KR20160003746A - 광학 어레이 및 표시 장치 - Google Patents

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볼프강 묀히
슈테판 일렉
알렉산더 린코프
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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 캐리어(1) 상에 복수의 발광 칩(2)을 포함하는 광학 어레이에 관한 것이다. 이 경우, 제1 발광 칩들은 제1 그룹(21)의 픽셀들을 각각 포함하고 제2 발광 칩들은 제2 그룹(22)의 픽셀들을 각각 포함한다. 제1 발광 칩들 및 제2 발광 칩들 중 각각 하나의 제1 발광 칩 및 하나의 제2 발광 칩은 제1 단위 셀들(E1) 내에서 캐리어(1) 상에 평평하게 배치된다. 또한, 방출 방향에서 발광 칩들(2)에 후속하여 배치되는 광학 소자도 제공된다. 이 광학 소자는, 제1 그룹(21)의 픽셀들의 광과 제2 그룹(22)의 픽셀들의 광이 아웃커플링 평면(7) 내의 제2 단위 셀들(E2) 내에서 병합되는 방식으로 제1 및 제2 그룹(21, 22)의 픽셀들로부터 방출되는 광을 안내하도록 구성되며, 제2 단위 셀들(E2)은 제1 단위 셀들(E1) 중 각각 하나의 제1 단위 셀의 면적보다 더 작은 면적을 각각 보유한다.

Description

광학 어레이 및 표시 장치{OPTICAL ARRANGEMENT AND DISPLAY DEVICE}
본 발명은 광학 어레이 및 표시 장치에 관한 것이다.
디스플레이들과 같은 오늘날의 표시 장치들은 보통 복수의 화상 요소(picture element) 또는 픽셀(pixel)로 이루어진 어레이를 기반으로 한다. 상기 디스플레이들의 해상도는 제1 근사로 화상 요소들 자체의 크기에 따라 결정된다. 고해상 디스플레이들의 제조를 위해, 발광다이오드들 또는 LED들(light emitting diodes)을 기반으로 하는 발광 칩들(light emitting chip)이 이용될 수 있다. 컬러 표시를 위해, 다수의 소형 발광 LED 칩들은 적색, 녹색, 청색과 같은 3개의 기본색(RGB)으로 구성되어야 한다. HDTV(고선명 텔레비전)의 경우, 약 6백 만개의 칩이 필요하다. 이런 접근법에는 다양한 단점들이 있다. 한편으로 다수의 소형 칩의 설정(setting) 및 접촉은 상당한 시간 및 기술 비용을 요구한다. 또한, 소형 칩들의 효율 및 그 표면 활용은 제조 공정 동안 표면 손실을 통해, 예컨대 절단 및 접촉을 통해 감소된다. 마지막으로 소형 칩들은 상대적으로 더 큰 칩들보다 저전류 문제에 대해 더 민감하다.
그 대안으로, 통상 청색과 같은 기본색의 픽셀화된 LED 칩들이 이용될 수 있고, 이 LED 칩들의 픽셀들은 교호적으로 녹색 및 적색과 같은 또 다른 색상들을 위한 적합한 변환 소자들을 구비할 수 있다. 고성능의 안정된 적색 변환기가 존재하지 않는 것 외에도, 특히 약 100㎛의 변환 소자들의 필요한 두께는 실현 가능한 최소 픽셀 크기의 기하학적 제한을 나타낸다.
따라서 상대적으로 더 간단한 공정으로 제조될 수 있으면서 높은 해상도를 제공할 수 있는 광학 어레이 및 표시 장치에 대한 수요가 존재한다.
한 실시예에서, 광학 어레이는 캐리어(carrier) 상에 복수의 발광 칩을 포함한다. 광학 어레이는 제1 그룹의 복수의 픽셀을 각각 가지는 제1 발광 칩들을 포함한다. 또한, 어레이는 제2 그룹의 복수의 픽셀을 각각 가지는 제2 발광 칩들을 포함한다. 또한, 제1 발광 칩들 및 제2 발광 칩들 중 각각 하나의 제1 발광 칩과 하나의 제2 발광 칩은 제1 단위 셀들 내에서 캐리어 상에 평평하게 배치된다. 또한, 광학 어레이는 방출 방향에서 발광 칩들에 후속하여 배치되는 광학 소자(optical element)를 포함한다.
광학 소자는, 하나 이상의 제2 단위 셀이 제1 단위 셀들 중 각각 하나의 제1 단위 셀의 면적보다 더 작은 면적을 가지는 방식으로, 제1 및 제2 그룹의 픽셀들로부터 방출되는 광을 아웃커플링 평면 내의 제2 단위 셀들 내에서 병합하도록 구성된다. 또한, 각각의 제2 단위 셀은 제1 단위 셀들 중 각각 하나의 제1 단위 셀의 면적보다 더 작은 면적을 보유할 수 있다. 예컨대 광학 어레이는 하나의 제1 단위 셀과 2개 이상의 제2 단위 셀을 포함하며, 제2 단위 셀들은 제1 단위 셀의 면적보다 더 작은 면적을 각각 보유한다.
캐리어는 예컨대 세라믹 재료로 제조되며, 그리고 제어 유닛과 광학 어레이를 연결할 수 있도록 하기 위해 전기 연결부들을 포함한다. 이 경우, 바람직하게는, 제1 그룹의 픽셀들은 제1 파장의 광을 방출하도록 구성되며, 그에 반해 제2 그룹의 픽셀은 또 다른 파장의 광을 방출하도록 구성된다. 예컨대 제1 그룹의 픽셀들은 적색 광을 방출하며, 그에 반해 제2 그룹의 픽셀들은 녹색 광을 방출하거나, 또는 그 반대의 경우도 적용된다. 그러나 제1 그룹의 픽셀들 또는 제2 그룹의 픽셀들이 청색 광을 방출할 수도 있다. 화상 요소들로도 지칭되는 개별 픽셀들은 바람직하게는 발광다이오드들로 구현된다. 광학 소자는 바람직하게는 렌즈들, 특히 프레넬 렌즈들, 격자들 또는 이진 회절 소자들과 같은 광학 컴포넌트들을 포함한다.
"단위 셀"이란 개념은 발광 칩들의 어레이에 관련되거나, 또는 개별 발광 칩들의 조명 표면들이면서 그룹들로 배치되는 상기 조명 표면들에 관련되는 것이다. 제1 단위 셀들의 내부에는, 제1 그룹의 픽셀들을 갖는 하나 또는 복수의 발광 칩과 제2 그룹의 픽셀들을 갖는 하나 또는 복수의 발광 칩이 각각 배치되며, 바람직하게는 제1 단위 셀 내에서 각각의 칩들의 개수 및/또는 그 배치는 동일하다. 한 그룹의 픽셀들은 바람직하게는 서로 인접한다. 또한, 픽셀들은, 한 그룹의 픽셀들이 동일한 피크 파장 또는 주 파장(dominant wavelength)을 보유하고 동일한 스펙트럼 범위에서 방출하거나, 또는 동일한 생산 유형이라는 의미에서 바람직하게는 서로 유사하다. 상이한 방출 세기들과 같은 제조로 인한 편차들이 발생할 수 있다. 픽셀의 한 그룹을 포함하는 발광 칩은 픽셀들의 추가 그룹, 바람직하게는 상이한 그룹을 포함하는 추가 발광 칩에 인접한다. 특히 광학 소자를 특징짓기 위해 이용될 수 있는 인접한 발광 칩들의 최소 단위는 본 출원의 의미에서의 제1 단위 셀을 형성한다. 또한, "캐리어 상에서 평평한 배치"란 개념은, 발광 칩들이 서로 나란히, 예컨대 일렬로 배치될 수 있을 뿐만 아니라 행렬의 유형에 따라서도 배치될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.
제2 단위 셀들은 아웃커플링 평면 내에서 정의된다. 제2 단위 셀들은 상이한 그룹들의 픽셀들의 광이면서 광학 소자에 의해 안내되는 광을 에워싼다. 특히 제2 단위 셀은 아웃커플링 평면 내에서 광 재분배(light redistribution)를 특징짓기 위해 이용될 수 있는 아웃커플링 평면 내의 인접한 픽셀들의 최소 단위이다.
동일한 유형의 발광 화상 요소들 또는 픽셀들의 각각의 그룹들을 포함하는 발광 칩들의 이용을 통해, 간소화된 제조 방법이 가능하다. 각각의 발광 칩 내에는 픽셀들의 동일한 유형의 그룹들이 통합된다. 이는 제조를 위해 바람직한데, 그 이유는 예컨대 바이어 행렬(Bayer Matrix)의 유형에 따르는 상이한 색 필터들(color filter)을 포함하는 필터 어레이, 또는 개별 픽셀들에 할당된 변환기를 배제할 수 있기 때문이다. 이는 제조 방법을 상대적으로 더 간단하게 할 뿐만 아니라 상대적으로 더 경제적이게도 한다.
광학 소자의 이용을 통해, 전체 광학 어레이의 고해상도가 달성되는데, 그 이유는, 비록 제1 단위 셀들 내에서 각각 동일한 유형의 픽셀들의 그룹들을 포함하는 발광 칩들이 서로 인접되어 있다고 하더라도, 제2 단위 셀들 내에서 각각 상이한 그룹들의 픽셀들의 광이 병합되기 때문이다. 해상도는 특히 발광 칩들의 크기를 통해, 예컨대 발광 칩들의 에지 길이를 통해 제한되지 않는다. 오히려 달성 가능한 해상도는 픽셀들 자체의 크기에 따라 결정되며, 픽셀들의 방출되는 광은 광학 소자를 통해 재분배된다.
재분배에 의해서는 상이한 파장의 광이 제2 단위 셀들 내에서 병합되며, 그리고 상기 단위 셀들은 면적에 있어서 실질적으로 동일한 유형의 픽셀들의 그룹들을 포함하는 발광 칩들을 통해 형성되는 제1 단위 셀들보다 더 작다. 다시 말하면, 광학 어레이는, 결과적으로 형성되는 (픽셀들로 구성되는) 제2 단위 셀들이 (칩들로 구성되는) 제1 단위 셀들보다 더 작도록, 칩들로부터 방출되는 광을 재분배한다. 달리 말하면, 광학 어레이는 칩들로부터 방출되는 광을 편향시키고 그 외에도 집속시킬 수 있다. 픽셀들의 제2 단위 셀들은 예컨대 제1 단위 셀들보다 4의 계수만큼 더 작은 에지 길이를 갖는다. 그 결과, 직접 방출형 RGB 디스플레이들의 구성에 대한 장점들이 제공된다.
한 추가 실시예에 따라서, 제3 발광 칩들은 캐리어 상에 평평하게 배치되고 각각 제3 그룹의 복수의 픽셀을 포함한다. 이제 제1 단위 셀은 제1, 제2 및 제3 발광 칩들 중 각각 어느 하나를 포함한다.
제3 그룹의 픽셀들은, 제1 그룹의 픽셀들로부터 방출되는 광 및 제2 그룹의 픽셀들로부터 방출되는 광의 파장과 각각 다른 파장의 광을 방출할 수 있다. 특히 제1, 제2 및 제3 그룹의 픽셀들은, 각각 다른 2개의 그룹의 픽셀들의 광과는 다른 스펙트럼 색을 각각 가지는 광을 방출할 수 있다. 그에 따라, 예컨대 일측 그룹의 픽셀들은 적색 광을 생성하고, 추가 그룹의 픽셀들은 녹색 광을 생성하며, 그리고 마지막 그룹의 픽셀들은 청색 광을 생성한다. 그에 따라, 제1, 제2 및 제3 발광 칩들은 3개의 상이한 색의 광을 생성한다.
이 경우, 광학 소자는, 하나 이상의 제2 단위 셀이 제1 단위 셀들 중 각각 하나의 제1 단위 셀의 면적보다 더 작은 면적을 가지는 방식으로, 제1, 제2 및 제3 그룹의 픽셀들로부터 방출되는 광을 아웃커플링 평면 내의 제2 단위 셀들 내에서 병합하도록 구성된다.
픽셀들의 제3 그룹을 포함하는 제3 발광 칩들의 이용을 통해, 추가 색들이 본원의 광학 어레이에 의해 표시될 수 있다. 그에 따라, 예컨대 특정 색 모델의 표시를 위한 기본 구성이 제공된다. 예컨대 제1, 제2 및 제3 그룹의 픽셀들은 RGB 색 모델의 기본 색들(적색, 녹색 및 청색)에 할당될 수 있다. 이런 경우, 광학 소자는, 3개의 기본색과 그에 따라 예컨대 모든 RGB 기본색을 포함하는 제2 단위 셀들을 제공할 수 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 각각 제1, 제2 및 제3 발광 칩은 캐리어 상에서 측방향으로, 또는 행렬 어레이로 서로 나란히 배치된다.
한 추가 실시예에 따라서, 최소한 제4 발광 칩들은 캐리어 상에 평평하게 배치되며, 그리고 최소한 하나의 제4 그룹의 복수의 픽셀을 각각 포함한다. 이런 경우에, 제1 단위 셀은, 제1, 제2, 제3 및 최소한 하나의 제4 발광 칩들 중 각각 어느 하나를 포함한다. 예컨대 제4 그룹의 픽셀들은 녹색 광을 방출할 수 있다.
이 경우, 광학 소자는, 하나 이상의 제2 단위 셀이 제1 단위 셀들 중 각각 하나의 제1 단위 셀의 면적보다 더 작은 면적을 가지는 방식으로, 제1, 제2, 제3 및 최소한 제4 그룹의 픽셀들로부터 방출되는 광을 아웃커플링 평면 내의 제2 단위 셀들 내에서 병합하도록 구성된다.
최소한 제4 발광 칩들의 이용은 2개 또는 3개의 상이한 발광 칩들을 기반으로 하는 지금까지 제안된 어레이의 개선예를 나타낸다. 이 경우, 제4 그룹에서의 픽셀들에는 각각 하나의 제4 색이 할당될 수 있으며, 그럼으로써 본원의 광학 어레이에 의해 4개의 기본색을 기반으로 하는 색 모델이 표시될 수 있다. 그러나 총 4개의 발광 칩에서 2개의 발광 칩 또는 이들 발광 칩의 각각의 그룹들의 픽셀들은 동일한 파장을 방출할 수 있고 그에 따라 예컨대 적색, 2회의 녹색, 청색을 포함하는 바이어 행렬을 표시할 수도 있다. 동일한 방식으로 또 다른 할당들도 가능하며, 요컨대 동일한 방식으로 제5 그룹의 각각 복수의 픽셀을 포함하는 제5 발광 칩들 등도 가능하다.
한 추가 실시예에 따라서, 제1 단위 셀들 중 하나 이상의 제1 단위 셀은 복수의 제1 또는 제2 발광 칩을 포함한다.
한 추가 실시예에 따라서, 캐리어는 평면 또는 만곡 표면을 포함한다. 이런 방식으로, 광학 어레이는 한 평면 내에서 예컨대 조명 표면 또는 디스플레이로서 이용될 수 있다. 그러나 마찬가지로 만곡된 캐리어를 이용하여 3차원 형태에 따른 광학 어레이를 구현할 수도 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 제1, 제2, 제3 및/또는 제4 발광 칩들은 캐리어 상에 규칙적인 2차원 격자로 배치된다. 특히 규칙적인 2차원 격자는 주기적이거나 준주기적(quasi-periodic)일 수 있다.
격자는 예컨대 캐리어 상에서 발광 칩들의 어레이면서 제1 단위 셀들 내에서 정의되는 상기 어레이의 주기적인, 또는 준주기적인 반복을 통해 제공된다. 바람직하게 반복은 캐리어의 표면에서 2개의 상이한 방향으로의 병진(translation)을 통해 정의된다. 그에 따라, 광학 소자의 형성의 결과로서, 제2 단위 셀들을 기반으로 하는 아웃커플링 평면 내에 반복되는 격자가 제공된다.
한 추가 실시예에 따라서, 규칙적인 2차원 격자는 정방형 격자, 6각형 격자, 또는 준결정 격자를 포함한다.
이 경우, 정방형, 6각형 또는 준결정 격자들의 형태로 2차원 격자에 상응하게 발광 칩들을 배치할 수 있다. 예컨대 타깃 적용이 만곡된 평면 직접 디스플레이라면, 예컨대 구형의 축구공의 구성을 위해 5각형 또는 6각형의 유형에 따른 2차원 격자가 적합한 것처럼, 상응하는 만곡된 칩 어레이들이 고려될 수 있다.
또한, 발광 칩들의 픽셀들의 각각의 그룹들이 정방형, 6각형 또는 준결정 패턴의 형태로 배치되는 점도 생각해볼 수 있다. 그런 다음, 각각의 2차원 격자들은, 각각의 발광 칩들이 자신들의 외부 에지를 따라서 서로 인접하거나, 또는 서로 직접 인접하는 방식으로 배치되고 그에 따라 정방형, 6각형의 형태로, 또는 일반적으로 다각형의 형태로 2차원 격자를 형성하는 방식으로 실현될 수 있다.
정규 격자는 3개의 공간 방향으로 단위 셀의 주기적인 반복을 통해 구성될 수 있고 그로 인해 2중, 3중, 4중, 6중 대칭만을 보유한다. 그러나 2배의 단위 셀(또는 상대적으로 더 높은 차수의 단위 셀)도 비주기적인 방식으로 반복될 수 있으면서 본 출원의 의미에서의 준결정 격자를 지칭한다. 한 예시는 예를 들면 이른바 펜로즈 격자(penrose lattice)이다.
한 추가 실시예에서, 추가 발광 칩들은 캐리어 상에 평평하게, 특히 평탄하게 배치되고 픽셀들의 하나의 추가 그룹을 각각 포함한다. 이런 경우, 제1 단위 셀들은 제1, 제2, 제3, 제4 및 추가 발광 칩들, 예컨대 각각 제5 그룹의 복수의 픽셀을 각각 구비한 제5 발광 칩들 중 각각 어느 하나를 포함한다.
이런 경우, 광학 소자는, 하나 이상의 제2 단위 셀이 제1 단위 셀들 중 각각 하나의 제1 단위 셀의 면적보다 더 작은 면적을 가지는 방식으로, 제1, 제2, 제3, 제4 및 추가 그룹의 픽셀들로부터 방출되는 광을 아웃커플링 평면 내의 제2 단위 셀들 내에서 병합하도록 구성된다. 또한, 각각의 제2 단위 셀은 제1 단위 셀들 중 각각 하나의 제1 단위 셀의 면적보다 더 작은 면적을 보유할 수 있다.
추가 발광 칩들 및 픽셀들의 추가 그룹들의 이용은 어느 정도까지 광학 어레이의 본원의 원리의 일반화를 나타낸다. 그에 따라, 유연한 유형 및 방식으로 상이한 발광 픽셀들을 포함하는 발광 칩들을 통합하여 하나의 상대적으로 더 큰 어레이를 형성할 수 있다.
한 추가 실시예에 따라서, 캐리어, 발광 칩들 및 광학 소자로 이루어진 하이브리드가 통합된다. 이런 경우에, 광학 어레이의 제조 동안, 자신의 컴포넌트들이 이미 제조 시에 서로 상대적으로 정렬되고 그 후 정렬에 안정적인 부품이 제공된다. 이 대안으로, 캐리어는 발광 칩들 및 광학 소자와 조립될 수 있다. 이런 경우에, 광학 어레이는 모듈형이며, 그리고 개별 컴포넌트들은 서로 분리되어 제조될 수 있다. 따라서 예컨대 웨이퍼를 기반으로 광학 어레이를 제조할 수 있다. 바람직하게는 발광 웨이퍼와, 광학 소자를 포함한 미세광학 웨이퍼가 분리되어 제조되고 그 다음 병합된다.
한 추가 실시예에 따라서, 광학 소자는 마이크로 렌즈들로 이루어진 어레이를 포함한다. 이 경우, 마이크로 렌즈들은 발광 칩들로부터 방출되는 광의 발산 복사선들을 시준하도록 구성된다.
그 외에도, 평행한 복사선들이 병합될 수 있다. 다시 말하면, 마이크로 렌즈들에 의해 빔 가이드가 실현되며, 그럼으로써 발광 칩들의 각각의 픽셀들의 광은 제2 단위 셀들 내로 안내된다.
한 추가 실시예에 따라서, 광학 소자는 프리즘 어레이를 포함한다. 이 경우, 프리즘 어레이는 광을 안내하고, 그리고/또는 편향시키도록 구성된다.
프리즘 어레이에 의해, 제1 단위 셀들에서 제2 단위 셀들 내로 상이한 발광 칩들의 픽셀들의 각각의 그룹들의 광의 재분배가 수행된다. 프리즘 어레이는, 개별 프리즘들의 경사각 및 그 정렬이 상이한 픽셀들에 대해 각각 서로 상이하도록 구현될 수 있다.
한 추가 실시예에서, 마이크로 렌즈 어레이 및 프리즘 어레이는 모놀리식 방식으로 광학 소자 내에 통합된다.
한 추가 실시예에 따라서, 마이크로 렌즈 어레이 및 프리즘 어레이는 분리된 소자들로서 구현된다.
한 추가 실시예에 따라서, 캐리어 상에 배치된 픽셀들은 각각 분리되어 제어될 수 있다. 특히 제어되는 픽셀의 각각 방출되는 광의 세기는 설정될 수 있다.
이런 방식으로, 예를 들면 LED 직접 디스플레이와 같은 예컨대 디스플레이, 다시 말하면 LCD 영상 전송기를 포함하지 않은 디스플레이가 실현된다. 그렇지 않으면, 자신의 픽셀들이 균일하게 발광하는 LED들을 포함한 디스플레이들의 경우, 영상 소자, 예컨대 LCD는 후속하여 연결되어야만 한다. 이는 특히 그에 비해 상대적으로 더 높은 해상도의 장점을 갖는다.
한 추가 실시예에 따라서, 캐리어 상에 배치된 픽셀들은, 색 모델 표준에 따라서 광을 방출하도록 구성된다. 색 모델 표준은 특히 RGB 또는 RGBY 색 모델을 포함할 수 있다.
한 실시예에 따라서, 표시 장치는 상기에서 제시한 것과 같은 광학 어레이를 포함한다. 그 밖에도, 표시 장치는 캐리어 상에 배치된 픽셀들의 제어를 위한 제어 유닛도 포함한다.
적합한 크기의 캐리어 상에 복수의 발광 칩이 배치된다. 이 경우, 제1 단위 셀은 최소 단위를 나타낸다. 이런 방식으로, 광학 어레이는 스크린, 텔레비전 또는 모니터와 같은 표시 장치에 조립되어 동작될 수 있다. 예컨대 HDTV 디스플레이(고선명 텔레비전)에 대한 해상도가 정해진 경우, 픽셀화된 칩들 및 기재한 광학 소자를 포함하는 제안되는 유형의 표시 장치는, 소형의 개별 칩들로 이루어진 대응하는 표시 장치보다 분명히 더 적은 수의 칩을 필요로 한다.
본 발명은 하기에서 도면들에 따르는 다수의 실시예에서 더 상세하게 설명된다. 부재들 또는 구조 소자들이 자신들의 기능과 관련하여 상응하는 점에 한해, 부재들 또는 구조 소자들의 설명은 하기 도면들 각각에서 반복되지 않는다.
도 1a, 1b, 1c는 광학 어레이의 실시예들이다.
도 2는 광학 어레이의 한 추가 실시예이다.
도 1a에는, 광학 어레이의 예시에 따른 한 실시예가 도시되어 있다. 예컨대 세라믹으로 구성될 수 있는 시스템 캐리어(1) 상에는 복수의 발광 칩(2)이 배치된다. 발광 칩들(2)은 발광 픽셀들의 하나의 그룹(21, 22, 23)을 각각 포함하며, 픽셀들은 각각 상이한 색들을 방출하도록 구성된다. 따라서 예컨대 도 1a에서 발광 칩(2)은 제1 그룹(21)의 픽셀들을 포함한다. 추가 발광 칩(2)은 제2 그룹(22)의 픽셀들을 포함하며, 그리고 제3 발광 칩(2)은 제3 그룹(23)의 상응하는 픽셀들을 포함한다. 예컨대 그룹들(21, 22, 23)의 상이한 픽셀들은 적색, 녹색 및 청색의 색들을 방출할 수 있다. 본 예시의 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 그룹(21, 22, 23)을 포함하는 3개의 발광 칩은 측방향으로 서로 나란히 배치되고 그에 따라 제1 단위 셀(E1)을 형성한다.
시스템 캐리어(1) 및 픽셀화된 발광 칩들(2)은 모놀리식 부품일 수 있다. 그 대안으로, 시스템 캐리어는 별도로 제조되고 그 다음 개별 칩들과 조립될 수 있다. 도면에는, 전기 배선들뿐만 아니라, 예컨대 접착제, 땜납, 납땜 규격, 본딩 와이어 등과 같은 상응하는 컴포넌트들 및 구성의 세부사항들은 도시되어 있지 않다. 개별 칩들의 픽셀들은 전형적으로 50㎛ 범위의 지름(Wp)을 보유하면서 20 내지 30㎛의 픽셀 격자로 서로 상대적으로 배치된다. 칩들은 1000㎛ 크기의 에지 길이(Ac)를 보유한다.
방출 방향에서 발광 칩들에 후속하여 마이크로 렌즈들(3)로 이루어진 어레이가 배치되며, 그 다음에는 프리즘 어레이(4), 그리고 추가 프리즘 어레이(5) 및 추가 마이크로 렌즈 어레이(6)가 배치된다. 이런 광학 컴포넌트들은 상이한 그룹들의 픽셀들로부터 방출되는 광을 시준하고 편향시키기 위한 광학 소자를 형성한다. 그 대안, 또는 보충안으로, 마이크로 렌즈들 및/또는 프리즘들 대신, 격자들, 홀로그래픽 소자들, 프레넬 렌즈들 및 이진 회절 소자들도 이용될 수 있다. 또한, (평가 평면으로서도 지칭되는) 아웃커플링 평면(7)도 도시되어 있는데, 이 아웃커플링 평면은 하기에서 제시되는 것처럼 픽셀 방식으로 재분배된 방출 표면들을 갖는 새로운 광원에 상응한다.
도 1a에는, 광학 소자의 추가 세부사항들은 도시되어 있지 않다. 상기 세부사항들은 예컨대 광학 채널 분리를 위한 조리개들, 예컨대 평가 평면(7) 상의 추가 조리개들, 기계식 컴포넌트들, 그리고 스페이서들(spacer), 정렬 마크들 등과 같은 정렬 컴포넌트들을 포함한다.
상기 도 1a에서 그룹들(21, 22 및 23)을 구비한 3개의 픽셀화된 발광 칩을 포함하는 절개 부분으로서 도시된 광학 어레이의 동작 중에, 제1 그룹(21), 제2 그룹(22) 및 제3 그룹(23)의 픽셀들은 각각 그에 상응하게 자신들의 방출 스펙트럼을 방출한다. 본 예시의 실시예에서, 예컨대 제1 그룹(21)의 픽셀들은 적색 광을 방출하고, 제2 그룹(22)의 픽셀들은 녹색 광을 방출하며, 그리고 제3 그룹(23)의 픽셀들은 청색 광을 방출한다. 개별 픽셀들은 예컨대 렌즈의 추가 광학계를 구비할 수 있지만, 그러나 일반적으로 발산형 유형 및 방식으로 방출하게 된다.
개별 빔들은 각각의 픽셀들에 후속하여 배치되는 방식으로 마이크로 렌즈 어레이(3)에 상응하는 마이크로 렌즈들(3) 상에 부딪친다. 이런 마이크로 렌즈들(3)은, 픽셀들로부터 각각 발산 방식으로 방출된 개별 픽셀들의 광을 시준한다. 이제부터, 개별 광 빔들은 시준된 방식으로, 바람직하게는 평행한 방식으로 후속하여 배치된 프리즘 어레이(4) 상으로 입사되며, 이 소자는 시준된 광을 사전 설정된 각도만큼 편향시킨다. 각각의 각도는 픽셀마다 서로 상이할 수 있다. 그러나 각도들은, 후속하여 각각 편향된 광 빔들이 제2 프리즘 어레이(5) 상으로 편향되고 이 제2 프리즘 어레이에서 다시 어레이(5)의 법선에 대해 평행하게 편향되도록 선택된다. 이에 추가로, 제2 마이크로 렌즈 어레이(6)는 앞서 제1 및 제2 프리즘 어레이(4, 5)를 통해 편향된 광 빔들이 포착되어 후속으로 배치된 아웃커플링 평면(7) 상으로 집속될 수 있도록 하는 그런 위치에 위치된다. 이를 위해, 제2 마이크로 렌즈 어레이(6) 내의 개별 렌즈들의 위치는 마찬가지로 앞서 프리즘 어레이들(4, 5)을 통해 편향된 광 빔들의 편향 각도에 매칭된다.
그에 따라, 아웃커플링 평면(7)에서는, 도면에 파선들을 통해 예시된 것처럼, 각각 3개의 색이 재분배된 픽셀들(21', 22' 및 23')로서 제2 단위 셀(E2) 내에서 서로 인접하는 방식으로, 마이크로 렌즈 어레이들(3, 6) 및 프리즘 어레이들(4, 5)을 통해 발광 칩들의 픽셀들로부터 방출되는 광 빔들의 재분배가 수행된다. 달리 말하면, 광학 소자에 의해 실현되는 재분배를 통해 광학 어레이의 해상도의 증대가 달성된다.
도 1에는, 광학 어레이가 3개의 상이한 발광 칩을 포함하는 한 절개 부분으로만 도시되어 있다. 도시된 절개 부분의 각각 좌측 또는 우측 면에는 상응하는 추가 발광 칩들이 앞서 열거한 원리들에 따라서 연결된다. 또한, 여기에 도시된 선형 어레이는 추가 어레이를 통해 2차원으로 보충될 수 있고 그에 따라 평면의 2차원 광학 소자가 제공될 수 있다.
도 1b에는, 광학 어레이의 추가의 예시에 따른 실시예가 도시되어 있다. 여기에 도시된 광학 어레이는 도 1a에 도시된 어레이를 기반으로 하며, 그에 반해 다만 제1 마이크로 렌즈 어레이(3) 및 제2 프리즘 어레이(4)만이, 그리고 제2 프리즘 어레이(5) 및 제2 마이크로 렌즈 어레이(6)만이 각각 일체형으로, 예컨대 모놀리식 부품들로서 구현되어 있다.
도 1c에는, 제안된 원리에 따르는 광학 어레이의 추가의 예시에 따른 실시예가 도시되어 있다. 본 어레이 역시도 도 1a에 도시된 어레이를 기반으로 한다. 광학 소자를 형성하는 컴포넌트들, 다시 말하면 제1 및 제2 마이크로 렌즈 어레이(3, 6)뿐만 아니라 제1 및 제2 프리즘 어레이(4, 5)는 여기서는 함께 하나의 모놀리식 부품에 의해 포함된다.
도 2에는, 광학 어레이의 추가의 예시에 따른 실시예가 도시되어 있다. 여기에 도시된 어레이는, 정방형 패턴을 형성하는 4개의 발광 칩으로 이루어진 제1 정방형 단위 셀(E1)을 포함하는 2차원 평면 어레이를 나타낸다. 이 경우, 2개의 동일한 유형의 발광 칩이 제공된다. 발광 픽셀들의 각각의 제1, 제2 및 제3 그룹(21, 22, 23)을 위해, 어레이 내에는 하나 이상의 발광 칩이 제공된다. 제1 그룹(21)의 픽셀들은 예컨대 적색 광을 방출하고, 제2 그룹(22)의 픽셀들은 예컨대 녹색 광을 방출하며, 그리고 제3 그룹(23)의 픽셀들은 예컨대 청색 광을 방출한다.
도 1a 내지 도 1c에 개략적으로 도시된 것과 유사한 방식으로, 후속하여 배치되는 방식으로 발광 칩들 위쪽에는 제1 및 제2 마이크로 렌즈 어레이와 제1 및 제2 프리즘 어레이를 각각 포함하는 상응하는 광학 소자들이 위치된다. 이 경우, 광학 소자들은, 인접한 픽셀들이 각각 상이한 색들을 내포하고 그에 따라 증가된 해상도가 달성되도록, 픽셀들로부터 방출되는 광이 제1 단위 셀(E1)에서 제2 단위 셀(E2) 내로 방출되는 방식으로 설정된다. 광학 소자로 인한 재분배는 도면에 흰색 화살표들을 통해 예시되어 있다.
마이크로 렌즈 어레이들(3, 6) 및 프리즘 어레이들(4, 5)의 실시예는 도 1a 내지 도 1c에 따르는 실시예들과 유사하다. 후자의 실시예들은 개별 픽셀들로부터 방출되는 광을 한 방향을 따라서 시준하고 안내한다. 원칙적으로, 2차원 어레이에 대한 상기 원리는 그 행들 또는 열들에 적용될 수 있다. 그러나 바람직하게는 마이크로 렌즈 어레이들(3, 6) 및 프리즘 어레이들(4, 5)은, 발광 칩들의 행들과 열들 사이에서도 광이 재분배되도록 구성될 수 있다. 이는 특히 하나의 픽셀의 광이 극미하게만 편향되기만 하면 된다는 장점을 갖는다.
마이크로 렌즈들의 지름은, 마이크로 렌즈들의 광학 특성들이 실질적으로 굴절성을 띠도록 바람직하게는 50㎛ 미만이 아니다. 바람직하게는, 프리즘 어레이들을 통한 각도 편향은 작으며, 예컨대 30° 미만이고, 바람직하게는 15° 미만이며, 특히 바람직하게는 10° 미만이다. 이는, 하나의 픽셀로부터 칩 상으로 방출되는 광이 상면도에서 다만 아웃커플링 평면(7) 내에서 그 인접한 픽셀까지만 편향될 때의 경우에 해당된다.
도시된 광학 어레이는, 결과적으로 형성되어 픽셀 그룹들(21, 22, 23)을 포함하는 제2 단위 셀들(E2)이 칩 어레이 자체를 통해 정의되는 제1 단위 셀들(E1)보다 더 작도록, 발광 칩들, 예컨대 LED 칩들로부터 방출되는 광을 재분배한다. 도 2에서, 픽셀들의 제2 단위 셀들(E2)은 칩들의 제1 단위 셀들(E1)보다 4의 계수만큼 더 작은 에지 길이를 갖는다. 그 결과, 직접 방출형 RGB 디스플레이들의 구성을 위한 장점들이 제공된다. 현실적인 수치 값들은 예컨대 칩들의 에지 길이(Λc)의 경우 500㎛이며 픽셀들의 에지 길이 또는 격자 치수(Λp)의 경우에는 100㎛이다. 그에 따라, 예컨대 하기와 같은 관계식들이 생성된다.
칩 격자 상수 / 픽셀 격자 상수
= (Λc / Λp) = 5
칩 면적 / 픽셀 면적
= (Λc / Λp)2 = 25.
(예컨대 HDTV에 대한) 해상도가 정해진 경우, 픽셀화된 칩들로 이루어지고 기재한 광학 어레이를 포함하는 직접 LED 디스플레이는 소형 개별 칩들로 이루어진 직접 LED 디스플레이보다 25배 더 적은 수의 칩을 필요로 한다.
본 발명은 실시예들에 따른 기재내용을 통해 국한되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각각의 조합도 포함하며, 이는, 비록 해당하는 특징 또는 해당하는 조합 자체가 특허청구범위 또는 실시예들에 명확하게 명시되어 있지 않다고 하더라도, 특히 특허청구범위 내의 특징들의 각각의 조합도 포함한다.
본 특허 출원은, 그 공개 내용이 재귀적 참조를 통해 본원에 수용되는 독일 특허 출원 DE 10 2013 104 046.2의 우선권을 청구한 것이다.

Claims (17)

  1. 광학 어레이에 있어서,
    - 캐리어(1) 상의 복수의 발광 칩(2)으로서, 제1 발광 칩들이 제1 그룹(21)의 복수의 픽셀을 각각 포함하고, 제2 발광 칩들이 제2 그룹(22)의 복수의 픽셀을 각각 포함하며, 제1 발광 칩들 중 하나와 제2 발광 칩들 중 하나는 각각 제1 단위 셀들(E1) 내에서 캐리어(1) 상에 평평하게 배치되는 것인 상기 복수의 발광 칩(2)과,
    - 방출 방향에서 발광 칩들(2)에 후속하여 배치되는 광학 소자로서, 상기 광학 소자는, 하나 이상의 제2 단위 셀(E2)이 하나의 제1 단위 셀(E1)의 면적보다 더 작은 면적을 가지는 방식으로 제1 그룹(21) 및 제2 그룹(22)의 픽셀들로부터 방출되는 광을 아웃커플링 평면(7) 내의 제2 단위 셀들(E2) 내에서 병합하도록 구성되는 것인, 상기 광학 소자
    를 포함하는 광학 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    - 제3 발광 칩들이 상기 캐리어(1) 상에 평평하게 배치되고 픽셀들의 제3 그룹(23)을 각각 포함하고,
    - 상기 제1 단위 셀들(E1)은 상기 제1, 제2 및 제3 발광 칩들 중 하나를 각각 포함하며,
    - 상기 광학 소자는, 하나 이상의 제2 단위 셀(E2)이 하나의 제1 단위 셀(E1)의 면적보다 더 작은 면적을 가지는 방식으로, 상기 제1, 제2 및 제3 그룹(21, 22, 23)의 픽셀들로부터 방출되는 광을 상기 아웃커플링 평면(7) 내의 제2 단위 셀들(E2) 내에서 병합하도록 구성되는 것인 광학 어레이.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 발광 칩들은 쌍을 이루어 서로 다른 색들의 광을 방출하는 것인 광학 어레이.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 단위 셀들(E2) 각각은 상기 제1 단위 셀들(E1) 각각의 면적보다 더 작은 면적을 가지는 것인 광학 어레이.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각 하나의 제1, 제2 및 제3 발광 칩은 상기 캐리어(1) 상에 측방향으로 서로 나란히, 또는 행렬 어레이로 배치되는 것인 광학 어레이.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 적어도 제4 발광 칩들이 상기 캐리어 상에 평평하게 배치되고 픽셀들의 하나 이상의 제4 그룹(21, 22, 23)을 각각 포함하고,
    - 상기 제1 단위 셀들(E1)은 적어도 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 발광 칩들 중 어느 하나를 각각 포함하며,
    - 상기 광학 소자는, 하나 이상의 제2 단위 셀(E2)이 하나의 제1 단위 셀(E1)의 면적보다 더 작은 면적을 가지는 방식으로, 상기 제1, 제2, 제3 및 상기 제4 그룹(21, 22, 23)의 픽셀들로부터 방출되는 광을 상기 아웃커플링 평면(7) 내의 제2 단위 셀들(E2) 내에서 병합하도록 구성되는 것인 광학 어레이.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 단위 셀들(E1) 중 하나 이상의 제1 단위 셀은 복수의 제1 또는 제2 발광 칩을 포함하는 것인 광학 어레이.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐리어(1)는 평면 또는 만곡 표면을 가지는 것인 광학 어레이.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및/또는 제4 발광 칩들은 상기 캐리어(1) 상에 규칙적인 2차원 격자로 배치되는 것인 광학 어레이.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 규칙적인 2차원 격자는 정방형 패턴, 6각형 패턴, 또는 준결정 패턴을 가지는 것인 광학 어레이.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 캐리어(1), 상기 발광 칩들 및 상기 광학 소자를 포함하는 하이브리드가 통합되거나, 또는
    - 상기 캐리어(1)는 상기 발광 칩들 및 상기 광학 소자와 조립되는 것인 광학 어레이.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 소자는, 상기 발광 칩들로부터 방출되는 광의 발산 복사선들이 평행하도록, 그리고/또는 평행한 복사선들을 병합하도록 구성되는 마이크로 렌즈들(3, 6)로 이루어진 어레이를 포함하는 것인 광학 어레이.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 소자는 광을 안내 및/또는 편향시키도록 구성되는 프리즘 어레이(4, 5)를 포함하는 것인 광학 어레이.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이(3, 6) 및 상기 프리즘 어레이(4, 5)는,
    - 모놀리식 방식으로 상기 광학 소자에 통합되거나, 또는
    - 분리된 소자들로서 구현되는 것인 광학 어레이.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 발광 칩의 픽셀들은 별개로 제어될 수 있으며, 특히 픽셀들로부터 방출되는 각각의 광의 세기가 조절될 수 있는 것인 광학 어레이.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 픽셀들은, 색 모델 표준에 따라서, 특히 RGB 또는 RGBY 색 모델에 따라서 광을 방출하도록 구성되는 것인 광학 어레이.
  17. 표시 장치에 있어서,
    - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 광학 어레이와,
    - 픽셀들을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는 표시 장치.
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