KR100291911B1

KR100291911B1 - 반도체발광소자를이용한표시소자

Info

Publication number: KR100291911B1
Application number: KR1019940018091A
Authority: KR
Inventors: 박창원; 정좌영; 유용찬
Original assignee: 김순택; 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 1994-07-26
Filing date: 1994-07-26
Publication date: 2001-09-17
Also published as: KR960005735A

Abstract

신규한 구조의 표시소자가 개시되어 있다. 본 발명에 의한 표시소자는, 자외선 내지 심청색 영역의 광을 방사하며, p형 및 n형 전극이 매트릭스 형태로 형성되어 있는 반도체 발광소자와, 자외선 내지 심청색의 광에 의해 여기되는 형광체를 함유하는 형광막이 구비된 것으로, 원하는 부위의 p-n 접합에 순방향의 전압을 인가하여 자외선 내지 심청색의 광이 방사되고 이에 따라 형광체가 여기됨으로써 영상을 표시하게 된다. 기존의 평판 표시소자에 비해 고해상도의 영상 정보를 표시할 수 있다.

Description

반도체 발광소자를 이용한 표시소자

제1도는 본 발명에 의한 표시소자의 개략적인 사시도.

제2도 및 제3도는 각각, 본 발명에 의한 표시소자에서 발광지역의 분리구조를 도시한 단면도 및 사시도.

제4도는 본 발명의 표시소자에 이용될 수 있는 반도체 발광소자의 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 발광 다이오드 12 : p형 기판

14 : p형 질화알루미늄층 16 : 절연막

18 : n형 질화갈륨층 20 : p형 전극

22 : 도전 물질층 24 : n형 전극

26 : 형광막 28 : 블랙 매트릭스

30 : 형광막 스트라이프 32 : 분리영역

본 발명은 반도체 발광소자를 이용한 표시소자(Display Device)에 관한 것으로, 특히 자외선 내지 심청색(deep blue) 영역에서 발광 가능한 반도체 발광소자와 형광체를 이용하여 영상을 표시하는 표시소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode : 이하 "LED"라 한다)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 사용되는 재료의 에너지 밴드 갭에 따라 주로 450 ~ 800nm의 영역에서 발광되며, 통상 적색, 주황색, 황색 및 녹색의 광을 얻는다. 또한, 특수하게는 940~960nm의 영역에서 방사하는 근적외 발광소자와, 자외선(ultra violet)영역에서 방사하는 발광소자로 나뉘어질 수 있다. 일반적으로, 적색광은 GaAlAs 물질에 의해 얻어지고, 녹색광은 Gap 물질, 그리고 청색광은 SiC 물질에 의해 얻어진다. 근적외선 영역의 경우는 GaAs:Si 물질이 사용되고, 자외선 영역의 경우는 BN 물질이 사용된다. (참조문헌:Nippon Kessho Seicho Gakkaishi, Vol.17, No.2, pp183~187, 1990)

반도체 발광소자는, 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, 이하 "MBE"라 한다) 방법이나 액상 에피택시(Liguid Phase Epitaxy, 이하 "LPE"라 한다) 방법을 사용하여, 반도체기판 상에 발광층이 되는 n형 및 p형의 박막층을 순차적으로 성장시켜 p-n 접합을 형성시킴으로써 제조된다. 상기 p-n 접합에 순방향 전류를 흘리게 되면, 순방향 바이어스에 따라 p-n 접합의 전위 장벽이 낮아져서 n형 층으로부터는 전자가 p형 층으로, p형 층으로부터는 정공(hole)이 n형 층으로 흘러들어가 이들 전자와 정공이 재결합하여 반도체의 에너지 밴드 갭에 상당하는 파장의 빛을 방출한다.

반도체 발광소자 중에서 LED를 이용한 표시소자는 개개의 LED를 매트릭스 형식으로 배열하여 화소를 형성하는 것으로서, 화소의 크기가 매우 크기 때문에 텔레비젼이나 모니터 등의 디스플레이용으로는 사용이 불가능하다. 따라서, 전자계산기 표시창, 인디케이터(indicator) 및 옥외대형 광고판이나 전광판과 같이 해상도가 필요없는 단순한 영상이나, 그래프 및 글자 등의 표시에 이용되고 있는 실정이다. 또한, 컬러화가 가능하지만, 실용적인 청색 LED의 개발이 아직은 충분하지 않고 적색과 녹색과의 휘도 차이 때문에, 현재로서는 대부분 해상도가 필요없는 대형경보 표시판 등에 적색과 녹색의 혼합색 또는 모노(mono) 색으로만 이용되고 있다.

한편, 평판(flat) 표시소자로서 각광 받고 있는 액정 표시소자(Liguid Crystal Display; 이하 "LCD"라 한다)는 음극선관(CRT)을 대체할 수 있는 차세대 표시소자로서 연구되고 있다. LCD는 상호 대향되는 면에 각각 소정 패턴의 상부전극층과 하부전극층이 형성되며, 상호 결합되어 액정이 주입되는 폐쇄공간을 형성하는 배면기판 및 전면기판으로 이루어진다. 또한, 상기 LCD는 그 자체가 발광하여 화상을 형성하지 못하고 외부로부터 빛을 받아 화상을 형성하는 수광형 발광소자이므로, 어두운 곳에서는 화상을 관찰할 수 없다. 이를 해결하기 위하여 액정 표시소자의 배면에 빛을 발하는 백라이트 장치를 설비하여 액정 표시 소자의 배면에서 빛을 조사함으로써 어두운 곳에서도 화상을 볼 수 있도록 하고 있다. 그러나, 컬러 필터(color filter), 전·후면 편광판, 및 위상차 보상막 등에 의해 흡수되는 백라이트(backlight) 광원의 광량이 매우 많기 때문에, 최종적으로 LCD를 투과하여 전면으로 방출되는 광량은 백라이트 광량의 3~5% 밖에 되지 않는다. 따라서, 적정수준의 휘도를 얻기 위해서는 백라이트의 용량을 크게 해야 하는데, 이 경우 백라이트의 수명이 문제가 된다.

즉, 기존의 대표적인 평판 소자인 LCD는, ①컬러 필터 및 편광판등의 사용으로 에너지 변환 효율이 낮고, ②백라이트의 수명이 문제시되며, ③시야각이 좁고 콘트라스트(contrast)가 낮다는 문제점이 있다.

또한, LED 표시소자는 ①해상도가 필요한 그림 등의 영상정보를 표시하기에 부적합하고, ②완전 컬러화가 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 LCD나 LED 표시소자의 문제점을 해결할 수 있는 표시소자를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 자외선 내지 심청색 영역의 광을 방사하며, p형 및 n형 전극이 매트릭스 형태로 형성되어 있는 반도체 발광소자; 및

자외선 내지 심청색의 광에 의해 여기되는 형광체를 함유하는 형광막이 구비된 표시소자를 제공한다.

상기 반도체 발광소자로는, 자외선 내지 심청색 영역의 광을 방사하는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 사용하며, 상기 자외선 내지 심청색 영역의 광은 주 피크(peak)가 254~420nm의 영역에 있는 광을 나타낸다.

상기 반도체 발광소자로부터 방사되는 광에 의해 여기될 수 있는 형광체로서, 바람직하게는, 화면의 콘트라스트를 개선시키기 위하여 블랙 매트릭스(black matrix) 또는 안료 부착형 형광체를 사용한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 1개의 형광체 도트(dot)나 스트라이프(stripe)에 일치하도록 상기 반도체 발광소자의 발광지역수를 조절한다. 또한, 해상도를 조절하기 위하여, 상기 형광체 도트나 스트라이프의 폭은 상기 반도체 발광소자의 수개 내지 수십개의 발광지역에 일치하도록 조절할 수도 있다.

또한, 상기 반도체 발광소자의 각 발광지역을 선택적으로 구동시키기 위하여 확산 방법 또는 이온 식각 방법을 사용하여 상기 각 발광지역을 분리시킬 수 있다.

본 발명의 표시소자에서는, 반도체 발광소자로부터 원하는 부위의 p-n 접합에 순방향의 전압을 인가하여 자외선 내지 심청색의 광이 방사되도록 하고, 상기 광에 의해 형광체가 여기되어 영상을 표시하도록 함으로써 고해상도의 영상정보를 표시하도록 한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 표시소자의 개략적인 사시도이다.

제1도를 참조하면, 질화알루미늄(AIN) 재료의 p-n 호모접합(homo-junction)을 갖는 자외 발광 다이오드(LED ; 10) 어레이(array)가 형성되어 있다. 상기 각각의 LED(10)는 p형의 사파이어 기판(12), p형 질화알루미늄층(14), 절연막(16), 및 n형 질화갈륨층(18)으로 이루어지며, 상기 p형 질화알루미늄층(14)과 n형 질화갈륨층(18)이 p-n 호모접합을 이루게 된다. 상기 p-n 호모접합부는 광 방사지역으로서, 도전 물질층(22)으로 상호 연결되어 있는 p형 오믹(ohmic) 전극(20)과 LED(10) 하부의 n형 전극(24)에의 전압 인가에 따라 자외선광을 방사하게 된다. 본 발명의 LED(10)는 통상의 LED 구조와 유사하지만, 도전 물질층(22)에 의해 각 LED(10)의 p형 전극(20)들이 상호 연결되고, 공통전극인 n형 전극(24)을 전면에 형성하지 않고 스트라이프 형식으로 형성시킴으로써 반대쪽의 전극과 매트릭스 형태가 되는 것이 다르다. 따라서, LED(10) 어레이에서 특정부위의 발광지역에만 순방향의 전압을 인가하여 자외선 내지 심청색의 광을 방사할 수 있다.

상기 LED(10) 어레이 위쪽에는 형광체를 이용한 형광막(26)이 형성되어 있다. 상기 형광막(26)은 LED(10)의 자외 방사지역에 일치하도록 스트라이프 또는 도트 형태로 형성되고, 상기 LED(10)에서 방사되는 자외선광에 의해 여기되어 가시광선으로 발광함으로써 영상을 표시하는 역할을 한다. 참조부호 28은 블랙 매트릭스로서, 스크린의 콘트라스트를 향상시키고, 방사된 자외선광이 해당되는 형광막 이외의 부분을 여기시키는 것을 막아 혼색을 방지하는 역할을 한다. 참조부호 30은 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 각각의 형광체 스트라이프를 나타낸다.

상기 제1도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 표시소자는 통상의 자외발광 다이오드 어레이나 레이저 다이오드 어레이와 같은 반도체 발광소자 어레이 위쪽에 형광체를 이용하여 형광막을 형성시킨 구조이다. 상기 본 발명에 의한 표시소자에 의하면, 상기 발광소자의 상.하면에 형성된 p형 및 n형 전극을 통해 발광소자 어레이의 특정부위에 선택적으로 순방향의 전압이 인가되어 자외선 내지 심청색의 광이 방사되면, 상기 방사된 광이 발광소자의 특정부위 바로 위쪽에 형성되어 있는 형광막 부위를 여기시켜 형광체가 가시광으로 발광하게 됨으로써 영상이 표시된다. 따라서, 기존의 컬러 LCD 또는 PLZT를 이용한 영상 표시소자에서와 같이 백라이트의 광 중에서 액정이나 PLZT 물질, 편광판 및 컬러 필터 등을 투과하고 남은 광을 전면에서 인식하는 것이 아니라, 발광소자에서 방사된 광이 그대로 전량 형광체를 여기시키는 여기원으로서 사용되기 때문에 여기원 광의 손실이 없게 된다.

제2도 및 제3도는 각각, 본 발명에 의한 표시소자에서 발광지역의 분리구조를 도시한 단면도 및 사시도이다.

제2도 및 제3도를 참조하면, LED 어레이에서 특정 발광지역만을 선택적으로 구동시키기 위해서, 확산 방법이나 이온 식각 방법 등의 반도체 분리 기술을 이용하여 각 발광지역들을 상호 분리시키는 분리영역(32)을 형성한다. 참조부호 a 및 b는 각각 상기 분리영역(32)에 의해 상호 분리된 제1발광지역 및 제2발광지역을 나타낸다.

제4도는 본 발명의 표시소자에 이용될 수 있는 반도체 발광소자의 단면도로서, 심청색광을 방사하는 더블-헤테로 구조(double-hetero structure)의 LED 또는 레이저 다이오드를 도시한다. 여기서, 각 구조의 재료를 예를 들면, n형 기판은 GaAs 기판을 사용하고, n형층으로는 (Cu·Ag)(Al·Ga)S₂:Zn 재료가 사용된다. 활성층으로는 (Zn·Cd)(S·Se)재료가 사용되고, p형층으로는 (Cu·Ag) (Al·Ga)S₂:As 재료가 사용된다. 그리고, n형 전극으로는 (Au·Ge) 재료가 사용되고, p형 전극으로는 (In·Ga)재료가 사용된다. 상기 제4도에 도시된 반도체 발광소자에서, p형층과 n형층이 바뀔 수 있음은 물론이다.

본 발명의 표시소자에서 해상도를 조절할 경우에는 형광막의 폭을 발광소자의 발광지역 하나에만 일치시키지 않고 수개~수십개의 발광지역에 일치하도록 형광체 도트 또는 스트라이프의 사이즈를 조절하면 된다. 상기 제1도에는 한개의 발광지역 폭이 하나의 형광체 스트라이프의 폭에 일치하는 것으로 도시되었지만, 해상도를 조절하거나 LED의 집적도가 높은 경우에는 상기 형광체 스트라이프의 폭이 수개~수십개의 발광지역에 일치하도록 제조한다.

자외선 내지 심청색의 영역에서 광을 방사하는 LED 재료에는, 예를 들면, 큐빅 질화 붕소(Cubic Boron Nitride), 질화알루미늄, 또는 n형의 II-IV족 화합물과 p형의 황동광(chalcopyrite) 화합물을 결합시킨(Zn·Cd)(S·Se)/(Cu·Ag)(Al·Ga)S₂재료가 있다. 본 발명의 표시소자에 이용되는 반도체 발광소자로는, 자외선 내지 심청색의 영역, 즉 주피크가 254~430nm 영역에 있는 광을 방사하는 모든 재질의 LED 또는 레이저 다이오드를 사용할 수 있다. 상기 반도체 발광소자의 제조방법은 초고압하에서의 단결정 성장방법이나 MBE 방법, 또는 LPE 방법을 사용하는 통상의 반도체 제조방법과 유사하기 때문에, 발광소자의 사이즈를 대폭적으로 크게 할 수 없고, 따라서 화면의 크기를 기판 사이즈 이상으로 대형화하기는 어렵다. 그러나, 다수의 발광소자를 조합한다면 충분한 크기의 화면을 만들 수 있으므로 상기한 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명의 표시소자에 이용되는 형광막으로는 주 피크가 365~430nm인 자외선 내지 심청색광에 의해 여기되는 모든 형광체를 사용할 수 있는데, 예를 들면 다음과 같다.

① 적색으로는 Y₂O₂S:Eu, Y₂O₃:Eu, ZnSe:Zn, SrS·SrSO₄·CaF₂:Sm.(Zn·Cd)S: Ag, YVO₄:Eu, Zn₃(PO₄)₂:Mn, 및 MgO·MgF₂·GeO₂:Mn의 군에서 선택된 어느 하나를 사용한다.

② 청색으로는 ZnS:Ag,Cl, ZnS:Ag,Al, (Zn·Cd)S:Ag,Al Zn(S·Se):Ag,Al, ZnS:Zn, LaOBr:Cl, CaS·Na₂SO₄:CaF, SrSiO₃:Eu, BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu, SrMgAl₁₀O₁₇:Eu, Sr₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu, Sr₂P₂O₇:Eu 및 Ba₃MgSi₂O₈:Eu의 군에서 선택된 어느 하나를 사용한다.

③ 녹색으로는 ZnS:Cu, ZnS:Cu,Al, ZnS:Cu,Au,Al, (Zn·Cd)S:Ag, (Zn·Cd)S:Cu,Al, Sr(S·Se)SrSO₄:Ca, La₂O_sS:Tb, Y₂O₂S:Tb, Y₃Al₅O₁₂:Tb, Y₃(Al·Ga)₅O₁₂:Tb, LaOCl:Tb, Zn₂SiO₄:Mn, Zn₂GeO₄:Mn, MgS:Sb, 및 (Sr·Ca·Ba)₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu의 군에서 선택된 어느 하나를 사용한다.

또한, 상기한 형광체들은 그 자체로 사용할 수도 있고, 화면의 콘트라스트를 개선시키기 위해 안료 부착 상태로 사용할 수도 있다.

본 발명의 표시소자를 컬러로 만들 경우는, 적색, 녹색 및 청색의 형광체들을 각각의 위치에서 스트라이프나 도트 형태로 형광막을 제조하면 된다. 모노로 만들 경우는, 한가지 색의 형광체만으로 형광막을 형성하면 되는데, 적색, 녹색 및 청색 이외에도 CoS계(호박색) 형광체나 InBO₃계 형광체 등의 타색상을 갖는 형광체를 사용할 수 있다.

형광막은 통상의 세틀링(settling), 프린팅(printing), 슬러리(slurry) 도포법 또는 박막법을 사용하여 형성하며, 그 입경은 통상적인 형광체의 입경이면 가능하다. 바람직하게는, 평균 입경이 3~10㎛가 되는 것으로 형성한다.

이상 상술한 바와 같이 본 발명의 표시소자에 의하면, 고해상도의 영상 정보를 표시할 수 있으며, 기존의 평판 표시소자에 비해 해상도, 색순도 및 콘트라스트를 개선시킬 수 있다. 또한, 기존의 컬러 LCD와 같이 편광판, 위상차 보상막, 및 컬러 필터 등의 광을 흡수하는 부품들이 필요하지 않기 때문에, 여기원의 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.

Claims

자외선 내지 심청색 영역의 광을 방사하며, p형 및 n형 전극이 매트릭스 형태로 형성되어 있는 반도체 발광소자; 및 자외선 내지 심청색의 광에 의해 여기되는 형광체를 함유하는 형광막이 구비된 표시소자.
제1항에 있어서, 상기 반도체 발광소자가 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 표시소자.
제1항에 있어서, 상기 자외선 내지 심청색 영역의 광은 주피크(peak)가 254~420nm의 영역에 있는 광인 것을 특징으로 하는 표시소자.
제1항에 있어서, 상기 형광체가, 적색으로는 Y₂O₂S:Eu, Y₂O₃:Eu, ZnSe:Zn, SrS·SrSO₄·CaF₂:Sm.(Zn·Cd)S: Ag, YVO₄:Eu, Zn₃(PO₄)₂:Mn, 및 MgO·MgF₂·GeO₂:Mn의 군에서 선택된 어느 하나를 사용하고, 청색으로는 ZnS:Ag,Cl, ZnS:Ag,Al, (Zn·Cd)S:Ag,Al Zn(S·Se):Ag,Al, ZnS:Zn, LaOBr:Cl, CaS·Na₂SO₄:CaF, SrSiO₃:Eu, BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu, SrMgAl₁₀O₁₇:Eu, Sr₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu, Sr₂P₂O₇:Eu 및 Ba₃MgSi₂O₈:Eu의 군에서 선택된 어느 하나를 사용하며, 녹색으로는 ZnS:Cu, ZnS:Cu,Al, ZnS:Cu,Au,Al, (Zn·Cd)S:Ag, (Zn·Cd)S:Cu,Al, Sr(S·Se)SrSO₄:Ca, La₂O_sS:Tb, Y₂O₂S:Tb, Y₃Al₅O₁₂:Tb, Y₃(Al·Ga)₅O₁₂:Tb, LaOCl:Tb, Zn₂SiO₄:Mn, Zn₂GeO₄:Mn, MgS:Sb, 및 (Sr·Ca·Ba)₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu의 군에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 표시소자.
제1항에 있어서, 상기 형광체는 안료 부착형 형광체인 것을 특징으로 하는 표시소자.
제1항에 있어서, 상기 형광막에 형성된 1개의 형광체 도트나 스트라이프에 일치하도록 상기 반도체 발광소자의 발광지역수를 조절하는 것을 특징으로 하는 표시소자.
제1항에 있어서, 상기 형광막에 형성된 도트 또는 스트라이프의 폭이 상기 반도체 발광소자의 수개 내지 수십개의 발광지역에 일치하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 표시소자.
제1항에 있어서, 상기 반도체 발광소자의 각 발광지역이 분리된 것을 특징으로 하는 표시소자.