KR20060086177A - 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원 및 이를 이용한 액정표시 장치 - Google Patents

발광다이오드를 사용하는 2차원 광원 및 이를 이용한 액정표시 장치 Download PDF

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KR20060086177A
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Abstract

아래 면과 윗면을 가지며 관통구를 가지는 기초 기판, 상기 기초 기판의 아래 면에 형성되어 있는 배선, 상기 기초 기판의 윗면에 배치되어 있는 발광 칩, 상기 기초 기판의 상기 관통구를 통하여 상기 발광 칩의 전극과 상기 배선을 연결하는 플러그, 상기 발광 칩을 덮고 있으며 윗면이 평탄화되어 있는 버퍼층, 상기 버퍼층의 위에 형성되어 있으며 상기 발광 칩과 대응하는 위치에 형성되어 있는 광학 패턴을 가지는 광학층을 포함하는 2차원 광원을 마련한다.
액정표시장치, 백라이트, 발광다이오드, 광학층

Description

발광다이오드를 사용하는 2차원 광원 및 이를 이용한 액정 표시 장치{TWO DIMENSIONAL LIGHT SOURCE OF USING LIGHT EMITTING DIODE AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY PANEL OF USING THE TWO DIMENSIONAL LIGHT SOURCE}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
도 7은 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 2차원 광원에 사용되는 발광 다이오드의 다양한 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 평면도이다.
도 13은 도 12의 XIII-XIII'선에 대한 단면도이다.
본 발명은 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원에 관한 것으로 특히 액정 표시 장치의 백라이트로 사용할 수 있는 2차원 광원(면광원) 및 이를 이용한 액정 표시 장치에 관한 것이다.
컴퓨터의 모니터나 TV 등으로 사용되는 표시 장치(display device)에는 스스로 발광하는 발광 다이오드(light emitting diode, LED), EL(electroluminescence), 진공 형광 표시 장치(vacuum fluorescent display, VFD), 전계 발광 소자(field emission display, FED), 플라스마 표시 장치(plasma display panel, PDP) 등과 스스로 발광하지 못하고 별도의 광원을 필요로 하는 액정 표시 장치(liquid crystal display, LCD) 등이 있다.
일반적인 액정 표시 장치는 전계 생성 전극이 구비된 두 표시판과 그 사이에 들어 있는 유전율 이방성(dielectric anisotropy)을 갖는 액정층을 포함한다. 전계 생성 전극에 전압을 인가하여 액정층에 전기장을 생성하고, 전압을 변화시켜 이 전기장의 세기를 조절하고 이렇게 함으로써 액정층을 통과하는 빛의 투과율을 조절하여 원하는 화상을 얻는다.
이때의 빛은 별도로 구비된 인공 광원이 제공하는 것일 수도 있고 자연광일 수도 있다.
액정 표시 장치용 인공 광원, 즉 백라이트(back light) 장치는 광원으로서 CCFL(cold cathode fluorescent lamp)나 EEFL(external electrode fluorescent) 등과 같은 여러 개의 형광 램프(fluorescent lamp)를 사용하거나 복수개의 발광 다이오드를 사용한다.
이중 발광 다이오드는 수은을 사용하지 않으므로 환경 친화적이고, 기구적으로 안정하여 수명이 길다는 등의 장점이 있어 차세대 백라이트 장치의 광원으로 주목받고 있다.
그런데 발광 다이오드의 경우 빛이 좁은 영역으로 집중하여 발산하는 경향이 있어서 이를 면광원에 적용하기 위해서는 빛이 넓은 영역에 고르게 분포되도록 하여야 하고, 이를 위하여 다양한 광학 필름이 소요되고 어느 정도의 공간이 필요하다.
광학 필름의 부착은 액정 표시 장치 제조 공정의 복잡성을 증가시키고 광분산에 소요되는 공간은 액정 표시 장치의 슬림화를 저해하는 요소이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 다이오드를 사용하는 광원을 슬림화하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 액정 표시 장치의 백라이트 부착 공정을 단순화할 수 있는 백라이트용 광원을 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위하여 아래 면과 윗면을 가지며 관통구를 가지는 기초 기판, 상기 기초 기판의 아래 면에 형성되어 있는 배선, 상기 기초 기판의 윗면에 배치되어 있는 발광 칩, 상기 기초 기판의 상기 관통구를 통하여 상기 발광 칩의 전극과 상기 배선을 연결하는 플러그, 상기 발광 칩을 덮고 있는 버퍼층, 상기 버퍼층의 위에 형성되어 있으며 상기 발광 칩과 대응하는 위치에 형성되어 있는 광학 패턴을 가지는 광학층을 포함하는 2차원 광원을 마련한다.
여기서, 상기 기초 기판은 PCB 기판과 상기 PCB 기판의 위에 부착되어 있는 방열 기판을 포함하고, 상기 배선은 상기 PCB 기판의 아래 면에 형성되어 있고, 상기 발광 칩은 상기 방열 기판의 윗면에 놓여 있을 수 있으며, 상기 방열 기판은 금속으로 이루어져 있을 수 있다.
또한, 상기 방열 기판 위에 형성되어 있으며 상기 발광 칩의 전극을 상기 방열 기판과 절연하는 칩 베이스 막을 더 포함할 수 있고, 상기 칩 베이스 막은 관통구를 가지며 상기 플러그는 상기 칩 베이스 막의 관통구를 통하여 상기 발광 칩의 전극과 연결되어 있을 수 있으며, 적어도 상기 방열 기판의 관통구 내벽에 형성되어 있으며 상기 플러그와 상기 방열 기판을 절연하는 관통구 피막을 더 포함할 수 있다.
상기 광학층의 상기 광학 패턴은 양각되어 있을 수 있고, 상기 렌즈 패턴은 볼록 렌즈 패턴일 수 있으며, 상기 렌즈 패턴은 볼록 렌즈의 중앙에 원뿔형 홈이 형성되어 있는 모양을 가질 수 있다. 상기 광학층의 상기 광학 패턴은 홀로 그래픽 그레이팅 패턴일 수 있고, 상기 방열 기판의 윗면에는 홈이 형성되어 있고 상기 발광 칩은 상기 홈 내부에 배치되어 있을 수 있다.
상기 방열 기판의 윗면에 형성되어 있는 반사층을 더 포함할 수 있고, 상기 버퍼층과 상기 광학층 사이에 형성되어 있는 확산층을 더 포함할 수 있다.
상기 기초 기판의 측면에 설치되어 있는 지지대, 상기 지지대 위에 배치되어 있는 확산판, 상기 확산판 위에 배치되어 있는 광학 필름을 더 포함할 수 있고, 상기 광학 필름은 DBEF(double brightness enhanced film)와 BEF(brightness enhanced film)를 포함할 수 있다.
또, 상기 발광 칩은 상기 플러그에 플립 칩 본딩되어 있을 수 있고, 상기 발광 칩의 두 전극은 상기 플러그와 와이어 본딩되어 있을 수 있으며, 또는 상기 발광 칩의 두 전극은 적층 구조를 가지는 상기 발광 칩의 최하층과 최상층을 이루며 두 전극 중 하나는 도전 범퍼를 통하여 상기 플러그와 연결되어 있고, 나머지 하나는 상기 플러그와 와이어 본딩되어 있을 수 있고, 상기 버퍼층의 윗면은 평탄화되어 있을 수 있다.
아래 면과 윗면을 가지며 관통구를 가지는 기초 기판, 상기 기초 기판의 아래 면에 형성되어 있는 배선, 상기 기초 기판의 윗면에 배치되어 있는 발광 칩, 상기 기초 기판의 상기 관통구를 통하여 상기 발광 칩의 전극과 상기 배선을 연결하는 플러그, 상기 발광 칩을 덮고 있으며 윗면이 평탄화되어 있는 버퍼층, 상기 버 퍼층의 위에 형성되어 있으며 상기 발광 칩과 대응하는 위치에 형성되어 있는 광학 패턴을 가지는 광학층을 복수의 2차원 광원 모듈을 포함하고, 상기 복수의 2차원 광원 모듈은 행렬을 이루어 배치되어 있을 수 있고, 행렬을 이루어 배치되어 있는 상기 복수의 2차원 광원 모듈을 수용하는 틀을 더 포함할 수 있다. 상기 2차원 광원 모듈 사이를 전기적으로 연결하는 모듈 간 배선을 더 포함할 수 있고, 상기 버퍼층의 윗면은 평탄화되어 있을 수 있다.
본 발명은 또 아래 면과 윗면을 가지며 관통구를 가지는 PCB, 상기 PCB의 아래 면에 형성되어 있는 배선, 아래 면과 윗면을 가지며 상기 PCB의 윗면에 아래 면이 부착되어 있고 관통구를 가지는 방열 기판, 상기 방열 기판의 윗면에 배치되어 있는 발광 칩, 상기 PCB 및 상기 방열 기판의 상기 관통구를 통하여 상기 발광 칩의 전극과 상기 배선을 연결하는 플러그, 상기 발광 칩을 덮고 있으며 윗면이 평탄화되어 있는 버퍼층, 상기 버퍼층의 위에 형성되어 있으며 상기 발광 칩과 대응하는 위치에 형성되어 있는 광학 패턴을 가지는 광학층을 포함하는 2차원 광원, 상기 2차원 광원 위에 배치되어 있으며 두 패널과 두 패널 사이에 삽입되어 있는 액정층을 포함하는 액정 패널을 포함하는 액정 표시 장치를 마련한다.
여기서, 상기 액정 패널의 양측에 배치되어 있는 두 편광판을 더 포함할 수 있고, 상기 2차원 광원과 상기 액정 패널 사이에 배치되어 있는 광학 필름을 더 포함할 수 있고, 상기 버퍼층의 윗면은 평탄화되어 있을 수 있다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 표시 장치용 광원에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 액정 표시판 조립체(liquid crystal panel assembly)(300) 및 이에 연결된 게이트 구동부(400)와 데이터 구동부(500), 데이터 구동부(500)에 연결된 계조 전압 생성부(800), 액정 표시판 조립체(300)에 빛을 조사하는 광원부(910), 광원부(910)를 제어하는 광원 구동부(920) 및 이들을 제어하는 신호 제어부(signal controller)(600)를 포함한다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치를 구조적으로 보면, 표시부(330)와 백라이트부(340)를 포함하는 액정 모듈(350)과 액정 모듈(350)을 수납하고 고정하는 전면 및 후면 섀시(361, 362), 몰드 프레임(363, 364)을 포함한다.
표시부(330)는 액정 표시판 조립체(300)와 이에 부착된 게이트 테이프 캐리어 패키지(TCP, tape carrier packet)(410) 및 데이터 TCP(510), 그리고 해당 TCP(410, 510)에 부착되어 있는 게이트 인쇄 회로 기판(PCB, printed circuit board)(450) 및 데이터 PCB(550)를 포함한다.
액정 표시판 조립체(300)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 구조적으로 볼 때 하부 표시판(100) 및 상부 표시판(200)과 그 사이에 들어 있는 액정층(3)을 포함하며, 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이 등가 회로로 볼 때 복수의 표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)과 이에 연결되어 있으며 대략 행렬의 형태로 배열된 복수의 화소(pixel)를 포함한다.
표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)은 하부 표시판(100)에 구비되어 있으며, 게이트 신호("주사 신호"라고도 함)를 전달하는 복수의 게이트선(G1-Gn)과 데이터 신호를 전달하는 데이터선(D1-Dm)을 포함한다. 게이트선(G1-Gn)은 대략 행 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하고 데이터선(D1-Dm)은 대략 열 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하다.
각 화소는 표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)에 연결된 스위칭 소자(Q)와 이에 연결된 액정 축전기(liquid crystal capacitor)(CLC) 및 유지 축전기(storage capacitor)(CST)를 포함한다. 유지 축전기(CST)는 필요에 따라 생략할 수 있다.
박막 트랜지스터 등 스위칭 소자(Q)는 하부 표시판(100)에 구비되어 있으며, 삼단자 소자로서 그 제어 단자 및 입력 단자는 각각 게이트선(G1-Gn) 및 데이터선(D1-Dm)에 연결되어 있으며, 출력 단자는 액정 축전기(CLC) 및 유지 축전기(C ST)에 연결되어 있다.
액정 축전기(CLC)는 하부 표시판(100)의 화소 전극(190)과 상부 표시판(200)의 공통 전극(270)을 두 단자로 하며 두 전극(190, 270) 사이의 액정층(3)은 유전체로서 기능한다. 화소 전극(190)은 스위칭 소자(Q)에 연결되며 공통 전극(270)은 상부 표시판(200)의 전면에 형성되어 있고 공통 전압(Vcom)을 인가받는다. 도 3에서와는 달리 공통 전극(270)이 하부 표시판(100)에 구비되는 경우도 있으며 이때에는 두 전극(190, 270) 중 적어도 하나가 선형 또는 막대형으로 만들어질 수 있다.
액정 축전기(CLC)의 보조적인 역할을 하는 유지 축전기(CST)는 하부 표시판(100)에 구비된 별개의 신호선(도시하지 않음)과 화소 전극(190)이 절연체를 사이에 두고 중첩되어 이루어지며 이 별개의 신호선에는 공통 전압(Vcom) 따위의 정해진 전압이 인가된다. 그러나 유지 축전기(CST)는 화소 전극(190)이 절연체를 매개로 바로 위의 전단 게이트선과 중첩되어 이루어질 수 있다.
한편, 색 표시를 구현하기 위해서는 각 화소가 삼원색 중 하나를 고유하게 표시하거나(공간 분할) 각 화소가 시간에 따라 번갈아 삼원색을 표시하게(시간 분할) 하여 이들 삼원색의 공간적, 시간적 합으로 원하는 색상이 인식되도록 한다. 도 3은 공간 분할의 한 예로서 각 화소가 화소 전극(190)에 대응하는 상부 표시판 (200)의 영역에 적색, 녹색, 또는 청색의 색 필터(230)를 구비함을 보여주고 있다. 도 3과는 달리 색 필터(230)는 하부 표시판(100)의 화소 전극(190) 위 또는 아래에 형성할 수도 있다.
도 2에서 백라이트부(340)는 액정 표시판 조립체(300)의 하부에 장착되어 있으며 복수의 발광 다이오드 칩(도시하지 않음)을 내장하고 있으며 렌즈 패턴(344) 등의 광학 패턴이 형성되어 있는 렌즈층을 가지는 2차원 광원체(341) 및 복수의 광학 시트(343), 그리고 2차원 광원체(341)와 광학 시트(343)를 수납하는 몰드 프레임(364)을 포함한다.
광원으로 사용되는 발광 다이오드(LED) 칩으로는 백색광을 내는 백색 발광 다이오드 칩을 사용하거나 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드 칩을 혼합 배치하여 사용할 수 있다. 또는 백색 발광 다이오드 칩을 기본으로 하고 적색 발광 다이오드 칩 등을 보조적으로 사용할 수도 있다.
도 2에 도시한 렌즈 패턴(344)은 3열로 배치되어 있으나 그 수는 요구되는 휘도와 액정 표시 장치의 화면 크기 등에 따라 증감될 수 있다.
액정 표시판 조립체(300)의 두 표시판(100, 200)의 바깥 면에는 2차원 광원체(341)에서 나오는 빛을 편광시키는 편광자(도시하지 않음)가 부착되어 있다.
도 1과 도 2를 참고하면, 계조 전압 생성부(800)는 데이터 PCB(550)에 구비되어 있으며 화소의 투과율과 관련된 두 벌의 복수 계조 전압을 생성한다. 두 벌 중 한 벌은 공통 전압(Vcom)에 대하여 양의 값을 가지고 다른 한 벌은 음의 값을 가 진다.
게이트 구동부(400)는 집적 회로(integrated circuit, IC) 칩의 형태로 각 게이트 TCP(410) 위에 장착되어 있으며, 액정 표시판 조립체(300)의 게이트선(G1-Gn)에 연결되어 외부로부터의 게이트 온 전압(Von)과 게이트 오프 전압(Voff )의 조합으로 이루어진 게이트 신호를 게이트선(G1-Gn)에 인가한다.
데이터 구동부(500)는 IC 칩의 형태로 각 데이터 TCP(510) 위에 장착되어 있으며, 액정 표시판 조립체(300)의 데이터선(D1-Dm)에 연결되어 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압 중에서 선택한 데이터 전압을 데이터선(D1-Dm)에 인가한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 게이트 구동부(400) 또는 데이터 구동부(500)는 IC 칩의 형태로 하부 표시판(100) 위에 장착되며, 또 다른 실시예에 따르면 하부 표시판(100)에 다른 소자들과 함께 집적된다. 이 두 가지 경우 게이트 PCB(450) 또는 게이트 TCP(410)는 생략될 수 있다.
게이트 구동부(400) 및 데이터 구동부(500) 등의 동작을 제어하는 신호 제어부(600)는 데이터 PCB(550) 또는 게이트 PCB(450)에 구비되어 있다.
그러면 이러한 액정 표시 장치의 표시 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
신호 제어부(600)는 외부의 그래픽 제어기(도시하지 않음)로부터 입력 영상 신호(R, G, B) 및 이의 표시를 제어하는 입력 제어 신호, 예를 들면 수직 동기 신 호(Vsync)와 수평 동기 신호(Hsync), 메인 클록(MCLK), 데이터 인에이블 신호(DE) 등을 제공받는다. 신호 제어부(600)는 입력 영상 신호(R, G, B)와 입력 제어 신호를 기초로 영상 신호(R, G, B)를 액정 표시판 조립체(300)의 동작 조건에 맞게 적절히 처리하고 게이트 제어 신호(CONT1) 및 데이터 제어 신호(CONT2) 등을 생성한 후, 게이트 제어 신호(CONT1)를 게이트 구동부(400)로 내보내고 데이터 제어 신호(CONT2)와 처리한 영상 신호(DAT)는 데이터 구동부(500)로 내보낸다.
게이트 제어 신호(CONT1)는 프레임의 시작을 알리는 수직 동기 시작 신호(STV), 게이트 온 전압(Von)의 출력 시기를 제어하는 게이트 클록 신호(CPV) 및 게이트 온 전압(Von)의 지속 시간을 한정하는 출력 인에이블 신호(OE) 등을 포함한다.
데이터 제어 신호(CONT2)는 영상 데이터(DAT)의 전송 시작을 알리는 수평 동기 시작 신호(STH)와 데이터선(D1-Dm)에 데이터 전압을 인가하라는 로드 신호(LOAD), 공통 전압(Vcom)에 대한 데이터 전압의 극성(이하 공통 전압에 대한 데이터 전압의 극성을 줄여 데이터 전압의 극성이라 함)을 반전시키는 반전 신호(RVS) 및 데이터 클록 신호(HCLK) 등을 포함한다.
데이터 구동부(500)는 신호 제어부(600)로부터의 데이터 제어 신호(CONT2)에 따라 한 행의 화소에 대한 영상 데이터(DAT)를 차례로 입력받아 시프트시키고, 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압 중 각 영상 데이터(DAT)에 대응하는 계조 전압을 선택함으로써 영상 데이터(DAT)를 해당 데이터 전압으로 변환한 후, 이를 해당 데이터선(D1-Dm)에 인가한다.
게이트 구동부(400)는 신호 제어부(600)로부터의 게이트 제어 신호(CONT1)에 따라 게이트 온 전압(Von)을 게이트선(G1-Gn)에 인가하여 이 게이트선(G 1-Gn)에 연결된 스위칭 소자(Q)를 턴온시키며, 이에 따라 데이터선(D1-Dm)에 인가된 데이터 전압이 턴온된 스위칭 소자(Q)를 통하여 해당 화소에 인가된다.
화소에 인가된 데이터 전압과 공통 전압(Vcom)의 차이는 액정 축전기(CLC)의 충전 전압, 즉 화소 전압으로서 나타난다. 액정 분자들은 화소 전압의 크기에 따라 그 배열을 달리한다.
광원 구동부(920)는 광원부(910)에 인가되는 전류를 제어하여 광원부(910)를 구성하는 발광 다이오드 칩을 점멸하고 그 밝기를 제어한다.
이와 같은 광원 구동부(920)의 동작에 따라서 발광 다이오드 칩에서 나온 빛은 액정층(3)을 통과하면서 액정 분자의 배열에 따라 그 편광이 변화한다. 이러한 편광의 변화는 편광자에 의하여 빛의 투과율 변화로 나타난다.
1 수평 주기(또는 1H)[수평 동기 신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(DE), 게이트 클록(CPV)의 한 주기]가 지나면 데이터 구동부(500)와 게이트 구동부(400)는 다음 행의 화소에 대하여 동일한 동작을 반복한다. 이러한 방식으로, 한 프레임(frame) 동안 모든 게이트선(G1-Gn)에 대하여 차례로 게이트 온 전압(Von)을 인가하여 모든 화소에 데이터 전압을 인가한다. 한 프레임이 끝나면 다음 프레임이 시 작되고 각 화소에 인가되는 데이터 전압의 극성이 이전 프레임에서의 극성과 반대가 되도록 데이터 구동부(500)에 인가되는 반전 신호(RVS)의 상태가 제어된다(프레임 반전). 이때, 한 프레임 내에서도 반전 신호(RVS)의 특성에 따라 한 데이터선을 통하여 흐르는 데이터 전압의 극성이 바뀌거나(행 반전, 도트 반전), 한 화소행에 인가되는 데이터 전압의 극성도 서로 다를 수 있다(열 반전, 도트 반전).
그러면, 본 발명의 한 실시예에 따른 광원부(910), 즉, 백라이트 장치를 구성하는 2차원 광원체(341)에 대하여 도 4를 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 2차원 광원은 하부 PCB(printed circuit board) 기판(110)과 상부 방열 기판(120)의 이중 기판으로 되어 있는 기초 기판(111), 기초 기판(111) 위에 형성되어 있는 칩 베이스 막(160), 칩 베이스 막(160) 위에 놓여 있는 발광 다이오드 칩(130), 발광 다이오드 칩(130)을 덮고 있으며 윗면이 평탄화되어 있는 버퍼층(140), 버퍼층(140) 위에 형성되어 있는 광학층(150)을 포함하여 이루어진다.
기초 기판(111)의 하부를 이루는 PCB 기판(110)은 그 아래 면에 발광 다이오드 칩(130)에 전력을 공급하기 위한 배선을 비롯하여 본 발명의 실시예에 따른 2차원 광원을 구동하기 위한 각종 배선(181, 182)을 가진다.
기초 기판(111)의 상부를 이루는 방열 기판(120)은 알루미늄 등의 열 전도성이 우수한 금속으로 이루어져 있으며 그 아래 면이 PCB 기판(110)의 윗면에 부착되 어 있다. 여기서 방열 기판(120)은 금속 이외에 열 전도성이 우수한 다른 물질로 형성할 수도 있다.
기초 기판(111)에는 PCB 기판(110)의 아래 면으로부터 방열 기판(120)의 윗면을 관통하는 관통구가 형성되어 있고, 관통구 내에는 발광 다이오드 칩(130)의 전극과 배선(181, 182)을 전기적으로 연결하기 위한 플러그(171, 172)가 형성되어 있다. 또한, 관통구의 내부 표면에는 플러그(171, 172)를 방열 기판(120)으로부터 절연하기 위한 관통구 피막(190)이 형성되어 있다. 관통구 피막(190)은 관통구 내부 전체에 형성되어 있을 필요는 없으나 적어도 방열 기판(120)을 통과하는 부분에는 형성되어 있는 것이 바람직하고, 방열 기판(120)이 절연 물질로 형성되는 경우에는 생략할 수도 있다.
칩 베이스 막(160)은 절연 물질로 형성되어 발광 다이오드 칩(130)과 방열 기판(120) 사이를 절연하고 있다. 칩 베이스 막(160)에도 관통구가 형성되어 있고, 이 관통구에도 플러그(171, 172)가 채워져 있다.
칩 베이스 막(160) 위에 놓여 있는 발광 다이오드 칩(130)의 양전극과 음전극은 플립 칩 본딩(flip chip bonding), 와이어 본딩(wire bonding) 등의 방법으로 플러그(171, 172)와 전기적으로 연결되어 있다. 이에 대하여는 후술한다.
버퍼층(140)은 투명한 수지 등의 물질로 이루어져 있고, 발광 다이오드 칩(130)을 덮어 보호하며, 별도로 제작된 필름 형태의 광학층(150)이나 다른 필름의 부착을 용이하게 하기 위하여 윗면이 평탄화되어 있다.
광학층(150)은 발광 다이오드 칩(130)이 발산하는 빛을 넓은 영역으로 고르 게 분산하기 위한 층으로 소정 형태의 렌즈가 배열되어 있는 렌즈 필름이다. 여기서 렌즈는 발광 다이오드 칩(130)과 대응하는 위치에 배치되어 있다. 또한 렌즈는 발광 다이오드 칩(130)의 표면의 중심으로부터 렌즈 표면의 임의의 지점을 잇는 직선이 렌즈의 중심축과 이루는 예각이 렌즈 표면의 해당 임의의 지점에서의 법선이 렌즈의 중심축과 이루는 예각보다 항상 크게 되도록 렌즈를 형성할 수 있다. 이러한 조건을 만족하면 발광 다이오드가 발산하는 빛이 광학층(150)을 통과하면서 넓은 영역으로 고르게 분산된다.
광학층(150)으로는 렌즈 필름 이외에 디지털 광학계(digital optics)를 포함하는 박막 광학층이거나 홀로 그래픽 그레이팅 층(holographic grating layer) 등 다양한 광학 필름 또는 층이 사용될 수 있다.
이상과 같이, 발광 다이오드 칩(130)을 베어 칩(bare chip) 상태로 기초 기판 위에 실장하고 그 위에 광학층(150)을 적층하여 2차원(면) 광원을 제조하면 광원을 슬림화할 수 있고, 이러한 광학계와 발광 칩이 일체화된 광원을 사용함으로써 백라이트의 조립 공정을 단순화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
도 5의 실시예도 도 4의 실시예와 마찬가지로 하부 PCB(printed circuit board) 기판(110)과 상부 방열 기판(120)의 이중 기판으로 되어 있는 기초 기판(111), 기초 기판(111) 위에 형성되어 있는 칩 베이스 막(160), 칩 베이스 막(160) 위에 놓여 있는 발광 다이오드 칩(130), 발광 다이오드 칩(130)을 덮고 있으며 윗 면이 평탄화되어 있는 버퍼층(140), 버퍼층(140) 위에 형성되어 있는 광학층(150)을 포함하여 이루어진다.
도 5의 실시예에서는 방열 기판(120)의 윗면에 홈(121)이 형성되어 있고, 칩 베이스 막(160)과 발광 다이오드 칩(130)이 홈(121)의 바닥 면에 놓여 있다.
이렇게 하면, 2차원 광원을 더 한층 슬림화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
도 6의 실시예는 도 5의 실시예에 비하여 버퍼층(140)과 광학층(150) 사이에 확산층(343)이 더 형성되어 있다.
확산층(343)은 발광 다이오드 칩(130)이 발산하는 빛을 확산시켜 2차원 광원이 발하는 면광의 균일성을 좀더 향상한다.
확산층(343) 이외에 다른 광학 필름들이 추가적으로 또는 교환적으로 포함될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
도 7의 실시예는 도 5의 실시예에 비하여 광학층(150)의 렌즈 형태가 변형되어 있다.
도 7의 실시예에서의 렌즈는 렌즈 표면이 차중앙 곡면(151)과 최중앙 곡면(152)으로 구분되어 있다. 여기서 차중앙 곡면(151)은 볼록하게 튀어 나와 있고 최중앙 곡면(152)은 차중앙 곡면(151)의 중심부에 원뿔형 홈을 이루고 있다. 좀더 구체적으로, 차중앙 곡면(151)은 발광 다이오드 칩(130) 표면의 중심으로부터 수직 방향으로 뻗은 렌즈의 축을 중심으로 하여 대칭을 이루는 것이 바람직하고, 발광 다이오드 칩(130)의 표면의 중심으로부터 차중앙 곡면(151)의 임의의 지점을 잇는 직선이 렌즈의 중심축과 이루는 예각이 차중앙 곡면(151)의 해당 임의의 지점에서의 법선이 렌즈의 중심축과 이루는 예각보다 항상 크게 되도록 렌즈를 형성할 수 있다. 또, 최중앙 곡면(152)도 발광 다이오드 칩(130) 표면의 중심으로부터 수직 방향으로 뻗은 렌즈의 축을 중심으로 하여 대칭을 이루는 것이 바람직하다. 또, 렌즈를 이루는 유전체의 굴절률을 n, 최중앙 곡면(152)의 임의의 지점에서의 접선으로서 렌즈의 중심축과 교차하는 접선이 렌즈의 중심축과 이루는 각 중 내각(렌즈를 바라보는 방향의 각)을 A1, 발광 다이오드 칩(152) 표면의 중심과 최중앙 곡면(152)의 상기 임의의 지점을 연결하는 직선과 상기 렌즈의 중심축이 이루는 예각을 A2라 하면
A1+A2 < 90+sin-1(1/n) (1)
을 만족하도록 최중앙 곡면(152)을 형성한다.
렌즈 표면을 이루는 차중앙 곡면(151)과 최중앙 곡면(152)이 이러한 조건을 만족하면 발광 다이오드가 발산하는 빛이 광학층(150)을 통과하면서 넓은 영역으로 고르게 분산된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 수직 단면도이다.
도 8의 실시예는 도 4 내지 도 7의 실시예에 따른 2차원 광원 중 어느 하나의 측면에 지지대(710)를 부착하여 광학층(150) 위에 소정의 공간을 형성하고, 지지대(710) 위에 확산판(342)과 광학 필름(343)들을 배치한다. 여기서 확산판(342)은 광학 필름(343)을 지탱하는 지지판의 역할과 광을 확산하는 광학 필름의 역할을 겸한다. 또 확산판(342) 위에 놓이는 광학 필름(343)으로는 DBEF(double brightness enhanced film)와 BEF(brightness enhanced film) 등이 사용될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 2차원 광원에 사용되는 발광 다이오드의 다양한 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
먼저, 도 9를 보면, 방열 기판(110) 위에 반사막(112)이 코팅되어 있고, 방열 기판(110) 홈 내부의 반사막(112) 위에 칩 베이스 막(160)이 형성되어 있고, 관통구를 통하여 칩 베이스 막(160)의 위에까지 올라와 있는 플러그 헤드(173, 174)의 위에 발광 다이오드 칩이 플립 칩 본딩(flip chip bonding)되어 있다.
여기서, 발광 다이오드 칩은 절연 기판(131), 절연 기판(131) 위에 형성되어 있는 n형 반도체층(132), n형 반도체층(132) 위에 형성되어 있는 활성층(133), 활성층(133) 위에 형성되어 있는 p형 반도체층(134), p형 반도체층(134)과 n형 반도체층(132)의 위에 각각 형성되어 있는 두 전극(135, 136)을 포함하며, 두 전극(135, 136)은 도전성 범퍼(175, 176)를 통하여 플러그 헤드(173, 174)와 연결되어 있다. 이와 같이, 발광 다이오드 칩을 뒤집어서 도전성 범퍼(175, 176)를 통하여 직접 연결하는 방식을 플립 칩 본딩이라 한다.
다음, 도 10을 보면, 방열 기판(110) 위에 반사막(112)이 코팅되어 있고, 방열 기판(110) 홈 내부의 반사막(112) 위에 칩 베이스 막(160)이 형성되어 있고, 관통구를 통하여 칩 베이스 막(160)의 위에까지 올라와 있는 플러그 헤드(173, 174)의 위에 발광 다이오드 칩이 와이어 본딩(wire bonding)되어 있다.
여기서, 발광 다이오드 칩은 절연 기판(131), 절연 기판(131) 위에 형성되어 있는 n형 반도체층(132), n형 반도체층(132) 위에 형성되어 있는 활성층(133), 활성층(133) 위에 형성되어 있는 p형 반도체층(134), p형 반도체층(134)과 n형 반도체층(132)의 위에 각각 형성되어 있는 두 전극(135, 136)을 포함하며, 두 전극(135, 136)은 와이어(177, 178)를 통하여 플러그 헤드(173, 174)와 연결되어 있다. 이와 같이, 발광 다이오드 칩의 절연 기판(131)을 칩 베이스 막(160)과 접촉시키고 와이어(177, 178)를 통하여 두 전극(135, 136)과 플러그 헤드(173, 174)를 연결하는 방식을 와이어 본딩이라 한다.
다음, 도 11을 보면, 방열 기판(110) 위에 반사막(112)이 코팅되어 있고, 방열 기판(110) 홈 내부의 반사막(112) 위에 칩 베이스 막(160)이 형성되어 있고, 관통구를 통하여 칩 베이스 막(160)의 위에까지 올라와 있는 플러그 헤드(173, 174)의 위에 발광 다이오드 칩의 한쪽 전극(351)은 도전성 범퍼(175)를 통하여 직접 연결되어 있고, 다른 한쪽 전극(357)은 와이어(178)를 통하여 본딩(wire bonding)되어 있다.
여기서, 발광 다이오드 칩은 제1 전극(351), 제1 전극(351) 위에 형성되어 있는 도전성 기판(354), 도전성 기판(354) 위에 형성되어 있는 n형 반도체(355), n 형 반도체층(355) 위에 형성되어 있는 활성층(356), 활성층(356) 위에 형성되어 있는 제2 전극(357)을 포함하며, 제1 전극(351)은 도전성 범퍼(175)를 통하여 플러그 헤드(173)와 연결되어 있고, 제2 전극(357)은 와이어(178)를 통하여 플러그 헤드(174)와 연결되어 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드를 사용하는 2차원 광원의 평면도이고, 도 13은 도 12의 XIII-XIII'선에 대한 단면도이다.
도 12 및 도 13의 실시예는 앞서의 도 4 내지 도 11로 설명한 2차원 광원을 모듈화 하여 행렬로 배치함으로써 액정 패널의 대형화에 유연하게 대처할 수 있도록 한 것이다.
2차원 광원 모듈(341)의 결합을 보강하기 위하여 틀(364) 내부에 2차원 광원 모듈을 배치한다. 그러나 2차원 광원 모듈 자체에 결합 수단을 구비하여 틀(364)을 생략할 수도 있다.
또 2차원 광원 모듈(341)의 PCB 기판에는 모듈 사이를 연결하는 배선이 형성되어 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에 따르면, 발광 다이오드 칩을 베어 칩(bare chip) 상태로 기초 기 판 위에 실장하고 그 위에 광학층을 적층하여 2차원(면) 광원을 제조함으로써 광원을 슬림화할 수 있고, 이러한 광학계와 발광 칩이 일체화된 광원을 사용함으로써 백라이트의 조립 공정을 단순화할 수 있다.

Claims (27)

  1. 아래 면과 윗면을 가지며 관통구를 가지는 기초 기판,
    상기 기초 기판의 아래 면에 형성되어 있는 배선,
    상기 기초 기판의 윗면에 배치되어 있는 발광 칩,
    상기 기초 기판의 상기 관통구를 통하여 상기 발광 칩의 전극과 상기 배선을 연결하는 플러그,
    상기 발광 칩을 덮고 있는 버퍼층,
    상기 버퍼층의 위에 형성되어 있으며 상기 발광 칩과 대응하는 위치에 형성되어 있는 광학 패턴을 가지는 광학층
    을 포함하는 2차원 광원.
  2. 제1항에서,
    상기 기초 기판은 PCB 기판과 상기 PCB 기판의 위에 부착되어 있는 방열 기판을 포함하고, 상기 배선은 상기 PCB 기판의 아래 면에 형성되어 있고, 상기 발광 칩은 상기 방열 기판의 윗면에 놓여 있는 2차원 광원.
  3. 제2항에서,
    상기 방열 기판은 금속으로 이루어져 있는 2차원 광원.
  4. 제3항에서,
    상기 방열 기판 위에 형성되어 있으며 상기 발광 칩의 전극을 상기 방열 기판과 절연하는 칩 베이스 막을 더 포함하는 2차원 광원.
  5. 제4항에서,
    상기 칩 베이스 막은 관통구를 가지며 상기 플러그는 상기 칩 베이스 막의 관통구를 통하여 상기 발광 칩의 전극과 연결되어 있는 2차원 광원.
  6. 제3항에서,
    적어도 상기 방열 기판의 관통구 내벽에 형성되어 있으며 상기 플러그와 상기 방열 기판을 절연하는 관통구 피막을 더 포함하는 2차원 광원.
  7. 제1항에서,
    상기 광학층의 상기 광학 패턴은 양각되어 있는 렌즈 패턴인 2차원 광원.
  8. 제7항에서,
    상기 렌즈 패턴은 볼록 렌즈 패턴인 2차원 광원.
  9. 제7항에서,
    상기 렌즈 패턴은 볼록 렌즈의 중앙에 원뿔형 홈이 형성되어 있는 모양을 가 지는 2차원 광원.
  10. 제1항에서,
    상기 광학층의 상기 광학 패턴은 홀로 그래픽 그레이팅 패턴인 2차원 광원.
  11. 제2항에서,
    상기 방열 기판의 윗면에는 홈이 형성되어 있고 상기 발광 칩은 상기 홈 내부에 배치되어 있는 2차원 광원.
  12. 제11항에서,
    상기 방열 기판의 윗면에 형성되어 있는 반사층을 더 포함하는 2차원 광원.
  13. 제1항에서,
    상기 버퍼층과 상기 광학층 사이에 형성되어 있는 확산층을 더 포함하는 2차원 광원.
  14. 제1항에서,
    상기 기초 기판의 측면에 설치되어 있는 지지대,
    상기 지지대 위에 배치되어 있는 확산판,
    상기 확산판 위에 배치되어 있는 광학 필름
    을 더 포함하는 2차원 광원.
  15. 제14항에서,
    상기 광학 필름은 DBEF(double brightness enhanced film)와 BEF(brightness enhanced film)를 포함하는 2차원 광원.
  16. 제1항에서,
    상기 발광 칩은 상기 플러그에 플립 칩 본딩되어 있는 2차원 광원.
  17. 제1항에서,
    상기 발광 칩의 두 전극은 상기 플러그와 와이어 본딩되어 있는 2차원 광원.
  18. 제1항에서,
    상기 발광 칩의 두 전극은 적층 구조를 가지는 상기 발광 칩의 최하층과 최상층을 이루며 두 전극 중 하나는 도전 범퍼를 통하여 상기 플러그와 연결되어 있고, 나머지 하나는 상기 플러그와 와이어 본딩되어 있는 2차원 광원.
  19. 제1항에서,
    상기 버퍼층은 윗면이 평탄화되어 있는 2차원 광원.
  20. 아래 면과 윗면을 가지며 관통구를 가지는 기초 기판,
    상기 기초 기판의 아래 면에 형성되어 있는 배선,
    상기 기초 기판의 윗면에 배치되어 있는 발광 칩,
    상기 기초 기판의 상기 관통구를 통하여 상기 발광 칩의 전극과 상기 배선을 연결하는 플러그,
    상기 발광 칩을 덮고 있는 버퍼층,
    상기 버퍼층의 위에 형성되어 있으며 상기 발광 칩과 대응하는 위치에 형성되어 있는 광학 패턴을 가지는 광학층
    을 가지는 복수의 2차원 광원 모듈을 포함하고, 상기 복수의 2차원 광원 모듈은 행렬을 이루어 배치되어 있는 2차원 광원.
  21. 제20항에서,
    행렬을 이루어 배치되어 있는 상기 복수의 2차원 광원 모듈을 수용하는 틀을 더 포함하는 2차원 광원.
  22. 제20항에서,
    상기 2차원 광원 모듈 사이를 전기적으로 연결하는 모듈 간 배선을 더 포함하는 2차원 광원.
  23. 제20항에서,
    상기 버퍼층의 윗면은 평탄화되어 있는 2차원 광원.
  24. 아래 면과 윗면을 가지며 관통구를 가지는 PCB, 상기 PCB의 아래 면에 형성되어 있는 배선, 아래 면과 윗면을 가지며 상기 PCB의 윗면에 아래 면이 부착되어 있고 관통구를 가지는 방열 기판, 상기 방열 기판의 윗면에 배치되어 있는 발광 칩, 상기 PCB 및 상기 방열 기판의 상기 관통구를 통하여 상기 발광 칩의 전극과 상기 배선을 연결하는 플러그, 상기 발광 칩을 덮고 있는 버퍼층, 상기 버퍼층의 위에 형성되어 있으며 상기 발광 칩과 대응하는 위치에 형성되어 있는 광학 패턴을 가지는 광학층을 포함하는 2차원 광원,
    상기 2차원 광원 위에 배치되어 있으며 두 패널과 두 패널 사이에 삽입되어 있는 액정층을 포함하는 액정 패널
    을 포함하는 액정 표시 장치.
  25. 제24항에서,
    상기 액정 패널의 양측에 배치되어 있는 두 편광판을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  26. 제24항에서,
    상기 2차원 광원과 상기 액정 패널 사이에 배치되어 있는 광학 필름을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  27. 제24항에서,
    상기 버퍼층의 윗면은 평탄화되어 있는 액정 표시 장치.
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