LED 패키지, 백라이트 유닛 및 액정 표시 장치{LED Packages, Backlight Units and Liquid Crystal Display Devices}

본 발명은 LED 패키지, 백라이트 유닛 및 액정 표시 장치에 관한 것이다.

근년 LED(발광 다이오드)를 프레임에 실장한 LED 패키지가 조명 기구와 액정 표시 장치 등의 광원으로서 이용되고 있다.

LED 패키지에 실장되는 LED는 일반적으로 p형 반도체와 n형 반도체가 pn접합된 반도체로, 반도체로서 사용하는 화합물의 종류에 따라 방출되는 빛의 파장을 제어할 수 있다.

LED는 다른 광원에 비해 소비 전력이 적고 또한 소형화도 용이하기 때문에 액정 표시 장치의 광원으로서 적합하다. 종래의 액정 표시 장치용 LED 패키지로는 일반적으로 백색광을 방출할 수 있는 것이 사용되어 왔다. 예를 들면 발광색이 다른 복수의 LED를 실장한 LED 패키지(예를 들면 특허 문헌 1), LED와 형광체를 조합한 LED 패키지(예를 들면 특허 문헌 2)가 알려져 있다.

한편 근년 유기 EL 디스플레이의 실용화에 수반하여 액정 표시 장치의 색 재현성 향상이 중요해졌다. 액정 표시 장치의 컬러 표시는 백색 광원으로부터 방출된 빛을, 컬러 필터에 의해 일부 파장 영역의 빛을 흡수시킴으로써 실현되고 있다. 액정 표시 장치의 색 재현성을 향상시키기 위해서는 컬러 필터를 투과하는 빛의 파장 영역을 좁게 하는 것이 유효하지만, 한편으로 빛의 이용 효율이 저하된다는 문제가 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해서는 빛의 삼원색에 대응하는 좁은 파장 범위의 빛을 광원으로부터 방출시키고, 그들의 파장 영역과 컬러 필터가 투과시키는 파장 영역을 일치시키는 것이 필요하다.

상기와 같은 배경으로, 최근에는 LED와 조합시키는 형광체로서 양자 도트(QD)를 사용하는 것도 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌 3).

양자 도트는 LED로부터의 빛을 여기원(勵起源, excitation source)으로 하고, 여기원의 파장보다 긴 파장에서 발광시킬 수 있다. 또한 양자 도트는 종류 또는 사이즈를 변경함으로써 파장 조정이 가능한 한편 YAG(이트륨 알루미늄 가넷) 형광체에 육박하는 높은 양자 효율을 갖는다. 따라서 양자 도트를 사용함으로써 소망하는 발광색을 갖고, 고휘도이며 또한 발광 스펙트럼의 반값 폭이 좁은 LED 패키지를 얻을 수 있다. 더욱이 양자 도트를 사용한 LED 패키지를 백라이트의 광원으로서 사용함으로써 색 재현 범위가 넓은 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.

그러나 양자 도트는 수분 또는 산소 존재 하에서 LED로부터 빛을 받으면 단시간에 열화되어 버리는 문제가 있다. 또한 양자 도트가 여기원인 LED 근방에 존재하는 경우, 고광량 및 고온의 환경 하에서 양자 도트의 열화가 가속된다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서 이뤄진 것으로, 양자 도트의 열화를 억제하고 소망하는 발광색을 가지며, 고휘도이고 발광 스펙트럼의 반값 폭이 좁은, 장수명 LED 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기와 같은 특징을 갖는 LED 패키지를 구비함으로써 색 재현 범위를 대폭 향상시킨 백라이트 유닛 및 액정 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 문제를 해결하기 위해 심도있는 연구 결과, 수지 또는 유기 용매 중에 분산된 양자 도트를 내포하는 유리 셀을 LED 상부에 배치함으로써 양자 도트의 열화를 효과적으로 억제할 수 있는 것을 발견하고 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명은 LED가 실장된 프레임과, 상기 LED 상부에 배치된 유리 셀로서 수지 또는 유기 용매 중에 분산된 양자 도트를 내포하는 유리 셀을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 패키지이다.

또한 본 발명은 상기 LED 패키지를 갖는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛이다.

더욱이 본 발명은 상기 백라이트 유닛을 갖는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치이다.

본 발명에 따르면, 양자 도트의 열화를 억제하고 소망하는 발광색을 가지며, 고휘도이고 발광 스펙트럼의 반값 폭이 좁은, 장수명 LED 패키지를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 상기와 같은 특징을 갖는 LED 패키지를 구비함으로써 색 재현 범위를 대폭 향상시킨 백라이트 유닛 및 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 LED 패키지를 도시한 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 LED 패키지에 사용되는 유리 셀의 단면 모식도이다.

이하, 본 발명의 LED 패키지의 바람직한 실시 형태에 대해서 도면을 이용하여 설명한다.

도 1(a) 및 (b)는 본 발명의 LED 패키지를 도시한 단면 모식도이다. 도 1(a) 및 (b)에서 본 발명의 LED 패키지(1)는 프레임(2)과, 프레임(2)에 실장된 LED(3)와, LED(3) 상부에 배치된 유리 셀(4)을 갖는다.

프레임(2)은 LED(3)를 실장하는 것이 가능한 것이라면 특별히 한정되지 않고, 당해 기술 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다.

프레임(2)의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로 폴리카보네이트, 폴리프탈아미드, 나일론(등록상표), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, PC(폴리카보네이트)/ABS 합금 등의 수지를 사용할 수 있다.

프레임(2)의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 패키지화 및 발광 효율의 관점에서 오목부를 갖는 것이 바람직하다. 특히 상부 직경이 하부 직경보다 크고, 또한 측면이 경사진 오목부를 형성함으로써 발광 효율을 높일 수 있다. 이러한 형상을 갖는 프레임(2)은 사출 성형 등 당해 기술 분야에서 공지된 방법을 이용하여 제작할 수 있다.

또한 프레임(2)은 반사형 프레임(2)이거나 또는 LED(3)가 실장되는 측의 프레임(2) 표면에 반사판이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써 LED(3)로부터의 빛을 유리 셀(4) 중에 효율적으로 도입할 수 있기 때문에 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 반사형 프레임(2)은 특별히 한정되지 않지만, 반사율이 높은 수지 재료 등을 사용하여 형성할 수 있다. 또한 프레임(2) 표면에 배치되는 반사판은 특별히 한정되지 않지만, 반사율이 높은 금속판 등을 사용할 수 있다.

프레임(2)에 실장되는 LED(3)는 특별히 한정되지 않고, 청색 LED, 녹색 LED, 적색 LED 등 당해 기술 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다. 그 중에서도 LED(3)로부터의 빛과 양자 도트(6)로부터의 빛의 조합에 의해 백색광을 실현하는 경우, LED(3)는 청색 LED인 것이 바람직하다. 또한 도시하지 않았지만 LED(3)는 리드 전극 등에 접속되어 있고, 리드 전극으로부터의 전기적인 신호 인가에 의해 빛을 발생시킬 수 있다.

LED(3) 상부에 배치된 유리 셀(4)은 수지 또는 유기 용매(5) 중에 분산된 양자 도트(6)를 내포한다.

여기서, 본 명세서에서 '유리 셀(4)'은, 양자 도트(6)를 분산한 수지 또는 유기 용매(5)를 층상으로 충전하는 것이 가능한 내부 공간을 갖는 유리제 부재를 의미한다. 구체적으로 유리 셀(4)은 적어도 2개의 유리판을 갖고, 2개의 유리판 사이에 층상의 내부 공간이 형성된 구조를 가진다. 예를 들면 유리 셀(4)은 도 2에 도시한 것과 같은 2개의 유리판(10)이 유리벽(11)을 개재하여 간격을 두고 대향된 구조를 가진다. 또한 유리판(10)은 평면 형상으로 한정되지 않고 곡면 형상이어도 된다.

또한 본 명세서에서 '양자 도트(6)'는 양자 역학에 따른 독특한 광학 특성을 갖는 나노 스케일의 재료로서, 입경이 일반적으로 1nm ~ 100nm, 바람직하게는 1nm ~ 50nm, 더욱 바람직하게는 1nm ~ 20nm인 매우 작은 반도체 입자를 의미한다. 양자 도트(6)는 밴드갭(가전자대 및 전도대의 에너지 차)보다 큰 에너지 광자를 흡수하고, 그 입경에 따른 파장의 빛을 방출한다. 따라서 양자 도트(6)는 일정 이하의 파장의 빛을 흡수하는 성질을 갖고, 입경을 제어함으로써 다양한 파장의 빛을 발생시킬 수 있다.

양자 도트(6)는 1종 이상의 반도체 재료를 일반적으로 포함한다. 반도체 재료는 특별히 한정되지 않지만 제Ⅳ족 원소, 제Ⅱ-Ⅵ족 화합물, 제Ⅱ-Ⅴ족 화합물, 제Ⅲ-Ⅵ족 화합물, 제Ⅲ-Ⅴ족 화합물, 제Ⅳ-Ⅵ족 화합물, 제Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물, 제Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ족 화합물, 제Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ족 화합물 등을 들 수 있다. 구체적으로는 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgS, MgSe, GaAs, GaN, GaP, GaSe, GaSb, HgO, HgS, HgSe, HgTe, InAs, InN, InP, InSb, AlAs, AlN, AlP, AlSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, PbO, PbS, PbSe, PbTe, Ge, Si 등을 사용할 수 있다.

또한 양자 도트(6)는 1개 이상의 반도체 재료를 포함하는 코어와, 1개 이상의 반도체 재료를 포함하는 쉘로 이뤄지는 코어쉘형 구조를 가져도 된다. 구체적으로는 코어로서 CdSe, 쉘로서 CdZnS를 갖는 양자 도트(6, 적색 발광), 코어로서 CdZnSe, 쉘로서 CdZnS를 갖는 양자 도트(6, 녹색 발광), 코어로서 CdS, 쉘로서 CdZnS를 갖는 양자 도트(6, 청색 발광) 등을 사용할 수 있다.

도 1(a) 및 (b)에서는 구 형상의 양자 도트(6)의 예를 도시했지만, 양자 도트(6)의 형상은 구 형상으로 한정되지는 않고 막대 형상, 판 형상 등 다양한 형상이어도 된다.

상기와 같은 특징을 갖는 양자 도트(6)는 당해 기술 분야에서 공지되었으며, 공지 방법에 준하여 제조할 수 있다.

양자 도트(6)의 분산에 사용되는 수지는 특별히 한정되지 않고, 당해 기술 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다. 그 중에서도 양자 도트(6)의 분산성 및 수분과 산소를 방지하는 효과 등의 특성이 뛰어난 에폭시 수지, 우레아 수지 및 실리콘 수지가 바람직하다.

양자 도트(6)의 분산에 사용되는 유기 용매는 특별히 한정되지 않고, 당해 기술 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다. 유기 용매는 양자 도트(6)의 분산성이 좋은 고비점(비점이 바람직하게는 100℃ 이상)의 유기 용매인 것이 바람직하다. 유기 용매의 예로서는 톨루엔, 스틸렌, 크실렌 등을 들 수 있다.

수지 또는 유기 용매(5) 중에 분산된 양자 도트(6)를 내포하는 유리 셀(4)의 형상은, 프레임(2)의 오목부 형상에 따라서 적당하게 설정하면 되고 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로 유리 셀(4)은 프레임(2)의 오목부(개구부)의 형상에 대응하는 구조를 갖는 것이 바람직하다.

또한 유리 셀(4)은 LED(3)와 직접 접하고 있지 않는 것이 바람직하다. LED(3)의 표면 온도가 상당한 고온이 되기 때문에 유리 셀(4)을 LED(3)로부터 떨어뜨려 배치함으로써, LED(3)로부터 발생하는 열에 의한 양자 도트(6)의 열화에 기인하는 형광 효율 저하를 억제할 수 있다.

유리 셀(4)을 LED(3)로부터 떨어뜨려 배치하는 경우, 도 1(a) 및 (b)에 도시한 것과 같이 LED(3)와 유리 셀(4) 사이에 스페이스(7)를 설치하면 된다.

또한 유리 셀(4)은 도 1(a)에 도시한 것과 같이 프레임(2)의 오목부 내부에 배치되어 있어도, 도 1(b)에 도시한 것과 같이 프레임(2)의 오목부 상부에 배치되어 있어도 된다.

유리 셀(4)에서는, LED(3)로부터의 빛을 양자 도트(6)가 흡수하여 양자 도트(6)가 여기되는 결과로서 LED(3)로부터의 빛보다 긴 파장의 빛을 발생한다. 따라서 LED(3)의 종류 및 양자 도트(6)의 종류 및 수를 제어함으로써 소망하는 발광색을 실현할 수 있다. 특히 백색광을 실현하는 경우, LED(3)가 청색 LED이고 또한 양자 도트(6)가 청색광에 의해 여기되어(청색광을 흡수하여) 510 ~ 610nm, 바람직하게는 520 ~ 580nm에 피크 중심 파장을 갖는 제1 양자 도트와, 청색광에 의해 여기되어(청색광을 흡수하여) 600 ~ 700nm, 바람직하게는 610 ~ 680nm에 피크 중심 파장을 갖는 제2 양자 도트를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 청색 LED로부터의 청색광, 제1 양자 도트로부터의 녹색광, 제2 양자 도트로부터의 적색광의 조합으로 백색광을 실현할 수 있다.

유리 셀(4)과 LED(3) 사이에 형성되는 스페이스(7)는 공기 그대로여도 상관없지만, 질소 등의 불활성 가스나 봉지 수지로 충전해도 된다. 봉지 수지는 특별히 한정되지 않고, 당해 기술 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다. 또한 봉지 수지로서 양자 도트(6)의 분산에 사용되는 수지와 동일한 것을 사용해도 된다.

또한 입자를 분산시킨 봉지 수지를 스페이스(7)에 충전해도 된다. 미립자를 분산시킨 봉지 수지를 사용함으로써 LED(3)로부터의 빛을 분산시킬 수 있기 때문에 양자 도트(6)에 균일하게 빛이 조사되고, 양자 도트(6)로부터의 균일한 발광을 실현할 수 있다. 입자는 특별히 한정되지 않고, 당해 기술 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다.

필수는 아니지만 유리 셀(4) 상에는 편광판을 배치해도 된다. 편광판을 배치함으로써 특정 진동 방향의 빛만을 통과시킬 수 있다. 따라서 특정 진동 방향의 빛이 필요한 용도(예를 들면 백라이트 유닛)로 사용하는 것이 가능해진다.

또한 반사형 프레임(2)을 사용하거나 또는 LED(3)가 실장되는 측의 프레임(2) 표면에 반사판을 설치하는 한편 편광판으로서 반사형 편광판을 사용해도 된다. 이와 같이 구성함으로써 반사형 편광판에서 반사된 빛이 반사형 프레임(2) 또는 반사판에서 반사되어 편광 상태가 변화된다. 이 반사를 반복함으로써 100%에 가까운 효율로 반사형 편광판을 통과시키는 것이 가능한 광 리사이클 구조로 할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 LED 패키지(1)는 소망하는 발광색을 갖고 고휘도이며 또한 장수명이기 때문에 백라이트 유닛 및 액정 표시 장치에 사용할 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 상세히 설명하지만, 이들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

도 1(a)의 구조를 갖는 LED 패키지를 제작하였다. 이 LED 패키지에서는 LED로서 청색 LED, 양자 도트로서 청색광에 의해 여기되어(청색광을 흡수하여) 녹색광을 발광하는 제1 양자 도트 및 적색광을 발광하는 제2 양자 도트를 혼합한 것을 사용했다. 또한 양자 도트를 분산시키는 수지로서 실리콘 수지를 사용했다. 또한 제1 양자 도트 및 제2 양자 도트는, 청색 LED로부터의 청색광, 제1 양자 도트로부터의 녹색광, 제2 양자 도트로부터의 적색광의 조합으로 백색광을 얻을 수 있는 듯한 비율로 혼합되어 있다.

다음으로, 얻어진 LED 패키지에 대하여 신뢰성 시험을 수행했다. 신뢰성 시험은 온도 60℃, 상대 습도 90%의 조건으로 설정된 항온항습조 내에 상기 LED 패키지를 설치하고, LED에 20mA의 전류를 흘려서 1026시간 점등시켜, 그 때의 LED의 전광속 및 색도 변화를 측정함으로써 수행했다. 그 결과, 초기값에 대한 1026시간 후의 전광속의 변화는 +1%이고, 색도 변화는 Cx가 -0.012, Cy는 -0.001이었다.

또한 액정 표시 장치의 광원으로서, 상기 LED 패키지 및 형광체로서 YAG(이트륨 알루미늄 가넷)를 사용한 비교용 LED 패키지를 구비한 액정 표시 장치에서 색 재현성 평가를 수행했다. 또한 2종류의 액정 표시 장치는 광원이 다른 점을 제외하고 다른 구성은 완전히 동일하다. 측정 결과, 광원으로서 YAG 형광체를 사용한 비교용 LED 패키지를 구비한 액정 표시 장치의 색 재현 범위가 NTSC비로 약 72%였는데 비해, 상기 LED 패키지를 구비한 액정 표시 장치의 색 재현 범위는 NTSC비로 약 96%였다.

<비교예 1>

유리 셀(4)의 상부 유리판을 제거한 것을 사용한 점 이외는 실시예 1과 동일한 구조를 갖는 LED 패키지를 제작했다.

다음으로, 얻어진 LED 패키지에 대하여 신뢰성 시험을 수행했다. 신뢰성 시험은 온도 60℃, 상대 습도 90%의 조건으로 설정된 항온항습조 내에 상기 LED 패키지를 설치하고, LED에 20mA의 전류를 흘려서 1010시간 점등시키고, 실시예 1과 마찬가지로 그 때의 LED의 전광속 및 색도 변화를 측정함으로써 수행했다. 그 결과, 초기값에 대한 1010시간 후의 전광속의 변화는 -8%이고, 색도 변화는 Cx가 -0.075, Cy는 -0.117이었다.

<비교예 2>

10 ^-2 (g/m ² ?day) 자리수의 배리어 성능을 갖는 2매의 배리어 필름 사이에, 수지에 분산된 양자 도트를 감쌈으로써 형성된 시트를 엣지라이트형 백라이트 상에 배치하고 신뢰성 시험을 수행했다. 신뢰성 시험은 온도 65℃, 상대 습도 75%의 조건으로 설정된 항온항습조 내에 상기 시트를 배치한 백라이트를 설치하고, 상기 양자 도트가 내포된 시트에 청색광을 1013시간 조사함으로써 수행했다. 또한 청색광의 조사량은 12,000cd/m ² 로 했다. 신뢰성 시험 결과, 초기값에 대한 1013시간 경과 후의 휘도 변화는 -68%, 색도 변화는 Cx가 -0.115, Cy가 -0.351이었다.

실시예 1의 결과와 비교예 1 및 2의 결과를 대비하면 실시예 1의 LED 패키지는 비교예 1 및 2의 LED 패키지에 비해서, 전광속(휘도) 및 색도 변화가 크게 저감되었다. 또한 광원으로서 실시예 1의 LED 패키지를 사용한 액정 표시 장치의 색 재현 범위는, 종래의 YAG 형광체를 사용한 LED 패키지를 광원으로서 사용한 액정 표시 장치에 비해서 대폭 확대되었다.

이상의 결과로부터 알 수 있듯이 본 발명에 따르면, 수지 또는 유기 용매 중에 분산된 양자 도트를 내포한 유리 셀을 사용함으로써 양자 도트의 열화를 억제하고 소망하는 발광색을 가지며 고휘도이고 발광 스펙트럼의 반값 폭이 좁은, 장수명 LED 패키지를 제공할 수 있다. 또한 상기 LED 패키지를 백라이트 광원으로서 사용함으로써 종래의 액정 표시 장치에 비해서 색 재현 범위를 대폭 확대할 수 있다.

1: LED 패키지 2: 프레임
3: LED 4: 유리 셀
5: 수지 또는 유기 용매 6: 양자 도트
7: 스페이스 10: 유리판
11: 유리벽