KR20110111090A - 발광 다이오드 렌즈 및 이를 포함하는 액정 표시 장치 - Google Patents

발광 다이오드 렌즈 및 이를 포함하는 액정 표시 장치 Download PDF

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KR20110111090A
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장지원
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강민수
김태진
윤여찬
김두희
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 발광 다이오드의 렌즈에 관한 것이다.
본 발명은 발광 다이오드의 렌즈에 있어서, 발광 다이오드로부터 입사되는 백색광을 복수 개의 기설정된 영역으로 나뉘어 포커싱하는 복수 개의 마이크로 렌즈가 구비된 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 복수 개의 마이크로 렌즈로부터 포커싱된 빛을 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리하는 색 분리계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈를 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면 DBEF를 사용하지 않고 마이크로 렌즈 어레이를 사용함으로써 발광 다이오드 백라이트의 제조원가를 절감하고, 발광 다이오드에서 투사된 백색광을 마이크로 렌즈 어레이에서 화소로 포커싱하여 발광 다이오드 백라이트의 광효율을 향상시키며, 발광 다이오드에서 방출된 빛을 화소의 중앙의 일부 영역에 포커싱하여 광도파로에서 표시 장치 내의 화소로 얼라인 문제를 방지할 수 있으며, 백색광을 컬러 필터를 사용하지 않고도 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리할 수 있다.

Description

발광 다이오드 렌즈 및 이를 포함하는 액정 표시 장치{Light emiting diode lens and liquid crystal display including the same}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 다이오드의 렌즈 구조에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하다.
발광 다이오드의 구조는 기판 상에 P 전극, 활성층, N 전극이 순차적으로 적층되고, 기판과 N 전극이 와이어 본딩되어 있으므로 전류가 상호 통전될 수 있다.
이러한 기술의 발달로 디스플레이 소자뿐만 아니라 광 통신 수단의 송신 유닛, 액정 표시 장치(LCD, Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL : Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
여기서, 상기 액정 표시 장치에 빛을 공급하는 백라이트유닛(Back Light Unit, BLU)이 필요하다. 상기 액정 표시 장치의 백라이트 유닛에는 여러 종류의 광원이 사용될 수 있다.
종래에는 가는 관 형태의 냉음극관(CCFL)이 주로 이용되었으나, 최근 발광 다이오드를 광원으로 채용한 46인치 QUALIA LCD TV가 개발되어 우수한 색 표현력을 보여준 이후에는 3색 발광 다이오드를 이용한 백라이트유닛이 크게 주목 받고 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드 백라이트의 구조를 간략히 나타낸 도면이다. 도 1을 설명하여 종래의 발광 다이오드 백라이트의 구조를 설명하면 다음과 같다.
발광 다이오드(100)에서 방출된 백색광이 렌즈를 통하여 전면으로 방출된다. 그리고, 상기 백색광은 DBEF 등의 광학시트(110)와 액정 표시 장치 등의 패널(120) 및 컬러 필터(130)을 통과하여 전면에 화상을 구현하게 된다.
그러나, 상술한 DBEF는 제조가격이 비싸서 발광 다이오드 백라이트의 비용 상승의 원인이 된다. 또한, 프리즘 시트와 DBEF 등의 광학시트가 포함되어 백라이트 유닛의 경량화 및 초박화에도 어려움이 있다.
도 2는 종래의 발광 다이오드 백라이트에서 방출되는 빛의 파장별 분포를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이 발광 다이오드엣 방출된 적색과 녹색 및 청색 광원은 컬러 필터를 지나고 화상을 표시할 때, 처음 발광 소자에서 방출되었던 빛 중 일부만이 투과되어 광효율의 문제점이 있다.
예를 들면, 종래의 적색 컬러 필터는 입사된 백색광 중 적색 성분의 약 60% 만 투과시키며 녹색 및 청색 성분의 전체를 흡수한다. 그리고, 청색 컬러 필터 및 녹색 컬러 필터 역시 동일하다. 따라서, 컬러 필터 전체에 입사되는 백색광 중 약 20~25% 만이 투과될 뿐이다.
또한, 발광 다이오드 백라이트는 기본적으로 점광원이기 때문에 균일한 혼색을 위해서는 백라이트 유닛과 액정 표시 장치 등의 패널을 일정 거리 이상으로 유지하여야 한다.
그러나, 제품의 두께가 얇아지는 추세에 있기 때문에 발광 다이오드 백라이트 유닛과 패널간의 거리를 늘리는 것에도 한계가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 DBEF 등의 고가의 광학시트를 사용하지 않는 발광 다이오드 렌즈 및 이를 포함하는 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 DBEF 등을 사용하지 않고도 발광 다이오드 광원에서 투사된 백색광을 각각의 화소로 효율적으로 투사하는 발광 다이오드 렌즈 및 이를 포함하는 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 컬러 필터를 사용하지 않고도 광원에서 투사되는 빛을 효율적으로 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리하는 발광 다이오드의 렌즈 및 이를 포함하는 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 발광 다이오드의 렌즈에 있어서, 발광 다이오드로부터 입사되는 백색광을 복수 개의 기설정된 영역으로 나뉘어 포커싱하는 복수 개의 마이크로 렌즈가 구비된 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 복수 개의 마이크로 렌즈로부터 포커싱된 빛을 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리하는 색 분리계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈를 제공한다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 적어도 일측면에 복수 개의 발광 다이오드가 구비된 프레임; 상기 발광 다이오드에서 방출된 빛을 진행시키는 도광판; 상기 도광판 내부의 빛을 패널 방향으로 반사하는 반사판; 및 상기 도광판으로부터 입사되는 백색광을 복수 개의 기설정된 영역으로 나뉘어 포커싱하는 복수 개의 마이크로 렌즈가 구비된 마이크로 렌즈 어레이와, 상기 복수 개의 마이크로 렌즈로부터 포커싱된 빛을 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리하는 색 분리계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 유닛을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 의하면, 적어도 일측면에 복수 개의 발광 다이오드가 구비된 프레임과, 상기 발광 다이오드로부터 입사되는 백색광을 복수 개의 기설정된 영역으로 나뉘어 포커싱하는 복수 개의 마이크로 렌즈가 구비된 마이크로 렌즈 어레이와, 상기 복수 개의 마이크로 렌즈로부터 포커싱된 빛을 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리하는 색 분리 계를 포함하는 백라이트; 및 유리 기판 사이에 유동성의 액체가 구비되어, 외부 전계의 변화에 의하여 화상을 표시하는 패널을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치를 제공한다.
여기서, 상기 색 분리계는 회절 광학 소자일 수 있다.
그리고, 상기 하나의 기설정된 영역은 하나의 R 화소와 하나의 G 화소 및 하나의 B 화소와 대응되고, 상기 색 분리계는 색 분리소자를 포함하여 이루어지고, 상기 기설정된 영역에는 3개의 색 분리소자가 대응될 수 있다.
그리고, 상기 각각의 기설정된 영역은, 450~645 마이크로 미터의 폭과 450~645 마이크로 미터의 높이를 갖고, 각각 150~215 마이크로 미터의 폭과 450~645 마이크로 미터의 높이를 갖는 하나의 R 화소와 하나의 G 화소 및 하나의 B 화소를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 각각의 회절 광학 소자는 100 마이크로 미터 이내의 크기에 상기 백색광을 포커싱할 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈에서 포커싱된 백색광은, 상기 컬러 필터 내의 각각의 화소의 경계면으로부터 50 마이크로 미터 이내에 포커싱될 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 발광 다이오드 렌즈 및 이를 포함하는 액정 표시 장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, DBEF를 사용하지 않고 마이크로 렌즈 어레이를 사용함으로써, 발광 다이오드 백라이트의 제조원가를 절감할 수 있다.
둘째, 발광 다이오드에서 투사된 백색광을 마이크로 렌즈 어레이에서 화소로 포커싱하여 발광 다이오드 백라이트 및 액정 표시 장치의 광효율을 향상시킬 수 있다.
셋째, 발광 다이오드에서 방출된 빛을 화소의 중앙의 일부 영역에 포커싱하여, 광도파로에서 표시 장치 내의 화소로 얼라인 문제가 발생하지 않는다.
넷째, 발광 다이오드에서 방출된 백색광을 컬러 필터를 사용하지 않고도 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리할 수 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드 백라이트의 구조를 간략히 나타낸 도면이고,
도 2는 종래의 발광 다이오드 백라이트에서 광효율을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 렌즈의 일실시예 내의 색 분리계의 구조와 작용을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 렌즈의 일실시예 내의 마이크로 렌즈 어레이의 단면도이고,
도 4b는 도 4a의 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드 렌즈의 작용을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드 유닛의 일실시예를 모식적으로 나타낸 도면이고,
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 발광 다이오드의 구조를 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명에 따른 액정 표시 소자의 구조와 작용을 나타내 도면이다.
상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 렌즈의 일실시예 내의 색 분리계의 구조와 작용을 나타낸 도면이다. 이하에서 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 렌즈의 일실시예 내의 색분리계의 구조와 작용을 설명한다.
본 실시예에 따른 색 분리계(250)는 복수 개의 색 분리소자(252)를 포함하여 이루어진다. 그리고, 각각의 색 분리소자(252)는 3개의 색 분리소자(252a, 252b, 252c)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 색분리계(250)에 백색광이 입사되면, 색 분리소자(252a)는 입사된 백색광 중 적색 성분을 적색 화소의 방향으로 진행시키고, 녹색 성분을 녹색 화소의 방향으로 진행시키며, 청색 성분을 청색 화소의 방향으로 진행시킨다.
즉, 색 분리소자(252a)에 입사된 빛은 파장에 따라 진행 방향을 달리하는데, 이러한 색 분리는 회절 현상에 의하여 이루어질 수 있다.
빛은 파장에 따라 굴절률이 상이하고, 백색광이 회절 패턴을 가진 색 분리소자(252a)를 통과할 때, 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리되어 진행된다. 그리고, 적색과 녹색 및 청색의 빛이 도달하는 지점을, 후술하는 바와 같이 패널의 적색 화소와 백색 화소 및 청색 화소와 각각 일치시키면 된다.
도시된 바와 같이 3개의 색 분리소자(252a, 252b, 252c)는 각각 백색광을 적색과 녹색 및 청색으로 분리하여 진행하고, 각각의 소자에서 투사된 적색광끼리 하나의 지점으로 수렴되고, 녹색광끼리 하나의 지점으로 수렴되고, 청색광끼리 하나의 지점으로 수렴되도록 한다.
그리고, 본 실시예에 따른 발광 다이오드의 렌즈는 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 4a는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다. 이하에서, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상기 마이크로 렌즈의 구조를 상세히 설명한다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는 복수 개의 마이크로 렌즈(212)가 포함되어 있는데, 각각의 마이크로 렌즈(212)는 원형(3차원으로는 반구형)과 가까운 형상으로 배열되어 있다.
그리고, 상기 마이크로 렌즈(212)는 발광 다이오드 렌즈가 사용될 표시 장치의 화소와 동일한 패턴으로 배열되는 것이 바람직하다. 여기서, 동일한 패턴이라 함은, 화소들의 배열 모양 및 간격과 동일하게 또는 일정한 비율로 확대 또는 축소됨을 의미한다.
구체적으로, 마이크로 렌즈 어레이는 고분자 또는 유리 등의 기판(211) 상에 복수 개의 마이크로 렌즈(212)가 형성된다. 여기서, 복수 개의 마이크로 렌즈(212)는 고분자 또는 유리가 곡면을 이루어 형성된다.
여기서, 상기 복수 개의 마이크로 렌즈(212)는 후술하는 바와 같이 화소 간격으로 이격되는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 폭(width) 150~215 마이크로 미터(㎛)와 높이(height) 450~645 마이크로 미터만큼 이격된 것을 특징으로 한다.
즉, 3개의 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소가 모여서 정사각형 유사한 형상을 이루게 되고, 여기에 3개의 마이크로 렌즈가 대응하게 구비된다.
그리고, 하나의 마이크로 렌즈(212)는 높이 1~99 마이크로 미터 만큼 돌출되어 있고, 원형 내지 반구형 형상인 것이 바람직하다.
하나의 마이크로 렌즈(212)가 완전한 반구형이라고 가정하면, 곡률반경(R)과 굴절률(n)과 초점 거리(f)의 관계는 수학식 1의 렌즈 제작 공식으로 주어진다.
Figure pat00001
그리고, 상기 곡률반경 R과 마이크로 렌즈(212)의 직경 D와 높이 h의 관계는 아래의 수학식 2로 주어진다.
Figure pat00002
따라서, 상기 각각의 마이크로 렌즈(212)의 직경과 높이에 따라서, 원하는 초점거리를 얻을 수 있다. 여기서, 초점 거리는 상기 발광 다이오드의 렌즈가 구비된 표시 장치의 전면에 형성되는 것은 당연하다.
상기 마이크로 렌즈 어레이(210)는 레이저 펄스를 이용한 에칭, PR(photo resister)을 이용한 리플로우(reflow), 건식 에칭, CO2 가스 레이저를 사용한 유리 표면 가공 및 잉크젯 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
그리고, 상술한 각각의 마이크로 렌즈(212)는 발광 다이오드로부터 입사되는 백색광을 각각의 화소의 크기로 포커싱하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드 렌즈의 작용을 나타낸 도면이다. 이하에서 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드 렌즈의 작용을 설명한다.
도시된 바와 같이, 각각의 발광 다이오드으로부터 방출된 백색광은 렌즈 내의 각각의 마이크로 렌즈를 지나면서 파장에 따라 분리되어 각각의 화소로 포커싱된다.
즉, 도시된 각각의 마이크로 렌즈(212)로 투사된 백색광은, 색 분리계(250) 내의 색 분리소자(a, b, c)로 포커싱된다.
이때, 도시된 6개의 마이크로 렌즈(212)는 백색광을, 색 분리계(250) 내의 6개의 색 분리소자(a, b, c, a, b, c) 내의 100 마이크로 미터의 크기의 영역에 포커싱할 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 각각의 색 분리소자(250)는, 후술할 패널 내의 각각의 화소와 같은 크기인, 폭(width) 150~215 마이크로 미터(㎛)와 높이(height) 450~645 마이크로 미터의 크기를 가지는데, 각각의 색 분리소자(250)의 중앙의 일부에만 백색광이 포커싱되어 투사된다.
여기서, 각각의 색 분리소자(250)의 중앙 부분에만 백색광이 포커싱되면, 광도파로에서 액정 표시 장치 등의 패널 내의 화소로 얼라인(align)이 어렵던 종래의 문제점을 해결할 수 있다.
즉, 각각의 화소의 면적 전체에 빛이 포커싱되면, 광도파로에서 화소로 포커싱되는 빛의 경로가 조금만 어긋나도 화소의 불일치가 발생할 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이 각각의 화소의 중앙 일부에 빛을 포커싱하면 상술한 화소의 불일치는 발생하지 않는다.
또한, 각각의 화소가 정사각형이 아니고 직사각형인 점을 고려하면, 각각의 색 분리소자(a, b, c)의 면적 중 백색광을 중앙의 70~90%의 영역에만 포커싱할 수 있다. 이때, 백색광이 투사되는 색 분리소자(a, b, c)의 영역은 직사각형 모양인 것은 당연하다.
그리고, 상술한 바와 같이 백색광이 중앙 부분에 입사된 각각의 색 분리소자a, b, c)는 입사된 백색광 중 적색 성분을 적색 화소(R)의 방향으로 진행시키고, 녹색 성분을 녹색 화소(G)의 방향으로 진행시키며, 청색 성분을 청색 화(B)소의 방향으로 진행시킨다.
즉, 색 분리소자(a, b, c)에 입사된 빛은 파장에 따라 진행 방향을 달리하는데, 이러한 색 분리는 상술한 바와같이 회절 현상에 의하여 이루어질 수 있다.
도시된 바와 같이 3개의 색 분리소자(a, b, c)는 각각 백색광을 적색과 녹색 및 청색으로 분리하여 진행하고, 각각의 소자에서 투사된 적색광끼리 하나의 지점으로 수렴되고, 녹색광끼리 하나의 지점으로 수렴되고, 청색광끼리 하나의 지점으로 수렴되도록 한다.
이때, 도시된 바와 같이 각각의 색 분리소자(a, b, c) 내의 기설정된 영역으로만 백색광이 진행되었고, 회절에 의하여 파장 별로 분리된 각 색상도 화소(R, G, B) 내의 일부로만 진행될 수 있음은 당연하다.
따라서, 마이크로 렌즈의 포커싱에 의하여 화소의 얼라인 문제가 해결될 수있으며, 색 분리계의 회절에 의한 색 분리에 의하여 컬러 필터를 대체할 수도 있을 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드 유닛의 일실시예를 모식적으로 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 일실시예를 설명한다.
먼저, 프레임(610)의 일측면에는 복수 개의 발광 다이오드(100)가 구비되어 있다. 본 실시예에서는 프레임(610)의 하나의 에지(edge) 상에 발광 다이오드(100) 어레이가 구비되어 있으나, 2개 또는 4개의 에지 상에 발광 다이오드 어레이가 구비될 수도 있으며, 에지 타입이 아닌 직하형으로 구비될 수도 있다.
여기서, 발광 다이오드의 구조를 도 7a 및 7b를 참조하여 간략히 설명한다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판(10), 버퍼층(11), n형 반도체층(12), 활성층(13), p형 반도체층(14), 투명 전극(15), n형 전극(16), p형 전극(17)을 포함하며 이루어진다.
구체적으로, 기판(10) 상부에 버퍼층(11)과 n형 반도체층(12)이 차례로 적층되는데, 이때 n형 반도체층(12)의 일부 영역은 일정 깊이로 식각되어지고, 그 일부 영역에 n형 전극(16)이 형성되어져 있다.
그리고, n형 반도체층(12)에서 식각되어진 형태의 일부 영역을 제외한 나머지 영역에 활성층(13), p형 반도체층(14), 투명 전극(15)이 순차적으로 적층되어져 있으며, 투명 전극(15) 상부에 p형 전극(17)이 형성되어진 구조로 이루어져 있다.
통상적으로 발광 다이오드는 외부회로에서 p형 전극(17)과 n형 전극(16) 사이에 전압이 인가되면, p형 전극(17)과 n형 전극(16)을 통해서 각각 정공과 전자가 주입되고, 활성층(13)에서 정공과 전자가 재결합하면서 여분의 에너지가 광으로 변환되어 투명 전극(15) 및 기판(10)을 통하여 소자 외부로 방출되게 된다.
여기서, 본 실시예에서는 수평형 발광 다이오드를 도시하였으나, 수직형 발광 다이오드를 사용할 수 있음은 당연하다.
도 7b는 본 실시예에 따른 발광 다이오드의 배선 구조를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 제 1 리드(21) 상부에 발광 다이오드(30)와 제너 다이오드(40)가 실장되어 있고, 발광 다이오드(30)는 제 1 본딩 와이어(52-1)(52-2)에 의해 제 2 리드(22) 및 제너 다이오드(40)와 전기적으로 연결되어 있다.
그리고, 제너 다이오드(40)는 제 2 본딩 와이어(54-1)(54-2)에 의해 발광 다이오드(30) 및 제 1 리드(21)와 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 제 1 리드(21), 제 2 리드(22), 발광 다이오드(30) 및 제너 다이오드(40)를 감싸며 몰딩부(60)가 형성되어 있는 구조이다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이 복수 개의 발광 다이오드(100)가 구비된 프레임(610) 상에는, 발광 다이오드(100)에서 방출된 빛을 진행시키는 도광판(620)이 구비된다.
도광판(620)은 상기 발광 다이오드(100)에서 방출된 빛을 패널 방향으로 가이드(guide)하는 역할을 하는데, 플라스틱 성형물로 이루어질 수 있다.
그리고, 프레임(610)의 배면에는 반사판(630)이 구비되어, 상기 도광판(620)에서 패널 방향으로 진행하지 못하는 빛을 패널 방향으로 반사한다.
그리고, 상기 도광판(620)의 전면에는 마이크로 렌즈 어레이가 구비되어 있다. 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 도광판 상기 도광판(620)으로부터 입사되는 빛, 패널 내의 각각의 화소의 크기로 포커싱하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 마이크로 렌즈 어레이의 구조는 상술한 바와 동일하다. 즉, 고분자 또는 유리 등의 기판(211) 상에 복수 개의 마이크로 렌즈(212)가 형성되고, 복수 개의 마이크로 렌즈(212)는 고분자 또는 유리가 곡면을 이루어 형성된다.
그리고, 마이크로 렌즈 어레이(210)의 전면에는 상술한 색 분리계가 구비되고, 상기 색 분리계는 복수 개의 색 분리소자(a, b, c)를 포함하여 이루어진다. 그리고, 색 분리소자(a, b, c)는 R, G, B 화소에 대응하여 3개씩 쌍을 이루어 형성되는 것은 상술한 바와 같다.
이때, 도 6에서는 발광 다이오드(600)가 구비된 프레임(610)과, 도광판(620)과, 마이크로 렌즈 어레이(212) 및 색 분리계는 서로 이격되어 있으나, 실제로는 매우 가까운 거리에 고정되어 있음은 당연하다. 특히, 상기 도광판(620)은 프레임(610) 상에 접합되어 있다.
도 8은 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 일실시예의 구조와 작용을 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 일실시예의 구조와 작용을 설명한다.
본 실시예에 따른 액정 표시 장치는, 백라이트(600)와, 색 분리계(250) 및 패널(650)을 포함하여 이루어진다.
그리고, 상기 백라이트(600)는 적어도 일측면에 복수 개의 발광 다이오드(100)가 구비된 프레임(610)과 마이크로 렌즈 어레이를 포함하여 이루어진다.
그리고, 마이크로 렌즈 어레이는 상기 발광 다이오드(100)로부터 투사된 백색광을 각각의 색 분리소자(a, b, c) 내의 일부로 포커싱하는 복수 개의 마이크로 렌즈(212)가 기판(211) 상에 형성되어 이루어진다.
여기서, 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(212)를 지나는 빛은 경로가 각각의 색 분리소자(a, b, c)로 포커싱됨은 상술한 바와 같다.
그리고, 상기 색 분리계의 전면에는 액정 표시 장치가 패널(650)로서 구비된다. 여기서, 액정 표시 장치 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있음은 당연하다.
액정 표시 장치는, 유리 기판 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리기판에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
디스플레이 장치에 사용되는 액정 표시 장치는, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
구체적인 액정 표시 장치의 구성은 종래와 동일하므로 생략한다.
먼저, 백라이트(600)에서 빛이 방출된다. 즉, 발광 다이오드(100) 내의 기판에 전류를 인가하면, 전류가 p형 전극과 n형 전극에 공급되고, p형 전극으로부터 활성층으로 정공(+)이 방출되고, n형 전극으로부터 활성층으로 전자(-)가 방출된다.
따라서, 활성층에서 정공과 전자가 결합하면서 에너지 준위가 낮아지게 되고, 에너지 준위가 낮아짐과 동시에 방출되는 에너지가 빛의 형태로 발산된다.
그리고, 발광 다이오드(100)에서 방출된 빛은, 마이크로 렌즈 어레이를 지나면서 색 분리계 내의 각각의 색 분리소자(a, b, c)의 중앙 부분으로 포커싱된다.
이때, 도시된 3개의 마이크로 렌즈(212a, 212b, 212c)는 백색광을, 색 분리계(250) 내의 3개의 색 분리소자(a, b, c) 내의 100 마이크로 미터의 크기의 영역에 포커싱할 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 각각의 색 분리소자(250)는, 패널 내의 각각의 화소와 같은 크기인, 폭(width) 150~215 마이크로 미터(㎛)와 높이(height) 450~645 마이크로 미터의 크기를 가지는데, 각각의 색 분리소자(250)의 중앙의 일부에만 백색광이 포커싱되어 투사된다.
또한, 각각의 화소가 정사각형이 아니고 직사각형인 점을 고려하면, 각각의 색 분리소자(a, b, c)의 면적 중 백색광을 중앙의 70~90%의 영역에만 포커싱할 수 있음도 상술한 바와 같다.
그리고, 상술한 바와 같이 백색광이 중앙 부분에 입사된 각각의 색 분리소자a, b, c)는 입사된 백색광 중 적색 성분을 적색 화소(R)의 방향으로 진행시키고, 녹색 성분을 녹색 화소(G)의 방향으로 진행시키며, 청색 성분을 청색 화(B)소의 방향으로 진행시킨다.
따라서, 액정 표시 장치 등의 패널의 R화소에는 3개의 색 분리소자(a, b, c)에서 각각 입사된 적색광이 입사되고, G화소에는 3개의 색 분리소자(a, b, c)에서 각각 입사된 녹색색광이 입사되고, B화소에는 3개의 색 분리소자(a, b, c)에서 각각 입사된 청색광이 입사된다. 따라서, 3개의 이웃한 R, G, B 화소에는 3개의 이웃한 색 분리소자(a, b, c)로부터 분리된 적색, 녹색 및 청색광이 각각 수렴하게 되어, 광손실이 발생하지 않고 색 분리가 이루어진다.
이어서, 액정 표시 장치 내에서 TFT(Thin film transistor)가 전기를 조절하여 유리 기판 내의 액정의 분자 배열 방향을 조절한다.
그리고, 액정 표시 장치 내에서 액정의 분자 배열 방향의 조절에 따라, 컬러 필터(660)로 진행하는 빛의 양이 조절된다. 즉, 이 단계에서 각각의 화소의 온(on)/오프(off)와 명암이 결정된다.
그리고, 액정 표시 장치 내의 각각의 적색과 녹색 및 청색 화소(R pexel, G pixel, B pixel)는 좌우의 폭이 150~215 마이크로 미터(㎛)이고, 높이가 450~645 마이크로 미터일 수 있다.
이어서, 상술한 액정 표시 장치(650) 내의 액정의 배열에 따라, 컬러 필터 내의 각각의 화소에 서로 다른 양이 투사된다. 도 8에서는 녹색 화소(b)에서 가장 많은 양의 빛이 통과되고, 적색 화소(a)에서 가장 적은 양의 빛이 투사된다.
따라서, 패널의 전면에 컬러 필터의 구비 없이, 색상의 구현 및 명암의 표현이 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 기판 11 : 버퍼층
12 : n형 반도체층 13 : 활성층
14 : p형 반도체층 15 : 투명 전극
16 :n형 전극 17 : p형 전극
21 : 제 1 리드 40 : 제너 다이오드
52-1, 52-2 : 제 1 본딩 와이어 54-1, 54-2 : 제 2 본딩 와이어
200 : 렌즈 210 : 마이크로 렌즈 어레이
211 : 기판 212 : 마이크로 렌즈
250 : 색분리계 252, 254 : 색분리소자
600 : 백라이트 610 : 프레임
620 : 도광판 630 : 반사판
650 : 패널

Claims (17)

  1. 발광 다이오드의 렌즈에 있어서,
    발광 다이오드로부터 입사되는 백색광을 복수 개의 기설정된 영역으로 나뉘어 포커싱하는 복수 개의 마이크로 렌즈가 구비된 마이크로 렌즈 어레이; 및
    상기 복수 개의 마이크로 렌즈로부터 포커싱된 빛을 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리하는 색 분리계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 색 분리계는 회절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 기설정된 영역은 하나의 R 화소와 하나의 G 화소 및 하나의 B 화소와 대응되고, 상기 색 분리계는 색 분리소자를 포함하여 이루어지고, 상기 기설정된 영역에는 3개의 색 분리소자가 대응되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 기설정된 영역은, 450~645 마이크로 미터의 폭과 450~645 마이크로 미터의 높이를 갖고, 각각 150~215 마이크로 미터의 폭과 450~645 마이크로 미터의 높이를 갖는 하나의 R 화소와 하나의 G 화소 및 하나의 B 화소를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 회절 광학 소자는 100 마이크로 미터 이내의 크기에 상기 백색광을 포커싱하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 렌즈.
  6. 적어도 일측면에 복수 개의 발광 다이오드가 구비된 프레임;
    상기 발광 다이오드에서 방출된 빛을 진행시키는 도광판;
    상기 도광판 내부의 빛을 패널 방향으로 반사하는 반사판; 및
    상기 도광판으로부터 입사되는 백색광을 복수 개의 기설정된 영역으로 나뉘어 포커싱하는 복수 개의 마이크로 렌즈가 구비된 마이크로 렌즈 어레이와, 상기 복수 개의 마이크로 렌즈로부터 포커싱된 빛을 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리하는 색 분리계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 유닛.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 색 분리 소자계는 회절광학소자인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 유닛.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 하나의 기설정된 영역은 하나의 R 화소와 하나의 G 화소 및 하나의 B 화소와 대응되고, 상기 색 분리계는 색 분리소자를 포함하여 이루어지고, 상기 기설정된 영역에는 3개의 색 분리소자가 대응되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 유닛.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 각각의 기설정된 영역은, 450~645 마이크로 미터의 폭과 450~645 마이크로 미터의 높이를 갖고, 각각 150~215 마이크로 미터의 폭과 450~645 마이크로 미터의 높이를 갖는 하나의 R 화소와 하나의 G 화소 및 하나의 B 화소를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 유닛.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 각각의 회절 광학 소자는 100 마이크로 미터 이내의 크기에 상기 백색광을 포커싱하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 유닛.
  11. 적어도 일측면에 복수 개의 발광 다이오드가 구비된 프레임과, 상기 발광 다이오드로부터 입사되는 백색광을 복수 개의 기설정된 영역으로 나뉘어 포커싱하는 복수 개의 마이크로 렌즈가 구비된 마이크로 렌즈 어레이와, 상기 복수 개의 마이크로 렌즈로부터 포커싱된 빛을 적색과 녹색 및 청색의 빛으로 분리하는 색 분리 계를 포함하는 백라이트; 및
    유리 기판 사이에 유동성의 액체가 구비되어, 외부 전계의 변화에 의하여 화상을 표시하는 패널을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 색 분리 소자계는 회절광학소자인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나의 기설정된 영역은 하나의 R 화소와 하나의 G 화소 및 하나의 B 화소와 대응되고, 상기 색 분리계는 색 분리소자를 포함하여 이루어지고, 상기 기설정된 영역에는 3개의 색 분리소자가 대응되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 각각의 기설정된 영역은, 450~645 마이크로 미터의 폭과 450~645 마이크로 미터의 높이를 갖고, 각각 150~215 마이크로 미터의 폭과 450~645 마이크로 미터의 높이를 갖는 하나의 R 화소와 하나의 G 화소 및 하나의 B 화소를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 각각의 회절 광학 소자는 100 마이크로 미터 이내의 크기에 상기 백색광을 포커싱하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈에서 포커싱된 백색광은, 상기 컬러 필터 내의 각각의 화소의 경계면으로부터 50 마이크로 미터 이내에 포커싱되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 백라이트는 상기 발광 다이오드에서 투사된 백색광을 상기 마이크로 렌즈 어레이로 가이드하는 광도파로를 더 포함하는 액정 표시 장치.
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