KR100459782B1

KR100459782B1 - 발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 어레이 및 이를 포함하는 풀 칼라 표시 모듈

Info

Publication number: KR100459782B1
Application number: KR10-2002-0044158A
Authority: KR
Inventors: 유순재; 김돈수; 최용석
Original assignee: 주식회사 이츠웰
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-12-03
Also published as: KR20040009818A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 칩 어레이는 16×16의 화소가 동일한 기판 위에 매트릭스 형태로 배열되어 있으며, 각각의 화소에는 발광을 유도하는 자색 또는 자외선 발광 다이오드가 배치되어 있으며, 풀 칼라 표시 모듈을 구현하기 위해 적색, 녹색 또는 청색의 형광체가 각 화소에 직접 코팅되어 순차적으로 배치되어 있다. 세로 방향으로는 각 화소의 발광 다이오드의 제1 패드와 전기적으로 연결되어 있는 제1 신호선이 형성되어 있으며, 한쪽 끝부분에는 각각 패드가 연결되어 있다. 가로 방향으로는 각 화소의 발광 다이오드의 제2 패드와 전기적으로 연결되어 있는 제2 신호선이 형성되어 있으며 한쪽 끝 부분에는 각각 패드가 연결되어 있다. 이때, 각각의 화소를 구동하기 위해서는 펄스형의 전기적인 신호가 어드레스 방식으로 인가된다. 이때, 화소의 크기는 50um x 50um이하인 것이 바람직하다.

Description

발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 어레이 및 이를 포함하는 풀 칼라 표시 모듈{A MICRO CHIP ARRAY INCLUDING LIGHT EMITTING DIODE AND A MODULE FOR A FULL-COLOR DISPLAY INCLUDING FLUORESCENT LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 어레이 및 이를 포함하는 풀 칼라 표시 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 발광 다이오드는 화합물 반도체의 PN 접합 다이오드로서, 전압을 가하면 빛을 방출하는 기능을 가진다. 즉, 발광 다이오드는 반도체의 접합 구조에 전압을 가하여 소수 캐리어 (전자 또는 정공)를 만들어내고, 이들의 결합을 통하여 발광하는 반도체 소자이다.

이를 이용한 발광 다이오드 램프는 발광 다이오드의 발광부에서의 반도체 재료의 에너지 밴드 갭이나 양자우물 구조의 폭을 이용하여 발광하는 광의 에너지 및 색을 조정하였다. 또 이러한 발광 다이오드 램프를 이용한 표시 장치는 적색, 녹색, 청색의 기본 색을 띠는 발광 다이오드 소자를 기반으로 하여 화소를 제작하고, 적색, 녹색, 청색을 혼합하여 원하는 색을 구현한다.

그러나, 또 청색을 비롯한 녹색 및 적색을 동시에 구현할 수 있는 반도체 재료의 개발이 이루어지지 못하고 있으며, 발광 램프를 이용한 표시 장치는 대형 또는 옥외용 전광판 형식의 디스플레이에의 응용에만 한정되어 왔다.

본 발명은 발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 어레이 및 이를 포함하는 풀 칼라 표시 모듈을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 사용되는 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 형광발광 다이오드 램프의 구조를 도시한 구성도이고,

도 3은 적색, 녹색 및 청색의 형광체를 이용하여 발광 다이오드에서 방출되는 빛을 적색, 녹색 또는 청색의 파장대의 빛으로 변환하는 것을 그래프로 설명하기 위한 그래프이고,

도 4는 본 발명에 사용되는 적색 형광체의 SEM 사진이고,

도 5 및 도 6은 본 발명에 사용되는 적색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 나타낸 그래프이고,

도 7은 본 발명에 사용되는 녹색 형광체의 SEM 사진이고,

도 8 및 도 9는 본 발명에 사용되는 녹색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 나타낸 그래프이고,

도 10은 본 발명에 사용되는 청색 형광체의 SEM 사진이고,

도 11 및 도 12는 본 발명에 사용되는 청색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 나타낸 그래프이고,

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 어레이를 이용한 디스플레이 모듈을 도시한 구성도이고,

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 이용한 표시 장치에서 화소의 구조를 상세하게 도시한 배치도이고,

도 15는 도 14에서 XV-XV' 선을 따라 잘라 도시한 표시 장치용 소자의 단면도이고,

도 16은 적색, 녹색 및 청색의 형광체를 포함하는 표시 장치용 소자에서 단위 화소의 구조를 도시한 단면도이다.

본 발명은 이러한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 발광 다이오드를 매트릭스 형태로 배치를 하는데, 각각의 발광 다이오드는 50㎛×50㎛ 이하의 범위로 형성하여 마이크로 칩 어레이를 제작하고, 이러한 마이크로 칩 어레이에 적색, 녹색, 청색의 형광체를 도포하여 형광 발광 다이오드를 형성하여 다양한 색을 구현할 수 있는 풀 칼라 표시 모듈을 제작한다.

더욱 상세하게 본 발명에 따른 발광 소자는 자색 빛을 방출하는 발광 다이오드와 발광 다이오드에서 나오는 자색 빛을 흡수하여 소정의 파장을 가지는 빛으로 변환하여 방출하는 형광체를 포함한다.

발광 다이오드를 지지하며 발광 다이오드의 제1 패드와 전기적으로 연결되는제1 몸체와 제1 몸체와 소정의 간격으로 분리되어 있으며 발광 다이오드의 제2 패드와 전기적으로 연결되어 있는 제2 몸체를 포함하는 리드 프레임과 발광 다이오드 및 형광체를 몰딩하는 수지를 더 포함할 수 있다.

이때, 형광체는 적색 형광체, 녹색 형광체 또는 청색 형광체이거나, 이들 형광체 중 적어도 두 개를 혼합하여 만들어지는 형광체인 것이 바람직하며, 적색 형광체는 K(WO₄)_1.25:Eu,Sm 또는 Li(WO₄)_1.25:Eu,Sm 계열로 구성되가나, 녹색 형광체는 (BaSr)₂SiO₄:Eu 계열로 구성되거나, 청색 형광체는 (SrMg)₅(PO₄)₃Cl:Eu 또는 (SrBa)₅(PO₄)₃Cl:Eu 계열로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

발광 다이오드는 InGaN를 포함하는 활성층을 포함할 수 있으며, 이러한 발광 소자를 이용하여 다수의 화소에 매트릭스 배열로 제작하여 표시 장치를 구성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 표시 장치용 기판에는, 매트릭스 배열의 화소를 가지는 기판의 상부 화소에 제1 도전형의 불순물로 도핑되어 있는 전자 생성층이 형성되어 있으며, 각 화소의 전자 생성층 상부에는 제2 도전형의 불순물로 도핑되어 있는 정공 생성층이 형성되어 있다. 전자 생성층 및 정공 생성층의 상부에는 각각 제1 및 제2 패드가 각각 형성되어 있으며, 제1 패드를 통하여 화소의 전자 생성층과 전기적으로 공통으로 연결되어 있는 제1 신호선이 형성되어 있으며, 제1 신호선과 절연되어 교차하며, 제2 패드를 통하여 화소의 정공 생성층과 전기적으로 공통으로 연결되어 있는 제2 신호선이 형성되어 있다.

전자 생성층 또는 상기 정공 생성층은 GaN를 포함하는 것이 바람직하며, 전자 생성층은 화소의 열 방향으로 뻗어 있는 것이 바람직하다.

기판과 전자 생성층 사이에는 GaN를 포함하는 버퍼층이 형성될 수 있으며, 전자 생성층과 정공 생성층 사이에는 InGaN를 포함하는 활성층과 제2 도전형의 불순물이 도핑되어 있는 AlGaN를 포함하는 제2 도전형 클래드층이 형성될 수 있다.

정공 생성층 상부에는 투명한 도전 물질로 이루어진 전극층이 형성되는 것이 바람직하며, 정공 생성층은 상기 화소에서 각각 절연되어 있는 것이 바람직하다.

화소에 동일하게 또는 순차적으로 형성되어 있는 적색, 녹색 또는 청색의 형광체를 더 포함할 수 있으며, 적색 형광체는 K(WO₄)_1.25:Eu,Sm 또는 Li(WO₄)_1.25:Eu,Sm 계열로 구성되거나, 녹색 형광체는 (BaSr)₂SiO₄:Eu 계열로 구성되거나, 청색 형광체는 (SrMg)₅(PO₄)₃Cl:Eu 또는 (SrBa)₅(PO₄)₃Cl:Eu 계열로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 어레이 및 이를 포함하는 풀 칼라 표시 모듈에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 반도체를 이용하는 고해상도의 표시 장치로서 자외선 광원의 재료로 이용되고 있는 GaN 반도체 재료를 포함하는 자외선 발광 다이오드를 마이크로 칩 어레이로 구성하고 이에 형광체를 직접 도포한 고해상도 풀 칼라 형광 표시 장치를 제작한다.

GaN/InGaN 재료는 전자의 확산 계수가 작아 어느 정도의 결함이 소자의 활성층 내에 존재하더라도 주변에서 빛이 발광하는데 문제가 없다. 또한, GaN/InGaN 재료를 이용하는 경우에는 광 대역의 에너지 금지 대역을 이용하여 가시광선보다 큰 에너지의 발광 다이오드의 제작이 가능하여 형광체를 이용하면 원하는 가시광선을 얻을 수 있다.

사파이어로 알려진 알루미늄 산화물(Al₂O₃) 등으로 구성된 결정 성장의 기판(10) 위에 반도체 재료인 GaN 등으로 이루어진 버퍼층(20), N형 불순물이 도핑되어 있는 GaN 등으로 이루어진 전자 생성층(30), InGaN 등으로 이루어진 활성층(40), P형 불순물이 도핑되어 있는 AlGaN으로 이루어진 P형 클래드층(50), P형 GaN으로 이루어진 정공 생성층(60)이 순차적으로 형성되어 있다.

이러한 다층 구조에서의 각 층(20, 30, 40, 50, 60)은 사파이어로 구성된 결정 성장의 기판(10) 위에 에피택셜 성장을 통하여 형성된다.

여기서, 결정 성장의 기판(10)의 종류는 에피택셜 성장으로 형성될 후속 층(20, 30, 40, 50, 60)의 물질 특성에 따라 적절한 것을 선택한다. 예를 들어, 이 실시예에서와 같이, GaN 계열의 반도체층(20, 30, 40, 50, 60)을 성장시킬 경우에는 결정 성장의 기판(10)으로 사파이어 기판을 사용하는 것이 적절하다.

이 때, 버퍼층(20)은 결정 성장시에 기판(10)과 후속층(30, 40, 50, 60)의 격자 부정합을 줄이는 역할을 한다.

정공 생성층(60) 위에는 Ni/Au의 이중층 구조를 가지는 투명한 도전 물질로 이루어진 전극층(70)이 형성되어 있다. 그리고, P형 패드(81)가 투명 전극층(70)에 접촉되어 있고, N형 패드(82)가 전자 생성층(30)에 접촉되어 있다.

여기서, P형 패드(81)는 Ti/Au의 적층 구조로 형성될 수 있고, N형 패드(82)는 Ti/Al의 적층 구조로 형성될 수 있다.

P형 패드(81)에는 정공 생성층(60)에 정공을 생성하는데 필요한 전압이 인가되고, N형 패드(82)에는 전자 생성층(30)에 전자를 생성하는데 필요한 전압이 인가된다.

여기서, 투명 전극층(70)은 P형 패드(81)를 통하여 들어온 전압을 정공 생성층(60)에 균일하게 전달하는 기능을 가진다.

활성층(40)은 언급한 바와 같이, InGaN으로 형성되어 있는데, InN의 밴드 갭인 1.9eV와 GaN의 밴드 갭인 3.4eV를 이용하여 3.06eV의 밴드 갭과 양자우물을 만들어서 전자 및 정공 재결합시에 405nm 정도 대역의 발광 파장을 만들어 낸다.

여기서, 활성층(40)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 정공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 달라진다. 따라서, 어느 대역의 파장을 이용할 것인가에 따라 활성층(40)을 이루는 반도체 재료를 조절하여 발광 다이오드를 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 발광 다이오드의 구조는 일 실시예에 불과하며, 어떤 발광 다이오드 장치를 제작할 것인가에 따라 PN 접합을 기본으로 하여 다양하게 변경하여 형성할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 형광 발광 다이오드 램프의 구조를 도시한 구성도이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 형과 발광 램프는, 움푹 패인 트랜치(trench) 구조를 가지는 함몰부(103)가 형성되어 있는 제1 몸체(101)와 제1 몸체(101)와 소정의 간격을 두고 위치하는 제2 몸체(102)로 이루어진 리드 프레임(100)을 포함한다.

여기서, 발광 다이오드(C)는 리드 프레임(100)의 함몰부(103)에 다이 본딩되어 있고, 발광 다이오드(C)의 P형 패드(도 1참조)와 N형 패드(도 1 참조) 중 하나의 패드는 리드 프레임(100)의 제1 몸체(101)에 와이어 본딩되어 전기적으로 연결되어 있고, 나머지 다른 하나의 패드는 리드 프레임(100)의 제2 몸체(102)에 와이어 본딩되어 전기적으로 연결되어 있다. 도면 부호 201 및 202는 와이어를 나타내는데, 통상의 경우 전성, 연성과 전도성이 우수한 Au 계열의 도전 물질을 포함하여 사용한다.

발광 다이오드(C)에서 P형 패드로부터 N형 패드로 전류를 흘리면, 활성층(도 1 참조)의 전자 및 정공이 결합하면서 발광을 한다. 도 1을 참조하여 설명한 발광 다이오드의 경우에는 활성층은 InGaN으로 이루어져 자색 광을 방출한다.

발광 다이오드(C)가 본딩되어 있는 리드 프레임(100)의 함몰부(103)에는 적색 형광체 또는, 녹색 형광체, 또는 청색 형광체, 또는 이들이 적절한 비율로 혼합된 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)이 충진되어 있다.

이를 위하여, 발광 다이오드를 포함하는 발광 램프를 제작하는 과정 중에, 리드 프레임(100)의 함몰부(103)에 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)을 도포한 후, 경화한다. 여기서, 리드 프레임(100)의 함몰부(103)의 깊이 및 너비는 도포하고자 하는 형광체의 양에 따라 다양하게 조절할 수 있다.

그리고, 에폭시 수지로 이루어진 에폭시 렌즈(300)가 발광 다이오드(C)와 리드 프레임(100)의 함몰부(103)를 충진하는 형광체 및 에폭시 수지의 혼합물(200)을 밀봉하고 있다. 에폭시 렌즈(300)는 형광체를 통하여 방출되는 빛을 원하는 각도로 모으는 역할을 한다. 여기서, 에폭시 렌즈(300)는 도 2에 도시한 바와 같이, 램프 형상으로 형성될 수 있으며, 그 외에 원하는 여러 가지 형태로 제작이 가능하다.

이러한 발광 다이오드를 포함하는 형광 발광 램프는, 발광 다이오드(C)에 소정의 전압을 인가하면, 발광 다이오드(C)가 소정의 파장 대역을 방출한다. 이 파장은 모두 형광체(200)에 흡수되어 형광체(200)를 여기하는데 사용되며, 형광체(200)의 종류에 따라 적색, 녹색, 혹은, 청색의 파장을 각각 낸다.

본 발명의 실시예에서 각 형광체는 도 3에 보인 바와 같이, 발광 다이오드에서 방출한 자색 파장대의 빛 또는 에너지를 흡수하여 적색, 또는, 녹색 또는, 청색의 빛 또는 에너지로 바꾸는 역할을 한다. 이를 위해 각 형광체는 발광 다이오드에서 방출하는 에너지를 모두 흡수해야 하므로, 형광체의 농도 및 두께를 적절하게 조절할 필요가 있다.

본 발명의 실시예에서는 발광 다이오드와 적색, 녹색 또는 청색의 형광체를 이용하여 적색, 녹색 또는 청색 파장 대역 범위의 빛을 내는 형광 발광 램프를 제작할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 형광체는 발광 다이오드에서 출력되는 빛을 여기하는데 사용하는데 형광체로부터 발광하는 빛을 표시 장치에서 화상을 표시하는데 이용하기 위해 적색, 녹색 또는 청색의 형광체는 발광 다이오드가 매트릭스 모양으로 배열되어 있는 마이크로 칩 어레이의 상부에 도포하여 사용한다.

우선, 본 발명의 실시예에 따른 형광 발광 램프 또는 이를 포함하는 풀 칼라 표시 모듈에서 사용되는 적색, 녹색 및 청색의 형광체에 대하여 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서의 적색의 형광체는 예로써, K(WO₄)_1.25:Eu,Sm 또는 Li(WO₄)_1.25:Eu,Sm로 구성되어 있다. K(WO₄)_1.25또는 Li(WO₄)_1.25는 형광체의 모체로써 작용하고, Eu, Sm는 도핑 물질이다. 여기서, 모체는 405nm 정도의 파장대를 가진 발광 다이오드로부터 빛을 흡수 및 여기를 하고, 도핑 물질은 농도의 조절을 통하여 적색 형광체의 발광 피크를 조절할 수 있다.

도 4는 이러한 적색 형광체의 SEM사진을 나타낸 것이고 도 5 및 도 6은 적색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이다.

도 5 및 도 6에 보인 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적색 형광체의 여기 광원으로 360~410nm 파장대의 빛을 사용할 수 있다. 따라서, 이러한 적색의 형광체는 360~410nm 범위의 파장대를 가지는 빛을 방출하는 모든 발광 다이오드를 사용하여 적색의 발광 램프 또는 표시 모듈에서 적색의 화소를 구현할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 녹색 형광체는 예로써, (BaSr)₂SiO₄:Eu로 구성되어 있다. 마찬가지로, (BaSr)₂SiO₄는 모체로써 작용하여 405nm 빛을 흡수하고 여기하며, Eu는 도핑 물질로 사용되며, 이러한 도핑 물질의 농도의 조절을 통하여 녹색 형광체의 발광 피크를 조절할 수 있다.

도 7은 이러한 녹색 형광체의 SEM사진을 나타낸다. 그리고, 도 8과 도 9는 이러한 녹색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이다. 이러한 녹색 형광체는 410nm 이하의 발광 다이오드로부터 여기된 빛을 녹색 파장대를 가지는 빛으로 변환한다. 따라서, 이러한 녹색의 형광체는 410nm 이하의 파장대 빛을 방출하는 모든 발광 램프 또는 풀 칼라 표시 모듈에서 녹색의 화소를 구현하는데 사용한다.

본 발명의 실시예에서 청색 형광체는 (SrMg)₅(PO₄)₃Cl:Eu 또는 (SrBa)₅(PO₄)₃Cl:Eu로 구성되어 있다. 마찬가지로, (SrMg)₅(PO₄)₃Cl 또는 (SrBa)₅(PO₄)₃Cl:Eu은 모체로써 작용하고, Eu는 도핑 물질이다. 이 도핑 물질의 농도의 조절을 통하여 청색 형광체의 발광 피크를 조절할 수 있다.

도 10은 이러한 청색 형광체의 SEM사진을 나타낸다. 그리고, 도 11과 도 12는 이러한 청색 형광체의 파장에 따른 여기 강도 및 발광 강도를 그래프로 각각 나타낸 것이다. 이러한 청색 형광체는 여기 광원으로 410nm 이하의 파장대를 가지는 빛을 청색으로 변환하는데 사용할 수 있다. 따라서, 이러한 청색의 형광체는 410nm 이하의 파장대를 가지는 빛을 방출하는 모든 발광 램프 또는 청색의 발광 다이오드를 이용하는 풀 칼라 표시 모듈 제작할 수 있다.

상술한 적색 형광체, 녹색 형광체, 청색 형광체는 모두 360~410nm 파장의 광원을 여기할 수 있기 때문에, 이들을 물리적으로 혼합한 형광체 역시 이 대역을 여기광원으로 사용할 수 있다. 따라서, 빛의 삼원색인 이들 형광체의 조합으로 모든 색을 나타낼 수 있는 풀 칼라 표시 모듈의 제조가 가능하며, 모든 색을 나타낼 수 있는 발광 램프의 제조도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 및 형광체를 이용한 표시 장치는 적색, 녹색, 청색 형광체 각각의 도핑 물질을 조절을 통하여 파장대 이동이 가능하므로, 이를 통하여 자연광과 거의 흡사한 광을 얻을 수 있다.

이러한 본 발명의 실시예에서는 발광 다이오드와 형광체를 함께 이용함으로써 종래의 기술에서와 같이 하나의 반도체 재료만으로 특정 색을 구현한 것에 비해 색 재현이 우수하며, 형광체를 이용하여 반도체 재료의 특성의 미세한 차이에도 크게 영향을 받지 않기 때문에 제조 공정시 공정 수율을 증대시킬 수 있다. 또한, 자연광과 거의 비슷한 광 특성을 가지고 있기 때문에 조명 및 백라이트 광원으로서 표현하고자 하는 원색의 손상을 최대한 줄일 수 있다.

그러면, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 어레이 및 풀 칼라 표시 모듈에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 에레이의 구조를 도시한 구성도이다.

도 13에서 보는 바와 같이 마이크로 칩 어레이는 16×16의 화소가 매트릭스 형태로 배열되어 있으며, 각각의 화소에는 발광을 유도하는 발광 다이오드가 배치되어 있으며, 적색, 녹색 또는 청색의 형광체가 동일하게 또는 순차적으로 배치되어 있을 수 있다. 도면 부호 A1~A16은 세로 방향으로 형성되어 있는 제1 신호선(170)의 한쪽 끝부분에 연결되어 있으며 외부로부터 전기적인 신호를 입력받아 각각의 발광 다이오드의 N형 패드(82, 도 1 참조)에 전기적인 신호를 전달하기 위한 N형 모 패드이고, 도면 부호 B1~B16은 가로 방향으로 형성되어 있는 제2 신호선(120)의 끝부분에 연결되어 있으며 P형 패드(81, 도 1 참조)에 전기적인 신호를전달하기 위한 P형 모 패드이다. 이때, 각각의 화소를 구동하기 위해서는 펄스형의 전기적인 신호가 어드레스 방식으로 인가된다.

이때, 화소의 크기는 40um x 40um인 것이 바람직하며 패드들이 형성되어 있는 패드 영역(A1~A16, B1~B16)을 제외한 표시 크기는 640um×640um이며 패드 영역을 감안하면 표시 장치의 크기는 약 1mm×1mm 이내로 제작이 가능하다. 12 x 9 (108) 모듈을 배열하면 27,848 픽셀의 모노 디스플레이를 구성할 수 있으며 크기는 12mm x 9mm로 매우 작게 할 수 있다.

다양한 색을 표시할 수 있는 고해상도의 풀 칼라 표시 모듈을 구현하기 위해서는 최소 1개씩의 적색, 녹색, 청색의 단위 화소가 필요하다.

본 발명의 실시예에서는 발광 다이오드의 상부에 직접 형광체를 도포하는 방법을 사용한다. 화상이 표시되는 기본 화소는 적어도 인접한 적색, 녹색, 청색의 세 단위 화소가 필요하다. 또한 일반적으로 사용되는 형광체의 크기는 약 5um 정도로 약 40um x 40um 이하의 면적에 일반 LED의 형광체 도포 방법 및 디스펜서 사용법으로는 정확한 두께 및 면적을 조절하기가 어렵다. 따라서 본 발명에서는 360~410nm 대역의 빛을 발하는 발광 다이오드 제작시 직접 형광체를 증착하는 방법을 사용할 수 있다.

다음은 도 14 및 도 15를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 어레이의 화소 구조에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 어레이에서 화소의 구조를 상세하게 도시한 배치도이고, 도 15는 도 14에서 XV-XV' 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.

도 13 내지 도 15에서 보는 바와 같이, 사파이어로 알려진 알루미늄 산화물(Al₂O₃) 등으로 구성된 결정 성장의 기판(10) 위에 N형 불순물이 도핑되어 있는 GaN 등으로 이루어진 전자 생성층(30)이 세로 방향으로 형성되어 있다. 이때, 기판(10)과 전자 생성층(30) 사이에는 반도체 재료인 GaN 등으로 이루어진 버퍼층이 형성될 수 있다. 전자 생성층(30) 상부에는 P형 불순물이 도핑되어 있는 GaN으로 이루어진 정공 생성층(60)이 각각의 화소당 하나씩 형성되어 있다. 전자 생성층(30)과 정공 생성층(60) 사이에는 InGaN 등으로 이루어진 활성층과 P형 불순물이 도핑되어 있는 AlGaN 등으로 이루어진 P형 클래드층이 형성될 수 있다.

여기서, 결정 성장의 기판(10)의 종류는 에피택셜 성장으로 형성될 후속 층(30, 60)의 물질 특성에 따라 적절한 것을 선택한다. 예를 들어, 이 실시예에서와 같이, GaN 계열의 반도체층(30, 60)을 성장시킬 경우에는 결정 성장의 기판(10)으로 사파이어 기판을 사용하는 것이 적절하다.

정공 생성층(60) 위에는 Ni/Au의 이중층 구조를 가지는 투명한 도전 물질로 이루어진 전극층(70)이 형성되어 있고, 그 상부에는 Ti/Au의 적층 구조로 가지는 P형 패드(81)가 형성되어 있다. 또한, 전자 생성층(30) 상부에는 Ti/Al의 적층 구조를 가지는 N형 패드(82)가 접촉되어 있다.

P형 및 N형 패드(81, 82)의 상부에는 절연 물질로 이루어진 제1 층간절연막(150)이 형성되어 있으며, 제1 층간 절연막(150)에는 N형 패드(82)를 드러내는 제1 접촉 구멍(152)이 형성되어 있다.

제1 층간 절연막(150)의 상부에는 제1 접촉 구멍(152)을 통하여 N형 패드(82)와 연결되며, 세로 방향으로 뻗어 있는 제1 신호선(170)이 형성되어 있다.

제1 층간 절연막(150)의 상부에는 제1 신호선(170)을 덮는 제2 층간 절연막(160)이 형성되어 있으며, 제2 층간 절연막(160)에는 제1 층간 절연막(150)과 함께 P형 패드(81)를 드러내는 제2 접촉 구멍(161)이 형성되어 있다.

제2 층간 절연막(160)의 상부에는 제2 접촉 구멍(161)을 통하여 P형 패드(81)와 연결되어 있으며, 가로 방향으로 뻗어 있는 제2 신호선(120)이 형성되어 있다.

도 16은 적색, 녹색 및 청색의 형광체를 포함하는 형광 발광 다이오드를 포함하는 풀 칼라 표시 모듈에서 단위 화소의 구조를 도시한 단면도이다.

도 16에서 보는 바와 같이 대부분의 구조는 도 14와 동일하다.

하지만, 기판(10)의 상부에 적색, 녹색 및 청색의 형광체(R, G, B)가 순차적으로 형성되어 있다.

이러한 구조는 도 14와 같이 제작된 발광 다이오드를 포함하는 마이크로 칩 어레이의 상부에 사진 식각 공정 및 리프트-오프(lift-off)공정을 이용하여 적색,녹색 및 청색의 형광체(R, G, B)가 순차적으로 형성한 구조이다.

이 때 형광체의 증착은 전자빔 또는 열 증착기를 이용할 수 있으며, 동일한 공정을 통하여 추가로 2회 반복하여 각각 적색, 녹색, 청색의 형광체를 형성한다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 풀 칼라 모듈에서는, 원하는 발광 다이오드에 전류를 인가하면 그 발광 다이오드에서 발광하게 되고, 발광하는 빛은 형광체에 흡수되어 형광체의 종류에 따른 정해진 색을 방출한다. 이 때 자외선 파장을 모두 흡수하는 것이 중요하며 원하는 색을 나타내기 위해서는 형광체의 두께 조절이 매우 중요하다.

한편, 다른 한가지의 방법으로는 형광체가 도포되지 않은 도 14와 같은 구조의 기판 상부에 적색, 녹색, 청색 각각 3층의 형광 도트 또는 스트립 필름을 사용하는 방법도 가능하다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 포함하는 표시 모듈에서는 구동 전압이 색과 관계없이 독립적으로 인가할 수 있기 때문에 구동 회로가 간단하게 제작될 수 있다. 또한 시간-출력 특성 역시 색과 관계없이 비슷하기 때문에 시간이 흐른 후에도 색의 균형이 깨질 염려가 없다. 그리고, 다양한 색의 표현이 가능하기 때문에 지하철 등에서 볼 수 있는 안내용 표시 장치에 사용할 수 있다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 이용한 풀 칼라 표시 모듈의 제조 공정 순서는 다음과 같다.

우선, 사파이어 기판(10)상에 버퍼층 및 전자 생성층(30)과 활성층 및 정공 생성층(60)을 연속으로 결정 성장시킨 웨이퍼를 마스크를 이용한 사진 식각 공정을통하여 전자 생성층(30)의 중간부분까지 식각을 하고 다시 사진 식각 공정을 통하여 전자 생성층(30)을 사파이어 기판(10)이 드러날 때까지 제거하여 각각의 화소에 위치하는 발광 다이오드를 절연시킨다. 이때, 도 13 및 도 14에서 보는 바와 같이 세로 방향의 배열에 있어서는 발광 다이오드간의 고립화가 필요치 않으며, 이를 통하여 사진 식각 공정을 단순화할 수 있다. 이어, SiO₂또는 SiN 등의 절연 물질을 적층하여 제1 층간 절연막(150)을 형성한 후 반도체와 외부에 연결할 부분을 식각하여 제1 접촉 구멍(152)을 형성한다. 도전 물질을 적층하고 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 패터닝하여 제1 신호선(170)을 형성한다. 이어, 제2 층간 절연막(160)을 적층하고 패터닝하여 제2 접촉 구멍(161)을 형성한 다음, 도전 물질을 적층하고 패터닝하여 제2 신호선(120)을 형성한다. 이때, 제1 신호선(170)과 제2 신호선(120)은 서로 교차하며, 제2 층간 절연막(160)에 의해 서로 절연되어 있다. 화상으로 표시되는 발광은 세 화소에서 일어나며 각각의 화소의 발광면적은 약 20um×20um 정도의 크기로 제작이 가능하다. P-N 접합영역이 일반 발광 다이오드에 비해 1/100~200이므로 전류 밀도를 고려하면 각 화소의 발광 다이오드마다 구동 전류는 0.1~0.2mA 정도로 가능하고 0.35~0.7mW 범위의 소비 전력이 요구된다.

이러한 본 발명에 따른 발광 다이오드를 이용한 마이크로 칩 어레이 및 풀 칼라 표시 모듈은 소형, 내구성, 및 고 분해능 등의 특성으로 고해상도의 표시 능력을 가질 수 있다. 특히 최근의 각종 휴대용 정보 통신 및 정보처리 기기나 기기의 소형화에 따라 높은 에너지의 자외선 영역의 발광 다이오드를 이용하여 소자기술의 발전에 많은 파급 효과가 있을 것으로 기대된다.

Claims

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매트릭스 배열의 단위 화소를 가지는 기판,

상기 기판 위에 형성되어 있으며, GaN를 포함하는 버퍼층,

상기 버퍼층 위에 형성되어 있으며, 제1 도전형의 불순물로 도핑되어 있는 전자 생성층,

상기 전자 생성층 위에 형성되어 있으며, InGaN를 포함하는 활성층,

상기 활성층 위에 형성되어 있으며 제2 도전형의 불순물이 도핑되어 있는 AlGaN를 포함하는 제2 도전형 클래드층,

상기 제2 도전형 클래드층 위에 각각 형성되어 있으며, 제2 도전형의 불순물로 도핑되어 있는 정공 생성층,

상기 전자 생성층 위에 형성되어 있는 제1 패드,

상기 정공 생성층 위에 형성되어 있는 제2 패드,

상기 제1 패드를 통하여 상기 단위 화소의 상기 전자 생성층과 전기적으로 공통으로 연결되어 있는 제1 신호선,

상기 제1 신호선과 절연되어 교차하며, 상기 제2 패드를 통하여 상기 단위 화소의 상기 정공 생성층과 전기적으로 공통으로 연결되어 있는 제2 신호선,

상기 제1 및 제2 신호선 위에 소정의 순서로 도포되어 있는 적색, 녹색 및 청색의 형광체를 포함하고,

상기 적색, 녹색 및 청색의 형광체는 상기 단위 화소마다 별도로 형성되어 있으며, 소정의 순서로 배열되어 있는 마이크로 칩 어레이.
제6항에서,

상기 전자 생성층 또는 상기 정공 생성층은 GaN를 포함하는 마이크로 칩 어레이.
제6항에서,

상기 전자 생성층은 상기 화소의 열 방향으로 뻗어 있는 마이크로 칩 어레이.
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제6항에서,

상기 정공 생성층 위에 형성되어 있으며, 투명한 도전 물질로 이루어진 전극층을 더 포함하는 마이크로 칩 어레이.
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제6항에서,

상기 적색 형광체는 K(WO₄)_1.25:Eu,Sm 또는 Li(WO₄)_1.25:Eu,Sm 계열로 구성되거나,

상기 녹색 형광체는 (BaSr)₂SiO₄:Eu 계열로 구성되거나,

상기 청색 형광체는 (SrMg)₅(PO₄)₃Cl:Eu 또는 (SrBa)₅(PO₄)₃Cl:Eu 계열로 구성되어 있는 마이크로 칩 어레이.
제6항에서,

상기 화소의 크기는 40㎛×40㎛ 이하인 마이크로 칩 어레이.