KR20170014607A - 멀티셀 발광 다이오드를 이용한 백라이트 모듈을 포함하는 백라이트 유닛 - Google Patents

멀티셀 발광 다이오드를 이용한 백라이트 모듈을 포함하는 백라이트 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멀티셀(multi junction technology; MJT) 발광 다이오드를 이용한 백라이트 모듈 및 이를 포함하는 백라이트 유닛에 관한 것으로, 백라이트 유닛은, 복수 개의 블록을 포함하는 인쇄회로기판; 상기 복수 개의 블록 상에 배치되는 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하는 백라이트 모듈; 구동 전압을 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드에 제공하며, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 구동을 독립적으로 제어하는 백라이트 제어모듈; 및 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 제1 광학부재를 포함하고, 상기 복수 개의 블록 각각은 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하며, 상기 복수의 블록 각각의 장축이
Figure pat00070
, 단축이
Figure pat00071
일 때, 상기 제1 광학부재의 반치폭은
Figure pat00072
보다 크거나 같고,
Figure pat00073
보다 작거나 같다. 본 발명에 의하면, 백라이트 유닛의 복수 개의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 광학부개를 구비하고, 광학부재의 반치폭 범위를 설정함에 따라 백라이트 유닛에서 방출되는 빛이 전체적으로 균일하게 방출될 수 있는 효과가 있다.

Description

멀티셀 발광 다이오드를 이용한 백라이트 모듈을 포함하는 백라이트 유닛{BACKLIGHT UNIT HAVING BACKLIGHT MODULE WITH MJT LED}
본 발명은 멀티셀(multi junction technology; MJT) 발광 다이오드를 이용한 백라이트 모듈을 포함하는 백라이트 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 발광셀의 유효 발광 면적을 증가시키기 위해 구성된 MJT 발광 다이오드를 이용하여 소전류 구동이 가능한 백라이트 모듈을 포함하는 백라이트 유닛에 관한 것이다.
액정 디스플레이는 백라이트 광원의 투과율을 제어하여 영상을 구현한다. 종래에는 CCFL(cold cathode fluorescent lamp)이 주로 사용되다가, 최근에 전력량, 수명 및 환경성 등의 장점이 있는 발광 다이오드가 많이 사용되고 있다.
액정 디스플레이에 필요한 광원은 발광 다이오드의 위치에 따라 에지형 백라이트 유닛과 직하형 백라이트 유닛으로 나뉜다. 에지형 백라이트 유닛은 도광판이 구비되어 도광판 측면에 광원인 발광 다이오드들을 배치하고, 광원에서 발광된 빛이 도광판을 통해 액정 패널로 방출되도록 구성된 것이다. 이러한 에지형 백라이트 유닛은 발광 다이오드의 수를 줄일 수 있으며 발광 다이오드들 간의 고도의 품질 편차를 요구하지 않아 제조 단가를 줄일 수 있으며 저전력 제품을 개발할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 에지형 백라이트 유닛은 액정 디스플레이의 모서리 부분과 중앙 영역 사이의 명암 차이를 극복하기 어려운 단점이 있어, 고화질을 구현하는데 한계가 있다.
반면, 직하형 백라이트 유닛은 액정 패널의 하부에 발광 다이오드들이 위치하여 액정 패널과 거의 동일한 면적을 갖는 면광원으로부터 직접 액정 패널의 전면에 빛이 조사할 수 있다. 그에 따라 액정 패널의 모서리 부분과 중앙 영역의 명암차이가 없도록 구현할 수 있으며, 고화질을 구현할 수 있는 장점이 있다.
다만, 직하형 백라이트 유닛은 각 발광 다이오드가 상대적으로 넓은 면적을 고르게 백라이팅하지 못할 경우, 많은 수의 발광 다이오드를 조밀하게 배열하여야 하므로 그에 따른 전력소모가 증가할 수 있다. 또한, 발광 다이오드들 간의 품질 편차가 있으면 액정 패널이 불균일하게 백라이팅되어 화면의 균질성을 확보하기 어려운 단점이 있다.
특히, 최근에 액정 패널들이 대형화되는 추세에 따라 직하형 백라이트 유닛도 대형화되고 있으며, 이에 따라 대형화된 직하형 백라이트 유닛의 안정성이나 신뢰성이 저하되는 문제가 있다. 즉, 발광 다이오드 백라이트 유닛은 복수의 발광 다이오드를 구동하기 위한 구동회로들을 통해 복수의 발광 다이오드군인 발광 다이오드 어레이들에 공급되는 구동전류를 제어한다. 발광 다이오드 백라이트 유닛의 대형화에 따라 발광 다이오드 구동회로들과 그에 대응되는 발광 다이오드 어레이가 크게 증가함에 따라 서로 인접하게 배열된 복수의 발광 다이오드들이나 발광 다이오드 어레이가 서로 단락하는 경우가 발생하고, 과전류나 과전압 또는 과열 현상으로 인해 구동회로가 파손되는 경우가 발생함에 따라 백라이트 유닛의 안정성과 신뢰성이 저하될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 직하형 백라이트 유닛에서 각 발광 다이오드에서 방출된 빛이 액정 패널에 균일하게 조사되면서 안정성과 신뢰성이 높은 멀티셀 발광 다이오드를 이용한 백라이트 모듈을 포함하는 백라이트 유닛을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 유닛은, 복수 개의 블록을 포함하는 인쇄회로기판; 상기 복수 개의 블록 상에 배치되는 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하는 백라이트 모듈; 구동 전압을 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드에 제공하며, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 구동을 독립적으로 제어하는 백라이트 제어모듈; 및 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 하나 이상의 제1 광학부재를 포함하고, 상기 복수 개의 블록 각각은 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하며, 상기 복수의 블록 각각의 장축이
Figure pat00001
, 단축이
Figure pat00002
일 때, 상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 반치폭은
Figure pat00003
보다 크거나 같고,
Figure pat00004
보다 작거나 같을 수 있다.
이때, 상기
Figure pat00005
와
Figure pat00006
는 서로 같수 있으며, 상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 반치폭이
Figure pat00007
보다 크거나 같을 때, 상기 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 세기는 100% 이상일 수 있다.
여기서, 상기
Figure pat00008
는 60mm 이하이고, 상기
Figure pat00009
는 55mm 이하일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 유닛은, 복수 개의 블록을 포함하는 인쇄회로기판; 상기 복수 개의 블록 상에 배치되는 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하는 백라이트 모듈; 구동 전압을 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드에 제공하며, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 구동을 독립적으로 제어하는 백라이트 제어모듈; 및 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 하나 이상의 제1 광학부재를 포함하고, 상기 복수 개의 블록 각각은 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하며, 상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출되는 빛의 지향각(
Figure pat00010
) 범위는 수학식 1과 같을 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00011
여기서, 상기
Figure pat00012
는 상기 제1 광학부재 없이 멀티셀 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 반치폭이고, 상기
Figure pat00013
는 상기 멀티셀 발광 다이오드의 바닥면에서 확산면의 바닥면까지의 거리이다.
이때, 상기 백라이트 제어모듈은, 상기 구동 전압을 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각에 독립적으로 제공하는 구동 전원 생성부; 및 상기 백라이트 제어모듈의 디밍 신호에 따라 PWM을 제어하여 상기 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드의 디밍 제어를 수행하는 구동 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동 제어부는 펄스폭이 변조되거나 듀티비가 변조된 디밍 제어신호를 생성할 수 있으며, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 구동 전류를 독립적으로 검출 및 제어하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 구동 제어부는 디밍 신호에 따라 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 중 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드의 구동 전류를 제어하여 상기 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드의 디밍 제어를 수행할 수 있다.
여기서, 상기 멀티셀 발광 다이오드의 애노드단은 상기 구동 전원 생성부에 연결되고, 상기 멀티셀 발광 다이오드 캐소드단은 상기 구동 제어부에 연결될 수 있다.
또한, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드에 대응되도록 상기 인쇄회로기판 상에 배치되는 제2 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 광학 부재는 상기 멀티셀 발광 다이오드에서 빛을 입사 받는 입광면 및 상기 멀티셀 발광 다이오드의 광 지향각 보다 넓은 광 지향각으로 광을 출사하는 출광면을 포함할 수 있다.
그리고 상기 제1 광학 부재는 상기 멀티셀 발광 다이오드 상에 수지가 몰딩되어 형성될 수 있다.
이때, 상기 복수의 블록은 M X N 개이고, 상기 복수 개의 블록은 M X N 매트릭스 배열을 구성할 수 있다.
그리고 상기 멀티셀 발광 다이오드는, 제1 내지 제N 발광셀을 포함하고(상기 N은 2이상의 자연수), 상기 제N 발광셀과 제N-1 발광셀의 전기적 연결구조는 상기 제1 및 제2 발광셀의 전기적 연결구조와 동일할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 멀티셀 발광 다이오드와 전기적으로 연결된 복수 개의 FET 및 상기 FET의 온(on) 및 오프(off)를 제어하는 FET 제어부를 더 포함하고, 상기 복수 개의 FET는 상기 복수 개의 멀티셀 발광 다이오드와 동일한 개수일 수 있다.
이때, 상기 FET 제어부는 상기 복수 개의 FET 중 적어도 하나 이상을 제어할 수 있으며, 상기 FET 제어부에 의해 제어되지 않는 하나 이상의 FET는 상기 복수개의 멀티셀 발광 다이오드의 개수보다 적을 수 있다.
한편, 상기 FET 제어부는 상기 복수 개의 FET 모두를 제어할 수 있다.
그리고 상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 균일도를 향상을 위한 광학시트를 더 포함할 수 있다.
또 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 유닛은, 복수 개의 블록을 포함하는 인쇄회로기판; 상기 복수 개의 블록 상에 배치되는 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하는 백라이트 모듈; 및 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 하나 이상의 제1 광학부재를 포함하고, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각은, 성장기판 상에 서로 이격되어 위치하며, 각각 하부 반도체층, 상기 하부 반도체층 상에 위치하는 상부 반도체층 및 상기 하부 반도체층과 상부 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 제1 및 제2 발광셀; 상기 제1 발광셀 상에 위치하고, 상기 제1 발광셀에 전기적으로 접속된 제1 투명전극층; 상기 제1 발광셀을 상기 제2 발광셀에 전기적으로 연결하는 배선; 및 상기 배선을 상기 제1 발광셀의 측면에서 이격시키는 절연층을 포함하며, 상기 배선은 상기 제1 발광셀에 전기적으로 접속되는 제1 접속부 및 상기 제2 발광셀에 전기적으로 접속되는 제2 접속부를 포함하고, 상기 하부 반도체층의 일면은 상기 하부 반도체층을 노출시키는 노출영역이 형성되며, 상기 제1 접속부는 상기 제1 투명전극층에 접촉하고, 상기 제2 접속부는 상기 노출영역을 통해 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층과 전기적으로 접속하며, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 동작은 독립적으로 제어되고, 상기 복수의 블록 각각의 장축이
Figure pat00014
, 단축이
Figure pat00015
일 때, 상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 반치폭은
Figure pat00016
보다 크거나 같고,
Figure pat00017
보다 작거나 같을 수 있다.
또 다른 한편, 복수 개의 블록을 포함하는 인쇄회로기판; 상기 복수 개의 블록 상에 배치되는 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하는 백라이트 모듈; 및 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 하나 이상의 제1 광학부재를 포함하고, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각은, 성장기판 상에 서로 이격되어 위치하며, 각각 하부 반도체층, 상기 하부 반도체층 상에 위치하는 상부 반도체층 및 상기 하부 반도체층과 상부 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 제1 및 제2 발광셀; 상기 제1 발광셀 상에 위치하고, 상기 제1 발광셀에 전기적으로 접속된 제1 투명전극층; 상기 제1 발광셀을 상기 제2 발광셀에 전기적으로 연결하는 배선; 및 상기 배선을 상기 제1 발광셀의 측면에서 이격시키는 절연층을 포함하며, 상기 배선은 상기 제1 발광셀에 전기적으로 접속되는 제1 접속부 및 상기 제2 발광셀에 전기적으로 접속되는 제2 접속부를 포함하고, 상기 하부 반도체층의 일면은 상기 하부 반도체층을 노출시키는 노출영역이 형성되며, 상기 제1 접속부는 상기 제1 투명전극층에 접촉하고, 상기 제2 접속부는 상기 노출영역을 통해 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층과 전기적으로 접속하며, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 동작은 독립적으로 제어되고, 상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출되는 빛의 지향각(
Figure pat00018
) 범위는 수학식 2와 같을 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00019
여기서, 상기
Figure pat00020
는 상기 제1 광학부재 없이 멀티셀 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 반치폭이고, 상기
Figure pat00021
는 상기 멀티셀 발광 다이오드의 바닥면에서 확산면의 바닥면까지의 거리이다.
이때, 상기 제1 투명전극층의 일부는 상기 제2 발광셀과 접속할 수 있으며, 상기 제1 발광셀 상에서 상기 제1 발광셀과 상기 제2 발광셀 사이를 거쳐 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층의 측면 상에 위치할 수 있다.
그리고 상기 제1 투명전극층 중 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층의 측면 상에 위치하는 부분의 폭은 상기 배선 중 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층의 측면 상에 위치히하는 부분의 폭보다 넓을 수 있다.
또한, 상기 제1 투명전극층 중 상기 제1 발광셀과 상기 제2 발광셀 사이에 위치하는 부분의 폭은 상기 배선 중 상기 제1 발광셀과 상기 제2 발광셀 사이에 위치하는 부분의 폭보다 넓을 수 있다.
여기서, 상기 제1 투명전극층은 상기 배선과 상기 절연층을 서로 이격시킬 수 있다.
그리고 상기 절연층의 일부는 상기 성장기판 중 상기 제1 발광셀과 상기 제2 발광셀 사이에 위치하는 부분 상에 위치할 수 있다.
또한, 상기 제1 발광셀과 제1 투명전극층 사이에 위치하여 상기 제1 투명전극층의 일부를 상기 제1 발광셀로부터 이격시키는 전류 차단층을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 제1 투명전극층은 상기 제2 접속부와 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층 사이에 위치할 수 있다.
본 발명에 의하면, 백라이트 유닛의 복수 개의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 광학부재를 구비하고, 광학부재를 통과한 빛의 반치폭 범위를 설정함에 따라 백라이트 유닛에서 방출되는 빛이 전체적으로 균일하게 방출될 수 있는 효과가 있다.
또한, 소전류 구동 특성을 갖는 MJT LED를 이용하여 백라이트 모듈을 구성함으로써, 백라이트 모듈 및 이를 포함하는 백라이트 유닛의 소전류 구동이 가능하게 된다는 효과가 있다. 그에 따라 디스크리트 FET(discrete FET)의 개수를 줄일 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예들에 따르면, 배선의 접속부들 중 하나를 발광셀의 경사진 측면에 전기적으로 접촉시킴으로써 MJT LED 칩의 각 발광셀의 유효 발광 면적을 증가시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 백 라이트 유닛의 전력 효율 및 광 효율이 개선되고, 대전류 구동에 따른 드룹 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 백라이트 모듈을 구성하는 데 요구되는 LED의 수를 최소화하며, 백라이트 모듈을 구성하는 각각의 MJT LED별로 구동 제어가 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED를 이용한 백라이트 유닛의 개략적인 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 유닛을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED 모듈을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED 칩을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED 칩을 설명하기 위해 도 5의 절취선 B-B를 따라 취해진 개략적인 단면도이다.
도 7 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED 칩 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 MJT LED 칩을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 14는 광학 부재의 다양한 변형예를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 MJT LED 모듈을 설명하기 위한 광학 부재의 단면도들이다.
도 16은 시뮬레이션에 사용된 MJT LED 모듈의 치수를 나타내는 단면도이다.
도 17은 도 16의 광학 부재의 형상을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 18은 기준점(P)에서 광학 부재(130)로 입사되는 광선을 3ㅀ간격으로 하여 광선 진행 방향을 나타낸다.
도 19는 도 16의 MJT LED 및 광학 부재에 따른 조도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 20은 도 16의 MJT LED 및 광학 부재에 따른 광 지향 분포를 나타내는 그래프들이다.
도 21는 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED 모듈을 도시한 단면도이다.
도 22의 (a) 내지 도 22의 (c)는 도 12의 a-a 선, b-b 선, c-c 선을 따라 취한 도면들이다.
도 23은 도 21에 도시된 MJT LED 모듈의 광학 부재를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 도 23에 도시된 광학 부재 이용 시의 광 지향각 분포를 보여주는 도면이다.
도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 도 25의 광학 부재를 이용하여 얻을 수 있는 광 지향각 분포를 잘 보여준다.
도 27의 (a) 및 도 27의 (b) 각각은 비교예 1에 따른 광학 부재 및 지향각 분포 곡선을 보여준다.
도 28의 (a) 및 도 28의 (b) 각각은 비교예 2에 따른 광학 부재 및 지향각 분포 곡선을 보여준다.
도 29는 본 발명의 MJT LED에 로컬 디밍을 위한 렌즈가 형성된 정사각형 블록이 포함된 백라이트 모듈을 도시한 도면이다.
도 30은 본 발명의 백라이트 모듈에 로컬 디밍을 위한 렌즈가 각 블록에 형성된 MJT LED에서 방출된 빛의 조도가 중첩된 것을 도시한 도면이다.
도 31은 본 발명의 백라이트 모듈에 로컬 디밍을 위한 렌즈가 직사각형 형상의 각 블록에 형성된 것을 도시한 도면이다.
도 32는 본 발명에서 조도의 반치폭에 대한 렌즈를 통해 발광되는 빛의 지향각 범위를 산출하기 위한 도면이다.
도 33은 본 발명의 광원에서 렌즈까지의 거리 변화에 따른 반치폭의 관계를 도시한 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
본 발명의 실시예에서, 용어 "MJT LED 칩"이란 하나의 LED 칩 내에 복수의 발광셀들이 배선들에 의해 서로 연결되어 있는 멀티-셀 LED 칩을 의미한다. 또한 MJT LED 칩은 N개의 발광셀들을 포함하여 구성될 수 있으며(N은 2 이상의 양의 정수), N은 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 또한, 각 발광셀의 순방향 전압은, 바람직하게, 3V ~ 3.6V 사이일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, MJT LED 칩(또는 MJT LED)의 순방향 전압은 해당 MJT LED 칩 내에 포함된 발광셀들의 수에 비례한다. MJT LED 칩 내에 포함되는 발광셀들 수가 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 MJT LED 칩은 백라이트 유닛에 사용되는 구동 전원 생성부(예를 들어, DC 컨버터)의 사양에 따라 6~36V의 구동전압을 갖도록 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, MJT LED 칩의 구동 전류는 종래의 단일-셀 LED에 비하여 매우 작으며, 예를 들어, 바람직하게 20mA ~ 40mA 사이일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 용어 "MJT LED"란 본 발명에 따른 MJT LED 칩을 실장하고 있는 발광 소자 또는 LED 패키지를 지칭한다.
또한, 용어 "MJT LED 모듈"이란 하나의 MJT LED와 대응하는 하나의 광학 부재를 결합한 구성요소를 지칭한다. 대응하는 광학 부재는 MJT LED에 직접 배치될 수도 있으며, 또는 MJT LED가 실장된 인쇄회로기판에 배치될 수도 있다. 광학 부재의 배치방식과 무관하게, 하나의 MJT LED와 대응하는 하나의 광학 부재가 결합되어 지칭되는 경우 MJT LED 모듈이라 한다.
또한, 용어 "백라이트 모듈"이란 인쇄회로기판 상에 복수의 MJT LED들이 배치되고, 복수의 MJT LED들 각각에 대응하는 복수의 광학 부재들이 배치된 조명 모듈을 의미한다. 따라서 용어 "백라이트 모듈"은 인쇄회로기판 상에 복수의 MJT LED 모듈들이 소정의 규칙에 따라 실장된 조명 모듈을 의미할 수 있다. 한편, 일 실시예에 있어 본 발명에 따른 백라이트 모듈은 직하형 백라이트 모듈일 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 백라이트 모듈이 다른 실시예에 있어 면 조명용 광원으로 사용될 수도 있다. 따라서 그 명칭에 불구하고 본 발명에 따른 백라이트 모듈의 기술적 요지를 포함하고 있는 한, 본 발명의 권리범위에 속함은 당업자에게 자명할 것이다.
MJT LED를 이용한 백라이트 유닛의 개괄
본 발명에 따른 백라이트 유닛의 구성을 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 발명의 중요한 기술적 특징에 대하여 살펴보도록 한다. 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 MJT LED가 갖는 소자적 특성에 착안하여 안출된 발명이다. 즉, 본 발명은 종래기술에 따른 단일-셀 LED가 갖는 소전압 대전류 구동 특성에 따른 문제점을 해결하기 위하여, MJT LED가 갖는 대전압 소전류 구동 특성(예를 들어, 6~36V의 구동 전압 및 20~40mA의 구동 전류)에 착안하였으며, 이러한 MJT LED를 이용하여 백라이트 모듈을 구성함으로써 전술한 바와 같은 종래기술에 따른 문제점들을 해결하고자 하였다. 전술한 바와 같이, MJT LED의 경우 종래의 단일-셀 LED와 달리 임의의 수의 발광셀을 포함할 수 있으며, 포함되는 발광셀의 수에 따라 순방향 전압이 달라지는 특성을 가지고 있다. 또한, MJT LED의 경우 복수의 발광셀을 포함하고 있으므로 종래의 단일-셀 LED에 비하여 넓은 범위를 조사할 수 있고, 또한 하나의 MJT LED 칩으로 구성되므로 이에 대한 광학 부재를 설계하고 적용하기에 용이하다. 따라서 이러한 MJT LED를 이용하는 경우, 액정패널의 복수의 분할 영역 중 하나의 분할 영역을 MJT LED 모듈(MJT LED+광학 부재) 하나로 커버할 수 있게 된다. 따라서 백라이트 모듈을 구성하는데 요구되는 LED들의 수가 종래의 단일-셀 LED에 비하여 줄어들게 된다. 결론적으로, 본 발명은 복수의 MJT LED 모듈을 이용하여 백라이트 모듈을 구성하고, 백라이트 모듈을 구성하는 각각의 MJT LED들을 각기 독립적으로 제어하도록 백라이트 유닛을 구성함으로써 본 발명의 목적을 달성할 수 있도록 구성된다.
이하에서, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 백라이트 유닛(1000)에 대하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 MJT LED를 이용한 백라이트 유닛의 개략적인 구성 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 백라이트 유닛(1000)은 백라이트 제어모듈(400) 및 백라이트 모듈(300)을 포함할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 백라이트 유닛은 FET(Field Effect Transistor), FET 제어부(구동 IC)를 추가로 포함할 수 있으며, 더불어 투광판(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 백라이트 제어모듈(400)은 외부로부터 입력되는 입력 전원(Vin)을 이용하여 DC 구동 전원을 생성/출력하는 구동 전원 생성부(410) 및 백라이트 모듈(300)을 구성하는 복수의 MJT LED들(100) 각각의 동작을 제어(온/오프 제어 및 디밍 제어)하는 구동 제어부(420)를 포함하여 구성된다. 구동 전원 생성부(410)는 일반적으로 12V, 24V, 48V 등의 안정적인 DC 전압을 구동 전원으로 생성하여 백라이트 모듈(300)을 구성하는 복수의 MJT LED들(100)에 제공하도록 구성된다. 이때, 구동 전원 생성부(410)에 공급되는 입력 전원(Vin)은 220V 또는 110V의 상용 교류전원일 수 있다. 이러한 구동 전원 생성부(410)는 일반적으로 12V, 24V, 48V 등의 DC 전압을 구동 전원으로 생성하여 출력할 수 있다.
본 발명에 따른 백라이트 모듈(300)은 인쇄회로기판(도 1에 미도시됨) 상에 복수의 MJT LED들(100) 및 각각의 MJT LED(100)에 대응하는 광학 부재(도 1에 미도시됨)를 규칙적으로(예를 들어, 매트릭스 형태로) 배치함으로써 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 백라이트 유닛의 일 구성을 설명하기 위한 개략도이다. 도 2를 참조하면, 인쇄회로기판(110)은 복수의 블록(110a)들을 포함할 수 있다. 블록(110a)은 복수의 MJT LED들이 인쇄회로기판 상에 실장될 시, 복수의 MJT LED들이 실장되는 영역을 포함하는 인쇄회로기판의 일부 영역을 의미한다. 구체적으로, 하나의 블록(110a)은 적어도 하나의 MJT LED를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 하나의 블록(110a)은 하나의 MJT LED를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 블록(110a)은 복수개의 MJT LED들을 포함할 수도 있다.
복수의 블록(110a)들은 가로 방향으로 M개, 세로 방향으로 N개로 배치되어 MxN 매트릭스 배열을 구성할 수 있다. 도 2에 도시된 바에 따르면, 예를 들어 45개의 블록(110a)들이 9x5 매트릭스 배열을 구성할 수 있다. 각각의 블록(110a)들의 가로 길이(L1)는 60mm 이하일 수 있다. 또한, 각각의 블록(110a)들의 세로 길이(L2)는 55mm 이하일 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에 있어, 백라이트 모듈(300) 내에서 가로 방향으로 M개의 MJT LED들(100)이 배치되고, 세로 방향으로 N개의 MJT LED들(100)이 배치되어 MxN 매트릭스 배열을 구성하는 것으로 가정한다. 이 때, 각각의 MJT LED는 블록들과 1 대 1로 대응되어 위치할 수 있다. 또한, 좌측 최상단에 배치되는 MJT LED를 제 1-1 MJT LED(100_11)로 지칭하며 우측 최하단에 배치되는 MJT LED를 제 M-N MJT LED(100_MN)로 지칭한다.
한편, 여기서 가장 주목해야 할 점은, 도 1에 도시된 실시예에 따른 백라이트 모듈(300) 내의 MJT LED들(100)은 서로 직렬 또는 병렬 또는 직/병렬로 연결되지 않고 각기 독립적으로 구동 전원 생성부(410) 및 구동 제어부(420)에 연결되도록 구성된다는 점이다. 즉, 도 1에 도시된 실시예에 있어, 각 MJT LED(100)의 애노드단이 독립적으로 구동 전원 생성부(410)에 연결되며, 각 MJT LED(100)의 캐소드단이 독립적으로 구동 제어부(420)에 연결된다. 각각의 MJT LED와 각각의 블록들이 1 대 1로 대응되는 경우, 블록들은 각기 독립적으로 구동 전원 생성부(410) 및 구동 제어부(420)에 연결되도록 구성될 수 있다.
이러한 구성으로 인하여, 본 발명에 따른 구동 제어부(420)는 백라이트 모듈(300)을 구성하는 복수의 MJT LED들(100) 각각의 동작을 독립적으로 제어할 수 있게 된다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 구동 제어부(420)는 디밍 신호(Dim)에 따라 복수의 MJT LED들(100) 중 특정 MJT LED의 디밍 레벨을 제어하도록 구성된다. 각각의 MJT LED와 각각의 블록들이 1 대 1로 대응되는 경우, 구동 제어부(420)는 복수의 블록들 각각의 동작을 독립적으로 제어할 수 있게 된다.
일 실시예에 있어, 본 발명에 따른 구동 제어부(420)는 PWM 제어 수단(미도시)을 포함하며, MJT LED들(100) 중 디밍 제어 대상이 되는 특정 MJT LED에 공급되는 구동 전원을 PWM(pulse width modulation) 제어함으로써 디밍 제어를 수행하도록 구성될 수 있다.
특히, 도 1에 도시되어 있는 본 발명에 따른 백라이트 유닛(1000)은 복수의 MJT LED들(100) 각각이 서로 독립적으로 구동 전원 생성부(410)에 연결되어 독립적으로 구동 전원을 공급받도록 구성되어 있기 때문에, 이러한 PWM 제어 방식의 디밍 제어가 가능해 진다. 구체적으로, 구동 제어부(420)는 구동 전원의 듀티비를 0 내지 100%로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제 1-1 MJT LED(100_11)에 대한 디밍 제어가 필요한 경우, 구동 제어부(420)는 생성된 구동 전원을 디밍 신호(Dim)에 따라 소정의 듀티비(예를 들어, 60%)로 펄스 폭 변조하고, 펄스 폭 변조된 구동 전원을 제 1-1 MJT LED(100_11)에 제공함으로써 제 1-1 MJT LED(100_11)에 대한 디밍 제어를 수행할 수 있다.
이때, 제 1-1 MJT LED(100_11) 외의 다른 MJT LED들에는 펄스 폭 변조되지 않은 듀티비가 100%인 구동 전원이 공급될 것이다. 또는, 이때, 제 1-1 MJT LED(100_11) 외의 다른 MJT LED들에는 정상 듀티비(별도의 디밍 제어가 없을 때 기본적으로 갖는 듀티비, 예를 들어, 80%)로 펄스 폭 변조된 구동 전원이 공급될 것이다. 따라서 제 1-1 MJT LED(100_11)만에 대한 로컬 디밍이 가능하게 된다.
물론, 복수의 MJT LED들에 대하여 동시에 PWM 제어를 이용하여 동일한 디밍 레벨로 및/또는 각각의 MJT LED별로 상이한 디밍 레벨들로 디밍 제어가 가능하다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 상술한 구동 전원은 직류 구동 전압일 수 있다. 구동 전원을 PWM 제어하기 위한 PWM 제어 수단 자체는 이미 공지된 기술을 채택하고 있는바, 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 다른 실시예에 있어, 본 발명에 따른 구동 제어부(420)는 구동 전류 검출 수단(미도시) 및 구동 전류 제어 수단(미도시)을 포함하며, MJT LED들(100) 중 디밍 제어 대상이 되는 특정 MJT LED에 공급되는 구동 전류를 제어함으로써 디밍 제어를 수행하도록 구성될 수 있다. 특히, 도 1에 도시되어 있는 본 발명에 따른 백라이트 유닛(1000)은 복수의 MJT LED들(100) 각각이 서로 독립적으로 구동 제어부(420)에 연결되어 있으므로, 이러한 방식의 MJT LED별 구동 전류 제어 방식의 디밍 제어가 가능해 진다.
이때, 구동 제어부(420)에 포함되는 구동 전류 검출 수단 및 구동 전류 제어 수단은 MJT LED들(100) 각각에 1 대 1로 대응하게 된다. 따라서 전술한 바와 같이 M x N개의 MJT LED들(100)로 백라이트 모듈(300)이 구성되는 경우, M x N개의 구동 전류 검출 수단 및 구동 전류 제어 수단이 구동 제어부(420)에 포함된다. 예를 들어, 제 M-N MJT LED(100_MN)에 대한 디밍 제어가 필요한 경우, 구동 제어부(420)는 구동 전류 검출 수단을 이용하여 현재 제 M-N MJT LED(100_MN)에 흐르는 구동 전류를 검출하고, 디밍 신호(Dim)에 따라 제 M-N MJT LED(100_MN)에 흐르는 구동 전류의 값을 변경함으로써(예를 들어, 최대 구동 전류의 100%로) 제 M-N MJT LED(100_MN)에 대한 디밍 제어를 수행하게 된다.
예를 들어, 구동 제어부(420)는 구동 전류 0 내지 100%로 제어할 수 있다. 이때, 제 M-N MJT LED(100_MN) 외의 다른 MJT LED들에는 정상 구동 전류(별도의 디밍 제어가 없을 때 기본적으로 설정된 구동 전류, 예를 들어, 최대 구동 전류의 80%)가 흐르게 되므로, 제 M-N MJT LED(100_MN)만에 대한 로컬 디밍이 가능하게 된다. 물론, 복수의 MJT LED들에 대하여 동시에 구동 전류 제어를 통해 동일한 디밍 레벨로 및/또는 각각의 MJT LED별로 상이한 디밍 레벨들로 디밍 제어가 가능하다는 것이 당업자에게 자명할 것이다.
한편, 이러한 실시예에 있어 MJT LED들(100)이 각기 독립적으로 구동 전원을 공급받아야할 필요성이 없기 때문에, 도 1에 도시된 실시예와 달리, 각 MJT LED(100)의 애노드단이 구동 전원 생성부(410)에 연결된 하나의 구동 전원 라인에 각기 병렬로 연결되도록 구성될 수도 있다. 구동 전류 검출 수단 및 구동 전류 제어 수단 자체는 이미 공지된 기술을 채택하고 있는바, 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 구동 제어부(420)는 복수의 스위치 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 스위치 제어부는 복수의 MJT LED들 사이에 각각 위치할 수 있다. 구체적으로, 스위치 제어부는 일 MJT LED와 인접한 MJT LED 사이에 위치할 수 있다. 더욱 구체적으로, 스위치 제어부는 일 MJT LED와 나머지 MJT LED들 사이에 위치할 수 있다. 즉, 스위치 제어부는 MxN개의 MJT LED 중 일 MJT LED와 나머지 MxN-1개의 MJT LED들 사이에 위치할 수 있으며, 이는 상기 일 MJT LED 뿐만 아니라, 백라이트 모듈(300)이 포함하는 모든 MJT LED에 해당할 수 있다.
각각의 스위치 제어부는 스위치 제어부가 연결하는 두 개의 MJT LED들을 전기적으로 연결시킬 수 있으며, 또한 두 개의 MJT LED들 전기적으로 절연시킬 수 있다. 따라서 스위치 제어부를 통해 복수개의 MJT LED들을 직렬 및/또는 병렬로 연결시킬 수 있다. 이에 따라, 원하는 백라이트 모듈(300) 구조를 용이하게 구현해낼 수 있다.
상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 백라이트 유닛은 FET를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 백라이트 유닛이 FET를 포함하는 경우, FET를 제어하는 FET 제어부도 포함할 수 있다. FET 제어부(구동 IC)는 설정된 전압을 감지하여, FET의 온(on) 또는 오프(off)를 제어한다. 예를 들어, 설정된 전압은 FET의 일 단자와 연결된 저항(미도시)에 인가되는 전압일 수 있다.
FET가 온(on)인 경우, MJT LED에 전류가 인가되지 않으며, 오프(off)인 경우, MJT LED에 전류가 인가될 수 있다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니나, FET는 인쇄회로기판의 하면에 위치할 수 있으며, 구체적으로, 각각의 MJT LED 하부에 인접하게 위치할 수 있다. 따라서 FET들은 MJT LED들의 배열과 동일하게 배열될 수 있다. 그러나 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, MJT LED들의 배열과 FET들의 배열은 상이할 수도 있다. 또한, FET 제어부는 인쇄회로기판의 하면에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
FET(511)는 MJT LED들과 연결될 수 있다. 구체적으로, MJT LED의 개수와 FET(511)의 개수는 동일하며, MJT LED와 FET(511)가 일 대 일로 연결될 수 있다.
예를 들어, MJT LED가 640개이며, 640개의 FET(511)가 각각의 MJT LED와 일 대 일로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 MJT LED는 대전압, 소전류 구동이 가능하다. 소전류 구동이 가능한 MJT LED의 경우, 용량이 비교적 작은 FET와 함께 사용될 수 있으므로, 본 발명에 사용되는 FET는 종래에 사용된 FET(511)에 비해 크기가 작을 수 있다. 이에 따라, 종래의 인쇄회로기판의 크기보다 작은 크기의 인쇄회로기판을 사용할 수 있으므로, 백라이트 모듈의 소형화가 가능하며, 제조비용이 절감된다.
또한, FET가 소형화될 수 있으므로, FET 제어부와 FET가 서로 이격되어 위치하는 종래의 백라이트 유닛과 달리, FET의 적어도 일부는 FET 제어부에 포함될 수도 있다. 나아가, FET 제어부는 백라이트 유닛에 사용되는 FET를 모두 포함할 수도 있다. 이에 따라, FET 중 FET 제어부에 포함되지 않은 상태로 위치하는 FET의 개수가 줄어들거나, 존재하지 않을 수 있으므로, 백라이트 모듈의 소형화가 가능하며, 제조 비용이 절감된다.
예를 들어, MJT LED가 640개인 경우, FET 제어부에 포함되지 않은 FET는 640개보다 적은 개수로 사용될 수 있다. 이에 따라, 인쇄회로기판의 크기가 감소할 수 있으며, 예를 들어, 70%이상 감소할 수 있다.
본 발명에 따른 백라이트 유닛은 투광판(미도시)을 더 포함할 수 있다. 투광판은 백라이트 모듈(300) 상부에 위치할 수 있다. 구체적으로, 투광판은 백라이트 모듈(300)의 인쇄회로기판(110) 상부에 위치할 수 있다. 투광판은 백라이트 모듈(300)의 MJT LED에서 방출된 광을 확산시키는 역할을 할 수 있다. 투광판의 하면 과 인쇄회로기판의 상면의 거리는 10mm 이상일 수 있다.
MJT LED 및 MJT LED 모듈의 개괄
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED 모듈을 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 4는 MJT LED 모듈에 사용되는 MJT LED를 설명하기 위한 사시도이다. 이하에서, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 MJT LED(100) 및 MJT LED 모듈의 구체적인 구성을 살펴보도록 한다.
도 3을 참조하면, MJT LED 모듈은 MJT LED(100) 및 광학 부재(130)를 포함한다. MJT LED(100)가 인쇄회로기판(110) 상에 실장되며, 대응하는 광학 부재(130)가 MJT LED(100)와 정합되는 위치에서 인쇄회로기판(110) 상에 실장된다. 예를 들어, 인쇄회로기판(110)의 각 블록은 하나의 광학 부재를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 다른 실시예에 있어 광학 부재(130)가 MJT LED(100)에 직접적으로 연결될 수도 있다. 구체적으로, 광학 부재(130)는 MJT LED 상에 수지가 몰딩되어 형성될 수 있다. 인쇄회로기판(110)은 일부가 도시되어 있지만, 하나의 인쇄회로기판(110) 상에 복수의 MJT LED들(100) 및 그에 대응하는 광학 부재들(130)이 매트릭스 또는 벌집 모양 등 다양하게 배열되어 전술한 바와 같은 백라이트 모듈(300)을 구성하게 된다.
인쇄회로기판(110)은 MJT LED(100)의 단자들이 본딩되는 도전성의 랜드 패턴들을 상면에 포함한다. 또한, 인쇄회로기판(110)은 상면에 반사막을 포함할 수 있다. 인쇄회로기판(110)은 열전도성이 좋은 금속을 기반으로 하는 MCPCB(Metal-Core PCB)일 수 있다. 또한, 인쇄회로기판(110)은 FR4와 같은 절연성 기판 재료를 기반으로 할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 인쇄회로기판(110)의 하부에는 MJT LED(100)에서 발생된 열을 방출하기 위해 히트싱크가 배치될 수 있다.
MJT LED(100)는, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 하우징(121)과, 하우징(121) 상에 실장된 MJT LED 칩(123) 및 MJT LED 칩(123)을 덮는 파장 변환층(125)을 포함할 수 있다. MJT LED(100)는 또한 하우징(121)에 지지된 리드 단자들(도시하지 않음)을 포함한다.
패키지 몸체를 구성하는 하우징(121)은 PA 또는 PPA 등과 같은 플라스틱 수지를 사출 성형하여 만들어질 수 있다. 이 경우, 하우징(121)은 사출 성형 공정에 의해 리드 단자들을 지지하는 상태로 성형될 수 있으며, 또한 MJT LED 칩(123)을 실장하기 위한 캐비티(121a)를 가질 수 있다. 캐비티(121a)는 MJT LED(100)의 광 출사 영역을 정의한다.
리드 단자들은 하우징(121) 내에서 서로 이격되게 배치되며, 하우징(121) 외부로 연장되어 인쇄회로기판(110) 상의 랜드 패턴에 본딩된다.
MJT LED 칩(123)은 캐비티(121a) 바닥에 실장되어 리드 단자들에 전기적으로 연결된다. MJT LED 칩(123)은 자외선 또는 청색광을 방출하는 질화갈륨 계열의 MJT LED일 수 있다.
한편, 파장 변환층(125)이 MJT LED 칩(123)을 덮는다. 일 실시예에서, 파장 변환층(125)은 MJT LED 칩(123)을 실장한 후, 형광체를 함유하는 몰딩수지로 캐비티(121a)를 채워 형성될 수 있다. 이때, 파장 변환층(125)은 하우징(121)의 캐비티(121a)를 채우고 상면이 실질적으로 평평하거나 또는 볼록할 수 있다. 또한, 파장 변환층(125) 상에 광학 부재 형상을 갖는 몰딩 수지가 더 형성될 수도 있다.
다른 실시예에서, 컨포멀한 형광체 코팅층이 형성된 MJT LED 칩(123)이 하우징(121) 상에 실장될 수 있다. 즉, MJT LED 칩(123) 상에 형광체의 컨포멀 코팅층을 적용하고, 이 형광체 코팅층을 갖는 MJT LED 칩(123)을 하우징(121) 상에 실장할 수 있다. 컨포멀 코팅층을 갖는 MJT LED 칩(123)은 투명 수지에 의해 몰딩될 수 있다. 나아가, 이 몰딩 수지는 광학 부재 형상을 가질 수 있으며, 따라서 1차 광학 부재로서 기능할 수 있다.
파장 변환층(125)은 MJT LED 칩(123)에서 방출된 광을 파장 변환하여 혼색광, 예컨대 백색광을 구현한다.
파장 변환층(125)은 KSF계열 및/또는 UCD계열 형광체를 포함할 수 있다. 따라서, MJT LED 칩(123)에서 방출되어 파장 변환층(125)을 투과한 광은 70% 이상의 NTSC 색재현율을 가질 수 있다.
MJT LED(100)는 거울면 대칭 구조의 광 지향 분포를 갖도록 설계되며, 특히 회전 대칭 구조의 광 지향 분포를 갖도록 설계될 수 있다. 이때, 광 지향 분포의 중심을 향하는 MJT LED의 축이 광축(L)으로 정의된다. 즉, MJT LED(100)는 광축(L)을 중심으로 좌우 대칭인 광 지향 분포를 갖도록 설계된다. 일반적으로, 하우징(121)의 캐비티(121a)가 거울면 대칭 구조를 갖도록 형성될 수 있으며, 광축(L)은 캐비티(121a)의 중심을 지나는 직선으로 정의될 수 있다.
광학 부재(130)는 MJT LED(100)로부터 광을 입사받는 입광면 및 MJT LED(100)의 광 지향각 보다 넓은 광 지향각으로 광을 출사하는 출광면을 포함하여 구성되어, MJT LED(100)로부터 출사되는 광을 고르게 분산시키는 기능을 수행하게 된다.
MJT LED 칩의 구성 및 그 제조 방법
이하에서, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 MJT LED(100)에 실장되는 MJT LED 칩(123)의 구성과 그 제조 방법에 대하여 도 5 내지 도 13을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED 칩을 설명하기 위한 개략적인 평면도이고, 도 6은 도 5의 절취선 B-B를 따라 취해진 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, MJT LED 칩(123)은 성장 기판(51), 발광셀들(S1, S2), 투명전극층(61, 62), 절연층(60b), 절연 보호층(63) 및 배선(65)을 포함한다. 또한, MJT LED 칩(123)은 버퍼층(53)을 포함할 수 있다. 또한, 전 MJT LED 칩(123)은 전류 차단층(60a)을 포함할 수 있다.
성장 기판(51)은 절연 또는 도전성 기판일 수 있으며, 예컨대 사파이어 기판, 질화갈륨 기판, 탄화실리콘(SiC) 기판 또는 실리콘 기판일 수 있다. 나아가, 성장 기판(51)은 패터닝된 사파이어 기판과 같이 상면에 요철 패턴을 갖는 성장 기판일 수 있다. 상기 요철 패턴은 발광셀들에서 방출된 광 중 성장 기판을 향하는 광을 효과적으로 반사시켜, 광 추출 효율을 개선시키는 역할을 할 수 있다.
단일 성장 기판(51) 상에 제1 발광셀(S1) 및 제2 발광셀(S2)이 이격되어 위치한다. 제1 및 제2 발광셀들(S1, S2) 각각은 하부 반도체층(55), 하부 반도체층의 일 영역 상에 위치하는 상부 반도체층(59) 및 하부 반도체층과 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층(57)을 포함하는 적층 구조(56)를 갖는다. 여기서, 하부 및 상부 반도체층은 각각 n형 및 p형인 것으로 설명하지만, 그 반대일 수도 있다.
하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 활성층(57)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 하부 반도체층(55) 및 상부 반도체층(59)은 활성층(57)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다.
하부 반도체층(55) 및/또는 상부 반도체층(59)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(57)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다.
제1 및 제2 발광셀들(S1, S2)은 경사진 측면을 가질 수 있으며, 측면의 경사각은 성장 기판(51) 상부면에 대해 예컨대 15도 내지 80도 범위 내 일 수 있다.
활성층(57) 및 상부 반도체층(59)이 하부 반도체층(55)의 상에 위치한다. 하부 반도체층(55) 상면의 적어도 일부는 활성층(57)에 의해 덮일 수 있으며, 나머지 일부는 활성층(57)에 의해 덮이지 않고 노출될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 하부 반도체층(55)의 상면은 노출 영역(R)을 포함할 수 있다. 노출 영역(R)은 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)에 의해 덮이지 않고, 하부 반도체층(55), 구체적으로 하부 반도체층(55)의 상면의 일부가 노출된 영역이다. 노출 영역(R)은 하부 반도체층(55)의 측면 중 인접한 발광셀을 향하는 측면과 나란하게 위치할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)의 적어도 일부를 감싸며 위치할 수도 있다.
도 6에서, 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2)의 일부를 도시하고 있지만, 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2)은 도 5에 도시한 바와 같이 유사하거나 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2)은 동일한 질화갈륨계 반도체 적층 구조를 가질 수 있으며, 또한 동일한 구조의 경사진 측면을 가질 수 있다.
한편, 발광셀들(S1, S2)과 성장 기판(51) 사이에 버퍼층(53)이 개재될 수 있다. 버퍼층(53)은, 성장 기판(51)과 그 위에 형성될 하부 반도체층(55)의 격자부정합을 완화시키기 위해 채택된다.
투명전극층(61, 62)은 각 발광셀(S1, S2) 상에 위치한다. 즉, 제1 투명전극층(61)이 제1 발광셀(S1) 상에 위치하며, 제2 투명전극층(62)이 제2 발광셀(S2) 상에 위치한다. 투명전극층(61, 62)은 상부 반도체층(59) 상부면 상에 위치하여 상부 반도체층(59)에 접속할 수 있으며, 상부 반도체층(59)의 면적보다 좁은 면적을 가질 수 있다. 즉, 투명전극층(61, 62)은 상부 반도체층(59)의 가장자리로부터 리세스될 수 있다. 따라서 투명전극층(61, 62)의 가장자리에서 발광셀(S1, S2)의 측벽을 통해 전류가 집중되는 것을 방지할 수 있다.
제1 투명전극층(61)의 일부는 제2 발광셀(S2)과 접속할 수 있다. 구체적으로, 제1 투명전극층(61)의 일부는 제1 발광셀(S1) 상에서부터 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2) 사이를 거쳐, 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 측면 상에 위치할 수 있다. 따라서 배선(65)이 단선된 경우에도 제1 투명전극층(61)을 통해 전류가 흐를 수 있으며, 이에 따라, MJT LED 칩의 전기적 안정성이 개선된다. 나아가, 제1 투명전극층(61)은 더 연장되어, 하부 반도체층(55) 상면의 노출 영역(R) 상에 위치할 수도 있다. 제1 투명전극층(61)은 제2 발광셀(S2)의 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)으로부터 이격될 수 있다.
한편, 절연층(60b)이 제1 발광셀(S1)의 측면 일부를 덮는다. 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 절연층(60b)은 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2) 사이의 영역으로 연장할 수 있으며, 나아가, 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 측면 일부를 덮을 수도 있다. 절연층(60b)은 절연물질로 형성되며, 특히 굴절률이 서로 다른 층들을 교대로 적층한 분포 브래그 반사기를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 절연층(60b)이 다중층인 분포 브래그 반사기를 포함할 경우, 절연층(60b) 내에 핀홀과 같은 결함이 발생하는 것을 효율적으로 억제할 수 있다.
배선(65)은 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2)을 전기적으로 연결한다. 배선(65)은 제1 접속부(65p)와 제2 접속부(65n)를 포함한다. 제1 접속부(65p)는 제1 발광셀(S1) 상의 제1 투명전극층(61)에 전기적으로 접속되고, 제2 접속부(65n)는 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)에 전기적으로 접속된다. 제1 접속부(65p)는 제1 발광셀(S1)의 일측 가장자리에 가깝게 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 발광셀(S1)의 중앙 영역에 배치될 수도 있다.
제2 접속부(65n)는 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)과 전기적으로 접속할 수 있다. 구체적으로, 제2 접속부(65n)는 노출 영역(R)을 통해, 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 상면과 전기적으로 접속할 수 있다. 나아가, 제1 투명전극층(61)이 제2 접속부(65n)과 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55) 사이에 위치할 수도 있다. 이 경우, 제1 투명전극층(61)은 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 측면에 위치할 수 있으며, 이에 더해 하부 반도체층(55)의 노출 영역(R)에도 위치할 수 있다.
제2 발광셀(S2)의 경사진 측면, 특히 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 경사진 측면에 접촉할 수 있다. 또한, 제2 접속부(65n)는 도 5에 도시한 바와 같이, 제2 발광셀(S2)의 둘레를 따라 양측으로 연장하면서 하부 반도체층(55)의 경사진 측면에 전기적으로 접촉할 수 있다. 배선(65)의 제1 및 제2 접속부들(65p, 65n)에 의해 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2)이 직렬 연결된다.
배선(65)은 투명전극층(61, 62)과 중첩하는 전 영역에서 투명전극층(61, 62)에 접촉할 수 있다. 종래 기술에서는 절연층의 일부가 투명전극층과 배선 사이에 위치하나, 본 실시예에 있어서, 배선(65)과 투명전극층(61, 62)은 그들 사이에 어떠한 절연물질도 없이 직접 접촉할 수 있다.
배선(65)의 폭과 관련하여, 제1 투명전극층(61) 중 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 측면 상에 위치하는 부분의 폭은 배선(65) 중 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 측면 상에 위치하는 부분의 폭보다 넓을 수 있다. 이에 따라, 제2 발광셀(S2)의 측면과 배선(65)이 접하는 영역의 전류가 용이하게 분산될 수 있으므로, MJT LED칩의 발광 균일도가 향상될 수 있다.
나아가, 제1 투명전극층(61) 중 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2) 사이에 위치하는 부분의 폭은 배선(65) 중 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2) 사이에 위치하는 부분의 폭보다 넓을 수 있다. 일반적으로, 절연 보호층(63)을 불산과 같은 식각 용액을 이용하여 식각할 경우, 산화막을 포함하는 절연층(60b)이 식각 용액에 의해 손상될 수 있다. 이 경우, 절연층(60b)이 제1 발광셀(S1)로부터 배선(65)을 절연시키지 못해 단락이 발생될 수 있다. 이에 반해, 본 실시예에서는, 절연층(60b) 상에 제1 투명전극층(61)이 위치하고, 제1 투명전극층(61) 중 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2) 사이에 위치하는 부분의 폭은 배선(65) 중 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2) 사이에 위치하는 부분의 폭보다 넓기 때문에, 투명 도전층(62) 아래의 절연층(60b)이 식각 손상으로부터 보호될 수 있다. 따라서 배선(65)에 의한 단락이 방지된다.
도 5에서, 배선(65)의 제1 접속부(65p)와 제2 접속부(65n)가 두 개의 경로를 통해 서로 연결된 것으로 도시하였으나, 하나의 경로를 통해 연결될 수도 있다.
한편, 절연층(60b)이 분포 브래그 반사기와 같이 반사 특성을 갖는 경우, 절연층(60b)은 배선(65) 면적의 2배 이하의 영역에서 배선(65) 영역과 거의 동일한 영역 내에 한정되어 위치하는 것이 바람직하다. 절연층(60b)은 활성층(57)에서 방출된 광이 배선(65)에 흡수되는 것을 차단하지만, 과도하게 넓을 경우, 광이 외부로 방출되는 것을 차단할 수 있기 때문에, 그 면적을 제한할 필요가 있다.
한편, 절연 보호층(63)은 배선(65) 영역 외부에 위치할 수 있다. 절연 보호층(63)은 배선(65) 영역 외부의 제1 및 제2 발광셀들(S1, S2)을 덮는다. 절연 보호층(63)은 실리콘산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 절연 보호층(63)은 제1 발광셀(S1) 상의 제1 투명전극층(61) 및 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층을 함께 노출시키는 개구부를 가지며, 배선(65)은 이 개구부 내에 위치할 수 있다.
절연 보호층(63)의 측면과 배선(65)의 측면은 서로 마주볼 수 있으며, 서로 접촉할 수도 있다. 절연 보호층(63)의 일 측면은 노출 영역(R)상에 위치할 수 있으며, 배선(65)의 측면과 서로 접촉할 수 있다. 이와 달리, 절연 보호층(63)의 측면과 배선(65)의 측면은 서로 이격되어 마주볼 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제2 접속부(65n)가 하부 반도체층(55)의 상면, 즉 경사지지 않은 면에 전기적으로 접촉하므로, 하부 반도체층(55) 상면에 위치한 제2 접속부(65n)의 두께가 일정할 수 있다. 이에 따라 배선의 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한, 절연 보호층(63)이 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층의 측면과 경사지지 않은 하부 반도체층(55) 상면에서 배선(65)과 접촉하므로, 절연 보호층(63)과 배선(65)의 계면 넓이가 대체로 일정할 수 있다. 따라서 MJT LED의 불량율이 줄어들 수 있다.
또한, 전류 차단층(60a)과 절연층(60b)이 동일 재료 및 동일 구조를 가질 수 있으며, 따라서 동일 공정에 의해 함께 형성될 수 있다. 또한, 절연 보호층(63)의 개구부 내에 배선(65)이 배치되므로, 절연 보호층(63)과 배선(65)을 동일한 마스크 패턴을 이용하여 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2)의 두개의 발광셀들을 예시하였으나, 본 발명은 두개의 발광셀들에 한정되는 것은 아니며, 더 많은 발광셀들이 배선들(65)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 배선들(65)은 인접한 발광셀들의 하부 반도체층들(55)과 투명전극층들(61)을 각각 전기적으로 연결하여 발광셀들의 직렬 어레이를 형성할 수 있다. 이러한 어레이들이 복수개 형성될 수 있으며, 복수개의 어레이들이 서로 역병렬로 연결되어 교류전원에 연결되어 구동될 수 있다. 또한, 발광셀들의 직렬 어레이에 연결된 브리지 정류기(도시하지 않음)가 형성될 수 있으며, 브리지 정류기에 의해 발광셀들이 교류전원하에서 구동될 수도 있다. 브리지 정류기는 발광셀들(S1, S2)과 동일한 구조의 발광셀들을 배선들(65)을 이용하여 결선함으로써 형성할 수 있다.
각각의 MJT LED 내의 발광셀의 개수가 많아질 수록, 인쇄회로기판의 블록 각각의 면적은 작아질 수 있다. 이에 따라, 더 많은 발광셀에 의해 드룹 현상이 저하되면서도, 많은 MJT LED에 의해 다양한 발광 배열을 구현할 수 있는 백라이트 유닛이 제공될 수 있다.
도 7 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED 칩(123)을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 성장 기판(51) 상에 하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)을 포함하는 반도체 적층 구조(56)가 형성된다. 또한, 하부 반도체층(55)을 형성하기 전, 성장 기판(51) 상에 버퍼층(53)이 형성될 수 있다.
성장 기판(51)은 사파이어(Al2O3), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 리튬-알루미나(LiAl2O3), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 또는 질화갈륨(GaN) 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 성장 기판(51) 상에 형성될 반도체층의 물질에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 성장 기판(51)은 패터닝된 사파이어 기판과 같이 상면에 요철 패턴을 가질 수 있다.
버퍼층(53)은 성장 기판(51)과 그 위에 형성될 반도체층(55)의 격자부정합을 완화하기 위해 형성되며, 예컨대 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 성장 기판(51)이 도전성 기판인 경우, 버퍼층(53)은 절연층 또는 반절연층으로 형성되는 것이 바람직하며, AlN 또는 반절연 GaN로 형성될 수 있다.
하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N로 형성될 수 있다. 하부 및 상부 반도체층(55, 59) 및 활성층(57)은 금속유기화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(molecular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상 성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 기술 등을 사용하여 단속적으로 또는 연속적으로 성장될 수 있다.
여기서, 하부 및 상부 반도체층들은 각각 n형 및 p형인 것으로 설명하지만, 그 반대일 수도 있다. 질화갈륨 계열의 화합물 반도체층에서, n형 반도체층은 불순물로 예컨대 실리콘(Si)을 도핑하여 형성될 수 있으며, p형 반도체층은 불순물로 예컨대 마그네슘(Mg)을 도핑하여 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 사진 및 식각 공정을 이용하여 서로 이격된 복수의 발광셀들(S1, S2)을 형성한다. 각 발광셀들(S1, S2)은 경사진 측면을 갖도록 형성된다. 나아가, 각 발광셀들(S1, S2)의 하부 반도체층(55)의 상면을 부분적으로 노출시키기 위해 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)를 부분적으로 제거하는 사진 및 식각 공정이 추가된다.
도 9를 참조하면, 제1 발광셀(S1) 측면의 일부 영역을 덮는 절연층(60b)을 형성한다. 절연층(60b)은 또한 연장하여 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2) 사이의 영역을 덮을 수 있으며, 나아가, 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 측면 일부를 덮을 수 있다.
절연층(60b)은 절연재료 층을 증착하고, 이를 사진 및 식각 공정을 이용하여 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이와 달리, 절연층(60b)은 리프트 오프 기술을 이용하여 절연재료의 층으로 형성될 수 있다. 특히, 절연층(60b)은 굴절률이 서로 다른 층들, 예컨대 SiO2와 TiO2를 교대로 적층한 분포 브래그 반사기로 형성될 수 있다. 절연층(60b)이 다중층인 분포 브래그 반사기로 형성될 경우, 절연층(60b) 내에 핀홀과 같은 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있어 종래 기술에 비해 절연층(60b)을 상대적으로 얇은 두께로 형성할 수 있다.
이어서, 제1 및 제2 발광셀(S1, S2) 상에 투명전극층(61, 62)을 형성한다. 투명전극층(61, 62)은 인디움틴산화물(ITO) 또는 아연산화물과 같은 도전성 산화물 또는 Ni/Au와 같은 금속층으로 형성될 수 있다. 투명전극층(61, 62)은 상부 반도체층(59)에 접속되며 또한 투명전극층(61, 62)의 일부는 절연층(60b) 상에 위치한다. 나아가, 투명전극층(61, 62)의 일부, 예를 들어, 제1 투명전극층(61)은 제1 발광셀(S1)과 제2 발광셀(S2) 사이 및 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55) 측면 상에 위치할 수 있다. 투명전극층(61, 62)은 리프트 오프 기술을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 사진 및 식각 공정을 이용하여 형성될 수도 있다.
도 10을 참조하면, 제1 및 제2 발광셀들(S1, S2)을 덮는 절연 보호층(63)이 형성된다. 절연 보호층(63)은 투명전극층(61, 62) 및 절연층(60b)을 덮는다. 나아가, 절연 보호층(63)은 제1 발광셀(S1) 및 제2 발광셀(S2)의 전 영역을 덮을 수 있다. 절연 보호층(63)은 화학기상증착 기술을 사용하여 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막과 같은 절연 재료의 층으로 형성된다.
도 11을 참조하면, 절연 보호층(63) 상에 개구부를 갖는 마스크 패턴(70)이 형성된다. 마스크 패턴(70)의 개구부는 배선 영역에 대응한다. 이어서, 마스크 패턴(70)을 식각 마스크로 사용하여 절연 보호층(63)의 일부 영역이 식각된다. 이에 따라, 절연 보호층(63)에 투명전극층(61, 62)의 일부와 절연층(60b)을 노출되고, 또한 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 노출 영역(R)을 노출하는 개구부가 형성된다.
도 12를 참조하면, 마스크 패턴(70)이 남아 있는 상태에서 도전 재료를 증착하여 마스크 패턴(70)의 개구부 내에 배선(65)을 형성한다. 이때, 도전 재료의 일부(65a)는 마스크 패턴(70) 상에 증착될 수도 있다. 도전 재료는 도금, 전자 빔 증발 또는 스퍼터링 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 마스크 패턴(70)과 함께 마스크 패턴(70) 상의 도전 재료의 일부(65a)를 제거된다. 이에 따라, 제1 및 제2 발광셀들(S1, S2)을 전기적으로 연결하는 배선(65)이 완성된다.
여기서, 배선(65)의 제1 접속부(65p)는 제1 발광셀(S1)의 제1 투명전극층(61)에 접속되고, 제2 접속부(65n)는 제2 발광셀(S2)의 하부 반도체층(55)의 상면, 구체적으로 노출 영역(R)에 접촉된다. 배선(65)은 절연층(60b)에 의해 제1 발광셀(S1)의 측면으로부터 이격된다.
본 실시예에 있어서, 전류 차단층(60a)과 절연층(60b)이 동일 공정에 의해 형성된다. 이에 따라, 절연 보호층(63)과 배선(65)을 동일 마스크 패턴(70)을 이용하여 형성할 수 있으며, 따라서, 전류 차단층(60a)을 추가하면서도 동일한 횟수의 노광 공정을 통해 MJT LED 칩을 제조할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 MJT LED 칩을 설명하기 위한 단면도이다. 도 13의 MJT LED 칩은 도 6을 통해 설명한 MJT LED 칩과 유사하나, MJT LED 칩이 전류 차단층(60a)을 더 포함한다는 점에서 차이가 있다.
전류 차단층(60a)은 각 발광셀(S1, S2) 상에 위치할 수 있으며, 투명전극층(61, 62)과 발광셀(S1, S2) 사이에 위치한다. 구체적으로, 전류 차단층(60a)은 제1 발광셀(S1)과 제1 투명전극층(61) 사이에 위치하여, 제1 투명전극층(61)의 일부를 제1 발광셀(S1)로부터 이격시킬 수 있다. 따라서 투명전극층(61, 62)의 일부는 전류 차단층(60a) 상에 위치한다. 전류 차단층(60a)은 각 발광셀(S1, S2)의 가장자리 근처에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각 발광셀(S1, S2)의 중앙 영역에 위치할 수도 있다.
전류 차단층(60a)에 의해 배선(65) 주변에 한하여 전류가 밀집되는 현상이 개선될 수 있으므로, MJT LED칩의 전류 분산 효율이 향상될 수 있다.
전류 차단층(60a)은 절연물질로 형성되며, 특히 굴절률이 서로 다른 층들을 교대로 적층한 분포 브래그 반사기를 포함할 수 있다. 절연층(60b)은 전류 차단층(60a)과 동일 구조 및 동일 재료로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 절연층(60b)은 전류 차단층(60a)과 다른 공정에 의해 다른 재료로 형성될 수도 있다.
절연층(60b)은 전류 차단층(60a)에 연결되어 연속적으로 위치할 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 절연층(60b)과 전류 차단층(60a)은 서로 이격되어 배치될 수도 있다.
전류 차단층(60a)은 절연재료 층을 증착하고, 이를 사진 및 식각 공정을 이용하여 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이와 달리, 전류 차단층(60a)은 리프트 오프 기술을 이용하여 절연재료의 층으로 형성될 수 있다. 특히, 전류 차단층(60a)은 굴절률이 서로 다른 층들, 예컨대 SiO2와 TiO2를 교대로 적층한 분포 브래그 반사기로 형성될 수 있다. 전류 차단층(60a)과 절연층(60b)은, 도 13에 도시한 바와 같이, 서로 연결될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전류 차단층(60a)은 배선(65)과 투명전극층(61, 62)이 중첩하는 전 영역에 걸쳐 위치할 수 있으며, 나아가, 배선(65)과 제1 발광셀(S1)이 중첩하는 전 영역에 걸쳐 전류 차단층(60a)과 절연층(60b)이 위치할 수 있다.
전류 차단층(60a)이 분포 브래그 반사기와 같이 반사 특성을 갖는 경우, 전류 차단층(60a)은 배선(65) 면적의 2배 이하의 영역에서 배선(65) 영역과 거의 동일한 영역 내에 한정되어 위치하는 것이 바람직하다. 전류 차단층(60a)은 활성층(57)에서 방출된 광이 배선(65)에 흡수되는 것을 차단하지만, 과도하게 넓을 경우, 광이 외부로 방출되는 것을 차단할 수 있기 때문에, 그 면적을 제한할 필요가 있다.
도 13을 참조하면, 투명전극층(61, 62)은 상부 반도체층(59)에 접속되며 또한 투명전극층(61, 62)의 일부는 전류 차단층(60a) 상 및 절연층(60b) 상에 위치한다. 또한, 배선(65)의 제1 접속부(65p)는 전류 차단층(60a) 상부 영역 내의 제1 투명전극층(61)에 접속될 수 있다.
제1 실시예에 따른 광학 부재 및 이를 포함하는 MJT LED 모듈의 구성
이하에서, 도 3 및 도 14 내지 도 20을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 부재 및 이를 포함하는 MJT LED 모듈의 구체적인 구성과 기능에 대하여 살펴보도록 한다.
다시 도 3을 참조하면, 제 1 실시예에 따른 광학 부재(130)는 하부면(131) 및 상부면(135)을 포함하고, 또한 플랜지(137) 및 다리부(139)를 포함할 수 있다. 하부면(131)은 오목부(131a)를 포함하며, 상부면(135)은 오목면(135a)과 볼록면(135b)을 포함한다.
하부면(131)은 대략 원판 형상의 평면으로 이루어지며, 오목부(131a)는 중앙 부분에 위치한다. 하부면(131)은 평면일 필요는 없으며, 다양한 요철 패턴이 형성될 수도 있다.
한편, 오목부(131a)의 내면은 측면(133a)과 상단면(upper end surface, 133b)을 가지며, 상단면(133b)은 중심축(C)에 수직하고, 측면(133a)은 상단면(133b)으로부터 오목부(131a)의 입구로 이어진다. 여기서, 중심축(C)은 MJT LED(100)의 광축(L)과 일치하도록 정렬될 경우, 광학 부재(130)에서 출사되는 광 지향 분포의 중심이 되는 광학 부재(130)의 중심축으로 정의된다.
오목부(131a)는 입구에서부터 위로 올라갈수록 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 측면(133a)은 입구로부터 상단면(133b)으로 갈수록 중심축(C)에 가까워진다. 따라서 상단면(133b)의 영역을 입구보다 상대적으로 작게 만들 수 있다. 측면(133a)은 상단면(133b) 근처에서 상대적으로 경사가 완만할 수 있다.
상단면(133b) 영역은 오목부(131a)의 입구 영역보다 좁은 영역 내에 한정된다. 나아가, 상단면(133b) 영역은 상부면(135)의 오목면(135a)과 볼록면(135b)에 의해 형성되는 변곡선으로 둘러싸인 영역보다 좁은 영역 내에 한정될 수 있다. 더욱이, 상단면(133b) 영역은 MJT LED(100)의 캐비티(121a) 영역, 즉 광 출사 영역보다 좁은 영역 내에 한정되어 위치할 수 있다.
상단면(133b) 영역은 MJT LED의 광축(L)과 광학 부재(130)의 중심축(C)이 오정렬 될 때, 광학 부재(130)의 상부면(135)을 통해 출사되는 광의 지향 분포 변화를 완화한다. 따라서 상단면(133b)의 영역은 MJT LED(100)와 광학 부재(130)의 정렬 오차를 고려하여 최소화할 수 있다.
한편, 광학 부재(130)의 상부면(135)은 중심축(C)을 기준으로 오목면(135a) 및 오목면(135a)에서 연속적으로 이어진 볼록면(135b)을 포함한다. 오목면(135a)과 볼록면(135b)이 만나는 선이 변곡선이 된다. 오목면(135a)은 광학 부재(130)의 중심축(C) 근처에서 출사되는 광을 상대적으로 큰 각도로 굴절시켜 중심축(C) 근처의 광을 분산시킨다. 또한, 볼록면(135b)은 중심축(C) 바깥쪽으로 출사되는 광량을 늘린다.
상부면(135) 및 오목부(131a)는 중심축(C)에 대해 대칭 구조를 갖는다. 예컨대, 상부면(135) 및 오목부(131a)는 중심축(C)을 지나는 면에 대해 거울면 대칭 구조를 가지며, 나아가, 중심축(C)에 대해 회전체 형상을 가질 수 있다. 또한, 오목부(131a) 및 상부면(135)의 형상은 요구되는 광 지향 분포에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다.
한편, 플랜지(137)는 상부면(135)과 하부면(131)을 연결하며 광학 부재의 외형 크기를 한정한다. 플랜지(137)의 측면과 하부면(131)에 요철 패턴이 형성될 수 있다. 한편, 광학 부재(130)의 다리부(139)가 인쇄회로기판(110)에 결합되어 하부면(131)을 인쇄회로기판(110)으로부터 이격되도록 지지한다. 결합은 다리부(139)들 각각의 선단이 예를 들면 접착제에 의해 인쇄회로기판(110) 상에 접착되거나 다리부(139) 각각이 인쇄회로기판(110)에 형성된 홀에 끼워지는 방식으로 이루어진다.
광학 부재(130)는 MJT LED(100)로부터 이격되어 위치하며, 따라서, 오목부(131a) 내에 에어갭이 형성된다. MJT LED(100)의 하우징(121)은 하부면(131) 아래에 위치하며, 나아가, MJT LED(100)의 파장 변환층(125)이 오목부(131a)로부터 떨어져 하부면(131) 아래에 위치할 수 있다. 따라서 오목부(131a)내에서 진행하는 광이 하우징(121)이나 파장 변환층(125)에 흡수되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 오목부(131a) 내에 중심축(C)에 수직한 면을 형성함으로써, MJT LED(100)와 광학 부재(130)의 정렬 오차가 발생하더라도 광학 부재(130)로부터 출사되는 광 지향 분포의 변화를 완화할 수 있다. 더욱이, 오목부(131a)에 상대적으로 첨예한 정점을 형성하지 않기 때문에, 광학 부재 제작이 쉬워진다.
도 14는 광학 부재의 다양한 변형예를 설명하기 위한 단면도들이다. 여기서는 도 3의 오목부(131a)의 다양한 변형예를 설명한다.
도 14의 (a)는 도 3에서 설명한 중심축(C)에 수직한 상단면(133b) 중 중심축(C) 근처의 일부분이 아래로 볼록한 면을 형성한다. 이 볼록한 면에 의해 중심축(C) 근처로 입사되는 광을 1차적으로 제어할 수 있다.
도 14의 (b)는 도 14의 (a)와 유사하나, 도 14의 (a)의 상단면 중 중심축(C)에 수직한 면이 위로 볼록하게 형성된 것에 차이가 있다. 상단면이 위로 볼록한 면과 아래로 볼록한 면이 혼합되어 있어, MJT LED와 광학 부재의 정렬 오차에 따른 광 지향 분포 변화를 완화할 수 있다.
도 14의 (c)는 도 3에서 설명한 중심축(C)에 수직한 상단면(133b) 중 중심축(C) 근처의 일부분이 위로 볼록한 면을 형성한다. 이 볼록한 면에 의해 중심축(C) 근처로 입사되는 광을 더 분산시킬 수 있다.
도 14의 (d)는 도 14의 (c)와 유사하나, 도 14의 (c)의 상단면 중 중심축(C)에 수직한 면이 아래로 볼록하게 형성된 것에 차이가 있다. 상단면이 위로 볼록한 면과 아래로 볼록한 면이 혼합되어 있어, MJT LED와 광학 부재의 정렬 오차에 따른 광 지향 분포 변화를 완화할 수 있다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 MJT LED 모듈을 설명하기 위한 광학 부재의 단면도들이다.
도 15의 (a)를 참조하면, 상단면(133b)에 광 산란 패턴(33c)이 형성될 수 있다. 광 산란 패턴(33c)은 요철 패턴으로 형성될 수 있다. 나아가, 오목면(135a)에도 광 산란 패턴(35c)이 형성될 수 있다. 광 산란 패턴(35c) 또한 요철 패턴으로 형성될 수 있다.
일반적으로, 광학 부재의 중심축(C) 근처로 상대적으로 많은 광속이 집중된다. 더욱이, 본 발명의 실시예들은 상단면(133b)이 중심축(C)에 수직한 면이므로, 중심축(C) 근처에서 광속이 더욱 집중될 수 있다. 따라서 상단면(133b) 및/또는 오목면(135a)에 광 산란 패턴(33c, 35c)을 형성함으로써, 중심축(C) 근처의 광속을 분산시킬 수 있다.
도 15의 (b)를 참조하면, 상단면(133b)에 광학 부재(130)와 다른 굴절률을 갖는 물질층(39a)이 위치할 수 있다. 물질층(39a)은 광학 부재보다 굴절률이 더 클 수 있으며, 따라서 상단면(133b)으로 입사되는 광의 경로를 변경할 수 있다.
나아가, 오목면(135a)에도 광학 부재(130)와 다른 굴절률을 갖는 물질층(39b)이 위치할 수 있다. 물질층(39b)은 광학 부재보다 굴절률이 더 클 수 있으며, 따라서, 오목면(135a)을 통해 출사되는 광의 굴절각을 더 크게 할 수 있다.
도 15의 (a)의 광 산란 패턴(33c, 35c) 및 도 15의 (b)의 물질층들(39a, 39b)은 도 14의 다양한 광학 부재들에도 적용될 수 있다.
도 16은 시뮬레이션에 사용된 MJT LED 모듈의 치수를 나타내는 단면도이다. 여기서 도면부호는 도 3 및 도 4의 도면부호를 사용한다.
MJT LED(100)의 캐비티(121a)의 직경은 2.1mm이고, 높이는 0.6mm이다. 파장 변환층(125)은 캐비티(121a)를 채우고 평평한 면을 갖는다. 한편, MJT LED(100)와 광학 부재(130)의 하부면(131)의 이격 거리(d)는 0.18mm 이고, MJT LED(100)의 광축(L)과 광학 부재의 중심축(C)이 서로 정렬되도록 배치된다.
한편, 광학 부재(130)의 높이(H)는 4.7mm이고 상부면의 폭(W1)은 15mm이고, 오목면(135a)의 폭(W2)은 4.3mm이다. 또한, 하부면(131)에 위치하는 오목부(131a) 입구의 폭(w1)은 2.3mm이고, 상단면(133b)의 폭(w2)은 0.5mm이며, 오목부(131a)의 높이(h)는 1.8mm이다.
도 17은 도 16의 광학 부재의 형상을 설명하기 위한 그래프들이다. 여기서, 도 17의 (a)는 기준점(P), 거리(R), 입사각(θ1) 및 출사각(θ5)을 설명하기 위한 단면도이고, 도 17의 (b)는 입사각(θ1)에 따른 거리(R)의 변화를 나타내며, 도 17의 (c)는 입사각(θ1)에 따른 (θ5/θ1)의 변화를 나타낸다. 한편, 도 18은 기준점(P)에서 광학 부재(130)로 입사되는 광선을 3ㅀ간격으로 하여 광선 진행 방향을 나타낸다.
도 17의 (a)를 참조하면, 기준점(P)은 광축(L) 상에 위치하는 MJT LED(100)의 광 출사 지점을 나타낸다. 기준점(P)은 MJT LED(100) 내의 형광체에 의한 광 산란 등의 영향을 배제하기 위해 파장 변환층(125)의 바깥면에 위치하는 것으로 정하는 것이 적합하다.
한편, θ1은 기준점(P)으로부터 광학 부재(130)로 입사되는 각, 즉 입사각을 나타내고, θ5는 광학 부재(130)의 상부면(135)으로부터 출사되는 각, 즉 출사각을 나타낸다. 한편, R은 기준점(P)에서 오목부(131a)의 내면까지의 거리를 나타낸다.
도 17의 (b)를 참조하면, 오목부(131a)의 상단면(133b)이 중심축(C)에 수직하기 때문에, θ1이 증가함에 따라 R이 약간 증가한다. 도 17의 (b)의 그래프 내부에 도시된 확대 그래프는 R이 증가하는 것을 보여준다. 한편, 오목부(131a)의 측면(133a)에서 θ1이 증가함에 따라 R은 감소하며, 입구 근처에서 약간 증가하는 형상을 갖는다.
도 17의 (c)를 참조하면, (θ5/θ1)은 θ1이 증가함에 따라 오목면(135a) 근처에서 급격하게 증가하며, 볼록면(135b) 근처에서 상대적으로 완만하게 감소한다. 본 실시예에 있어서, 도 18에 도시한 바와 같이, 오목면(135a)과 볼록면(135b)이 인접하는 근처에서 출사되는 광의 광속은 서로 중첩될 수 있다. 즉, 기준점(P)에서 입사된 광 중 변곡선 근처에서 오목면(135a) 측으로 출사되는 광의 굴절각이 볼록면(135b)측으로 출사되는 광의 굴절각보다 더 클 수 있다. 따라서 오목부(131a)의 상단면(133b)을 평면 형상으로 하면서도, 오목면(135a)과 볼록면(135b)의 형상을 제어함으로써 중심축(C) 근처에서 광속이 집중되는 것을 완화할 수 있다.
도 19는 도 16의 MJT LED 및 광학 부재에 따른 조도 분포를 나타내는 그래프들로서, 도 19의 (a)는 MJT LED의 조도 분포를 나타내고, 도 19의 (b)는 광학 부재 사용에 따른 MJT LED 모듈의 조도 분포를 나타낸다. 조도 분포는 25mm 이격된 스크린에 입사하는 광속밀도의 크기로 나타내었다.
도 19의 (a)에 도시한 바와 같이, MJT LED(100)는 광축(C)을 기준으로 좌우 대칭인 조도 분포를 나타내며, 광속밀도는 중앙에서 매우 높으며 주변으로 갈수록 급격히 감소한다. MJT LED(100)에 광학 부재(130)를 적용할 경우, 도 19의 (b)에 도시한 바와 같이, 반경 40mm 이내에서 대체로 균일한 광속밀도를 얻을 수 있다.
도 20은 도 16의 MJT LED 및 광학 부재에 따른 광 지향 분포를 나타내는 그래프들로서, 도 20의 (a)는 MJT LED의 광 지향 분포를 나타내고, 도 20의 (b)는 광학 부재 사용에 따른 MJT LED 모듈의 광 지향 분포를 나타낸다. 광 지향 분포는 기준점(P)으로부터 5m 이격된 지점에서의 지향각에 따른 광도를 나타낸 것으로, 서로 직교하는 방향의 지향 분포를 하나의 그래프에 겹쳐서 나타내었다.
도 20의 (a)에 도시한 바와 같이, MJT LED(100)에서 방출되는 광은 지향각 0ㅀ, 즉 중심에서 광도가 크고, 지향각이 커질수록 광도가 감소하는 경향을 나타낸다. 이에 반해, 광학 부재를 적용할 경우, 도 20의 (b)에 도시한 바와 같이, 지향각 0ㅀ에서 광도가 상대적으로 낮으며, 70ㅀ 근처에서 상대적으로 광도가 크게 나타난다.
따라서 광학 부재(130)를 적용함으로써, 중심에서 강한 MJT LED의 광 지향 분포를 변경함으로써, 상대적으로 넓은 영역을 균일하게 백라이팅할 수 있다.
제2 실시예에 따른 광학 부재 및 이를 포함하는 MJT LED 모듈의 구성
이하에서, 도 21 내지 도 28을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 부재 및 이를 포함하는 MJT LED 모듈의 구체적인 구성과 기능에 대하여 살펴보도록 한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 MJT LED 모듈을 도시한 단면도이고, 도 22의 (a) 내지 도 22의 (c)는 도 21의 a-a 선, b-b 선, c-c 선을 따라 취한 도면들이다. 이때, a-a 선은 광학 부재의 하부면 상의 선이고, c-c선은 광학 부재의 상부면 상의 선이며, b-b선은 a-a선과 c-c선 사이의 확산렌즈의 높이 중간에 있는 절단선이다. 또한, 도 23은 도 21에 도시된 MJT LED 모듈의 광학 부재를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이며, 도 24는 도 23에 도시된 광학 부재 이용 시의 광 지향각 분포를 보여주는 도면이다.
도 21를 참조하면, MJT LED 모듈은 MJT LED(100) 및 MJT LED(100) 위에 배치된 수지 또는 글래스(glass) 재질의 광학 부재(230)를 포함한다. 인쇄회로기판(110)은 하나의 MJT LED 모듈을 보이도록 부분적으로 도시되어 있지만, 하나의 인쇄회로기판(110) 상에 규칙적으로 배열된 복수의 MJT LED 모듈들이 포함되어 전술한 바와 같은 백라이트 모듈(300)을 구성하게 된다.
먼저, MJT LED(100) 및 인쇄회로기판(110)은, 제1 실시예와 관련하여 도 3 및 도 4를 참조하여 이상에서 설명된 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하도록 하고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 부재(230)를 중심으로 설명하도록 한다.
도 21을 참조하면, 광학 부재(230)는 하부면(231) 및 그 반대편의 출광면(235)을 포함하고, 또한 다리부(239)를 포함할 수 있다. 하부면(231)은 오목한 입광부(231a)를 포함한다. 출광면(235)은, 전반적으로 상부를 향해 볼록한 곡면으로 이루어지되, 상부 중앙에 평탄면(235a)을 포함한다. 이 평탄면(235a)은 종래 광학 부재의 오목부에 대응되는 위치에 있으며, 본 실시예의 광학 부재(230)는 이하에서 자세히 설명되는 입광부(231a) 구조에 의해 출광면 상부 중앙의 오목부 없이도 광축 주변의 광을 넓게 확산시킬 수 있다. 입광부(231a)는 대략 종형의 단면을 가지며, MJT LED(100)와 인접해 있는 하단 입구로부터 상단의 정점을 향해 점진적으로 수렴되는 형상을 갖는다.
도 22의 (a)를 참조하면, 광학 부재(230)의 하부면(231)은 원형으로 이루어진다. 또한, 하부면(231) 중앙에 입광부(231a)의 하부가 위치하되, 이 입광부(231a)의 하부는 원형이다. 입광부(231a)는 하단 입구로부터 상단 정점의 직전까지 원형을 유지하되 그 직경은 하부에서 상부로 향할수록 점진적으로 감소한다. 도 22의 (c)를 참조하면, 광학 부재(230)의 상부 평탄면(235a) 또한 원형으로 이루어진다.
도 22의 (a) 내지 도 22의 (c)를 차례로 보면, 광학 부재(230)는, 원형을 갖는 하부면(231)을 갖되 상부를 향해 점진적으로 작아지는 형상을 갖는다. 광학 부재(230)의 측면 하부에서의 외곽 원형 형상 직경 변화에 비해 광학 부재(230)의 측면 상부에서는 외곽 원형 형상의 직경 변화가 더 클 수 있다. 입광부(231a)의 원형 형상 직경은 점진적으로 감소한다.
도 23을 참조하면, 광학 부재(230)의 중심축인 광축(L)이 보인다. 광학 부재(230)를 이용하여 균일한 광 분포를 얻기 위해서는, 광도 피크(peak)가 광축(L)으로부터 60도 이상의 각도에서 존재해야 하며, 이러한 광 특성을 얻기 위해서는 광축(L)으로부터 50도 이내의 광을 효과적을 퍼뜨리는 것이 중요하다. 도 23에는 광축(L)에 대하여 50도를 이루는 기준선(r)이 보인다.
광축(L)으로부터 50도 이내의 광을 효과적으로 퍼뜨리기 위해서, 광축(L)과 기준선(r) 사이의 각도 범위, 즉, 광축(L)으로부터 50도 내의 범위에서, 광축(L) 상의 임의의 한 점(p)으로부터 입광부(231a)의 정점에 이르는 최단 거리 'b'가 동일한 한 점(p)로부터 입광부(231a)의 측면에 이르는 최단 거리 'a' 보다 크다. 위와 같이, b > a 인 경우, 입광부(231a)는 광축(L)으로부터 50도 내의 범위로 진행하는 광을 광축(L)으로부터 60도 이상의 각도가 되게 넓게 퍼뜨리는데 기여할 수 있다.
반면, b < a인 경우, 광축(L)으로부터 50도 내 범위에서 진행하는 광에 대하여, 입광부(231a)가 광을 퍼트리는데 거의 기여하지 못한다. 이러한 이유로 종래에는 출광면 상부 중앙에 광을 넓게 퍼트려 내보내는 별도의 오목부가 필요로 하였다. 달리 말하면, 본 발명에 따른 광학 부재(230)는 광축(L)으로부터 50도 내의 범위에서 b > a인 조건을 만족하는 입광부(231a)의 곡률 구조에 의해, 기존에 요구되었던 출광면 상부 중앙에 오목부의 생략이 가능하게 되었다.
이때, 입광부(231a)의 높이는 입광부(231a)의 하단 입구의 반경(R)보다 큰 것이 바람직하다. 더 나아가, 높이(H)가 반경(R)의 1.5배보다 큰 것이 더욱 좋다. 또한, 입광부(231a)는 그 하부에서 수지 또는 글래스(glass) 재료보다 굴절율이 작은 공기와 경계를 이루고, 출광면 또한 그 상부에서 수지 또는 글래스 재료보다 굴절률이 작은 공기와 경계를 이룬다.
도 24는 도 23의 광학 부재를 이용하여 얻을 수 있는 광 지향각 분포를 잘 보여준다. 도 24를 참조하면, 광도 피크(peak)가 광축(L)으로부터 대략 72도 떨어진 위치에 형성되고 있으며 광이 넓게 확산되어 분포하고 있음을 알 수 있다. 도 24의 결과로부터, 본 발명에 따른 광학 부재(230)는, 출광면 상부 중앙에 오목부가 없이도, 광축(L)으로부터 50도 내의 범위에서 b > a인 조건을 만족하는 입광부(231a)의 곡률 구조에 의해, 광축(L)으로부터 60도 이내의 광을 효과적으로 확산시킬 수 있고, 광을 균일하게 확산시켜 분포시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 부재를 설명하기 위한 도면이다. 도 25에 잘 도시된 바와 같이, 본 실시예의 광학 부재(230)는 입광부(231a)의 곡률 구조는 도 23에 도시된 앞선 실시예의 광학 부재에서와 동일하다. 따라서 입광부(231a)는 광축(L)으로부터 50도 내의 범위에서 b > a인 조건을 만족한다. 다만, 앞선 실시예의 광학 부재가 출광면 상부 중앙에 상부 중앙에 평평한 평탄면을 포함하는 것과 달리, 본 실시예의 광학 부재(230)는 출광면 상부 중앙이 볼록한 곡면(35b)이 구비된다.
도 26은 도 25의 광학 부재를 이용하여 얻을 수 있는 광 지향각 분포를 잘 보여준다. 도 26을 참조하면, 광도 피크(peak)가 광축(L)으로부터 대략 72도 떨어진 위치에 형성되고 있으며 광이 넓게 확산되어 분포하고 있음을 알 수 있다. 또한, 도 26에 보이는 광 지향각 분포를 도 24에 보이는 광 지향각 분포와 비교하여 볼 때 큰 차이를 발견하기 어렵다. 입광부(231a)가 광축(L)으로부터 50도 내의 범위에서 b > a인 조건을 만족하고 있다면, 출광면 상부 중앙이 평탄면으로 형성되든 볼록면으로 형성되든 광 지향각 분포에 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
도 27의 (a) 및 도 27의 (b) 각각은 비교예 1에 따른 광학 부재 및 지향각 분포 곡선을 보여준다.
도 27의 (a)에 도시한 광학 부재는 광축으로부터 50도 내의 범위에서, 광축 상의 임의의 한 점으로부터 입광부의 정점에 이르는 최단 거리 'b'가 동일한 한 점으로부터 입광부의 측면에 이르는 최단 거리 'a'보다 큼과 동시에 출광면 상부 중앙에 오목부를 구비한다. 이 조건에서의 광 지향각 분포를 도 27의 (b)로부터 알 수 있는데, 이에 따르면, 광 지향각 분포가 앞선 실시예의 광 지향각 분포와 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 b > a인 조건에서 출광면 상부 중앙에 존재하는 오목부가 광 지향각 분포를 변화시키는데 거의 기능을 하지 못함을 의미한다.
도 28의 (a) 및 도 28의 (b) 각각은 비교예 2에 따른 광학 부재 및 지향각 분포 곡선을 보여준다.
도 28의 (a)에 도시한 광학 부재는 광축으로부터 50도 내의 범위에서, 광축 상의 임의의 한 점으로부터 입광부의 정점에 이르는 최단 거리 'b'가 동일한 한 점으로부터 입광부의 측면에 이르는 최단 거리 'a'보다 작음과 동시에 출광면 상부 중앙에 오목부를 구비한다. 이 조건에서의 광 지향각 분포를 도 19의 (b)로부터 알 수 있는데, 이에 따르면, 광 지향각 분포가 비교예 1 및 전술한 실시예들의 광 지향각 분포와 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 b < a인 조건에서 출광면 상부 중앙에 존재하는 오목부가 광축으로부터 50도 이내의 광을 넓게 퍼트리는 작용을 하였다는 것을 보여준다.
제3 실시예에 따른 광학 부재 및 이를 포함하는 MJT LED 모듈의 구성
이하에서, 도 29 내지 도 33를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학 부재 및 이를 포함하는 MJT LED 모듈의 구체적인 구성과 기능에 대하여 살펴보도록 한다.
도 29은 본 발명의 MJT LED에 로컬 디밍을 위한 렌즈가 형성된 정사각형 블록이 포함된 백라이트 모듈을 도시한 도면이다. 도 29의 (a)는 반치폭이 블록의 너비 크기로 형성된 백라이트 모듈을 도시한 도면이고, 도 29의 (b)는 반치폭이 블록의 너비 크기보다 크게 형성된 백라이트 모듈을 도시한 도면이다. 또한, 도 29의 (c)는 반치폭이 블록의 너비 크기보다 작게 형성된 백라이트 모듈을 도시한 도면이다.
도 29의 (a)를 참조하면, 디스플레이 모듈의 하나의 블록에 하나의 MJT LED가 배치되며, 각 MJT LED는 로컬 디밍을 위한 렌즈가 적용될 수 있다. 이렇게 MJT LED에 직접 렌즈가 적용됨에 따라 렌즈를 통한 빛의 조도는 도 29의 (a)의 우측에 도시된 바와 같다. 이때, 하나의 블록에서 방출되는 빛의 조도의 반치폭은 하나의 블록의 너비와 동일하게 형성될 수 있다.
그리고 하나의 블록에서 방출되는 빛의 반치폭이 하나의 블록 전체가 포함되기 위해서는 도 29의 (b)에 도시된 바와 같이, 반치폭은 정사각형 형상 블록의 대각선 길이가 될 수 있다. 또한, 하나의 블록에서 방출되는 빛의 반치폭 최소값은 정사각형 블록의 너비가
Figure pat00022
이면,
Figure pat00023
일 수 있다.
그에 따라 본 실시예에서 광학부재인 렌즈가 적용된 빛 조도의 반치폭 범위는
Figure pat00024
보다 크거나 같고,
Figure pat00025
보다 작거나 같을 수 있다. 여기서, 반치폭의 범위는 다수의 블록 전체에 대한 균일도를 고려한 범위이다.
여기서, 렌즈는 도 4에 도시된 바와 같이, MJT LED에 포함되는 파장 변환층(125) 상에 직접 형성되는 것으로, 도 3에 도시된 광학 부재(130)와는 별도로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서 MJT LED에 직접 형성되는 렌즈를 이용한 것으로, 렌즈는 MJT LED와 일체형으로 형성될 수 있다.
도 30은 본 발명의 백라이트 모듈에 로컬 디밍을 위한 렌즈가 각 블록에 형성된 MJT LED에서 방출된 빛의 조도가 중첩된 것을 도시한 도면이다.
도 30의 (a)에 도시된 바와 같이, 정사각형 형상의 블록에서 반치폭이 블록의 너비와 동일(FWHM = a)할 때, 각 블록에 형성된 렌즈를 통해 방출되는 빛의 세기가 100%이라 한다. 도 30의 (b)에 도시된 바와 같이, 정사각형 형상을 블록의 대각선 길이와 같이 반치폭이
Figure pat00026
이면, 각 렌즈를 통해 방출되는 빛의 세기는 100% 이상이고, 반치폭이
Figure pat00027
이면 빛의 세기가 50% 내지 100% 범위일 수 있다.
또한, 반치폭의 커질수록 전체 블록에서 빛의 균일도는 향상될 수 있으며, 반치폭이
Figure pat00028
인 경우에도 균일도가 약 50%일 수 있다. 이때, 균일도를 향상시키기 위해 백라이트 유닛에 광학시트를 적용하여 균일도를 향상시킬 수 있다. 광학시트를 이용함으로써, 전체 블록에서 빛의 균일도는 추가로 약 20 내지 30% 향상될 수 있다.
도 31은 본 발명의 백라이트 모듈에 로컬 디밍을 위한 렌즈가 직사각형 형상의 각 블록에 형성된 것을 도시한 도면이다.
도 31의 (a)는 변의 길이가 각각
Figure pat00029
및
Figure pat00030
인 직사각형 형상의 블록을 갖는 백라이트 모듈에 렌즈가 적용되어 렌즈를 통해 방출되는 빛의 조도 반치폭이
Figure pat00031
인 것을 도시한 도면이다. 도 31의 (b)는 반치폭이 하나의 블록 전체를 포함할 수 있도록 블록의 대각선 길이인
Figure pat00032
인 것을 도시한 도면이다. 도 31의 (c)는 빛의 균일도를 고려하여 반치폭이 최소일 때를 도시한 것으로, 이때의 반치폭은
Figure pat00033
일 수 있다.
그에 따라 각 변의 길이가
Figure pat00034
및
Figure pat00035
인 직사각 형상의 블록(
Figure pat00036
)을 가지는 백라이트 모듈에서 전체 빛 세기의 균일도를 고려하면, 조도의 반치폭은
Figure pat00037
보다 크거나 같고
Figure pat00038
보다 작거나 같을 수 있다.
이때, 블록의 각 변의 길이
Figure pat00039
및
Figure pat00040
는 블록의 크기를 설정하기 위한 크기이지만, 각 블록에 포함되는 MJT LED 간의 거리일 수 있다. 즉, 블록의 한 변의 길이
Figure pat00041
방향으로 MJT LED 간의 거리는
Figure pat00042
이고, 다른 한 변의 길이
Figure pat00043
방향으로 MJT LED 간의 거리는
Figure pat00044
일 수 있다.
도 32는 본 발명에서 조도의 반치폭에 대한 렌즈를 통해 발광되는 빛의 지향각 범위를 산출하기 위한 도면이다.
도 32을 참조하면, 하나의 블록에 반치폭(FWHM)과 렌즈의 지향각과의 관계를 구하기 위해 광원에서 확산면까지의 거리(OD), 광원에서 렌즈로 방출되는 빛의 각도를 θ라 하면, 반치폭(FWHM)은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00045
그리고 렌즈가 적용되지 않았을 때의 지향각은 MJT LED의 반치폭이고, 렌즈가 적용되었을 때의 빛의 지향각은 상기에서의 설명을 통해 빛의 균일도를 고려한 반치폭 범위를 설정함에 따라 렌즈의 지향각은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00046
도 33은 본 발명의 광원에서 렌즈까지의 거리 변화에 따른 반치폭의 관계를 도시한 그래프이다.
상기에서와 같은 관계를 이용하여 광원에서 렌즈까지의 거리 변화에 따른 반치폭은 표 1과 같으며, 도 33의 (a)와 같이 그래프로 표시될 수 있고, 이를 OD가 20mm인 지점에서 렌즈 여부에 따른 빛의 조도 차이는 도 33의 (b)와 같이 나타날 수 있다.
OD FWHM
MJT PKG (
Figure pat00047
)		 MJT PKG + Lens (
Figure pat00048
)
10 13.1 49.25
15 19.65 73.875
20 26.2 98.5
25 32.75 123.125
30 39.3 147.75
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (30)

  1. 복수 개의 블록을 포함하는 인쇄회로기판;
    상기 복수 개의 블록 상에 배치되는 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하는 백라이트 모듈;
    구동 전압을 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드에 제공하며, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 구동을 독립적으로 제어하는 백라이트 제어모듈; 및
    상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 하나 이상의 제1 광학부재를 포함하고,
    상기 복수 개의 블록 각각은 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하며,
    상기 복수의 블록 각각의 장축이
    Figure pat00049
    , 단축이
    Figure pat00050
    일 때,
    상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 반치폭은
    Figure pat00051
    보다 크거나 같고,
    Figure pat00052
    보다 작거나 같은 백라이트 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기
    Figure pat00053
    와
    Figure pat00054
    는 서로 같은 백라이트 유닛.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 반치폭이
    Figure pat00055
    보다 크거나 같을 때, 상기 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 세기는 100% 이상인 백라이트 유닛.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기
    Figure pat00056
    는 60mm 이하이고, 상기
    Figure pat00057
    는 55mm 이하인 백라이트 유닛.
  5. 복수 개의 블록을 포함하는 인쇄회로기판;
    상기 복수 개의 블록 상에 배치되는 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하는 백라이트 모듈;
    구동 전압을 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드에 제공하며, 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 구동을 독립적으로 제어하는 백라이트 제어모듈; 및
    상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 하나 이상의 제1 광학부재를 포함하고,
    상기 복수 개의 블록 각각은 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하며,
    상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출되는 빛의 지향각(
    Figure pat00058
    ) 범위는 수학식 1과 같은 백라이트 유닛.
    [수학식 1]
    Figure pat00059

    여기서, 상기
    Figure pat00060
    는 상기 제1 광학부재 없이 멀티셀 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 반치폭이고, 상기
    Figure pat00061
    는 상기 멀티셀 발광 다이오드의 바닥면에서 확산면의 바닥면까지의 거리임.
  6. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 백라이트 제어모듈은,
    상기 구동 전압을 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각에 독립적으로 제공하는 구동 전원 생성부; 및
    상기 백라이트 제어모듈의 디밍 신호에 따라 PWM을 제어하여 상기 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드의 디밍 제어를 수행하는 구동 제어부를 포함하는 백라이트 유닛.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 구동 제어부는 펄스폭이 변조되거나 듀티비가 변조된 디밍 제어신호를 생성하는 백라이트 유닛.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 구동 제어부는 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 구동 전류를 독립적으로 검출 및 제어하도록 구성된 백라이트 유닛.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 구동 제어부는 디밍 신호에 따라 상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 중 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드의 구동 전류를 제어하여 상기 적어도 하나의 멀티셀 발광 다이오드의 디밍 제어를 수행하는 백라이트 유닛.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 멀티셀 발광 다이오드의 애노드단은 상기 구동 전원 생성부에 연결되고,
    상기 멀티셀 발광 다이오드 캐소드단은 상기 구동 제어부에 연결되는 백라이트 유닛.
  11. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드에 대응되도록 상기 인쇄회로기판 상에 배치되는 제2 광학 부재를 더 포함하는 백라이트 유닛.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 광학 부재는 상기 멀티셀 발광 다이오드에서 빛을 입사 받는 입광면 및 상기 멀티셀 발광 다이오드의 광 지향각 보다 넓은 광 지향각으로 광을 출사하는 출광면을 포함하는 백라이트 유닛.
  13. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 광학 부재는 상기 멀티셀 발광 다이오드 상에 수지가 몰딩되어 형성된 백라이트 유닛.
  14. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 복수의 블록은 M X N 개이고,
    상기 복수 개의 블록은 M X N 매트릭스 배열을 구성하는 백라이트 유닛.
  15. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 멀티셀 발광 다이오드는, 제1 내지 제N 발광셀을 포함하고(상기 N은 2이상의 자연수),
    상기 제N 발광셀과 제N-1 발광셀의 전기적 연결구조는 상기 제1 및 제2 발광셀의 전기적 연결구조와 동일한 백라이트 유닛.
  16. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 복수 개의 멀티셀 발광 다이오드와 전기적으로 연결된 복수 개의 FET 및 상기 FET의 온(on) 및 오프(off)를 제어하는 FET 제어부를 더 포함하고,
    상기 복수 개의 FET는 상기 복수 개의 멀티셀 발광 다이오드와 동일한 개수인 백라이트 유닛.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 FET 제어부는 상기 복수 개의 FET 중 적어도 하나 이상을 제어하는 백라이트 유닛.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 FET 제어부에 의해 제어되지 않는 하나 이상의 FET는 상기 복수개의 멀티셀 발광 다이오드의 개수보다 적은 백라이트 유닛.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 FET 제어부는 상기 복수 개의 FET 모두를 제어하는 백라이트 유닛.
  20. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 균일도를 향상을 위한 광학시트를 더 포함하는 백라이트 유닛.
  21. 복수 개의 블록을 포함하는 인쇄회로기판;
    상기 복수 개의 블록 상에 배치되는 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하는 백라이트 모듈; 및
    상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 하나 이상의 제1 광학부재를 포함하고,
    상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각은,
    성장기판 상에 서로 이격되어 위치하며, 각각 하부 반도체층, 상기 하부 반도체층 상에 위치하는 상부 반도체층 및 상기 하부 반도체층과 상부 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 제1 및 제2 발광셀;
    상기 제1 발광셀 상에 위치하고, 상기 제1 발광셀에 전기적으로 접속된 제1 투명전극층;
    상기 제1 발광셀을 상기 제2 발광셀에 전기적으로 연결하는 배선; 및
    상기 배선을 상기 제1 발광셀의 측면에서 이격시키는 절연층을 포함하며,
    상기 배선은 상기 제1 발광셀에 전기적으로 접속되는 제1 접속부 및 상기 제2 발광셀에 전기적으로 접속되는 제2 접속부를 포함하고,
    상기 하부 반도체층의 일면은 상기 하부 반도체층을 노출시키는 노출영역이 형성되며,
    상기 제1 접속부는 상기 제1 투명전극층에 접촉하고,
    상기 제2 접속부는 상기 노출영역을 통해 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층과 전기적으로 접속하며,
    상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 동작은 독립적으로 제어되고,
    상기 복수의 블록 각각의 장축이
    Figure pat00062
    , 단축이
    Figure pat00063
    일 때,
    상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출된 빛의 반치폭은
    Figure pat00064
    보다 크거나 같고,
    Figure pat00065
    보다 작거나 같은 백라이트 유닛.
  22. 복수 개의 블록을 포함하는 인쇄회로기판;
    상기 복수 개의 블록 상에 배치되는 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 포함하는 백라이트 모듈; 및
    상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드를 덮는 하나 이상의 제1 광학부재를 포함하고,
    상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각은,
    성장기판 상에 서로 이격되어 위치하며, 각각 하부 반도체층, 상기 하부 반도체층 상에 위치하는 상부 반도체층 및 상기 하부 반도체층과 상부 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 제1 및 제2 발광셀;
    상기 제1 발광셀 상에 위치하고, 상기 제1 발광셀에 전기적으로 접속된 제1 투명전극층;
    상기 제1 발광셀을 상기 제2 발광셀에 전기적으로 연결하는 배선; 및
    상기 배선을 상기 제1 발광셀의 측면에서 이격시키는 절연층을 포함하며,
    상기 배선은 상기 제1 발광셀에 전기적으로 접속되는 제1 접속부 및 상기 제2 발광셀에 전기적으로 접속되는 제2 접속부를 포함하고,
    상기 하부 반도체층의 일면은 상기 하부 반도체층을 노출시키는 노출영역이 형성되며,
    상기 제1 접속부는 상기 제1 투명전극층에 접촉하고,
    상기 제2 접속부는 상기 노출영역을 통해 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층과 전기적으로 접속하며,
    상기 복수의 멀티셀 발광 다이오드 각각의 동작은 독립적으로 제어되고,
    상기 하나 이상의 제1 광학부재를 통해 방출되는 빛의 지향각(
    Figure pat00066
    ) 범위는 수학식 2와 같은 백라이트 유닛.
    [수학식 2]
    Figure pat00067

    여기서, 상기
    Figure pat00068
    는 상기 제1 광학부재 없이 멀티셀 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 반치폭이고, 상기
    Figure pat00069
    는 상기 멀티셀 발광 다이오드의 바닥면에서 확산면의 바닥면까지의 거리임.
  23. 청구항 21 또는 청구항 22에 있어서,
    상기 제1 투명전극층의 일부는 상기 제2 발광셀과 접속하는 백라이트 유닛.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 제1 투명전극층의 일부는 상기 제1 발광셀 상에서 상기 제1 발광셀과 상기 제2 발광셀 사이를 거쳐 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층의 측면 상에 위치하는 백라이트 유닛.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 제1 투명전극층 중 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층의 측면 상에 위치하는 부분의 폭은 상기 배선 중 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층의 측면 상에 위치히하는 부분의 폭보다 넓은 백라이트 유닛.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 제1 투명전극층 중 상기 제1 발광셀과 상기 제2 발광셀 사이에 위치하는 부분의 폭은 상기 배선 중 상기 제1 발광셀과 상기 제2 발광셀 사이에 위치하는 부분의 폭보다 넓은 백라이트 유닛.
  27. 청구항 21 또는 청구항 22에 있어서,
    상기 제1 투명전극층은 상기 배선과 상기 절연층을 서로 이격시키는 백라이트 유닛.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 절연층의 일부는 상기 성장기판 중 상기 제1 발광셀과 상기 제2 발광셀 사이에 위치하는 부분 상에 위치하는 백라이트 유닛.
  29. 청구항 21 또는 청구항 22에 있어서,
    상기 제1 발광셀과 제1 투명전극층 사이에 위치하여 상기 제1 투명전극층의 일부를 상기 제1 발광셀로부터 이격시키는 전류 차단층을 더 포함하는 백라이트 유닛.
  30. 청구항 23에 있어서,
    상기 제1 투명전극층은 상기 제2 접속부와 상기 제2 발광셀의 하부 반도체층 사이에 위치하는 백라이트 유닛.
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