KR20030060281A - 발광 다이오드 장치 및 이를 이용한 디스플레이 - Google Patents

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KR20030060281A
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유순재
김돈수
서종욱
최용석
노승정
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주식회사 이츠웰
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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 장치 및 이를 이용한 디스플레이에 관한 것으로, 칼라 렌더링이 우수한 발광 다이오드 장치를 제공하고, 구동 회로 제작이 용이한 디스플레이를 제공하기 위한 목적을 가지고 있다. 이를 위하여, 적색, 녹색, 청색의 형광체를 사용하여 적색, 녹색, 청색의 발광 다이오드 장치를 제작하고, 이러한 발광 다이오드 장치를 이용하여 디스플레이를 제작한다. 본 발명에 따른 발광 다이오드 장치는, 발광 다이오드가 있고, 형광체가 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 소정의 파장을 가지는 광을 방출하며, 이러한 발광 다이오드 및 형광체를 수지가 몰딩하고 있다. 또한, 본 발명에 따른 디스플레이는 이러한 발광 다이오드 장치를 이용하여 제작된다.

Description

발광 다이오드 장치 및 이를 이용한 디스플레이 {LIGHT EMITTING DEVICE AND DISPLAY USING THE DEVICE}
본 발명은 발광 다이오드 장치 및 이를 이용한 디스플레이에 관한 것이다.
발광 다이오드는 화합물 반도체의 PN 접합 다이오드로서, 전압을 가하면 빛을 방출한다. 즉, 반도체의 접합 구조에 전압을 가하여 소수 캐리어 (전자 또는 정공)를 만들어내고, 이들의 결합을 통하여 발광하는 장치이다.
기존의 발광 다이오드 램프는 발광 다이오드의 발광부에서의 반도체 재료의 에너지 밴드갭이나 양자우물 구조의 폭을 이용하여 발광하는 광의 에너지 및 색을 조정하였다. 또 이러한 발광 다이오드를 이용한 표시장치는 적색, 녹색, 청색의 기본색을 띠는 발광 다이오드 소자를 기반으로 하여 픽셀을 제작하고, 중첩된 색을 이용하여 원하는 색을 구현하였다.
그러나, 이러한 방식은 적색, 녹색, 청색의 발광 다이오드 램프의 색깔을 조정하기 위해서 반도체 재료의 조성이나 양자우물의 폭을 정밀하게 조정하여야 하는 어려움이 있다. 또한 시간에 따른 광 출력 특성이 반도체 재료 및 양자우물의 구조에 따라 서로 달라 그 수명 및 시간에 따른 특성이 각기 다르므로 일정 시간 이후에는 처음에 비하여 파장 분포가 달라져 색의 발란스에 차이가 나타나게 된다. 또한, 디스플레이를 제작한 경우에도 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소를 위한 각각의 구동전압이 상이하여 회로 제작의 복잡함을 야기한다.
본 발명은 칼라 렌더링이 우수한 발광 다이오드 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 구동 회로 제작이 용이한 디스플레이를 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명에 사용되는 발광 다이오드 칩의 개략적인 단면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 개략적인 단면도이고,
도 3은 적색, 녹색 및 청색의 형광체 각각이 발광 다이오드에서 방출한 파장을 적색, 녹색 또는 청색의 파장으로 변환하는 것을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 본 발명에 사용되는 적색 형광체의 SEM 사진이고,
도 5 및 도 6은 본 발명에 사용되는 적색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명에 사용되는 녹색 형광체의 SEM 사진이고,
도 8 및 도 9는 본 발명에 사용되는 녹색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이고,
도 10은 본 발명에 사용되는 청색 형광체의 SEM 사진이고,
도 11 및 도 12는 본 발명에 사용되는 청색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이고,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이에서의 하나의 픽셀의 구성도를개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명은 이러한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 적색, 녹색, 청색의 형광체를 사용하여 적색, 녹색, 청색의 발광 다이오드 장치를 제작하고, 이러한 발광 다이오드 장치를 이용하여 디스플레이를 제작한다.
상세하게, 본 발명에 따른 발광 다이오드 장치는, 발광 다이오드가 있고, 형광체가 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 소정의 파장을 가지는 광을 방출하며, 이러한 발광 다이오드 및 형광체를 수지가 몰딩하고 있다.
여기서, 형광체는 적색 형광체, 녹색 형광체, 청색 형광체이거나, 이들 형광체 중 적어도 두 개를 혼합하여 만들어지는 형광체일 수 있다. 이 때, 적색 형광체는 K(WO4)1.25:Eu,Sm 계열로 구성되어 있고, 녹색 형광체는 (BaSr)2SiO4:Eu 계열로 구성되어 있고, 청색 형광체는 (SrMg)5(PO4)3Cl:Eu 계열로 구성될 수 있다.
여기서, 발광 다이오드가 방출하는 광은 350∼415nm 대역의 파장을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 디스플레이는 발광 다이오드가 있고, 형광체가 이런 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 제1 대역의 파장을 가지는 광을 방출하고, 이러한 발광 다이오드 및 형광체를 수지가 몰딩하는 제1 발광 다이오드 장치를이용하여 제작된다. 여기서, 발광 다이오드, 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 제2 대역의 파장을 가지는 광을 방출하는 형광체, 발광 다이오드 및 형광체를 몰딩하는 수지를 포함하는 제2 발광 다이오드 장치와, 발광 다이오드, 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 제3 대역의 파장을 가지는 광을 방출하는 형광체, 발광 다이오드 및 형광체를 몰딩하는 수지를 포함하는 제3 발광 다이오드 장치를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 장치에 사용되는 발광 다이오드 칩의 단면 구조를 나타낸 것이다.
사파이어로 알려진 알루미늄 산화물(Al2O3)로 구성된 결정 성장의 기판(10) 위에 GaN으로 이루어진 버퍼층(20), N형 GaN으로 이루어진 전자 생성층(30), InGaN으로 이루어진 활성층(40), P형 AlGaN으로 이루어진 P형 클래드층(50), P형 GaN으로 이루어진 정공 생성층(60)이 순차적으로 형성되어 있다.
이러한 다층 구조에서의 각 층(20, 30, 40, 50, 60)은 사파이어로 구성된 결정 성장의 기판(10) 위에 에피택셜 성장을 통하여 형성된다.
여기서, 결정 성장의 기판(10)의 종류는 에피택셜 성장으로 형성될 후속 층(20, 30, 40, 50, 60)의 물질 특성에 따라 적절한 것을 선택한다. 예를 들어, 이 실시예에서와 같이, GaN 계열의 반도체층(20, 30, 40, 50, 60)을 성장시킬 경우에는 결정 성장의 기판(10)으로 사파이어 기판을 사용하는 것이 적절하다.
이 때, 버퍼층(20)은 결정 성장시에 기판(10)과 후속층(30, 40, 50, 60)의 격자 부정합을 줄이는 역할을 한다.
정공 생성층(60) 위에는 Ni/Au의 이중층 구조를 가지는 투명 전극층(70)이 형성되어 있다. 그리고, P형 패드(81)가 투명 전극층(70)에 접촉되어 있고, N형 패드(82)가 전자 생성층(70)에 접촉되어 있다.
여기서, P형 패드(81)는 Ti/Au의 적층 구조로 형성될 수 있고, N형 패드(82)는 Ti/Al의 적층 구조로 형성될 수 있다.
P형 패드(81)에는 정공 생성층(60)에 정공을 생성하는데 필요한 전압이 인가되고, N형 패드(82)에는 전자 생성층(30)에 전자를 생성하는데 필요한 전압이 인가된다.
여기서, 투명 전극층(70)은 P형 패드(81)를 통하여 들어온 전압을 정공 생성층(60)에 골고루 인가하는 역할을 한다.
활성층(40)은 언급한 바와 같이, InGaN으로 형성되어 있는데, InN의 밴드갭인 1.9eV와 GaN의 밴드갭인 3.4eV를 이용하여 3.06eV의 밴드갭과 양자우물을 만들어서 전자 및 정공 재결합시에 405nm 부근의 발광 파장을 만들어 낸다.
여기서, 활성층(40)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 정공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 달라진다. 따라서, 어느 대역의 파장을 이용할 것인가에 따라 활성층(40)을 이루는 반도체 재료를 조절하여 발광 다이오드 칩을 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 발광 다이오드 칩의 구조는 일 실시예에 불과하며, 어떤 발광 다이오드 장치를 제작할 것인가에 따라 PN 접합을 기본으로하여 다양하게 변경하여 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 장치의 단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
움폭 패인 컵 형상의 함몰부(103)가 형성되어 있는 제1 몸체(101)와 제1 몸체(101)와 소정의 간격을 두고 위치하는 제2 몸체(102)로 이루어진 리드프레임(100)에 발광 다이오드 칩(C)이 본딩되어 있다.
여기서, 발광 다이오드 칩(C)은 리드프레임(100)의 함몰부(103)에 다이 본딩되어 있고, 발광 다이오드 칩(C)의 P형 패드와 N형 패드 중 하나의 패드는 리드프레임(100)의 제1 몸체(101)에 와이어 본딩되어 있고, 나머지 다른 하나의 패드는 리드프레임(100)의 제2 몸체(102)에 와이어 본딩되어 있다. (201)과 (202)는 와이어를 나타내는데, 통상의 경우 전성, 연성과 전도성이 우수한 Au 계열로 형성된 것을 사용한다.
발광 다이오드 칩(C)에서 P형 패드로부터 N형 패드로 전류를 흘리면, 활성층의 전자 및 정공이 결합하면서 발광을 한다. 도 1을 참조하여 설명한 발광 다이오드 칩의 경우에는 활성층을 InGaN으로 형성하고 있으므로, 자색 광을 방출한다.
발광 다이오드 칩(C)이 본딩되어 있는 리드프레임(100)의 함몰부(103)에는 적색 형광체 또는, 녹색 형광체, 또는 청색 형광체, 또는 이들이 적절한 비율로 혼합된 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)이 충진되어 있다.
이를 위하여, 발광 다이오드 장치를 제작하는 과정 중에, 리드프레임(100)의함몰부(103)에 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)을 도포한 후, 경화한다. 여기서, 리드프레임(100)의 함몰부(103)의 깊이 및 너비는 도포하고자 하는 형광체의 양에 따라 다양하게 조절할 수 있다.
그리고, 에폭시 수지로 이루어진 에폭시 렌즈(300)가 발광 다이오드 칩(C)과 리드프레임(100)의 함몰부(103)를 충진하는 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)을 밀봉하고 있다. 에폭시 렌즈(300)는 형광체를 통하여 방출되는 빛을 원하는 각도로 모으는 역할을 한다. 여기서, 에폭시 렌즈(300)는 도 2에 도시한 바와 같이, 램프 형상으로 형성될 수 있으며, 그 외에 원하는 여러 가지 형태로 제작이 가능하다.
이러한 발광 다이오드 장치에서, 발광 다이오드 칩(C)에 소정의 전압을 인가하면, 발광 다이오드 칩(C)이 소정의 파장 대역을 방출한다. 이 파장은 모두 형광체(200)에 흡수되어 형광체(200)를 여기하는데 사용되며, 형광체(200)의 종류에 따라 적색, 녹색, 혹은, 청색의 파장을 각각 낸다.
본 발명에서 각 형광체의 역할은 도 3에 보인 바와 같이, 발광 다이오드에서 방출한 파장 및 에너지를 적색, 또는, 녹색 또는, 청색의 파장 및 에너지로 바꾸는 역할을 한다. 이를 위해 각 형광체는 발광 다이오드에서 방출하는 에너지를 모두 흡수해야 하므로, 형광체의 농도를 적절하게 조절할 필요가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 형광체를 이용하여 단일의 색을 내는 발광 다이오드 장치를 제작한다. 본 발명에서의 발광 다이오드 장치는 발광 다이오드에서 출력되는 광을 형광체를 여기하는데만 사용하고 결국 형광체로부터 발광하는 광을 이용한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 장치에서, 각각의 형광체의 대한 설명은 다음과 같다.
본 발명에서의 적색의 형광체는 예로써, K(WO4)1.25:Eu,Sm로 구성되어 있다. K(WO4)1.25는 형광체의 모체로써 작용하고, Eu, Sm는 도핑 물질이다. 이 도핑 물질의 농도의 조절을 통하여 적색 형광체의 발광 피크를 조절할 수 있다.
도 4는 이러한 적색 형광체의 SEM사진을 나타낸다. 그리고, 도 5와 도 6은 이러한 적색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이다. 도 5 및 도 6에 보인 바와 같이, 이러한 적색 형광체의 여기 광원으로 350~415nm의 에너지를 사용할 수 있다. 따라서, 이러한 적색의 형광체와 350~415nm의 발광 파장을 방출하는 모든 발광 다이오드를 사용하여 적색의 발광 다이오드 장치를 제작할 수 있다.
본 발명에서의 녹색 형광체는 예로써, (BaSr)2SiO4:Eu로 구성되어 있다. 마찬가지로, (BaSr)2SiO4은 모체로써 작용하고, Eu는 도핑 물질이다. 이 도핑 물질의 농도의 조절을 통하여 녹색 형광체의 발광 피크를 조절할 수 있다.
도 7은 이러한 녹색 형광체의 SEM사진을 나타낸다. 그리고, 도 8과 도 9는 이러한 녹색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이다. 이러한 녹색 형광체의 여기 광원으로 200~415nm의 에너지를 사용할 수 있다. 따라서, 이러한 녹색의 형광체와 200~415nm의 발광 파장을 방출하는 모든발광 다이오드를 사용하여 녹색의 발광 다이오드 장치를 제작할 수 있다.
본 발명에서의 청색 형광체는 예로써, (SrMg)10(PO4)6Cl2:Eu로 구성되어 있다. 마찬가지로, (SrMg)10(PO4)6Cl2은 모체로써 작용하고, Eu는 도핑 물질이다. 이 도핑 물질의 농도의 조절을 통하여 청색 형광체의 발광피크를 조절할 수 있다.
도 10은 이러한 청색 형광체의 SEM사진을 나타낸다. 그리고, 도 11과 도 12는 이러한 청색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이다. 이러한 청색 형광체의 여기 광원으로 200~415nm의 에너지를 사용할 수 있다. 따라서, 이러한 청색의 형광체와 200~415nm의 발광 파장을 방출하는 모든 발광 다이오드를 사용하여 녹색의 발광 다이오드 장치를 제작할 수 있다.
상술한 적색 형광체, 녹색 형광체, 청색 형광체는 모두 350~415nm에서 여기가 가능하기 때문에, 이들을 물리적으로 혼합한 형광체 역시 이 대역을 여기광원으로 사용할 수 있다. 따라서, 빛의 삼원색인 이들 형광체의 조합으로 모든 색을 나타낼 수 있는 형광체 제조가 가능하며, 모든 색을 나타낼 수 있는 형광 발광 다이오드 램프 제조도 가능하다.
본 발명에 따른 백색 형광 발광 다이오드 장치는 적색, 녹색, 청색 형광체 각각 도핑물질의 조절을 통해 반치폭 및 파장 이동이 가능하므로, 이를 통하여 자연광과 거의 흡사한 광을 얻을 수 있다. 이는 기존 방식인 발광 다이오드의 반도체 재료만으로 특정 색을 구현한 것에 비해 색 재현이 우수하며, 반도체 재료의 특성의 미세한 차이에도 크게 영향을 받지 않기 때문에 제작시 효율을 증대시킬 수있다. 또한, 자연광과 거의 비슷한 광 특성을 가지고 있기 때문에 조명 및 백라이트광원으로서 표현하고자 하는 원색의 손상을 최대한 줄일수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발광 다이오드 장치는 형광체을 구성하는 물질에 따라 색 특성을 조절하기 때문에 발광 다이오드 칩 특성의 미세한 차이에도 크게 영향을 받지 않아서 발광 다이오드 장치 제작시 효율을 증대시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이에 있어서, 하나의 픽셀의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
상술한 바와 같은 발광 다이오드 장치를 이용하여 적색 램프(1), 녹색 램프(2), 청색 램프(3)를 제작하여, 이들의 조합으로 대형 디스플레이의 화소인 픽셀을 구성한다. 이러한 단위 픽셀을 이용하여 제작된 픽셀 집단은 하나의 모듈을 구성하여, 문자나 숫자 하나를 표현한다. 또한, 이러한 단위 모듈을 이용하여 제작된 모듈 집단은 디스플레이를 구성한다. 이렇게 하여 제작된 디스플레이는 적색 램프(1), 녹색 램프(2), 청색 램프(3)의 조합을 통하여 모든 색을 나타낼 수 있는 풀(full) 칼라 구현이 가능하다.
본 발명에 따른 디스플레이에서는, 각각의 발광 다이오드 램프를 동일한 반도체 재료를 사용하기 때문에 구동 전압을 적색, 녹색, 청색의 구분 없이 서로 동일하게 할 수 있다. 또한, 각각의 발광 다이오드 램프에서의 각 형광체의 시간에 따른 발광 출력 등 특성이 서로 동일하여 일정 시간 후의 서로 다르게 색이 변하는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 발광 다이오드 램프의 구동 전압이 색과 관계없이 같기 때문에 디스플레이의 구성 회로를 간단하게 제작할 수 있다. 또한, 시간-출력 특성 역시, 색과 관계없이 비슷하기 때문에 시간이 흐른 후에도 색의 발란스(balance)가 깨질 염려가 없다.
본 발명은 도 14와 같은 구성 외에도 모듈 및 디스플레이의 크기와 해상도, 종류에 따라서 여러 형태의 픽셀 제작이 가능하다.
상술한 바와 같이, 형광 발광 다이오드 램프는 모노 디스플레이에도 적용 가능하며, 이런 경우 단파장이 아닌 중첩된 파장의 색을 가지는 디스플레이를 할 수 있다. 여기에 사용된 램프들은 위에서 설명한 적색, 녹색, 청색 형광체를 적절한 비율로 혼합·도포한 형광 발광 다이오드 램프로 구성될 수 있다.
그리고, 어떤 색의 램프라도 구현이 가능하기 때문에 지하철 등에서 볼 수 있는 안내용 모노 디스플레이의 색도 어떤 것이든지 구현이 가능하다.
본 발명의 형광 발광 다이오드 램프 및 이를 이용한 디스플레이는 반도체 재료 및 구조(밴드갭 크기, 양자우물 깊이 및 폭)를 이용하지 않고서도 형광체만을 이용하여 모든 지수의 색을 구현할 수 있다. 또한, 형광체의 도핑물질을 조절함으로써 반치폭을 변화시킬 수 있기 때문에 색 재현성이 우수하며, 자연색에 가까운 색감을 얻을 수 있다. 또한, 발광 다이오드 램프의 구동 전압이 색과 관계없이 같기 때문에 디스플레이의 구성 회로를 간단하게 제작할 수 있다.

Claims (6)

  1. 발광 다이오드,
    상기 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 소정의 파장을 가지는 광을 방출하는 형광체,
    상기 발광 다이오드 및 상기 형광체를 몰딩하는 수지
    를 포함하는 발광 다이오드 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 형광체는 적색 형광체, 녹색 형광체, 청색 형광체이거나, 이들 형광체 중 적어도 두 개를 혼합하여 만들어지는 형광체인 발광 다이오드 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 적색 형광체는 K(WO4)1.25:Eu,Sm 계열로 구성되어 있고,
    상기 녹색 형광체는 (BaSr)2SiO4:Eu 계열로 구성되어 있고,
    상기 청색 형광체는 (SrMg)5(PO4)3Cl:Eu 계열로 구성되어 있는 발광 다이오드 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 발광 다이오드는 300~415nm의 발광 파장을 방출하는 발광 다이오드 장치.
  5. 발광 다이오드, 상기 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 제1 대역의 파장을 가지는 광을 방출하는 형광체, 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체를 몰딩하는 수지를 포함하는 제1 발광 다이오드 장치를 이용하여 제작되는 디스플레이.
  6. 제5항에서,
    발광 다이오드, 상기 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 제2 대역의 파장을 가지는 광을 방출하는 형광체, 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체를 몰딩하는 수지를 포함하는 제2 발광 다이오드 장치,
    발광 다이오드, 상기 발광 다이오드에서 나오는 광을 흡수하여 제3 대역의 파장을 가지는 광을 방출하는 형광체, 상기 발광 다이오드 및 상기 형광체를 몰딩하는 수지를 포함하는 제3 발광 다이오드 장치
    를 더 포함하는 디스플레이.
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