KR20240096860A - 색상 변환 재료와 광 추출 구조를 포함하는 발광 디바이스 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

발광 디바이스는 청색 또는 자외선 복사 입사 광자를 방출하도록 구성된 발광 다이오드, 발광 다이오드 위에 위치하고, 발광 다이오드에 의해 방출된 입사 광자를 흡수하고 입사 광자의 피크 파장보다 더 긴 피크 파장을 갖는 변환된 광자를 생성하도록 구성된 색상 변환 재료, 및 발광 다이오드와 색상 변환 재료 사이에 위치하는 적어도 하나의 광 추출 피처를 포함한다.

Description

색상 변환 재료와 광 추출 구조를 포함하는 발광 디바이스 및 그 제조 방법
본 출원은 2021년 11월 12일에 출원된 미국 가특허출원 제63/278,571호의 우선권의 이익을 주장하고, 그 전체 내용은 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 개시는 발광 디바이스에 관한 것이며, 특히 색상 변환 재료 및 광 추출 구조를 갖는 광학 공동 내에 형성된 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
발광 디바이스는 랩탑 및 텔레비전의 액정 디스플레이의 백라이트와 같은 전자 디스플레이에 사용된다. 발광 디바이스는 발광 다이오드 (LED) 및 빛을 방출하도록 구성된 다양한 다른 유형의 전자 디바이스를 포함한다.
발광 다이오드(LED)와 같은 발광 디바이스의 경우, 방출 파장은 크기 의존적인 양자 구속 효과와 함께 LED의 활성 영역의 밴드 갭에 의해 결정된다. 종종 활성 영역은 하나 이상의 벌크 반도체 층 또는 양자 우물(QW)을 포함한다. GaN 기반 디바이스와 같은 III-질화물 기반 LED 디바이스의 경우, 활성 영역 (예를 들어, 벌크 반도체 층 또는 QW 우물 층) 재료는 InxGa1-xN (여기서 0 < x < 1) 과 같은 조성을 갖는 3원계일 수 있다.
이러한 III-질화물 재료의 밴드 갭은 활성 영역에 포함된 In 의 양에 따라 달라진다. 인듐을 더 많이 포함하면 밴드 갭이 더 작아지고 방출된 빛의 파장이 더 길어진다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "파장"은 LED의 피크 방출 파장을 의미한다. 반도체 LED의 일반적인 방출 스펙트럼은 피크 파장을 중심으로 한 좁은 파장 대역이라는 것을 이해해야 한다.
실시형태의 발광 디바이스는 청색 또는 자외선 복사 입사 광자를 방출하도록 구성된 발광 다이오드, 발광 다이오드 위에 위치하고 발광 다이오드에 의해 방출된 입사 광자를 흡수하여 입사 광자의 피크 파장보다 더 긴 피크 파장을 갖는 변환된 광자를 생성하도록 구성된 색상 변환 재료, 및 발광 다이오드와 색상 변환 재료 사이에 위치하는 적어도 하나의 광 추출 피처를 포함한다.
발광 디바이스의 추가 실시형태는 공동 벽으로 둘러싸인 광학 공동, 광학 공동 내에 위치하고 청색 또는 자외선 복사 입사 광자를 방출하도록 구성된 발광 다이오드, 발광 다이오드 위에 위치하고 발광 다이오드에 의해 방출된 입사 광자를 흡수하여 입사 광자의 피크 파장보다 더 긴 피크 파장을 갖는 변환된 광자를 생성하도록 구성된 색상 변환 재료, 공동 벽위에 위치하는 반사 재료, 및 금속 재료 위에 위치하는 투명 재료를 포함한다.
도 1a는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스들의 어레이의 형성에 사용될 수 있는 중간 구조의 수직 단면도이다.
도 1b는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스들의 어레이의 형성에 사용될 수 있는 추가 중간 구조의 수직 단면도이다.
도 1c는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스들의 어레이의 형성에 사용될 수 있는 추가 중간 구조의 수직 단면도이다.
도 1d는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스 어레이의 수직 단면도이다.
도 1e는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스들의 추가의 어레이의 수직 단면도이다.
도 2a는 다양한 실시형태에 따른, 복수의 비아가 형성된 제1 패터닝된 매트릭스의 상부 사시도이다.
도 2b는 다양한 실시형태에 따른, 복수의 비아가 형성된 제2 패턴화된 매트릭스의 상부 사시도이다.
도 3은 다양한 실시형태에 따른, 램버시안 복사 패턴을 방출하는 마이크로 LED 의수직 단면도이다.
도 4는 비교 실시형태에 따른, 발광 디바이스들의 비교 어레이의 수직 단면도이다.
도 5는 다양한 실시형태에 따른, 광 추출 재료 층을 포함하는 발광 디바이스들의 추가의 어레이의 수직 단면도이다.
도 6a는 다양한 실시형태에 따른, 광 추출 재료 층 및 광 추출 피처를 포함하는 발광 디바이스의 추가 어레이의 수직 단면도이다.
도 6b는 다양한 실시형태에 따른, 광 추출 재료 층 및 광 추출 피처를 포함하는 발광 디바이스의 추가 어레이의 수직 단면도이다.
도 6c는 다양한 실시형태에 따른, 광 추출 재료 층 및 광 추출 피처를 포함하는 발광 디바이스들의 추가의 어레이의 수직 단면도이다.
도 7a는 다양한 실시형태에 따른, 각 픽셀이 복수의 서브 셀로 분할된 발광 디바이스들의 어레이의 수직 단면도이다.
도 7b는 다양한 실시형태에 따른, 각 픽셀이 복수의 서브 셀로 분할된 발광 디바이스들의 추가 어레이의 수직 단면도이다.
도 7c는 다양한 실시형태에 따른, 각 픽셀이 복수의 서브 셀로 분할된 발광 디바이스들의 어레이의 평면도이다.
도 8 및 도 10은 다양한 실시형태에 따른, 공동 벽이 반사 재료를 포함하도록 구성될 수 있는 발광 디바이스의 추가 어레이의 수직 단면도이다.
도 9a는 다양한 실시형태에 따른, 금속 반사기를 갖는 반사 공동 벽에 충돌하는 광자의 반사 패턴의 수직 단면도이다.
도 9b는 다양한 실시형태에 따른, 금속 반사기 위에 형성된 투명 재료를 갖는 반사 공동 벽에 충돌하는 광자의 반사 패턴의 수직 단면도이다.
직시형 디스플레이와 같은 디스플레이 디바이스는 정렬된 픽셀 어레이로부터 형성될 수 있다. 각각의 픽셀은 각각의 피크 파장에서 광을 방출하는 서브픽셀들의 세트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀은 적색 서브픽셀, 녹색 서브픽셀 및 청색 서브픽셀을 포함할 수 있다. 각각의 서브픽셀은 특정 파장의 광을 방출하는 하나 이상의 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 전통적인 배열은 각 픽셀 내에 적색, 녹색, 청색 (RGB) 서브픽셀들을 갖는 것이다. 각 픽셀은 색역 내의 색상들의 임의의 조합이 각 픽셀에 대한 디스플레이에 표시될 수 있도록 백플레인 회로에 의해 구동될 수 있다. 디스플레이 패널은 LED 서브픽셀이 백플레인에 위치한 본드 패드에 납땜되거나 전기적으로 부착되는 공정에 의해 형성될 수 있다. 본드 패드는 백플레인 회로 및 기타 구동 전자 장치에 의해 전기적으로 구동될 수 있다.
다양한 실시형태는 수직 공동 구조의 광자 펌핑 양자점을 사용하여 단파장 여기 소스로부터 고효율 적색, 녹색, 청색 및/또는 기타 색상 픽셀화된 광을 생성하도록 구성된 발광 디바이스를 제공한다. 5 내지 20 마이크론과 같이 100 마이크론 미만의 길이 및 폭을 갖는 실시형태의 마이크론 규모 발광 다이오드 (마이크로 LED) 가 디스플레이 디바이스에 사용될 수 있다. 이 새로운 기술은 디스플레이 디바이스의 각 픽셀 위치에서 개별 LED를 사용하여 최고의 블랙 레벨을 제공한다. 또한, 각 픽셀은 단일 색상의 빛을 생성하도록 구성될 수도 있다. 개별 LED가 부착될 수 있는 백플레인은 박막 트랜지스터 (TFT) 구조, 실리콘 CMOS, 또는 각에 독립적으로 전압 또는 전류를 인가하도록 구성될 수 있는 기타 구동 회로를 갖는 기판 (예를 들어, 플라스틱, 유리, 반도체 등) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 백플레인은 유리 또는 플라스틱 기판 상의 TFT, 또는 벌크 실리콘 기판 또는 SOI (silicon-on-insulator) 기판 상의 벌크 실리콘 트랜지스터(예를 들어, CMOS 구성의 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 마이크로 LED가 아래 실시형태에 설명되어 있지만, 다른 유형의 LED(예를 들어, 나노와이어 또는 기타 나노구조 LED) 또는 100 마이크론보다 큰 크기(예를 들어, 폭 및 길이)를 갖는 매크로 LED 가 또한 마이크로 LED 대신 또는 마이크로 LED 에 추가적으로 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
일부 실시형태에서, 각마이크로 LED의 크기는 직시형 디스플레이 디바이스 또는 다른 디스플레이 디바이스와 같은 특정 디스플레이 디바이스에 사용되는 픽셀의 피치보다 작을 수 있다. 예를 들어, 300 ppi 디스플레이는 대략 85 마이크론의 피치를 갖는 픽셀을 가질 수 있는 반면, 이러한 디스플레이를 위한 일반적인 마이크로 LED는 대략 20 마이크론인 폭을 가질 수 있다. 인듐 도핑된 GaN 물질을 포함하는 마이크로 LED(즉, GaN의 인듐 도핑에 따라 색상을 방출하는 LED)는 GaN 결정 구조의 인듐 도핑과 연관된 어려움으로 인해 LED 크기가 감소함에 따라 (예를 들어, 10 마이크론 미만의 크기) 효율성 및 균일성이 저하될 수 있다. 따라서, 활성 영역에서 더 높은 인듐 함량을 활용하는 더 긴 피크 파장 방출 III-질화물 마이크로 LED(예를 들어, 적색 LED)는 저하된 인듐 도핑으로 인해 효율성과 균일성이 부족할 수 있다.
본 개시의 일부 실시형태는 도핑되지 않은 GaN 활성 영역 (예를 들어, GaN 발광 활성층을 갖는 마이크로 LED) 또는 광자 펌핑 색상 변환 재료와 커플링된 저인듐 도핑된 InGaN 활성 영역 (예를 들어, 저인듐 함량 InGaN 발광 활성 층을 갖는 마이크로 LED) 를 갖는 LED 에 기초한 광자 방출기를 포함할 수 있다. 이러한 LED는 UV 복사선 또는 청색광 스펙트럼 영역(예를 들어, 370 내지 460nm, 예를 들어 390 내지 420nm, 예를 들어 400 내지 410nm)에서 피크 방출 파장을 갖는 자외선 (UV) 복사선 또는 청색 발광 마이크로 LED 일 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 청색광 스펙트럼 영역은 인간 관찰자에 의해 인지되는 청색 및 보라색을 포함한다.
일 실시형태에서, 색상 변환 재료는 양자점 (Quantum Dot) 을 포함할 수 있다. 양자점은 GaN 기반 LED에서 발생하는 광자를 흡수하고, 양자점의 특성(예를 들어, 양자점 크기 및 재료 조성)에 따라 다양한 색상의 빛을 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 구조는 작은 GaN 구조의 인듐 도핑과 관련된 문제를 방지한다. 대안적으로, 색상 변환 재료는 무기 형광체 또는 유기 염료를 포함할 수 있다.
증강 현실 (AR) 디스플레이(예를 들어, 스마트 안경) 및 기타 애플리케이션에 적합한 크기 체계(즉, 10 마이크론 미만의 크기)에서, 다양한 색상을 생성하기 위해 도핑되지 않은 GaN 또는 저 인듐 도핑된 GaN LED 활성 영역 및 광자 펌핑 양자점들의 사용은 마이크로 LED 들의 어레이 전체에 걸쳐 더 나은 균일성을 갖는 디스플레이 디바이스를 제공할 수 있다. 이러한 어레이는 또한 상대적으로 높은 인듐 도핑 GaN 을 기반으로 하는 유색 LED (예를 들어, 청색 LED 보다 더 많은 양의 인듐을 함유하는 적색 LED) 를 갖는 시스템보다 더 높은 효율을 나타낼 수 있다. 증가된 효율성과 균일성은 양자점이 높은 정도의 균일성의 크기 및 재료 조성으로 제조될 수 있기 때문에 달성될 수 있다. 이러한 균일한 양자점은 대응하는 균일한 (즉, 좁은 선폭) 방출 특성을 갖는다.
마이크로 LED에 의해 방출된 광의 추출은 픽셀 피치 및 마이크로 LED 크기가 감소함에 따라 점점 더 어려워질 수 있다. 개시된 실시형태는 흡수 표면으로의 광자의 손실을 방지함으로써 높은 효율을 유지하면서 양자점에 의해 생성된 (예를 들어, 특정 방향을 따른) 광자의 향상된 광 추출을 제공한다. 개시된 시스템은 또한 펌프 광자가 디바이스를 빠져나가는 것을 방지하거나 감소시켜 주어진 마이크로 LED에 의해 방출되는 색상의 순도를 보장할 수 있다. 이는 이하에 더상세히 설명된 바와 같이 광 추출 재료 층을 포함하고 마이크로 렌즈, 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector, DBR), 텍스처링된 또는 주름진 인터페이스 등과 같은 다른 광 추출 구조를 포함하는, 반사성인 광학 공동 벽을 형성함으로써 달성될 수 있다.
도 1a는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스들의 어레이의 형성에 사용될 수 있는 중간 구조 (100a) 의 수직 단면도이다. 중간 구조(100a)은 기판(104) 상에 형성된 복수의 마이크로 LED(102)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 마이크로 LED(102)는 UV 방사선 또는 청색 광스펙트럼 영역에서 피크 방출 파장을 갖는 마이크로 LED(예를 들어, UV 또는 청색 LED로도 지칭되는 UV 또는 청색 방출 마이크로 LED)를 포함할 수 있다. 이러한 LED는 자외선(UV) 광자 및/또는 청색 스펙트럼 범위 광자를 방출하도록 구성된 도핑되지 않은 GaN 활성 영역을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 마이크로 LED(102)는 LED의 상부에 위치되고 기판(104)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 적어도 하나의 전극(103)을 가질 수 있다. 전극(103)은 애노드 또는 캐소드 전극을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 마이크로 LED(102)는 제2 전극(명확성을 위해 도시되지 않음)이 기판(104)과 마이크로 LED(102)의 바닥 사이에 위치하는 수직 LED를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 마이크로 LED는 두전극이 LED의 동일한 측면(예를 들어, LED의 상단측 또는 하단측)에 위치하는 측면 LED를 포함할 수 있다.
기판(104)은 전극(전극(103) 포함)을 통해 마이크로 LED(102)에 전압 및 전류를 공급하여 마이크로 LED (102) 에 의한 광방출을 제어하도록 구성된 전기 회로(예를 들어, TFT 및/또는 CMOS 회로)를 갖는 백플레인일 수 있다. 백플레인은 LED를 구동하기 위한 능동 또는 수동 매트릭스 백플레인 기판일 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "백플레인 기판"은 그위에 다수의 디바이스를 부착하도록 구성된 임의의 기판을 지칭한다. 일실시형태에서, 백플레인은 실리콘, 유리, 플라스틱, 및/또는 적어도 백플레인에 부착된 다바이스에 구조적 지지를 제공할 수 있는 다른 재료를 포함하는 기판을 포함할 수 있다. 일실시형태에서, 백플레인 기판은 수동 백플레인 기판일 수 있으며, 여기서 금속화 라인을 포함하는 금속 상호 연결 구조(미도시)는 예를 들어 십자형 그리드로 존재하고 각에 대한 전용 능동 디바이스(예를 들어, TFT)는 존재하지 않습니다. 다른 실시형태에서, 백플레인 기판은 전도성 라인의 십자형 그리드로서 금속 상호 연결 구조를 포함하고 전도성 라인의 십자형 그리드의 하나 이상의 교차점에서 각에 대한 전용 능동 디바이스(예를 들어, CMOS 트랜지스터 또는 TFT)를 더 포함하는 활성 백플레인 기판일 수 있다.
도 1b는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스들의 어레이의 형성에 사용될 수 있는 추가 중간 구조(100b)의 수직 단면도이다. 중간 구조(100b)는 마이크로 LED(102) 위에 형성된 복수의 광학 공동(106)을 포함할 수 있다. 각각의 광학 공동은 공동 벽(108)에 의해 경계가 정해질 수 있다. 광학 공동(106)은 상대적으로 얇은 공동 벽(108)을 갖는 높은 종횡비 공동(예를 들어, 직경이 1-2 마이크론과 같이 5 마이크론 이하, 및 높이가 20-30 마이크론과 같이 10 마이크론 이상)을 형성하기에 적합한 기계적 특성을 갖는 반사 재료를 사용하여 구성될 수 있다. 공동 벽(108)은 1-2 마이크론을 포함하여 0.5-5 마이크론과 같은 10 마이크론 미만의 두께를 가질 수 있다. 공동 벽(108)은 절연 매트릭스를 형성할 수 있다.
매트릭스 재료는 열증발 처리 단계와 용매 기반 유체 증착 및 증발 모두에 적합하도록 선택될 수 있다. 이러한 매트릭스 재료 중하나는 알루미나이지만, 실리카, 티타니아 또는 기타 절연 금속 산화물 재료가 사용될 수도 있다. 마이크로전기기계 (Micro-ElectroMechanical, MEMS) 디바이스를 제조하는 데 일반적으로 사용되는 다양한 재료는 전기 절연 재료(예를 들어 알루미나)로 만들어진 공동 벽(108)에 의해 경계를 이루는 광학 공동(106)를 형성하는데 사용될 수 있다. 이러한 재료는 상대적으로 높은 굴절률을 가지며 높은 종횡비를 갖는 구조를 형성하는 데 적합하다. 그러한 매트릭스 물질의 층(도 1b에는 도시되지 않음)은 기판(104) 상에 위치한 마이크로 LED(102) 어레이 상에 성장되거나 증착될 수 있고, 에칭 및 기타 미세 기계 가공 접근법과 같은 기술이 재료에 광학 공동(106)을 생성하는 데 사용될 수 있다. 도 2a 는 공동 벽(108)에 의해 경계를 이루는 복수의 원통형 광학 공동(106)를 갖는 매트릭스(200a)의 상부 사시도이다. 도 2b 는 공동 벽(108)에 의해 경계를 이루는 복수의 육각형 광학 공동(106)를 갖는 매트릭스(200b)의 상부 사시도이다.
일 실시형태에서, 마이크로 LED(102)의 애노드 또는 캐소드 전극(103)에 전압이 인가되어 에칭 바이어스의 한측면을 형성할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스(200a 또는 200b)(즉, 공동 벽(108))이 알루미나를 포함하는 경우, 다공성 알루미나는 양극 산화에 의해 형성될 수 있다. 이 실시형태에서, 알루미늄 금속층은 마이크로 LED(102) 위에 증착된 후 전기화학적으로 양극산화 처리되어 양극 알루미나 공동 벽(108)에 의해 경계를 이루는 광학 공동(즉, 기공)(106)을 갖는 다공성 양극 알루미나 매트릭스를 형성할 수 있다. 알루미늄 층을 포함하는 기판(104)은 산성 전해질(예를 들어, 옥살산, 크롬산, 황산 및/또는 인산)에 배치될 수 있으며, 마이크로 LED(102)의 전극(103) 및/또는 외부 전극에 전압이 인가되어 알루미나 공동 벽(108)에 의해 경계가 정해지는 광학 공동(즉, 기공)(106)을 함유하는 다공성 양극 알루미나 매트릭스를 형성할 수 있다. 광학 공동(106)은 양극 알루미나 매트릭스의 육각형 어레이로 배열될 수 있다.
도 1c는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스들의 어레이의 형성에 사용될 수 있는 추가 중간 구조(100c)의 수직 단면도이다. 중간 구조(100c)는 마이크로 LED(102)의 어레이 위의 광학 공동(106)에 형성된 광 추출 재료층(110) 및 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)를 포함할 수 있다. 광 추출 재료층(110)은 공동 벽(108)을 형성하는 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 광 추출 재료 층(110)은 알루미나 공동 벽(108)에 대해 1.3 내지 1.5와 같이 1.7 미만의 굴절률을 가질 수 있다. 광 추출 재료 층(110)의 더 낮은 굴절률은 펌프 광자(즉, 마이크로 LED(102)에 의해 생성된 광자)가 공동 벽(108)에 의해 흡수되거나 공동 벽(108)을 통해 투과되기보다는 공동 벽(108)으로부터 반사되게 할수 있다. 이러한 반사는 광자의 손실을 방지하여 디바이스의 양자 효율을 높이는 역할을 한다.
광 추출 재료층(110)으로는 다양한 폴리머 재료가 사용될 수 있다. 이러한 폴리머 중 하나는 굴절률이 1.44이고 잉크젯 시스템을 사용하여 광학 공동(106)에 증착될 수 있는 Jet-144(즉, 잉크젯 호환성 폴리머)이다. 공동 벽(108)의 두께는 공동 벽(108)으로부터 반사되지 않는 광자가 흡수(즉, 소멸)되어 인접한 공동 내로 침투하지 않을 확률을 증가시키기 위해 가능한 두껍게 구성될 수 있다.
광 추출 물질 층(110)은 잉크젯, 진공, 압력 및/또는 중력 증착을 포함하는 다양한 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 증착 후, 폴리머는 예를 들어 자외선 (UV) 방사선에 대한 노출에 의해 가교될 수 있다. 다른 실시형태에서, 폴리머가 용해되는 용매는 증발에 의해 추출되어 각공동에 광 추출 재료층(110)으로서 잔여 가교 폴리머를 남길 수 있다. 다양한 실시형태에서, 광 추출 재료층(110)은 아래에 더 자세히 설명되는 바와 같이, 다양한 두께로 형성될 수 있고, ZrO2, TiO2 또는 SiO2 나노 또는 마이크로 비드, 텍스처링되거나 주름진 인터페이스 등과 같은 추가적인 광 산란 재료를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 광 추출 재료층(110)은 광학 공동(106)을 부분적으로 충전하여 빈공동 공간이 각 공동 내 광 추출 재료층(110)의 상부 위에 남을 수 있다.
이어서, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)는 광 추출 재료층(110)(예를 들어, 도 1c 참조) 위의 광학 공동(106)(예를 들어, 도 1b 참조)에 형성될 수 있다. 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)은 다양한 색상에 대응하는 양자점을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)은 복수의 제1 양자점(112a), 복수의 제2 양자점(112b), 복수의 제3 양자점(112c) 및 복수의 제4 양자점(112d)을 포함할 수 있으며, 이들은 UV 펌프 광자를 각각 제1, 제2, 제3, 및 제4 색상을 갖는 광자로 변환하도록 구성된다. 제2 및 제3 색상은 녹색 색상 스펙트럼 범위에서 서로 다른 피크 파장을 포함할 수 있다. 대안적으로, 3가지 양자점 색상들만을 사용할 수도 있다.
양자점은 각각 III-V족 반도체 재료(예를 들어, 미국 특허 번호 9,884,763 B1에 기술되어 있으며, 그전체 내용은 본명세서에 참조로 포함되는 인듐 인화물), II-VI족 반도체 물질(예를 들어, 미국 특허 출원 공개 US 2017/0250322 A1에 기술되어 있으며, 그전체 내용이 참조로 여기에 포함되는 ZnSe, ZnS, ZnTe, CdS, CdSe 등), 및/또는 I-III-VI족 반도체 재료(예를 들어, 미국 특허 번호 10,927,294 B2에 설명되어 있으며, 그전체 내용이 참조로 여기에 포함되는 AgInGaS/AgGaS 코어-쉘 양자점)와 같은 화합물 반도체 재료의 2 내지 8 nm 나노결정과 같은 1 내지 10 nm 직경을 갖는 나노결정으로 형성될 수 있다. 양자점은 직경에 따라 서로 다른 색상의 빛(예를 들어, 적색, 녹색 또는 청색)을 방출할 수 있다. 더 큰 도트는 더 긴 파장의 빛을 방출하고 더 작은 도트는 더 짧은 파장의 빛을 방출한다. 양자점은 광 추출 재료층(110)과 굴절률이 다른 (예를 들어, 더 높은) 재료(예를 들어, 폴리이미드와 같은 폴리머)에 부유될 수 있다. 예를 들어, 폴리이미드 재료는 약과 같이 1.6 내지 1.75의 굴절률을 가질 수 있다.
각 공동에는 다양한 색상에 대응하는 양자점이 선택적으로 증착될 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 재료에 제1 비아를 에칭함으로써 제1 공동이 형성될 수 있다. 그후, 제1 색상에 대응하는 제1 양자점이 제1 공동 내로 도입될 수 있고, 그후 보호 재료의 층이 제1 양자점 위에 형성될 수 있다. 그 다음, 공정을 반복하여 제2 공동, 제3 공동 등을 형성하고, 각각의 공동에 제2 양자점, 제3 양자점 등을 도입할 수 있다.
다른 실시형태에서, 포토레지스트는 복수의 제1 공동을 제외한 모든 공동 위에 증착될 수 있다. 이어서, 제1 색상(예를 들어, 적색)을 생성하도록 구성된 양자점의 제1 층이 제1 색상을 갖는 서브픽셀에 대응하는 복수의 제1 공동 내에 증착될 수 있다. 제1 양자점이 현탁되는 폴리머는 증발 또는 UV 광에의 노출에 의해 가교될 수 있다. 그 다음, 다른 광학 공동에 대해 프로세스가 반복되어 다른 색상의 광(예를 들어, 녹색 및 청색)을 생성하도록 구성된 양자점을 각각 증착할 수 있다.
대안적으로, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)는 무기 형광체 또는 유기 염료를 포함할 수 있다. 선택적인 유기 평탄화 층이 색상 변환 재료 위에 형성될 수 있다. 색상 변환 재료 및 선택적인 유기 평탄화 층은 광학 공동(106)을 부분적으로 채울 수 있다.
도 1d는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스의 어레이(100d)의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 어레이(100d)는 광학 공동(106) 내에 및/또는 위에 형성된 색상 선택기(114)를 포함할 수 있다. 색상 선택기(114)는 색상 필터 어레이 및/또는 분산 브래그 반사기를 포함할 수 있다. 일실시형태에서, 색상 선택기(114)는 광학 공동 내에 형성될 수 있고, 광학 공동(106)이 상기 재료로 완전히 채워지도록 공동 벽(108)의 상부까지 연장될 수 있다.
색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)는 펌프 광자(118)를 흡수하고 이를 방출된 변환된 광자(예를 들어, 적색, 녹색 또는 청색 광과 같은 가시광)(120)로 변환하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)는 모든 펌프 광자(118)를 변환된 광자(120)로 완전히 변환할 만큼 충분히 두껍거나 및/또는 조밀하지 않을 수 있다. 따라서, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d) 위에 형성된 색상 선택기(114)는 색상 변환 재료에 의해 방출된 변환된 광자(120)를 흡수 및/또는 반사하지 않고, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c)에 의해 변환되지 않은 펌프 광자(118)의 전부 또는 일부를 흡수 및/또는 반사한다.
마이크로 LED(102) 각각은 공통 파장을 갖거나 목표 파장의 범위 내에 있는 펌프 광자(118)를 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, GaN 기반 마이크로 LED(102)는 대략 405 nm와 같은 400 내지 410 nm 인즉, 전자기 스펙트럼의 청색 또는 근부분의) 파장을 갖는 펌프 광자(118)를 방출할 수 있다. 마이크로 LED(102)는 높은 정도의 균일성을 나타낼 수 있고 높은 효율을 나타낼 수 있다. 그러나 이러한 마이크로 LED(102)의 파장의 약간의 변화는 눈에 쉽게 보이지 않을 수도 있다. 또한, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)를 통한 펌프 광자(118)의 임의의 누출은 변환된 광자(120)의 색상 순도의 최소 저하를 유발할 수 있다.
일 실시형태에서, 색상 선택기(114)는 색상 필터 어레이를 포함하며, 유기 폴리머에 내장된 유기 염료를 포함할 수 있다. 염료는 펌프 광자(118)의 UV 방사선을 흡수하지만 변환된 광자의 청색, 녹색 또는 적색 광을 흡수하지 않도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 각각의 착색된 서브픽셀(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색 서브픽셀) 위에 서로 다른 염료가 적용될 수 있다. 예를 들어, 적색 서브픽셀에는 적색광을 주로 투과시키도록 구성된 제1 염료 필터 물질을 적용할 수 있고, 녹색 서브픽셀에는 녹색 광을 주로 투과시키도록 구성된 제2 염료 필터 물질을 적용할 수 있고, 청색 서브픽셀에는 청색광을 주로 투과시키도록 구성된 제3 염료 필터 물질을 적용할 수 있다. 색상 필터는 추가적인 포토리소그래피 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 이어서, 색상 변환 재료의 양자점 층으로의 공기 또는 습기 유입에 대한 보호를 제공하기 위해 박막 캡슐화 (TFE) 층또는 층스택이 색상 필터 재료 위에 도포될 수 있다. 일실시형태에서, TFE는 폴리머 층에 의해 분리된 2개의 실리콘 질화물 층의 3층 스택을 포함할 수 있다.
대안적인 실시형태에서, 색상 선택기(114)는 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d) 위에 형성된 DBR을 포함할 수 있다. DBR은 색상 변환 재료를 통해 투과되는 펌프 광자(118)를 반사된 광자(122)(예를 들어, UV 또는 진청색 광자)로서 광학 공동(106)으로 다시 반사하고 변환된 광자(120)가 광학 공동(106)의 외부로 투과되는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. DBR은 서로 다른 굴절률을 갖는 재료들(도시되지 않음)의 교번적인 다층 스택으로 형성될 수 있다. 예를 들어, DBR은 TiO2 (n=2.5) 및 SiO2 (n=1.5) 사이에 교번하는 N 개의 층들의 스택으로서 형성될 수 있으며, N 은 2 이상이다. 다른 실시형태에서, 각각의 굴절률을 갖는 다양한 다른 재료가 DBR을 구성하는 데 사용될 수 있다.
DBR이 TiO2 및 SiO2 를 포함하고 N = 2 인 실시형태는 중심 파장 405 nm에서 164 nm의 대역폭과 84%의 최대 반사율 R 을 가질 수 있다. DBR 스택이 더 많은 수의 층들(즉, N > 2)을 포함하는 실시형태는 증가된 반사율을 가질 수 있다. 이로써, UV 펌프 광자(118)가 DBR을 통과할 확률이 감소될 수 있다. DBR로부터 다시 광학 공동(106)으로 반사된 UV 광자(122)는 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)을 통해 순환할 수 있으며, 이것에 의해 목표 파장(예를 들어, 녹색, 청색, 또는 적색)을 갖는 변환된 광자들로 또한 변환될 증가된 확률을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)에 의해 초기에 흡수되지 않은 임의의 UV 반사된 광자(122)는 결국 흡수되어 목표 방출 파장을 갖는 변환된 광자(120)로 변환될 수 있다. "광자 재활용"이라고도 불리는 이 프로세스는 디바이스의 양자 효율을 높일 수 있다.
마이크로 LED(102)가 더 짧은 파장의 청색 발광 LED를 포함하는 경우, DRB(114)는 마이크로 LED(102)의 더 짧은 파장의 청색 광(즉, 펌프 광자(118))을 차단하지만 색상 변환 재료의 청색 양자점에서 방출되는 더 긴 파장의 변환된 광자(120)를 투과시킬 수 있다. 대안적으로, 청색 발광 서브픽셀 위에 DBR(114)이 생략될 수도 있다.
DBR은 모든 서브픽셀 위에 다층 스택(도시되지 않음)의 증착에 의해 (예를 들어 증발에 의해) 형성될 수 있다. 이와 같이, DBR은 양자점 층으로의 습기 및 산소 유입에 대한 추가 보호를 제공할 수 있다. N 값이 높을수록 DBR 반사율과 습기 및 산소로부터의 보호가 더욱 향상되어 전반적인 시스템 성능과 내구성이 향상된다.
다양한 추가 실시형태에서, 디바이스의 다양한 컴포넌트에 다른 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, DBR은 각각 각각의 굴절률을 갖는 광범위한 재료들, 예를 들어 질화물(TiN, AlN, TiN 등), 폴리실리콘 등을 포함할 수 있다. 일부 실시형태는 다중 층의 양자점, 다수의 DBR 구조들 등을 포함할 수 있다. 전술한 광 추출 재료층(110)은 일부 실시형태에서 생략될 수도 있거나, 다수의 광 추출 재료층들(110)이 사용될 수도 있다. 보다 효과적인 DBR(114)을 사용함으로써, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)의 층 두께 및 밀도가 감소될 수 있다. 추가 실시형태에서, 광학 공동(106)은 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광학 공동(106)은 광학 공동(106)이 형성된 후 마이크로 LED(102)의 어레이에 부착될 수 있는 별도의 매트릭스 층에 형성될 수 있다. 추가 실시형태는 또한 측면 광자 전파로 인해 발생할 수 있는 성능 저하를 완화하기 위해 광 시준 엘리먼트들을 포함할 수도 있다.
도 1e는 다양한 실시형태에 따른 발광 디바이스들의 추가의 어레이(100e)의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 발광 디바이스의 어레이(100e)는 광학 공동(106) 위에 형성된 마이크로 렌즈(124)를 포함한다. 각각의 마이크로 렌즈(124)는 각각의 마이크로 LED 구조로부터의 광 추출을 개선하는 데 도움이 될수 있고 그에 따라 어레이(100e)의 효율성을 개선할 수 있다. 일반적으로, 마이크로 LED에 의해 방출된 광의 추출은 픽셀 피치 및 마이크로 LED 크기가 감소함에 따라 점점 더 어려워질 수 있다. 이와 관련하여, 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)는 모든 펌프 광자(118)를 각각 특정 색상을 갖는 변환된 광자(120)로 변환하기에 충분히 두껍도록 선택될 수 있다. 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)의 두께는 서브픽셀의 측면 치수에 비해 매우 클수 있다. 이러한 구조에서 광자는 마이크로 LED 서브픽셀 밖으로 탄도형이 아닌 확산형으로 이동할 수 있다. 이러한 확산적으로 이동하는 광자는 인접한 서브픽셀로 확산되어 잠재적으로 광학 혼선을 일으킬 수 있다.
개시된 실시형태는 흡수 표면으로의 광자의 손실을 방지함으로써 높은 효율을 유지하면서 양자점에 의해 생성된 (예를 들어, 특정 방향을 따른) 광자의 향상된 광 추출을 제공한다. 전술한 바와 같이, 이는 광 추출 재료 층(110)을 포함하고/하거나 DBR과 같은 색상 선택기(114)를 포함하는, 반사성인 공동 벽(108)을 포함하는 매트릭스 구조를 형성함으로써 달성될 수 있다.
마이크로 LED 디스플레이를 위한 색상 변환 재료(112a, 112b, 112c, 112d)로서 양자점을 사용하는 것은 매우 작은 피처 크기에서 조밀한 양자점 층들의 증착 및 패터닝을 포함할 수 있다. 양자점 층에서 펌프 광자(118)(예를 들어, 도및 도참조)의 충분한 흡수를 달성하기 위해, 1:1보다 큰 종횡비를 갖는 서브픽셀이 사용될 수 있다. 이러한 서브픽셀은 또한 디스플레이에서 색상 혼선(즉, 하나의 마이크로 LED 로부터의 광자가 이웃 서브픽셀로 전파되는 것)을 방지하기 위해 불투명 매트릭스 재료로 형성된 공동 벽(108)에 의해 분리될 수 있다.
다양한 실시형태는 매트릭스(200a 또는 200b)(예를 들어, 도 2a 및 도 2b 참조)와 같은 매트릭스를 포함하며, 이는 각 서브픽셀로부터 더 나은 광 추출을 허용할 수 있고 광자 색상 혼선을 완화할 수 있다. 매트릭스를 템플릿으로 사용하고 상이한 색상 서브픽셀에 대응하는 비아를 순차적으로 개방하는 것은 고해상도 사진 패턴 가능 수지 포뮬레이션에 의존하지 않고도 양자점 잉크를 증착하고 경화하는 것을 허용한다. 다른 실시형태는 LED 구조를 제조하기 위해 다른 기술을 사용할 수 있다.
도 3은 다양한 실시형태에 따른 기판(104) 상에 형성된 마이크로 LED(102)의 방사 패턴을 예시하는 중간 구조(300)의 수직 단면도이다. 마이크로 LED(102)는 램버시안 방사 패턴을 방출하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 방출되는 방사선의 강도(즉, 단위 면적당 단위 시간당 광자의 수)는 방출 표면에 수직인 방향에 대한 방출 각도의 코사인에 따라 달라진다. 도 3 의 다양한 화살표 각각은 화살표 방향으로 방출된 방사선의 강도에 비례하는 길이를 갖는다. 예를 들어, 각도 θ 로 방출된 방사선은 I = I0 cos(θ) 로 주어진 강도를 가질 수 있으며, 여기서 I0 는 표면에 수직으로 방출되는 강도이다. 원(308)은 마이크로 LED(102)의 상부 표면으로부터 방출된 방사선의 연속적인 각도 코사인 의존성을 보여준다. 도시된 바와 같이, 방출된 강도는 상부 표면에 수직인 방향에서 가장 크고 표면에 수직인 방향에서 멀어질수록 감소하며, 표면에 평행한 방향은 0 이다(즉, 상부 표면에 평행한 상부 표면으로부터의 방출은 0 이다).
도 4는 비교 실시형태에 따른, 발광 디바이스들의 비교 어레이(400)의 수직 단면도이다. 발광 디바이스들의 어레이(400)는 공동 벽(108)에 의해 경계를 이루는 복수의 공동 내에 형성되는 복수의 LED(102a)를 포함할 수 있다. LED(102a)는 LED(102)를 제어하도록 구성되는 전기 회로를 포함할 수 있는 기판(예를 들어, 백플레인)(104)에 결합될 수 있다. 각 공동은 색상 변환 재료(112)을 포함할 수 있다.
발광 디바이스의 어레이(400)는 도 1c 를 참조하여 전술한 중간 구조(100c)과 유사할 수 있다. 그러나 중간 구조(100c)과 달리, 발광 디바이스들의 어레이(400)는 광 추출 재료층(110)을 제외한다. 이러한 비교 실시형태에서, LED(102a)는 LED(102a)와 색상 변환 재료 사이의 접촉 면적을 확대하기 위해 큰상부 방출 표면을 갖도록 선택될 수 있다. 이러한 큰접촉 면적은 방출된 광자와 색상 변환 재료 사이의 결합을 향상시킬 수 있다. 그러나 LED(102a)의 더넓은 면적은 서브픽셀 크기를 증가시키고 디바이스 비용을 증가시킨다.
본 개시 내용의 실시형태에서, 아래의 도 5 내지 도 7c 를 참조하여 더 자세히 설명되는 바와 같이, 더 작은 마이크로 LED(102)가 광 추출 재료 층(110) 및 다양한 광 추출 피처와 함께 사용될 수 있다. 더 작은 마이크로 LED(102)는 각 서브픽셀의 크기를 줄이고 디바이스의 비용을 줄인다.
도 5는 다양한 실시형태에 따른, 광 추출 재료 층(110)을 포함하는 발광 디바이스들의 어레이(500)의 수직 단면도이다. 발광 디바이스들의 어레이(500)는 공동 벽(108)에 의해 경계를 이루는 복수의 공동 내에 형성되는 복수의 마이크로 LED(102)를 포함할 수 있다. 마이크로 LED(102)는 마이크로 LED(102)를 제어하도록 구성되는 전기 회로를 포함할 수 있는 기판(예를 들어, 백플레인)(104)에 결합될 수 있다. 각 공동은 색상 변환 재료(112)과 광 추출 재료층(110)을 포함할 수 있다. 공동 벽(108)은 공동 벽(108)의 반사 특성을 향상시킬 수 있는 각진 표면(402)을 포함할 수 있다. 각진 표면(402)은 반사 표면(예를 들어, 알루미늄 표면과 같은 금속 표면)을 포함할 수 있다.
광 추출 재료 층(110)은 마이크로 LED에 의해 방출된 광자를 위한 도파관으로서 작용할 수 있는 고굴절률 재료로 선택될 수 있다. 광 추출 재료층의 도파 효과는 방출된 광자의 각도 분포를 확산시켜 광자의 분포를 보다 균일하게 만드는 역할을 할수 있다. 전술한 바와 같이, 방출된 광자의 균일한 분포는 광 추출 재료 층(110)의 존재 없이 발생할 수 있는 것보다 더 효율적으로 색상 변환 재료(112)에 결합될 수 있다.
광 추출 재료 층(110)은 마이크로 LED(102)의 굴절률에 가까운 굴절률을 갖도록 선택될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 마이크로 LED는 대략 2.4 내지 2.5 범위의 굴절률을 갖는 GaN을 포함할 수 있다. 이와 같이, 광 추출 재료 층(110)은 마이크로 LED로부터 방출된 광자가 광 추출 재료층(110)의 도파관 모드에 결합될 수 있도록 유사한 굴절률(또는 대략 1.5 내지 대략 2.5와 같은 더 넓은 범위)을 갖도록 선택될 수 있다. 광 추출 재료 층(110)을 위해 선택된 재료는 투명하고 작은 소광 계수를 갖도록(즉, 광자의 흡수를 피하도록) 추가로 선택될 수 있다. 다양한 실시형태에서 광 추출 재료층(110)으로는 다양한 투명 폴리머 수지가 사용될 수 있다.
다양한 추가 실시형태에서, 광 추출 재료 층(110)은 광 추출 및 산란 피처들을 갖는 고굴절률 매트릭스를 갖는 복합 재료일 수 있다. 예를 들어, 매트릭스는 에폭시 또는 UV-경화성 폴리머를 포함할 수 있고, 광 추출 및 산란 피처는 매트릭스 전체에 걸쳐 분산된 복수의 산란 입자를 포함할 수 있다. 산란 입자들은 TiO2, ZrO2, 또는 AlN 와 같은, 굴절률이 높은 물질을 포함할 수 있고 그 입자들은 (예를 들어, 1nm 내지 1 마이크론의 직경을 가지는) 나노입자로서 형성될 수 있다. 다른 실시형태는 다른 재료 및 다른 크기의 입자를 포함할 수 있다. 나노입자와 상호작용하는 광자는 다중 산란을 경험할 수 있으며, 이는 광자의 공간 분포를 무작위화할 수 있다. 전술한 바와 같이, 보다 균일한 광자 분포는 색상 변환 재료(112)에 의한 광자의 보다 효율적인 변환을 가져올 수 있다. 다양한 투명 폴리머 결합제 또는 수지가 광 추출 물질 층(110)을 형성하기 위해 고굴절률 나노입자와 조합하여 매트릭스용으로 선택될 수 있다.
그러나, 광 추출 재료층(110)과 색상 변환 재료(112) 사이의 굴절률 차이로 인해 광 추출 재료층(110)과 색상 변환 재료(112) 사이의 결합이 감소될 수 있다. 이와 관련하여, 광 추출 재료층(110)과 색상 변환 재료(112) 사이의 굴절률 차이로 인해 발생하는 내부 전반사로 인해 광 추출 재료층(110)에 일부 광자가 갇힐 수 있다. 광 추출 재료층(110)과 색상 변환 재료(112)의 계면에 임계각(굴절률 차이에 따라 다름)보다 큰 각도로 입사되는 광자는 내부에서 반사되어 광 추출 재료층(110) 내에 갇힐 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 도 6a 내지 도 7c 를 참조하여 더 자세히 설명하는 바와 같이, 광 추출 재료층(110)과 색상 변환 재료(112) 사이의 결합을 개선하기 위해 다양한 광 추출 피처가 추가 실시형태에 포함될 수 있다.
도 6a는 다양한 실시형태에 따른, 광 추출 재료 층 및 광 추출 피처 (602) 를 포함하는 발광 디바이스의 추가 어레이 (600a) 의 수직 단면도이다. 발광 디바이스들의 어레이(600)는 공동 벽(108)에 의해 경계를 이루는 복수의 공동 내에 형성되는 복수의 마이크로 LED(102)를 포함할 수 있다. 마이크로 LED(102)는 마이크로 LED(102)를 제어하도록 구성되는 전기 회로를 포함할 수 있는 기판(104)에 결합될 수 있다. 각 공동은 색상 변환 재료(112)과 광 추출 재료층(110)을 포함할 수 있다. 공동 벽(108)은 공동 벽(108)의 반사 특성을 향상시킬 수 있는 각진 표면(402)을 포함할 수 있다. 광 추출 재료 층(110)은 상술된 바와 같이 마이크로 LED에 의해 방출된 광자를 위한 도파관으로서 작용할 수 있는 고굴절률 재료로 선택될 수 있다.
광 추출 피처(602)는 색상 변환 재료(112)를 증착하기 전에 광 추출 재료 층(110)의 상부 표면을 거칠게 처리함으로써 형성될 수 있다. 따라서, 광 추출 재료층(110)과 색상 변환 재료(112) 사이의 계면은 거칠어져서 계면에 피크와 밸리를 포함하는 피처(602)를 포함한다. 광 추출 피처(602)에 입사하는 광자는 광 추출 재료 층(110)으로부터 색상 변환 재료(112)로 투과될 가능성이 더 높을 수 있다. 이와 관련하여, 내부 전반사(즉, 경계면에 수직인 방향에 대해 임계각보다 큰 각도로 입사하는 광자)에 대한 기준은 광 추출 피처(602)가 광 추출 재료층(110)과 색상 변환 재료(112) 사이의 계면에 수직인 방향에 대해 일정 범위의 각도를 갖는 복수의 표면을 제공하기 때문에 만족될 가능성이 더 낮을 수 있다. 따라서, 광 추출 피처(602)의 존재는 광 추출 재료 층(110)으로부터 색상 변환 재료(112)로의 광자의 투과율을 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 광 추출 효율을 높일 수 있다.
도 6b 및 도 6c 는 다양한 실시형태에 따른, 광 추출 재료 층 및 광 추출 피처 (606) 를 포함하는 발광 디바이스의 추가 어레이 (600b, 600c) 의 수직 단면도이다. 발광 디바이스들의 어레이(600b, 600c)는 공동 벽(108)에 의해 경계를 이루는 복수의 공동 내에 형성되는 복수의 마이크로 LED(102)를 각각 포함할 수 있다. 마이크로 LED(102)는 마이크로 LED(102)를 제어하도록 구성되는 전기 회로를 포함할 수 있는 기판(104)에 결합될 수 있다. 각 공동은 색상 변환 재료(112)과 광 추출 재료층(110)을 포함할 수 있다. 공동 벽(108)은 공동 벽(108)의 반사 특성을 향상시킬 수 있는 각진 표면(402)을 포함할 수 있다. 광 추출 재료 층(110)은 상술된 바와 같이 마이크로 LED에 의해 방출된 광자를 위한 도파관으로서 작용할 수 있는 고굴절률 재료로 선택될 수 있다.
어레이(600b, 600c)의 광 추출 피처(604, 606)는 광 추출 재료 층(110) 상에 형성된 주름진 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 추출 피처(604, 606)는 각각 나노 스케일의 광자 결정을 형성할 수 있다. 어레이(600b)의 광 추출 피처(604)는 나노 스케일 피처의 주기적인 어레이를 형성하기 위해 광 추출 재료 층(110)의 표면을 패턴화함으로써 형성될 수 있다. 나노임프린트 리소그래피와 같은 다양한 패터닝 기술이 어레이(600b)의 광 추출 피처(604)를 생성하는 데 사용될 수 있다. 광 추출 피처(604)는 광 추출 재료 층(110)의 상부 표면에 에칭되거나 스탬핑된 흉벽 형상의 돌출부 및 리세스의 주기적인(즉, 규칙적인) 어레이를 포함할 수 있다.
어레이(600c)의 광 추출 피처(606)는 광 추출 재료 층(110) 위에 제2 재료를 증착하고 제2 재료를 패터닝하여 광 추출 피처(606)를 형성함으로써 형성될 수 있다. 제2 재료는 광 추출 재료층(110)의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제2 재료는 광 추출 재료층(110)과 색상 변환 재료(112)의 굴절률 사이의 중간인 굴절률을 갖도록 선택될 수 있다. 광 추출 피처(606)의 존재는 광 추출 재료 층(110)과 색상 변환 재료(112) 사이의 굴절률의 불연속성을 감소시키는 역할을 할수 있다. 나노임프린트 리소그래피와 같은 다양한 패터닝 기술이 어레이(600c)의 광 추출 피처(606)를 생성하는 데 사용될 수 있다. 광 추출 피처(606)는 광 추출 재료 층(110)의 상부 표면 위에 형성된 흉벽 형상의 돌출부 및 리세스의 주기적인(즉, 규칙적인) 어레이를 포함할 수 있다.
광 추출 피처(604, 606)의 공간적 변화로 인해 발생하는 굴절률의 주기적인 변화는 광 추출 재료 층(110)의 광학 모드와 색상 변환 재료(112)의 광학 모드의 결합을 변경할 수 있다. 이러한 방식으로, 광 추출 피처(604, 606)의 존재는 광 추출 재료 층(110)으로부터 색상 변환 재료(112)로의 광자의 투과율을 증가시킬 수 있고, 이로 인해 광학 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
아래의 도 7a 내지 도 7c 를 참조하여 더 자세히 설명되는 바와 같이, 추가적인 실시형태에서 광 추출 피처를 형성하는데 다양한 추가적인 기하학적 형상이 사용될 수 있다. 도 7a 내지 도 7c 는 다양한 실시형태에 따른, 각 서브픽셀이 복수의 서브 셀로 분할된 발광 디바이스들의 어레이의 다양한 도면들을 도시한다. 이와 관련하여, 도 7a 는 발광 디바이스들의 제1 어레이(700a)의 수직 단면도이고, 도 7b 는 발광 디바이스들의 제2 어레이(700b)의 수직 단면도이며, 도 7c 는 발광 디바이스들의 제3 어레이(700c)의 평면도이다. 어레이들(700a, 700b, 700c) 각각에서, 광 추출 재료층(110) 위에 복수의 파티션 구조(608)가 형성될 수 있다. 그러나, 광 추출 재료층(110)을 통해 연장되어 디스플레이 디바이스의 각 서브픽셀의 경계를 형성할 수 있는 공동 벽(108)과 달리, 파티션 구조(608)는 각 서브픽셀에서 광 추출 재료층(110)의 상부 표면 위에 위치하며, 공동 벽(108)에 의해 둘러싸일 수 있다. 서브픽셀은 발광 디바이스의 단일 색상(예를 들어, 적색, 녹색 또는 청색) 방출 영역을 포함할 수 있는 반면, 픽셀은 여러 서브픽셀(예를 들어, 적색 서브픽셀, 녹색 서브픽셀 및 청색 서브픽셀과 같은 3 개또는 4 개의 픽셀)을 포함할 수 있다. 파티션 구조(608)은 금속(예를 들어, 알루미늄), 금속 산화물(예를 들어, 알루미늄 산화물) 또는 폴리머 재료를 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 어레이(700a)에서 파티션 구조(608)는 주변의 색상 변환 재료(112)의 높이와 대략 동일한 높이를 가질 수 있는 반면, 제2 어레이(700b)에서 파티션 구조(608)는 색상 변환 재료(112)보다 작은 높이를 가질 수 있다. 도 7c 에 도시된 바와 같이, 파티션 구조(608)는 제1 방향(예를 들어, 도 7c 에서 왼쪽에서 오른쪽으로 도시됨)을 따라 연장되는 제1 복수의 평행 구조 및 제2 방향(예를 들어, 도 7c 에서 위에서 아래로 도시됨)을 따라 연장되는 제2 복수의 평행 구조를 갖는 주기적인 그리드로서 형성될 수 있다. 따라서, 각각의 서브픽셀은 예를 들어 9개 내지 12개의 영역과 같은 4개 이상의 영역(예를 들어, 서브 셀)으로 분할될 수 있다.
파티션 구조(608)는 광 추출 재료층(110)과 색상 변환 재료(112)의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 파티션 구조(608)는 광 추출 재료층(110)보다 작고 색상 변환 재료(112)보다 큰 굴절률을 갖도록 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 파티션 구조(608)는 광 추출 재료 층(110) 밖의 광자를 색상 변환 재료(112) 내로 결합시키는 도파관으로서 작용할 수 있다.
이에 의해 각각의 파티션 구조(608)는 색상 변환 재료(112)를 복수의 개별 영역으로 분할한다. 본 실시형태에서, 파티션 구조(608)는 테이퍼형 형상을 가지므로 색상 변환 재료(112)을 복수의 테이퍼형 영역으로 분할하며, 이들 각각은 얇고 긴 테이퍼형 광원으로 작용할 수 있다. 이러한 얇고 긴 테이퍼형 광원은 상응하는 두껍고 짧은 광원에 비해 증가된 결합 효율을 가질 수 있다. 이러한 현상은 전술한 바와 같이 각파티션 구조(608)를 둘러싸는 재료(즉, 색상 변환 재료(112))의 굴절률을 파티션 구조(608)의 굴절률보다 낮게 선택함으로써 향상될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 마이크로 LED(102)는 유기 발광 다이오드(OLED)를 포함할 수 있다. 그러한 OLED는 매우 얇은 활성층을 가질 수 있으며, 따라서 각각의 OLED는 본질적으로 2차원 구조(즉, 도 7a 및 도 7b 에서 기판(104)의 상부 표면에 평행한 평면에서)로서 작용할 수 있다. 그러한 OLED의 효율은 방출 영역의 크기(예를 들어, 도 3 의 상부 방출 표면의 크기)와 무관하게 거의 일정할 수 있다. 그러나, 마이크로 LED(102)와 색상 변환 재료(112)이 결합된 디스플레이 시스템에서, 장치 두께로 인해 광원의 형태에 따라 광 추출 효율이 달라질 수 있다. 다양한 실시형태에서, 각각의 마이크로 LED(102)의 두께는 대략 수마이크로미터(예를 들어, 20 마이크론 미만)일 수 있고, 광 추출 효율은 방출 각도(예를 들어, 도참조), 파티션 구조(608)에 사용되는 재료의 유형 및 파티션 구조(608)을 둘러싸는 재료(예를 들어, 색상 변환 재료(112))의 굴절률에 따라 달라질 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 얇고 긴 테이퍼형 광원(예를 들어, 파티션 구조(608)에 의해 분리된 색상 변환 재료(112)의 테이퍼형 영역)의 광 추출 효율은 두껍고 짧은 광원(예를 들어, 파티션 구조(608)가 없는 색상 변환 재료(112))보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 도 7a 내지 도 7c 에 도시된 바와 같이, 얇은 테이퍼형 색상 변환 재료(112)을 갖는 광원은 각 픽셀을 여러 개의 서브 셀로 분할하여 형성될 수 있다. 도 7c 에 도시된 바와 같이, 하나의 서브픽셀은 12개의 서브셀로 분할될 수 있다. 다른 실시형태는 서브픽셀의 서브셀로의 다양한 다른 분할들을 포함할 수 있다. 또한, 각 서브 셀은 다른 실시형태에서 원형, 정사각형, 다각형 또는 기타 불규칙한 모양과 같은 다양한 단면 모양을 갖는 구조로 경계를 이룰 수 있다. 다른 실시형태는 많은 상이한 형상들(예를 들어, 원형, 정사각형, 다각형 또는 기타 불규칙한 형상)을 갖는 서브셀을 포함할 수 있다.
주어진 서브픽셀 크기로 다수의 서브셀을 생성함으로써, 복수의 좁고 긴 광원이 생성된다. 광 추출 효율은 형상뿐만 아니라 각파티션 구조(608)의 측벽을 둘러싸는 봉지재의 굴절률에 따라서도 달라질 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 색상 변환 재료(112)을 파티션 구조(608) 및 광 추출 재료층(110)보다 낮은 굴절률을 갖도록 구성함으로써 광 추출 효율을 높일 수 있다.
도 8 은 다양한 실시형태에 따른, 공동 벽(108)이 반사 재료를 포함하도록 구성될 수 있는 발광 디바이스의 추가 어레이(800)의 수직 단면도이다. 발광 디바이스들의 어레이(800)는 공동 벽(108)에 의해 경계를 이루는 복수의 공동 내에 형성되는 복수의 마이크로 LED(102)를 포함할 수 있다. 마이크로 LED(102)는 마이크로 LED(102)를 제어하도록 구성되는 전기 회로를 포함할 수 있는 기판(104)에 결합될 수 있다. 각 공동은 색상 변환 재료(112)을 포함할 수 있다.
상술된 다른 실시형태들에서와 같이, 공동 벽(108)은 공동 벽(108)의 반사 특성을 향상시킬 수 있는 각진 표면(402)을 포함할 수 있다. 또한, 공동 벽은 반사 재료들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서 공동 벽(108)은 금속 재료(802)로 덮일 수 있다. 추가 실시형태에서, 도 8 에 도시된 바와 같이, 투명 재료(804)가 금속 재료(802) 위에 형성될 수 있다. 반사 재료는 광자를 색상 변환 재료(112)로 다시 반사시킴으로써 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
도 9a는 표면에 금속 재료 (즉, 금속 반사기) (802) 를 갖는 반사 공동 벽에 충돌하는 광자의 반사 패턴의 수직 단면도이다. 도 9b 는 다양한 실시형태에 따른, 도 8 의 영역 (9B) 에서 금속 재료 (즉, 금속 반사기) (802) 위에 형성된 투명 재료 (804) 를 갖는 반사 공동 벽에 충돌하는 광자의 반사 패턴의 수직 단면도이다. 색상 변환 재료(112)는 복수의 개별 색상 변환 객체(902)(예를 들어, 양자점)를 포함할 수 있다. 복수의 이산 색상 변환 객체(902) 각각은 변환된 광자를 모든 방향으로 방사할 수 있다. 방사된 광자(904) 중 일부는 금속 재료(802)에 충돌할 수 있고 색상 변환 재료(112)로 다시 반사될 수 있다. 다른 광자(906)는 광자(906)가 금속 재료(802)에 부딪히지 않아 반사 없이 색상 변환 재료(112)를 빠져나가는 각도로 개별 색상 변환 객체(902)에 의해 방출될 수 있다.
금속 반사기(예를 들어, 금속 재료(802))는 조명 응용 분야 및 광학 컴포넌트에 사용될 수 있다. 금속재료(802)는 일반적으로 반사율이 상당히 높으며, 반사율은 알루미늄 반사기의 경우 85%를 초과하고 은의 경우 90%를 초과한다. 그러나, 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 재료(예를 들어, 색상 변환 재료(112)) 내에서 전파하는 광자는 쉽게 추출되지 않을 수 있으며, 그 재료를 빠져나가기 전에 다중 반사를 경험할 수 있다. 각각의 반사에서, 금속 재료(802)가 완벽하게 반사하지 않기 때문에 광자가 흡수될 수 있는 특정 확률이 있다. 이러한 방식으로 반사율은 각 반사마다 기하급수적으로 감소한다. 따라서, 도 9a 에 도시된 바와 같이, 공동 벽(108)을 코팅하는 금속 재료(802)의 유효 반사율은 공기 중 금속 재료(802)의 반사율보다 상당히 낮을 수 있다. 도 9b를 참조하여 더 자세히 설명된 바와 같이, 반사율은 금속 재료(802)를 입사 광자의 일부가 본질적으로 손실이 없이 내부 전반사를 겪게 하는 투명한 재료(예를 들어, DBR 등)로 덮음으로써 증가될 수 있다.
도 8 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 금속 재료(802)는 투명 재료(804)로 코팅될 수 있다. 투명 재료(804)는 저굴절률 재료, 내부 전반사기(TIR), 전방향 반사기(ODR) 또는 DBR이 되도록 선택될 수 있다. 공동 벽(108)에 수직인 방향에 대해 작은 각도로 입사하는 광자(908)는 금속 재료(802)에 의해 반사될 수 있다. 더 큰 각도로 입사하는 다른 광자(910)는 금속 재료(802)와 상호 작용하지 않고 투명 재료(804)에 의해 반사될 수 있다. 이와 관련하여, 임계각 이상의 각도로 입사하는 광자(910)는 투명 재료(804)로부터 내부 전반사를 경험할 수 있다. 따라서 이러한 광자(910)는 투명 재료(804)가 없을 때 경험할 수 있는 지수적 감쇠를 경험하지 않는다. 이러한 방식으로, 금속 재료(802)로부터의 반사로 인해 감쇠를 겪는 반사된 광자의 일부가 감소될 수 있다. 이로써, 공동 벽(108)의 전체 반사율이 증가될 수 있다.
내부 전반사의 효율은 100%에 가깝게 구성될 수 있다. 따라서 광자가 여러 번의 내부 전반사를 겪더라도 광자의 손실(즉, 감쇠)은 무시할 수 있다. 광자와 관련된 전기장의 경계 조건은 전기장이 투명 재료(804) 내의 특정 깊이까지 침투함을 나타낸다. 투명 재료(804) 내에서, 전기장은 투명 재료(804)의 표면으로부터의 거리에 따라 지수적으로 감소하는 진폭을 갖는 소멸파이다. 금속 재료(802)에 의한 흡수를 방지하기 위해, 투명 재료(804)는 침투 깊이보다 더 큰 두께를 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시형태에서, 투명 재료(804)는 광자 흡수를 방지하기 위해 대략 1 마이크론 이상, 예를 들어 1 내지 10 마이크론의 두께를 갖도록 선택될 수 있다.
전술한 바와 같이, 투명 재료(804)는 DBR로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, DBR은 교번 굴절률을 갖는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 교번하는 층들의 굴절률을 적절하게 선택함으로써, DBR은 높은 반사율을 갖도록 구성될 수 있으며, 금속 재료(802) 위에 배치될 때, 단일 금속층 단독보다 훨씬 더 높은 반사율을 갖는 반사 구조가 형성될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, DBR은 TiO2 그리고 SiO2 의 교번층을 포함할 수 있다. 또한, 교번층의 수와 개별 층 두께는 마이크로 LED(102)의 중심 파장에 대응하는 파장에서 높은 반사율을 달성하도록 최적화될 수 있다. 이러한 방식으로, DBR은 마이크로 LED(102)에 의해 방출되는 UV 복사 및/또는 청색광을 반사하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, DBR은 반사된 광자가 색상 변환 재료(112)에 의해 더 긴 파장 광자로 변환될 확률을 증가시킬 수 있다. 다양한 굴절률을 갖는 다양한 유전체 재료, 폴리머, 수지 등을 포함하는 다양한 재료가 투명 재료(804)를 구성하는데 사용될 수 있다.
도 8에 도시된 실시형태에서는 광 추출 재료층(110)이 생략될 수도 있다. 도에 도시된 다른 실시형태에서, 광 추출 재료 층(110)은 위에서 설명된 투명 재료(804)와 조합하여 사용된다. 도 10 은 공동 벽(108) 상의 금속 재료(802) 위에 위치한 투명 재료(804)와 광 추출 재료층(110)을 모두 포함하는 발광 디바이스의 추가 어레이(1000)의 수직 단면도이다.
개시된 실시형태들의 상기 설명은 당업자로 하여금 개시된 실시형태들을 실시 또는 이용하게 할수 있도록 제공된다. 이들 실시양태들에 대한 다양한 수정들은 당업자들에게 용이하게 명백할 것이며, 본명세서에서 정의된 일반적인 원리들은 본개시의 사상 또는 범위로부터 일탈함 없이 다른 실시양태들에 적용될 수도 있다. 따라서, 본개시는 본 명세서에 나타낸 실시양태들에 제한되도록 의도되는 것이 아니라 본명세서에 개시된 신규한 특징들 및 원리들과 다음의 청구항들과 일치하는 최광의 범위에 부합되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 발광 디바이스로서,
    청색 또는 자외선 복사 입사 광자들을 방출하도록 구성된 발광 다이오드;
    상기 발광 다이오드 위에 위치되며, 상기 발광 다이오드에 의해 방출된 상기 입사 광자들을 흡수하고 상기 입사 광자들의 피크 파장보다 더 긴 피크 파장을 갖는 변환된 광자들을 생성하도록 구성된 색상 변환 재료; 및
    상기 발광 다이오드와 상기 색상 변환 재료 사이에 위치된 적어도 하나의 광 추출 피처를 포함하는, 발광 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    공동 벽에 의해 경계가 정해지는 광학 공동을 더 포함하고, 상기 발광 다이오드는 상기 광학 공동 내에 위치되는, 발광 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광 추출 피처는 상기 발광 다이오드와 상기 색상 변환 재료 사이의 상기 광학 공동에 위치된 제 1 광 추출 재료 층을 포함하는, 발광 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드는 III족 질화물 활성 영역을 포함하고; 그리고
    상기 제 1 광 추출 재료 층은 대략 1.5 내지 대략 2.5 범위의 제 1 굴절률을 포함하는, 발광 디바이스.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 광 추출 재료 층은 상기 제 1 광 추출 재료 층과 상기 색상 변환 재료 사이의 거친 경계면을 포함하는 광 추출 피처들을 포함하는, 발광 디바이스.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 광 추출 재료 층은 상기 제 1 광 추출 재료 층의 광학 모드들과 상기 색상 변환 재료의 광학 모드들을 결합하는 나노스케일 광자 결정을 포함하는 나노스케일 피처들의 주기적인 어레이를 포함하는 광 추출 피처들을 포함하는, 발광 디바이스.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 광 추출 재료 층위에 위치하는 주름진 높이 프로파일을 포함하는 제 2 광 추출 재료 층을 더 포함하는, 발광 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 광 추출 재료 층은 상기 제 1 광 추출 재료 층의 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 포함하는, 발광 디바이스.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 광학 공동을 복수의 서브 셀들로 분할하는, 상기 제 1 광 추출 재료 층 위에 형성된 복수의 파티션 구조들을 더 포함하고, 상기 색상 변환 재료는 상기 복수의 서브 셀들 내에 형성되는, 발광 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 파티션 구조들 각각은 테이퍼진 형상을 포함하는, 발광 디바이스.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 광 추출 재료 층은 매트릭스에 분산되는 복수의 광 산란 나노입자들을 포함하는, 발광 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 광 산란 나노입자들은 TiO2, ZrO2 또는 AlN 나노입자들을 포함하고 상기 매트릭스는 에폭시 또는 UV 경화성 폴리머를 포함하는, 발광 디바이스.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 공동 벽 위에 형성된 반사 재료 및 상기 반사 재료 위에 형성된 투명 재료를 더 포함하는, 발광 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 투명 재료는 상기 투명 재료의 표면에 수직인 방향에 대해 임계각보다 큰 각도로 입사되는 광자들의 내부 전반사를 일으키도록 구성되는, 발광 디바이스.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 투명 재료는 반사 광자와 연관된 소멸장의 침투 깊이보다 큰 두께를 갖고; 그리고
    상기 반사 재료는 상기 공동 벽 위에 형성된 금속 재료를 포함하는, 발광 디바이스.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 투명 재료는 분산 브래그 반사기를 포함하는, 발광 디바이스.
  17. 발광 디바이스로서,
    공동 벽에 의해 경계가 정해지는 광학 공동;
    상기 광학 공동 내에 위치되고 청색 또는 자외선 복사 입사 광자들을 방출하도록 구성된 발광 다이오드;
    상기 발광 다이오드 위에 위치되며, 상기 발광 다이오드에 의해 방출된 상기 입사 광자들을 흡수하고 상기 입사 광자들의 피크 파장보다 더 긴 피크 파장을 갖는 변환된 광자들을 생성하도록 구성된 색상 변환 재료;
    상기 공동 벽 위에 위치된 반사 재료; 그리고
    상기 반사 재료 위에 위치된 투명 소재를 포함하는, 발광 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 투명 재료는 상기 투명 재료의 표면에 수직인 방향에 대해 임계각보다 큰 각도로 입사되는 광자들의 내부 전반사를 일으키도록 구성되는, 발광 디바이스.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 투명 재료는 반사 광자와 연관된 소멸장의 침투 깊이보다 큰 두께를 갖고; 그리고
    상기 반사 재료는 상기 공동 벽 위에 형성된 금속 재료를 포함하는, 발광 디바이스.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 투명 재료는 분산 브래그 반사기를 포함하는, 발광 디바이스.
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