KR20120127077A - 색 변환 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20120127077A
KR20120127077A KR1020110045314A KR20110045314A KR20120127077A KR 20120127077 A KR20120127077 A KR 20120127077A KR 1020110045314 A KR1020110045314 A KR 1020110045314A KR 20110045314 A KR20110045314 A KR 20110045314A KR 20120127077 A KR20120127077 A KR 20120127077A
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이영주
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Abstract

본 명세서는 색 변환 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 명세서의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층과; 상기 광발광 층에 형성되고, 여기 광을 투과시키고, 상기 광발광 층에 의해 발생한 광을 반사시키는 다이크로익 층과; 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면에 형성된 반사층을 포함할 수 있다.

Description

색 변환 소자 및 그 제조 방법{COLOR CONVERTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 명세서는 색 변환 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 종래 기술에 따른 색 변환 소자는 광원에 의해 발생한 여기 광에 의해 다양한 색상을 발생하였다.
본 명세서는, 외부 양자 효율을 향상시키고, 광발광하는 양자점 입자들에 의해 형광체의 사용량을 절감할 수 있는 색 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서는 광발광하는 양자점 입자들에 의해 반치폭이 좁은 삼원색으로 구성되는 백색 광을 제공할 수 있는 색 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서는, 액정 표시장치(liquid crystal display; LCD)의 배면광 장치(backlight unit)에 적용됨으로써 LCD의 색상 표현 범위를 향상시킬 수 있고, 선명한 색상의 영상을 제공할 수 있는 색 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서는, 발광 다이오드 칩 패키지 또는 조명 장치에 적용됨으로써 연색성이 높고 색 온도 조절이 용이한 백색 광을 제공할 수 있는 색 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층과; 상기 광발광 층에 형성되고, 여기 광을 투과시키고, 상기 광발광 층에 의해 발생한 광을 반사시키는 다이크로익 층과; 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면에 형성된 반사층을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 광발광 층에 형성되고, 미세 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 또는 다수의 투명 요철 구조 또는 다수의 투명 돔 구조를 갖는 투명 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 광발광 물질은 나노입자의 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체일 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 다이크로익 층상에 형성되는 투명 기판을 더 포함하며, 상기 반사층은 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면으로부터 연장되어 상기 투명 기판의 측면에 형성되며, 상기 다이크로익 층은 상기 투명 기판과 상기 광발광 층 사이에 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 광발광 층상에 형성되는 투명 기판을 더 포함하며, 상기 반사층은 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면으로부터 연장되어 상기 투명 기판의 측면에 형성되며, 상기 투명 기판은 상기 다이크로익 층과 상기 광발광 층 사이에 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 광발광 층과 상기 투명 층 사이에 형성되는 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 보호층은 투명 나노 입자들로 이루어진 산화 아연(ZnO) 층일 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 액정 표시장치(liquid crystal display; LCD)의 배면광 장치(backlight unit)를 더 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 배면광 장치에 위치될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 배면광 장치는, 광원과; 상기 광원으로부터 출사되는 광을 인도(guide)하는 도광판(light guide)과; 상기 인도된 광을 확산하는 확산판(diffusers)을 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 도광판(light guide)과 상기 확산판(diffusers) 사이에 위치될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 발광 다이오드 칩 패키지를 더 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 발광 다이오드 칩 패키지의 광 출사면 상에 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 발광 다이오드 칩 패키지는, 리드 프레임(lead frame)과; 상기 리드 프레임 상에 형성되고, 청색 여기 광을 발생하는 청색 발광 다이오드 칩(chip)과; 상기 리드 프레임 상에 형성되고, 상기 청색 여기 광을 광 출사 방향으로 반사하기 위해 상기 청색 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 반사 면으로 구성된 패키지 프레임을 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 패키지 프레임 상에 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 색 변환 소자는, 투명 기판을 더 포함하며, 상기 투명 기판은 상기 다이크로익 층과 상기 패키지 프레임 사이에 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 반사층은 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면으로부터 연장되어 상기 투명 기판의 측면에 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 색 변환 소자는, 돔(dome) 형태의 렌즈(lens)를 더 포함하며, 상기 렌즈는 상기 광발광 층 상에 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 조명 장치를 더 포함하며, 상기 조명 장치는, 개구부를 갖는 외관부와; 상기 외관부에 위치되고, 여기 광을 발생하는 발광 소자와; 상기 외관부의 내면에 형성되고, 상기 여기 광을 상기 개구부의 방향으로 반사하는 반사판과; 상기 개구부를 덮고, 상기 여기 광을 확산시키는 확산판(diffuser plate)을 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 확산판 상에 형성될 수 있다.
본 명세서의 실시예들에 따른 색 변환 소자의 제조 방법은, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층을 형성하는 단계와; 여기 광을 투과시키고, 상기 광발광 층에 의해 발생한 광을 반사시키는 다이크로익 층을 상기 광발광 층에 형성하는 단계와; 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면에 반사층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는 외부 양자 효율을 향상시키고, 광발광하는 양자점 입자들에 의해 형광체의 사용량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는 광발광하는 양자점 입자들에 의해 반치폭이 좁은 삼원색으로 구성되는 백색 광을 제공할 수 있는 효과도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는 액정 표시장치(liquid crystal display; LCD)의 배면광 장치(backlight unit)에 적용됨으로써 LCD의 색상 표현 범위를 향상시킬 수 있고, 선명한 색상의 영상을 제공할 수 있는 효과도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는 발광 다이오드 칩 패키지 또는 조명 장치에 적용됨으로써 연색성이 높고 색 온도 조절이 용이한 백색 광을 제공할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자가 적용된 프로젝션 시스템(프로젝터)을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따라 액정 표시장치(liquid crystal display; LCD)의 배면광 장치(backlight unit)에 적용된 색 변환 소자를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따라 액정 표시장치의 배면광 장치(backlight unit)에 적용된 일례의 색 변환 소자를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따라 액정 표시장치의 배면광 장치(backlight unit)에 적용된 다른 일례의 색 변환 소자를 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자에 의해 발생한 백색 광의 스펙트럼 분포 특성(spectral characteristics)을 나타낸 도이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 제6실시예에 따라 색 변환 소자를 포함하는 발광 다이오드 소자를 나타낸 예시도이다.
도 14는 본 발명의 제7 실시예에 따른 색 변환 소자가 적용된 조명 장치를 나타낸 구성도이다.
도 15는 본 발명의 제7 실시예에 따른 백색 광 조명 장치의 발광 스펙트럼 특성의 일례를 나타낸 도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자 및 이를 적용한 액정 표시장치, 발광 다이오드 소자, 조명 장치 등을 도1 내지 도15를 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자가 적용된 프로젝션 시스템(프로젝터)을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 색 변환 소자가 적용된 프로젝션 시스템(디스플레이 시스템)은, 광(빛)을 발생하는 광원부(200)와; 광학계(예를 들면, 결상 광학계(focusing optics))(120)와; 파장 변환 물질(예를 들면, 형광체 물질)을 갖는 컬러 휠(130)과; 광 집속기(light integrator)(102)와; 지연 광학계(delay optics) 또는 콜렉팅 광학계(collecting optics)(104)와; 프리즘(106)과; 마이크로디스플레이 이미져(108) 및 프로젝션 렌즈(110)를 포함할 수 있다. 상기 프로젝션 시스템은 한국공개특허 10-2010-0037646에도 개시되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자가 적용된 프로젝션 시스템은, 상기 광원부(200)와 결상 광학계(focusing optics)(120) 사이에 설치된 다이크로익 필터(dichroic filter)(140)를 더 포함할 수도 있다. 상기 다이크로익 필터(dichroic filter)(140)는 파장에 따라 상기 여기 광의 일부를 투과 또는 반사하는 물질로서, 짧은 파장의 광을 투과시키고 긴 파장의 광을 반사시키거나 짧은 파장의 광을 반사시키고 긴 파장의 광을 투과시킬 수도 있다. 상기 다이크로익 필터(140)는 상기 여기 광을 상기 광학계(320) 쪽으로 반사하고, 상기 컬러 휠(330)에 의해 발생한 다수의 색광을 투과시킨다.
상기 광원부(200)로부터 출력된 광은 컬러 휠(130)을 통해 다수의 색광으로 변환되고, 고강도 균질성(intensity homogenization)(스크램블링; scrambling)을 위해 광 집속기(102)를 통과한다. 상기 광원부(200)는 다수의 발광 다이오드(예를 들면, Blue LED)를 포함하거나, 다수의 딥블루(deep blue) LED를 포함하거나 다수의 자외선(UV) LED를 포함하거나, 다수의 레이저 다이오드를 포함할 수도 있다.
상기 지연 광학계(104)는 프리즘(106)를 통해 스크램블링된 광을 마이크로디스플레이 이미져(108)로 결상(집광)시킨다.
상기 마이크로디스플레이 이미져(108)에 의해 변조된 광은 프로젝션 렌즈(110)를 통해 디스플레이 스크린에 투영된다.
상기 마이크로디스플레이 이미져(108)와 컬러 휠(130) 사이의 동기화(컬러 휠(130)과 마이크로디스플레이 이미져(108)를 제어하는 신호 처리기는 도시하지 않음)를 통해 다색 이미지가 얻어진다.
상기 컬러 휠(130)은 조명을 구현하기 위해 광원부(200)의 여기 광을 다른 종류의 파장으로 변환시켜주는 각각의 파장 변환 물질을 포함한다. 예를 들면, 상기 컬러 휠(130)은 모터에 의해 회전(회전 또는 선형 진동)함으로써 상기 여기 광으로부터 순차적으로 컬러를 분리하여 고휘도 다수의 색광(다색광)을 발생한다. 상기 컬러 휠(130)은 상기 파장 변환 물질에서 방사된 광을 상기 광 집속기(102)에 인가할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는 상기 광원부(200), 컬러 휠(130) 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층과, 상기 광발광 층에 형성된 다이크로익(이색성)(dichroic) 층을 포함한다.
상기 광발광 층에 포함된 광발광 물질은, 양자 점(quantum dots)의 나노 입자(nanoparticles)와 같이 광발광 현상을 나타내는 미세 입자(예를 들면, 적색 및 녹색으로 광발광하는 양자 점 입자)를 포함하는 형광체(phosphor materials)일 수 있다.
상기 광발광 층은 형광체 미세 입자들로 이루어지는 집합체(ensemble) 구조, 형광체가 투명 모재(matrix material)에 분산(dispersion)된 혼합체(blended matrix) 구조 등의 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 광발광 양자 효율(photoluminescence quantum yield; PL QY)이 높고, 광의 파장 반치폭(full width at half maximum; FWHM)이 좁아 색 순도(color purity)가 높은 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체를 상기 광발광 층에 적용함으로써, 높은 색 순도 특성을 구현할 수 있으며, 상기 광발광 층의 형광체 조성 비율을 변경함으로써 원하는 색 좌표를 갖는 광원 요소를 용이하게 구현할 수도 있다.
상기 양자 점은 ZnS(Zinc sulfide)을 도포한 카드뮴 셀레나이드(CdSe)로서, II-VI족 반도체 나노결정이거나, 인듐갈륨아세나이드(InGaAs), 인듐아세나이드(InAs), 알루미늄갈륨아세나이드(AlGaAs), 인화인듐(InP), 셀렌화카트뮴(CdSe) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 광발광 층은, 상기 양자 점과 형광체를 바인더를 이용하여 혼합한 후 그 혼합된 물질을 소성(firing, 燒成)함으로써 형성되거나, 필름 형태로 제작될 수도 있다.
상기 양자 점의 입자 크기(size)를 조절함으로써 엑시톤 보어 반경(exciton Bohr radius) 및 에너지 밴드 갭(energy band gap)을 의도대로 구현할 수 있다. 예를 들면, 상기 에너지 밴드 갭의 에너지 값이 녹색 광에 해당되는 양자 점 입자(녹색으로 광발광 하는 양자 점 입자)일 때 그 녹색 광에 해당되는 양자 점 입자에 여기 광을 조사함으로써 녹색 광이 발생되고, 상기 에너지 밴드 갭의 에너지 값이 적색 광에 해당되는 양자 점 입자(적색으로 광발광 하는 양자 점 입자)일 때 그 적색 광에 해당되는 양자 점 입자에 여기 광을 조사함으로써 적색 광이 발생된다.
상기 양자 점의 입자 크기가 균일하도록 상기 양자 점 입자들을 구성하면 광 파장 영역의 발광 스펙트럼이 매우 작은 반치폭(full width at half maximum; FWHM)을 갖는 원색에 가까운 발광 특성을 구현할 수 있다.
상기 다이크로익 층은 여기 광의 입사부와 상기 광발광 층 사이에 위치(형성)될 수 있다. 예를 들면, 상기 광발광 층은 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), 아크릴(acryl) 등과 같은 투명 기판(substrate)에 형성될 수 있으며, 상기 다이크로익 층은 상기 투명 기판과 상기 광발광 층 사이에 형성될 수 있다. 상기 다이크로익 층은 상기 광발광 층에서의 무지향성(omni-directional) 광의 경로를 미리설정된 출사(emitting) 방향으로 변경할 수 있다.
상기 다이크로익 층은, 상기 여기 광을 투과시키고, 상기 광발광 층에 의해 발생된 광의 파장 대역을 반사시킴으로써 상기 여기 광에 대한 출사 광(상기 광발광 층에 의해 발생된 광)의 비율을 나타내는 외부 양자 효율(external quantum efficiency; EQE)을 향상시킬 수 있다.
상기 투명 기판은 상기 광발광 층과 상기 다이크로익 층 사이에 형성될 수도 있다. 예를 들면, 상기 광발광 층은 상기 투명 기판의 일면(예를 들면, 투명 기판의 윗면)에 형성될 수 있고, 상기 다이크로익 층은 상기 투명 기판의 배면(예를 들면, 투명 기판의 아랫면)에 형성될 수도 있다.
상기 광발광 층과 출사되는 공간(예를 들면, 공기층) 간의 굴절률 차이를 완화하고, 상기 광발광 층의 계면에서 내부 전반사(internal reflection) 등에 의한 광 출사 효율 저하를 완화 또는 방지하기 위해, 상기 광발광 층의 광 출사 면에 미세 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 또는 투명 요철 구조 또는 다수의 투명 돔(dome)를 갖는 투명 층(또는 투명 박막 층)이 형성될 수도 있다.
상기 광발광 층의 측면에는 반사층(reflector)이 더 형성될 수 있고, 상기 반사층은 상기 투명 기판의 측면에 연장되어 형성될 수도 있다.
상기 광발광 층은 양자 점 등의 나노 입자(예를 들면, 금속 산화물 나노 입자)(nanoparticles)를 갖는 형광체뿐만 아니라 산화 아연(ZnO) 등의 투명 나노 입자들로 이루어진 보호 층(passivation layer)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 보호층은 금속 산화물 나노 입자(nanoparticles)에 의한 양자 점의 열화를 억제하기 위해 상기 광 발광 층의 표면에 형성될 수 있다.
상기 광발광 층은 녹색 형광체와 적색 형광체가 혼합된 형광체를 포함할 수 있다.
상기 녹색 형광체로는 Y3(Al,Ga)5O12:Ce, CaSc2O4:Ce, Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce, (Sr,Ba)2SiO4:Eu,(Si,Al)6(O,N)8:Eu (
Figure pat00001
-sialon), (Ba,Sr)3Si6O12N2:Eu, SrGa2S4:Eu, BaMgAl10O17:Eu,Mn 이 사용될 수 있으며, (Y1-x-yLuxCey)3Al5O12과 같은 LuAG계 형광체 물질도 사용 가능하며, 이외에도 다양한 녹색 형광체가 사용될 수 있다.
상기 적색 형광체로는 (Ca,Sr,Ba)2Si5(N,O)8:Eu, (Ca,Sr,Ba)Si(N,O)2:Eu, (Ca,Sr,Ba)AlSi(N,O)8:Eu, (Sr,Ba)3SiO5:Eu, (Ca,Sr)S:Eu, (La,Y)2O2S:Eu, K2SiF6:Mn, CaAlSiN:Eu가 사용 가능하며, 이외에도 다양한 적색 형광체가 사용될 수 있다.
상기 광발광 층에 포함되는 형광체에 의한 여기 광의 흡수도(absorbance)를 조절함으로써 상기 여기 광과 상기 광발광 층에 의해 발생한 광의 혼합 비율을 조절할 수 있으며, 상기 광발광 층에 포함되는 형광체들의 조성 비율과 상기 광발광 층의 두께에 의해 상기 색 변환 소자로부터 출사되는 광의 스펙트럼을 단색 광에서부터 다중의 파장 대역이 혼합된 백색 광까지 다양하게 구현할 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 청색 발광 다이오드 등의 청색 광원을 여기 광으로서 사용하는 액정 표시장치(liquid crystal display; LCD)의 배면광 장치(backlight unit)에 적용될 수도 있다. 상기 액정 표시장치의 배면광 장치는 여기 광을 발생하는 광원의 배열 방식에 있어서, 액정 패널(panel) 면에 수직 방향으로 발광하는 상향 발광(top emission) 형태로 구성될 수 있고, 액정 패널 면과 나란한 방향으로 발광하는 측면 발광(side emission) 형태로도 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자를 상기 액정 표시장치의 배면광 장치에 적용하고, 전력 효율이 높은 청색 발광 다이오드를 상기 배면광 장치의 광원으로서 적용하고, 청색의 여기 광에 의해 적색 및 녹색 대역으로 파장 천이를 일으키는 각각의 형광체들을 조합하여 상기 광발광 층에 적용함으로써, 포화된(saturated) 색 순도와 넓은 색역(color gamut)을 갖는 최적의 스펙트럼 분포를 갖는 백색 광을 용이하게 제공할 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 칩 패키지(chip package)의 광 출사부에 위치(또는 접합)될 수도 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는 청색 발광 다이오드를 여기 광원으로서 사용하는 발광 다이오드 칩 패키지의 광 출사부에 접합, 조립함으로써 색 순도가 높고 넓은 색역을 갖는 백색 발광 다이오드 소자를 제공할 수 있다.
상기 발광 다이오드 칩 패키지에 위치된 색 변환 소자에는 돔(dome) 형태의 렌즈가 형성될 수 있다. 상기 돔(dome) 형태의 렌즈뿐만 아니라 미세 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 또는 투명 요철 형상의 투명 층을 부품 형태로 상기 색 변환 소자에 제공될 수도 있다.
상기 발광 다이오드 칩 패키지에 적용된 광원은 청색 발광 다이오드(blue LED)일 수 있다. 상기 색 변환 소자의 광발광 층은, 청색, 녹색, 적색(삼원색)의 광 각각이 좁은 반치폭(full width at half maximum; FWHM)을 갖고, 각각의 원색 광 성분들이 상대적인 세기(intensity)로 출사되도록, 청색의 입사 광으로부터 녹색 광으로 광발광 하는 형광체와, 청색의 입사 광으로부터 적색 광으로 광발광 하는 형광체가 미리설정된 비율(예를 들면, 1:1 비율)로 혼합되어 구성될 수 있다. 여기서, 상기 미리설정된 비율은 설계자의 의도에 따라 다양하게 변경될 수도 있다.
상기 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자가 적용된 발광 다이오드 칩 패키지는 디스플레이 장치의 엘씨디(LCD)의 백라이트 유닛(Back Light Unit), 저전력 구동을 위한 디스플레이 장치 및 발광 다이오드를 사용하는 다양한 조명 장치에 적용될 수도 있다.
상기 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자의 적어도 두 가지 이상의 형광체(예를 들면, 적색으로 광발광 하는 형광체와 녹색으로 광발광 하는 형광체)의 혼합 비율을 조정함으로써 출사되는 백색 광의 색 온도(color temperature) 및 연색성 지수(color rendering index; CRI)를 용이하게 조절할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자의 광발광 층에 상기 형광체들을 적용하고, 이를 청색 발광 다이오드의 청색 광을 여기 광으로서 활용하는 조명 장치에 적용함으로써, 자연광과 유사한 광을 제공할 수 있고, 원하는 색 온도(color temperature)를 갖는 조명 장치를 용이하게 구현할 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 반도체 집적 회로 소자를 제작하는 공정과 유사하게 대면적의 투명 기판상에 다수 개로 형성될 수 있고, 상기 다수 개의 색 변환 소자를 칩(chip) 형태로 일괄 제조(batch processing) 한 후 이를 분할(dicing)하여 사용함으로써 상기 색 변환 소자들의 제조 비용과 상기 색 변환 소자들 간의 균일도를 향상시킬 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 적색으로 광발광하는 양자 점 입자(적색 형광체)와, 녹색으로 광발광하는 양자 점 입자(녹색 형광체)와, 가시 광(visible light) 영역의 파장 대역의 광발광 특성을 나타내는 양자 점 입자(가시광 파장 대역의 형광체)들을 미리설정된 비율(예를 들면, 1:1:1)로 혼합함으로써 형성된 광발광 층을 포함할 수도 있다. 여기서, 상기 미리설정된 비율은 설계자의 의도에 따라 다양하게 변경될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 제1실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 도2를 참조하여 설명한다.
도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 나타낸 구성도이다.
도2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 색 변환 소자(300)는, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층(301)과; 상기 광발광 층(301)에 형성되고, 여기 광(310)을 투과시키고, 상기 광발광 층(301)에 의해 발생한(변환된) 광(320)의 파장 대역을 반사시키는 다이크로익(dichroic) 층(302)을 포함하며, 상기 광발광 층(301)의 측면과 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 각각 형성된 반사층(reflector)(303)과; 상기 광발광 층(301)에 형성되고, 미세 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 또는 다수의 투명 요철 구조를 갖는 투명 층(304)을 더 포함할 수 있다.
상기 광발광 물질은 다양한 색(예를 들면, 적색 및 녹색)으로 광발광하는 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체일 수 있다. 상기 형광체를 포함하는 광발광 층(301)에 광발광 현상을 일으키는 높은 에너지를 갖는 여기 광(예를 들면, 청색 여기 광)(310)이 입사되면, 상기 여기 광(310)에 의해 상기 광발광 층(301)의 흡수도 및 광발광 양자 효율(photoluminescence quantum yield; PL QY)에 비례하여 긴 파장 대역(낮은 에너지의 파장 대역)의 광이 발생된다.
일반적으로 광발광에 의해 발생한 광은 무지향성을 갖게 되므로, 상기 광발광 층(301)에 의해 발생한 광의 일부는 상기 여기 광이 입사되는 쪽으로 진행하게 된다. 따라서, 상기 여기 광(301)의 파장 대역을 투과시키고, 상기 광발광 층(301)에 의해 발생한 광의 파장 대역을 반사시키는 다이크로익(dichroic) 층(302)을 상기 광발광 층(301)에 형성한다. 즉, 상기 다이크로익 층(302)은 상기 여기 광이 입사되는 쪽으로 진행하는 상기 광발광 층(301)에 의해 발생한 광을 반사시킴으로써 상기 색 변환 소자의 출사 광량(320)을 증가시킬 수 있다.
상기 투명 층(304)은, 상기 광발광 층(301)의 광 출사면에 형성될 수 있으며, 미세 렌즈 어레이(microlens array) 또는 다수의 투명 요철 형상 등으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 투명 층(304)은, 상기 광발광 층(310)과 출사되는 공간(예를 들면, 공기층) 간의 굴절률 차이를 완화하고, 상기 광발광 층(301)의 광 출사 계면에서의 내부 전반사(internal reflection) 등에 의한 광 출사 효율 저하를 완화 또는 방지하기 위해, 상기 광발광 층(301) 상에 형성된다.
상기 반사층(reflector)(303)은 상기 광발광 층(301)의 측면과 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 각각 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 반사층(reflector)(303)은, 상기 광발광 층(310)에 의해 발생한 광의 누설을 방지하여 상기 광발열 층(310)을 통해 출사되는 광량을 증가시키기 위해, 상기 광발광 층(301)의 양쪽 측면과 상기 다이크로익 층(302)의 양쪽 측면에 각각 형성된다.
이하에서는, 본 발명의 제2실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 도3을 참조하여 설명한다.
도3은 본 발명의 제2실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 나타낸 구성도이다.
도3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 색 변환 소자(300)는, 투명 기판(305)과; 상기 투명 기판(305)상에 형성되는 다이크로익 층(302)과; 상기 다이크로익 층(302)상에 형성되고, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층(301)을 포함하며, 상기 투명 기판(305)의 측면과, 상기 광발광 층(301)의 측면과, 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 각각 형성된 반사층(reflector)(303A)과; 상기 광발광 층(301)에 형성되고, 미세 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 또는 다수의 요철 구조를 갖는 투명 층(또는 투명 박막 층)(304)을 더 포함할 수 있다. 상기 다이크로익 층(302)은 여기 광(310)을 투과시키고, 상기 광발광 층(301)에 의한 발생한 광(320)의 파장 대역을 반사시킨다.
상기 광발광 물질은 다양한 색(예를 들면, 적색 및 녹색)으로 광발광하는 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체일 수 있다. 예를 들면, 적색으로 광발광하는 양자 점을 포함하는 형광체와 녹색으로 광발광하는 양자 점을 포함하는 형광체를 상기 광발광 층(301)에 적용하고, 상기 광발광 층(301)에 청색 여기 광을 조사함으로써 백색 광을 발생할 수도 있다.
상기 투명 기판(305)은 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), 아크릴(acryl) 중에서 어느 하나로 이루어진 투명 기판일 수 있다.
상기 다이크로익 층(302)은 상기 여기 광(310)이 입사되는 쪽으로 진행하는 상기 광발광 층(301)에 의해 발생한 광을 반사시킴으로써 상기 색 변환 소자의 출사 광량(320)을 증가시킬 수 있다.
상기 투명 층(304)은, 상기 광발광 층(301)의 광 출사 면에 형성될 수 있으며, 미세 렌즈 어레이(microlens array) 또는 다수의 투명 요철 형상 등으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 투명 층(304)은, 상기 광발광 층(310)과 출사되는 공간(예를 들면, 공기층) 간의 굴절률 차이를 완화하고, 상기 광발광 층(301)의 광 출사 계면에서의 내부 전반사(internal reflection) 등에 의한 광 출사 효율 저하를 완화 또는 방지하기 위해, 상기 광발광 층(301) 상에 형성된다.
상기 반사층(reflector)(303)은 상기 투명 기판(305)의 측면과, 상기 광발광 층(301)의 측면과, 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 각각 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 반사층(reflector)(303)은, 상기 광발광 층(310)에 의해 발생한 광의 누설을 방지하여 상기 광발열 층(310)을 통해 출사되는 광량을 증가시키기 위해, 상기 광발광 층(301)의 양쪽 측면으로부터 연장되어 상기 다이크로익 층(302)의 양쪽 측면과 상기 투명 기판(305)의 양 측면에 형성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제3실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 도4를 참조하여 설명한다.
도4는 본 발명의 제3실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 나타낸 구성도이다.
도4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 색 변환 소자(300)는, 상기 다이크로익 층(302)과; 상기 다이크로익 층(302) 상에 형성되는 투명 기판(305)과; 상기 투명 기판(305)상에 형성되고, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층(301)을 포함하며, 상기 투명 기판(305)의 측면과, 상기 광발광 층(301)의 측면과, 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 형성된 반사층(reflector)(303A)과; 상기 광발광 층(301)에 형성되고, 미세 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 또는 다수의 투명 요철 구조를 갖는 투명 층(304)을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 제3실시예에 따른 색 변환 소자에 적용된 상기 투명 기판(305)은 상기 다이크로익 층(302)과 상기 광발광 층(301) 사이에 형성될 수 있다.
상기 다이크로익 층(302)은 여기 광(310)을 투과시키고, 상기 광발광 층(301)에 의한 발생한 광(320)의 파장 대역을 반사시킨다.
상기 광발광 물질은 다양한 색(예를 들면, 적색 및 녹색)으로 광발광하는 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체일 수 있다. 예를 들면, 적색으로 광발광하는 양자 점을 포함하는 형광체와 녹색으로 광발광하는 양자 점을 포함하는 형광체를 상기 광발광 층(301)에 적용하고, 상기 광발광 층(301)에 청색 여기 광을 조사함으로써 백색 광을 발생할 수도 있다.
상기 투명 기판(305)은 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), 아크릴(acryl) 중에서 어느 하나로 이루어진 투명 기판일 수 있다.
상기 다이크로익 층(302)은 상기 여기 광(310)이 입사되는 쪽으로 진행하는 상기 광발광 층(301)에 의해 발생한 광을 반사시킴으로써 상기 색 변환 소자의 출사 광량(320)을 증가시킬 수 있다.
상기 투명 층(304)은, 상기 광발광 층(301)의 광 출사면에 형성될 수 있으며, 미세 렌즈 어레이(microlens array) 또는 다수의 투명 요철 형상 등으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 투명 층(304)은, 상기 광발광 층(310)과 출사되는 공간(예를 들면, 공기층) 간의 굴절률 차이를 완화하고, 상기 광발광 층(301)의 광 출사 계면에서의 내부 전반사(internal reflection) 등에 의한 광 출사 효율 저하를 완화 또는 방지하기 위해, 상기 광발광 층(301) 상에 형성된다.
상기 반사층(reflector)(303)은 상기 투명 기판(305)의 측면과, 상기 광발광 층(301)의 측면과, 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 각각 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 반사층(reflector)(303)은, 상기 광발광 층(310)에 의해 발생한 광의 누설을 방지하여 상기 광발광 층(310)을 통해 출사되는 광량을 증가시키기 위해, 상기 투명 기판(305)의 양쪽 측면과, 상기 광발광 층(301)의 양쪽 측면과, 상기 다이크로익 층(302)의 양쪽 측면에 각각 형성된다.
이하에서는, 본 발명의 제4실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 도5를 참조하여 설명한다.
도5는 본 발명의 제4실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 나타낸 구성도이다.
도5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 색 변환 소자(300)는,
광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층(301)과; 상기 광발광 층(301)에 형성되고, 여기 광(310)을 투과시키고, 상기 광발광 층(301)에 의한 발생한(변환된) 광(320)의 파장 대역을 반사시키는 다이크로익(dichroic) 층(302)을 포함하며, 상기 광발광 층(301)에 형성되고, 미세 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 또는 다수의 투명 요철 구조를 갖는 투명 층(304)과; 상기 투명 층(304)과 상기 광발광 층(301) 사이에 형성되는 보호층(306)과; 상기 보호층(306)의 측면, 상기 광발광 층(301)의 측면, 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 형성된 반사층(reflector)(303B)을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층(306)은, 산화 아연(ZnO) 등의 투명 나노 입자들로 이루어진 층일 수 있으며, 상기 광발광 층(301)에 포함된 양자 점의 열화(degradation)를 억제하기 위해 상기 광 발광 층(301)의 표면에 형성될 수 있다.
상기 광발광 물질은 다양한 색(예를 들면, 적색 및 녹색)으로 광발광하는 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체일 수 있다. 예를 들면, 적색으로 광발광하는 양자 점을 포함하는 형광체와 녹색으로 광발광하는 양자 점을 포함하는 형광체를 상기 광발광 층(301)에 적용하고, 상기 광발광 층(301)에 청색 여기 광을 조사함으로써 백색 광을 발생할 수도 있다.
상기 투명 기판(305)은 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), 아크릴(acryl) 중에서 어느 하나로 이루어진 투명 기판일 수 있다.
상기 다이크로익 층(302)은 상기 여기 광(310)이 입사되는 쪽으로 진행하는 상기 광발광 층(301)에 의해 발생한 광을 반사시킴으로써 상기 색 변환 소자의 출사 광량(320)을 증가시킬 수 있다.
상기 투명 층(304)은, 상기 광발광 층(301)의 광 출사면에 형성될 수 있으며, 미세 렌즈 어레이(microlens array) 또는 다수의 투명 요철 형상 등으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 투명 층(304)은, 상기 광발광 층(310)과 출사되는 공간(예를 들면, 공기층) 간의 굴절률 차이를 완화하고, 상기 광발광 층(301)의 광 출사 계면에서의 내부 전반사(internal reflection) 등에 의한 광 출사 효율 저하를 완화 또는 방지하기 위해, 상기 광발광 층(301) 상에 형성된다.
상기 반사층(reflector)(303B)은 상기 보호층(306)의 측면, 상기 투명 기판(305)의 측면과, 상기 광발광 층(301)의 측면과, 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 각각 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 반사층(reflector)(303B)은, 상기 광발광 층(310)에 의해 발생한 광의 누설을 방지하여 상기 광발열 층(310)을 통해 출사되는 광량을 증가시키기 위해, 상기 보호층(306)의 양쪽 측면, 상기 투명 기판(305)의 양쪽 측면, 상기 광발광 층(301)의 양쪽 측면, 상기 다이크로익 층(302)의 양쪽 측면에 형성된다.
이하에서는, 본 발명의 제5실시예에 따른 색 변환 소자의 구성을 도6을 참조하여 설명한다.
도6은 본 발명의 제5실시예에 따라 액정 표시장치(liquid crystal display; LCD)의 배면광 장치(backlight unit)에 적용된 색 변환 소자를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도6에 도시한 바와 같이, LCD 패널의 열 라인(row line)을 구동하는 제1 LCD 패널 구동부(6-1), 케이스 프레임(case frame)(6-2), LCD 패널(Panel)(6-3), LCD 패널의 행 라인(column line)을 구동하는 제2 LCD 패널 구동부(6-4), 프리즘 시트(prism sheets) 및 확산판(diffusers)(6-5), 도광판(light guide), 광원(예를 들면, 청색 레이저 다이오드)(6-6), 하우징(housing) 및 구동 회로(6-7), 반사층(6-8), 지지대(supporting fixture)(6-9), 배면 커버 프레임(Bottom Cover Frame)(6-10) 등으로 구성될 수 있다. 상기 액정 표시장치(LCD)의 구성 요소는 한국 특허 공개 번호 10-2006-0105911에도 개시되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 배면광 장치(backlight unit)는 상기 광원(6-6)과, 상기 광원(6-6)으로부터 출사되는 광을 인도하는 도광판(light guide plate)과, 상기 인도된 광에 의해 광발광된 광을 발생하는 색 변환 소자(300)와; 상기 광발광된 광(예를 들면, 백색 광)을 확산하는 확산판(diffusers)(6-5)으로 구성될 수 있다. 상기 도광판의 재료로는 강도가 높고 광 투과율이 높은 아크릴수지가 사용될 수 있다. 상기 확산판(6-5)은, 상기 광발광된 광을 LCD 패널(Panel)(6-3)의 전면에 균일하게 확산시키는 역할을 하는 것으로서, 연신공정을 통해 얻어지는 연신필름일 수 있다.
상기 색 변환 소자(300)는 적색으로 광발광하는 양자점 입자 및 녹색으로 광발광하는 양자점 입자에 의해 각각 광발광된 적색 광 및 녹색 광과 상기 광원(6-6)으로부터 출사되는 청색 광이 혼합된 백색 광을 발생하고, 그 백색 광을 상기 LCD 패널(Panel)(6-3)에 출사한다.
이하에서는, 상기 배면광 장치(backlight unit)에 적용된 색 변환 소자(300)를 도7을 참조하여 설명한다.
도7은 본 발명의 제5실시예에 따라 액정 표시장치의 배면광 장치(backlight unit)에 적용된 일례의 색 변환 소자를 나타낸 예시도이다.
도7에 도시한 바와 같이, 상기 색 변환 소자(300)는 상기 광원(6-6)으로부터 출사되는 광을 인도하는 도광판(light guide plate)(6-11)의 상부에 위치된다. 예를 들면, 상기 색 변환 소자(300)는 상기 배면광 장치(backlight unit)에 포함된 도광판(6-11)과 상기 확산판(diffusers)(6-5) 사이에 위치될 수 있다.
상기 색 변환 소자(300)는, 투명 기판(305)과; 상기 투명 기판(305)상에 형성되는 다이크로익 층(302)과; 상기 다이크로익 층(302)상에 형성되고, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층(301)을 포함하며, 상기 투명 기판(305)의 측면과, 상기 광발광 층(301)의 측면과, 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 형성된 반사층(reflector)(303A)과; 상기 광발광 층(301)에 형성되고, 미세 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 또는 다수의 요철 구조를 갖는 투명 층(304)을 더 포함할 수 있다.
상기 광발광 물질은 적색 및 녹색으로 광발광하는 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체일 수 있다.
이하에서는, 상기 배면광 장치(backlight unit)에 적용된 다른 색 변환 소자(300)를 도8을 참조하여 설명한다.
도8은 본 발명의 제5실시예에 따라 액정 표시장치의 배면광 장치(backlight unit)에 적용된 다른 일례의 색 변환 소자를 나타낸 예시도이다.
도8에 도시한 바와 같이, 상기 색 변환 소자(300)는 상기 광원(6-6)으로부터 출사되는 광(청색 여기 광)을 인도(guide)하는 도광판(6-11)의 상부에 위치된다. 예를 들면, 상기 색 변환 소자(300)는 상기 배면광 장치(backlight unit)에 포함된 도광판(6-11)과 상기 확산판(diffusers)(6-5) 사이에 위치될 수 있다.
상기 색 변환 소자(300)는, 상기 다이크로익 층(302)과; 상기 다이크로익 층(302) 상에 형성되는 투명 기판(305)과; 상기 투명 기판(305)상에 형성되고, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층(301)을 포함하며, 상기 투명 기판(305)의 측면과, 상기 광발광 층(301)의 측면과, 상기 다이크로익 층(302)의 측면에 형성된 반사층(reflector)(303A)과; 상기 광발광 층(301)에 형성되고, 미세 렌즈 어레이(microlens array; MLA), 또는 다수의 투명 요철 구조를 갖는 투명 층(304)을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 제3실시예에 따른 색 변환 소자에 적용된 상기 투명 기판(305)은 상기 다이크로익 층(302)과 상기 광발광 층(301) 사이에 형성될 수 있다.
상기 광발광 물질은 적색 및 녹색으로 광발광하는 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체일 수 있다.
도9는 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자에 의해 발생한 백색 광의 스펙트럼 분포 특성(spectral characteristics)을 나타낸 도이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 상기 색 변환 소자(300)는 상기 광원(6-6)으로부터 출사되는 청색 광과 적색 및 녹색으로 광발광하는 양자 점(quantum dots)에 의해 백색 광을 발생하며, 상기 청색 여기 광과 상기 녹색 광 및 적색 광에 의해 변환된 광 성분의 비율을 최적화하여 구성한 백색 광의 스펙트럼(spectrum) 분포를 나타낸다.
상기 스펙트럼 특성은 백색 광이 지나가는 광 경로 상에 위치하는 프리즘 시트(prism sheet) 등을 포함하는 다수의 휘도 분포를 보정하기 위한 광학 필름(optical films), 색 필터를 포함하는 액정 패널, 편광판(polarizer) 등의 투과 특성과, 사용자의 시감 특성 등을 감안하여, 사용자가 보게 되는 화상의 색상이 넓은 색역(color gamut)과 높은 색 순도(color purity)를 갖는 선명한 화질을 제공하도록 설정한 예이다.
이하에서는, 본 발명의 제6실시예에 따른 색 변환 소자를 포함하는 발광 다이오드 소자(500)의 구성을 도10 내지 도13을 참조하여 설명한다.
도10 내지 도13은 본 발명의 제6실시예에 따라 색 변환 소자를 포함하는 발광 다이오드 소자를 나타낸 예시도이다.
도10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자(300)는 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 칩 패키지(chip package)(400)의 광 출사면에 위치(또는 접합)될 수 있다. 여기서, 상기 발광 다이오드 칩 패키지(400)는 청색 발광 다이오드를 포함할 수 있다.
도11 및 도12에 도시한 바와 같이, 도11의 X-Y 가상선을 따라 색 변환 소자(300) 및 상기 발광 다이오드 칩 패키지(400)를 절단하면 도12와 같은 단면도를 볼 수 있다.
도12에 도시한 바와 같이, 상기 발광 다이오드 칩 패키지(400)는, 리드 프레임(lead frame)(403)과; 상기 리드 프레임(403) 상에 형성되고, 청색 여기 광을 발생하는 청색 발광 다이오드 칩(chip)(401)과; 상기 리드 프레임(403) 상에 형성되고, 상기 청색 여기 광을 광 출사 방향으로 반사하기 위해 상기 청색 발광 다이오드 칩(chip)(401)을 둘러싸는 반사 면으로 구성된 패키지 프레임(402)으로 구성될 수 있다. 상기 발광 다이오드 칩 패키지(400)는 청색 여기 광을 발생하기 위해 다양한 형태로 구성될 수도 있다.
상기 발광 다이오드 칩 패키지(400)에 적용된 색 변환 소자(300)는, 상기 패키지 프레임(402) 상에 형성된 투명 기판(305)과; 상기 투명 기판(305)상에 형성되는 다이크로익 층(302)과; 상기 다이크로익 층(302)상에 형성되고, 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층(301)과; 상기 광발광 층(301)의 측면에 형성된 반사층(303A)을 포함할 수 있다.
상기 반사층(303A)은 상기 광발광 층(301)의 측면으로부터 연장되어 상기 투명 기판(305)의 측면과, 상기 다이크로익 층(302)의 측면에도 형성될 수 있다. 상기 광발광(photoluminescence) 층(301)은 상기 발광 다이오드 칩 패키지(400)의 광 출사면(예를 들면, 원형의 광 출사면)상에만 형성될 수도 있다.
상기 색 변환 소자(300)와 상기 발광 다이오드 칩 패키지(400)로 이루어진 발광 다이오드 소자(예를 들면, 백색 발광 다이오드)(500)는 도13과 같이 돔(dome) 형태의 렌즈(lens)(310)를 더 포함할 수 있다.
도13에 도시한 바와 같이, 상기 발광 다이오드 소자(백색 발광 다이오드)(500)는 상기 발광 다이오드 칩 패키지(400)와; 상기 발광 다이오드 칩 패키지(400)상에 형성된 상기 색 변환 소자(300)와; 광 출사 효율 및 광도 분포 최적화를 위하여, 상기 색 변환 소자(300) 상에 형성된 돔(dome) 형태의 렌즈(lens)(310)를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자를 포함하는 발광 다이오드 소자는 청색 발광 다이오드를 여기 광원으로서 사용하는 발광 다이오드 칩 패키지의 광 출사면에 접합/조립된 색 변환 소자를 통해 색 순도가 높고 넓은 색역을 갖는 백색 광을 제공할 수 있다.
이하에서는, 상기 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자(300)가 적용된 조명 장치를 도14를 참조하여 설명한다.
도14는 본 발명의 제7 실시예에 따른 색 변환 소자가 적용된 조명 장치를 나타낸 구성도이다.
도14에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제7 실시예에 따른 색 변환 소자가 적용된 조명 장치(예를 들면, 백색 조명 장치)(600)는 연색성 지수(color rendering index; CRI) 향상을 위해 다양한 파장 대역의 광발광 입자를 혼합한 광발광 층을 포함하는 색 변환 소자(300)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제7 실시예에 따른 색 변환 소자가 적용된 조명 장치(예를 들면, 백색 조명 장치)(600)는, 개구부를 갖는 외관부(620)와; 상기 외관부에 위치되고, 여기 광을 발생하는 발광 소자(예를 들면, 청색 여기 광 발광 소자)(610)와; 상기 외관부(620)의 내면에 형성되고, 상기 여기 광을 상기 개구부의 방향으로 반사하는 반사판(630)과; 상기 개구부를 덮고, 상기 여기 광을 확산시키는 확산판(diffuser plate)(640)을 포함하며, 상기 색 변환 소자(300)는 상기 확산판(640) 상에 형성될 수 있다.
상기 외관부(620)는 반구형 돔 형상일 수 있다. 상기 반사판(630)은 상기 외관부(620)의 내면을 따라 상기 외관부(620)의 내면에 형성된 반구형 돔 형상일 수 있다.
상기 발광 소자(예를 들면, 청색 여기 광 발광 소자)(610)는, 상기 외관부(620)의 개구부 방향으로 광을 출사하기 위해, 상기 외관부(620)의 정점부와 상기 반사판(630)의 정점부 사이에 위치될 수 있다. 예를 들면, 상기 외관부(620)의 정점부와 상기 반사판(630)의 정점부 사이에 상기 발광 소자(예를 들면, 청색 여기 광 발광 소자)(610)를 배치하기 위해, 상기 발광 소자(610)의 크기에 비례하는 구멍(hole)이 상기 외관부(620)의 정점부와 상기 반사판(630)의 정점부에 각각 형성될 수 있다.
상기 확산판(diffuser plate)(640)은 상기 외관부(620)의 개구부를 덮고, 상기 여기 광을 확산시키고, 상기 확산된 광을 상기 색 변환 소자(300)에 출사한다.
상기 색 변환 소자(300)는 제2 실시예 내지 제4 실시예에 해당하는 색 변환 소자(300) 중에서 어느 하나가 적용될 수 있다.
본 발명의 제7 실시예에 따른 색 변환 소자(300)는 적색으로 광발광하는 양자 점 입자 등의 적색 형광체와 녹색으로 광발광하는 양자 점 등의 녹색 형광체 입자들과, 가시 광(visible light) 영역의 파장 대역의 광발광 특성을 나타내는 양자 점 등의 형광체들을 혼합하여 형성된 광발광 층을 포함할 수 있다.
도15는 본 발명의 제7 실시예에 따른 백색 광 조명 장치(600)의 발광 스펙트럼 특성의 일례를 나타낸 도로서, 청색 여기 광에 의한 적색, 주황색, 녹색, 청록색 대역의 광발광 입자가 혼합된 색 변환 소자를 구비한 조명 장치로부터 출사되는 백색 광 (320)의 스펙트럼 특성을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 제7 실시예에 따른 색 변환 소자가 적용된 조명 장치(600)는, 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자(300)를 통해 자연 채광과 유사한 연색성 지수를 용이하게 구현할 수 있고, 색 온도 조절이 용이한 백색 광을 포함하는 다양한 색상의 광을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 외부 양자 효율을 향상시키고, 광발광하는 양자점 입자들에 의해 형광체의 사용량을 절감할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 광발광하는 양자점 입자들에 의해 반치폭이 좁은 삼원색으로 구성되는 백색 광을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, LCD의 배면광 장치에 적용됨으로써 LCD의 색상 표현 범위를 향상시킬 수 있고, 선명한 색상의 영상을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 색 변환 소자는, 발광 다이오드 칩 패키지 또는 조명 장치에 적용됨으로써 연색성이 높고 색 온도 조절이 용이한 백색 광을 제공할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 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 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
301: 광발광(photoluminescence) 층 302: 다이크로익 층
303: 반사층 304: 투명 층

Claims (21)

  1. 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층과;
    상기 광발광 층에 형성되고, 여기 광을 투과시키고, 상기 광발광 층에 의해 발생한 광을 반사시키는 다이크로익 층과;
    상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면에 형성된 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광발광 층에 형성되고, 미세 렌즈 어레이(microlens array), 또는 다수의 투명 요철 구조 또는 다수의 투명 돔 구조를 갖는 투명 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광발광 물질은 나노입자의 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체인 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다이크로익 층상에 형성되는 투명 기판을 더 포함하며, 상기 반사층은 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면으로부터 연장되어 상기 투명 기판의 측면에 형성되며, 상기 다이크로익 층은 상기 투명 기판과 상기 광발광 층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광발광 층상에 형성되는 투명 기판을 더 포함하며, 상기 반사층은 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면으로부터 연장되어 상기 투명 기판의 측면에 형성되며, 상기 투명 기판은 상기 다이크로익 층과 상기 광발광 층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 광발광 층과 상기 투명 층 사이에 형성되는 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 보호층은 투명 나노 입자들로 이루어진 산화 아연(ZnO) 층인 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    액정 표시장치(liquid crystal display)의 배면광 장치(backlight unit)를 더 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 배면광 장치에 위치되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  9. 제8항에 있어서, 상기 배면광 장치는,
    광원과;
    상기 광원으로부터 출사되는 광을 인도하는 도광판과;
    상기 인도된 광을 확산하는 확산판을 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 도광판과 상기 확산판 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  10. 제1항에 있어서, 발광 다이오드 칩 패키지를 더 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 발광 다이오드 칩 패키지의 광 출사면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩 패키지는,
    리드 프레임과;
    상기 리드 프레임 상에 형성되고, 청색 여기 광을 발생하는 청색 발광 다이오드 칩과;
    상기 리드 프레임 상에 형성되고, 상기 청색 여기 광을 광 출사 방향으로 반사하기 위해 상기 청색 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 반사 면으로 구성된 패키지 프레임을 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 패키지 프레임 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 색 변환 소자는,
    투명 기판을 더 포함하며, 상기 투명 기판은 상기 다이크로익 층과 상기 패키지 프레임 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  13. 제12항에 있어서, 상기 반사층은,
    상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면으로부터 연장되어 상기 투명 기판의 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  14. 제10항에 있어서, 상기 색 변환 소자는,
    돔(dome) 형상의 렌즈를 더 포함하며, 상기 렌즈는 상기 광발광 층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  15. 제1항에 있어서, 조명 장치를 더 포함하며,
    상기 조명 장치는,
    개구부를 갖는 외관부와;
    상기 외관부에 위치되고, 여기 광을 발생하는 발광 소자와;
    상기 외관부의 내면에 형성되고, 상기 여기 광을 상기 개구부의 방향으로 반사하는 반사판과;
    상기 개구부를 덮고, 상기 여기 광을 확산시키는 확산판을 포함하며, 상기 색 변환 소자는 상기 확산판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자.
  16. 광발광 물질을 포함하는 광발광(photoluminescence) 층을 형성하는 단계와;
    여기 광을 투과시키고, 상기 광발광 층에 의해 발생한 광을 반사시키는 다이크로익 층을 상기 광발광 층에 형성하는 단계와;
    상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면에 반사층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 미세 렌즈 어레이(microlens array) 또는 다수의 투명 돔 구조를 갖는 투명 층을 상기 광발광 층에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 광발광 물질은 나노입자의 양자 점(quantum dots)을 포함하는 형광체인 것을 특징으로 하는 색 변환 소자의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 다이크로익 층상에 투명 기판을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 반사층은 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면으로부터 연장되어 상기 투명 기판의 측면에 형성되며, 상기 다이크로익 층은 상기 투명 기판과 상기 광발광 층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자의 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 광발광 층상에 투명 기판을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 반사층은 상기 광발광 층의 측면과 상기 다이크로익 층의 측면으로부터 연장되어 상기 투명 기판의 측면에 형성되며, 상기 투명 기판은 상기 다이크로익 층과 상기 광발광 층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 색 변환 소자의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 광발광 층과 상기 투명 층 사이에 보호층을 더 포함하며, 상기 보호층은 투명 나노 입자들로 이루어진 산화 아연 층인 것을 특징으로 하는 색 변환 소자의 제조 방법.
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