이 10도를 초과하면 반사율이 감소하나, 입사각이 대략 16도인 경우 반사율은 60% 정도를 유지한다.
이처럼, 반사 층(123)에 포함된 저 굴절률 층(122-1a, 122-2a, ... 122-na)과 고 굴절률 층(122-1b, 122-2b, ... 122-nb)의 굴절률이 변화하는 경우, 반사 층(122)은 일정한 파장 범위에서 높은 반사율을 유지할 수 있다. 다시 말해, 변화하는 굴절률을 갖는 복수의 서브 반사 층(122-1, 122-2, ... 122-n)을 포함하는 반사 층(122)은 넓은 파장 범위에서 높은 반사율을 나타낼 수 있다.
특히, 도 20과 도 24를 비교하면, 800nm 파장의 광에 대하여 복수의 서브 반사 층(123-1, 123-2, ... 123-n)의 굴절률이 변화하는 반사 층(123)은 복수의 서브 반사 층(121-1, 121-2, ... 121-n)의 굴절률이 일정한 반사 층(121)에 비하여 넓은 파장 범위에서 반사율이 향상된다.
도 25는 일 실시예에 의한 발광 소자에 포함된 반사 층의 또 다른 일 예를 도시한다. 도 26은 도 25에 도시된 반사 층의 반사율을 도시한다.
도 25에 도시된 바와 같이 반사 층(124, 125)는 제1 반사 층(124)과 제2 반사 층(125)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 이상에서 설명된 반사 층(121, 122, 123)는 두께 및 굴절률이 일정하거나 굴절률이 일정하거나 두께가 일정한 복수의 서브 반사 층을 포함하였다. 반면, 도 25에 도시된 반사 층(124, 125)은 두께 및 굴절률이 상이한 제1 반사 층(124)과 제2 반사 층(125)을 포함한다.
제1 반사 층(124)은 복수의 서브 반사 층(124-1, 124-2, ... 124-n)을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 서브 반사 층(124-1, 124-2, ... 124-n)은 저-굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)과 고-굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 반사 층(124)은 전체적으로 저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)과 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)이 반복된다.
저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)의 굴절률(index_a)와 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)의 굴절률(index_b)는 서로 다를 수 있으며, 저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)의 굴절률(index_a)와 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)의 굴절률(index_b)는 제1 반사 층(124) 전체에서 일정할 수 있다.
또한, 저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)의 두께(da)와 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)의 두께(db)는 서로 다를 수 있으며, 제1 반사 층(124) 내에서 저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)의 두께(da)와 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)의 두께(db)는 각각 일정할 수 있다.
이때, 저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)의 두께(da)와 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)의 두께(db)는 목표 파장에 따라 변화할 수 있다.
예를 들어, 제1 반사 층(124)이 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체인 경우, 저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체이고, 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체일 수 있다. 또한, 반사 층(124, 125) 이외의 부분은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체일 수 있다.
또한, 목표 파장이 780nm인 경우, 도 18을 참조하면 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 90:10인 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체의 굴절률(index_a)은 대략 3.09이고, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 23:77인 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체의 굴절률(index_b)은 대략 3.49이다. 또한, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체의 굴절률(index_0)는 대략 3.4이다.
[수학식 1]에 의하면, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.09인 경우 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 63.7nm이다. 따라서, 저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체의 두께(da)는 대략 63.7nm이 된다.
또한, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.49인 경우, 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 56.0nm이다. 따라서, 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체의 두께(db)는 대략 56.0nm가 된다.
제2 반사 층(125) 역시 복수의 서브 반사 층(125-1, 125-2, ... 125-n)을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 서브 반사 층(125-1, 125-2, ... 125-n)은 저-굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)과 고-굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)을 포함할 수 있다. 따라서, 제2 반사 층(125)은 전체적으로 저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)과 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)이 반복된다.
저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)의 굴절률(index_a')와 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)의 굴절률(index_b')는 서로 다를 수 있으며, 저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)의 굴절률(index_a')와 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)의 굴절률(index_b')는 제2 반사 층(125) 전체에서 일정할 수 있다.
또한, 저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)의 두께(da')와 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)의 두께(db')는 서로 다를 수 있으며, 제2 반사 층(125) 내에서 저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)의 두께(da')와 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)의 두께(db')는 각각 일정할 수 있다.
이때, 저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)의 두께(da')와 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)의 두께(db')는 목표 파장에 따라 변화할 수 있다.
예를 들어, 제2 반사 층(125)이 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체인 경우, 저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)은 알루미늄-비소(AlAs) 반도체이고, 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 16:84인 알루미늄-갈륨-비소(Al16Ga84As) 반도체일 수 있다. 또한, 반사 층(125, 125) 이외의 부분은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체일 수 있다.
또한, 목표 파장이 780nm인 경우, 도 18을 참조하면 알루미늄-비소(AlAs) 반도체의 굴절률(index_a')은 대략 3.05이고, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 16:84인 알루미늄-갈륨-비소(Al16Ga84As) 반도체의 굴절률(index_b')은 대략 3.55이다. 또한, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 35:65인 알루미늄-갈륨-비소(Al35Ga65As) 반도체의 굴절률(index_0)는 대략 3.4이다.
[수학식 1]에 의하면, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.05인 경우 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 64.7nm이다. 따라서, 저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)을 형성하는 알루미늄-비소(AlAs) 반도체의 두께(da')는 대략 64.7nm이 될 수 있다.
또한, 파장이 780nm인 광에 대하여 굴절률이 3.55인 경우, 브래그 반사 현상이 발생하기 위한 두께는 대략 55.1nm이다. 따라서, 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)을 형성하는 알루미늄-갈륨-비소(Al16Ga84As) 반도체의 두께(db')는 대략 55.1nm가 될 수 있다.
광의 파장 및 광의 입사각에 따른 반사 층(123)의 반사율은 도 26에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 도 26는 제1 반사 층(124)과 제2 반사 층(125)를 포함하는 반사 층(124, 125)의 반사율을 도시한다. 이때, 제1 반사 층(124)은 각각 6개의 저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)과 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)을 포함하고, 저 굴절률 층(124-1a, 124-2a, ... 124-na)은 대략 63.7nm의 알루미늄-갈륨-비소(Al90Ga10As) 반도체로 구성되고, 고 굴절률 층(124-1b, 124-2b, ... 124-nb)은 대략 56.0nm의 알루미늄-갈륨-비소(Al23Ga77As) 반도체로 구성될 수 있다. 또한, 제2 반사 층(125) 역시 각각 6개의 저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)과 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)을 포함하고, 저 굴절률 층(125-1a, 125-2a, ... 125-na)은 대략 64.7nm의 알루미늄-비소(AlAs) 반도체로 구성되고, 고 굴절률 층(125-1b, 125-2b, ... 125-nb)은 대략 55.1nm의 알루미늄-갈륨-비소(Al16Ga84As) 반도체로 구성될 수 있다.
도 26를 참조하면, 780nm 파장의 광의 경우, 반사 층(123)의 반사율은 0도에서 16도까지의 입사각에서 반사율이 80% 이상이다.
또한, 800nm 파장의 광의 경우, 입사각이 0도에서 12도까지의 입사각에서 반사율이 80% 이다. 입사각이 12도를 초과하면 반사율이 감소하나, 입사각이 대략 16도인 경우 반사율은 70% 정도를 유지한다.
이처럼, 서로 다른 두께와 굴절률을 갖는 제1 반사 층(124)과 제2 반사 층(125)를 포함하는 반사 층(125)은, 일정한 파장 범위에서 높은 반사율을 유지할 수 있다.
특히, 도 20과 도 26을 비교하면, 서로 다른 두께와 굴절률을 갖는 제1 반사 층(124)과 제2 반사 층(125)를 포함하는 반사 층(125)은 일정한 두께와 굴절률을 갖는 반사 층(121)에 비하여 넓은 파장 범위에서 반사율이 향상된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 두께 또는 굴절률이 변화하는 복수의 서브 반사 층을 포함하는 반사 층과 두께 및 굴절률이 서로 다른 복수의 반사 층은 넓은 파장 범위에서 높은 반사율을 나타낼 수 있다.
도 27은 다른 일 실시예에 의한 발광 소자의 측-단면을 도시한다.
도 27에 도시된 바와 같이, 발광 소자(200)는 기본적으로 p-n-p-n 다이오드의 구조를 기본으로 2개의 n형 반도체 사이의 p형 반도체에 게이트 단자가 연결된 사이리스터 구조를 갖는다.
또한, 발광 소자(200)는 광을 발신하는 발광 층(210), 광을 반사하는 반사 층(220) 및 발광 소자(200)를 지지하는 기판(230)을 포함할 수 있다.
발광 소자(200)는 다양한 반도체 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 갈륨-비소(GaAs), 갈륨-질소(GaN), 인듐-비소(InAs) 등의 직접형 반도체가 이용될 수 있다. 특히, 갈륨-비소(GaAs)는 대략 1.43[eV]의 에너지 밴드 갭을 가지며, 대략 적외선 근방의 광을 방출할 수 있다. 또한, 갈륨-비소(GaAs)에 알루미늄(Al)을 혼합한 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs)는 알루미늄의 혼합 비율에 따라 광학적 특성이 달라질 수 있다.
이하에서는 발광 소자(200)는 갈륨-비소(GaAs) 또는 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs)로 구성된 것으로 가정한다.
발광 소자(200)의 기판(230)은 불순물이 혼합되지 않은 진성 갈륨-비소(GaAs) 반도체로 구성되거나, 아연(Zn) 등의 p형 불순물(억셉터, acceptor)이 혼합된 p형 갈륨-비소(GaAs) 반도체로 구성될 수 있다.
이러한 진성 반도체 또는 p형 반도체로 이루어진 기판(sub)상에 에피택셜을 성장시킴으로써 발광 층(210)과 반사 층(220)을 포함하는 p-n-p-n 다이오드 구조가 형성될 수 있다.
발광 층(210)은 제1 p형 반도체 층(211), 제1 n형 반도체 층(212), 제2 p형 반도체 층(213) 및 제3 n형 반도체 층(214)을 포함할 수 있으며, 제1 p형 반도체 층(211), 제1 n형 반도체 층(212), 제2 p형 반도체 층(213) 및 제2 n형 반도체 층(214)은 순서대로 적층될 수 있다.
반사 층(220)은 발광 층(210)의 제1 p형 반도체 층(211) 내부에 형성되나, 이해를 돕기 위하여 별도로 설명한다. 반사 층(220)은 기판(230)을 향하여 방출된 광을 반사할 수 있으며, 브래그 반사(bragg reflection)을 이용한 브래그 미러(bragg mirror)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 반사 층(220)에는 복수의 저-굴절률 층(220-1a, 220-2a, ... 220-na)과 복수의 고 굴절률 층(220-1b, 220-2b, ... 220-nb)이 교대로 배치될 수 있다.
이때, 발광 소자(200)를 구성하는 제1 p형 반도체 층(211), 제1 n형 반도체 층(212), 제2 p형 반도체 층(213) 및 제2 n형 반도체 층(214)은 각각 갈륨-비소에 알루미늄이 혼합된 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체일 수 있다. 또한, 제1 p형 반도체 층(211), 제1 n형 반도체 층(212), 제2 p형 반도체 층(213) 및 제3 n형 반도체 층(214)의 알루미늄(Al)의 혼합 비율은 서로 상이할 수 있다. 이처럼, 제1 p형 반도체 층(211), 제1 n형 반도체 층(212), 제2 p형 반도체 층(213) 및 제2 n형 반도체 층(214)의 알루미늄(Al) 혼합 비율을 조절함으로써, 제1 n형 반도체 층(212)에서 광이 발신될 수 있다.
또한, 발광 층(210)에서 생성된 광은 제2 n형 반도체 층(214)를 통과하여 공기 중으로 방출된다. 이때, 제2 n형 반도체 층(214)의 굴절률과 공기의 굴절률은 매우 큰 차이를 보인다. 예를 들어, 제2 n형 반도체 층(214)이 알루미늄-갈륨-비소(Al25Ga75As) 반도체로 구성된 경우, 제2 n형 반도체 층(214)의 굴절률은 대략 3.52인데 비하여 공기의 굴절률은 대략 1.00이다.
이러한, 제2 n형 반도체 층(214)과 공기 사이의 굴절률의 차이로 인하여 제2 n형 반도체 층(214)으로부터 공기로 방출되는 광의 많은 부분이 제2 n형 반도체 층(214) 내부로 전반사된다. 그 결과, 발광 소자(200)의 광 효율이 감소될 수 있다.
제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)에서의 전반사 현상을 방지하기 위하여, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)은 도 27에 도시된 바와 같이 요철 구조로 형성된다.
제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)의 요철 구조는 다양한 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)의 요철 구조는 도 27에 도시된 바와 같이 복수의 반구형 돌기(214b)로 구성될 수 있다. 뿐만 아니라, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)의 요철 구조는 원뿔 돌기 또는 다각뿔 돌기로 형성될 수 있다.
또한, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)의 요철 구조는 돌기로 구성될 수 있을 뿐만 아니라 줄무늬로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)의 요철 구조는 일렬로 배치된 반원기둥으로 구성되거나, 일렬로 배치된 삼각기둥으로 구성될 수 있다.
또한, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)의 요철 구조는 규칙적으로 형성되거나 불규칙적으로 형성될 수 있다.
제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)의 요철 구조는 제2 n형 반도체 층(214)을 형성하기 위한 애피택셜을 성장시킨 이후 포토리소그래피(photolithography) 공정 및 식각 공정(dry-etching or wet-etching)에 의하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)에 포토레지스터(photoresistor)를 도포하고, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)에 요철 구조에 대응하는 패턴이 형성된 마스크를 씌운 후 자외선 또는 전자빔(electron beam, EB)를 이용하여 노광 공정을 수행할 수 있다. 이후, 현상 공정을 통하여 노광된 포토레지스터를 제거하고, 식각 공정을 수행할 수 있다. 이후, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)에 남은 포토레지스터를 제거하면 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)에 요철 구조가 형성된다.
이러한 요철 구조로 인하여, 제2 n형 반도체 층(214)과 공기 사이의 전반사 현상이 감소될 수 있다. 다시 말해, 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)의 요철 구조로 인하여 전반사를 위한 임계각보다 큰 입사각으로 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)을 통과하는 광의 비율이 감소할 수 있다.
이상에서는 제2 n형 반도체 층(214)과 공기 사이의 전반사 현상을 방지하기 위하여 제2 n형 반도체 층(214)의 표면(214a)에 요철 구조가 형성되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2 n형 반도체 층(214)의 상부에 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs)과 공기 사이의 굴절률을 갖는 버퍼 물질을 도포할 수도 있다.
이상에서 설명된 바와 같이 발광 소자(200)의 발광 표면에 요철 구조를 형성함으로써 발광 소자(200)의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 28은 또 다른 일 실시예에 의한 발광 소자의 측-단면을 도시한다. 도 29는 또 다른 일 실시예에 의한 발광 소자의 발광 층을 확대 도시한다. 도 30 및 도 31은 또 다른 일 실시예에 의한 발광 소자의 발광 층의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한다.
도 28에 도시된 바와 같이, 발광 소자(300)는 기본적으로 p-n-p-n 다이오드의 구조를 기본으로 2개의 n형 반도체 사이의 p형 반도체에 게이트 단자가 연결된 사이리스터 구조를 갖는다.
또한, 발광 소자(300)는 광을 발신하는 발광 층(310), 광을 반사하는 반사 층(320) 및 발광 소자(300)를 지지하는 기판(330)을 포함할 수 있다.
발광 소자(300)는 다양한 반도체 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 갈륨-비소(GaAs), 갈륨-질소(GaN), 인듐-비소(InAs) 등의 직접형 반도체가 이용될 수 있다. 특히, 갈륨-비소(GaAs)는 대략 1.43[eV]의 에너지 밴드 갭을 가지며, 대략 적외선 근방의 광을 방출할 수 있다. 또한, 갈륨-비소(GaAs)에 알루미늄(Al)을 혼합한 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs)는 알루미늄의 혼합 비율에 따라 광학적 특성이 달라질 수 있다.
이하에서는 발광 소자(300)는 갈륨-비소(GaAs) 또는 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs)로 구성된 것으로 가정한다.
발광 소자(300)의 기판(330)은 불순물이 혼합되지 않은 진성 갈륨-비소(GaAs) 반도체로 구성되거나, 아연(Zn) 등의 p형 불순물(억셉터, acceptor)이 혼합된 p형 갈륨-비소(GaAs) 반도체로 구성될 수 있다.
이러한 진성 반도체 또는 p형 반도체로 이루어진 기판(sub)상에 에피택셜을 성장시킴으로써 발광 층(310)과 반사 층(320)을 포함하는 p-n-p-n 다이오드 구조가 생성될 수 있다.
발광 층(310)은 제1 p형 반도체 층(311), 제1 n형 반도체 층(312), 제2 p형 반도체 층(313) 및 제3 n형 반도체 층(314)을 포함할 수 있으며, 제1 p형 반도체 층(311), 제1 n형 반도체 층(312), 제2 p형 반도체 층(313) 및 제2 n형 반도체 층(314)은 순서대로 적층될 수 있다.
반사 층(320)은 발광 층(310)의 제1 p형 반도체 층(311) 내부에 형성되나, 이해를 돕기 위하여 별도로 설명한다. 반사 층(320)은 기판(330)을 향하여 방출된 광을 반사할 수 있으며, 브래그 반사(bragg reflection)을 이용한 브래그 미러(bragg mirror)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 반사 층(320)에는 복수의 저-굴절률 층(320-1a, 320-2a, ... 320-na)과 복수의 고 굴절률 층(320-1b, 320-2b, ... 320-nb)이 교대로 배치될 수 있다.
이때, 발광 소자(300)를 구성하는 제1 p형 반도체 층(311), 제1 n형 반도체 층(312), 제2 p형 반도체 층(313) 및 제2 n형 반도체 층(314)은 각각 갈륨-비소에 알루미늄이 혼합된 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체일 수 있다. 또한, 제1 p형 반도체 층(311), 제1 n형 반도체 층(312), 제2 p형 반도체 층(313) 및 제3 n형 반도체 층(314)의 알루미늄(Al)의 혼합 비율은 서로 상이할 수 있다.
이처럼, 제1 p형 반도체 층(311), 제1 n형 반도체 층(312), 제2 p형 반도체 층(313) 및 제2 n형 반도체 층(314)의 알루미늄(Al) 혼합 비율을 조절함으로써, 제1 n형 반도체 층(312)에서 광이 발신될 수 있다.
특히, 광의 방출이 많이 발생하는 제1 n형 반도체 층(312)에는 양자 우물(quantum well) 층(312a)이 형성될 수 있다.
양자 우물은 전자(e-) 또는 정공(h+)의 움직임을 속박할 수 있는 2차원 평판 미세구조를 의미한다. 쉽게 말해, 전자(e-) 또는 정공(h+)는 양자 우물에 속박되며, 양자 우물 내에 많이 분포하게 된다.
특히, 양자 우물 내의 전자(e-) 또는 정공(h+)은 특정한 레벨의 에너지만을 가질 수 있다. 다시 말해, 양자 우물의 에너지 레벨은 양자화되어 있다.
이러한 양자 우물은 전자(e-) 또는 정공(h+)를 수용하는 에너지 우물(W)과 전자(e-) 또는 정공(h+)의 이동을 방해하는 에너지 장벽(B)에 의하여 형성될 수 있다.
제1 n형 반도체 층(312)의 양자 우물 층(312a)에는 복수의 양자 우물이 형성될 수 있다.
예를 들어, 양자 우물 층(312a)은 도 29에 도시된 바와 같이 복수의 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)과 복수의 에너지 장벽(B1, B2, B3)을 포함할 수 있다.
여기서, 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)은 에너지 밴드 갭이 작은 물질로 구성되고, 에너지 장벽(B1, B2, B3)은 에너지 밴드 갭이 큰 물질로 구성될 수 있다.
또한, 양자 우물 층(312a)은 에너지 밴드 갭이 작은 물질로 구성된 층과 에너지 밴드 갭이 큰 물질로 구성된 층이 교대로 적층됨으로써 형성될 수 있다.
예를 들어, 알루미늄(Al)의 비율이 상이한 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체가 교대로 적층됨으로써 양자 우물 층(312a)이 형성될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체는 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 비율에 따라 다른 에너지 밴드 갭을 갖는다. 구체적으로, 알루미늄(Al)의 비율이 높아질수록 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체의 에너지 밴드 갭은 증가한다.
구체적으로, 방출하고자 하는 광의 파장이 780nm인 경우, 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)은 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체로 형성될 수 있으며, 에너지 장벽(B1, B2, B3)은 알루미늄(Al)의 비율이 13%보다 큰 알루미늄-갈륨-비소(예를 들어, Al15Ga85As) 반도체로 형성될 수 있다.
또한, 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)을 형성하기 위하여 제1 n형 반도체 층(312)을 형성하기 위한 에피텍시 공정 중에 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)의 비율을 조절할 수 있다.
구체적으로, 제1 n형 반도체 층(312)의 성장 중에 알루미늄의 혼합 비율을 변화시키면, 위치에 따라 알루미늄의 혼합 비율이 변화하는 n형 알루미늄-갈륨-비소(AlGaAs) 반도체가 형성된다. 예를 들어, 제1 n형 반도체 층(312)의 성장 중에 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율을 15:85에서 13:87으로 변경하고, 다시 13:87에서 15:85로 변경하면, 제1 n형 반도체 층(312) 내에는 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 15:85인 알루미늄-갈륨-비소(Al15Ga85As) 반도체 층과 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체 층이 형성될 수 있다. 또한, 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율 변경을 반복하면, 제1 n형 반도체 층(312) 내에는 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 15:85인 알루미늄-갈륨-비소(Al15Ga85As) 반도체 층과 알루미늄(Al) 대 갈륨(Ga)의 비율이 13:87인 알루미늄-갈륨-비소(Al13Ga87As) 반도체 층이 반복하여 형성될 수 있다.
이러한 방식으로 양자 우물 층(312a)이 생성되면, 도 30에 도시된 바와 같이 제1 n형 반도체 층(312)에는 복수의 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)과 복수의 에너지 장벽(B1, B2, B3)이 형성될 수 있다.
또한, 전자(e-)와 정공(h+) 사이의 재결합은 제1 n형 반도체 층(312)과 제1 p형 반도체 층(311) 사이의 경계면 근방에서 많이 발생하므로, 양자 우물 층(312a)은 도 28에 도시된 바와 같이 제1 n형 반도체 층(312)과 제1 p형 반도체 층(311) 사이의 경계면 근방에 형성될 수 있다.
이때, 복수의 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)의 두께(dw1, dw2, dw3, dw4)는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 도 29에 도시된 바와 같이 제1 n형 반도체 층(312)과 제1 p형 반도체 층(311) 사이의 경계에 가까워질수록 복수의 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)의 두께(dw1, dw2, dw3, dw4)가 두꺼워질 수 있다.
그 결과, 도 30에 도시된 바와 같이 제1 n형 반도체 층(312)과 제1 p형 반도체 층(311) 사이의 경계에 가까워질수록 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)의 폭이 증가할 수 있다.
다만, 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)의 배치 및 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 n형 반도체 층(312)과 제1 p형 반도체 층(311) 사이의 경계로부터 멀어질수록 에너지 우물(W1, W2, W3, W4)의 폭이 증가할 수도 있다.
또한, 발광 소자(300)가 온되면, 도 31에 도시된 바와 같이 전도 대역(Ec)의 전자(e-)와 가전자 대역(Ev)의 정공(h+)은 각각 전도 대역(Ec)과 가전자 대역(Ev)에 형성된 양자 우물에 속박되며, 양자 우물에 속박된 전자(e-)와 정공(h+)은 쉽게 재결합될 수 있다.
결과적으로, 양자 우물 층(312a)에 의하여, 제1 n형 반도체 층(312)에서의 전자(e-)와 정공(h+)의 재결합율이 향상되며, 발광 소자의 광 생성 효율이 증가할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 광 발생이 주로 발생하는 제1 n형 반도체 층(312)에 양자 우물 층(312a)이 마련됨으로 인하여, 발광 소자의 광 생성 효율이 증가할 수 있다.
이상에서는 개시된 발명의 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 요지를 벗어남 없이 개시된 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능함을 물론이고 이러한 변형실시들은 개시된 발명으로부터 개별적으로 이해될 수 없다.
1: 화상 형성 장치 80: 프린트 헤드
100: 발광 소자 110: 발광 층
120: 반사 층 130: 기판
200: 발광 소자 210: 발광 층
220: 반사 층 230: 기판
300: 발광 소자 310: 발광 층
320: 반사 층 330: 기판

Claims (24)

  1. 감광 드럼을 향하여 광을 발신하는 복수의 발광 소자를 구비한 노광부;
    상기 광에 의하여 상기 감광 드럼의 표면에 형성된 정전 잠상을 현상하는 현상부를 포함하고,
    상기 복수의 발광 소자 각각은,
    상기 광을 생성하는 발광 층; 및
    상기 생성된 광의 적어도 일부를 반사하는 반사 층을 포함하고,
    상기 반사 층에는 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 서로 상이한 복수의 서브 반사 층을 포함하며,
    상기 발광 층은 제1 p형 반도체 층, 제1 n형 반도체 층, 제2 p형 반도체 층 및 제2 n형 반도체 층이 차례로 적층되고,
    상기 발광 소자의 일단에 마련되는 상기 제2 n형 반도체 층의 표면에는 요철 구조가 형성되는 화상 형성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층은 각각 서로 다른 파장의 광을 반사하는 화상 형성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각은 저 굴절률 층 및 고 굴절률 층을 포함하고,
    상기 저 굴절률 층의 굴절률은 상기 고 굴절률 층의 굴절률 보다 작은 화상 형성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 상이한 화상 형성 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 층은 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 상이한 화상 형성 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 두께가 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 층은 서로 두께가 상이한 화상 형성 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 굴절률이 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층에 포함된 고 굴절률 층은 서로 굴절률이 상이한 화상 형성 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 저 굴절률 층은 저 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체로 구성되고, 상기 고 굴절률 층은 고 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체로 구성되는 화상 형성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층에 포함된 복수의 저 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체 각각은 서로 두께 및 알루미늄의 혼합 비율 중 적어도 하나가 상이한 화상 형성 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 두께 및 알루미늄의 혼합 비율 중 적어도 하나가 상이한 화상 형성 장치.
  11. 감광 드럼을 향하여 광을 발신하는 복수의 발광 소자를 구비한 노광부;
    상기 광에 의하여 상기 감광 드럼의 표면에 형성된 정전 잠상을 현상하는 현상부를 포함하고,
    상기 복수의 발광 소자 각각은,
    상기 광을 생성하는 발광 층; 및
    상기 생성된 광의 적어도 일부를 반사하는 반사 층을 포함하고,
    상기 반사 층에는 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 서로 상이한 복수의 서브 반사 층을 포함하며,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각은 저 굴절률 층 및 고 굴절률 층을 포함하고,
    상기 저 굴절률 층은 저 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체로 구성되고, 상기 고 굴절률 층은 고 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체로 구성되고,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 동일한 저 굴절률을 가지는 저 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 두께가 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 동일한 고 굴절률을 가지는 고 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 두께가 상이한, 화상 형성 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 알루미늄의 혼합 비율이 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 알루미늄-갈륨-비소 반도체는 서로 알루미늄의 혼합 비율이 상이한 화상 형성 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반사 층은 복수의 제1 서브 반사 층을 포함하는 제1 반사 층과 복수의 제2 서브 반사 층을 포함하는 제2 반사 층을 포함하는 화상 형성 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 제1 서브 반사 층 각각은 제1 저 굴절률 층과 제1 고 굴절률 층을 포함하고,
    상기 복수의 제2 서브 반사 층 각각은 제2 저 굴절률 층과 제2 고 굴절률 층을 포함하는 화상 형성 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 저 굴절률 층과 상기 제2 저 굴절률 층은 두께 및 굴절률이 서로 상이하고,
    상기 제1 고 굴절률 층과 상기 제2 고 굴절률 층은 두께 및 굴절률이 서로 상이한 화상 형성 장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서,
    제1 p형 반도체 층과 제2 p형 반도체 층 사이에 마련되는 상기 제1 n형 반도체 층에는 폭이 서로 다른 복수의 양자 우물이 형성되는 화상 형성 장치.
  19. 광을 생성하기 위하여 제1 p형 반도체 층, 제1 n형 반도체 층, 제2 p형 반도체 층 및 제2 n형 반도체 층이 차례로 적층되는 발광 층; 및
    상기 생성된 광의 적어도 일부를 반사하기 위하여 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 서로 상이한 복수의 서브 반사 층을 포함하는 반사 층을 포함하고,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각은 굴절률이 서로 상이한 저 굴절률 층 및 고 굴절률 층을 포함하며,
    상기 발광 층의 일단에 마련되는 상기 제2 n형 반도체 층의 표면에는 요철 구조가 형성되는 발광 소자.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층은 각각 서로 다른 파장의 광을 반사하는 발광 소자.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 상이한 발광 소자.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 고 굴절률 층은 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 상이한 발광 소자.
  23. 광을 생성하기 위하여 제1 p형 반도체 층, 제1 n형 반도체 층, 제2 p형 반도체 층 및 제2 n형 반도체 층이 차례로 적층되는 발광 층; 및
    상기 생성된 광의 적어도 일부를 반사하기 위하여 두께 및 굴절률 중에 적어도 하나가 서로 상이한 복수의 서브 반사 층을 포함하는 반사 층을 포함하고,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각은 굴절률이 서로 상이한 저 굴절률 층 및 고 굴절률 층을 포함하며,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 동일한 저 굴절률을 가지는 저 굴절률 층은 서로 두께가 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 동일한 고 굴절율을 가지는 고 굴절률 층은 서로 두께가 상이한 발광 소자.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 서브 반사 층 각각에 포함된 저 굴절률 층은 서로 굴절률이 상이하고, 상기 복수의 서브 반사 층에 포함된 고 굴절률 층은 서로 굴절률이 상이한 발광 소자.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019046886A (ja) * 2017-08-31 2019-03-22 株式会社沖データ 半導体発光素子、半導体複合装置、光プリントヘッド、及び画像形成装置
JP2019110230A (ja) * 2017-12-19 2019-07-04 株式会社沖データ 半導体装置、発光素子チップ、光プリントヘッド、及び画像形成装置
JP7232086B2 (ja) * 2019-03-12 2023-03-02 キヤノン株式会社 半導体発光装置、露光ヘッド及び画像形成装置
CN118138001A (zh) * 2024-03-19 2024-06-04 睿思微系统(烟台)有限公司 一种声表面波器件和滤波器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140130975A1 (en) * 2009-05-28 2014-05-15 Ricoh Company, Ltd. Method of manufacturing surface emitting laser, and surface emitting laser, surface emitting laser array, optical scanning device and image forming apparatus

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5062115A (en) * 1990-12-28 1991-10-29 Xerox Corporation High density, independently addressable, surface emitting semiconductor laser/light emitting diode arrays
US5682402A (en) * 1995-01-10 1997-10-28 Hitachi, Ltd. Organic luminescent devices with a multiplex structure
US6661445B2 (en) * 1998-08-31 2003-12-09 Canon Kabushiki Kaisha Exposure apparatus with an array of light emitting devices
JP4292668B2 (ja) * 2000-01-31 2009-07-08 富士ゼロックス株式会社 発光サイリスタアレイ
US6538682B2 (en) * 2000-12-28 2003-03-25 Fuji Photo Film Co., Ltd. Exposure device
US20050231800A1 (en) * 2001-12-21 2005-10-20 Barret Lippey Selective reflecting
JP4292747B2 (ja) * 2002-02-25 2009-07-08 富士ゼロックス株式会社 発光サイリスタおよび自己走査型発光素子アレイ
US7304801B2 (en) * 2005-03-30 2007-12-04 Xerox Corporation Distributed Bragg reflector systems and methods
US7693204B2 (en) * 2006-02-03 2010-04-06 Ricoh Company, Ltd. Surface-emitting laser device and surface-emitting laser array including same
US7800805B2 (en) * 2006-07-24 2010-09-21 Ricoh Company, Limited Optical Scanning apparatus and image forming apparatus
CN102136677B (zh) * 2006-08-23 2015-06-17 株式会社理光 表面发射激光器阵列、光学扫描装置及图像形成装置
JP2008064801A (ja) * 2006-09-04 2008-03-21 Ricoh Co Ltd 光走査装置及び画像形成装置
US7903135B2 (en) * 2007-04-26 2011-03-08 Ricoh Company, Ltd. Optical scanning device and image forming apparatus for optimizing arrangement intervals in a main-scanning direction and a sub-scanning direction
JP5177399B2 (ja) * 2007-07-13 2013-04-03 株式会社リコー 面発光レーザアレイ、光走査装置及び画像形成装置
TW200929759A (en) * 2007-11-14 2009-07-01 Ricoh Co Ltd Surface emitting laser, surface emitting laser array, optical scanning device, image forming apparatus, optical transmission module and optical transmission system
JP5423275B2 (ja) * 2009-09-17 2014-02-19 富士ゼロックス株式会社 発光素子
TWI531088B (zh) * 2009-11-13 2016-04-21 首爾偉傲世有限公司 具有分散式布拉格反射器的發光二極體晶片
JP2011159943A (ja) * 2010-01-08 2011-08-18 Ricoh Co Ltd 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置及び画像形成装置
JP2011166108A (ja) * 2010-01-15 2011-08-25 Ricoh Co Ltd 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置及び画像形成装置
US8639145B2 (en) * 2010-11-03 2014-01-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Image forming apparatus and method
KR101769075B1 (ko) * 2010-12-24 2017-08-18 서울바이오시스 주식회사 발광 다이오드 칩 및 그것을 제조하는 방법
KR20120075182A (ko) * 2010-12-28 2012-07-06 삼성전자주식회사 다중 패브리-페로 공진 모드를 이용한 광변조기 및 상기 광변조기를 포함하는 3차원 영상 획득 장치
KR20120099312A (ko) * 2011-01-21 2012-09-10 삼성전자주식회사 반도체 발광 소자 및 그 제조방법
US8624482B2 (en) * 2011-09-01 2014-01-07 Toshiba Techno Center Inc. Distributed bragg reflector for reflecting light of multiple wavelengths from an LED
JP5340438B2 (ja) * 2012-02-27 2013-11-13 京セラドキュメントソリューションズ株式会社 画像形成装置
KR101289442B1 (ko) * 2012-03-02 2013-07-24 일진엘이디(주) 분포 브래그 반사기를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법
KR101926361B1 (ko) * 2012-06-13 2018-12-07 삼성전자주식회사 반도체 발광소자, 발광장치 및 반도체 발광소자 제조방법
EP2701212B1 (en) * 2012-08-20 2020-06-17 LG Innotek Co., Ltd. Light emitting diode
CN103560193B (zh) * 2013-08-29 2016-04-13 南昌黄绿照明有限公司 低成本的垂直结构发光二极管芯片及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140130975A1 (en) * 2009-05-28 2014-05-15 Ricoh Company, Ltd. Method of manufacturing surface emitting laser, and surface emitting laser, surface emitting laser array, optical scanning device and image forming apparatus

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