KR20170064775A - 발광 소자 및 이를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

발광 소자 및 이를 포함하는 표시 장치 Download PDF

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Abstract

발광 소자는 상면과 제1 측면을 구비하며, 상기 상면의 면적이 상기 제1 측면의 면적보다 큰 기판; 및 상기 기판의 상기 제1 측면 상에 배치되며, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체 층, 및 상기 제1 도전형 반도체 층과 상기 제2 도전형 반도체 층 사이의 활성층을 포함하고, 제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출하는 발광 구조물;을 포함하고, 상기 기판의 상기 상면을 통해 방출되는 상기 제1 광의 방출 면적이 상기 기판의 상기 제1 측면을 통해 방출되는 상기 제1 광의 방출 면적보다 크다.

Description

발광 소자 및 이를 포함하는 표시 장치{Light emitting device and display device including the same}
본 발명의 기술적 사상은 발광 소자 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 측면 발광을 이용한 발광 소자 및 적어도 하나의 픽셀에 상기 발광 소자를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode)는 종래의 광원에 비해 긴 수명 및 낮은 소비 전력에 의해 조명 장치, 표시 장치의 백라이트 등 다양한 제품에서 사용되고 있다. 일반적으로, 표시 장치의 백라이트로 사용되는 발광 다이오드는 표시 장치의 에지부 또는 하부에 배열되어 표시 장치 내의 픽셀에 광을 투사하는 방식으로 사용된다. 그러나, 발광 다이오드와 각각의 픽셀 사이의 거리에 따라 휘도의 불균일성이 발생하거나, 광효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 큰 발광 면적에서 균일한 광을 방출할 수 있는 발광 소자를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 휘도가 향상되며 균일한 이미지를 표시할 수 있는 표시 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 발광 소자는, 상면과 제1 측면을 구비하며, 상기 상면의 면적이 상기 제1 측면의 면적보다 큰 기판; 및 상기 기판의 상기 제1 측면 상에 배치되며, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체 층, 및 상기 제1 도전형 반도체 층과 상기 제2 도전형 반도체 층 사이의 활성층을 포함하고, 제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출하는 발광 구조물;을 포함하고, 상기 기판의 상기 상면을 통해 방출되는 상기 제1 광의 방출 면적이 상기 기판의 상기 제2 측면을 통해 방출되는 상기 제1 광의 방출 면적보다 크다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판은 상기 발광 구조물의 결정 성장 기판일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판의 상기 상면의 면적은 상기 제1 측면 상에 배치된 상기 발광 구조물의 면적보다 클 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판의 상기 상면 면적 대 상기 발광 구조물의 면적은 약 2 : 1 내지 약 100 : 1 의 범위일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판은 상기 제1 측면에 수직한 방향을 따른 제1 폭과 상기 상면에 수직한 방향을 따른 제1 높이를 가지며, 상기 제1 폭 대 상기 제1 높이는 약 2 : 1 내지 약 100 : 1의 범위일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판은 상기 제1 측면과 다른 제2 측면을 더 구비하고, 상기 발광 소자는 상기 기판의 상기 제2 측면 상에 배치되고 상기 발광 구조물로부터 상기 제2 측면을 향해 방출되는 상기 제1 광을 반사하는 측면 반사층을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 측면 반사층은 상기 발광 구조물의 측면 일부분을 커버할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판의 바닥면 상에 배치되며, 상기 발광 구조물로부터 상기 바닥면을 향해 방출되는 상기 제1 광을 반사하는 바닥면 반사층을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판의 상기 제1 측면 상에서 상기 발광 구조물을 사이에 두고 배치되며, 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및 상기 기판의 상기 제1 측면 상에서 상기 발광 구조물을 사이에 두고 배치되며, 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판의 바닥면 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며 상기 발광 구조물로부터 상기 바닥면을 향해 방출되는 광을 반사하는 제1 바닥면 반사층; 및 상기 기판의 상기 바닥면 상에 배치되며, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되며 상기 발광 구조물로부터 상기 바닥면을 향해 방출되는 광을 반사하는 제2 바닥면 반사층;을 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 표시 장치는, 제1 발광 소자와 제2 발광 소자를 각각 포함하는 복수의 픽셀들을 포함하고, 상기 제1 발광 소자 및 상기 제2 발광 소자는, 하부 기판 상에 형성되며 각각 제1 피크 파장을 갖는 제1 광 및 제2 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하고, 상기 제1 발광 소자와 상기 제2 발광 소자 중 적어도 하나는, 기판과, 상기 기판의 제1 측면 상에 배치된 발광 구조물을 포함하며, 상기 기판은 상기 하부 기판의 상면과 수직한 제1 방향을 따른 높이와, 상기 하부 기판의 상기 상면에 평행한 제2 방향을 따른 제1 폭을 가지며, 상기 제1 폭이 상기 제1 높이보다 더 크다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 발광 구조물은, 상기 기판의 상기 제1 측면 상에 순차적으로 배치된 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체 층, 및 상기 제1 도전형 반도체 층과 상기 제2 도전형 반도체 층 사이의 활성층을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판의 상면은 상기 상면을 통해 상기 제1 광 또는 상기 제2 광이 방출되는 광 추출면일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 발광 소자 및 상기 제2 발광 소자는 상기 하부 기판의 상기 상면에 평행한 상기 제2 방향으로 나란히 배열할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 하부 기판 상에 형성되며, 상기 제1 발광 소자 및 상기 제2 발광 소자의 측면을 각각 에워싸는 블랙 매트릭스를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 발광 소자와 상기 제2 발광 소자 사이에 상기 블랙 매트릭스가 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 발광 소자 및 상기 제2 발광 소자는 상기 하부 기판의 상기 상면에 수직한 상기 제1 방향으로 나란히 배열할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 발광 소자와 상기 제2 발광 소자 사이에 개재되며, 광 투과 특성을 갖는 중간층을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 픽셀들 각각은 제3 발광 소자를 더 포함하며, 상기 제3 발광 소자는 상기 하부 기판 상에 형성되며 제3 피크 파장을 갖는 제3 광을 방출할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 광은 적색 광이며, 상기 제2 광은 녹색 광이며, 상기 제3 광은 청색 광일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판의 상면 면적이 상기 기판의 상기 제1 측면 상에 배치된 상기 발광 구조물의 면적보다 클 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판은 상기 발광 구조물의 결정 성장 기판일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 표시 장치는, 제1 발광 소자와 제2 발광 소자를 각각 포함하는 복수의 픽셀들을 포함하고, 상기 제1 발광 소자 및 상기 제2 발광 소자는, 하부 기판 상에 형성되며 각각 제1 피크 파장을 갖는 제1 광 및 제2 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하고, 상기 제1 발광 소자와 상기 제2 발광 소자 중 적어도 하나는, 상면과 제1 측면을 갖는 기판과, 상기 기판의 상기 제1 측면 상에 배치된 발광 구조물을 포함하며, 상기 기판의 상기 상면 면적 대 상기 발광 구조물의 면적은 약 2 : 1 내지 약 100 : 1의 범위이다.
상기 복수의 픽셀들 각각은 제3 발광 소자를 더 포함하며, 상기 제3 발광 소자는 상기 하부 기판 상에 형성되며 제3 피크 파장을 갖는 제3 광을 방출할 수 있다.
상기 하부 기판 상에 상기 제1 발광 소자, 상기 제2 발광 소자 및 상기 제3 발광 소자가 상기 하부 기판의 상기 상면에 수직한 제1 방향으로 오버랩되어 배치될 수 있다.
상기 하부 기판 상에서 상기 제1 발광 소자, 상기 제2 발광 소자 및 상기 제3 발광 소자가 상기 하부 기판의 상기 상면에 평행한 제2 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제1 광은 적색 광이며, 상기 제2 광은 녹색 광이며, 상기 제3 광은 청색 광일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 발광 소자에 따르면, 기판의 측면에 형성된 발광 구조물을 포함하며, 발광 구조물로부터 방출되는 광이 광 가이드 플레이트(light guide plate) 기능을 하는 상기 기판의 상면을 통해 방출될 수 있다. 또한, 상기 기판의 상면의 면적은 발광 구조물의 면적보다 더 클 수 있다. 상기 발광 구조물이 마이크로사이즈를 갖더라도 더욱 넓은 상기 기판의 상면을 통해 광이 방출될 수 있으므로, 상기 발광 소자는 큰 발광 면적에서 균일한 광을 방출할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 표시 장치에 따르면, 복수의 픽셀들 각각이 제1 내지 제3 발광 소자를 포함할 수 있고, 제1 발광 소자는 적색 광을 방출하며, 제2 발광 소자는 녹색 광을 방출하고, 제3 발광 소자는 청색 광을 방출할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 발광 소자들은 복수의 픽셀들 각각 내에서 수직 방향으로 적층되거나, 수평 방향으로 나란히 배열될 수 있다. 따라서, 상기 표시 장치는 휘도가 향상되며, 균일한 이미지를 표시할 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 발광 소자 각각은 기판의 측면 상에 형성된 발광 구조물을 포함하며, 상기 발광 구조물에서 방출되는 광이 상기 기판의 상면을 통해 넓은 면적에서 균일하게 방출될 수 있다. 따라서, 일반적으로 점 광원을 사용할 때 상기 점 광원의 상부에 구비하는 디퓨저(diffuser) 또는 확산 렌즈 등의 역할을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 표시 장치는 콤팩트한 두께를 가질 수 있고, 제조 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 나타내는 사시도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 포함하는 표시 장치의 개략적인 블록도이다.
도 8은 도 7의 표시 장치의 픽셀의 개략적인 블록도이다.
도 9는 도 8에 도시된 서브 픽셀의 예시적인 등가 회로도를 나타낸다.
도 10은 다른 실시예들에 따른 표시 장치의 픽셀의 개략적인 블록도이다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 표시 장치를 나타내는 사시도이다.
도 12는 도 11의 XI-XI' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따른 표시 장치를 나타내는 단면도이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 표시 장치를 나타내는 단면도이다.
도 15 내지 도 20은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 21은 양자점의 단면 구조를 나타내는 개략도이다.
도 22는 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 채용한 백라이트 유닛의 개략적인 사시도이다.
도 23은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 채용한 백라이트 유닛의 개략적인 단면도이다.
도 24는 직하형 백라이트 유닛에 있어서, 광원의 배치의 일 예를 나타낸다.
도 25는 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 채용한 백라이트 유닛의 개략적인 단면도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 평판 조명 장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 웨이퍼(기판) 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상술한 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상술한 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 구성 요소가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 이하 실시예들은 하나 또는 복수개를 조합하여 구성할 수도 있다.
이하에서 설명하는 발광 소자 및 표시 장치는 다양한 구성을 가질 수 있고 여기서는 필요한 구성만을 예시적으로 제시하며, 본 발명 내용이 이에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자(100)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II' 선을 따라 취한 단면도이다. 도 2에는 X-Y 평면에 평행한 단면을 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 발광 소자(100)는 기판(110) 및 기판(110)의 제1 측면(110S1) 상에 배치된 발광 구조물(120)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 상기 발광 구조물(120)의 결정 성장용 기판으로서, 사파이어와 같은 절연성 및/또는 투광성 기판일 수 있다. 그러나, 기판(110)의 종류가 이에 한정되는 것은 아니다. 기판(110)은 절연성 이외에도 도전성 또는 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 사파이어 외에도 SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN, 글래스 등 일 수 있다.
기판(110)은 제1 방향(도 1의 Z 방향)에 수직한 상면(110U)과 제2 방향(도 1의 X 방향)을 따라 연장되는 제1 측면(110S1)을 포함할 수 있다. 도 1에는 기판(110)의 상면(110U)과 제1 측면(110S1)이 서로 실질적으로 수직하게 배치된 것이 예시적으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 기판(110)의 제1 측면(110S1)은 상면(110U)으로부터 90도가 아닌 소정의 각도로 기울어질 수도 있다.
기판(110)은 제1 방향을 따라 제1 높이(HZ1)를 갖고 제2 방향을 따라 제1 폭(WX1)을 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 기판(110)의 제1 높이(HZ1)는 약 5 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 기판(110)의 제1 폭(WX1)은 약 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다. 그러나, 기판(110)의 제1 높이(HZ1)와 제1 폭(WX1)이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 기판(110)의 제1 높이(HZ1)는 상기 발광 소자(100)의 요구되는 광량, 휘도 등에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 또한, 기판(110)의 제1 폭(WX1)은 상기 발광 소자(100)가 구비되는 표시 장치의 픽셀 사이즈 또는 픽셀 레이아웃에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 한편, 기판(110)의 제1 높이(HZ1)와 제1 폭(WX1)과 관련하여 이후에 상세히 설명하도록 한다.
기판(110)의 제1 측면(110S1) 상에는 발광 구조물(120)이 배치될 수 있다. 발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)은 기판(110)의 제1 측면(110S1) 상에서 제2 방향(Y 방향)을 따라 순차적으로 적층될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 도전형 반도체층(122)은 n형 InxAlyGa1-x- yN (0=x<1, 0=y<1, 0=x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 Si일 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(122)은 n형 GaN을 포함할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 반도체 컨택층(미도시)과 전류 확산층(미도시)의 적층 구조로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체 컨택층의 불순물 농도는 2×1018 ㎝-3 내지 9×1019 ㎝-3 범위일 수 있고, 상기 제1 도전형 반도체 컨택층의 두께는 1 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다. 상기 전류 확산층은 서로 다른 조성을 갖거나, 서로 다른 불순물 함량을 갖는 복수의 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x, y≤1, 0≤x+y≤1)층이 반복해서 적층되는 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 전류 확산층은 1 nm 내지 500 nm의 두께를 갖는 n형 GaN층 및/또는 AlxInyGazN (0≤x,y,z≤1, x=y=z=0 제외)으로 이루어진 조성이 다른 2 이상의 층이 반복되어 적층된 n형 초격자층일 수 있다. 상기 전류 확산층의 불순물 농도는 2×1018 ㎝-3 내지 9×1019 ㎝-3 일 수 있다. 필요에 따라, 상기 전류 확산층 내에 절연물질층이 추가적으로 도입될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제2 도전형 반도체층(126)은 p형 InxAlyGa1-x- yN (0=x<1, 0=y<1, 0=x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체층일 수 있으며, p형 불순물은 Mg일 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(126)은 단층 구조로 구현될 수도 있으나, 이와는 달리, 서로 다른 조성을 갖는 다층 구조를 가질 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제2 도전형 반도체층(126)은 순차적으로 적층된 전자차단층(EBL)(미도시)과 저농도 p형 GaN층(미도시)과 컨택층으로 제공되는 고농도 p형 GaN층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자차단층은 5 nm 내지 100 nm의 두께 범위를 갖는 복수의 서로 다른 조성의 InxAlyGa(1-x-y)N이 적층된 구조이거나, AlyGa(1-y)N으로 구성된 단일층일 수 있다. 상기 전자차단층의 에너지 밴드갭(Eg)은 활성층(124)으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자차단층의 Al 조성은 활성층(124)으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
활성층(124)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자우물층과 양자장벽층은 서로 다른 조성을 갖는 InxAlyGa1-x- yN (0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1)일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 양자우물층은 InxGa1- xN (0<x=1)이며, 상기 양자장벽층은 GaN 또는 AlGaN일 수 있다. 양자우물층과 양자장벽층의 두께는 각각 1 nm 내지 50 nm 범위일 수 있다. 상기 활성층(124)은 다중 양자우물 구조에 한정되지 않고, 단일 양자우물 구조일 수 있다.
발광 구조물(120)은 제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출할 수 있다. 제1 피크 파장은 제1 색상의 가시광선의 파장 대역 내에 포함되거나, 자외선 파장 대역 내에 포함될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 제1 색상은 청색일 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제1 색상은 적색, 녹색, 황색 또는 보라색일 수 있다.
도시되지는 않았지만, 기판(110)과 발광 구조물(120) 사이에는 버퍼층(미도시)이 개재될 수 있다. 상기 버퍼층은 InxAlyGa1-x- yN (0=x=1, 0=y=1)일 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN일 수 있다. 필요에 따라, 복수의 층을 조합하거나, 조성을 점진적으로 변화시켜 상기 버퍼층으로 사용할 수도 있다.
발광 소자(100)는 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(140, 150)을 더 포함한다. 발광 소자(100)가 플립칩 형태로 실장될 수 있도록 제1 및 제2 전극(140, 150)은 서로 동일한 방향으로 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 전극(140)은 제2 도전형 반도체층(126) 및 활성층(124)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(122)과 접속된 도전성 비아와 같은 연결전극부(140a) 및 연결전극부(140a)에 연결된 제1 전극 패드(140b)를 포함할 수 있다. 연결전극부(140a)는 절연층(130)에 의하여 둘러싸여 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)과 전기적으로 분리될 수 있다. 연결전극부(140a)는 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)의 적층 구조가 식각된 영역에 배치될 수 있다. 연결전극부(140a)는 접촉 저항이 낮아지도록 개수, 형상, 피치 또는 제1 도전형 반도체층(122)과의 접촉 면적 등을 적절히 설계할 수 있다. 또한, 제1 연결전극부(140a)는 상기 적층 구조 상에 행과 열을 이루도록 배열됨으로써 전류 흐름을 개선시킬 수 있다. 제2 전극(150)은 제2 도전형 반도체층(126) 상의 오믹콘택층(150a) 및 제2 전극 패드(150b)를 포함할 수 있다.
연결전극부(140a) 및 오믹콘택층(150a)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126)과 오믹 특성을 갖는 도전성 물질의 1층 또는 다층 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연결전극부(140a) 및 오믹콘택층(150a)은 Ag, Al, Ni, Ti, Sn, Au, Cr 등의 금속 물질 또는 투명 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 투명 전도성 물질은 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 및 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0=x=1)로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
제1 및 제2 전극 패드(140b, 140b)는 각각 연결전극부(140a) 및 오믹콘택층(150a)에 각각 접속되어 발광 소자(100)의 외부 단자로 기능할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극 패드(140b, 140b)는 Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, NiSn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융 금속일 수 있다.
한편, 제1 및 제2 전극(140, 150)은 절연층(130)에 의하여 서로 전기적으로 절연될 수 있다. 절연층(130)은 전기적으로 절연 특성을 갖는 물질이면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 전기 절연성을 갖는 물체라면 어느 것이나 채용 가능하지만, 광흡수율이 낮은 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 절연층(130)은 SiO2, SiOxNy, SixNy 등의 실리콘 산화물, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 필요에 따라, 광투과성 물질 내에 광 반사성 필러를 분산시켜 광반사 구조를 형성할 수 있다. 이와 달리, 절연층(130)은 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 절연층들이 교대로 적층된 다층 반사구조일 수 있다. 예를 들어 이러한 다층 반사구조는 제1 굴절률을 갖는 제1 절연층과 제2 굴절률을 갖는 제2 절연층이 교대로 적층된 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다.
상기 다층 반사 구조는 상기 굴절률이 서로 다른 복수의 절연층들이 2회 내지 100회 반복하여 적층될 수 있다. 예를 들어, 3회 내지 70회 반복하여 적층 될 수 있다. 상기 다층 반사 구조의 복수의 절연층은 각각 SiO2, SiN, SiOxNy, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 등의 산화물 또는 질화물 및 그 조합일 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층에서 생성되는 빛의 파장을 λ이라고 하고 n을 해당 층의 굴절률이라 할 때에, 상기 제1 절연층과 제2 절연층은, λ/4n의 두께를 갖도록 형성될 수 있으며, 대략 약 300Å 내지 900Å의 두께를 가질 수 있다. 이때, 상기 다층 반사구조는 활성층(124)에서 생성된 빛의 파장에 대해서 높은 반사율(95% 이상)을 갖도록 각 제1 절연층 및 제2 절연층의 굴절률과 두께가 선택되어 설계될 수 있다.
상기 제1 절연층 및 제2 절연층의 굴절률은 약 1.4 내지 약 2.5 범위에서 결정될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(122)의 굴절률 및 기판의 굴절률보다 작은 값일 수 있으나, 제1 도전형 반도체층(122)의 굴절률보다는 작되 기판의 굴절률보다는 큰 값을 가질 수도 있다.
도 1에는 발광 구조물(120)에서 방출되는 제1 광의 개략적인 경로를 점선 화살표로 개략적으로 도시하였다. 도 1에 예시적으로 도시된 것과 같이, 발광 구조물(120)(또는 활성층(124))에서 생성되어 발광 구조물(120) 외부로 방출되는 제1 광은 댜양한 방향으로 진행할 수 있고, 기판(110) 내부로 진입한 제1 광이 기판(110)의 상면(110U) 또는 제1 측면(110S1)과 만날 때 기판(110) 외부로 방출될 수 있다. 특히, 기판(110)의 제1 높이(HZ1)보다 제1 폭(WX1)이 상대적으로 크기 때문에, 기판(110)의 상면(110U)을 통해 방출되는 제1 광의 방출 면적이 기판(110)의 제1 측면(110S1)을 통해 방출되는 제1 광의 방출 면적보다 상당히 클 수 있다.
전술한 바와 같이, 기판(110)의 제1 높이(HZ1)는 약 5 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있고, 기판(110)의 제1 폭(WX1)은 약 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다. 또한, 제3 방향(도 1의 Y 방향)을 따른 기판(110)의 제2 폭(WY1)은 약 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다. 이에 따라, 제1 폭(WX1) 대 제1 높이(HZ1)는 약 2 : 1 내지 100 : 1의 범위를 가질 수 있고, 제1 폭(WX1) 대 제1 높이(HZ1)는 약 2 : 1 내지 100 : 1의 범위를 가질 수 있다. 이와 같이, 기판(110)의 상면(110U)의 면적 대 기판(110)의 제1 측면(110S1)의 면적은 약 2 : 1 내지 100 : 1의 범위를 가질 수 있다. 또한, 기판(110)의 상면(110U)의 면적 대 제1 측면(110S1) 상에 배치된 발광 구조물(120)의 면적 또한 약 2 : 1 내지 100 : 1의 범위를 가질 수 있다. 따라서, 발광 구조물(120)로부터 방출되는 제1 광은 상대적으로 넓은 면적을 갖는 기판(110)의 상면(110U)을 통하여 균일하게 방출될 수 있다. 이러한 특징에 의해, 기판(110)은 발광 소자(100)에 일체형으로 형성된 도광판(light guide plate)으로 기능할 수 있다.
일반적으로, 표시 장치의 복수의 픽셀들 중 하나의 픽셀에 필요한 광량은 대략 10 ㎛ × 10 ㎛의 사이즈를 갖는 발광 다이오드로부터 얻어질 수 있다. 그러나, 하나의 픽셀의 크기에 비하여 상기 발광 다이오드의 크기가 너무 작기 때문에, 하나의 픽셀이 하나의 발광 다이오드를 구비하는 경우 상기 발광 다이오드는 점광원의 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 다이오드와 가깝게 배치되는 상기 픽셀 일부분에는 높은 휘도를 갖는 휘점이 나타날 수 있어 상기 픽셀은 불균일한 휘도를 갖게 될 수 있고, 상기 하나의 픽셀 전체에 균일한 광량이 제공되지 못하는 문제점이 있다. 만약 상기 발광 다이오드와 상기 픽셀 사이에 디퓨저(diffuser) 또는 확산 렌즈 등의 추가 광학계가 부착되는 경우, 상기 픽셀에 비교적 균일한 광량이 제공될 수 있다. 그러나, 디퓨저 또는 확산 렌즈의 부착에 의해 표시 장치의 두께 및 무게가 증가될 수 있어, 콤팩트한 표시 장치를 얻기 어렵다.
전술한 발광 소자(100)에 따르면, 기판(110)의 제1 측면(110S1)에 형성된 발광 구조물(120)로부터 방출된 제1 광이 기판(110)의 상면(110U)을 통해 균일하게 발광 소자(100) 상부로 방출될 수 있다. 따라서, 발광 구조물(120)의 사이즈가 상대적으로 작더라도, 발광 소자(100)는 추가 광학계의 설치 없이도 면광원으로 사용될 수 있다. 따라서, 발광 소자(100)는 큰 발광 면적에서 균일한 광을 방출할 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자(100A)를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 IV-IV' 선을 따라 취한 단면도이다. 도 3 및 도 4에서, 도 1 및 도 2에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 발광 소자(100A)는 기판(110)의 제2 측면(110S2)에 형성된 측면 반사층(160S)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 기판(110)은 제1 방향(도 3의 Z 방향)에 수직한 상면(110U), 제2 방향(도 3의 X 방향)을 따라 연장되는 제1 측면(110S1) 및 제3 방향(도 3의 Y 방향)을 따라 연장되는 제2 측면(110S2)을 포함할 수 있다. 측면 반사층(160S)은 기판(110)의 제2 측면(110S2)에 배치되어, 기판(110)의 제2 측면(110S2)을 향해 진행하는 제1 광이 제2 측면(110S2) 방향으로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 측면 반사층(160S)은 발광 구조물(120)에서 생성되고 기판(110)의 제2 측면(110S2) 방향으로 방출되는 제1 광을 기판(110)의 내부로 반사한다. 예시적인 실시예들에서, 측면 반사층(160S)은 Al, Ag, Ni, Au, Pt, Ti, W, Ir, Ru, Ta, V, Vo, Os, 또는 Re와 같은 금속 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 측면 반사층(160S)은 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 유전체막들이 교대로 적층된 다층 반사 구조물을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 측면 반사층(160S)은 광투과성 물질 내에 광 반사성 필러를 분산시켜 형성되는 광반사 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 측면 반사층(160S)은 발광 소자(100A)의 상면 상에 마스크를 형성하고, 스프레이법 등에 의해 기판(110)의 제2 측면(110S2) 상에 소정의 두께를 갖는 금속층을 형성하는 방식에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 측면 반사층(160S)의 제조 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4에 예시적으로 도시된 것과 같이, 측면 반사층(160S)은 발광 구조물(120)의 측면 일부를 덮도록 제3 방향(도 4의 Y 방향)으로 연장될 수 있다. 발광 구조물(120)의 측면까지 연장되는 측면 반사층(160S)은 활성층(124)으로부터 방출되는 제1 광이 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 다른 예에 따르면, 발광 구조물(120)의 측면, 예를 들어 활성층(124)의 측면에 추가의 반사층이 배치될 수 있다. 측면 반사층(160S)이 발광 구조물(120) 및 기판(110)의 측면에 배치됨으로써, 발광 구조물(120)에서 생성되는 제1 광의 총 양 중 기판(110)의 상면(110U)을 통과하여 외부로 방출되는 제1 광의 광량이 증가될 수 있다. 따라서, 발광 소자(100)는 향상된 광 추출 효율을 가질 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자(100B)를 나타내는 사시도이다. 도 5에서, 도 1 내지 도 4에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다. 상기 발광 소자(100B)는 기판(110)의 바닥면에 형성된 바닥면 반사층(160B)을 더 포함하는 것을 제외하면, 도 1 및 도 2를 참조로 설명한 발광 소자(100)와 유사할 수 있다. 따라서, 전술한 차이점 위주로 설명하도록 한다.
도 5를 참조하면, 기판(110)의 바닥면 상에 바닥면 반사층(160B)이 형성될 수 있다. 바닥면 반사층(160B)은 발광 구조물(120)에서 생성되어 기판(110)의 바닥면을 향해 진행하는 제1 광이 기판(110)의 상기 바닥면을 통과하여 방출되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 바닥면 반사층(160B)은 발광 구조물(120)에서 생성되고 기판(110)의 바닥면을 통해 아래 방향으로 방출되는 제1 광을 기판(110)의 내부로 반사할 수 있고, 이에 따라 기판(110) 상면으로 방출되는 광량이 증가될 수 있다. 따라서, 발광 소자(100B)는 향상된 광 추출 효율을 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 바닥면 반사층(160B)은 Al, Ag, Ni, Au, Pt, Ti, W, Ir, Ru, Ta, V, Vo, Os, 또는 Re와 같은 금속 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 바닥면 반사층(160B)의 물질이 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시예들에서, 바닥면 반사층(160B)은 서로 이격되어 배치되는 제1 바닥면 반사층(160B1) 및 제2 바닥면 반사층(160B2)을 포함할 수 있다. 제1 바닥면 반사층(160B1) 및 제2 바닥면 반사층(160B2)은 각각 제1 전극(140)과 제2 전극(150)과 연결되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 바닥면 반사층(160B1)은 기판(110) 바닥면에서 제1 전극(140)까지 연장되고, 제2 바닥면 반사층(160B2)은 기판(110) 바닥면에서 제1 전극(140)까지 연장될 수 있다. 제1 및 제2 바닥면 반사층(160B1, 160B2)은 제1 및 제2 전극(140, 150)과 함께 발광 소자(100)의 외부 단자로 작용할 수도 있다. 도시되지는 않았지만, 바닥면 반사층(160B1, 160B1) 아래에 언더 범프 메탈(UBM)층(미도시)과 솔더 범프층(미도시)이 더 형성될 수도 있다. 상기 UBM층은 발광 소자(100)의 바닥면 반사층(160B1, 160B2)과 상기 솔더 범프층 사이의 계면 접합력을 향상시키고, 전기적인 통로를 제공할 수 있다. 또한, 상기 UBM층은 리플로우(reflow) 과정에서 솔더가 바닥면 반사층(160B1, 160B2)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
상기 발광 소자(100B)에 따르면, 바닥면 반사층(160B)이 발광 구조물(120) 및 기판(110)의 바닥면에 배치됨으로써, 발광 구조물(120)에서 생성되는 제1 광의 총 양 중 기판(110)의 상면을 통과하여 외부로 방출되는 제1 광의 광량이 증가될 수 있다. 따라서, 발광 소자(100B)는 향상된 광 추출 효율을 가질 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자(100C)를 나타내는 단면도이다. 도 6은 도 1의 II-II' 선을 따른 단면에 대응하는 단면을 나타낸다. 도 6에서, 도 1 내지 도 5에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다. 상기 발광 소자(100C)는 기판(110)의 측면에 형성된 광파장 변환층(170)을 더 포함하는 것을 제외하면, 도 1 및 도 2를 참조로 설명한 발광 소자(100)와 유사할 수 있다. 따라서, 전술한 차이점 위주로 설명하도록 한다.
도 6을 참조하면, 발광 구조물(120)의 상면, 즉 제1 도전형 반도체층(122)의 상면에는 요철(P)이 형성될 수 있다. 요철(P)은 발광 소자(100C)로부터 방출되는 광의 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
발광 소자(100C)를 형성하기 위한 예시적인 공정에서, 요철(P)이 형성된 성장 기판(미도시) 상에 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 순차적으로 형성하고, 상기 기판을 뒤집은 후, 상기 기판을 제거함으로써, 요철(P)이 제1 도전형 반도체층(122)의 상면에 형성될 수 있다. 요철(P)은 제2 도전형 반도체층(126)의 단결정 품질을 향상시킬 수 있다.
발광 구조물(120)과 기판(110) 사이에는 광파장 변환층(170)이 배치될 수 있다. 광파장 변환층(170)은 발광 구조물(120)로부터 방출되는 제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 흡수하고 제2 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출한다. 제2 피크 파장은 제1 피크 파장과 상이하며, 제1 색상과 상이한 제2 색상의 가시광선의 파장 대역 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1 색상은 청색이고, 제2 색상은 적색, 녹색 또는 황색 중 하나일 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 발광 구조물(120)에서 방출되는 제1 광의 색상이 적색, 녹색, 또는 황색 중 하나인 경우, 광파장 변환층(170)이 방출하는 광의 색상인 제2 색상은 청색일 수도 있다.
광파장 변환층(170)은 발광 구조물(120)로부터 방출되는 제1 광의 파장을 변환하기 위한 파장 변환 물질로서, 형광체 및/또는 양자점과 같은 다양한 물질이 사용될 수 있다.
광파장 변환층(170)에 사용되는 형광체는 다음과 같은 조성식 및 컬러(color)를 가질 수 있다.
산화물계: 황색 및 녹색 Y3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Lu3Al5O12:Ce
실리케이트계: 황색 및 녹색 (Ba,Sr)2SiO4:Eu, 황색 및 등색 (Ba,Sr)3SiO5:Ce
질화물계: 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 La3Si6N11:Ce, 등색 α-SiAlON:Eu, 적색 CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, SrSiAl4N7:Eu, SrLiAl3N4:Eu, Ln4-x(EuzM1-z)xSi12-yAlyO3+x+yN18-x-y (0.5=x=3, 0<z<0.3, 0<y=4)
여기서, Ln은 IIIa 족 원소 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소이고, M은 Ca, Ba, Sr 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소일 수 있다.
플루오라이트(fluoride)계: KSF계 적색 K2SiF6:Mn4 +, K2TiF6:Mn4 +, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 +, K3SiF7:Mn4+ 형광체 조성은 기본적으로 화학양론(stoichiometry)에 부합하여야 하며, 각 원소들은 주기율표상 각 족들 내의 다른 원소로 치환이 가능하다. 예를 들면, Sr은 알카리토류(II)족의 Ba, Ca, Mg 등으로 치환할 수 있으며, Y는 란탄계열의 Tb, Lu, Sc, Gd 등으로 치환할 수 있다. 또한, 활성제인 Eu 등은 원하는 에너지 준위에 따라 Ce, Tb, Pr, Er, Yb 등으로 치환할 수 있으며, 활성제가 단독으로 사용되거나, 특성 변형을 위해 부활성제 등이 추가로 적용될 수 있다.
특히, 플루오라이트계 적색 형광체는 고온/고습에서의 신뢰성 향상을 위하여 각각 Mn을 함유하지 않는 불화물로 코팅되거나 형광체 표면 또는 Mn을 함유하지 않는 불화물 코팅 표면에 유기물 코팅을 더 포함할 수 있다. 이러한 플루오라이트계 적색 형광체의 경우 다른 형광체들과 달리 40nm 이하의 좁은 반치폭(full width at half maximum)을 구현할 수 있기 때문에, UHD TV와 같은 고해상도 TV에 활용될 수 있다.
아래 표 1은 발광 구조물(120)이 방출하는 광의 피크 파장이 청색 가시광선 파장 대역(440 내지 460 nm) 또는 자외선 파장 대역(380 내지 440 nm)인 경우에, 파장 변환 물질로 사용될 수 있는 응용 분야별 형광체들이다.
Figure pat00001
광파장 변환층(170)의 파장 변환 물질로서, 형광체를 대체하거나 형광체와 혼합하여 양자점(Quantum Dot, QD)이 사용될 수 있다.
도 21은 양자점의 단면 구조를 나타내는 개략도이다.
도 21을 참조하면, 양자점(QD)는 III-V 또는 II-VI 화합물 반도체를 이용하여 코어(Core)-쉘(Shell) 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 양자점은 CdSe, InP 등과 같은 코어(core)와 ZnS, ZnSe과 같은 쉘(shell)을 가질 수 있다. 코어의 직경은 예컨대, 1 내지 30 nm, 또는 3 내지 10 nm일 수 있다. 쉘의 두께는 예컨대, 0.1 내지 20 nm, 또는 0.5 내지 2 nm일 수 있다. 또한, 양자점은 코어 및 쉘의 안정화를 위해 리간드(ligand)를 포함할 수 있다.
양자점은 크기에 따라 다양한 컬러를 구현할 수 있으며, 특히, 형광체를 대체하는 경우에는, 적색광 또는 녹색광을 방출하는 파장 변환 물질로서 사용될 수 있다. 파장 변환 물질로서 양자점을 이용하는 경우, 예컨대, 약 35 nm의 좁은 반치폭이 달성될 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 기판(110)은 글래스 기판, Al2O3 기판, 사파이어 기판 등의 광 투과성 절연 기판을 포함할 수 있다. 전술한 것과 같이, 발광 소자(100C)를 형성하기 위한 예시적인 공정에서, 발광 구조물(120)이 성장 기판(미도시) 상에 형성되고, 상기 성장 기판이 제거된 이후에 기판(110) 상에 발광 구조물(120)이 부착될 수 있다. 따라서, 기판(110)의 종류를 다양하게 선택할 수 있으며, 기판(110)과 발광 구조물(120) 사이에 광파장 변환층(170)이 형성될 수 있다. 상기 발광 소자(100C)는 발광 구조물(120)과 광파장 변환층(170) 사이에 요철(P)이 형성되어 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 포함하는 표시 장치(200)의 개략적인 블록도이다. 도 8은 도 7의 표시 장치의 픽셀의 개략적인 블록도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 표시 장치(200)는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX)은 행과 열을 따라 정렬될 수 있다.
복수의 픽셀들(PX) 각각은 세 개의 서브 픽셀들(SP)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX) 각각은 적색, 녹색 및 청색의 서브 픽셀(SP)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 픽셀(SP1)은 적색 광을 방출하며, 제2 서브 픽셀(SP2)은 녹색 광을 방출하고, 제3 서브 픽셀(SP3)은 청색 광을 방출할 수 있다.
도 8에는 하나의 픽셀(PX) 내부에 제1 내지 제3 서브 픽셀(SP1, SP2, SP3)이 서로 이격되어 나란히 배열된 것이 예시적으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 서브 픽셀(SP1)은 제1 광을 방출하는 제1 발광 소자를 포함하고, 제2 서브 픽셀(SP2)은 제2 광을 방출하는 제2 발광 소자를 포함하며, 제3 서브 픽셀(SP3)은 제3 광을 방출하는 제3 발광 소자를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 제1 광은 적색 광일 수 있고, 상기 제2 광은 녹색 광일 수 있고, 상기 제3 광은 청색 광일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제1 내지 제3 발광 소자는 각각 다른 피크 파장을 갖는 제1 내지 제3 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 발광 소자의 발광 구조물은 제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출할 수 있고, 상기 제1 피크 파장은 제1 색상의 가시광선 파장 대역에 포함될 수 있으며, 상기 제1 색상은 적색일 수 있다. 상기 제2 발광 소자의 발광 구조물은 상기 제1 피크 파장과는 다른 제2 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출할 수 있고, 상기 제2 광의 제2 색상은 녹색일 수 있다. 또한, 상기 제3 발광 소자의 발광 구조물은 상기 제1 및 제2 피크 파장과는 다른 제3 피크 파장을 갖는 제3 광을 방출할 수 있고, 상기 제3 광의 제3 색상은 청색일 수 있다. 상기 제1 내지 제3 발광 소자는 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 발광 소자(100, 100A, 100B)와 유사한 구조를 가질 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 제1 내지 제3 발광 소자의 발광 구조물들이 동일한 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출할 수 있고, 상기 제1 광의 색상은 청색일 수 있다. 상기 제1 발광 소자는 광파장 변환층을 더 구비할 수 있고, 상기 광파장 변환층이 발광 구조물에서 생성된 제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 흡수하고 상기 제1 피크 파장과는 다른 제2 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출할 수 있다. 상기 제2 광의 색상은 적색일 수 있다. 또한, 상기 제2 발광 소자는 광파장 변환층을 더 구비할 수 있고, 발광 구조물에서 생성된 제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 흡수하고 상기 제1 피크 파장과는 다른 제3 피크 파장을 갖는 제3 광을 방출할 수 있다. 상기 제3 광의 색상은 녹색일 수 있다. 상기 제3 발광 소자는 광파장 변환층을 구비하지 않으며, 제1 광을 방출할 수 있다. 상기 제1 광의 색상은 청색 광에 한정되는 것은 아니며, 적색 광 또는 녹색 광일 수도 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 발광 소자는 도 6을 참조로 설명한 발광 소자(100C)와 유사한 구조를 가지며, 제3 발광 소자는 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 발광 소자(100, 100A, 100B)와 유사한 구조를 가질 수 있다.
이러한 경우에, 제1 내지 제3 서브 픽셀(SP1, SP2, SP3) 내의 제1 내지 제3 발광 구조물들은 모두 실질적으로 동일한 구조 및 물질 조성을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 발광 구조물들은 동일한 구동 전원을 이용하여 구동되며, 동일한 색상의 제1 광을 방출할 수 있다. 제3 서브 픽셀(SP3)이 제1 및 제2 서브 픽셀(SP1, SP2)과는 달리 광파장 변환층을 포함하지 않으므로, 제3 서브 픽셀(SP3)이 제1 및 제2 서브 픽셀(SP1, SP2)에 비해 발광 효율이 높으며, 제1 내지 제3 서브 픽셀(SP1, SP2, SP3)이 모두 동일한 최대 휘도를 갖기 위해, 제1 및 제2 서브 픽셀(SP1, SP2) 각각의 평면 면적은 제3 서브 픽셀(SP3)의 평면 면적보다 넓을 수 있다. 그러나, 제1 내지 제3 서브 픽셀(SP1, SP2, SP3) 내의 발광 소자들의 구조, 배치 및 사이즈들이 전술한 바에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 도 8에 도시된 서브 픽셀의 예시적인 등가 회로도를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 서브 픽셀(SP)은 스위칭 트랜지스터(TRs), 구동 트랜지스터(TRd) 및 저장 커패시터(Cst)를 포함할 수 있다. 구동 트랜지스터(TRd)는 제1 구동 전원(VDD)와 제2 구동 전원(VSS) 사이에서 구동 전류를 생성하여 발광 소자(LED)에 출력한다. 발광 소자(LED)는 제1 내지 제3 발광 구조물 중 한 종류를 포함한다. 전술한 바와 같이, 제1 내지 제3 발광 구조물은 모두 동일한 구동 전원에 의해 구동되는 경우에, 서브 픽셀(SP)의 종류에 따라 픽셀 회로가 달라지거나 구동 전원의 전압 레벨이 달라지지 않는다.
스위칭 트랜지스터(TRs)는 주사 신호가 전달되는 게이트 라인(GL) 및 데이터 신호가 전달되는 데이터 라인(DL)에 연결된다. 스위칭 트랜지스터(TRs)는 주사 신호에 응답하여 데이터 신호를 저장 커패시터(Cst)에 저장한다. 저장 커패시터(Cst)는 스위칭 트랜지스터(TRs)로부터 전달된 데이터 신호를 일시적으로 저장하여, 구동 트랜지스터(TRd)의 게이트-소스 전압을 한 프레임 동안 일정하게 유지한다. 구동 트랜지스터(TRd)는 스위칭 트랜지스터(TRs)로부터 전달된 데이터 신호에 의해 제1 구동 전원(VDD)에서 발광 소자(LED)를 통해 제2 구동 전원(VSS)로 흐르는 전류의 크기를 조절한다. 그에 따라 발광 소자(LED)는 데이터 신호에 대응하는 휘도로 발광하게 된다.
도 10은 다른 실시예들에 따른 표시 장치의 픽셀의 개략적인 블록도이다.
도 10을 참조하면, 픽셀(PX1)은 베이어 패턴으로 정렬된 네 개의 서브 픽셀들(SP1, SP2, SP3, SP4)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 픽셀(SP1)은 적색 서브 픽셀이며, 제2 및 제3 서브 픽셀(SP2, SP3)은 녹색 서브 픽셀이고, 제4 서브 픽셀(SP4)은 청색 서브 픽셀일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 아니다. 도 10에 예시적으로 도시된 것과는 달리, 제1 내지 제4 서브 픽셀(SP1, SP2, SP3, SP4)은 각각 적색, 녹색, 청색 및 백색 서브 픽셀일 수도 있다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 표시 장치(200A)를 나타내는 사시도이고, 도 12는 도 11의 XI-XI' 선을 따라 자른 단면도이다. 도 11 및 도 12에서, 도 1 내지 도 10에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 표시 장치(200A)는 하부 기판(210) 상에 형성된 구동부(TFT)와 구동부(TFT)에 전기적으로 연결된 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)를 포함할 수 있다.
구동부(TFT)는 하부 기판(210) 상에 형성된 반도체층(220), 하부 기판(210) 상에서 반도체층(220)을 커버하는 게이트 절연층(222), 게이트 절연층(222) 상의 게이트 전극(224), 게이트 절연층(222) 및 게이트 전극(224)을 커버하는 층간 절연막(230), 층간 절연막(230)을 관통하여 반도체층(220)의 소스 영역(미도시) 및 드레인 영역(미도시)에 각각 연결되는 소스 전극(232) 및 드레인 전극(234), 층간 절연막(230)을 덮는 보호막(240), 및 보호막(240)을 관통하여 드레인 전극(234)에 연결되는 하부 전극(242)을 포함할 수 있다.
한편, 도 12에서는 예시적으로 구동부(TFT)에서 반도체층(220)이 게이트 전극(224)보다 하부에 형성된 것으로 도시되었지만, 이와는 달리 게이트 전극(224)이 반도체층(220)보다 하부에 형성될 수도 있다. 또한, 도 12에서는 드레인 전극(234)에 하부 전극(242)이 연결되는 것으로 도시되었으나, 이와는 달리 소스 전극(232)에 하부 전극(242)이 연결될 수도 있다.
하부 전극(242) 상에는 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)가 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)는 도 1 내지 도 6을 참조로 설명한 발광 소자(100, 100A, 100B, 100C)와 유사한 기술적 특징들을 가질 수 있다.
도시되지는 않았지만, 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)와 하부 전극(242) 사이에는 접합층(미도시) 또는 공융 금속층이 더 형성될 수도 있다. 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)의 제1 전극(140)이 하부 전극(242)과 전기적으로 연결되어, 구동부(TFT)로부터의 전원 및 신호가 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B) 각각으로 전달될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B) 측면 및 상면을 덮는 보호층(미도시)이 더 형성될 수도 있다.
보호막(240) 상에는 블랙 매트릭스(250)가 배치될 수 있다. 블랙 매트릭스(250)에 의해 하부 기판(210) 상에 복수의 픽셀 공간들(PX2)이 정의될 수 있다. 구체적으로, 복수의 픽셀 공간들(PX2) 각각은 블랙 매트릭스(250)에 의해 인접한 픽셀 공간(PX2)과 구분될 수 있다. 또한, 복수의 픽셀 공간들(PX2) 각각은 블랙 매트릭스(250)에 의해 제1 내지 제3 서브 픽셀 공간(SP_R, SP_G, SP_B)으로 분리될 수 있다. 제1 내지 제3 서브 픽셀 공간(SP_R, SP_G, SP_B) 내에 각각 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)가 배치될 수 있다.
도 11에서는 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)와 블랙 매트릭스(250)가 소정의 간격으로 이격되어 배치되는 것이 예시적으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 11에 도시된 것과는 달리, 블랙 매트릭스(250)가 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B) 각각의 측면 전체와 접촉하도록 배치될 수도 있다. 이러한 경우, 블랙 매트릭스(250)에 의해 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B) 내부에서 측 방향으로 방출되는 광이 반사되어 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B) 위쪽 방향으로 방출될 수 있다.
또한 도 11에서는 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)의 측면에 측면 반사층(160S)(도 3 참조)이 형성되지 않은 것으로 예시적으로 도시되었지만, 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)의 측면에 측면 반사층(160S)이 더 형성될 수도 있다.
도시되지는 않았지만, 제1 내지 제3 서브 픽셀 공간(SP_R, SP_G, SP_B) 각각 내에서, 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)을 둘러싸는 봉지재(미도시)가 더 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 11 및 도 12에는 도시의 편의를 위하여 상부 기판(미도시), 저장 커패시터(Cst)(도 9 참조), 게이트 라인(GL)(도 9 참조) 및 데이터 라인(DL)(도 9 참조) 등을 생략하여 도시하였다.
도 11 및 도 12에 예시적으로 도시된 것과 같이, 복수의 픽셀 공간들(PX2) 각각이 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)를 포함할 수 있고, 제1 발광 소자(100_R)는 적색 광을 방출하며, 제2 발광 소자(100_G)는 녹색 광을 방출하고, 제3 발광 소자(100_B)는 청색 광을 방출할 수 있다. 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)에 입력된 데이터 신호에 따라 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)로부터 상기 입력된 신호에 대응되는 휘도를 갖는 3색 광이 방출될 수 있다. 따라서, 표시 장치(200A)는 휘도가 향상되며, 균일한 이미지를 표시할 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B) 각각은 제1 내지 제3 서브 픽셀 공간(SP_R, SP_G, SP_B)의 평면 면적보다 약간 작은 평면 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제3 서브 픽셀 공간(SP_R, SP_G, SP_B) 각각은 X 방향을 따라 약 50 ㎛ 내지 300 ㎛ 범위의 제1 폭(WX2)과, Y 방향을 따라 약 200 ㎛ 내지 600 ㎛의 제2 폭(WY2)을 가질 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B) 각각은 X 방향을 따라 약 10 ㎛ 내지 300 ㎛ 범위의 제1 폭(WX1)(도 1 참조)과, Y 방향을 따라 약 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 제2 폭(WY1)(도 1 참조)을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 표시 장치의 복수의 픽셀들 중 하나의 픽셀에 필요한 광량은 대략 10 ㎛ × 10 ㎛의 사이즈를 갖는 발광 다이오드로부터 얻어질 수 있다. 그러나, 하나의 픽셀의 크기에 비하여 상기 발광 다이오드의 크기가 너무 작기 때문에, 하나의 픽셀이 하나의 발광 다이오드를 구비하는 경우 상기 발광 다이오드는 점광원의 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 다이오드와 가깝게 배치되는 상기 픽셀 일부분에는 높은 휘도를 갖는 휘점이 나타날 수 있어 상기 픽셀은 불균일한 휘도를 갖게 될 수 있고, 상기 하나의 픽셀 전체에 균일한 광량이 제공되지 못하는 문제점이 있다. 만약 상기 발광 다이오드와 상기 픽셀 사이에 디퓨저(diffuser) 또는 확산 렌즈 등의 추가 광학계가 부착되는 경우, 상기 픽셀에 비교적 균일한 광량이 제공될 수 있다. 그러나, 디퓨저 또는 확산 렌즈의 부착에 의해 표시 장치의 두께 및 무게가 증가될 수 있어 콤팩트한 표시 장치를 얻기 어렵다.
그러나, 본 발명에 따르면, 발광 구조물(120)이 기판(110)의 제1 측면 상에 배치되고, 발광 구조물(120)로부터 방출된 제1 내지 제3 광이 기판(110)의 상면을 통해 표시 장치(200) 위쪽 방향으로 균일하게 방출될 수 있다. 전술한 것과 같이, 기판(110)의 상면 면적은 제1 내지 제3 서브 픽셀 공간(SP_R, SP_G, SP_B)의 평면 면적보다 약간 작기 때문에, 제1 내지 제3 서브 픽셀 공간(SP_R, SP_G, SP_B)의 실질적으로 전체 면적에 걸쳐 광이 균일하게 방출될 수 있다. 즉, 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)는 기판(110)의 상면을 광추출면으로 가짐에 따라 면광원으로 작용할 수 있다. 또한, 마이크로사이즈의 발광 소자를 표시 장치의 광원으로 사용할 때 추가로 구비할 필요가 있는 광학계가 설치될 필요가 없으며, 이에 따라 표시 장치(200A)는 콤팩트한 두께를 가질 수 있다.
또한, 발광 구조물(120)의 면적이 작더라도(예를 들어 수 마이크로미터 폭을 갖더라도), 기판(110)의 상면 면적을 크게 함으로써 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)의 전체 상면에 걸쳐 균일한 광량이 제공될 수 있다. 따라서, 발광 소자(100_R, 100_G, 100_B)를 포함하는 표시 장치(200)는 휘도, 소비 전력, 픽셀 사이즈 등 표시 장치(200)의 설계와 관련하여 향상된 유연성을 가질 수 있다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따른 표시 장치(200B)를 나타내는 단면도이다. 도 13에서, 도 1 내지 도 12에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 13을 참조하면, 하부 기판(210) 상에 복수의 픽셀 공간들(PX3)이 제공될 수 있다. 복수의 픽셀 공간들(PX3) 각각 내에는 제1 내지 제3 발광 소자(100_R1, 100_G1, 100_B1)가 수직 방향(도 13의 Z 방향)으로 적층되어 배치될 수 있다.
제1 내지 제3 발광 소자(100_R1, 100_G1, 100_B1)는 도 1 내지 도 6을 참조로 설명한 발광 소자(100, 100A, 100B, 100C)와 유사한 기술적 특징들을 가질 수 있다.
제1 발광 소자(100_R1)와 제2 발광 소자(100_G1) 사이에는 제1 중간층(262)이 배치될 수 있고, 제2 발광 소자(100_G1)와 제3 발광 소자(100_B1) 사이에는 제2 중간층(264)이 배치될 수 있다. 제1 및 제2 중간층(262, 264)은 광투과성을 갖는 절연 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 및 제2 중간층(262, 264)은 SiO2, SiOxNy, SixNy과 같은 절연 물질을 증착시켜 형성될 수 있다.
블랙 매트릭스(250A)는 복수의 픽셀 공간들(PX3) 각각을 인접한 픽셀 공간(PX3)과 분리시키며, 도 11에서 설명한 표시 장치(200)에서와 달리 복수의 픽셀 공간들(PX3) 각각은 복수의 서브 픽셀 공간으로 분리되지 않을 수 있다. 블랙 매트릭스(250A)는 제1 내지 제3 발광 소자(100_R1, 100_G1, 100_B1)의 측벽들을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
도 13에는 도시되지 않았지만, 하부 기판(210) 상에는 3개의 구동부(TFT)(도 12 참조)가 형성될 수 있고, 상기 3개의 구동부(TFT)가 제1 내지 제3 발광 소자(100_R1, 100_G1, 100_B1)에 각각 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다.
도 13에 예시적으로 도시된 것과 같이, 적색 광을 방출하는 제1 발광 소자(100_R1)가 보호막(240) 상에 배치되고, 녹색 광을 방출하는 제2 발광 소자(100_G1)가 제1 발광 소자(100_R1) 위에 배치되며, 청색 광을 방출하는 제3 발광 소자(100_B1)가 제2 발광 소자(100_G1) 상에 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 내지 제3 발광 소자(100_R1, 100_G1, 100_B1)의 상대적인 위치 및/또는 크기는 달라질 수 있다.
상기 표시 장치(200B)에 따르면, 복수의 픽셀 공간들(PX3) 각각이 서로 수직 방향으로 적층된 제1 내지 제3 발광 소자(100_R1, 100_G1, 100_B1)를 포함할 수 있다. 따라서, 복수의 픽셀 공간들(PX3)로부터 픽셀 공간들(PX3)의 실질적으로 전체 면적에 걸쳐 3색 광이 균일하게 방출될 수 있다. 따라서, 표시 장치(200B)는 휘도가 향상되며, 균일한 이미지를 표시할 수 있다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 표시 장치(200C)를 나타내는 단면도이다. 도 14에서, 도 1 내지 도 13에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 14를 참조하면, 하부 기판(210) 상에 복수의 픽셀 공간들(PX4)이 제공될 수 있다. 복수의 픽셀 공간들(PX4) 각각은 블랙 매트릭스(250B)에 의해 제1 및 제2 서브 픽셀 공간(SP_1, SP_2)으로 분리될 수 있다.
제1 서브 픽셀 공간(SP_1) 내에는 제1 및 제2 발광 소자(100_R2, 100_G2)가 수직 방향(도 14의 Z 방향)으로 적층되어 배치될 수 있다. 제2 서브 픽셀 공간(SP_2) 내에는 제3 및 제4 발광 소자(100_G3, 100_B2)가 수직 방향으로 적층되어 배치될 수 있다. 제1 발광 소자(100_R2)는 적색 광을 방출하며, 제2 및 제3 발광 소자(100_G2, 100_G3)는 녹색 광을 방출하며, 제4 발광 소자(100_B2)는 청색 광을 방출할 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 내지 제4 발광 소자(100_R2, 100_G2, 100_G3, 100_B2)는 도 1 내지 도 6을 참조로 설명한 발광 소자(100, 100A, 100B, 100C)와 유사한 기술적 특징들을 가질 수 있다.
도 15 내지 도 20은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다. 도 15 내지 도 20에서는, 도 1의 II-II' 선을 따라 자른 단면에 대응하는 단면도들을 공정 순서에 따라 도시하였다. 도 15 내지 도 20에서, 도 1 내지 도 14에서와 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 15를 참조하면, 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 반도체층 스택(120S)을 형성할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 기판(110)은 사파이어 기판 등의 절연 기판일 수 있다.
도 16을 참조하면, 반도체층 스택(120S) 에 제1 도전형 반도체층(122)의 일부(E1)가 노출되도록 메사 에칭을 실행한 후 제1 절연층(130a)을 증착할 수 있다. 본 에칭 공정에 의해 메사는 개별 발광 소자 패키지당 1개 또는 복수개 형성될 수 있다.
도 17을 참조하면, 제1 절연층(130a) 중 일부를 에칭한 후 도전성 오믹 물질을 증착하여 제1 및 제2 전극부(142, 152)를 형성할 수 있다.
제1 및 제2 전극부(142, 152)는 Ag Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 및 이들을 포함하는 합금물질 중 적어도 하나를 포함하는 반사성 전극일 수 있다.
도 18을 참조하면, 제1 절연층(130a), 제1 및 제2 전극부(142, 152) 상에 제2 절연층(130b)을 형성한 후, 에칭을 통해 제1 및 제2 전극부(142, 152) 중 일부를 노출시킬 수 있다.
도 19를 참조하면, 제1 및 제2 전극부(142, 152) 상부에 제1 및 제2 패드(144, 154)를 형성할 수 있다. 제1 및 제2 패드(144, 154)는 각각 제1 및 제2 전극부(142, 152)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 20을 참조하면, 개별 칩 단위로 분리하는 아이솔레이션 공정(S410)이 진행될 수 있다. 상기 아이솔레이션 공정(S410)은 블레이드로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 스크라이브 레인(SL)을 따라 반도체층 스택(120S)과 함께 기판(110)이 절단될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 아이솔레이션 공정(S410)이 수행되기 전에 기판(110)의 바닥면을 소정의 두께만큼 제거하는 그라인딩 공정이 더 수행될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 그라인딩 공정에 의해 노출된 기판(110)의 바닥면으로부터 기판(110)이 절단될 수도 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 15 내지 도 20에서는, 예를 들어 사파이어 등의 절연 기판 상에 반도체층 스택(120S)을 형성하는 예시적인 방법에 대하여 도시하였다. 그러나, 이와는 달리 실리콘 기판 등과 같은 성장 기판 상에 반도체층 스택(120S)을 형성할 수도 있다. 이러한 경우, 상기 아이솔레이션 공정(S410) 이전 또는 이후에 상기 성장 기판을 제거하기 위한 공정 및 글래스 기판 등과 같은 투명 기판 상에 상기 반도체층 스택(120S)을 부착시키기 위한 공정이 추가로 수행될 수도 있다. 상기 성장 기판을 제거하기 위한 공정에서, 반도체층 스택(120S) 상면에는 요철(P)(도 6 참조)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 성장 기판을 제거하기 위한 공정 이후에, 반도체층 스택(120S) 상면에 광파장 변환층(170)을 형성하고, 광파장 변환층(170) 상에 투명 기판을 부착시킬 수도 있다. 이러한 공정에 의해, 도 6을 참조로 설명한 발광 소자(100C)가 제조될 수 있다.
또한, 아이솔레이션 공정(S410)에 의해 개별 칩으로 분리된 발광 소자의 측면 또는 바닥면 상에 반사층을 형성하는 공정이 더 수행될 수도 있다. 예를 들어, 바닥면 반사층(160B)(도 5 참조)을 형성하기 위하여, 발광 소자의 바닥면 상에 마스크를 형성하고, 상기 마스크에 의해 커버되지 않은 상기 발광 소자 바닥면 상에 스프레이법 또는 스퍼터링 공정, 전자빔 증발 공정 등에 의해 바닥면 반사층(160B)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 측면 반사층(160S)(도 3 참조)을 형성하기 위하여 상기 발광 소자 상면 상에 마스크를 형성하고, 스프레이법에 의해 상기 발광 소자의 측면 상에 측면 반사층(160S)을 형성할 수도 있다. 그러나, 상기 반사층을 형성하기 위한 공정들이 전술한 바에 한정되는 것은 아니다.
지금까지 발광 소자(100, 100A, 100B, 100C) 및 상기 발광 소자를 포함하는 표시 장치(200, 200A, 200B, 200C)에 대하여 상세히 설명하였다. 본 발명에 따른 발광 소자(100, 100A, 100B, 100C)는 도 7 내지 도 14를 참조로 전술한 것과 같이 표시 장치(200, 200A, 200B, 200C)의 패널 내에 포함될 수 있을 뿐만 아니라, 표시 장치의 백라이트 유닛 내에도 포함될 수 있으며, 조명 장치로도 사용될 수 있다.
아래에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 발광 소자(100, 100A, 100B, 100C)를 포함하는 백 라이트 유닛 및 이를 사용한 표시 장치에 대하여 설명하도록 한다.
도 22는 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 채용한 백라이트 유닛의 개략적인 사시도이다.
도 22를 참조하면, 백라이트 유닛(2000)은 도광판(2040) 및 도광판(2040) 양측면에 제공되는 광원모듈(2010)을 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(2000)은 도광판(2040)의 하부에 배치되는 반사판(2020)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 백라이트 유닛(2000)은 에지형 백라이트 유닛일 수 있다.
실시예에 따라, 광원모듈(2010)은 도광판(2040)의 일 측면에만 제공되거나, 다른 측면에 추가적으로 제공될 수도 있다. 광원모듈(2010)은 인쇄회로기판(2001) 및 인쇄회로기판(2001) 상면에 실장된 복수의 광원(2005)을 포함할 수 있다.
도 23은 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 채용한 백라이트 유닛의 개략적인 단면도이다.
도 23을 참조하면, 백라이트 유닛(2100)은 광확산판(2140) 및 광확산판(2140) 하부에 배열된 광원모듈(2110)을 포함할 수 있다. 또한, 백라이트 유닛(2100)은 광확산판(2140) 하부에 배치되며, 광원모듈(2110)을 수용하는 바텀케이스(2160)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 백라이트 유닛(2100)은 직하형 백라이트 유닛일 수 있다.
광원모듈(2110)은 인쇄회로기판(2101) 및 인쇄회로기판(2101) 상면에 실장된 복수의 광원(2105)을 포함할 수 있다.
도 24는 직하형 백라이트 유닛에 있어서, 광원의 배치의 일 예를 나타낸다.
본 실시 형태에 따른 직하형 백라이트 유닛(2200)은 기판(2201)상에 배열된 복수의 광원(2205)을 갖추어 구성된다.
상기 광원(2205)들의 배열 구조는 행과 열로 배열된 매트릭스 구조로서 각각의 행과 열은 지그재그 형태를 갖는다. 이는, 복수의 광원(2205)이 일직선상에 행과 열로 배열된 제1 매트릭스의 내부에 동일한 형태의 제2 매트릭스가 배치된 구조로서 상기 제1 매트릭스에 포함된 인접한 4개의 광원(2205)이 이루는 사각형의 내부에 상기 제2 매트릭스의 각 광원(2205)이 위치하는 것으로 이해될 수 있다.
다만, 상기 직하형 백라이트 유닛에 있어서 휘도의 균일성 및 광효율을 보다 향상시키기 위해 필요에 따라서는, 상기 제1 및 제2 매트릭스는 그 배치 구조 및 간격을 서로 다르게 할 수도 있다. 또한, 이러한 복수의 광원 배치 방법 외에, 휘도 균일도를 확보할 수 있도록 인접한 광원간의 거리(S1, S2)를 최적화할 수 있다.
이와 같이, 광원(2205)들로 구성된 행과 열을 일직선상에 배치하지 않고, 지그재그로 배치함에 따라, 동일한 발광 면적에 대하여 약 15% ~ 25% 정도 광원(2205)의 수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 25는 예시적인 실시예들에 따른 발광 소자를 채용한 백라이트 유닛의 개략적인 단면도이다.
도 25를 참조하면, 본 실시예에 따른 백라이트 유닛(2300)은 광학시트(2320) 및 상기 광학시트(2320) 하부에 배열된 광원모듈(2310)을 포함할 수 있다.
상기 광학시트(2320)는 확산시트(2321), 집광시트(2322), 보호시트(2323) 등을 포함할 수 있다.
상기 광원모듈(2310)은 회로 기판(2311), 상기 회로 기판(2311) 상에 실장된 복수의 광원(2312) 및 상기 복수의 광원(2312) 상부에 각각 배치되는 복수의 광학소자(2313)를 포함할 수 있다.
상기 광학소자(2313)는, 굴절을 통해 광의 지향각을 조절할 수 있으며, 특히 광원(2312)의 빛을 넓은 영역으로 확산시키는 광지향각 렌즈가 주로 사용될 수 있다. 이러한 광학소자(2313)가 부착된 광원(2312)은 더 넓은 광 분포를 갖게 되기 때문에 백라이트, 평판 조명 등에 광원모듈이 사용되는 경우, 동일 면적당 필요한 광원(2312)의 개수를 절약할 수 있다.
아래에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 발광 소자(100, 100A, 100B, 100C)를 포함하는 조명 장치에 대하여 설명하도록 한다.
도 26은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 평판 조명 장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
도 26을 참조하면, 평판 조명 장치(4100)는 광원모듈(4110), 전원공급장치(4120) 및 하우징(4030)을 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 광원모듈(4110)은 발광 소자 어레이를 광원으로 포함할 수 있고, 전원공급장치(4120)는 발광 소자 구동부를 포함할 수 있다. 광원모듈(4010)에 본 발명에 따른 발광 소자(100, 100A, 100B, 100C)가 포함될 수 있다.
광원모듈(4110)은 발광 소자 어레이를 포함할 수 있고, 전체적으로 평면 현상을 이루도록 형성될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 발광 소자 어레이는 발광 소자 및 발광 소자의 구동정보를 저장하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
전원공급장치(4120)는 광원모듈(4110)에 전원을 공급하도록 구성될 수 있다. 하우징(4130)은 광원모듈(4110) 및 전원공급장치(4120)가 내부에 수용되도록 수용 공간이 형성될 수 있고, 일측면에 개방된 육면체 형상으로 형성되나 이에 한정되는 것은 아니다. 광원모듈(4110)은 하우징(4130)의 개방된 일측면으로 빛을 발광하도록 배치될 수 있다.
그러나 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 발광 소자(100, 100A, 100B, 100C)는 평판형 조명 장치 이외에도 바 타입의 램프 또는 벌브형 램프에도 적용될 수 있다.
지금까지의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 발광 소자 110: 기판
120: 발광 구조물 122: 제1 도전형 반도체층
124: 활성층 126: 제2 도전형 반도체층
130: 절연층 140: 제1 전극
150: 제2 전극 160B: 바닥면 반사층
160S: 측면 반사층 170: 광파장 변환층
200: 표시 장치 100_R, 100_G, 100_B: 발광 소자
220: 반도체층 222: 게이트 절연층
224: 게이트 전극 230: 층간 절연막
232: 소스 전극 234: 드레인 전극
240: 보호막 242: 전극
250: 블랙 매트릭스

Claims (20)

  1. 상면과 제1 측면을 구비하며, 상기 상면의 면적이 상기 제1 측면의 면적보다 큰 기판; 및
    상기 기판의 상기 제1 측면 상에 배치되며, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체 층, 및 상기 제1 도전형 반도체 층과 상기 제2 도전형 반도체 층 사이의 활성층을 포함하고, 제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출하는 발광 구조물;을 포함하고,
    상기 기판의 상기 상면을 통해 방출되는 상기 제1 광의 방출 면적이 상기 기판의 상기 제1 측면을 통해 방출되는 상기 제1 광의 방출 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 발광 구조물의 결정 성장 기판인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상기 상면의 면적은 상기 제1 측면 상에 배치된 상기 발광 구조물의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기판의 상기 상면 면적 대 상기 발광 구조물의 면적은 약 2 : 1 내지 약 100 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제1 측면에 수직한 방향을 따른 제1 폭과 상기 상면에 수직한 방향을 따른 제1 높이를 가지며,
    상기 제1 폭 대 상기 제1 높이는 약 2 : 1 내지 약 100 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제1 측면과 다른 제2 측면을 더 구비하는 것을 특징으로 하며,
    상기 기판의 상기 제2 측면 상에 배치되고 상기 발광 구조물로부터 상기 제2 측면을 향해 방출되는 상기 제1 광을 반사하는 측면 반사층을 더 포함하는 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 측면 반사층은 상기 발광 구조물의 측면 일부분을 커버하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 바닥면 상에 배치되며, 상기 발광 구조물로부터 상기 바닥면을 향해 방출되는 상기 제1 광을 반사하는 바닥면 반사층을 더 포함하는 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상기 제1 측면 상에서 상기 발광 구조물을 사이에 두고 배치되며, 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및
    상기 기판의 상기 제1 측면 상에서 상기 발광 구조물을 사이에 두고 배치되며, 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함하는 발광 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판의 바닥면 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며 상기 발광 구조물로부터 상기 바닥면을 향해 방출되는 광을 반사하는 제1 바닥면 반사층; 및
    상기 기판의 상기 바닥면 상에 배치되며, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되며 상기 발광 구조물로부터 상기 바닥면을 향해 방출되는 광을 반사하는 제2 바닥면 반사층;을 더 포함하는 발광 소자.
  11. 제1 발광 소자와 제2 발광 소자를 각각 포함하는 복수의 픽셀들을 포함하고,
    상기 제1 발광 소자 및 상기 제2 발광 소자는, 하부 기판 상에 형성되며 각각 제1 피크 파장을 갖는 제1 광 및 제2 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하고,
    상기 제1 발광 소자와 상기 제2 발광 소자 중 적어도 하나는, 기판과, 상기 기판의 제1 측면 상에 배치된 발광 구조물을 포함하며,
    상기 기판은 상기 하부 기판의 상면과 수직한 제1 방향을 따른 제1 높이와, 상기 하부 기판의 상기 상면에 평행한 제2 방향을 따른 제1 폭을 가지며, 상기 제1 폭이 상기 제1 높이보다 더 큰 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 발광 구조물은,
    상기 기판의 상기 제1 측면 상에 순차적으로 배치된 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체 층, 및 상기 제1 도전형 반도체 층과 상기 제2 도전형 반도체 층 사이의 활성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 기판의 상면은 상기 상면을 통해 상기 제1 광 또는 상기 제2 광이 방출되는 광 추출면인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 발광 소자 및 상기 제2 발광 소자는 상기 하부 기판의 상기 상면에 평행한 상기 제2 방향으로 나란히 배열되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 하부 기판 상에 형성되며, 상기 제1 발광 소자 및 상기 제2 발광 소자의 측면을 각각 에워싸는 블랙 매트릭스를 더 포함하는 표시 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 발광 소자와 상기 제2 발광 소자 사이에 상기 블랙 매트릭스가 위치하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 발광 소자 및 상기 제2 발광 소자는 상기 하부 기판의 상기 상면에 수직한 상기 제1 방향으로 나란히 배열되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 발광 소자와 상기 제2 발광 소자 사이에 개재되며, 광 투과 특성을 갖는 중간층을 더 포함하는 표시 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 각각은 제3 발광 소자를 더 포함하며,
    상기 제3 발광 소자는 상기 하부 기판 상에 형성되며 제3 피크 파장을 갖는 제3 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 광은 적색 광이며, 상기 제2 광은 녹색 광이며, 상기 제3 광은 청색 광인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
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