KR20110109572A - 광학 필드 변조 발광 소자 및 이를 이용한 디스플레이 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학 필드를 제어하여 광원으로부터의 출사된 광을 변조시켜 출사시키는 광학 필드 변조 발광 소자 및 이를 이용한 디스플레이에 관한 것으로, 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자는, 클래드, 제 1 코어, 굴절률 가변층를 포함한 광 도파로;와, 광을 출사하여, 상기 광 도파로로 상기 광을 가이딩하는 광원;과, 상기 굴절률 가변층 상의 소정 부위에 형성된 발광층; 및 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절하여, 상기 광도파로로 가이딩된 광을 상기 발광층으로 전반사시켜, 상기 발광층으로부터 광을 발광시키는 광학 필드 모듈레이터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 광학 필드를 제어하여 광원으로부터의 출사된 광을 변조시켜 출사시키는 광학 필드 변조 발광 소자 및 이를 이용한 디스플레이에 관한 것이다.
정보화 사회에서 디스플레이(Display)는 시각정보 전달매체로서 그 중요성이 더한층 강조되고 있으며, 향후 주요한 위치를 점하기 위해서는 저소비전력화, 박형화, 경량화, 고화질화 등의 요건을 충족시켜야 한다.
이러한 디스플레이는 자체가 빛을 내는 브라운관(Cathode Ray Tube; CRT), 전계발광소자(Electro Luminescence; EL), 발광소자(Light Emitting Diode; LED), 진공형광표시장치(Vacuum Fluorescent Display; VFD), 전계방출디스플레이(Field Emission Display; FED), 플라스마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel; PDP) 등의 발광형과 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)와 같이 자체가 빛을 내지 못하는 비발광형으로 나눌 수 있다.
최근에는, 디스플레이는 상술한 방식에 한하지 않고, 사용자 욕구의 증대에 따라, 보다 고화질 및 빠른 응답 속도 등을 위해 새로운 디스플레이의 연구가 활발히 진행되고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 일반적인 표시 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 액정 표시 장치를 나타낸 사시도이다.
도 1과 같이, 일반적인 액정표시장치는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 화소들에 화상신호를 개별적으로 공급하여, 상기 화소들의 광투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 표시할 수 있도록 한 표시장치이다. 이를 위해 액정표시장치는 박막 트랜지스터가 배열된 하부기판(10)과, 컬러필터가 형성되어 있는 상부기판(20)이 액정층(15)을 사이에 두고 합착된 구조로 되어 있다. 또한, 상기 하부 기판(10)과 상부 기판(20) 표면에는 각각 편광판(31, 32)이 형성되어, 투과 방향의 따라 차단 또는 투과를 조절한다. 그리고, 상기 액정 표시 장치는, 하부에 백라이트 유닛(40)을 구비하여, 상기 백라이트 유닛(40)으로부터 출사되는 광을, 상기 박막 트랜지스터에 의한 전계 인가에 따라, 상기 액정층(15)에서 광경로를 조절하여 출사시킨다.
이러한 액정 표시 장치는, 색상을 표시하기 위해 컬러 필터를 구비하는 것으로, 투과율이 떨어지며, 효율이 5% 정도로 낮은 광효율을 갖는 디스플레이다. 특히, 백라이트 유닛을 통과한 백색광이 하나의 색상만을 투과시키는 R, G, B 컬러 필터를 투과함에 따라, 그 광효율이 약 66% 정도 감소하게 되며, 픽셀들의 개구율에 의해 효율이 50% 가량 추가로 감소하여, 이는 전체 디스플레이의 광효율을 감소시키는 주요 원인이 된다.
또한, 응답 속도가 전계 인가에 따른 액정의 배향 변화에 따라 정해지는 것으로, 상대적으로 타 디스플레이에 대비해 낮은 응답 속도를 갖는다.
또한, 백라이트 유닛(40)의 광을 이용하는 것으로, 자발광 디스플레이에 대비하여 상대적으로 낮은 대조비(contrast ratio)를갖는다.
그리고, 도시된 바와 같이, 박막 트랜지스터, 컬러 필터, 액정층, 편광판 등의 여러 구성요소를 구비하기 때문에, 복잡한 구성으로 이루어져, 여러 공정의 제조 단계를 거쳐야 하여, 공정적인 번거로움이 있다.
도 2는 일반적인 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2와 같이, 일반적인 유기 발광 소자는, 기판(50) 상에, 서로 대향된 양극(51)과 음극(57)과 상기 양극(51), 음극(57) 사이에 광을 발광시키는 발광층(54)과, 상기 양극(51)과 발광층(54) 사이에 아래서부터 차례로 형성된 홀 주입층(52), 홀 전송층(53)과, 상기 발광층(54)과 상기 음극(57) 사이에 차례로 형성된 전자 전송층(55) 및 전자 주입층(56)을 포함하여 이루어진다.
이러한, 유기 발광 소자는, 수분에 열화되기 쉬운 유기 재료를 포함하여 이루어지는 것으로, 완전한 씰링 등의 어려움이 있고, 또한, 픽셀별 발광층 형성시 이용하는 새도우 마스크 공정에서, 새도우의 막힘, 쳐짐 등의 문제로 인해, 대면적 패널로 형성하기 힘든 어려움이 있다.
또한, 발광층과 그 주변층들의 조건에 따라 발광 특성이 달라지기 때문에, 그 소재를 선택하는데 제약이 있어, 동 크기의 다른 디스플레이 대비 제조 단가가 높은 문제점이 있다.
그리고, 서로 다른 색상의 발광층을 이루는 발광 물질들의 열화 속도가 달라, 장시간 구동시 색 변화가 발생하는 문제가 있다.
더불어, 전극들과 그 주변층, 발광층들의 HOMO, LUMO 에너지 레벨을 인접한 층들에 맞추어 특정 조건이 필요하여, 각 에너지 레벨에 맞는 일함수를 갖는 전극 물질들이 요구되어 복잡한 전극 구조를 가질 수 있다.
상기와 같은 근래 각광받고 있는 유기 발광 소자나 액정 표시 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 유기 발광 소자는, 유기물 이용에 따라, 소자 열화 문제를 피할 수 없어, 장시간 구동이 불가능하다. 또한, 새도우 마스크를 이용한 발광층 증착 공정에서, 새도우의 막힘이나 쳐짐 등과 같은 공정적인 문제가 있어, 대형 패널의 제조가 어렵다. 그리고, 발광 물질과 그 주변층에 HOMO 및 LUMO 에너지에 따라, 전자 또는 정공의 수송이 가능하거나 수송 효율이 높은 것으로, 재료의 선택에 어려움이 있다.
그 외의 액정 표시 장치는, 색상 구현을 위해 컬러 필터를 사용하며, 또한, 액정의 전계 구동에 의해 박막 트랜지스터 및 기타 배선 형성으로 인해 개구율이 떨어지는 것으로, 광효율이 5% 정도로 낮다. 또한, 액정의 응답 속도가 늦기 때문에, 빠른 응답 속도를 얻기 힘들다. 그리고, 박막 트랜지스터, 컬러 필터, 액정층, 편광판의 구비에 따라, 공정이 복잡한 애로 사항이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 광학 필드를 제어하여 광원으로부터의 출사된 광을 변조시켜 출사시키는 광학 필드 변조 발광 소자 및 이를 이용한 디스플레이를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자는, 광학 필드를 변조시키는 광학 필드 변조부와 발광층을 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자는, 클래드, 제 1 코어, 굴절률 가변층를 포함한 광 도파로;와, 광을 출사하여, 상기 광 도파로로 상기 광을 가이딩하는 광원;과, 상기 굴절률 가변층 상의 소정 부위에 형성된 발광층; 및 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절하여, 상기 광도파로로 가이딩된 광을 상기 발광층으로 전반사시켜, 상기 발광층으로부터 광을 발광시키는 광학 필드 모듈레이터를 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.
상기 광원에서 출사되는 광과 상기 발광층으로부터 발광된 광의 파장이 서로 다른 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 발광층은 업 컨버젼(up-conversion) 물질 또는 다운 컨버젼(down conversion) 물질로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 업 컨버젼 물질은 NaYF4, Yb, 및 Er 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 발광층이 다운 컨버젼 물질일 때, 이는 광 발광(photo-luminescence) 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 다운 컨버젼 물질은, 형광 물질 또는 인광 물질, 양자점(Quantum Dot) 혹은 그 외의 물질일 수 있다.
혹은, 상기 발광층은 광 산란 물질 또는 광 산란 구조로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 광원에서 출사되는 광과 상기 발광층으로부터 발광된 광의 파장이 같다. 예를 들어, 상기 광 산란 구조는 일 종류의 물질이 매트릭스로서 하나의 층을 이루며, 상기 물질과 굴절률이 다른 입자들이 분산되어 박혀있는 구조이다.
혹은, 상기 광 산란 물질은 실리카 볼일 수 있다.
한편, 상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 변화시켜, 상기 광도파로에 전달된 광의 광학필드를 변조하여, 변조된 광학 필드 테일이 상기 발광층에 전달되도록 하는 것일 수 있다.
혹은, 다른 실시예로, 상기 모듈레이터는, 상기 제 1 코어보다 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 크게 하여, 상기 광도파로에 전달된 광의 광학 필드가 상기 굴절률 가변층으로 스위칭되어, 상기 광학 필드의 테일이 상기 발광층에 전달되도록 할 수도 있다.
다른 실시예로, 상기 광도파로는, 상기 굴절률 가변층 상에 제 2 코어를 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 이 때, 상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 변화시켜, 상기 광도파로의 상기 제 1 코어에서 상기 제 2 코어로, 상기 광학 필드를 스위칭시킬 수 있다.
다른 실시예로, 상기 광도파로의 클래드는 상기 제 1 코어의 상하에 위치할 수 있다. 이 때, 상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 변화시켜, 상기 광도파로의 상기 제 1 코어에서, 상기 굴절률 가변층으로 상기 광학 필드를 스위칭시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 코어와 상기 굴절률 가변층 사이에 위치한 클래드는, 상기 모듈레이터에 의해, 상기 굴절률 가변층의 굴절률 변조시, 상기 굴절률 가변층에 영향을 줄 정도의 굴절률 및 두께를 갖는다.
그 밖에, 상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 크게 하여, 상기 광도파로에서 전달된 광학 필드가 상기 발광층으로 스위칭시킬 수 있다.
한편, 상기 굴절률 가변층은 전기 광학적(Electro-optic)으로 굴절률이 가변되는 것일 수 있다. 이 때, 상기 모듈레이터는 상기 굴절률 가변층 상하에 위치시킨 제 1, 제 2 투명 전극을 포함할 수 있다. 상기 모듈레이터는 상기 제 2 투명 전극에 접속되어, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 전기적으로 제어하는 박막 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
그 외로, 상기 굴절률 가변층은 열 광학(Thermal-Optic)으로 굴절률이 가변되는 것일 수도 있다. 이 때에는, 상기 모듈레이터는 상기 굴절률 가변층에 열을 제어하는, 열 조절 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 열 조절 센서는 히터 및 쿨러 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
그 밖에, 상기 굴절률 가변층은 자기 광학적(Magneto-Optic)으로 굴절률이 가변되는 것일 수 있다. 여기서, 상기 모듈레이터는 상기 굴절률 가변층에 자기장을 제어하는, 전자석 또는 코일을 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한, 디스플레이는, 매트릭스상으로 복수개의 픽셀들이 정의된 기판;과, 상기 기판 상에, 클래드, 제 1 코어, 굴절률 가변층을 포함하여 형성된 광 도파로;와, 상기 광 도파로의 측부에 위치하며, 광을 출사하여, 상기 광 도파로로 상기 광을 가이딩하는 광원;과, 상기 각 픽셀들에 대응된 굴절률 가변층 상에 형성되어, 제 1 내지 제 3 색의 광을 발광하는 제 1 내지 제 3 발광층; 및 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절하여, 상기 광도파로로 가이딩된 광을 상기 발광층으로 전반사시켜, 상기 발광층으로부터 광을 발광시키는 광학 필드 모듈레이터를 포함하여 이루어진 것에 또 다른 특징일 수 있다.
상기 모듈레이터는 상기 제 1 내지 제 3 발광층에 대해 구분되어 형성되어, 상기 제 1 내지 제 3 발광층에 대해 개별적으로 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절할 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 발광층은, 각각 적색광, 녹색광, 청색광을 발광하는 것일 수 있다.
상기 적색광, 녹색광 및 청색광 외에 색의 광을 출사하는 제 4 발광층을 더 포함할 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자 및 이를 이용한 디스플레이는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 콜로이덜 반도체 양자점(Colloidal Semiconductor Quantum Dot)을 이용한 양자점 발광 소자의 경우, 전계 발광을 할 경우, 7% 이하의 양자효율을 가지나, 본 발명의 광도파로로부터의 광학 필드를 발광층으로 스위칭시키거나, 광학 필드를 변조시킴에 의한 발광의 경우, 90% 이상이 넘는 높은 양자 효율을 나타낼 수 있다.
둘째, 예를 들어, 투과형 디스플레이의 경우, 광효율은 컬러 필터에 의한 흡수와 패널의 개구율에 의해 크게 영향을 받지만, 별도의 컬러 필터의 구비없이, 구현이 가능하다. 즉, 광학 필드 변조 또는 스위칭에 의해 발광이 가능한 것으로, 광효율이 패널의 개구율에 영향을 받지 않아, 컬러 필터에 의한 빛의 흡수가 없다. 또한, 광학 필드에 의한 에너지가 굴절률을 변조시키는 모듈레이터, 예를 들어, 박막 트랜지스터 등에 의해 가려지지 않는 부분으로만 광 에너지를 발광층에 전달하기 때문에, 광효율의 감소가 없다.
셋째, 포토 전계 발광 방식으로, 환경에 의한 열화도가 낮은 발광 물질을 자유롭게 선정할 수 있다. 그 밖의 전계 발광 소자의 경우는, 발광 물질 뿐만 아니라 전하를 공급하기 위한 전극 물질 또한 전자 에너지 레벨을 고려해서 선정해야 하여, 전극 물질의 열화 또한 전체 발광 소자의 성능을 좌우하는 요소가 된다. 예를 들어, 유기 전계 발광 소자의 경우, 발광층과 전도층이 유기물로 구성되어 있어, 수분에 의한 소자의 열화가 큰 이슈가 되고 있으며, 그 외로 양자점 발광 소자의 경우, 양자점 자체는 무기물로 긴 수명을 가질 가능성이 있지만, 많은 경우, 효율을 높이기 위해, 유기 전극 물질을 사용하기 때문에, 수분에 의한 열화를 피할 수 없다.
넷째, 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자를 구비한 디스플레이는, 각각의 픽셀들이 스스로 빛을 내는 자발광으로 구동되기 때문에, 넓은 시야각을 갖는다.
다섯째, 발광 물질에 미치는 광학 필드의 영향을 현격하게 변화시킬 수 있는 구조를 구비함으로써, 발광 강도의 변화를 극대화하여 높은 대조비(contrast ratio)를 얻을 수 있다.
여섯째, 디스플레이 패널의 투명성을 이용하여 다양한 디스플레이 어플리케이션에 이용할 수 있다.
도 1은 일반적인 액정 표시 장치를 나타낸 사시도
도 2는 일반적인 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 3은 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 5a 및 도 5b는 굴절률 가변 전후의 도 4의 각 층별 광 세기를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 7a 및 도 7b는 굴절률 가변 전후의 도 6의 각 층별 광학 필드를 나타낸 도면
도 8은 도 6의 각 층별 광 세기를 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 10은 도 9의 광 입사 및 출사 사이의 광학 필드와, 광경로에서 에너지의 이동을 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 12는 도 11의 제 1, 제 2 코어간 에너지의 이동을 나타낸 도면
도 13은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 14는 도 13의 제 1, 제 1 코어간 에너지의 이동을 나타낸 도면
도 15는 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자의 광학 모드의 프로파일 변화를 나타낸 그래프
도 2는 일반적인 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 3은 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 5a 및 도 5b는 굴절률 가변 전후의 도 4의 각 층별 광 세기를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 7a 및 도 7b는 굴절률 가변 전후의 도 6의 각 층별 광학 필드를 나타낸 도면
도 8은 도 6의 각 층별 광 세기를 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 10은 도 9의 광 입사 및 출사 사이의 광학 필드와, 광경로에서 에너지의 이동을 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 12는 도 11의 제 1, 제 2 코어간 에너지의 이동을 나타낸 도면
도 13은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도
도 14는 도 13의 제 1, 제 1 코어간 에너지의 이동을 나타낸 도면
도 15는 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자의 광학 모드의 프로파일 변화를 나타낸 그래프
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자 및 이를 이용한 디스플레이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3과 같이, 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자는, 크게 보면, 광학 필드를 변조시키는 광학 필드 변조 소자와 발광층을 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자는, 클래드(100: clad), 코어(110: core), 굴절률 가변층(130)를 포함한 광 도파로(1000)와, 광을 출사하여, 상기 광 도파로로 상기 광을 가이딩하는 광원(180)과, 상기 굴절률 가변층(130) 상의 소정 부위에 형성된 발광층(160) 및 상기 굴절률 가변층(130)의 굴절률을 조절하여, 상기 광도파로(1000)로 가이딩된 광을 상기 발광층(160)으로 전반사시켜, 상기 발광층으로부터 광을 발광시키는 광학 필드 모듈레이터(optical field modulator)를 포함하여 이루어진다.
도시된 도면 상에서, 광학 필드 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층(130) 상하에 위치한 제 1, 제 2 투명 전극(120, 150)과, 상기 제 2 투명 전극과 전기적으로 연결된 박막 트랜지스터(140)를 포함하여 이루어진 것이다. 이러한 도면에서는, 전기적으로 상기 굴절률 가변층(130)의 굴절률을 변경하여 발광을 수행하는 예를 나타낸 것이다.
이 경우, 상기 굴절률 가변층(130)은 전기 광학적(Electro-optic)으로 굴절률이 가변되는 것일 수 있다. 이 때, 상기 광학 필드 모듈레이터는 상기 굴절률 가변층 상하에 위치시킨 제 1, 제 2 투명 전극(120, 150)을 포함할 수 있다. 상기 모듈레이터는 상기 제 2 투명 전극(150)에 접속되어, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 전기적으로 제어하는 박막 트랜지스터(140)를 더 포함할 수 있다. 상기 박막 트랜지스터(140)는 다이오드 형태로도 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 발광층(160)은 전계 발광 재료로, 예를 들어, 형광 물질, 인광 물질을 이용할 수 있을 것이다.
여기서, 상기 박막 트랜지스터(140)는, 서로 교차하여 화소 영역(픽셀 영역)을 정의하는 게이트 라인(미도시)과 데이터 라인(미도시)의 교차부에 형성되는 것으로, 게이트 라인으로부터 돌출되며 상기 굴절률 가변층(130) 상에 형성된 게이트 전극(141), 상기 게이트 전극(141)을 덮으며 상기 굴절률 가변층(130) 상에 형성된 게이트 절연막(142)과, 상기 게이트 절연막(142) 상에 상기 게이트 전극(141) 상부에 대응하여 형성된 반도체층(143)과, 상기 반도체층(143)의 양측에 형성된 소오스 전극(144a) 및 드레인 전극(144b)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 소오스 전극(144a)은 데이터 라인(미도시)으로부터 상기 화소 영역으로 돌출되어 형성될 수 있다.
그리고, 상기 드레인 전극(144b)은 상기 제 2 투명 전극(150)과 접속된다.
그 외로, 상기 굴절률 가변층(130)은 열 광학적(Thermal-Optic)으로 굴절률이 가변되는 재료로 이루어질 수도 있다. 이 때에는, 상기 광학 필드 모듈레이터는 상기 굴절률 가변층에 열을 조절하여 굴절률을 제어하는, 열 조절 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 열 조절 센서는 히터(heater) 및 쿨러(cooler) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
그 밖에, 상기 굴절률 가변층(130)은 자기 광학적(Magneto-Optic)으로 굴절률이 가변되는 재료로 이루어질 수도 있다. 여기서, 상기 광학 필드 모듈레이터는 자기장을 조절하여 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 제어하는, 전자석 또는 코일을 더 포함하는 것일 수 있다.
이와 같이, 상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층(130)의 굴절률을 변화시키는 요인에 따라 구성을 달리할 수 있을 것이다.
또한, 상기 모듈레이터는 상기 광도파로(1000)를 진행하는 광이 항상 전반사 조건을 만족시키도록 해당 굴절률을 제어한다.
그리고, 상기 광원(180)은, 광학 필드 변조 발광 소자의 측부에 위치하여 광을 광 도파로(1000)측으로 출사시켜 전달하는데, 이 경우, 상기 광원(180)에서 출사되는 광의 파장과 상기 발광층(160)으로부터 발광되는 광의 파장은 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
예를 들어, 상기 발광층(160)의 발광하는 광과 상기 광원(180)에서 출사되는 광의 파장이 같은 경우에는 상기 광원(180)으로부터 출사되는 광을 산란시켜 그 일부를 방출시키는 산란(scattering) 방식이나 기타의 방식을 이용할 수 있다. 이 경우, 상기 발광층(160)은 광 산란 물질 또는 광 산란 구조를 이용할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 산란 구조는 일 종류의 물질이 매트릭스로서 하나의 층을 이루며, 상기 물질과 굴절률이 다른 입자들이 분산되어 박혀있는 구조이다.
혹은, 상기 광 산란 물질을 이용할 경우, 그 예로 실리카 볼을 들 수 있다.
상기 발광층(160)의 발광하는 광과 상기 광원(180)에서 출사되는 광의 파장이 다른 경우는, 상기 광원(180)의 출사광에 비해 상기 발광층(160)의 발광광의 파장이 작은 경우(down conversion)와 큰 경우(up conversion)로 나뉠 수 있다.
예를 들어, 상기 업 컨버젼 물질은 NaYF4, Yb, 및 Er 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광원(180)에서 출사되는 광의 파장보다 상기 발광층(160)으로부터 발광된 광의 파장이 크며, 발광 방식은 복수개의 광자를 흡수(two photon absorption, three photon abstorption 등)하여, 보다 에너지가 큰 광자로 전이시키는 방법을 이용한다.
상기 발광층이 다운 컨버젼 물질일 때, 이는 광 발광(photo-luminescence) 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 다운 컨버젼 물질은, 형광 물질 또는 인광 물질, 양자점(Quantum Dot) 혹은 그 외의 물질일 수 있다. 상기 광원(180)의 출사광에 비해 상기 발광층(160)의 발광광의 파장이 큰 경우(에너지가 작은 경우)는, 예를 들어, 상기 광원(180)의 300~400nm의 청색 파장의 광을 출사한다고 할 때, 상기 발광층(160)에서 발광되는 광이 녹색광 또는 적색 광일 때를 말한다.
이 경우, 예를 들어, 상기 발광층(160)을 형광 또는 인광 재료로 형성하고, 상기 광도파로(1000)의 굴절률 가변층(130)의 굴절률 변화에 의해 상기 발광층(160)을 여기시켜 변화된 파장의 빛을 방출시켜 이루어진다. 이 경우, 발광 방식은 포토 발광(photo luminescence) 방식으로, 열 에너지에 발광이 이루어진 것이 아니라, 광학 필드의 변조 또는 스위칭에 의해 상기 발광층(160)이 여기되어 발광이 이루어지는 것이다.
한편, 상기 발광층(160)의 발광과 그 세기를 결정하는 것은, 상기 모듈레이터에서 가하는 전계 인가 또는 자기장 인가, 또는 열 인가에 의해서이다. 상기 모듈레이터에서 전계 인가 또는 자기장 인가 또는 열 인가가 없거나 약한 경우에는, 상기 발광층(160)은 도 3의 좌측의 경우와 같이, 발광되지 않은 상태를 유지하고, 상기 광도파로(1000)를 통해 광학 필드가 전반사되어 진행한다.
상기 모듈레이터에서 전계 인가 또는 자기장 인가 또는 열 인가가 일정 값 이상 걸리면, 상기 발광층(160)은 도 3의 우측의 경우에 같이, 광학 필드의 중심이 상기 굴절률 가변층(130)으로 이동하며, 광학 필드(optical field)의 테일(tail)이경사가 완만하게 되어, 테일이 상기 발광층(160)에 영향을 미쳐 발광층(160)으로 상기 광원(180)으로부터 출사된 광이 커플링(coupling)을 일으킨다.
그리고, 상기 발광층(160)의 발광은, 상기 모듈레이터의 동작에 따라, 광학 필드(optical field)의 프로파일을 변화시키는 방식과, 광학필드의 중심을 다른 층으로 이동시키는 스위칭 방식으로 나뉠 수 있다.
도 3은, 전자의 방식으로 광학 필드 프로파일이 변조된 예를 나타낸 것으로, 상기 굴절률 가변층(130)의 굴절률을 전계 인가에 의해 변화시켜 이베인센트 필드(evanescent filed)를 형광 물질 또는 산란 물질이 포함된 발광층(160)으로 커플시켜, 발광된 광을 방출시키는 방식이다.
도시된 방식과 같이, 굴절률 가변층(130)은 인가된 전압에 따라 다른 굴절률을 갖게 되는데, 이 굴절률의 크기에 따라, 발광층(160)에 커플되는 광원의 양이 달라질 수 있다. 그리고, 발광은 발광층 재료에 따라, 포토 발광 또는 광 산란 발광으로 이루어질 수 있다.
여기서, 발광 원리는 상기 광도파로(1000)에는 상기 광원(180)으로부터 출사된 파장 및 광학 필드의 출사광이 진행하고 있고, 상기 광학 필드가 상기 발광층(160)에 커플될 경우, 형광 또는 산란 방식 또는 기타 방식으로 발광층(160)으로부터 발광이 이루어진다. 이 경우, 비발광 뿐만 아니라 발광시에도 모두 전반사 조건을 만족한다.
또한, 계조(밝기 조절은, 상기 모듈레이터에서, 상기 광학 필드 세기(진폭) 및 스위칭 되는 층의 조절에 의해 상기 발광층(160)에서 발생되는 광의 세기를 변화시킬 수 있다.
그리고, 각 화소 영역의 색상 표현은, 디스플레이 어플리케이션을 구현시, 발광층의 색을 달리하거나, 상기 모듈레이터에서, 광학 필드의 변조에 따라, 다르게 할 수 있다.
이하, 모듈레이터의 변조 또는 스위칭 방식에 따라 구동되는 각 실시예별 발광 원리를 살펴본다
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자는, 클래드(200: clad), 코어(210: core), 굴절률 가변층(220)를 포함한 광 도파로(waveguide)와, 광을 출사하여, 상기 광 도파로로 상기 광을 가이딩하는 광원(light source)(미도시)과, 상기 굴절률 가변층(220) 상의 소정 부위에 형성된 발광층(230)(light emitter) 및 상기 굴절률 가변층(220)의 굴절률을 조절하여, 상기 광도파로로 가이딩된 광을 상기 발광층(230)으로 전반사시켜, 상기 발광층으로부터 광을 발광시키는 광학 필드 모듈레이터(optical field modulator)(205, 214)를 포함하여 이루어진다.
한편, 제 1 실시예에 있어서, 상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층(220)의 하부 및 상부에 위치하는 제 1, 제 2 투명 전극(205, 214)으로 이루어진 것으로, 상기 제 1, 제 2 투명 전극(205, 214)은, 상기 굴절률 가변층(220)의 굴절률을 변하게 하는 요인에 따라, 전계, 자기장, 열을 인가 및 제어하는 수단일 수 있다.
예를 들어, 상기 굴절률 가변층(220)이 전계에 의하여 굴절률이 변하는 경우를 가정하여 설명한다.
여기서, 상기 제 1, 제 2 투명 전극(205, 214)은 그 중 하나의 전극에 스위칭 소자(예를 들어, 도 3의 박막 트랜지스터)와 연결하여 전압을 인가할 수 있다. 전압 신호가 일정 값 이상 인가될 경우에는, 전계 방식으로 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 변화시켜, 상기 광도파로에 전달된 광의 광학필드를 변조하여, 변조된 광학 필드 테일이 상기 발광층에 전달되도록 하는 것일 수 있다.
이 경우, 광학 필드의 중심이 상기 굴절률 가변층(220)으로 이동하며, 광학 필드(optical field)의 테일(tail)의 경사가 완만하게 되어, 테일이 상기 발광층(230)에 영향을 미쳐 발광층(230)으로 상기 광원으로부터 출사된 광이 커플링을 일으켜, 상기 발광층(230)이 발광되어, 외부로 광이 출사되어 나타난다.
전압 인가가 없거나, 인가된 전압이 낮은 경우, 굴절률 가변층(220)의 굴절률이 굴절률이 상기 코어(210)에 광학 필드가 진행하는 경우보다 낮아, 이 경우, 상기 광학 필드는 상기 코어(210)에 광학 필드의 중심이 위치하여, 광도파로 내에서 전반사되어 광이 전달되고, 발광층(230)은 발광되지 않는다.
도 5a 및 도 5b는 굴절률 가변 전후의 도 4의 각 층별 광 세기를 나타낸 도면이다.
도 5b를 참조하면, 전압 인가가 없거나, 인가되는 전압이 낮은 경우에는, 출사된 광원의 광이 가이딩되어 전달된 코어에 광학 필드의 중심이 유지된 바를 나타내고 있으며, 도 5a를 참조하면, 일정 전압 이상 인가된 경우, 굴절률 가변층(220)의 굴절률이 높아져, 광학 필드의 중심이 위쪽으로 이동하였으며, 또한, 그 광학 테일이 점차 확장되어, 발광층(230)까지 영향을 미침을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 6과 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자는, 제 1 실시예와 같이, 클래드(300), 코어(310), 굴절률 가변층(320)으로 이루어진 광 도파로, 상기 굴절률 가변층(320) 상에 발광층(330) 및 광학 필드 변조 수단인 모듈레이터(315, 316)의 동일한 구성을 갖는다.
다만, 제 1 실시예와 달리, 상기 모듈레이터의 제 1, 제 2 전극((315, 316)의 전압 인가에 의해, 상기 광학 필드를, 상기 코어(310)에서, 상기 굴절률 가변층(320)으로 그 중심을 스위칭시켜 이동시킨 점을 차이로 한다.
도 7a 및 도 7b는 굴절률 가변 전후의 도 6의 각 층별 광학 필드를 나타낸 도면이며, 도 8은 도 6의 각 층별 광 세기를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 8과 같이, 전압 인가가 걸리지 않은 경우, 상기 굴절률 가변층(320)의 굴절률 1.529이, 상기 코어(310)의 광학필드의 중심에 해당하는 굴절률 1.539에 비해 낮아, 코어(310)을 진행하는 광은 횡방향으로 계속 전달되며, 상기 발광층(330)에는 영향을 주지 않는다.
도 7b 및 도 8과 같이, 전압 인가의 경우에는, 상기 굴절률 가변층의 굴절률이 1.609로 커져 상기, 코어(310)으로부터 상기 굴절률 가변층(320)으로 광학 필드의 스위칭이 있게 되며, 이에 따라, 상기 광학 필드의 테일 부분이 상기 발광층(330)에 에너지를 공급하여, 발광층(330)이 발광된다.
즉, 상기 모듈레이터는, 상기 코어(310)보다 상기 굴절률 가변층(320)의 굴절률을 크게 하여, 상기 광도파로에 전달된 광의 광학 필드가 상기 굴절률 가변층으로 스위칭되어, 상기 광학 필드(optical field)의 테일이 상기 발광층(330)에 전달되도록 할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 9와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자는, 광 도파로가 굴절률 가변층(420)의 하부 및 상부에 각각 제 1 코어(410)와 제 2 코어(430)를 구비하고, 상기 제 1 코어(410) 하측에 클래드(400)를 구비하여 이루어진다.
그리고, 상기 제 2 코어(430)의 소정 부분 상측에는 발광층(440)이 구비되어 있으며, 상기 굴절률 가변층(420)의 하부 및 상부에는 제 1, 제 2 투명 전극(444, 445)가 구비된다. 여기서, 상기 제 1, 제 2 투명 전극(444, 445)은 구체적으로, 상기 제 1 코어(410)와 제 2 코어(430) 상측에 위치한 것으로 도시되어 있으나, 상기 굴절률 가변층(420)에 하부 및 상부에 대응하는 조건에서, 그 층상 위치를 변경할 수 있을 것이다.
이 경우, 모듈레이터로 기능하는 제 1, 제 2 투명 전극(444, 445) 사이에 인가되는 전계(혹은, 자기장 혹은 열)가 작거나 없는 경우, 상기 굴절률 가변층(420)의 굴절률이 낮은 상태를 유지하게 되며, 이 때에는, 상기 광 도파로를 진행하는 광이 상기 제 1 코어(410)에 그 이동이 제약되어, 광학 필드가 그 위측의 층들에 영향을 주지 못한다.
만일, 상기 제 1, 제 2 투명 전극(444, 445) 사이에 인가되는 전계가 일정 값 이상이라면, 상기 굴절률 가변층(420)의 굴절률이 높아져, 상기 제 1 코어(410)에서 진행하는 파의 광학 필드가 상기 제 2 코어(430)와 상호 작용(interaction)하게 되며, 에너지가 상기 제 2 코어(430)측으로 이동하여 진행하게 된다.
이 때, 상기 제 1 코어(410)에서 제 2 코어(430)는 비슷한 크기의 웨이브 벡터(wave vector)들을 갖는 파(eigen mode)를 진행시킬 수 있도록 디자인되어 있어, 에너지가 다른 코어로 스위칭될 수 있게 한다.
예를 들어, 상기 제 1 코어(410)와 제 2 코어(430)의 두께 및 굴절률을 동일 조건으로 할 수 있을 것이다
도 10은 도 9의 광 입사 및 출사 사이의 광학 필드와, 광경로에서 에너지의 이동을 나타낸 도면이다.
도 10은, 각각 광도파로의 광입사 및 출사시 광학 필드의 대칭적 구조와, 이러한 대칭적 구조에서, 에너지의 변이를 나타낸 것이다.
여기서, 살펴보면 알 수 있듯이, 상기 광학 필드는 기하학적으로는 대칭적인 형상을 나타내며, 에너지 세기로 보면, 청색에서, 녹색으로 변경된 바와 같이, 높은 에너지에서 이보다 낮은 에너지로 이동한 것을 나타내고 있다. 이는, 앞서 설명한 광원으로부터 발광층의 출사 원리에서, 파장이 늘어나는 방식으로 발광이 이루어지는 다운 컨버젼 예의 하나이다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도이며, 도 12는 도 11의 제 1, 제 2 코어간 에너지의 이동을 나타낸 도면이다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자는, 코어((510)의 하부 및 상부에 각각 제 1 클래드(500) 및 제 2 클래드(520)를 구비하고, 상기 제 2 클래드(510) 상에 굴절률 가변층(530)과, 상기 굴절률 가변층(530)의 소정 부분 상에 발광층(540)을 구비하여 이루어진다. 이 때, 모듈레이터는 상기 굴절률 가변층(530)의 하부 및 상부에 위치하는 것으로, 도시된 예에서는 제 1, 제 2 투명 전극(544, 545)의 형태로, 상기 코어(510) 하측과 상기 굴절률 가변층(530) 상에 위치한 예를 나타내고 있다.
상기 모듈레이터로 기능하는 상기 제 1, 제 2 투명 전극(544, 545)는, 상기 굴절률 가변층(530)의 굴절률을 변화시켜, 상기 코어(510)에서, 상기 굴절률 가변층(530)으로 상기 광학 필드를 스위칭시킬 수 있다. 이 경우, 상기 코어(510)와 상기 굴절률 가변층(530) 사이에 위치한 제 2 클래드(520)는, 상기 모듈레이터에 의해, 상기 굴절률 가변층의 굴절률 변조시, 상기 굴절률 가변층에 영향을 줄 정도의 굴절률 및 두께를 갖는다.
이 경우, 모듈레이터로 기능하는 제 1, 제 2 투명 전극(544, 545) 사이에 인가되는 전계(혹은, 자기장 혹은 열)가 작거나 없는 경우, 상기 굴절률 가변층(530)의 굴절률이 낮은 상태를 유지하게 되며, 이 때에는, 상기 광 도파로를 진행하는 광이 상기 코어(510)에 그 이동이 제약되어, 광학 필드가 그 위측의 층들에 영향을 주지 못한다.
만일, 상기 제 1, 제 2 투명 전극(544, 545) 사이에 인가되는 전계가 일정 값 이상이라면, 상기 굴절률 가변층(530)의 굴절률이 높아져, 광을 가이딩할 수 있으며, 상기 코어(510)와 같은 웨이브 벡터를 갖는 조건을 만족시킬 경우, 상기 제 1 코어(51)에서 진행하는 광은 상기 굴절률 가변층(530)으로 이동하여 진행할 수 있다.
이 때, 도 12와 같이, 상기 코어(510)에서 굴절률 가변층(330)는 비슷한 크기의 웨이브 벡터(wave vector)들을 갖는 파(eigen mode)를 진행시킬 수 있도록 디자인되어 있어, 에너지가 다른 코어로 스위칭될 수 있게 한다.
여기서, 살펴보면 알 수 있듯이, 상기 광학 필드는 기하학적으로는 대칭적인 형상을 나타내며, 에너지 세기로 보면, 청색에서, 녹색으로 변경된 바와 같이, 높은 에너지에서 이보다 낮은 에너지로 이동한 것을 나타내고 있다. 이는, 앞서 설명한 광원으로부터 발광층의 출사 원리에서, 파장이 늘어나는 방식으로 발광이 이루어지는 다운 컨버젼 예의 하나이다.
도 13은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자를 나타낸 단면도이며, 도 14는 도 13의 제 1, 제 1 코어간 에너지의 이동을 나타낸 도면이다.
본 발명의 제 5 실시예에 따른 광학 필드 변조 발광 소자는, 제 1 실시예와 같이, 클래드(600), 코어(610), 굴절률 가변층(620)으로 이루어진 광 도파로, 상기 굴절률 가변층(620) 상에 발광층(630) 및 광학 필드 변조 수단인 모듈레이터로 기능하는 제 1, 제 2 투명 전극(634, 635)의 동일한 구성을 갖는다.
다만, 제 1 실시예와 달리, 상기 모듈레이터의 제 1, 제 2 전극(634, 635)의 전압 인가에 의해, 상기 광학 필드를, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 크게 하여, 상기 광도파로에서 전달된 광학 필드가 상기 발광층(630)으로 스위칭시킨 것이다. 즉, 상기 코어(610)에서, 상기 발광층(630)으로 그 중심을 스위칭시켜 이동시킨 점을 차이로 한다.
이 경우, 모듈레이터로 기능하는 제 1, 제 2 투명 전극(634, 635) 사이에 인가되는 전계(혹은, 자기장 혹은 열)가 작거나 없는 경우, 상기 굴절률 가변층(620)의 굴절률이 낮은 상태를 유지하게 되며, 이 때에는, 상기 광 도파로를 진행하는 광이 상기 코어(610)에 그 이동이 제약되어, 상기 광 도파로를 진행하는 광의 광학 필드가 그 위측의 층들에 영향을 주지 못한다.
만일, 상기 제 1, 제 2 투명 전극(634, 635) 사이에 인가되는 전계가 일정 값 이상이고, 도 14와 같이, 상기 코어(610)에서 발광층(630)이 비슷한 크기의 웨이브 벡터(wave vector)들을 갖는 파(eigen mode)를 진행시킬 수 있도록 디자인되어 있다면, 에너지가 코어(610)에서 발광층(630)으로 바로 스위칭될 수 있게 한다.
여기서, 살펴보면 알 수 있듯이, 상기 광학 필드는 상기 코어(610)와 발광층(630)에서 기하학적으로는 대칭적인 형상을 나타내며, 에너지 세기로 보면, 청색에서, 녹색으로 변경된 바와 같이, 높은 에너지에서 이보다 낮은 에너지로 이동한 것을 나타내고 있다. 이는, 앞서 설명한 광원으로부터 발광층의 출사 원리에서, 파장이 늘어나는 방식으로 발광이 이루어지는 다운 컨버젼 예의 하나이다.
한편, 상술한 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자를 이용하여 디스플레이를 구성할 경우, 화소 영역(픽셀)을 적색, 녹색, 청색 등의 순서대로 배치하여 이루어질 수 있다.
즉, 동일한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 디스플레이는, 매트릭스상으로 복수개의 픽셀들이 정의된 기판과, 상기 기판 상에, 클래드, 제 1 코어, 굴절률 가변층을 포함하여 형성된 광 도파로와, 상기 광 도파로의 측부에 위치하며, 광을 출사하여, 상기 광 도파로로 상기 광을 가이딩하는 광원과, 상기 각 픽셀들에 대응된 굴절률 가변층 상에 형성되어, 제 1 내지 제 3 색의 광을 발광하는 제 1 내지 제 3 발광층 및 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절하여, 상기 광도파로로 가이딩된 광을 상기 발광층으로 전반사시켜, 상기 발광층으로부터 광을 발광시키는 광학 필드 모듈레이터를 포함하여 이루어진다.
상기 모듈레이터는 상기 제 1 내지 제 3 발광층에 대해 구분되어 형성되어, 상기 제 1 내지 제 3 발광층에 대해 개별적으로 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절할 수도 있고, 각 발광층을 하나의 모듈레이터로 제어하여 굴절률 가변층의 굴절률을 조절할 수도 있다.
또한, 상술한 발광층은, 상기 적색광, 녹색광 및 청색광 외에 색의 광을 출사하는 이들의 혼합색의 광을 발광할 수 있는 또 다른 발광층을 더 포함할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 이루어진 본 발명의 디스플레이는, 콜로이덜 반도체 양자점(colloidal semiconductor quantum dot)을 이용한 양자점 발광 소자의 경우, 전계 발광을 할 경우, 7% 이하의 양자효율을 가지나, 본 발명의 광도파로로부터의 광학 필드를 발광층으로 스위칭시키거나, 광학 필드를 변조시킴에 의한 발광의 경우, 90% 이상이 넘는 높은 양자 효율을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 투과형 디스플레이의 경우, 광효율은 컬러 필터에 의한 흡수와 패널의 개구율에 의해 크게 영향을 받지만, 별도의 컬러 필터의 구비없이, 구현이 가능하다. 즉, 광학 필드 변조 또는 스위칭에 의해 발광이 가능한 것으로, 광효율이 패널의 개구율에 영향을 받지 않아, 컬러 필터에 의한 빛의 흡수가 없다. 또한, 광학 필드에 의한 에너지가 굴절률을 변조시키는 모듈레이터, 예를 들어, 박막 트랜지스터 등에 의해 가려지지 않는 부분으로만 광 에너지를 발광층에 전달하기 때문에, 광효율의 감소가 없다.
그리고, 포토 발광 방식으로, 환경에 의한 열화도가 낮은 발광 물질을 자유롭게 선정할 수 있다. 그 밖의 전계 발광 소자의 경우는, 발광 물질 뿐만 아니라 전하를 공급하기 위한 전극 물질 또한 전자 에너지 레벨을 고려해서 선정해야 하여, 전극 물질의 열화 또한 전체 발광 소자의 성능을 좌우하는 요소가 된다. 예를 들어, 유기 전계 발광 소자의 경우, 발광층과 전도층이 유기물로 구성되어 있어, 수분에 의한 소자의 열화가 큰 이슈가 되고 있으며, 그 외로 양자점 발광 소자의 경우, 양자점 자체는 무기물로 긴 수명을 가질 가능성이 있지만, 많은 경우, 효율을 높이기 위해, 유기 전극 물질을 사용하기 때문에, 수분에 의한 열화를 피할 수 없다.
또한, 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자를 구비한 디스플레이는, 각각의 픽셀들이 스스로 빛을 내는 자발광으로 구동되기 때문에, 넓은 시야각을 갖는다.
그리고, 발광 물질에 미치는 광학 필드의 영향을 현격하게 변화시킬 수 있는 구조를 구비함으로써, 발광 강도의 변화를 극대화하여 높은 대조비(contrast ratio)를 얻을 수 있다.
더불어, 디스플레이 패널의 투명성을 이용하여 다양한 디스플레이 어플리케이션에 이용할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 디스플레이를, 기타 액정 표시 장치(LCD)나 유기 발광 표시 장치(OLED)와 비교하여 보면, 컬러 범위(color gamut)은 100% 이상, 각 화소의 반응시간은 1ms 이내, 대조비는 2,000,000:1이며, 광효율은 15% 이상, 시야각은 180°에 가까운 스펙을 가질 것을 기대할 수 있다.
이 경우, 백라이트 유닛을 이용하는 액정 표시 장치의 컬러 범위 72% 에 비해, 컬러 범위가 현저히 넓어짐을 알 수 있으며, 반응 속도가 액정의 배향에 의한 액정 표시 장치나 전자/정공 반응에 의해 유기 발광 소자에 비해 현저히 빨라지고, 색 대조비 또한, 전반사 조건을 이용하여 2,000,000:1의 조건으로 상승하며, 광효율이나 시야각 모두 우수함을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자의 광학 모드의 프로파일 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15는, 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자의 광학 모드의 프로파일을 나타낸 것으로, 하부의 사각형 점으로 이루어진 그래프는 굴절률 가변층의 굴절률이 낮은 굴절률을 가진 상태를 나타낸 것이고, 상부의 원형 점으로 이루어진 그래프는 굴절률 가변층이 변환되어 높은 굴절률을 나타낸 것으로, 각각 모듈레이터의 오프와 온 상태를 나타낸다.
이는, 모듈레이터를 통해 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절했을 때, 광학 필드의 테일(Optical field tail)의 폭이 확장됨을 알 수 있으며, 이에 따라 굴절률 가변층에 인접한 발광층이 발광될 수 있음을 알 수 있다.
이 경우, 시뮬레이션 결과로부터 본 발명의 광학 필드 변조 발광 소자를 이용하여, 디스플레이를 형성시, 대조비는 2,000,000: 1로, 기타 디스플레이 대비 상당히 높음을 알 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 클래드 110: 코어
120: 제 1 투명 전극 130: 굴절률 가변층
140: 박막 트랜지스터 150: 제 2 투명 전극
160: 발광층 1000: 광도파로
120: 제 1 투명 전극 130: 굴절률 가변층
140: 박막 트랜지스터 150: 제 2 투명 전극
160: 발광층 1000: 광도파로
Claims (31)
- 클래드, 제 1 코어, 굴절률 가변층를 포함한 광 도파로;
광을 출사하여, 상기 광 도파로로 상기 광을 가이딩하는 광원;
상기 굴절률 가변층 상의 소정 부위에 형성된 발광층; 및
상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절하여, 상기 광도파로로 가이딩된 광을 상기 발광층으로 전반사시켜, 상기 발광층으로부터 광을 발광시키는 광학 필드 모듈레이터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 광원에서 출사되는 광과 상기 발광층으로부터 발광된 광의 파장이 서로 다른 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 2항에 있어서,
상기 발광층은 업 컨버젼(up-conversion) 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 3항에 있어서,
상기 업 컨버젼 물질은 NaYF4, Yb, 및 Er 중 어느 하나를 포함한 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 2항에 있어서,
상기 발광층은 다운 컨버젼(down-conversion) 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 5항에 있어서,
상기 발광층은 광 발광(photo-luminescence) 물질인 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 6항에 있어서,
상기 다운 컨버젼 물질은, 형광 물질 또는 인광 물질인 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 발광층은 광 산란 물질 또는 광 산란 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 8항에 있어서,
상기 광원에서 출사되는 광과 상기 발광층으로부터 발광된 광의 파장이 같은 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 8항에 있어서,
상기 광 산란 구조는 일 종류의 물질이 매트릭스로서 하나의 층을 이루며, 상기 물질과 굴절률이 다른 입자들이 분산되어 박혀있는 구조인 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 8항에 있어서,
상기 광 산란 물질은 실리카 볼(silica ball)인 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 변화시켜, 상기 광도파로에 전달된 광의 광학필드를 변조하여, 변조된 광학 필드 테일이 상기 발광층에 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 12항에 있어서,
상기 모듈레이터는, 상기 제 1 코어보다 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 크게 하여, 상기 광도파로에 전달된 광의 광학 필드가 상기 굴절률 가변층으로 스위칭되어, 상기 광학 필드의 테일이 상기 발광층에 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 광도파로는, 상기 굴절률 가변층 상에 제 2 코어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 14항에 있어서,
상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 변화시켜, 상기 광도파로의 상기 제 1 코어에서 상기 제 2 코어로, 상기 광학 필드를 스위칭시키는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 광도파로의 클래드는 상기 제 1 코어의 상하에 위치한 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 16항에 있어서,
상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 변화시켜, 상기 광도파로의 상기 제 1 코어에서, 상기 굴절률 가변층으로 상기 광학 필드를 스위칭시키는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 16항에 있어서,
상기 제 1 코어와 상기 굴절률 가변층 사이에 위치한 클래드는, 상기 모듈레이터에 의해, 상기 굴절률 가변층의 굴절률 변조시, 상기 굴절률 가변층에 영향을 줄 정도의 굴절률 및 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 모듈레이터는, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 크게 하여, 상기 광도파로에서 전달된 광학 필드가 상기 발광층으로 스위칭시키는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 굴절률 가변층은 전기 광학적(Electro-optic)으로 굴절률이 가변되는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 20항에 있어서,
상기 모듈레이터는 상기 굴절률 가변층 상하에 위치시킨 제 1, 제 2 투명 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 모듈레이터는 상기 제 2 투명 전극에 접속되어, 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 전기적으로 제어하는 박막 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 굴절률 가변층은 열 광학(Thermal-Optic)으로 굴절률이 가변되는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 23항에 있어서,
상기 모듈레이터는 상기 굴절률 가변층에 열을 제어하는, 열 조절 센서를 더 포함한 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 24항에 있어서,
상기 열 조절 센서는 히터 및 쿨러 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 굴절률 가변층은 자기 광학적(Magneto-Optic)으로 굴절률이 가변되는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 제 26항에 있어서,
상기 모듈레이터는 상기 굴절률 가변층에 자기장을 제어하는, 전자석 또는 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필드 변조 발광 소자. - 매트릭스상으로 복수개의 픽셀들이 정의된 기판;
상기 기판 상에, 클래드, 제 1 코어, 굴절률 가변층을 포함하여 형성된 광 도파로;
상기 광 도파로의 측부에 위치하며, 광을 출사하여, 상기 광 도파로로 상기 광을 가이딩하는 광원;
상기 각 픽셀들에 대응된 굴절률 가변층 상에 형성되어, 제 1 내지 제 3 색의 광을 발광하는 제 1 내지 제 3 발광층; 및
상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절하여, 상기 광도파로로 가이딩된 광을 상기 발광층으로 전반사시켜, 상기 발광층으로부터 광을 발광시키는 광학 필드 모듈레이터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이. - 제 28항에 있어서,
상기 모듈레이터는 상기 제 1 내지 제 3 발광층에 대해 구분되어 형성되어, 상기 제 1 내지 제 3 발광층에 대해 개별적으로 상기 굴절률 가변층의 굴절률을 조절하는 것을 특징으로 하는 디스플레이. - 제 29항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 발광층은, 각각 적색광, 녹색광, 청색광을 발광하는 것을 특징으로 하는 디스플레이. - 제 30항에 있어서,
상기 적색광, 녹색광 및 청색광 외에 색의 광을 출사하는 제 4 발광층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
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