KR20220008551A - 전자 소자 및 이를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

너비가 20 ㎛ 이하인 발광소자, 상기 발광소자와 중첩하도록 배치된 양자점 컬리필터, 그리고 상기 양자점 컬러필터로부터 발광한 제1광을 감지하는 광 감지부를 포함하는 전자 소자가 제공된다.

Description

전자 소자 및 이를 포함하는 표시 장치{ELECTRONIC DEVICE, AND DISPLAY DEVICE COMPRISING THE SAME}
전자 소자 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.
모바일 장치(mobile device)에서, 홍채 인식 및 헬스 케어(health care) 등의 다양한 부가 기능을 부여하기 위해 요구되는, 광 감지 센서 및 적외선(IR) 광원은 디스플레이와 별개의 센서 및 광원을 디바이스에 추가하여 제조하는 것이 일반적이다.
그러나, 이 경우 센서 및 광원을 모바일 장치에 별개로 장착해야 되기 때문에 회로가 복잡해지고 공간을 많이 차지하게 되고, 싱글 타입(single type)의 센서만 장착이 가능하여 기능에 한계를 가진다.
일 구현예는, 표시 소자와 광 센서를 결합하여, 폼 팩터(form factor)를 개선하고, 적용성(application)을 증대시킬 수 있는 전자 소자 및 이를 포함하는 표시 장치에 대한 것이다.
일 구현예는, 너비가 20 ㎛ 이하인 발광소자, 발광소자와 중첩하도록 배치된 양자점 컬리필터, 그리고 양자점 컬러필터로부터 발광한 제1광을 감지하는 광 감지부를 포함하는 전자 소자를 제공한다.
발광소자는 마이크로 LED(micro light emitting diode, μ-LED)일 수 있다.
제1광은 780 nm 내지 1500 nm 파장영역의 광일 수 있다.
발광소자는 430 nm 내지 470 nm 파장영역의 제2광을 방출할 수 있다.
양자점 컬리필터는 제2광을 제1광으로 변환할 수 있다.
광 감지부는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다.
광 감지부의 너비는 20 ㎛ 이하일 수 있다.
전자 소자는 복수의 단위 픽셀들을 포함하며, 단위 픽셀은, 광 감지부를 포함하는 제1 서브 픽셀, 제1광을 발광하는 제2 서브 픽셀, 및 제1광과 발광 파장이 다른 제3광을 발광하는 제3 서브 픽셀을 포함할 수 있다.
제1 서브 픽셀은, 제2 서브 픽셀과 제3 서브 픽셀 사이에 위치할 수 있다.
제1 서브 픽셀은, 제2 서브 픽셀 또는 제3 서브 픽셀의 외측에 위치할 수 있다.
단위 픽셀은 제1광 및 제3광과 발광 파장이 다른 제4광을 발광하는 제4 서브 픽셀을 더 포함할 수 있다.
단위 픽셀은 제2광을 발광하는 제5 서브 픽셀을 더 포함할 수 있다.
제2 서브 픽셀, 제3 서브 픽셀, 또는 이들 모두는, 각각, 너비가 20 ㎛ 이하인 발광소자, 및 발광소자 위에 위치하고, 발광소자와 중첩하도록 배치된 양자점 컬러필터를 포함할 수 있다.
제2 서브 픽셀, 제3 서브 픽셀, 또는 이들 모두는, 각각, 양자점 컬러필터를 구획하는 격벽을 더 포함할 수 있다.
제1 서브 픽셀은, 광 감지부와 중첩하도록 배치된 제1 투과층을 더 포함할 수 있다.
제1 투과층은, 제2 서브 픽셀 또는 제3 서브 픽셀 내 발광소자 및 발광소자 위에 위치하는 양자점 컬러필터와 평행한 위치에 존재할 수 있다.
제5 서브 픽셀은, 너비가 20 ㎛ 이하인 발광소자, 및 발광소자 위에 위치하며 발광소자와 중첩하도록 배치된 제2 투과층을 포함할 수 있다.
제2 서브 픽셀, 제3 서브 픽셀, 또는 이들 모두는, 각각, 양자점 컬러필터 위에 위치하는 오버코트층을 더 포함할 수 있다.
제2 서브 픽셀, 제3 서브 픽셀, 또는 이들 모두는, 각각, 양자점 컬러필터 위에 위치하는 흡수형 컬러필터를 더 포함할 수 있다.
다른 일 구현예는, 전자 소자를 포함하는 표시 장치를 제공한다.
일 구현예에 따른 전자 소자는 표시 소자와 광 센서를 결합하여, 폼 팩터(form factor)를 개선하고, 적용성(application)을 증대시킬 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 전자 소자의 개략적인 사시도이고,
도 2는 도 1에서 단위 픽셀의 개략적인 단면도이고,
도 3은 격벽의 다른 예시를 나타내기 위하여, 도 2의 단위 픽셀 중 양자점 컬러필터, 그 위에 위치하는 오버코트층 및 흡수형 컬러필터를 분리하여 나타낸 단면도이고,
도 4는 제2 투과층의 다른 예시를 나타내기 위하여, 도 2의 단위 픽셀 중 양자점 컬러필터, 그 위에 위치하는 오버코트층 및 흡수형 컬러필터를 분리하여 나타낸 단면도이고,
도 5는 도 2의 단위 픽셀에서 박막 봉지층을 더 포함하는 경우를 나타내기 위하여, 도 2의 단위 픽셀 중 양자점 컬러필터, 그 위에 위치하는 오버코트층 및 흡수형 컬러필터를 분리하여 나타낸 단면도이고,
도 6은 도 2의 단위 픽셀에서 제4 흡수형 컬러필터를 더 포함하는 경우를 나타내기 위하여, 도 2의 단위 픽셀 중 양자점 컬러필터, 그 위에 위치하는 오버코트층 및 흡수형 컬러필터를 분리하여 나타낸 단면도이고,
도 7은 도 2에서 발광소자의 개략적인 단면도이고,
도 8 및 도 9는 단위 픽셀의 다양한 변형예들을 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
일 구현예에 따른 전자 소자는 발광소자, 발광소자와 중첩하도록 배치된 양자점 컬리필터, 그리고 양자점 컬러필터로부터 발광한 제1광을 감지하는 광 감지부를 포함한다.
이하에서는 도 1을 참조하여 일 구현예에 따른 전자 소자(1)에 대해 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 전자 소자(1)의 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 전자 소자(1)는 복수개의 단위 픽셀들(100)을 포함하며, 각각의 단위 픽셀(100)은 예를 들어 적색(Red, R), 녹색(Green, G), 청색(Blue, B)의 광을 선택적으로 방출할 수 있다. 단위 픽셀(100)은 제3 서브 픽셀(PX3), 제4 서브 픽셀(PX4), 및 제5 서브 픽셀(PX5)의 3 개의 서브 픽셀을 포함할 수 있고, 제3 서브 픽셀(PX3)은 적색 서브 픽셀일 수 있고, 제4 서브 픽셀(PX4)은 녹색 서브 픽셀일 수 있으며, 제5 서브 픽셀(PX5)은 청색 서브 픽셀일 수 있다. 또한, 단위 픽셀(100)은 선택적으로 적외선(Infra-Red, IR)의 광을 방출하는 제2 서브 픽셀(PX2)을 더 포함할 수 있다.
단위 픽셀(100)은 서브 픽셀들(PX) 사이에 위치하고 광, 특히 적외선광을 감지할 수 있는 제1 서브 픽셀(PD)을 포함할 수 있다. 제1 서브 픽셀(PD)은 하나 이상의 서브 픽셀(PX)에 대응하여 구비될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 제1 서브 픽셀(PD)의 배열 구조 및 위치는 다양한 변형예를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 픽셀(PD)은 제3 서브 픽셀(PX3) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)과 제2 서브 픽셀(PX2) 사이에 위치하거나, 제2 서브 픽셀(PX2) 또는 제3 서브 픽셀(PX3) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)의 외측에 위치할 수 있다.
D2 방향을 따라 배치된 복수의 서브 픽셀들(PX)은 동일한 색상을 방출할 수 있다. 일 예로, B1을 따라 위치하는 복수의 제3 서브 픽셀들(PX3)은 적색광을 방출하고, B2를 따라 위치하는 복수의 제4 서브 픽셀들(PX4)은 녹색광을 방출하고, B3를 따라 위치하는 복수의 제5 서브 픽셀들(PX5)은 청색광을 방출할 수 있다. B1에 포함되는 복수의 제3 서브 픽셀들(PX3)은 전기적으로 서로 연결될 수 있으며, B2에 포함되는 복수의 제4 서브 픽셀들(PX4)은 전기적으로 서로 연결될 수 있으며, B3에 포함되는 복수의 제5 서브 픽셀들(PX5) 역시 전기적으로 서로 연결될 수 있다.
이하에서는 도 1에서 단위 픽셀(100)을 D1 및 D3 방향(D1XD3)을 따라 자른 단면도인 도 2를 이용하여 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 단위 픽셀(100)은 복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D) 및 발광소자가 없는 빈 영역(blank)을 포함할 수 있는데, 각각의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)은 제2 서브 픽셀(PX2) 내지 제5 서브 픽셀(PX5) 중 어느 하나를 구성하고, 발광소자가 없는 빈 영역은 제1 서브 픽셀(PD)을 구성한다.
제1 서브 픽셀(PD)은, 광 감지부(112)를 포함하는 기판(110), 및 기판(110)의 광 감지부(112) 위에 위치하고, 광 감지부(112)와 중첩하도록 배치된 제1 투과층(150)을 포함한다.
제2 서브 픽셀(PX2) 내지 제4 서브 픽셀(PX4)은 각각 기판(110), 기판(110) 위에 위치하는 발광소자(120A, 120B, 120D), 및 발광소자(120A, 120B, 120D) 위에 위치하는 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)를 포함한다.
제5 서브 픽셀(PX5)은 기판(110), 기판(110) 위에 위치하는 발광소자(120C), 및 발광소자(120C) 위에 위치하며 발광소자(120C)와 중첩하도록 배치된 제2 투과층(140)을 포함한다.
제1 서브 픽셀(PX1) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)이 포함하는 기판(110)은 일 예로, 일체로 형성될 수 있으며, 투명 기판일 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 사파이어(Al2O3), 질화갈륨(GaN), 실리콘카바이드(SiC), 산화 갈륨 (Ga2O3), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 또는 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 제2 서브 픽셀(PX2) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)을 구성하는 집적 회로부(111) 및 제1 서브 픽셀(PD)을 구성하는 광 감지부(112)를 포함한다.
제2 서브 픽셀(PX2) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)에 해당하는 기판(110)의 상부, 및/또는 기판(110)의 내부에는 각각의 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)에 전원을 공급하도록 구성된 구동부 및 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)를 제어하는 제어부를 포함하는 집적 회로부(111)를 포함할 수 있다. 도 2에서는 효과적인 이해를 위해 집적 회로부(111)를 트랜지스터 회로를 이용하여 도시하였다.
한편, 제1 서브 픽셀(PD)에 해당하는 기판(110)의 상부, 및/또는 기판(110)의 내부에는 광 감지부(112)를 포함한다. 일 예로, 광 감지부(112)는 박막 트랜지스터(TFT) 어레이에 형성되고 추가적인 마스킹 단계를 사용해서 형성된 실리콘 트랜지스터의 변형일 수 있고, 예를 들어 p-i-n 포토다이오드(photodiode)와 같은 실리콘계 포토다이오드를 포함할 수 있다.
다만, 실리콘계 포토다이오드의 경우, 수광 한도 파장이 약 850 nm 수준이어서 적외선광을 수광하기에는 충분하지만, 마이크로파까지 수광하기는 어려울 수 있다. 일 구현예에 따른 전자 소자(1)는 후술하는 바와 같이, 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)이 마이크로 LED일 수 있고, 이 경우 광 감지부(112)를 CMOS기반의 Si계 포토다이오드 대신 마이크로 LED 형성시에 사용하는 GaN 기반의 포토다이오드를 포함할 수 있어, 수광 파장의 범위를 Si계 포토다이오드 보다 확장할 수 있다. GaN 기반의 포토다이오드는 일 예로, GaN 버퍼층/AlGaN/AlGaN:Si/AlGaN:Mg 층의 구조를 가질 수 있다.
광 감지부(112)의 너비는, 단위 픽셀(100)이 초고해상도 화상을 표시할 수 있도록, 20 ㎛ 이하, 예를 들어 15 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이하, 또는 5 ㎛ 이하일 수 있고, 0.1 ㎛ 이상, 예를 들어 0.5 ㎛ 이상, 또는 1 ㎛ 이상일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛, 예를 들어 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다. 광 감지부(112)의 너비는 광의 진행 방향과 대체적으로 수직하는 방향(도 1의 D1 또는 D2 방향)의 길이이다. 또한, 광 감지부(112)의 너비는 가로(도 1의 D1 방향) 및 세로(도 1의 D2 방향) 너비 중 더 작은 너비를 의미한다.
제2 서브 픽셀(PX2) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)에 해당하는 기판(110) 위에는 복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)이 위치할 수 있다. 복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)은 인가되는 전원 또는 구동신호에 의해 광을 방출할 수 있다. 복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)은 LED와 같은 반도체 발광칩을 포함할 수 있다. 복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)은 단위 픽셀(100)의 제3 서브 픽셀(PX3)에 위치한 제1 발광소자(120A), 제4 서브 픽셀(PX4)에 위치한 제2 발광소자(120B), 제5 서브 픽셀(PX5)에 위치한 제3 발광소자(120C)를 포함할 수 있고, 선택적으로 제2 서브 픽셀(PX2)에 위치한 제4 발광소자(120D)를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)은 청색광을 방출할 수 있다. 이 경우, 복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)로부터 방출되는 광의 중심 파장은 약 430 nm 내지 약 470 nm 일 수 있으며, 예를 들어 약 440 nm 내지 약 460 nm일 수 있다.
일 예로, 전자 소자(1)는, 200 ppi 내지 300 psi(pixel per inch)의 화소 밀도를 가지도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 각각의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)의 가로 및/또는 세로의 너비, 및 인접한 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D) 사이의 피치(pitch)는 일반적인 표시 장치들, 예를 들어 유기 발광 표시 장치, 및/또는 기타 표시 장치들의 화소 가로 길이 및 배치되는 각 화소들 사이의 피치 대비 매우 작을 수 있고, 일 예로 각각의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)은 마이크로 LED(micro light emitting diode, μ-LED)일 수 있다.
복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D) 각각의 너비는, 전자 소자(1)가 초고해상도 화상을 표시할 수 있도록, 20 ㎛ 이하, 예를 들어 15 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이하, 또는 5 ㎛ 이하일 수 있고, 0.1 ㎛ 이상, 예를 들어 0.5 ㎛ 이상, 또는 1 ㎛ 이상일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛, 예를 들어 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다. 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)의 너비는 광의 진행 방향과 대체적으로 수직하는 방향(도 1의 D1 또는 D2 방향)의 길이이다. 또한, 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)의 너비는 가로(도 1의 D1 방향) 및 세로(도 1의 D2 방향) 너비 중 더 작은 너비를 의미한다.
이웃한 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D) 사이의 피치는, 단위 픽셀(100)이 초고해상도 화상을 표시할 수 있도록, 20 ㎛ 이하, 예를 들어 15 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이하, 또는 5 ㎛ 이하일 수 있고, 0.1 ㎛ 이상, 예를 들어 0.5 ㎛ 이상, 또는 1 ㎛ 이상일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛, 예를 들어 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다.
발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)의 너비 및/또는 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D) 사이의 피치가 전술한 범위를 만족할 경우, 이를 포함하는 단위 픽셀(100)은 기존의 표시 장치들 대비 초고해상도 및 초고휘도의 화상을 표시할 수 있다.
복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제3 서브 픽셀(PX3)에 위치하는 제1 발광소자(120A)들끼리는 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 제4 서브 픽셀(PX4)에 위치하는 제2 발광소자(120B)들끼리는 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 제5 서브 픽셀(PX5)에 위치하는 제3 발광소자(120C)들끼리는 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 서브 픽셀(PX2)에 위치하는 제4 발광소자(120D)들끼리도 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
이를 위해, 제1 발광소자(120A)들은 드레인 전극이 전기적으로 연결된 상태일 수 있고, 이는 제2 발광소자(120B)들 내지 제4 발광소자(120D)들도 마찬가지이다. 이러한 연결에 따르면 동일한 색상의 광을 방출하는 영역에 위치하는 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)끼리는 동시에 구동이 가능할 수 있다. 위에서는, 드레인 전극이 서로 연결되는 구성을 예로 들어 설명하였으나 이에 제한되지 않고 복수의 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)가 동시에 구동될 수 있는 어떠한 배선 연결도 가능함은 물론이다.
복수의 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D) 위에는 보호층(121)이 위치할 수 있다. 보호층(121)은 무기 물질이거나 유기 물질일 수 있다. 보호층(121)이 무기 물질을 포함하는 경우, 무기 물질은 산화규소 또는 질화규소 등을 포함할 수 있다. 보호층(121)은 복수의 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)를 덮으면서 상부면을 평탄화시킬 수 있다.
보호층(121) 위에는 격벽(160)이 위치할 수 있다. 격벽(160)은 도 1의 D1 방향 및 D2 방향을 따라 연장된 격자 형태일 수 있다.
격벽(160)은 제1 서브 픽셀(PD) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)을 구획하는 한편, 제1 발광소자(120A) 내지 제4 발광소자(120D)로부터 방출된 청색광이 상부로 공급될 수 있도록 가이드할 수 있다.
도 3은 격벽(160)의 다른 예시를 나타내기 위하여, 도 2의 단위 픽셀(100) 중 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR), 그 위에 위치하는 오버코트층(170) 및 흡수형 컬러필터(190R, 190G, 190B)를 분리하여 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 격벽(160) 표면은 광 반사층(161)으로 덮여 있을 수 있다. 광 반사층(161)은 복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D)의 보호층(121)과 격벽(160)의 접촉면을 제외한 나머지 표면을 전부 덮고 있을 수 있다.
광 반사층(161)은 Al, Cu, Ni, Ag, Au 및 이들의 합금, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 코발트 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 인듐 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
광 반사층(161)은 적어도 50 % 이상, 예를 들어 60 % 이상, 70 % 이상, 80 % 이상, 90 % 이상, 또는 심지어 100 %의 가시광 반사율을 가질 수 있다.
이에 따라, 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)에 공급된 광이 광 반사층(161)에 의해 반사되어 양자점(3)에 도달할 가능성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)가 개선된 광 추출 효율을 나타낼 수 있다.
양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)는 격벽(160)에 의해 이격된 공간에 위치하고 있을 수 있다. 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)는 발광소자(120A, 120B, 120D)로부터 입사되는 광을 양자점(3)을 이용하여 변환하여 방출할 수 있다.
제3 서브 픽셀(PX3)은 제2광을 제3광으로 변환하는 제1 양자점 컬러필터(130R)를 포함할 수 있고, 제4 서브 픽셀(PX4)은 제2광을 제3광보다 단파장인 제4광으로 변환하는 제2 양자점 컬러필터(130G)를 포함할 수 있고, 제5 서브 픽셀(PX5)은 제2광을 투과시키는 제2 투과층(140)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 제2 서브 픽셀(PX2)은 제2광을 제3광보다 장파장인 제1광으로 변환하는 제3 양자점 컬러필터(130IR)를 포함할 수 있다.
광 감지부(112)는 제1광 내지 제4광, 또는 이들의 조합을 수광하여 감지할 수 있고, 특히 제1광을 감지할 수 있다.
제1 양자점 컬러필터(130R)은 적색 양자점(3R)을 포함할 수 있다. 이에 따라 입사된 청색광을 적색광으로 변환하여 방출할 수 있다. 제2 양자점 컬러필터(130G)은 녹색 양자점(3G)을 포함할 수 있다. 이에 따라 입사된 청색광을 녹색광으로 변환하여 방출할 수 있다.
제3 양자점 컬러필터(130IR)는 입사된 청색광을 780 nm 내지 1500 nm 파장영역의 광으로 변환하여 방출할 수 있고, 예를 들어 780 nm 내지 980 nm 파장영역의 광, 또는 980 nm 내지 1500 nm 파장영역의 광으로 변환하여 방출할 수 있고, 일 예로 적외선광 또는 마이크로파 등으로 변환하여 방출할 수 있다. 이에 따라, 제3 양자점 컬러필터(130IR)는 적외선 양자점(3IR)을 포함할 수 있다.
제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G) 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR)에 포함되는 양자점(3)은 서로 독립적으로 II-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, IV족 원소 또는 화합물, I-III-VI족 화합물, I-II-IV-VI족 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
II-VI족 화합물은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, MgSe, MgS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, MgZnSe, MgZnS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 HgZnTeS, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. III-V족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, GaAlNP, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. IV-VI족 화합물은 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. I-III-VI족 화합물의 예는 CuInSe2, CuInS2, CuInGaSe,CuInGaS를 포함하나 이에 제한되지 않는다. I-II-IV-VI 족 화합물의 예는 CuZnSnSe, CuZnSnS를 포함하나 이에 제한되지 않는다. IV족 원소 또는 화합물은 Si, Ge 및 이들의 혼합물에서 선택되는 단원소 화합물; 및 SiC, SiGe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 이원소 화합물에서 선택될 수 있다.
이원소 화합물, 삼원소 화합물 또는 사원소 화합물은 균일한 농도로 입자 내에 존재하거나, 농도 분포가 부분적으로 다른 상태로 나누어져 동일 입자 내에 존재하는 것일 수 있다.
또한 하나의 양자점이 다른 양자점을 둘러싸는 코어/쉘 구조를 가질 수도 있다. 코어와 쉘의 계면은 쉘에 존재하는 원소의 농도가 중심으로 갈수록 낮아지는 농도 구배(gradient)를 가질 수 있다.
양자점(3)은 약 45 nm 이하, 바람직하게는 약 40 nm 이하, 더욱 바람직하게는 약 30 nm 이하의 발광 파장 스펙트럼의 반치폭(full width of half maximum, FWHM)을 가질 수 있으며, 이 범위에서 색순도나 색재현율을 향상시킬 수 있다. 또한 이러한 양자점(3)을 통해 발광되는 광은 전 방향으로 방출되는바 시야각이 향상될 수 있다.
양자점(3)은 상업적으로 입수 가능하거나 임의의 방법으로 합성될 수 있다. 일 예로, 양자점(3)은 화학적 습식 방법(wet chemical process)을 통하여 합성된 콜로이드형 입자일 수 있다. 화학적 습식 방법에서는, 유기 용매 중에서 전구체 물질들을 반응시켜 결정 입자들을 성장시키며, 이 때 유기용매 또는 리간드 화합물이 자연스럽게 양자점(3)의 표면에 배위됨으로써 결정의 성장을 조절할 수 있다. 유기 용매 및 리간드 화합물의 구체적인 종류는 알려져 있다. 화학적 습식 방법에서, 합성된 콜로이드형 양자점의 회수는, 반응 용액에 비용매(non-solvent)에 부가하고, 최종 혼합물을 원심 분리하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 회수 과정은 양자점(3) 표면에 배위된 유기물 중 적어도 일부의 제거를 가져올 수 있다. 비용매의 예는 아세톤, 에탄올, 메탄올 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
양자점(3)은 그 표면에 결합된 유기 리간드를 가질 수 있다. 일 예로, 유기 리간드는 소수성 잔기를 가질 수 있다. 유기 리간드는, RCOOH, RNH2, R2NH, R3N, RSH, R3PO, R3P, ROH, RCOOR', RPO(OH)2, R2POOH(여기서, R, R'는 각각 독립적으로, 수소, C5 내지 C24의 치환 또는 미치환의 지방족 탄화수소기, 예컨대 C5 내지 C24의 알킬기, C5 내지 C24의 알케닐기, 또는 C5 내지 C20의 방향족 탄화수소기, 예컨대 C6 내지 C20의 아릴기이되 적어도 하나는 수소가 아님), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
유기 리간드의 예는, 메탄 티올, 에탄 티올, 프로판 티올, 부탄 티올, 펜탄 티올, 헥산 티올, 옥탄 티올, 도데칸 티올, 헥사데칸 티올, 옥타데칸 티올, 벤질 티올 등의 티올 화합물; 메탄 아민, 에탄 아민, 프로판 아민, 부탄 아민, 펜틸 아민, 헥실 아민, 옥틸 아민, 노닐아민, 데실아민, 도데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, 디메틸 아민, 디에틸 아민, 디프로필 아민, 트리부틸아민, 트리옥틸아민, 등의 아민류; 메탄산, 에탄산, 프로판산, 부탄산, 펜탄산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 도데칸산, 헥사데칸산, 옥타데칸산, 올레인산(oleic acid), 벤조산 등의 카르복시산 화합물; 메틸 포스핀, 에틸 포스핀, 프로필 포스핀, 부틸 포스핀, 펜틸 포스핀, 옥틸포스핀, 디옥틸 포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 등의 포스핀 화합물; 메틸 포스핀 옥사이드, 에틸 포스핀 옥사이드, 프로필 포스핀 옥사이드, 부틸 포스핀 옥사이드 펜틸 포스핀옥사이드, 트리부틸포스핀옥사이드, 옥틸포스핀 옥사이드, 디옥틸 포스핀옥사이드, 트리옥틸포스핀옥사이드등의 포스핀 화합물 또는 그의 옥사이드 화합물; 다이 페닐 포스핀, 트리 페닐 포스핀 화합물 또는 그의 옥사이드 화합물; (모노- 또는 디) 헥실포스핀산, (모노- 또는 디) 옥틸포스핀산, (모노- 또는 디) 도데칸포스핀산, (모노- 또는 디) 테트라데칸포스핀산, (모노- 또는 디) 헥사데칸포스핀산, (모노- 또는 디) 옥타데칸포스핀산 등 C5 내지 C20의 (모노- 또는 디) 알킬포스핀산, 헥실포스폰산, 옥틸포스폰산, 도데칸포스폰산, 테트라데칸포스폰산, 헥사데칸포스폰산, 옥타데칸포스폰산 등 C5 내지 C20의 알킬 포스폰산(phosphonic acid); 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 양자점(3)은, 유기 리간드를 단독으로 또는 1종 이상의 혼합물로 포함할 수 있다.
양자점(3)이 적색 양자점(3R)을 포함하는 경우, 적색 양자점(3R)은 (Ca, Sr, Ba)S, (Ca, Sr, Ba)2Si5N8, CaAlSiN3, CaMoO4 및 Eu2Si5N8을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다.
양자점(3)이 녹색 양자점(3G)을 포함하는 경우, 녹색 양자점(3G)은 이트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminum garnet, YAG), (Ca, Sr, Ba)2SiO4, SrGa2S4, 바리움마그네슘알루미네이트(BAM), 알파 사이알론(α-SiAlON), 베타 사이알론(β-SiAlON), Ca3Sc2Si3O12, Tb3Al5O12, BaSiO4, CaAlSiON 및 (Sr1-xBax)Si2O2N2을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다. x는 0 내지 1 사이의 임의의 수일 수 있다.
한편, 제2 투과층(140)은 입사된 광의 변환 없이 입사되는 광을 그대로 방출한다. 제2 투과층(140)은 예컨대 청색광이 입사되고, 청색광이 그대로 방출할 수 있다.
제2 투과층(140)은 청색광을 투과시키는 투명한 수지(resin)를 포함할 수 있다. 청색을 방출하는 영역에 위치하는 제2 투과층(140)은 별도의 양자점(3)을 포함하지 않고 입사된 청색광을 그대로 통과시킨다.
도시하지 않았으나 제2 투과층(140)은 염료 및 안료 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 염료 또는 안료를 포함하는 제2 투과층(140)은 외광 반사를 감소시키고 색순도가 향상된 청색광을 제공할 수 있다.
도 4는 제2 투과층(140)의 다른 예시를 나타내기 위하여, 도 2의 단위 픽셀(100) 중 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR), 그 위에 위치하는 오버코트층(170) 및 흡수형 컬러필터(190R, 190G, 190B)를 분리하여 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면 제2 투과층(140)은 생략될 수도 있으며, 이 경우 오버코트층(170)이 대신 제2 투과층(140)의 빈 공간을 채우고 있을 수 있다.
제2 투과층(140)은 가시광에 대한 광 투과율이 50 % 이상, 예를 들어 60 % 이상, 70 % 이상, 80 % 이상, 90 % 이상, 또는 심지어 100 %일 수 있다.
제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR) 각각은 전술한 격벽(160)에 의해 이격되어 있을 수 있다.
제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR) 각각은 제1 발광소자(120A) 내지 제4 발광소자(120D) 각각과 중첩되도록 위치하고 있을 수 있다.
제1 양자점 컬러필터(130R)의 너비, 제2 양자점 컬러필터(130G)의 너비, 제2 투과층(140)의 너비, 또는 제3 양자점 컬러필터(130IR)의 너비는 각각 20 ㎛ 이하, 예를 들어 15 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이하, 또는 5 ㎛ 이하일 수 있고, 0.1 ㎛ 이상, 예를 들어 0.5 ㎛ 이상, 또는 1 ㎛ 이상일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛, 예를 들어 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다. 제1 양자점 컬러필터(130R)의 너비, 제2 양자점 컬러필터(130G)의 너비, 제2 투과층(140)의 너비, 제3 양자점 컬러필터(130IR)의 너비는 광의 진행 방향과 대체적으로 수직하는 방향(도 1의 D1 또는 D2 방향)의 길이이다. 또한, 이들의 너비는 가로(도 1의 D1 방향) 및 세로(도 1의 D2 방향) 너비 중 더 작은 너비를 의미한다.
이웃한 제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR)의 피치는 20 ㎛ 이하, 예를 들어 15 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이하, 또는 5 ㎛ 이하일 수 있고, 0.1 ㎛ 이상, 예를 들어 0.5 ㎛ 이상, 또는 1 ㎛ 이상일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛, 예를 들어 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다.
이와 같이 제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR) 각각의 너비 및/또는 피치를 조절함으로써, 각 서브 픽셀(PX)에서 복수의 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)로부터 공급된 청색광이 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)에 잘 입사될 수 있다.
양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)의 높이는 격벽(160)의 높이와 같거나 격벽(160)의 높이 보다 낮을 수 있다. 즉, 제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR) 각각의 높이는 격벽(160)의 높이 이하일 수 있다.
한편, 제1 서브 픽셀(PD)에 해당하는 기판(110)의 광 감지부(112) 위에는 제1 투과층(150)이 위치한다.
제1 서브 픽셀(PD)이 제3 서브 픽셀(PX3) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)과 제2 서브 픽셀(PX2) 사이에 위치하거나, 제2 서브 픽셀(PX2) 또는 제3 서브 픽셀(PX3) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)의 외측에 위치할 수 있음에 따라, 제1 투과층(150)도 복수의 발광소자들(120A, 120B, 120C, 120D) 옆에 위치하거나, 이들의 사이에 위치할 수 있다. 또한, 제1 투과층(150)은 복수의 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D) 및 복수의 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D) 위에 위치하는 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)와 평행한 위치에 존재할 수 있다.
제1 투과층(150)도 입사되는 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 제1 투과층(150)은 적색광, 녹색광, 청색광, 적외선광 및 이들의 조합을 투과시키는 투명한 수지(resin)를 포함할 수 있다.
제1 투과층(150)은 가시광 및 적외선광에 대한 광 투과율이 50 % 이상, 예를 들어 60 % 이상, 70 % 이상, 80 % 이상, 90 % 이상, 또는 심지어 100 %일 수 있다.
도시하지 않았으나 제1 투과층(150)도 염료 및 안료 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 염료 또는 안료를 포함하는 제1 투과층(150)은 색순도가 향상된 적색광, 녹색광, 청색광 또는 적외선광을 수광할 수 있다.
제1 투과층(150)은 빈 공간으로 형성될 수 있으며, 이 경우 오버코트층(170)이 대신 빈 공간을 채우고 있을 수 있다. 또는, 제1 투과층(150)은 오버코트층(170)과 별도로 형성될 수 있으며, 무기 물질이나 유기 물질로 채워질 수 있다. 제1 투과층(150)이 무기 물질을 포함하는 경우, 무기 물질은 산화규소 또는 질화규소 등을 포함할 수 있다.
제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 제1 투과층(150), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR) 중 적어도 어느 하나는 산란체(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 제1 투과층(150), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR)가 포함하는 각각의 산란체의 함량은 상이할 수 있다. 산란체는 제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 제1 투과층(150), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR)에서 변환되거나 통과하여 방출 또는 수광되는 광량을 증가시키고 정면 휘도와 측면 휘도를 균일하게 제공할 수 있다.
산란체는 입사되는 광을 고르게 산란시키기 위한 어떠한 물질도 포함할 수 있다. 산란체는 일 예로 TiO2, ZrO2, Al2O3, In2O3, ZnO, SnO2, Sb2O3 및 ITO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 제1 투과층(150), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR)는 일 예로 감광성 수지를 포함할 수 있으며 포토리소그래피 공정을 통해 형성될 수 있다.
제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 제1 투과층(150), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR)가 가지는 평면 면적은 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)의 평면 면적보다 클 수 있다. 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)로부터 방출되는 광은 램버시안 분포(lambertian distribution)를 가질 수 있다. 램버시안 분포를 가지는 청색광은 방출되는 면적보다 큰 면적으로 입사될 수 있다.
제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 제1 투과층(150), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR) 각각의 너비 대 높이의 비율은 약 4:1 내지 약 1:1일 수 있다. 제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 제1 투과층(150), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR) 각각의 너비 대 높이의 비율이 1:1까지 증가하는 경우 너비가 상당히 좁은(즉, 너비 대 높이 비가 상당이 높은) 제1 양자점 컬러필터(130R), 제2 양자점 컬러필터(130G), 제2 투과층(140), 또는 선택적으로 제3 양자점 컬러필터(130IR)의 제공이 가능할 수 있다. 즉, 보다 정밀한 패터닝이 가능할 수 있다.
양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR), 제2 투과층(140), 및/또는 제1 투과층(150) 위에는 오버코트층(170)이 위치할 수 있다. 오버코트층(170)은 무기 물질이거나 유기 물질일 수 있다. 오버코트층(170)이 무기 물질을 포함하는 경우, 무기 물질은 산화규소 또는 질화규소 등을 포함할 수 있다.
오버코트층(170)의 두께는 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)의 두께, 단위 픽셀(100)의 목표 두께, 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)의 휘도 및/또는 발열 정도에 따라 달라질 수 있으나, 1 ㎛ 이상, 예를 들어 2 ㎛ 이상, 3 ㎛ 이상, 4 ㎛ 이상, 또는 5 ㎛일 수 있고, 10 ㎛ 이하, 예를 들어 9 ㎛ 이하, 또는 8 ㎛일 수 있으며, 1 ㎛ 내지 10 ㎛, 예를 들어 1 ㎛ 내지 9 ㎛, 1 ㎛ 내지 8 ㎛, 2 ㎛ 내지 8 ㎛, 3 ㎛ 내지 8 ㎛, 4 ㎛ 내지 8 ㎛, 또는 5 ㎛ 내지 8 ㎛일 수 있다.
오버코트층(170)의 두께가 전술한 범위를 만족할 경우 단위 픽셀(100)의 평탄화가 용이한 한편, 기판(110)로부터 전달될 수 있는 발열을 흡수 및/또는 차단할 수 있어 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)의 열화를 방지할 수 있다.
한편, 오버코트층(170)은 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR) 표면 형상 등을 고려하여 생략될 수도 있다.
도 5는 도 2의 단위 픽셀(100)에서 박막 봉지층(180)을 더 포함하는 경우를 나타내기 위하여, 도 2의 단위 픽셀(100) 중 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR), 그 위에 위치하는 오버코트층(170) 및 흡수형 컬러필터(190R, 190G, 190B)를 분리하여 나타낸 단면도이다. 도 5를 참조하면, 오버코트층(170) 위에는 박막 봉지층(180)이 위치할 수 있다. 박막 봉지층(180)은 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)가 외부의 공기나 이물질에 노출되지 않도록 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)를 밀봉하는 역할을 수행할 수 있다.
박막 봉지층(180)은 무기 물질을 포함할 수 있다. 무기 물질은 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 산질화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 박막 봉지층(180)에 적용 가능한 물질들의 예시로는 SiON, Al2O3, SiO2, 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
단, 박막 봉지층(180)은 전술한 무기 물질 외에도 밀봉 특성 향상을 위해 추가로 유기 물질을 더 포함할 수도 있다. 유기 물질의 예시로는 에폭시계 수지, 폴리이미드계 수지 등을 들 수 있으며, 잉크젯 프린팅(inkjet printing)이 가능한 물질일 수 있다.
박막 봉지층(180)은 전술한 무기 물질로 이루어진 무기층을 포함할 수 있고, 박막 봉지층(180)은 전술한 무기 물질과 유기 물질이 혼합된 층을 포함할 수 있으며, 박막 봉지층(180)은 무기층과 유기층을 모두 포함할 수도 있다.
박막 봉지층(180)은 단일 층, 또는 2 층 이상의 다중 층 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 박막 봉지층(180)은 무기층과 유기층이 1 회 이상 교번적으로 적층되어 있는 구조를 가질 수 있다.
박막 봉지층(180)은 단위 픽셀(100)의 밀봉 특성을 우수하게 유지하면서도 단위 픽셀(100)의 소형화를 위해 소정의 두께를 가지도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 박막 봉지층(180)은 50 nm 이상, 예를 들어 100 nm 이상, 150 nm 이상, 200 nm 이상, 250 nm 이상, 또는 300 nm 이상의 두께를 가질 수 있고, 1000 nm 이하, 예를 들어 950 nm 이하, 900 nm 이하, 850 nm 이하, 800 nm 이하, 750 nm 이하, 700 nm 이하, 650 nm 이하, 또는 600 nm 이하일 수 있으며, 50 nm 내지 1000 nm, 예를 들어 100 nm 내지 1000 nm, 100 nm 내지 800 nm, 100 nm 내지 700 nm, 또는 200 nm 내지 600 nm의 두께를 가질 수 있다.
오버코트층(170) 위에는 흡수형 컬러필터(190R, 190G, 190B, 190IR)가 위치할 수 있다. 흡수형 컬러필터(190R, 190G, 190B, 190IR)는 소정의 파장영역의 광을 흡수할 수 있는 물질을 포함하고 있을 수 있다. 이에 따라, 단위 픽셀(100)의 각 화소로부터 최종적으로 방출되는 광의 색순도가 향상될 수 있다.
소정의 파장영역의 광을 흡수할 수 있는 물질은 유기 물질이거나 유기 물질일 수 있다. 예를 들어, 흡수형 컬러필터(190R, 190G, 190B, 190IR)는 소정의 파장영역의 광을 흡수할 수 있는 물질이 포함된 접착 필름(예컨대 이방성 도전 필름)일 수 있다.
흡수형 컬러필터(190R, 190G, 190B, 190IR)는 제3 서브 픽셀(PX3)에 위치한 제1 흡수형 컬러필터(190R), 제4 서브 픽셀(PX4)에 위치한 제2 흡수형 컬러필터(190G), 또는 제5 서브 픽셀(PX5)에 위치한 제3 흡수형 컬러필터(190B)를 포함할 수 있다.
제1 흡수형 컬러필터(190R) 내지 제3 흡수형 컬러필터(190B) 각각은 제1 발광소자(120A) 내지 제3 발광소자(120C) 각각과 중첩되도록 위치하고 있을 수 있다. 제1 흡수형 컬러필터(190R) 내지 제3 흡수형 컬러필터(190B)는 D1 방향을 따라 반복 배치될 수 있다.
제1 흡수형 컬러필터(190R)는 적색광을 제외한 나머지 파장 영역의 가시광에 대한 광 흡수율이 50 % 이상, 예를 들어 60 % 이상, 70 % 이상, 80 % 이상, 90 % 이상, 또는 심지어 100 %일 수 있다.
제2 흡수형 컬러필터(190G)는 녹색광을 제외한 나머지 파장 영역의 가시광에 대한 광 흡수율이 50 % 이상, 예를 들어 60 % 이상, 70 % 이상, 80 % 이상, 90 % 이상, 또는 심지어 100 %일 수 있다.
제3 흡수형 컬러필터(190B)는 청색광을 제외한 나머지 파장 영역의 가시광에 대한 광 흡수율이 50 % 이상, 예를 들어 60 % 이상, 70 % 이상, 80 % 이상, 90 % 이상, 또는 심지어 100 %일 수 있다.
도 6은 도 2의 단위 픽셀(100)에서 제4 흡수형 컬러필터(190IR)를 더 포함하는 경우를 나타내기 위하여, 도 2의 단위 픽셀(100) 중 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR), 그 위에 위치하는 오버코트층(170) 및 흡수형 컬러필터(190R, 190G, 190B, 190IR)를 분리하여 나타낸 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제2 서브 픽셀(PX2)에 위치한 오버코트층(170) 위에도 제4 흡수형 컬러필터(190IR)를 포함할 수 있다.
제4 흡수형 컬러필터(190IR)는 적외선광을 제외한 나머지 파장 영역의 가시광에 대한 광 흡수율이 50 % 이상, 예를 들어 60 % 이상, 70 % 이상, 80 % 이상, 90 % 이상, 또는 심지어 100 %일 수 있다.
제1 흡수형 컬러필터(190R) 내지 제4 흡수형 컬러필터(190IR)는 블랙 매트릭스(191)에 의해 서로 이격되어 있을 수 있다. 블랙 매트릭스(191)는 도 1의 D1 방향 및 D2 방향을 따라 연장된 격자 형태일 수 있다. 블랙 매트릭스(191)는 유기 물질, 무기 물질, 또는 금속일 수 있다.
블랙 매트릭스(191)는 제2 서브 픽셀(PX2) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)을 구획하여 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)로부터 방출된 광의 혼색을 방지하는 한편, 제1 흡수형 컬러필터(190R) 내지 제4 흡수형 컬러필터(190IR)로 공급된 광이 단위 픽셀(100) 외부로 방출될 수 있도록 가이드할 수 있다.
블랙 매트릭스(191)의 높이는 제1 흡수형 컬러필터(190R) 내지 제4 흡수형 컬러필터(190IR)보다 낮게 도시되었으나 이에 제한되지 않으며, 제1 흡수형 컬러필터(190R) 내지 제4 흡수형 컬러필터(190IR)의 높이와 같거나 더 큰 높이를 가질 수 있다.
이하에서는, 도 7을 참조하여, 일 예에 따른 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)에 대해 살펴본다. 도 7은 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)에 대한 개략적인 단면도이다.
발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)는 기판(110) 위에 위치하는 제1 도전형 반도체층(122), 제1 도전형 반도체층(122) 위에 위치하는 활성층(123), 그리고 활성층(123) 위에 위치하고 제1 도전형 반도체층(122)과 중첩하는 제2 도전형 반도체층(124)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)은 n형 반도체층일 수 있고, 제2 도전형 반도체층(124)은 p형 반도체층일 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(124)은 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(124)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가질 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(124)은 GaN, AlGaN 및 InGaN으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)은 n형으로 도핑된 질화물 반도체 물질을 포함할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(124)은 p형으로 도핑된 질화물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 도전형 반도체층(122)은 n형으로 도핑된 GaN을 포함하고, 제2 도전형 반도체층(124)은 p형으로 도핑된 GaN을 포함할 수 있다.
활성층(123)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자 우물층과 양자 장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW)구조로 이루어질 수 있다. 다중 양자우물 구조의 경우, InGaN/GaN 구조를 가질 수 있다 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(123), 및 제2 도전형 반도체층(124)은 에피택셜층일 수 있다.
발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)는 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), HVPE(hydride vapor phase epitaxy), 또는 MBE(molecular beam epitaxy) 공정에 의해 형성될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 기판(110)과 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D) 사이에 질화물 반도체 박막인 보호층(121)이 위치할 수 있다. 보호층(121)은 기판(110)과 제1 도전형 반도체층(122) 사이의 격자 부정합을 완화시키기 위한 버퍼층의 역할을 할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)은 제1 전극(126)과 연결될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(124)은 제2 전극(125)과 연결될 수 있다. 제1 전극(126) 및 제2 전극(125)은 서로 분리되어 있으며, 접하지 않는다.
제1 전극(126) 및 제2 전극(125)은 발광소자(120A, 120B, 120C, 120D)에서 방출하는 광의 파장 영역에서 반사율이 높은 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 제1 전극(126) 및 제2 전극(125)은 각각 Au, Sn, Ni, Pb, Ag, In, Cr, Ge, Si, Ti, W, 및 Pt 중에서 선택되는 단일 물질, 또는 이들 중에서 선택되는 적어도 2 종의 물질을 포함하는 합금으로 이루어지는 단일막, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 다중막을 포함할 수 있다.
도 8 및 도 9는 단위 픽셀(100)의 다양한 변형예들을 나타낸 단면도이다.
도 8을 참조하면, 단위 픽셀(100)은 적외선(Infra-Red, IR)의 광을 선택적으로 방출할 수 있는 제2 서브 픽셀(PX2)을 포함하지 않을 수 있다. 이에 따라, 제1 서브 픽셀(PD)은 제3 서브 픽셀(PX3) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)의 바깥쪽에 이웃하여 위치할 수 있다. 이 경우 제1 서브 픽셀(PD)은 제3 서브 픽셀(PX3) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)에서 방출하는 제2광 내지 제4광을 수광할 수 있다.
도 9를 참조하면, 단위 픽셀(100)은 적외선(Infra-Red, IR)의 광을 선택적으로 방출할 수 있는 제2 서브 픽셀(PX2)을 포함할 수 있고, 제1 서브 픽셀(PD)은 제3 서브 픽셀(PX3) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)과 제2 서브 픽셀(PX2) 사이에 위치하는 것이 아니라, 제2 서브 픽셀(PX2)의 바깥쪽에 이웃하여 위치할 수 있다. 이 경우 제1 서브 픽셀(PD)은 제2 서브 픽셀(PX2)에서 방출하는 제1광을 제2광 내지 제4광의 방해 없이 더욱 잘 수광할 수 있다.
이하에서는 일 구현예에 따른 전자 소자(1)의 제조 방법의 일 예를 간단하게 설명한다. 전술한 구성요소와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략할 수 있다.
4 개의 CMOS 트랜지스터를 형성하고 1 개의 포토다이오드를 형성한 제1 기판을 청색 발광 마이크로 LED를 형성한 제2 기판과 웨이퍼 본딩(wafer bonding)에 의해 접합하여 기판(110)을 형성한다.
청색 발광 마이크로 LED 위의 격벽에 각각 녹색, 적색, 적외선 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)를 형성한다. 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR) 위에 투명한 오버코트층(170)을 형성하여 평탄화시키면서, 제5 서브 픽셀(PX5)에 제2 투과층(140)을 형성하고, 제1 서브 픽셀(PD)에 제1 투과층(150)을 형성한다.
오버코트층(170) 위에 산소 및 수분 차단을 위해 박막 봉지층(180)을 형성하고, 양자점 컬러필터(130R, 130G, 130IR)를 투과하는 잔여 청색광을 차단하기 위하여, 박막 봉지층(180) 위에 흡수형 컬러필터(190R, 190G, 190B, 190IR)를 형성하여 전자 소자(1)를 제조할 수 있다.
일 구현예에 따른 전자 소자(1)는 광 감지 및 디스플레이를 동시에 구현 가능한 표시 장치에 적용 가능하고, 특히 모바일 기기, 시계(watch), VR, AR 등에 적용 가능하다. 표시 장치는 장치 구성에 따라 전자 소자를 복수개 포함할 수 있다.
일 예로, 전자 소자(1)는 장치를 사용하는 사람의 생물학적 특성을 검출하는데 사용될 수 있다. 이 특성은 신분 인증은 물론 의학 및 진단 목적으로도 사용될 수 있다. 예를 들어, 전자 소자(1)를 스마트폰이나 컴퓨터에 설치하여 사용자를 인증할 수 있다.
일 예로, 전자 소자(1)의 제3 서브 픽셀(PX3) 내지 제5 서브 픽셀(PX5)은 임의의 이미지 또는 명령어를 디스플레이하고, 제2 서브 픽셀(PX2)은 적외선광을 방출할 수 있다. 방출된 적외선광은 전자 소자(1) 표면 위에 있거나 또는 전자 소자(1)와 접촉하는 신체 부위에 의해서 반사되고, 제1 서브 픽셀(PD)에 흡수될 수 있다. 제1 서브 픽셀(PD)에 흡수된 신호는 광 감지 회로에 의해 처리되어서 지문, 혈관, 얼굴 인식, 이들의 조합 등과 같은 신체 부위의 특징을 식별할 수 있다.
앞에서, 본 발명의 특정한 구현예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 구현예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 구현예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1: 전자 소자
3: 양자점
3R: 적색 양자점
3G: 녹색 양자점
3IR: 적외선 양자점
100: 단위 픽셀
110: 기판
111: 집적 회로부
112: 광 감지부
120A, 120B, 120C, 120D: 제1 내지 제4 발광소자
121: 보호층
122: 제1 도전형 반도체층
123: 활성층
124: 제2 도전형 반도체층
125: 제2 전극
126: 제1 전극
130R, 130G, 130IR: 제1 내지 제3 양자점 컬러필터
140: 제2 투과층
150: 제1 투과층
160: 격벽
161: 광 반사층
170: 오버코트층
180: 박막 봉지층
190R, 190G, 190B, 190IR: 제1 내지 제4 흡수형 컬러필터
191: 블랙 매트릭스
PD: 제1 서브 픽셀
PX2: 제2 서브 픽셀
PX3: 제3 서브 픽셀
PX4: 제4 서브 픽셀
PX5: 제5 서브 픽셀

Claims (20)

  1. 너비가 20 ㎛ 이하인 발광소자,
    상기 발광소자와 중첩하도록 배치된 양자점 컬리필터, 그리고
    상기 양자점 컬러필터로부터 발광한 제1광을 감지하는 광 감지부
    를 포함하는 전자 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 발광소자는 마이크로 LED(micro light emitting diode, μ-LED)인 전자 소자.
  3. 제1항에서,
    상기 제1광은 780 nm 내지 1500 nm 파장영역의 광인 전자 소자.
  4. 제1항에서,
    상기 발광소자는 430 nm 내지 470 nm 파장영역의 제2광을 방출하는 전자 소자.
  5. 제4항에서,
    상기 양자점 컬리필터는 상기 제2광을 상기 제1광으로 변환하는 전자 소자.
  6. 제1항에서,
    상기 광 감지부는 포토다이오드(photodiode)를 포함하는 전자 소자.
  7. 제1항에서,
    상기 광 감지부의 너비는 20 ㎛ 이하인 전자 소자.
  8. 제1항에서,
    상기 전자 소자는 복수의 단위 픽셀들을 포함하며,
    상기 단위 픽셀은,
    상기 광 감지부를 포함하는 제1 서브 픽셀,
    상기 제1광을 발광하는 제2 서브 픽셀, 및
    상기 제1광과 발광 파장이 다른 제3광을 발광하는 제3 서브 픽셀
    을 포함하는 전자 소자.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 서브 픽셀은, 상기 제2 서브 픽셀과 상기 제3 서브 픽셀 사이에 위치하는 전자 소자.
  10. 제8항에서,
    상기 제1 서브 픽셀은, 상기 제2 서브 픽셀 또는 상기 제3 서브 픽셀의 외측에 위치하는 전자 소자.
  11. 제8항에서,
    상기 단위 픽셀은 상기 제1광 및 제3광과 발광 파장이 다른 제4광을 발광하는 제4 서브 픽셀을 더 포함하는 전자 소자.
  12. 제8항에서,
    상기 단위 픽셀은 상기 제2광을 발광하는 제5 서브 픽셀을 더 포함하는 전자 소자.
  13. 제8항에서,
    상기 제2 서브 픽셀, 및 제3 서브 픽셀, 또는 이들 모두는, 각각,
    너비가 20 ㎛ 이하인 발광소자, 및
    상기 발광소자 위에 위치하고, 상기 발광소자와 중첩하도록 배치된 양자점 컬러필터를 포함하는 전자 소자.
  14. 제13항에서,
    상기 제2 서브 픽셀, 제3 서브 픽셀, 또는 이들 모두는, 각각, 상기 양자점 컬러필터를 구획하는 격벽을 더 포함하는 전자 소자.
  15. 제13항에서,
    상기 제1 서브 픽셀은, 상기 광 감지부와 중첩하도록 배치된 제1 투과층을 더 포함하는 전자 소자.
  16. 제15항에서,
    상기 제1 투과층은,
    상기 제2 서브 픽셀 또는 상기 제3 서브 픽셀 내 발광소자 및 상기 발광소자 위에 위치하는 양자점 컬러필터와 평행한 위치에 존재하는 전자 소자.
  17. 제12항에서,
    상기 제5 서브 픽셀은,
    너비가 20 ㎛ 이하인 발광소자, 및
    상기 발광소자 위에 위치하며 상기 발광소자와 중첩하도록 배치된 제2 투과층을 포함하는 전자 소자.
  18. 제13항에서,
    상기 제2 서브 픽셀, 제3 서브 픽셀, 또는 이들 모두는, 각각, 상기 양자점 컬러필터 위에 위치하는 오버코트층을 더 포함하는 전자 소자.
  19. 제13항에서,
    상기 제2 서브 픽셀, 제3 서브 픽셀, 또는 이들 모두는, 각각,
    상기 양자점 컬러필터 위에 위치하는 흡수형 컬러필터를 더 포함하는 전자 소자.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 전자 소자를 포함하는 표시 장치.
KR1020200086773A 2020-07-14 2020-07-14 전자 소자 및 이를 포함하는 표시 장치 KR20220008551A (ko)

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