KR20230005341A - 전자 디스플레이를 위한 픽셀 구조 및 이러한 디스플레이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

전자 디스플레이를 위한 픽셀 구조 및 이러한 디스플레이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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Abstract

전자 디스플레이(2)를 위한 픽셀 구조(1)로서, 이 픽셀 구조(1)는 기판(3), 기판(3) 상에 배열된 적어도 하나의 LED 방출기(4), 및 기판(3) 상에서 LED 방출기(4)에 인접하여 정렬된 적어도 하나의 파장 변환 유닛(5)을 포함한다. LED 방출기(4)는 방출 방사(R1)를 방출하도록 구성되며, 방출 방사(R1)는 방출 파장 범위 내에 있고 주 방출 평면(P1) 내에서 하나 또는 여러 방출 방향(D2,…,Dn)으로 방출된다. 파장 변환 유닛(5)은 변환된 파장 범위 내에서 방출 방사(R1)를 변환된 방사(R2)로 변환하도록 구성되며, 변환된 파장 범위는 방출 파장 범위와 다르다. 변환된 방사(R2)는 주 방출 평면(P1)에 수직인 주 변환 방향(D1)으로 파장 변환 유닛으로부터 전파되며, 주 변환 방향(D1)은 예를 들어 적어도 하나의 그러한 픽셀 구조를 포함하는 전자 디스플레이를 갖는 전자 장치의 사용자를 향한 방향이다. 각각의 픽셀 구조는 6개의 LED 방출기(4), 즉 제1 파장 변환 유닛(5)에 작동 가능하게 연결된 제1 쌍의 LED 방출기(4), 제2 파장 변환 유닛(5)에 작동 가능하게 연결된 제2 쌍의 LED 방출기(4), 및 제3 쌍의 LED 방출기(5)를 포함하고, 제3 쌍의 LED 방출기 각각은 주요 변환 방향(D1)으로 직접 방출 방사를 방출하거나 방사 산란 유닛(6) 또는 추가의 파장 변환 유닛(5) 각각에 작동 가능하게 연결된다.

Description

전자 디스플레이를 위한 픽셀 구조 및 이러한 디스플레이를 포함하는 전자 장치
본 개시는 전자 디스플레이를 위한 픽셀 구조에 관한 것으로, 이 픽셀 구조는 기판 상에 배열된 적어도 하나의 LED 방출기 및 적어도 하나의 파장 변환 유닛을 포함한다. 본 개시는 또한 사용자 인터페이스 표면 및 적어도 하나의 이러한 픽셀 구조를 갖는 전자 디스플레이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
Micro-LED, mLED 또는 uLED로 알려진 마이크로 발광 다이오드는 스마트폰, TV, PC, 태블릿, 스마트 안경, 웨어러블 및 기타 여러 소비자 및 산업 장치와 같은 모바일 장치용 디스플레이에 사용된다. 마이크로 LED는 일반적으로 소형 LED 방출기의 다수의 어레이로 구성되며, 높은 밝기 및 대비, 높은 전력 효율, 넓은 색 영역 및 폼 팩터의 유연성 및 다양한 기능 통합과 같은 많은 잠재적 이점을 가진 유망한 미래 디스플레이 기술이다.
마이크로 LED 디스플레이 기술은 주로 두 가지 방식, 즉 직접 방출 방식 또는 색 변환 방식 중 하나를 사용한다.
직접 방출 방식에서, 각각의 개별 LED 방출기는 적색, 녹색 또는 청색 스펙트럼 범위에서 방사(radiation)를 방출한다. 이러한 직접 방출 솔루션은 제조 비용이 매우 비싼데, 그 이유는 각 픽셀 구조가 하나의 적색 스펙트럼 범위 방출기, 하나의 녹색 스펙트럼 범위 방출기 및 하나의 청색 스펙트럼 범위 방출기를 필요로 하므로, 해상도가 약 800만 픽셀인 디스플레이에는 약 2400만 개의 LED 방출기가 필요하기 때문이다.
색상 변환 방식에서는 예를 들어 청색 스펙트럼 범위에서 방사를 방출하는 LED 방출기만이 사용된다. LED 방출기 칩은 일반적으로 GaN(질화 갈륨) 재료 체계를 기반으로 한다. 청색-적색 및 청색-녹색 방사 변환 유닛은 해당 LED 픽셀 위에 적층되며, 일부 LED 방출기로부터의 청색 스펙트럼 범위 방사를 각각 적색 스펙트럼 범위 방사 또는 녹색 스펙트럼 범위 방사로 변환하는 데 사용된다. 직접 방출 방식에 비해, 색 변환 방식은 한 가지 유형의 LED 방출기만이 필요하기 때문에 제조가 더 쉽고 저렴하다.
청색 스펙트럼 범위의 방사는 변환 유닛에 의해 부분적으로 흡수되는데, 이러한 흡수는 1차로 기하급수적으로 감소한다. 이상적으로는, 에너지 효율을 높게 유지하고 변환 유닛으로부터의 청색 스펙트럼 범위 방사 누출을 최소화하기 위해 변환 유닛에 의해 거의 모든 청색 스펙트럼 범위 방사는 흡수되어야 한다.
또한, 변환 유닛은 LED 방출기와 유사한 면적 치수를 가져야 한다. 변환 유닛의 높이는 작은 크기의 LED 방출기 위에 작은 기둥을 형성하기 위해 더 큰 것이 바람직하다. 이는 청색 스펙트럼 범위 방사가 변환 유닛을 통해 전파되는 더 큰 거리를 가능하게 하여 흡수를 용이하게 한다.
그러나, 실제로 대부분의 청색 스펙트럼 범위 방사를 흡수하려면 변환 재료의 두께는 1 또는 수백 μm여야 한다. 이는 LED 방출기와 변환 유닛 사이에 100μm : 3μm 이상의 매우 큰 종횡비를 제공하며, 이는 마이크로 구조화 방법을 사용하여서는 달성하기 쉽지 않다. 또 다른 문제는 녹색 스펙트럼 범위 방사 또는 적색 스펙트럼 범위 방사도 변환 유닛을 통해 전파되어야 하며 변환 유닛의 재료에 의해 약간 흡수(자체 흡수)될 수도 있다는 것이다. 이것은 장치의 효율성을 감소시킨다.
또한, 이러한 적층 구조는, 변환 유닛으로부터의 열이 아래에 있는 LED 방출기 칩을 통과해야 하기 때문에, 저조한 열 소산을 갖는다. 이는 LED 방출기 칩을 더 가열하고 픽셀 구조의 수명을 단축시킨다. 적층은 또한 렌즈와 같은 다른 기능적 광학 요소를 통합하기 어렵게 만든다.
개선된 마이크로 LED 픽셀 구조를 제공하는 것이 목적이다. 전술한 목적 및 기타 목적은 독립항(들)의 특징에 의해 달성된다. 추가 구현 형태는 종속항, 상세한 설명 및 도면으로부터 명백하다.
제1 양태에 따르면, 전자 디스플레이를 위한 픽셀 구조가 제공되며, 이 픽셀 구조는 기판과, 기판 상에 배열된 적어도 하나의 LED 방출기- LED 방출기는 방출 방사(emission radiation)를 방출하도록 구성되고, 방출 방사는 방출 파장 범위에 있고 주 방출 평면 내에서 하나 이상의 방출 방향으로 방출됨 -와, 기판 상에서 LED 방출기에 인접하여 배치된 적어도 하나의 파장 변환 유닛을 포함하되, 파장 변환 유닛은 방출 방사를 변환된 방사(converted radiation)로 변환하도록 구성되고, 변환된 방사는 변환된 파장 범위 내에 있고 파장 변환 유닛으로부터 주 방출 평면에 수직인 주 변환 방향으로 전파하고, 변환된 파장 범위는 방출 파장 범위와 상이하다.
이러한 배열은 변환 유닛이 LED 방출기의 상부에 적층되는 것과는 반대로 LED 방출기에 인접하게 배열되기 때문에 상당히 감소된 높이를 갖는 픽셀 구조를 가능하게 한다. 이러한 유형의 분포는 구조의 열 소산을 개선하여 결과적으로 픽셀 구조의 수명을 향상시킨다. 또한, 변환 방사가 방출 방사에 실질적으로 수직으로 확장되기 때문에, 방출 방사가 예를 들어 청색 스펙트럼 범위 내에서 변환 방사의 방향으로 누출되어 예를 들어 적색 스펙트럼 범위 또는 녹색 스펙트럼 범위에서의 변환된 방사에 영향을 미치게 되는 위험은 크게 감소된다. 또한, 다른 변환 유닛에 의한 변환된 방사에 대한 상호작용 및 재흡수 없이, 변환 유닛으로부터의 변환된 방사의 직접 전파로 인해 더 높은 효율이 달성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 주 방출 평면은 기판의 주 기판 평면과 평행하고, LED 방출기(들) 및 파장 변환 유닛(들)은 주 방출 평면에 분포된다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 방출 파장 범위는 청색 스펙트럼 범위 또는 자외선 스펙트럼 범위 중 하나이고, 픽셀 구조가 적어도 2개의 LED 방출기를 포함할 때, LED 방출기는 동일한 파장을 갖는 방사를 방출하도록 구성된다. 한 가지 유형의 LED 방출기만 사용하면, 픽셀 구조의 제조가 훨씬 간단하고 저렴해지는데, 그 이유는 예를 들어, 서로 다르지만 동일하게 중요한 3개의 주 컴포넌트 대신에, 하나의 주 컴포넌트만 있으면 되기 때문이다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀 구조는 적어도 2개의 파장 변환 유닛을 포함하고, 각각의 파장 변환 유닛은 방출 파장 범위 내의 방출 방사를 복수의 상이한 변환된 파장 중 하나 내의 변환된 방사로 변환하도록 구성되어, 동일한 파장의 방출 방사를 임의의 몇몇 상이한 파장 범위 내의 변환된 방사로 변환하는 것을 용이하게 한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 적어도 하나의 제1 파장 변환 유닛은 방출 방사를 제1 변환된 파장 범위 내의 제1 변환된 방사로 변환하도록 구성되고, 적어도 하나의 제2 파장 변환 유닛은 방출 방사를 제2 변환된 파장 범위 내의 제2 변환된 방사로 변환하도록 구성되되, 제2 변환된 파장 범위는 제1 변환된 파장 범위와 적어도 부분적으로 상이하다. 이것은 하나의 픽셀 구조 방사가 몇몇 상이한 파장 범위 내의 방사를 동시에 그리고 동일한 방향으로 방출하는 것을 허용한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 제1 변환된 파장 범위는 적색 스펙트럼 범위 내에 있고 제2 변환된 파장 범위는 녹색 스펙트럼 범위 내에 있어, 일반적으로 사용되는 RGB 픽셀 구조의 생성을 용이하게 한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, LED 방출기는 주 방출 평면에서만 방출 방사를 방출하도록 구성되거나, LED 방출기에 의해 주 방출 평면에서 방출되는 방출 방사 또는 방출 방사의 적어도 하나의 부분은 파장 변환 유닛에서 변환된 방사로 변환된다. 이것은 픽셀 구조가 가능한 한 낮은 높이, 즉 주 변환 방향에서 볼 수 있는 높이를 가질 수 있게 하여, 전자 장치 내의 임의의 적절한 위치에 LED 방출기를 배치할 수 있는 자유를 증가시키는 동시에 다른 컴포넌트를 위한 공간을 확보할 수 있게 해준다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀 구조가 적어도 2개의 LED 방출기를 포함할 때, LED 방출기 중 적어도 하나는 주 변환 방향으로 방출 방사를 방출하도록 구성되어, 예를 들어 청색 스펙트럼 범위 내의 방출 방사가 변환이나 리디렉션 없이 사용자 인터페이스로 직접 방출되도록 할 수 있다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀 구조는 기판 상에서 LED 방출기에 인접하여 배열된 적어도 하나의 방사 산란 유닛(radiation scattering unit)을 더 포함하고, 이 산란 유닛은 주 방출 평면에서 전파하는 방출 방사를 주 변환 유닛으로 재지향시키도록 구성되어, 방출 방사의 일부가 방향을 바꾸도록 허용하여, 전자 장치 내에서 LED 방출기의 배치와 관련하여 더 많은 자유를 제공한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 파장 변환 유닛은 파장 변환 재료를 포함하고, 파장 변환 재료는 바람직하게는 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료 내에 분포된 파장 변환 입자를 포함한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 파장 변환 입자는 양자점 또는 인 물질이다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 파장 변환 유닛은 주 변환 방향으로 파장 변환 유닛의 주변을 따라 연장되는 적어도 하나의 배리어(barrier)를 포함하고, 이 배리어는 파장 변환 유닛의 흡수 경로를 연장하도록 구성되며, 흡수 경로는 주 방출 평면에서 연장되고, 방출 방사는 흡수 경로를 따라 전파되며, 방출 방사를 변환된 방사로 변환하는 것은 전파와 동시에 발생한다. 배리어를 통해, 개개의 픽셀 구조는 보다 작은 피치로 분포될 수 있는데, 그 이유는 배리어는 인접한 픽셀 구조가 가깝더라도 이들 인접한 픽셀 구조 사이의 광학적 혼선을 줄이거나 심지어 피하는 데 도움이 되기 때문이다. 또한, 배리어는 방사의 방향을 바꾸는 데 사용되는 반사체의 지지 표면 역할을 할 수 있다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀 구조는 주 변환 방향으로 적어도 부분적으로 연장하는 배리어의 표면 상에 배열된 적어도 하나의 벽 반사체를 더 포함하고, 벽 반사체는 흡수 경로를 따라 전파되는 방출 방사를 방향 전환하여, 파장 변환 유닛의 흡수 경로가 주 방출 평면 내에서 연장되도록 함으로써, 가능한 한 많은 방출 방사가 흡수되도록 하고, 따라서 파장 변환 유닛에 의해 변환되게 하도록 구성된다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀 구조는 파장 변환 유닛과 기판 사이에 배열된 적어도 하나의 바닥 반사체를 포함하고, 바닥 반사체는 주 방출 평면과 적어도 부분적으로 평행하게 연장되고 파장 변환 유닛 내에 전파되는 변환된 방사를 주 변환 방향으로 재지향시키도록 구성되어, 출력 방사 효율의 향상을 용이하게 한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 벽 반사체 및 바닥 반사체 중 적어도 하나는 주 변환 방향에 대해 일정 각도로 연장되어, 방출 방사 및/또는 변환된 방사가 반사체에 부딪힐 때 더 유용한 방향을 향하게 재지향될 수 있게 한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 파장 변환 유닛은 방출 방사가 파장 변환 유닛 내에서 전파될 때 이 방출 방사를 안내하도록 구성된 도파관 구조를 포함하여, 파장 변환 유닛이 전자 장치 및 주변 컴포넌트의 폼 팩터에 적응될 수 있게 한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 파장 변환 유닛은 적어도 하나의 파장 변환 유닛 표면이 기판의 주 기판 평면에 대해 일정 각도로 연장되도록 구성되고, 표면은 기판으로부터 멀어지는 방향을 향하고 표면은 기판에 인접하여 연장된다. 이러한 솔루션은 내부 전반사가 발생하는 것을 방지하는 데 도움이 되는데, 그 이유는 각도는 가능한 한 많은 변환된 방사가 주 변환 방향으로 파장 변환 장치 외부로 전파되도록 하기 위해 조정될 수 있기 때문이다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 파장 변환 유닛 및 기판 중 하나는 주 방출 평면 또는 주 기판 평면을 따라 연장됨에 따라 테이퍼링되어(tapered), 파장 변환 유닛 표면이 가능한 가장 간단한 수단에 의해 각이지는 것을 허용한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀은 기판으로부터 멀어지는 파장 변환 유닛 표면에 배열된 적어도 하나의 광학 기능 요소를 더 포함하고, 이 광학 기능 요소는 파장 변환 유닛 표면의 상부에 배열되거나 파장 변환 유닛 표면과 통합된다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 광학 기능 요소는 굴절 렌즈 및 회절 렌즈 중 적어도 하나이며, 예를 들어, 변환된 방사의 초점을 강화시킨다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 광학 기능 요소는 표면 구조이며, 바람직하게는 표면 격자 구조, 표면 거칠기 구조, 표면 코팅 구조 또는 마이크로-기둥 중 하나이며, 픽셀 구조의 분리 효율을 향상시킨다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 복수의 LED 방출기 중 몇 개는 하나의 파장 변환 유닛에 작동 가능하게 연결되고, LED 방출기는 방출 방사를 동시에 그리고 독립적으로 파장 변환 유닛으로 방출하도록 구성된다. 이는 더 나은 수율을 제공하는 중복성을 제공할 뿐만 아니라, LED 방출기 중 하나가 고장나더라도 픽셀 구조는 여전히 어두운 영역 없이 의도한 대로 계속 작동하게 한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀 구조는 6개의 LED 방출기를 포함하되, 제1 쌍의 LED 방출기는 제1 파장 변환 유닛에 작동 가능하게 연결되고, 제1 파장 변환 유닛은 제1 쌍의 LED 방출기로부터의 방출 방사를 제1 변환된 방사로 변환하도록 구성되고, 제2 쌍의 LED 방출기는 제2 파장 변환 유닛에 작동 가능하게 연결되고, 제2 파장 변환 유닛은 제2 쌍의 LED 방출기로부터의 방출 방사를 제2 변환된 방사로 변환하도록 구성되고, 선택에 따라, 제3 쌍의 LED 방출기의 각각의 LED 방출기는 하나의 방사 산란 유닛 또는 하나의 추가 파장 변환 유닛에 작동 가능하게 연결되고, 이 추가 파장 변환 유닛은 제3 쌍의 LED 방출기로부터의 방출 방사를 제3 변환된 방사선로 변환하도록 구성된다. 이는 3개 파장에서 방사를 중복으로 그리고 동시에 방출할 수 있는 픽셀 구조를 제공한다.
제1 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀 구조는 변환된 방사의 총 출력을 조정하기 위한 제어 장치를 더 포함하고, 이 조정은 LED 방출기(들)의 구동 전류의 펄스 폭 변조 및 조정 중 하나를 포함한다. 제어 장치는 예를 들어 빌트인 중복이 적절하게 사용, 예를 들어 LED 방출기의 쌍이 조작될 수 있게 하여, 이들이 더 나은 수율을 제공하거나 또는 하나의 LED 방출기가 LED 방출기 쌍 중 실패한 다른 LED 방출기를 보상하도록 한다.
제2 양태에 따르면, 사용자 인터페이스 표면을 갖는 전자 디스플레이, 및 상기에 따른 적어도 하나의 픽셀 구조를 포함하는 전자 장치가 제공된다. 픽셀 구조는 하나의 방출 파장의 방출 방사가 주 방출 평면- 주 방출 평면은 사용자 인터페이스 표면과 평행하게 연장됨 - 내에서 다중 방출 방향으로 방출되어 방출 방사의 적어도 일부를 적어도 하나의 변환된 파장- 변환된 파장은 방출 파장과 상이함 -의 변환된 방사로 변환하고, 주 방출 평면 및 사용자 인터페이스 표면에 수직인 주 변환 방향으로 변환된 방사를 지향시키도록 구성된다.
이 픽셀 구조는 크게 감소된 높이를 가지며, 그에 따라, 전자 장치 내부에 다른 컴포넌트를 위한 여유 공간을 남겨두거나, 장치의 폼 팩터에 추가적인 자유를 제공한다. 또한, 전자 디스플레이는 픽셀 구조의 개선된 열 소산으로 인해 수명이 개선될 것이다. 또한, 측면 방향, 즉 주 방출면 내 방향에서 픽셀 구조의 필 팩터(fill factor)가 많은 전자 장치에서 낮기 때문에, 이 구조는 변환 유닛을 수용할 수 있는 여유 공간을 많이 남기면서 여전히 추가 컴포넌트 또는 구조 개선을 위한 충분한 자유도를 제공한다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 전자 장치는 복수의 동일한 픽셀 구조를 포함하고, 픽셀 구조는 2차원 패턴으로 주 방출 평면에 분포되고, 2차원 패턴은 픽셀 구조의 행 및 픽셀 구조의 열을 포함하고, 행은 평행하게 연장되고 수직 각도로 열과 교차하며, 개별 행의 픽셀 구조의 수는 인접한 행의 픽셀 구조의 수와는 독립적이고, 개별 열의 픽셀 구조의 수는 인접한 열의 픽셀 구조의 수와는 독립적이며, 픽셀 구조의 분포는 필요에 따라 2차원 패턴을 포함하는 영역의 픽셀 구조의 수의 최대화를 허용하고, 최대화가 필요하지 않은 경우에는 보다 간단한 구조를 허용한다.
제2 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 복수의 픽셀 구조는, 개별 픽셀 구조의 방출 방사의 적어도 제1 방출 방향이 예를 들어 원거리 디스플레이(a far-view display)에 충분한 인접 픽셀 구조의 대응하는 제1 방출 방향과 정렬되도록, 2차원 패턴에 따라 제1 피치로 분포된다.
제2 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 복수의 픽셀 구조는, 개별 픽셀 구조의 방출 방사의 적어도 제1 방출 방향이 예를 들어 근거리 디스플레이(a near-view display)에 필요한 인접 픽셀 구조의 대응하는 제1 방출 방향과 정렬되지 않도록, 2차원 패턴에 따라 제2 피치로 분포되어, 2차원 패턴을 포함하는 영역의 픽셀 구조의 수의 최대화를 허용한다.
제2 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀 구조는 제1 피치만큼 분리되고, 픽셀 구조는 열 방향 및 행 방향 중 적어도 하나로 정렬되어, 개별 픽셀 구조의 파장 변환 유닛(들)의 흡수 경로(들)는 인접한 픽셀 구조의 해당 흡수 경로(들)와 정렬된다.
제2 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 픽셀 구조는 제2 피치만큼 분리되고, 각각의 픽셀 구조는 주 방출 평면에서 소정의 각도만큼 회전되어, 개별 픽셀 구조의 파장 변환 유닛(들)의 흡수 경로(들)는 인접한 픽셀 구조의 해당 흡수 경로(들)와 오정렬되며, 오정렬은 각 픽셀 구조의 방향의 측면 오프셋 및/또는 각도 오프셋이다.
제2 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 개별 행의 픽셀 구조는 인접한 행의 픽셀 구조에 대해 열 방향으로 오프셋되고, 및/또는 개별 열의 픽셀 구조는 인접한 열의 픽셀 구조에 대해 행 방향으로 오프셋된다.
제2 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 흡수 경로의 길이는 고정되고, 사용자의 눈과 사용자 인터페이스 표면(2a) 사이의 거리가 <1m이도록 구성된 디스플레이 애플리케이션에서, 길이는 10-500 μm, 바람직하게는 <20 μm이고 제2 피치는 20-150 μm, 바람직하게는 30-80 μm이고, 사용자의 눈과 사용자 인터페이스 표면(2a) 사이의 거리가 ≥ 0.5 m이도록 구성된 디스플레이 애플리케이션에서, 제2 피치는 ≥70μm, 바람직하게는 ≥100μm이다.
제2 양태의 추가 가능한 구현 형태에서, 변환된 방사는 방사 필터링의 적용 없이 사용자 인터페이스 표면을 향하여 주요 변환 방향으로 전파되어, 필요한 컴포넌트의 수, 픽셀 구조에 필요한 공간, 및 오류 소스의 수를 감소시킨다.
이들 및 다른 양태는 아래에 설명된 실시예로부터 명백할 것이다.
본 개시의 다음의 상세한 부분에서, 도면에 도시된 예시적인 실시예를 참조하여 양태, 실시예 및 구현이 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술의 픽셀 구조의 측면도 및 평면도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 구조의 측면도 및 평면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 구조의 평면도 및 측면도를 도시한다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 상이한 실시예에 따른 픽셀 구조의 부분 단면도를 보여준다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 구조를 포함하는 전자 장치의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 11 내지 18은 전자 디스플레이를 위한 픽셀 구조의 분포의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 색 변환 픽셀 구조의 측면도 및 평면도를 나타낸다. 몇몇 LED 방출기(4)는 예를 들어 청색 스펙트럼 범위 내에서 방향(D1)으로 방출 방사(R1)를 방출한다. LED 방출기(4)의 상부에 적층된 변환 유닛(5)은 방출 방사(R1)를 흡수하고, 이를 변환된 방사(R2)로 변환하고, 그런 다음 변환된 방사(R2)를 또한 방향(D1)으로 방출한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 색 변환 픽셀 구조의 일 실시예의 측면도 및 평면도를 도시한다. 도 3a 내지 도 9는 색 변환 픽셀 구조의 추가 실시예를 도시한다. 이러한 색 변환 픽셀 구조는 전자 디스플레이(2)에 사용되며, 디스플레이는 필요한 수의 동일한 픽셀 구조를 포함한다.
픽셀 구조(1)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 LED 방출기(4)를 지지하도록 구성된 기판(3) 및 기판(3) 상에서 LED 방출기(4)에 인접하여 배열된 적어도 하나의 파장 변환 유닛(5)을 포함한다. LED 방출기(4), 파장 변환 유닛(5) 및 아래에서 더 언급되는 추가 컴포넌트는 납땜, 접착제 또는 나노와이어에 의해 기판(3)에 연결될 수 있다. 기판(3)은 하나의 일체형 기판 또는 여러 개의 정렬된 부분 기판을 포함할 수 있고, 하나의 주 기판 평면(P2) 내에서 적어도 부분적으로 연장된다. 기판(3)은 부분적으로 계단형 구성을 가질 수 있지만, 각각의 픽셀 구조(1)는 그의 방사 방출 및 방사 변환 컴포넌트가 모두 주 방출 평면(P1)에 정렬되도록 하나의 공통 평면에 배열된다. 주 방사 평면(P1)은 도 2a에 도시된 바와 같이 기판(3)의 주 기판 평면(P2)과 평행하게 연장되고, 주 방사 평면(P1)에는 LED 방출기(4) 및 파장 변환 유닛(5)이 분포된다. 이러한 분포에 의해, 파장 변환 유닛(5)은 주 변환 방향(D1)에서 10~100㎛ 정도의 높이를 갖는 한편, 파장 변환 유닛(5)의 길이/폭은 100㎛ 초과, 심지어 1000㎛ 초과일 수 있다.
하나 또는 여러 개의 LED 방출기(들)는 각각의 LED 방출기(4)가 주 방출 평면(P1) 내에서, 즉 LED 방출기의 측면을 통해 측방향으로 방출 방사(R1)를 방출할 수 있도록 기판(3) 상에 배열된다. LED 방출기(4)에 의해 방출되는 방출 방사(R1)는 제1 방출 방향(D2)으로만 방출되거나, LED 방출기(4) 주위의 360° 영역의 일부 또는 전부를 커버하는 복수의 방출 방향(D2,..., Dn)으로 방출될 수 있다. 방출 방사(R1)는 펌프 라이트(pump light)라고도 한다.
복수의 LED 방출기(4)에 의해 방출되는 모든 방출 방사(R1)는 하나의 동일한 방출 파장 범위 내에 있다. 방출 파장 범위는 청색 스펙트럼 범위 또는 자외선 스펙트럼 범위일 수 있다.
각각의 파장 변환 유닛(5)은 방출 방사(R1)를 변환된 방사(R2)로 변환하도록 구성된다. 변환된 방사(R2)는 방출 파장 범위와 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 상이한 변환된 파장 범위 내에 있다. 상이한 파장 변환 유닛(5)은 상이한 변환된 방사 범위(R21, R22) 내에서 방출 방사(R1)를 변환된 방사(R2)로 변환할 수 있다. 픽셀 구조(1)는 복수의 파장 변환 유닛(5)을 포함할 수 있고, 각각의 파장 변환 유닛(5)은 복수의 변환된 파장 범위 중 하나 내에서 방출 방사(R1)를 변환된 방사(R2)로 변환하도록 구성된다.
일 실시예에서, 픽셀 구조(1)는 방출 방사(R1)를, 제1 변환된 파장 범위, 예를 들어 적색 스펙트럼 범위 내의 제1 변환된 방사(R21)로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 제1 파장 변환 유닛(5), 및 방출 방사(R1)를, 제2 변환된 파장 범위, 예를 들어 녹색 스펙트럼 범위 내의 제2 변환된 방사(R22)로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 제2 파장 변환 유닛(5)을 포함한다.
추가 실시예에서, 픽셀 구조(1)는 방출 방사(R1)를, 적색 스펙트럼 범위(R21) 내의 변환된 방사로, 녹색 스펙트럼 범위(R22) 내의 변환된 방사로, 및 황색 스펙트럼 범위(R23)(미도시) 내의 변환된 방사로 변환하는 파장 변환 유닛(5)을 포함한다. 픽셀 구조(1)는 방출 방사(R1)를 임의의 수의 원하는 스펙트럼 범위(R2, R21, R22, R23,...,R2n) 내의 방사로 변환하는 임의의 수의 파장 변환 유닛(5)을 포함할 수 있다.
변환된 방사(R2)는 파장 변환 유닛(5)으로부터, 주 방출 평면(P1)에 실질적으로 수직으로 연장되는 주 변환 방향(D1)으로, 즉 파장 변환 유닛(5)의 상부 표면을 통해 전파된다. 즉, 변환된 방사(R2)는 예를 들어 전자 디스플레이(2) 내에 포함된 전자 장치(13)의 사용자 인터페이스 표면(2a)을 향하여 기판(3)으로부터 멀어지는 방향으로 전파된다.
도 4에 도시된 일 실시예에서, LED 방출기(4) 중 적어도 하나는 주 변환 방향(D1)에서 방출 방사(R1)를 직접 방출하도록 구성되는데, 즉 방출된 방출 방사(R1)는 주 변환 방향(D1)에서 전파할 때 자신의 방향 및 파장을 유지한다.
도 5 내지 도 7에 도시된 추가 실시예에서, LED 방출기(들)(4)는 주 방출 평면(P1)에서만, 즉 직접적으로 주 변환 방향(D1)에서가 아니라 LED 방출기(4)의 적어도 하나의 측면 또는 모든 측면을 통해 측방향으로 방출 방사(R1)를 파장 변환 유닛(5) 또는 다수의 변환 유닛(5)으로 방출하도록 구성된다. 파장 변환 유닛(5)은 LED 방출기(4)의 일측 또는 모든 측면으로부터 방출되는 방출 방사(R1) 또는 방출 방사(R1)의 일부만을 변환된 방사(R2)로 변환하도록 배열될 수 있다.
추가 실시예에서, 픽셀 구조(1)는 도 5에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 방사 산란 유닛(6)을 포함한다. 방사 산란 유닛(6)은 파장 변환 유닛(5)의 배열과 유사하게 LED 방출기(4)에 인접하여 기판(3) 상에 배열된다. 산란 유닛(6)은 주 방출 평면(P1)에서 전파하는 방출 방사(R1)를 변환 없이, 즉 방출 방사(R1)의 파장을 변경하지 않고 주 변환 방향(D1)으로 방향 전환하도록 구성된다. 산란 유닛(6)은 매트릭스 재료 내에 분산된 산란 입자를 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)와 같은 폴리머 매트릭스 재료를 포함할 수 있다. 산란 입자는 들어오는 방출 방사(R1)를 모든 방향으로 산란시키고, 바람직하게는 산란 유닛(6)의 바닥, 즉 기판(3)을 향하는 방사(R1)는 예를 들어 아래에서 더 설명되는 바닥 반사체(9)와 같은 반사체를 통해 산란 유닛(6)의 상부를 향하여 쉽게 재지향된다. 산란 유닛(6)은 주 변환 방향(D1)에서, 10 내지 100㎛ 정도의 높이를 가질 수 있는 한편, 산란 유닛(6)의 길이/폭은 100㎛ 초과, 심지어 1000㎛ 초과일 수 있다. 일반적으로, 산란 입자의 양은 산란 유닛(6)이 상대적으로 낮은 높이를 갖도록 충분히 크다.
각각의 파장 변환 유닛(5)은 파장 변환 재료를 포함한다. 파장 변환 재료는 매트릭스 재료 내에 분포된 파장 변환 입자를 포함하는 매트릭스 재료일 수 있다. 파장 변환 입자는 양자점 또는 인 물질일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 파장 변환 유닛(5)은 주 변환 방향(D1)에서 파장 변환 유닛(5)의 주변을 따라 연장되는 적어도 하나의 배리어(7)를 포함할 수 있다. 배리어(7)는 파장 변환 유닛(5)의 적어도 하나의 긴 모서리(미도시)를 따라, 도 6에 도시된 바와 같이 파장 변환 유닛(5)의 하나의 짧은 단부를 따라, 또는 파장 변환 유닛(5)의 긴 모서리 및 짧은 단부를 따라 연장되어, 파장 변환 유닛(5)의 벽이 적어도 도 11 및 도 15에 나타낸 바와 같이 주 변환 방향(D1)에서 배리어(7)에 의해 덮이도록 한다. 배리어(7)는 폴리머층을 갖는 나노 임프린트 기술 또는 BCB(benzocyclobutene)와 같은 감광성 폴리머 물질의 포토리소그래피에 의해 인접한 픽셀 구조(1) 사이에 집적될 수 있다.
배리어(7)는 파장 변환 유닛(5)의 흡수 경로(A)를 연장하도록 구성된다. 흡수 경로(A)는 파장 변환 유닛(5) 내에서 주 방출 평면(P1)에서 연장된다. 방출 방사(R1)가 파장 변환 유닛(5)에서 전파됨에 따라, 이 방출 방사(R1)는 또한 흡수 경로(A)를 따라 흡수된다. 도 4 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 흡수, 및 그에 따른 변환된 방사(R2)로의 방출 방사(R1)의 변환은 전파와 동시에 발생한다. 방출 방사(R1)가 흡수 경로(A)를 따라 전파함에 따라, 방출 방사(R1)의 강도는 일반적으로 기하급수적으로 감소한다.
배리어(7)는 인접한 픽셀 구조(1) 사이에서 발생하는 광학적 혼선을 감소시키고, 적어도 하나의 벽 반사체(8)에 의해 파장 변환 유닛(5)의 흡수 경로(A)가 연장되도록 한다.
도 6에 도시된 일 실시예에서, 적어도 하나의 벽 반사체(8)는 배리어(7) 상에, 바람직하게는 주 전환 방향(D1)으로 적어도 부분적으로 연장되는 배리어(7)의 표면 상에 배열된다. 벽 반사체(8)는 파장 변환 유닛(5)의 흡수 경로(A)가 주 방출 평면(P1) 내에서 연장되도록 흡수 경로(A)를 따라 전파하는 방출 방사(R1)의 방향을 바꾸도록 구성된다. 원래 방출 방향(D2,...,Dn)으로부터 최대 180°일 수 있는 흡수 경로(A)의 이러한 폴딩(folding)은 도 11에 나와 있다.
도 4 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 파장 변환 유닛(5)과 기판(3) 사이, 바람직하게는 LED 방출기(4)와 파장 변환 유닛(5)이 분포된 기판(3)의 표면 상부에 적어도 하나의 바닥 반사체(9)가 배치될 수 있다. 바닥 반사체(9)는 주 방출 평면(P1)과 적어도 부분적으로 평행하게 연장하고, 주 변환 방향(D1)을 향하여 실질적으로 모든 방향으로 파장 변환 유닛(4) 내에서 전파하는 변환된 방사(R2)를 재지향시키도록 구성된다. 예를 들어, 파장 변환 유닛(5)의 바닥, 즉 기판(3)을 향하는 변환된 방사(R2)는 파장 변환 유닛(5)의 상부를 향하여 쉽게 재지향된다.
벽 반사체(8) 및/또는 바닥 반사체(9)는 주 변환 방향(D1)에 대해 일정 각도로 연장될 수 있다. 벽 반사체(8)는 벽 반사체(8)에 부딪히는 방출 방사(R1)가 기판(3), 바람직하게는 바닥 반사체(9)를 향하도록 또는 사용자 인터페이스 표면(2)을 향하도록 주 방출 평면(P1)에 수직하지 않은 각도로 연장될 수 있다. 바닥 반사체(9)는 기판(3)을 향해 전파하는 방출 방사(R1)를 반사하기 위해 주 방출 평면(P1)과 평행하게 연장될 수 있거나, 주 방출 평면(P1)에 대해 일정 각도로 연장될 수 있어서, 기판(3)을 향해 전파하는 방출 방사(R1)의 반사는 미리 정해진 특정한 방향으로 조정될 수 있다. 벽 반사체(8) 및/또는 바닥 반사체(9)는 반사면, 바람직하게는 금속층을 포함할 수 있다. 금속층은 스퍼터링된 알루미늄 층일 수 있으며, 이 경우 벽 반사체(8) 및/또는 바닥 반사체(9)는 또한 인접한 픽셀 구조 사이의 광학적 혼선을 방지한다.
상응하게, 파장 변환 유닛(5)은 적어도 하나의 파장 변환 유닛 표면(5a, 5b)이 기판(3)의 주 기판 평면(P2)에 대해 각도(α)로 연장되도록 구성될 수 있으며, 표면(5a)은 기판(3)으로부터 멀어지는 쪽을 향하고 표면(5b)은 기판(3)에 인접하여 연장된다. 파장 변환 유닛 표면(5a, 5b) 중 적어도 하나는, 파장 변환 유닛(5), 기판(3) 또는 둘 모두가 웨지 형상이기 때문에, 즉 주 방출 표면(P1) 또는 주 기판 표면(P2)을 따라 연장함에 따라 테이퍼링됨에 따라, 각도(α)로 연장된다. 도 7은, 파장 변환 유닛(5) 자체가 테이퍼링되기 때문에 파장 변환 유닛 표면(5a)만이 기판(3)의 주 기판 평면(P2)에 대해 각도(α)로 연장되는 실시예를 도시한다. 파장 변환 유닛 표면(5a, 5b)은 모두 기판(3)의 주 기판 평면(P2)에 대해 각도(α)로 연장될 수 있다. 또한, 파장 변환 유닛 표면(5a)은 각도(α1)로 연장될 수 있고, 파장 변환 유닛 표면(5b)은 각도(α2)로 연장될 수 있다. 파장 변환 유닛 매트릭스 재료의 높은 굴절률로 인해, 주변 공기와 비교하여, 내부 전반사에 대한 임계각보다 작은 각도로 파장 변환 유닛 표면(5a, 5b)에 부딪히는 변환된 방사(R2)만이 파장 변환 유닛(5)을 떠날 것이며, 다른 변환된 방사(R2)는 파장 변환 유닛 표면(5a, 5b)에서 반사되어 파장 변환 유닛(5) 내부에 남게 된다. 전술한 테이퍼링 웨지 형상을 적용함으로써, 방사 출력 효율은 강화되는데, 그 이유는 파장 변환 유닛(5)내에서 캡처된 방사가 반사됨에 따라 이 방사는 결국 더 작은 각도로 파장 변환 유닛 표면(5a, 5b)에 충돌할 것이기 때문이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 파장 변환 유닛(5)은 파장 변환 유닛(5) 내에서 전파할 때 방출 방사(R1)를 안내하도록 구성된 도파관 구조(10)를 포함할 수 있다. 도파관 구조는 임의의 적절한 형상, 예를 들어, 도 12에서와 같이 곡선형 또는 나선형(미도시)을 가질 수 있다.
픽셀 구조(1)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 기판(3)으로부터 멀리 향하는 파장 변환 유닛 표면(5a)에 배열된 적어도 하나의 광학 기능 요소(11)를 더 포함할 수 있다. 광학 기능 요소(11)는 도 9에 도시된 바와 같이 파장 변환 유닛 표면(5a)의 상부에 배열되거나, 도 8에 도시된 바와 같이 파장 변환 유닛 표면(5a)과 일체화될 수 있다.
도 9에 도시된 광학 기능 요소(11)는 예를 들어 변환된 방사(R2)를 포커싱하는데 사용되는 굴절 렌즈 및 회절 렌즈 중 적어도 하나일 수 있다.
대신 광학 기능 요소(11)는 표면 구조, 바람직하게는 도 8에 도시된 바와 같은 표면 격자 구조, 표면 거칠기 구조, 표면 코팅 구조 또는 마이크로 기둥 중 하나일 수 있다. 표면 격자 구조는 변환된 방사(R2)를 조종함으로써 변환된 방사(R2)의 아웃커플링 효율을 향상시킨다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 몇 개의 LED 방출기(4)는 하나의 파장 변환 유닛(5)에 작동 가능하게 연결될 수 있고, 파장 변환 유닛(5)으로 동시에 및 독립적으로 방출 방사(R1)를 방출하도록 구성될 수 있다. 이것은 보다 나은 수율을 가능하게 하는 중복성을 제공할 뿐만 아니라, LED 방출기(4) 중 하나가 고장나더라도, 픽셀 구조(1)가 어떠한 어두운 영역 없이 의도한 대로 여전히 기능하도록 보장한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 변환된 방사(R2, R21, R22)의 총 출력을 조정하기 위한 제어 장치(12)가 제공되며, 조정은 LED 방출기(4)의 구동 전류의 펄스 폭 변조 및 조정 중 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 변환된 방사(R2, R21, R22)는 방사 필터링의 적용 없이 사용자 인터페이스 표면(2a)을 향해 주 변환 방향(D2)으로 전파된다.
픽셀 구조(1)는 적어도 3개의 LED 방출기(4)를 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 제1 파장 변환 유닛(5)은 제1 LED 방출기(4)에 작동 가능하게 연결되고, 적어도 하나의 제2 파장 변환 유닛(5)은 제2 LED 방출기(4)에 작동 가능하게 연결된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 픽셀 구조(1)는 6개의 LED 방출기(4)를 포함할 수 있는데, 제1 쌍의 LED 방출기는 제1 파장 변환 유닛(5)에 작동 가능하게 연결되고, 제2 쌍의 LED 방출기(4)는 제2 파장 변환 유닛(5)에 작동 가능하게 연결된다. 제1 파장 변환 유닛(5)은 바람직하게는 제1 쌍의 LED 방출기(4)로부터의 방출 방사(R1)를 제1 변환된 방사(R2)로 변환하도록 구성되고, 제2 파장 변환 유닛(5)은 바람직하게는 제2 쌍의 LED 방출기(4)로부터의 방출 방사(R1)를 제2 변환된 방사(R2)로 변환하도록 구성된다.
또한 도 2b에 도시된 바와 같이, 제3 쌍의 LED 방출기(4) 중 각각의 LED 방출기(4)는 하나의 방사 산란 유닛(6) 또는 하나의 추가 파장 변환 유닛(5)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 방출 방사(R1)가 자외선 스펙트럼 범위 내에 있을 때, 제3 쌍의 LED 방출기(4)는 각각 하나의 추가 파장 변환 유닛(5)에 작동 가능하게 연결되는 것이 바람직하며, 추가 파장 변환 유닛(5)은 제3 쌍의 LED 방출기(4)로부터 자외선 스펙트럼 내의 방출 방사(R1)를 예를 들어 청색 스펙트럼 범위 내(표시되지 않음)의 제3 변환된 방사(R3)로 변환하도록 구성된다. 대신에, 방출 방사(R1)가 청색 스펙트럼 범위 내에 있을 때, 제3 쌍의 LED 방출기(4)는 각각 하나의 방사 산란 유닛(5)에 작동 가능하게 연결되는 것이 바람직하다. 각 LED 방출기(4)는 하나의 파장 변환 유닛(5)에 작동 가능하게 연결될 수 있으며, 선택적으로 연결은 예를 들어 도 3b에서 바닥 층으로서 도시된 금속 접촉 층과 같은 각 LED 방출기를 위한 접촉 층 애노드를 포함하고, 기판(3)은 캐소드 층을 포함한다. 금속 접촉 층은 LED 방출기에 전류를 공급하고 LED 방출기의 바닥, 따라서 기판(3)을 향한 원하지 않는 방출 방사(R1)를 방지한다.
도 10은 사용자 인터페이스 표면(2a)을 갖는 전자 디스플레이(2) 및 적어도 하나의 픽셀 구조(1)를 포함하는 전자 장치(13)를 도시한다. 픽셀 구조(1)는 하나의 방출 파장의 방출 방사(R1)가 도 2b에 도시된 바와 같이 주 방출 평면(P1) 내의 다수의 방출 방향(D2,…Dn)으로 방출될 수 있도록 하여, 방출 방사(R1)의 적어도 일부를 적어도 하나의 변환된 파장의 변환된 방사(R2,R21,R22)로 변환하고, 주 방출 평면(P1) 및 사용자 인터페이스 표면(2a)에 수직인 주 변환 방향(D1)으로 변환된 방사(R2,R21,R22)를 지향시키도록 구성된다. 주 방출 평면(P1)은 사용자 인터페이스 표면(2a)과 실질적으로 평행하게 연장된다. 픽셀 구조(1)는 방출 방사를 적어도 하나, 바람직하게는 여러 개의 변환된 파장으로 변환하도록 구성되며, 상이한 변환된 파장은 서로 다르고 또한 방출 파장과 상이하다.
도 11 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 전자 장치(13)는 복수의 동일한 픽셀 구조(1)를 포함할 수 있으며, 픽셀 구조(1)는 주 방출 표면(P1)에 2차원 패턴으로 분포된다. 2차원 패턴은 픽셀 구조(1)의 행과 픽셀 구조(1)의 열을 포함하고, 행은 평행하게 연장되고 수직 각도로 열과 교차한다. 개별 행의 픽셀 구조(1)의 수는 인접한 행의 픽셀 구조(1)의 수와 무관하며, 이에 대해, 도 17은 각각의 행에서 1개 및 2개의 픽셀 구조(1)를 교대로 도시하고, 도 18은 각각의 행에서 2개 및 3개의 픽셀 구조(1)를 교대로 도시한다. 상응하게, 개별 열에 있는 픽셀 구조(1)의 수는 인접 열에 있는 픽셀 구조(1)의 수와 무관하며, 이에 대해, 도 17은 각각의 열에서 2개 및 3개의 픽셀 구조(1)를 교대로 도시하고, 도 18은 각각의 열에서 1개 및 2개의 픽셀 구조(1)를 교대로 도시한다. 이러한 픽셀 구조(1)의 분포는 2차원 패턴을 포함하는 영역에서 픽셀 구조(1)의 수의 최대화를 허용할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 복수의 픽셀 구조(1)는 2차원 패턴에 따라 제1 피치로 분포될 수 있되 개별 픽셀 구조(1)의 방출 방사(R1)의 적어도 제1 방출 방향(D2)이 인접한 픽셀 구조(1)의 대응하는 제1 방출 방향(D2)과 정렬되도록 한다. 또한 도 13에 도시된 바와 같이, 제2, 제3 및 제4 방출 방향(D3, D4, D5)은 인접한 픽셀 구조(1)의 대응하는 제2, 제3 및 제4 방출 방향(D3, D4 및 D5)과 또한 정렬될 수 있다. 즉, 픽셀 구조(1)는 2차원의 직사각형 그리드 패턴으로 배열될 수 있으며, 행 내의 픽셀 구조(1)의 수, 열 내의 픽셀 구조(1)의 수, 행 사이의 거리, 및 열 사이의 거리는 일정하다. 피치는 인접한 픽셀 구조(1)의 중심점 사이의 거리이다. 이러한 유형의 정렬된 배열은 흡수 경로(A) 길이가 피치에 비해 작을 때 적합하다.
도 11, 12 및 14 내지 18에 도시된 바와 같이, 복수의 픽셀 구조(1)는 대신에 2차원 패턴에 따라 제2 피치로 분포될 수 있되 개별 픽셀 구조(1)의 방출 방사(R1)의 적어도 제1 방출 방향(D2)이 인접한 픽셀 구조(1)의 대응하는 제1 방출 방향(D2)과 오정렬되도록 한다. 바람직하게, 오정렬된 방출 방향은, 예를 들어 열 및 행 패턴과 관련하여 주 방출 평면(P1)에서 회전됨으로써 모든 픽셀 구조(1)가 동일한 양만큼 동일한 방향으로 오정렬되도록, 평행하게 연장된다.
가능한 회전에 관계없이, 픽셀 구조(1)는 도 11, 도 12 및 도 15에 도시된 바와 같이 그 중심점이 2차원 패턴의 양방향으로 정렬되도록 배열될 수 있다. 도 14 및 16에 도시된 바와 같이, 픽셀 구조(1)는 그 중심점이 2차원 패턴의 한 방향으로 정렬되고 다른 방향으로는 오프셋되도록 배열될 수 있다. 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 픽셀 구조(1)는 그 중심점이 2차원 패턴의 양방향으로 오정렬되도록 배열될 수도 있다. 회전된 오정렬 배열은 흡수 경로(A) 길이가 피치에 비해 클 때 적합하다.
오정렬은 하나 또는 여러 개의 오정렬된 방출 방향을 갖는 각각의 그러한 픽셀 구조(1)의 흡수 경로(A)의 길이의 확장을 허용한다. 방출 방향이 잘못 정렬되고 동일한 행 또는 열을 따라 확장되지 않고 대신 그러한 행과 열 사이의 빈 영역 내에서 확장되기 때문에, 각 흡수 경로(A)의 길이는 인접한 흡수 경로(A)의 길이에 의해 덜 제한된다. 따라서, 흡수 경로(A)의 치수는 예를 들어 주 방출 평면(P1)에서 파장 변환 유닛(5)의 외부 치수를 초과할 수 있는데, 즉 흡수 경로(A)의 길이는 자신이 연장하는 파장 변환 유닛(5)의 길이보다 길거나, 또는 그보다 파장 변환 유닛(5)의 폭보다 길 수 있다. 예를 들어, 도 11은 흡수 경로(A)가 파장 변환 유닛(5)의 양단에서 두 번 접힌 실시예를 도시하고, 도 12는 흡수 경로(A)가 만곡된 실시예를 도시한다.
도 14 내지 도 18은 인접한 픽셀 구조(1) 사이의 피치가 감소된 실시예를 도시한다. 도 15에서, 피치는 흡수 경로(A)의 길이와 유사하여 픽셀 사이의 직선 상에 인접한 2개의 흡수 경로를 맞출 수 없다. 따라서, 각 픽셀 구조(1)의 방출 방향은, 하나의 픽셀 구조(1)의 흡수 경로(A)가 중첩없이 인접한 픽셀 구조(1)의 흡수 경로(A)에 인접하는 방식으로 픽셀 구조(1)의 패턴에 대해 회전된다. 따라서, 픽셀 구조(1) 사이의 피치는 흡수 경로(A)에 대해 최대로 활용된다. 흡수 경로(A)는 특히 청색 스펙트럼 범위에서 높은 색 변환 효율 및 방출 방사(R1)의 높은 흡수를 보장하기 위해 충분히 길어야 한다.
도 14는 개별 픽셀 구조(1)의 제1 방출 방향(D2) 및 제2 방출 방향(D3)이 인접한 픽셀 구조의 대응하는 제1 방출 방향(D2) 및 제2 방출 방향(D3)에 대해 측면 오프셋을 나타내도록 오정렬되는 한편, D4 및 D5로부터의 방출에 필요한 흡수 경로 길이가 더 짧기 때문에 제3 및 제4 방출 방향(D4, D5)은 정렬되는 실시예를 보여준다.
도 15 및 도 16은 개별 픽셀 구조(1)의 제1 방출 방향(D2), 제2 방출 방향(D3), 제3 방출 방향(D4) 및 제4 방출 방향(D5) 모두가 인접 픽셀 구조의 대응하는 방출 방향(D2, D3, D4, D5)과 오정렬되어, 2차원 패턴이 하나 또는 여러 개의 상호 연결된 평행사변형을 포함하도록 하는 실시예를 보여준다.
도 17 및 도 18은 개별 픽셀 구조(1)의 제1 방출 방향(D2), 제2 방출 방향(D3), 제3 방출 방향(D4) 및 제4 방출 방향(D5) 모두가 인접 픽셀 구조의 대응하는 방출 방향(D2, D3, D4, D5)과의 측면 오프셋을 나타내도록 오정렬되어, 2차원 패턴이 분산된 픽셀 구조(1)의 벌집 패턴을 포함하도록 한다.
전술한 바와 같이, 픽셀 구조(1)는 제1 피치를 두고 배열, 즉 제1 피치에 의해 분리될 수 있다. 이 경우, 픽셀 구조(1)는, 개별 픽셀 구조(1)의 파장 변환 유닛(들)(5)의 흡수 경로(들)(A)가 인접한 픽셀 구조의 대응하는 흡수 경로(A)와 정렬 되도록, 열 방향 및 행 방향 중 적어도 하나로 정렬된다.
전술한 바와 같이, 픽셀 구조(1)는 2차원 어레이로 배열될 수 있다. 각각의 픽셀 구조(1)는 동일한 크기의 영역을 점유할 수 있고, 및/또는 다른 픽셀 구조(1)와 동일한 길이의 흡수 경로(들)(A)를 가질 수 있다. 흡수 길이는 10-500μm, 바람직하게는 <20μm일 수 있다. 2차원 어레이에서 픽셀 구조(1)의 피치는, 사용자의 눈과 사용자 인터페이스 표면(2a) 사이의 거리가 1m 미만이도록 구성된 디스플레이 애플리케이션에서, 즉, 스마트폰과 같은 근거리 보기 디스플레이에서, 20-150㎛, 바람직하게는 30-80㎛일 수 있다. 이에 대응하여, 제2 피치는, 사용자의 눈과 사용자 인터페이스 표면(2a) 사이의 대응 거리가 ≥0.5m이도록 구성된 디스플레이 애플리케이션에서, 즉 TV와 같은 원거리 뷰 디스플레이에서, ≥70μm, 바람직하게는 ≥100μm일 수 있다.
제2 피치로 분포된 복수의 픽셀 구조(1)는 도 11, 12, 15, 16 및 18에 도시된 바와 같이, 주 방출 평면(P1)에서 각도(β)만큼 회전될 수 있어, 개별 픽셀 구조(1)의 파장 변환 유닛(5)의 흡수 경로(A)는 인접한 픽셀 구조의 대응하는 흡수 경로(A)와 오정렬된다.
또한, 개별 행의 픽셀 구조(1)는 도 14, 16 및 17에 도시된 바와 같이 인접한 행의 픽셀 구조(1)에 대해 열 방향으로 오프셋될 수 있다. 대응하여, 개별 열의 픽셀 구조(1)는 도 18에 도시된 바와 같이, 인접한 열의 픽셀 구조(1)에 대해 행 방향으로 오프셋될 수 있다.
본 명세서에서 다양한 양태 및 구현이 다양한 실시예와 관련하여 설명되었다. 그러나, 개시된 실시예에 대한 다른 변형예가 도면, 개시 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 주제를 실시함에 있어서 당업자에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 청구범위에서 "포함하는"이라는 단어는 다른 요소나 단계를 배제하지 않으며, 단수의 표현은 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 기타 유닛은 청구범위에 인용된 여러 항목의 기능을 수행할 수 있다. 소정의 수단이 서로 다른 종속항에 인용되어 있다는 단순한 사실이 측정된 이들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다. 컴퓨터 프로그램은, 예를 들어 다른 하드웨어와 함께 또는 그 일부로 공급되는 광 저장 매체 또는 고체 상태 매체와 같은 적절한 매체에 저장/분배될 수 있지만, 인터넷 또는 기타 유선 또는 무선 통신 시스템을 통해 다른 형태로 배포될 수 있다.
청구범위에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 달리 표시되지 않는 한, 도면은 명세서와 함께 판독(예컨대, 크로스 해칭, 부분들의 배열, 비율, 정도 등)되도록 의도되고 본 개시의 전체 서면 설명의 일부로 간주되어야 한다. 명세서에 사용된 용어 "수평", "수직", "왼쪽", "오른쪽", "위" 및 "아래" 뿐만 아니라 이들의 형용사 및 부사 파생어(예컨대, "수평으로", "오른쪽으로" , "위쪽으로" 등)는 특정 도면이 독자를 향할 때 예시된 구조의 방향을 간단히 나타낸다. 유사하게, "내측으로" 및 "외측으로"라는 용어는 일반적으로 적절할 경우 신장 축 또는 회전 축에 대한 표면의 방향을 나타낸다.

Claims (26)

  1. 전자 디스플레이(2)용 픽셀 구조(1)로서,
    상기 픽셀 구조(1)는
    - 기판(3)과,
    - 상기 기판(3) 상에 배열된 적어도 하나의 LED 방출기(4)- 상기 LED 방출기(4)는 방출 방사(emission radiation)(R1)를 방출하도록 구성되고, 상기 방출 방사(R1)는 방출 파장 범위 내에 있고 주 방출 평면(P1) 내에서 하나 이상의 방출 방향(D2,…, Dn)으로 방출됨 -와,
    - 상기 기판(3) 상에서 상기 LED 방출기(4)에 인접하여 정렬된 적어도 하나의 파장 변환 유닛(5)- 상기 파장 변환 유닛(5)은 상기 방출 방사(R1)를 변환된 방사(R2)로 변환하도록 구성되고, 상기 변환된 방사(R2)는 변환된 파장 범위 내에 있고 상기 파장 변환 유닛(5)으로부터 상기 주 방출 평면(P1)에 수직인 주 변환 방향(D1)으로 전파함 -을 포함하되,
    상기 변환된 파장 범위는 상기 방출 파장 범위와 상이한,
    픽셀 구조(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방출 파장 범위는 청색 스펙트럼 범위 또는 자외선 스펙트럼 범위 중 하나이고,
    상기 픽셀 구조(1)가 적어도 2개의 LED 방출기(4)를 포함하는 경우, 상기 LED 방출기(4)는 동일한 파장을 갖는 방사를 방출하도록 구성된,
    픽셀 구조(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 2개의 파장 변환 유닛(5)을 포함하되, 각각의 파장 변환 유닛(5)은 상기 방출 파장 범위 내의 상기 방출 방사(R1)를 복수의 상이한 변환된 파장 범위 중 하나 내의 상기 변환된 방사(R2)로 변환하도록 구성된,
    픽셀 구조(1).
  4. 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 제1 파장 변환 유닛(5)은 상기 방출 방사(R1)를 제1 변환된 파장 범위 내의 제1 변환된 방사(R21)로 변환하도록 구성되고,
    적어도 하나의 제2 파장 변환 유닛(5)은 상기 방출 방사(R1)를 제2 변환된 파장 범위 내의 제2 변환된 방사(R22)로 변환하도록 구성되며, 상기 제2 변환된 파장 범위는 상기 제1 변환된 파장 범위와 적어도 부분적으로 상이한,
    픽셀 구조(1).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 변환된 파장 범위는 적색 스펙트럼 범위 내에 있고 상기 제2 변환된 파장 범위는 녹색 스펙트럼 범위 내에 있는,
    픽셀 구조(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LED 방출기(4)는 상기 주 방출 평면(P1)에서 방출 방사(R1)만을 방출하도록 구성되거나, 또는
    상기 LED 방출기(4)에 의해 상기 주 방출 평면(P1)에서 방출되는 상기 방출 방사(R1) 또는 상기 방출 방사(R1)의 적어도 일부는 상기 파장 변환 유닛(5)에서 변환된 방사(R2)로 변환되는,
    픽셀 구조(1).
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽셀 구조(1)가 적어도 2개의 LED 방출기(4)를 포함하는 경우, 상기 LED 방출기(4) 중 적어도 하나는 상기 주 변환 방향(D1)으로 방출 방사(R1)를 방출하도록 구성된,
    디스플레이 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(3) 상에서 상기 LED 방출기(4)에 인접하여 배열된 적어도 하나의 방사 산란 유닛(6)을 더 포함하되, 상기 산란 유닛(6)은 상기 주 방출 평면(P1)에서 전파하는 방출 방사(R1)를 상기 주 변환 방향(D1)으로 재지향시키도록 구성된,
    픽셀 구조(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 변환 유닛(5)은 파장 변환 재료를 포함하고, 상기 파장 변환 재료는 바람직하게는 매트릭스 재료 및 상기 매트릭스 재료 내에 분포된 파장 변환 입자를 포함하는,
    픽셀 구조(1).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 파장 변환 입자는 양자점 또는 인 재료인,
    픽셀 구조(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 변환 유닛(5)은 상기 주 변환 방향(D1)에서 상기 파장 변환 유닛(5)의 주변을 따라 연장되는 적어도 하나의 배리어(7)를 포함하고,
    상기 배리어(7)는 상기 파장 변환 유닛(5)의 흡수 경로(A)를 연장하도록 구성되고, 상기 흡수 경로(A)는 상기 주 방출 평면(P1)에서 연장되며, 상기 방출 방사(R1)는 상기 흡수 경로(A)를 따라 전파하며,
    변환된 방사(R2)로의 방출 방사(R1)의 상기 변환은 상기 전파와 동시에 발생하는,
    픽셀 구조(1).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 주 변환 방향(D1)으로 적어도 부분적으로 연장되는 상기 배리어(7)의 표면 상에 배열된 적어도 하나의 벽 반사체(8)를 더 포함하고,
    상기 벽 반사체(8)는, 상기 파장 변환 유닛(5)의 상기 흡수 경로(A)가 상기 주 방출 평면(P1) 내에서 연장되도록, 상기 흡수 경로(A)를 따라 전파하는 상기 방출 방사(R1)를 재지향시키도록 구성된,
    픽셀 구조(1).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 변환 유닛(5)과 상기 기판(3) 사이에 배열된 적어도 하나의 바닥 반사체(9)를 더 포함하고,
    상기 바닥 반사체(9)는 상기 주 방출 평면(P1)과 적어도 부분적으로 평행하게 연장되고 상기 파장 변환 유닛(4) 내에서 전파하는 변환된 방사(R2)를 상기 주 변환 방향(D1)으로 재지향시키도록 구성된,
    픽셀 구조(1).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 파장 변환 유닛(5)은 상기 방출 방사(R1)가 상기 파장 변환 유닛(5) 내에서 전파될 때 상기 상기 방출 방사(R1)를 안내하도록 구성된 도파관 구조(10)를 포함하는
    픽셀 구조(1).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 변환 유닛(5)은, 적어도 하나의 파장 변환 유닛 표면(5a, 5b)이 각도(α)에서 상기 기판(3)의 주 기판 평면(P2)으로 연장되도록 구성되고, 상기 표면(5a)은 상기 기판(3)으로부터 멀리 향하고 상기 표면(5b)은 상기 기판(3)에 인접하여 연장된,
    픽셀 구조(1).
  16. 제15항에 있어서,
    상기 파장 변환 유닛(5) 및 상기 기판(3) 중 하나는 상기 주 방출 평면(P1) 또는 상기 주 기판 평면(P2)을 따라 연장됨에 따라 테이퍼링되는(taper),
    픽셀 구조(1).
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(3)으로부터 멀리 향하는 상기 파장 변환 유닛 표면(5a)에 배열된 적어도 하나의 광학 기능 요소(11)를 더 포함하되, 상기 광학 기능 요소(11)는 상기 파장 변환 유닛 표면(5a)의 상부에 배열되거나, 상기 파장 변환 유닛 표면(5a)과 통합되는,
    픽셀 구조(1).
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광학 기능 요소(11)는 굴절 렌즈 및 회절 렌즈 중 적어도 하나인,
    픽셀 구조(1).
  19. 제17항에 있어서,
    상기 광학 기능 요소(11)는 표면 구조, 바람직하게는 표면 격자 구조, 표면 거칠기 구조, 표면 코팅 구조 또는 마이크로 기둥 중 하나인,
    픽셀 구조(1).
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LED 방출기(4) 중 몇몇은 하나의 파장 변환 유닛(5)에 작동 가능하게 연결되고, 상기 LED 방출기(4)는 방출 방사(R1)를 동시에 그리고 독립적으로 상기 파장 변환 유닛(5)으로 방출하도록 구성된,
    픽셀 구조(1).
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    변환된 방사(R2, R21, R22)의 총 출력을 조정하기 위한 제어 장치(12)를 더 포함하되, 상기 조정은 상기 LED 방출기(들)(4)의 구동 전류의 펄스-폭-변조 및 조정 중 하나를 포함하는,
    픽셀 구조(1).
  22. 사용자 인터페이스 표면(2a)을 갖는 전자 디스플레이(2), 및 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 픽셀 구조(1)를 포함하는 전자 장치(13)로서,
    상기 픽셀 구조(1)는,
    하나의 방출 파장의 방출 방사(R1)가 주 방출 평면(P1) 내에서 다수의 방출 방향(D2,…,Dn)으로 방출되는 것을 허용하고- 상기 주 방출 평면(P1)은 상기 사용자 인터페이스 표면(2a)과 평행하게 연장됨 -,
    상기 방출 방사(R1)의 적어도 일부를 적어도 하나의 변환된 파장의 변환된 방사(R2, R21, R22)로 변환하고- 상기 변환된 파장은 상기 방출 파장과 상이함 -,
    상기 주 방출 평면(P1) 및 상기 사용자 인터페이스 표면(2a)에 수직인 주 변환 방향(D1)으로 상기 변환된 방사(R2, R21, R22)를 지향시키도록 구성된,
    전자 장치(13).
  23. 제22항에 있어서,
    복수의 동일한 픽셀 구조(1)를 포함하고, 상기 픽셀 구조(1)는 2차원 패턴을 따라 상기 주 방출 평면(P1)에 분포되고,
    상기 2차원 패턴은 픽셀 구조(1)의 행과 픽셀 구조(1)의 열을 포함하며, 상기 행은 평행하게 연장되고 수직 각도로 상기 열과 교차하며,
    개별 행의 픽셀 구조(1)의 수는 인접한 행의 픽셀 구조(1)의 수와는 독립적이며,
    개별 열의 픽셀 구조(1)의 수는 인접한 열의 픽셀 구조(1)의 수와는 독립적이고,
    상기 픽셀 구조(1)의 분포는 상기 2차원 패턴을 포함하는 영역에서 픽셀 구조(1)의 수의 최대화를 허용하는,
    전자 장치(13).
  24. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 구조(1)는, 개별 픽셀 구조(1)의 상기 방출 방사(R1)의 적어도 제1 방출 방향(D2)이 인접한 픽셀 구조(1)의 대응하는 제1 방출 방향(D2)과 정렬되도록, 상기 2차원 패턴을 따라 제1 피치로 분포되는,
    전자 장치(13).
  25. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 구조(1)는, 개별 픽셀 구조(1)의 상기 방출 방사(R1)의 적어도 제1 방출 방향(D2)이 인접한 픽셀 구조(1)의 대응하는 제1 방출 방향(D2)과 오정렬되도록, 상기 2차원 패턴을 따라 제2 피치로 분포되고, 상기 오정렬은 각 픽셀 구조(1)의 배향에 대해 측면 오프셋(lateral offset) 및/또는 각도 오프셋되는,
    전자 장치(13).
  26. 제24항 및 제25항에 있어서,
    상기 흡수 경로(A)의 상기 길이가 고정되는 경우, 상기 길이는 10-500㎛, 바람직하게는 <20㎛이고,
    상기 제2 피치는 사용자의 눈과 상기 사용자 인터페이스 표면(2a) 사이의 거리가 <1m이도록 구성된 디스플레이 애플리케이션에서 20-150㎛, 바람직하게는 30-80㎛이고,
    상기 제2 피치는 사용자의 눈과 상기 사용자 인터페이스 표면(2a) 사이의 상응하는 거리가 ≥0.5m이도록 구성된 디스플레이 애플리케이션에서 ≥70㎛, 바람직하게는 ≥100㎛인,
    전자 장치(13).
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