KR101614370B1 - 반도체 발광소자, 반도체 발광소자의 이송 헤드, 및 반도체 발광소자를 이송하는 방법 - Google Patents

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장영학
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Abstract

본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로 특히, 상기 디스플레이 장치에 적용되는 반도체 발광소자, 반도체 발광소자의 이송 헤드, 및 반도체 발광소자를 이송하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체 발광소자를 이송하는 방법은, 캐리어 기판에 배치된 언도프된 반도체층을 구비하는 반도체 발광소자를 마주보도록 헤드 전극을 구비하는 이송 헤드(transfer head)를 위치시키는 단계와, 상기 이송 헤드의 헤드 전극과 상기 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층을 인접시키는 단계와, 정전력을 통하여 상기 언도프된 반도체층에 부착력이 가해지도록 상기 헤드 전극에 전압을 인가하는 단계, 및 상기 이송 헤드로 상기 반도체 발광소자를 픽업(pick up)하여 이송하는 단계를 포함한다.

Description

반도체 발광소자, 반도체 발광소자의 이송 헤드, 및 반도체 발광소자를 이송하는 방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE, TRANSFER HEAD OF THE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE, AND METHOD FOR TRANSFERRING THE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광소자, 반도체 발광소자의 이송 헤드, 및 반도체 발광소자를 이송하는 방법에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 박형, 플렉서블 등의 우수한 특성을 가지는 디스플레이 장치가 개발되고 있다. 이에 반해, 현재 상용화된 주요 디스플레이는 LCD(Liguid Crystal Display)와 AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes)로 대표되고 있다.
그러나, LCD의 경우에 빠르지 않은 반응 시간과, 플렉서블의 구현이 어렵다는 문제점이 존재하고, AMOLED의 경우에 수명이 짧고, 양산 수율이 좋지 않을 뿐 아니라 플렉서블의 정도가 약하다는 취약점이 존재한다.
한편, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다. 따라서, 상기 반도체 발광 소자를 이용하여 플렉서블 디스플레이를 구현하여, 상기의 문제점을 해결하는 방안이 제시될 수 있다.
그러나, 반도체 발광소자를 이용한 플렉서블 디스플레이의 경우에 웨이퍼 상에서 반도체 발광소자를 다량으로 성장시킨 후에 디스플레이의 화소에 해당하는 위치로 이송시키는 것이 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 기존에 대하여 여러가지 관점에서 효율적인 새로운 형태의 반도체 발광소자를 이송하는 방법과 함께, 이에 적합한 반도체 발광소자 및 이송 헤드에 대하여 제시한다.
본 발명의 일 목적은 보다 높은 신뢰성으로 반도체 발광소자를 이송할 수 있는 새로운 형태의 반도체 발광소자를 이송하는 방법을 제공하기 위한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 보다 높은 그립력을 구현하는 반도체 발광소자를 이송하는 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 목적은, 본 발명의 반도체 발광소자를 이송하는 방법에 적합한 반도체 발광소자 및 이송 헤드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극과, 상기 제1도전형 전극이 형성되는 제1도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극이 형성되는 일면을 구비하는 제2도전형 반도체층, 및 상기 제2도전형 반도체층의 타면에 형성되는 언도프된(Undoped) 반도체층을 포함한다. 상기 제2도전형 전극은 상기 제2도전형 반도체층의 일면에서 상기 언도프된 반도체층의 측면으로 연장되며, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층의 측면에서 돌출될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 언도프된 반도체층은 상기 제1도전형 전극으로부터 가장 먼 일면에 형성되는 홈들을 구비한다. 상기 홈들은 상기 제1도전형 전극으로부터 가장 먼 일면에서 텍스트를 형성하도록 식각될 수 있다.
또한, 본 발명은, 베이스 기판(base substrate)과, 상기 베이스 기판 상에서 돌출되는 돌출부, 및 반도체 발광소자의 언도프된(Undoped) 반도체층과 대전하여 정전력을 발생하도록, 상기 돌출부에 배치되는 헤드 전극을 포함하는 반도체 발광소자의 이송 헤드를 개시한다.
실시 예에 있어서, 상기 헤드 전극은 상기 언도프된 반도체층과 접촉하도록 외부로 노출될 수 있다. 상기 헤드 전극은 상기 돌출부에서 상기 베이스 기판과 가장 먼 상면과 오버랩되며, 상기 상면에서 외부로 노출되는 노출면을 구비할 수 있다.
실시 예에 있어서, 이송 헤드는 상기 돌출부를 덮도록 배치되며, 점착성을 가지는 유연 재질로 이루어지는 유연 점착층을 포함할 수 있다. 상기 헤드 전극과 상기 유연 점착층의 사이에는 유전막이 배치될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 베이스 기판에는 관통홀이 형성되고, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층에 진공에 의한 부착력을 부여하도록 상기 관통홀 내의 공기를 외부로 배출하도록 이루어지다. 이송 헤드는 상기 돌출부를 덮도록 배치되며, 점착성을 가지는 유연 재질로 이루어지는 유연 점착층을 포함하며, 상기 관통홀은 상기 유연 점착층을 관통하도록 연장될 수 있다.
또한 본 발명은, 캐리어 기판에 배치된 언도프된 반도체층을 구비하는 반도체 발광소자를 마주보도록 헤드 전극을 구비하는 이송 헤드(transfer head)를 위치시키는 단계와, 상기 이송 헤드의 헤드 전극과 상기 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층을 인접시키는 단계와, 정전력을 통하여 상기 언도프된 반도체층에 부착력이 가해지도록 상기 헤드 전극에 전압을 인가하는 단계, 및 상기 이송 헤드로 상기 반도체 발광소자를 픽업(pick up)하여 이송하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자를 이송하는 방법을 개시한다.
실시 예에 있어서, 상기 반도체 발광소자는 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 하나이고, 상기 반도체 발광소자들은 적색, 녹색 및 청색의 단위화소를 형성하도록 기판상에 릴리즈된다. 상기 캐리어 기판에는 상기 반도체 발광소자들이 순차적으로 배열되며, 상기 캐리어 기판에 배열된 반도체 발광소자들은 일부가 선택되어 픽업될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 캐리어 기판은 접착층을 구비하고, 상기 반도체 발광소자는 성장기판으로부터 상기 접착층으로 전사된다. 상기 언도프된 반도체층에서 상기 이송 헤드의 헤드 전극을 마주보는 면에는 홈들이 형성될 수 있다.
본 발명은 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층과 이송 헤드의 전극을 이용함에 따라 반도체 발광소자를 이송하는 방법에서 존슨뢰벡(Johnsen rahbek)형 정전 그립퍼가 적용될 수 있다. 이를 통하여 보다 높은 그립력으로 반도체 발광소자를 이송하는 방법 및 장치가 구현될 수 있다. 또한, 이를 통하여 보다 다양한 종류 점착 시트 상에 배치된 반도체 발광소자를 그립할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 진공을 이용한 그립력을 추가함에 따라, 보다 신뢰성 높은 이송을 구현할 뿐만 아니라, 가스 퍼지(gas purge) 기능으로 릴리즈(release)에 대한 제어도 할 수 있다.
또한, 본 발명은 유연 재질로 이루어지는 유연 점착층을 이용함에 따라, 평탄도가 낮은 면에 대하여도 높은 그립력을 부여할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 웨이퍼 상에서 반도체 발광소자를 다량으로 화소화시킨 후 기판으로 선택적으로 전사시키는 것이 용이하게 된다. 이를 통하여, 저렴한 비용으로 반도체 발광소자를 구비하는 플렉서블 디스플레이 장치를 제작하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 라인 B-B 및 C-C를 따라 취한 단면도들이다.
도 4는 도 3의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이다.
도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광 소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 7은 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 라인 D-D를 따라 취한 단면도이다.
도 9는 도 8의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 10은 새로운 구조의 반도체 발광소자가 적용된 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분의 확대도이다.
도 11a는 도 10의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이다.
도 11b는 도 11의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이다.
도 12는 도 11a의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 반도체 발광 소자를 이송하는 이송 헤드를 나타내는 단면도 및 사시도이다.
도 14는 도 13a의 이송 헤드를 이용하여 반도체 발광소자를 이송하는 동작을 나타내는 개념도이다.
도 15a, 도 15b, 도 15c, 도 15d, 도 15e, 도 15f 및 도 15g는 도 13a의 이송 헤드를 이용하여 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 16, 도 17 및 도 18은 발명의 반도체 발광 소자를 이송하는 이송 헤드의 다른 실시예들을 나타내는 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명되는 디스플레이 장치에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 피씨(Slate PC), Tablet PC, Ultra Book, 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터 등이 포함될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태이라도, 디스플레이가 가능한 장치에는 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도시에 의하면, 디스플레이 장치(100)의 제어부에서 처리되는 정보는 플렉서블 디스플레이(flexible display)를 이용하여 표시될 수 있다.
플렉서블 디스플레이는 외력에 의하여 휘어질 수 있는, 구부러질 수 있는, 비틀어질 수 있는, 접힐 수 있는, 말려질 수 있는 디스플레이를 포함한다. 예를 들어, 플렉서블 디스플레이는 기존의 평판 디스플레이의 디스플레이 특성을 유지하면서, 종이와 같이 휘어지거나, 구부리거나, 접을 수 있거나 말 수 있는 얇고 유연한 기판 위에 제작되는 디스플레이가 될 수 있다.
상기 플렉서블 디스플레이가 휘어지지 않는 상태(예를 들어, 무한대의 곡률반경을 가지는 상태, 이하 제1상태라 한다)에서는 상기 플렉서블 디스플레이의 디스플레이 영역이 평면이 된다. 상기 제1상태에서 외력에 의하여 휘어진 상태(예를 들어, 유한의 곡률반경을 가지는 상태, 이하, 제2상태라 한다)에서는 상기 디스플레이 영역이 곡면이 될 수 있다. 도시와 같이, 상기 제2상태에서 표시되는 정보는 곡면상에 출력되는 시각 정보가 될 수 있다. 이러한 시각 정보는 매트릭스 형태로 배치되는 단위 화소(sub-pixel)의 발광이 독자적으로 제어됨에 의하여 구현된다. 상기 단위 화소는 하나의 색을 구현하기 위한 최소 단위를 의미한다.
상기 플렉서블 디스플레이의 단위 화소는 반도체 발광 소자에 의하여 구현될 수 있다. 본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자의 일 종류로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 예시한다. 상기 발광 다이오드는 작은 크기로 형성되며, 이를 통하여 상기 제2상태에서도 단위 화소의 역할을 할 수 있게 된다.
이하, 상기 발광 다이오드를 이용하여 구현된 플렉서블 디스플레이에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 라인 B-B 및 C-C를 따라 취한 단면도들이며, 도 4는 도 3a의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이고, 도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광 소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 2, 도 3a 및 도 3b의 도시에 의하면, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(100)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(100)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다.
상기 디스플레이 장치(100)는 기판(110), 제1전극(120), 전도성 접착층(130), 제2전극(140) 및 복수의 반도체 발광 소자(150)를 포함한다.
기판(110)은 플렉서블 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 기판(110)은 유리나 폴리이미드(PI, Polyimide)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면, 예를 들어 PEN(Polyethylene Naphthalate), PET(Polyethylene Terephthalate) 등 어느 것이라도 사용될 수 있다. 또한, 상기 기판(110)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질 어느 것이나 될 수 있다.
상기 기판(110)은 제1전극(120)이 배치되는 배선기판이 될 수 있으며, 따라서 상기 제1전극(120)은 기판(110) 상에 위치할 수 있다.
도시에 의하면, 절연층(160)은 제1전극(120)이 위치한 기판(110) 상에 배치될 수 있으며, 상기 절연층(160)에는 보조전극(170)이 위치할 수 있다. 이 경우에, 상기 기판(110)에 절연층(160)이 적층된 상태가 하나의 배선기판이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연층(160)은 폴리이미드(PI, Polyimide), PET, PEN 등과 같이 절연성이 있고, 유연성 있는 재질로, 상기 기판(110)과 일체로 이루어져 하나의 기판을 형성할 수 있다.
보조전극(170)은 제1전극(120)과 반도체 발광 소자(150)를 전기적으로 연결하는 전극으로서, 절연층(160) 상에 위치하고, 제1전극(120)의 위치에 대응하여 배치된다. 예를 들어, 보조전극(170)은 닷(dot) 형태이며, 절연층(160)을 관통하는 전극홀(171)에 의하여 제1전극(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극홀(171)은 비아 홀에 도전물질이 채워짐에 의하여 형성될 수 있다.
본 도면들을 참조하면, 절연층(160)의 일면에는 전도성 접착층(130)이 형성되나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연층(160)과 전도성 접착층(130)의 사이에 특정 기능을 수행하는 레이어가 형성되거나, 절연층(160)이 없이 전도성 접착층(130)이 기판(110)상에 배치되는 구조도 가능하다. 전도성 접착층(130)이 기판(110)상에 배치되는 구조에서는 전도성 접착층(130)이 절연층의 역할을 할 수 있다.
상기 전도성 접착층(130)은 접착성과 전도성을 가지는 층이 될 수 있으며, 이를 위하여 상기 전도성 접착층(130)에서는 전도성을 가지는 물질과 접착성을 가지는 물질이 혼합될 수 있다. 또한 전도성 접착층(130)은 연성을 가지며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 플렉서블 기능을 가능하게 한다.
이러한 예로서, 전도성 접착층(130)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 상기 전도성 접착층(130)은 두께를 관통하는 Z 방향으로는 전기적 상호 연결을 허용하나, 수평적인 X-Y 방향으로는 전기절연성을 가지는 레이어로서 구성될 수 있다. 따라서 상기 전도성 접착층(130)은 Z축 전도층으로 명명될 수 있다(다만, 이하 '전도성 접착층'이라 한다).
상기 이방성 전도성 필름은 이방성 전도매질(anisotropic conductive medium)이 절연성 베이스부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정 부분만 이방성 전도매질에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이하, 상기 이방성 전도성 필름에는 열 및 압력이 가해지는 것으로 설명하나, 상기 이방성 전도성 필름이 부분적으로 전도성을 가지기 위하여 다른 방법도 가능하다. 이러한 방법은, 예를 들어 상기 열 및 압력 중 어느 하나만이 가해지거나 UV 경화 등이 될 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도매질은 예를 들어, 도전볼이나 전도성 입자가 될 수 있다. 도시에 의하면, 본 예시에서 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정부분만 도전볼에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이방성 전도성 필름은 전도성 물질의 코어가 폴리머 재질의 절연막에 의하여 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있으며, 이 경우에 열 및 압력이 가해진 부분이 절연막이 파괴되면서 코어에 의하여 도전성을 가지게 된다. 이때, 코어의 형태는 변형되어 필름의 두께방향으로 서로 접촉하는 층을 이룰 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 열 및 압력은 이방성 전도성 필름에 전체적으로 가해지며, 이방성 전도성 필름에 의하여 접착되는 상대물의 높이차에 의하여 Z축 방향의 전기적 연결이 부분적으로 형성된다.
다른 예로서, 이방성 전도성 필름은 절연 코어에 전도성 물질이 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있다. 이 경우에는 열 및 압력이 가해진 부분이 전도성 물질이 변형되어(눌러 붙어서) 필름의 두께방향으로 전도성을 가지게 된다. 또 다른 예로서, 전도성 물질이 Z축 방향으로 절연성 베이스 부재를 관통하여 필름의 두께방향으로 전도성을 가지는 형태도 가능하다. 이 경우에, 전도성 물질은 뽀족한 단부를 가질 수 있다.
도시에 의하면, 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재의 일면에 삽입된 형태로 구성되는 고정배열 이방성 전도성 필름(fixed array ACF)가 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연성 베이스부재는 접착성을 가지는 물질로 형성되며, 도전볼은 상기 절연성 베이스부재의 바닥부분에 집중적으로 배치되며, 상기 베이스부재에서 열 및 압력이 가해지면 상기 도전볼과 함께 변형됨에 따라 수직방향으로 전도성을 가지게 된다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 이방성 전도성 필름은 절연성 베이스부재에 도전볼이 랜덤하게 혼입된 형태나, 복수의 층으로 구성되며 어느 한 층에 도전볼이 배치되는 형태(double-ACF) 등이 모두 가능하다.
이방성 전도 페이스트는 페이스트와 도전볼의 결합형태로서, 절연성 및 접착성의 베이스 물질에 도전볼이 혼합된 페이스트가 될 수 있다. 또한, 전도성 입자를 함유한 솔루션은 전도성 particle 혹은 nano 입자를 함유한 형태의 솔루션이 될 수 있다.
다시 도면을 참조하면, 제2전극(140)은 보조전극(170)과 이격하여 절연층(160)에 위치한다. 즉, 상기 전도성 접착층(130)은 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 위치하는 절연층(160) 상에 배치된다.
절연층(160)에 보조전극(170)과 제2전극(140)이 위치된 상태에서 전도성 접착층(130)을 형성한 후에, 반도체 발광 소자(150)를 열 및 압력을 가하여 플립 칩 형태로 접속시키면, 상기 반도체 발광 소자(150)는 제1전극(120) 및 제2전극(140)과 전기적으로 연결된다.
도 4를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 발광 소자는 p형 전극(156), p형 전극(156)이 형성되는 p형 반도체층(155), p형 반도체층(155) 상에 형성된 활성층(154), 활성층(154) 상에 형성된 n형 반도체층(153) 및 n형 반도체층(153) 상에서 p형 전극(156)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(152)을 포함한다. 이 경우, p형 전극(156)은 보조전극(170)과 전도성 접착층(130)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, n형 전극(152)은 제2전극(140)과 전기적으로 연결될 수 있다.
다시 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 보조전극(170)은 일방향으로 길게 형성되어, 하나의 보조전극이 복수의 반도체 발광 소자(150)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 보조전극을 중심으로 좌우의 반도체 발광 소자들의 p형 전극들이 하나의 보조전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 열 및 압력에 의하여 전도성 접착층(130)의 내부로 반도체 발광 소자(150)가 압입되며, 이를 통하여 반도체 발광 소자(150)의 p형 전극(156)과 보조전극(170) 사이의 부분과, 반도체 발광 소자(150)의 n형 전극(152)과 제2전극(140) 사이의 부분에서만 전도성을 가지게 되고, 나머지 부분에서는 반도체 발광 소자의 압입이 없어 전도성을 가지지 않게 된다. 이와 같이, 전도성 접착층(130)은 반도체 발광 소자(150)와 보조전극(170) 사이 및 반도체 발광 소자(150)와 제2전극(140) 사이를 상호 결합시켜줄 뿐만 아니라 전기적 연결까지 형성시킨다.
또한, 복수의 반도체 발광 소자(150)는 발광 소자 어레이(array)를 구성하며, 발광 소자 어레이에는 형광체층(180)이 형성된다.
발광 소자 어레이는 자체 휘도값이 상이한 복수의 반도체 발광 소자들을 포함할 수 있다. 각각의 반도체 발광 소자(150)는 단위 화소를 구성하며, 제1전극(120)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 제1전극(120)은 복수 개일 수 있고, 반도체 발광 소자들은 예컨대 수 열로 배치되며, 각 열의 반도체 발광 소자들은 상기 복수 개의 제1전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 반도체 발광 소자들이 플립 칩 형태로 접속되므로, 투명 유전체 기판에 성장시킨 반도체 발광 소자들을 이용할 수 있다. 또한, 상기 반도체 발광 소자들은 예컨대 질화물 반도체 발광 소자일 수 있다. 반도체 발광 소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광 소자(150)의 사이에 격벽(190)이 형성될 수 있다. 이 경우, 격벽(190)은 개별 단위 화소를 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 전도성 접착층(130)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 반도체 발광 소자(150)가 삽입됨에 의하여 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 상기 격벽을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 블랙이면, 별도의 블랙 절연체가 없어도 상기 격벽(190)이 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)가 증가될 수 있다.
다른 예로서, 상기 격벽(190)으로 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 이 경우에, 상기 격벽(190)은 디스플레이 장치의 목적에 따라 블랙(Black) 또는 화이트(White) 절연체를 포함할 수 있다. 화이트 절연체의 격벽을 이용할 경우 반사성을 높이는 효과가 있을 수 있고, 블랙 절연체의 격벽을 이용할 경우, 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)를 증가시킬 수 있다.
형광체층(180)은 반도체 발광 소자(150)의 외면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 형광체층(180)은 상기 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키는 기능을 수행한다. 상기 형광체층(180)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(181) 또는 녹색 형광체(182)가 될 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(151) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(181)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(151) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(182)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(151)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다. 보다 구체적으로, 제1전극(120)의 각 라인을 따라 하나의 색상의 형광체가 적층될 수 있다. 따라서, 제1전극(120)에서 하나의 라인은 하나의 색상을 제어하는 전극이 될 수 있다. 즉, 제2전극(140)을 따라서, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)이 차례로 배치될 수 있으며, 이를 통하여 단위 화소가 구현될 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 형광체 대신에 반도체 발광 소자(150)와 퀀텀닷(QD)이 조합되어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들을 구현할 수 있다.
또한, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체층들의 사이에는 블랙 매트릭스(191)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(191)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 각각의 반도체 발광 소자(150)는 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색을 비롯한 다양한 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다.
이 경우, 반도체 발광 소자(150)는 각각 단위 화소(sub-pixel)를 이루기 위하여 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자일 수 있다. 예컨대, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자(R, G, B)가 교대로 배치되고, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자에 의하여 적색(Red), 녹색(Green) 및 청색(Blue)의 단위 화소들이 하나의 화소(pixel)를 이루며, 이를 통하여 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 반도체 발광 소자는 황색 형광체층이 개별 소자마다 구비된 백색 발광 소자(W)를 구비할 수 있다. 이 경우에는, 단위 화소를 이루기 위하여, 백색 발광 소자(W) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비될 수 있다. 또한, 이러한 백색 발광 소자(W) 상에 적색, 녹색, 및 청색이 반복되는 컬러 필터를 이용하여 단위 화소를 이룰 수 있다.
도 5c를 참조하면, 자외선 발광 소자(UV) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비되는 구조도 가능하다. 이와 같이, 반도체 발광 소자는 가시광선뿐만 아니라 자외선(UV)까지 전영역에 사용가능하며, 자외선(UV)이 상부 형광체의 여기원(excitation source)으로 사용가능한 반도체 발광 소자의 형태로 확장될 수 있다.
본 예시를 다시 살펴보면, 반도체 발광 소자(150)는 전도성 접착층(130) 상에 위치되어, 디스플레이 장치에서 단위 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 화소를 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광 소자(150)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 직사각형인 경우에는 20X80㎛ 이하의 크기가 될 수 있다.
또한, 한 변의 길이가 10㎛인 정사각형의 반도체 발광 소자(150)를 단위 화소로 이용하여도 디스플레이 장치를 이루기 위한 충분한 밝기가 나타난다. 따라서, 단위 화소의 크기가 한 변이 600㎛, 나머지 한변이 300㎛인 직사각형 화소인 경우를 예로 들면, 반도체 발광 소자의 거리가 상대적으로 충분히 크게 된다. 따라서, 이러한 경우, HD화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있게 된다.
상기에서 설명된 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치는 새로운 형태의 제조방법에 의하여 제조될 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여 상기 제조방법에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
본 도면을 참조하면, 먼저, 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 위치된 절연층(160) 상에 전도성 접착층(130)을 형성한다. 제1기판(110)에 절연층(160)이 적층되어 하나의 기판(또는 배선기판)을 형성하며, 상기 배선기판에는 제1전극(120), 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 배치된다. 이 경우에, 제1전극(120)과 제2전극(140)은 상호 직교 방향으로 배치될 수 있다. 또한, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 제1기판(110) 및 절연층(160)은 각각 유리 또는 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다.
상기 전도성 접착층(130)은 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 의하여 구현될 수 있으며, 이를 위하여 절연층(160)이 위치된 기판에 이방성 전도성 필름이 도포될 수 있다.
다음에, 보조전극(170) 및 제2전극(140)들의 위치에 대응하고, 개별 화소를 구성하는 복수의 반도체 발광 소자(150)가 위치된 제2기판(112)을 상기 반도체 발광 소자(150)가 보조전극(170) 및 제2전극(140)와 대향하도록 배치한다.
이 경우에, 제2기판(112)은 반도체 발광 소자(150)를 성장시키는 성장 기판으로서, 사파이어(spire) 기판 또는 실리콘(silicon) 기판이 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자는 웨이퍼(wafer) 단위로 형성될 때, 디스플레이 장치를 이룰 수 있는 간격 및 크기를 가지도록 함으로써, 디스플레이 장치에 효과적으로 이용될 수 있다.
그 다음에, 배선기판과 제2기판(112)을 열압착한다. 예를 들어, 배선기판과 제2기판(112)은 ACF press head 를 적용하여 열압착될 수 있다. 상기 열압착에 의하여 배선기판과 제2기판(112)은 본딩(bonding)된다. 열압착에 의하여 전도성을 갖는 이방성 전도성 필름의 특성에 의해 반도체 발광 소자(150)와 보조전극(170) 및 제2전극(140)의 사이의 부분만 전도성을 가지게 되며, 이를 통하여 전극들과 반도체 발광소자(150)는 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때에, 반도체 발광 소자(150)가 상기 이방성 전도성 필름의 내부로 삽입되며, 이를 통하여 반도체 발광 소자(150) 사이에 격벽이 형성될 수 있다.
그 다음에, 상기 제2기판(112)을 제거한다. 예를 들어, 제2기판(112)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다.
마지막으로, 상기 제2기판(112)을 제거하여 반도체 발광 소자들(150)을 외부로 노출시킨다. 필요에 따라, 반도체 발광 소자(150)가 결합된 배선기판 상을 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 코팅하여 투명 절연층(미도시)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 반도체 발광 소자(150)의 일면에 형광체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 적색 형광체 또는 녹색 형광체가 상기 청색 반도체 발광 소자의 일면에 레이어를 형성할 수 있다.
이상에서 설명된 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법이나 구조는 여러가지 형태로 변형될 수 있다. 그 예로서, 상기에서 설명된 디스플레이 장치에는 수직형 반도체 발광 소자도 적용될 수 있다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 수직형 구조에 대하여 설명한다.
또한, 이하 설명되는 변형예 또는 실시예에서는 앞선 예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.
도 7은 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 일 실시예를 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7의 라인 D-D를 따라 취한 단면도이며, 도 9은 도 8의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
본 도면들을 참조하면, 디스플레이 장치는 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 수직형 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치가 될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 기판(210), 제1전극(220), 전도성 접착층(230), 제2전극(240) 및 복수의 반도체 발광 소자(250)를 포함한다.
기판(210)은 제1전극(220)이 배치되는 배선기판으로서, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능할 것이다.
제1전극(220)은 기판(210) 상에 위치하며, 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 상기 제1전극(220)은 데이터 전극의 역할을 하도록 이루어질 수 있다.
전도성 접착층(230)은 제1전극(220)이 위치하는 기판(210)상에 형성된다. 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치와 같이, 전도성 접착층(230)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 다만, 본 실시예에서도 이방성 전도성 필름에 의하여 전도성 접착층(230)이 구현되는 경우를 예시한다.
기판(210) 상에 제1전극(220)이 위치하는 상태에서 이방성 전도성 필름을 위치시킨 후에, 반도체 발광 소자(250)를 열 및 압력을 가하여 접속시키면, 상기 반도체 발광 소자(250)가 제1전극(220)과 전기적으로 연결된다. 이 때, 상기 반도체 발광 소자(250)는 제1전극(220) 상에 위치되도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 전기적 연결은 전술한 바와 같이, 이방성 전도성 필름에서 열 및 압력이 가해지면 부분적으로 두께방향으로 전도성을 가지기 때문에 생성된다. 따라서, 이방성 전도성 필름에서는 두께방향으로 전도성을 가지는 부분(231)과 전도성을 가지지 않는 부분(232)으로 구획된다.
또한, 이방성 전도성 필름은 접착 성분을 함유하기 때문에, 전도성 접착층(230)은 반도체 발광 소자(250)와 제1전극(220) 사이에서 전기적 연결뿐만 아니라 기계적 결합까지 구현한다.
이와 같이, 반도체 발광 소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광 소자(250)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 직사각형인 경우에는 20X80㎛ 이하의 크기가 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자(250)는 수직형 구조가 될 수 있다.
수직형 반도체 발광 소자들의 사이에는, 제1전극(220)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되고, 수직형 반도체 발광 소자(250)와 전기적으로 연결된 복수의 제2전극(240)이 위치한다.
도 9를 참조하면, 이러한 수직형 반도체 발광 소자는 p형 전극(256), p형 전극(256) 상에 형성된 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층(254), 활성층(254)상에 형성된 n형 반도체층(253) 및 n형 반도체층(253) 상에 형성된 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(256)은 제1전극(220)과 전도성 접착층(230)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(252)은 후술하는 제2전극(240)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광 소자(250)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다시 도 8을 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(250)의 일면에는 형광체층(280)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(250)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자(251)이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 형광체층(280)이 구비될 수 있다. 이 경우에, 형광체층(280)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(281) 및 녹색 형광체(282) 일 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(251) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(281)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(251) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(282)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(251)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치에서 전술한 바와 같이, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
다시 본 실시예를 살펴보면, 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250) 사이에 위치하고, 반도체 발광 소자들(250)과 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 반도체 발광 소자들(250)은 복수의 열로 배치되고, 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250)의 열들 사이에 위치할 수 있다.
개별 화소를 이루는 반도체 발광 소자(250) 사이의 거리가 충분히 크기 때문에 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250) 사이에 위치될 수 있다.
제2전극(240)은 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있으며, 제1전극과 상호 수직한 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 제2전극(240)과 반도체 발광 소자(250)는 제2전극(240)에서 돌출된 연결 전극에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 연결 전극이 반도체 발광 소자(250)의 n형 전극이 될 수 있다. 예를 들어, n형 전극은 오믹(ohmic) 접촉을 위한 오믹 전극으로 형성되며, 상기 제2전극은 인쇄 또는 증착에 의하여 오믹 전극의 적어도 일부를 덮게 된다. 이를 통하여 제2전극(240)과 반도체 발광 소자(250)의 n형 전극이 전기적으로 연결될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 상에 위치될 수 있다. 경우에 따라, 반도체 발광 소자(250)가 형성된 기판(210) 상에 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 포함하는 투명 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 투명 절연층이 형성된 후에 제2전극(240)을 위치시킬 경우, 상기 제2전극(240)은 투명 절연층 상에 위치하게 된다. 또한, 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 또는 투명 절연층에 이격되어 형성될 수도 있다.
만약 반도체 발광 소자(250) 상에 제2전극(240)을 위치시키기 위하여는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극을 사용한다면, ITO 물질은 n형 반도체층과는 접착성이 좋지 않은 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 반도체 발광 소자(250) 사이에 제2전극(240)을 위치시킴으로써, ITO와 같은 투명 전극을 사용하지 않아도 되는 이점이 있다. 따라서, 투명한 재료 선택에 구속되지 않고, n형 반도체층과 접착성이 좋은 전도성 물질을 수평 전극으로 사용하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광 소자(250) 사이에는 격벽(290)이 위치할 수 있다. 즉, 개별 화소를 이루는 반도체 발광 소자(250)를 격리시키기 위하여 수직형 반도체 발광 소자(250) 사이에는 격벽(290)이 배치될 수 있다. 이 경우, 격벽(290)은 개별 단위 화소를 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 상기 전도성 접착층(230)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 반도체 발광 소자(250)가 삽입됨에 의하여 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 상기 격벽을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도성 필름의 베이스 부재가 블랙이면, 별도의 블랙 절연체가 없어도 상기 격벽(290)이 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)가 증가될 수 있다.
다른 예로서, 상기 격벽(190)으로서, 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 격벽(290)은 디스플레이 장치의 목적에 따라 블랙(Black) 또는 화이트(White) 절연체를 포함할 수 있다.
만일 제2전극(240)이 반도체 발광 소자(250) 사이의 전도성 접착층(230) 상에 바로 위치된 경우, 격벽(290)은 수직형 반도체 발광 소자(250) 및 제2전극(240)의 사이사이에 위치될 수 있다. 따라서, 반도체 발광 소자(250)를 이용하여 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있고, 반도체 발광 소자(250)의 거리가 상대적으로 충분히 크게 되어 제2전극(240)을 반도체 발광 소자(250) 사이에 위치시킬 수 있고, HD 화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있는 효과가 있게 된다.
또한, 도시에 의하면, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체 사이에는 블랙 매트릭스(291)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(291)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
상기 설명과 같이, 반도체 발광 소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 따라서, 반도체 발광 소자에 의하여 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이루는 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다.
상기에서 설명된 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에는 플립 칩 타입이 적용된 경우에는 동일평면상에 제1 및 제2전극이 배치되므로 고정세(파인 피치)의 구현이 어려운 문제가 있다. 이하, 이러한 문제를 해결할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플립 칩 타입의 발광소자가 적용된 디스플레이 장치에 대하여 설명한다.
도 10은 새로운 구조의 반도체 발광소자가 적용된 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분의 확대도이고, 도 11a는 도 10의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이며, 도 11b는 도 11의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이고, 도 12는 도 11a의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이다.
도 10, 도 11a 및 도 11b의 도시에 의하면, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다.
디스플레이 장치(1000)는 기판(1010), 제1전극(1020), 전도성 접착층(1030), 제2전극(1040) 및 복수의 반도체 발광 소자(1050)를 포함한다. 여기에서, 제1 전극(1020) 및 제2 전극(1040)은 각각 복수의 전극 라인들을 포함할 수 있다.
기판(1010)은 제1전극(1020)이 배치되는 배선기판으로서, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능할 것이다.
제1전극(1020)은 기판(1010) 상에 위치하며, 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 상기 제1전극(1020)은 데이터 전극의 역할을 하도록 이루어질 수 있다.
전도성 접착층(1030)은 제1전극(1020)이 위치하는 기판(1010)상에 형성된다. 전술한 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치와 같이, 전도성 접착층(1030)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 다만, 본 실시예에서 상기 전도성 접착층(1030)은 접착층으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1전극(1020)이 기판(1010)상에 위치하지 않고, 반도체 발광소자의 도전형 전극과 일체로 형성된다면, 접착층은 전도성이 필요없게 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자들의 사이에는, 제1전극(1020)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되고, 상기 반도체 발광 소자(1050)와 전기적으로 연결된 복수의 제2전극(1040)이 위치한다.
도시에 의하면, 상기 제2전극(1040)은 전도성 접착층(1030) 상에 위치될 수 있다. 즉, 전도성 접착층(1030)은 배선기판과 제2전극(1040)의 사이에 배치된다. 상기 제2전극(1040)은 상기 반도체 발광 소자(1050)와 접촉에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
상기에서 설명된 구조에 의하여, 복수의 반도체 발광 소자(1050)는 상기 전도성 접착층(1030)에 결합 되며, 제1전극(1020) 및 제2전극(1040)과 전기적으로 연결된다.
경우에 따라, 반도체 발광 소자(1050)가 형성된 기판(1010) 상에 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 포함하는 투명 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 투명 절연층이 형성된 후에 제2전극(1040)을 위치시킬 경우, 상기 제2전극(1040)은 투명 절연층 상에 위치하게 된다. 또한, 제2전극(1040)은 전도성 접착층(1030) 또는 투명 절연층에 이격 되어 형성될 수도 있다.
도시와 같이, 복수의 반도체 발광소자(1050)는 제1전극(1020)에 구비되는 복수의 전극 라인들과 나란한 방향으로 복수의 열들을 형성할 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 반도체 발광소자(1050)는 제2전극(1040)을 따라 복수의 열들을 형성할 수 있다.
나아가, 디스플레이 장치(1000)는, 복수의 반도체 발광소자(1050)의 일면에 형성되는 형광체층(1080)을 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(1050)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 형광체층(1080)은 상기 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키는 기능을 수행한다. 상기 형광체층(1080)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(1081) 또는 녹색 형광체(1082)가 될 수 있다. 즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(1051a) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(1081)가 적층 될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(1051b) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(1082)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(1051c)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다. 보다 구체적으로, 제1전극(1020)의 각 라인을 따라 하나의 색상의 형광체가 적층 될 수 있다. 따라서, 제1전극(1020)에서 하나의 라인은 하나의 색상을 제어하는 전극이 될 수 있다. 즉, 제2전극(1040)을 따라서, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)이 차례로 배치될 수 있으며, 이를 통하여 단위 화소가 구현될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 형광체 대신에 반도체 발광 소자(1050)와 퀀텀닷(QD)이 조합되어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)을 발광하는 단위 화소를 구현할 수 있다.
한편, 이러한 형광체층(1080)의 대비비(Contrast) 향상을 위하여 디스플레이 장치는 각각의 형광체들의 사이에 배치되는 블랙 매트릭스(1091)를 더 포함할 수 있다. 상기 블랙 매트릭스(1091)는 형광체 도트 사이에 갭을 만들고, 흑색 물질이 상기 갭을 채우는 형태로 형성될 수 있다. 이를 통하여 블랙 매트릭스(1091)는 외광반사를 흡수함과 동시에 명암의 대조를 향상시킬 수 있다. 이러한 블랙 매트릭스(1091)는, 형광체층(1080)이 적층된 방향인 제1전극(1020)을 따라 각각의 형광체층들의 사이에 위치한다. 이 경우에, 청색 반도체 발광 소자(1051)에 해당하는 위치에는 형광체층이 형성되지 않으나, 블랙 매트릭스(1091)는 상기 형광체층이 없는 공간을 사이에 두고(또는 청색 반도체 발광 소자(1051c)를 사이에 두고) 양측에 각각 형성될 수 있다.
다시, 본 예시의 반도체 발광소자(1050)를 살펴보면, 본 예시에서 반도체 발광 소자(1050)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다. 다만, 전극이 상/하로 배치되나, 본 발명의 반도체 발광소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
도 12를 참조하면, 예를 들어, 상기 반도체 발광 소자(1050)는 제1도전형 전극(1156)과, 제1도전형 전극(1156)이 형성되는 제1도전형 반도체층(1155)과, 제1도전형 반도체층(1155) 상에 형성된 활성층(1154)과, 상기 활성층(1154) 상에 형성된 제2도전형 반도체층(1153) 및 제2도전형 반도체층(1153)에 형성되는 제2도전형 전극(1152)을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 제1도전형 전극(1156) 및 제1도전형 반도체층(1155)은 각각 p형 전극 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 전극(1152) 및 제2도전형 반도체층(1153)은 각각 n형 전극 및 n형 반도체층이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 n형이 되고 제2도전형이 p형이 되는 예시도 가능하다.
보다 구체적으로, 상기 제1도전형 전극(1156)은 상기 제1도전형 반도체층(1155)의 일면에 형성되며, 상기 활성층(1154)은 상기 제1도전형 반도체층(1155)의 타면과 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 일면의 사이에 형성되고, 상기 제2도전형 전극(1152)은 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 일면에 형성된다.
이 경우에, 상기 제2도전형 전극은 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 일면에 배치되며, 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 타면에는 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)이 형성될 수 있다.
도 12를 도 10 내지 도 11b와 함께 참조하면, 상기 제2도전형 반도체층의 일면은 상기 배선기판에 가장 가까운 면이 될 수 있고, 상기 제2도전형 반도체층의 타면은 상기 배선기판에 가장 먼 면이 될 수 있다.
또한, 상기 제1도전형 전극(1156) 및 제2도전형 전극(1152)은 반도체 발광소자의 폭방향을 따라 이격된 위치에서 각각 상기 폭방향과 수직방향(또는 두께방향)으로 서로 높이차를 가지도록 이루어진다.
상기 높이차를 이용하여 상기 제2도전형 전극(1152)은 상기 제2도전형 반도체층(1153)에 형성되나, 반도체 발광소자의 상측에 위치하는 상기 제2전극(1040)과 인접하게 배치된다.
이 경우에, 상기 제2도전형 전극(1152)은 적어도 일부가 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 일면에서 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)의 측면으로 연장되며, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)의 측면에서 돌출될 수 있다.
이와 같이, 제2도전형 전극(1152)이 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)의 측면에서 돌출되기에, 상기 제2도전형 전극(1152)은 반도체 발광소자의 상측으로 노출될 수 있다. 이를 통하여, 상기 제2도전형 전극(1152)은 전도성 접착층(1030)의 상측에 배치되는 상기 제2전극(1040)과 오버랩되는 위치에 배치된다.
보다 구체적으로, 반도체 발광 소자는 상기 제2도전형 전극(1152)에서 연장되며, 상기 복수의 반도체 발광 소자의 측면에서 돌출되는 돌출부(1152a)를 구비한다. 이 경우에, 상기 돌출부(1152a)를 기준으로 보면, 상기 제1도전형 전극(1156) 및 제2도전형 전극(1152)은 상기 돌출부(1152a)의 돌출방향을 따라 이격된 위치에서 배치되며, 상기 돌출방향과 수직한 방향으로 서로 높이차를 가지도록 형성되는 것으로 표현될 수 있다.
상기 돌출부(1152a)는 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 일면에서 측면으로 연장되며, 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 상면으로, 보다 구체적으로는 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)으로 연장된다. 상기 돌출부(1152a)는 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)의 측면에서 상기 폭방향을 따라 돌출된다. 따라서, 상기 돌출부(1152a)는 상기 제2도전형 반도체층을 기준으로 상기 제1도전형 전극의 반대측에서 상기 제2전극(1040)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 돌출부(1152a)를 구비하는 구조는, 전술한 수평형 반도체 발광소자와 수직형 반도체 발광소자의 장점을 이용할 수 있는 구조가 될 수 있다.
한편, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)은 상기 제1도전형 전극(1156)으로부터 가장 먼 일면에 형성되는 홈들(1157)을 구비할 수 있다. 상기 홈들(1157)은 상기 제1도전형 전극(1156)으로부터 가장 먼 일면에서 텍스트를 형성(textured)하도록 식각될 수 있다. 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)에 홈을 식각함에 따라, 본 발명에 의하면 상기 반도체 발광소자의 면상에 텍스처링이 가능하게 된다.
상기에서 설명된 반도체 발광소자는 디스플레이 장치의 제조시에, 이송 헤드에 의하여 이송될 수 있다. 이에, 본 발명에서는, 상기 반도체 발광소자를 이송하는 새로운 구조의 이송 헤드를 제시한다. 상기 새로운 구조의 이송 헤드는 존슨-라벡형으로 언도프된 반도체층에 직접 대전하는 방식으로 높은 정전력을 구현한다.
이하, 본 발명의 반도체 발광소자를 이송하는 이송 헤드의 구조에 대하여 첨부된 도면과 함께 상세하게 살펴본다. 도 13a 및 도 13b는 본 발명의 반도체 발광 소자를 이송하는 이송 헤드를 나타내는 단면도 및 사시도이며, 도 14는 도 13a의 이송 헤드를 이용하여 반도체 발광소자를 이송하는 동작을 나타내는 개념도이다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 이송 헤드(2000)는 언도프된 반도체층(1153a)을 직접 대전하도록 이루어진다. 보다 구체적으로, 이송 헤드(2000)는 언도프된 반도체층(1153a)의 표면에 접촉하고, 전압을 인가하여, 상기 언도프된 반도체층(1153a)의 대전을 유도하며, 이를 통하여 발생하는 정전력을 이용하여 반도체 발광소자(1050)를 픽업하도록 이루어진다.
이러한 예로서, 상기 이송 헤드(2000)는 베이스 기판(base substrate, 2010), 돌출부(2020) 및 헤드 전극(2030)을 구비한다.
베이스 기판(2010)은, 예를 들어 실리콘, 세라믹 및 중합체와 같은 다양한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 상기 베이스 기판(2010)에는 이송 헤드(2000)를 제어하는 전자 장치에 연결하기 위한 배선(미도시)이 포함될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 돌출부(2020)는 상기 베이스 기판(2010)에서 돌출된다.
보다 구체적으로, 상기 돌출부(2020)는 상부 표면(2021)과 측벽들(2022)을 포함하는 메사 구조로 이루어지며, 상기 베이스 기판(2010)과 동일하거나 상이한 재료로 형성될 수 있다. 상기 메사 구조는 마이크로 구조로서, 100 마이크로미터 이하의 크기(폭이나 높이)로 이루어진다. 또한, 상기 돌출부(2020)는 상기 베이스 기판(2010)으로부터 멀어지는 방향으로 돌출하여, 픽업 작업 중 특정 반도체 발광소자를 픽업하기 위한 접점(contact point)을 제공한다.
또한, 상기 돌출부(2020)는, 예를 들어 에칭에 의하여 상기 베이스 기판의 일부를 제거함에 따라 형성되어, 상기 베이스 기판(2010)과 일체화될 수 있다. 다른 예로서, 상기 돌출부(2020)는, 상기 베이스 기판(2010)의 상부 상에 부착되거나 성장되고 패턴화될 수 있다. 한편, 상기 돌출부(2020)는, 실리콘과 같은 반도체 기판 위에 형성된 이산화규소와 같은 패턴화된 산화물층이 될 수 있다.
상기 헤드 전극(2030)은 반도체 발광소자의 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)과 대전하여 정전력을 발생하도록, 상기 돌출부(2020)에 배치된다. 이 경우에, 본 도면에 도시되지 않았지만, 상기 돌출부(2020)와 상기 헤드 전극(2030)의 사이에는 산화 규소나 산화 알루미늄으로 이루어지는 패시베이션층(passivation layer)이 형성될 수 있다.
도시에 의하면, 전도성 층이 돌출부(2020) 또는 패시베이션층 위에 부착되고, 상기 헤드 전극(2030)을 형성하기 위하여 패턴화될 수 있다. 나아가, 상기 전도성 층은 전극 리드들(2031)을 상기 헤드 전극(2030)과 함께 형성할 수 있다. 상기 전극 리드들(2031)은 상기 헤드 전극(2030)으로부터 상기 돌출부(2020)의 상부 표면(2021)과 측벽(2022)을 따라 이어질 수 있다. 상기 헤드 전극(2030) 및 전극 리드들(2031)은 금속, 금속 합금, 내화 금속 및 내화 금속 합금 등과 같은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 헤드 전극(2030)은 티타늄, 백금, 은, 크롬 등의 재질로 이루어지며, 폭이나 높이가 100 마이크로미터 이하인 전극이 될 수 있다.
본 예시에서, 상기 헤드 전극(2030)은 상기 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층(1153a)과 접촉하도록 외부로 노출된다. 보다 구체적으로, 상기 헤드 전극(2030)은 상기 돌출부(2020)에서 상기 베이스 기판(2010)과 가장 먼 상면과 오버랩되며, 상기 상면에서 외부로 노출되는 노출면을 구비한다. 상기 노출면은 상기 반도체 발광소자의 픽업을 위하여, 상기 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층(1153a)과 직접 접촉할 수 있으며, 상기 이송 헤드의 상부 표면(2021)이 될 수 있다.
이 경우에, 상기 헤드 전극(2030)은 상기 돌출부(2020) 상에서 한 쌍으로 구비되며, 이에 대응하여 상기 전극 리드들(2031)도 한 쌍으로 구비될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 헤드 전극은 단일 전극으로 형성될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 돌출부(2020) 상에서 제1헤드 전극(2030a) 및 제2헤드 전극(2030b)은 서로 이격 배치될 수 있다. 제1 전극 리드(2031a) 및 제2 전극 리드(2031b)는 상기 돌출부의 측벽(2022)을 따라 상부 표면(2021) 상에 배치된 전극으로 이어질 수 있다. 또한, 상기 제1헤드 전극(2030a) 및 제2헤드 전극(2030b)에 전압을 인가하는 교류 전압원은, 음 전압을 제1헤드 전극(2030a)에 인가하는 시점에 양 전압을 제2헤드 전극(2030b)에 인가하고, 반대로도 전압이 부여하도록 제어될 수 있다.
구체적인 동작방법으로서, 도 14를 참조하면, 그립해야 할 반도체 발광소자의 위에 이송 헤드를 맞추어 얼라인한 다음에, 헤드 전극(2030)과 상기 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층(1153a)을 접촉한다.
이 후에, 정전력을 일으키는 전압을 인가하여 반도체 발광소자를 헤드 전극에 부착한 후에 상기 반도체 발광소자를 픽업한다. 마지막으로, 옮기고자 하는 장소까지 이송 헤드를 이동한 후에, 역 bias를 인가한 후에 bias를 멈추어 반도체 발광소자를 내려둔 다음에 헤드만 들어올린다.
상기에서 설명된 이송 헤드의 구조에 의하면, 존슨-라벡형을 이용하여 언도프된 반도체층을 구비한 반도체 발광소자에 직접 대전하는 방식으로 반도체 발광소자의 픽업이 가능하게 된다.
이하에서는, 도 12를 참조하여 전술한 반도체 발광 소자를 도 13a를 참조하여 전술한 이송 헤드를 이용하여, 반도체 발광소자를 구비하는 디스플레이 장치를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
도 15a, 도 15b, 도 15c, 도 15d, 도 15e, 도 15f 및 도 15g는 도 13a의 이송 헤드를 이용하여 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
먼저, 제조방법에 의하면, 기판에 복수의 반도체 발광 소자들을 결합하는 단계가 진행된다. 예를 들어, 성장기판에 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 성장시키고, 식각을 통하여 각 반도체 발광소자를 생성한 후에 제1도전형 전극(1156)과 제2도전형 전극(1152)을 형성한다(도 15a).
성장기판(1101)(웨이퍼)은 광 투과적 성질을 가지는 재질, 예를 들어 사파이어(Al2O3), GaN, ZnO, AlO 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 성장기판(1101)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하여 예를 들어, 사파이어(Al2O3) 기판에 비해 열전도성이 큰 SiC 기판 또는 Si, GaAs, GaP, InP, Ga2O3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
제1도전형 전극(1156) 및 제1도전형 반도체층은 각각 p형 전극 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 제2도전형 전극(1152) 및 제2도전형 반도체층은 각각 n형 전극 및 n형 반도체층이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 n형이 되고 제2도전형이 p형이 되는 예시도 가능하다.
이 경우에, 전술한 바와 같이, 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)이 제2도전형 반도체층에 형성되며, 상기 제2도전형 전극(1152)은 적어도 일부가 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)의 측면으로부터 돌출된다. 따라서, 상기 반도체 발광소자는 n형 반도체층이 상기 언도프된 반도체층에 적층된 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 다이오드가 될 수 있다. 또한, 상기 n형 반도체층과 연결되는 n형 전극은 상기 n형 반도체층의 일면에서 상기 언도프된 반도체층의 측면으로 연장되며, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층의 측면에서 돌출된다. 이 경우에, 상기 언도프된 반도체층에서 상기 이송 헤드의 헤드 전극을 마주보는 면에는 홈들이 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자를 캐리어 기판에 임시적으로 결합하며, 성장기판을 제거한다(도 15b).
예를 들어, 성장기판은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다. 특히, 레이저 리프트 오프법이 경우에, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)이 상기 측면으로 돌출된 상기 제2도전형 전극(1152)이 레이저에 의하여 손상되는 것을 완화 또는 방지한다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 언도프된 반도체층은 UV 레이저를 흡수하는 다른 형태의 흡수층으로 대체될 수 있다. 상기 흡수층은 버퍼층이 될 수 있으며, 저온 분위기에서 형성되며, 반도체층과 성장기판과의 격자상수 차이를 완화시켜 줄 수 있는 물질로 이루어 질 수 있다. 예를 들어, GaN, InN, AlN, AlInN, InGaN, AlGaN, 및 InAlGaN 과 같은 물질을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 상기 캐리어 기판(1062)은 접착층(1063)을 구비하고, 상기 반도체 발광소자는 성장기판(1101)으로부터 상기 접착층(1063)으로 전사될 수 있다.
다른 예로서, 상기 캐리어 기판(1062)은 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같이 점착성 있는 재질로 형성되는 점착시트로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 캐리어 기판(1062)은 PDMS 기판으로 지칭될 수 있다. PDMS 재질의 부착력에 의하여, 성장기판이 제거된 후에 반도체 발광소자들(1050)은 상기 캐리어 기판(1062)으로 이동하게 된다.
이후에, 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a) 중에서 제2도전형 전극(1152)을 덮는 부분을 식각하여 제거한다(도 15c). 이 경우에, 상기 언도프된 반도체층(1153a)은 제2도전형 반도체와 오버랩되는 부분은 여전히 존재하게 된다.
이 후에, 도 15d와 같이, 상기 언도프된 반도체층에 식각을 통하여 홈을 형성하는 단계가 진행된다. 예를 들어, 홈들(1157)은 상기 제1도전형 전극(1156)으로부터 가장 먼 일면에서 텍스트를 형성(textured)하도록 식각될 수 있다. 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)에 홈을 식각함에 따라, 상기 반도체 발광소자의 면상에 텍스처링이 가능하게 된다.
다음으로, 상기 반도체 발광소자들을 상기 캐리어 기판(1062)으로부터 디스플레이 장치의 베이스 기판(1070)으로 이송하는 단계가 진행된다.
도 15e를 참조하면, 이송하는 단계에서는 먼저, 캐리어 기판에 배치된 언도프된 반도체층을 구비하는 반도체 발광소자를 마주보도록 헤드 전극을 구비하는 이송 헤드(transfer head)를 위치시킨다. 이 후에, 상기 이송 헤드의 헤드 전극과 상기 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층을 인접시키며, 상기 헤드 전극의 노출면과 상기 언도프된 반도체층을 서로 접촉시킨다.
상기 이송 헤드는, 도 13a 및 도 13b를 참조하여 설명한 이송 헤드를 기준으로 설명하나, 후술하는 다른 실시예의 이송 헤드도 될 수 있다. 본 예시에서 상기 이송 헤드는 도 13a 및 도 13b를 참조하여 설명한 이송 헤드가 멀티로 배열되는 멀티 이송 헤드가 될 수 있다. 특히, 상기 이송 헤드는 상기 캐리어 기판상의 반도체 발광소자의 배열에 대응하도록, 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
이 후에, 도 15f와 같이, 정전력을 통하여 상기 언도프된 반도체층에 부착력이 가해지도록 상기 헤드 전극(2030)에 전압을 인가하는 단계가 진행된다. 이 경우에, 상기 전압은 선택적으로 인가되며, 따라서 캐리어 기판(1062) 상에 배열된 반도체 발광소자들 중 일부에만 정전력이 부가될 수 있다. 이와 같이, 캐리어 기판(1062)에는 상기 반도체 발광소자들이 순차적으로 배열되며, 상기 캐리어 기판(1062)에 배열된 반도체 발광소자들은 일부가 선택되어 픽업될 수 있다.
다음으로, 도 15g와 같이 상기 이송 헤드(2000)로 상기 반도체 발광소자를 픽업(pick up)하여 이송하는 단계가 진행되며, 상기 반도체 발광소자들은 선택적으로 픽업되어, 디스플레이 장치의 베이스 기판(1070)으로 이송된다.
이 후에, 도 15h와 같이, 상기 반도체 발광소자를 상기 베이스 기판(1070) 상에 위치한 후에, 이송 헤드(20000)는 전압의 인가를 멈추어 정전력을 제거하고 원래의 자리로 되돌아가게 된다.
이 경우에, 상기 반도체 발광소자는 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 하나이고, 상기 반도체 발광소자들은 적색, 녹색 및 청색의 단위화소를 형성하도록 기판상에 릴리즈될 수 있다.
상기 베이스 기판(1070)은 배선전극이 형성된 배선기판(1010)이 될 수 있으며, 상기 반도체 발광소자는 전도성 접착층(1030)을 매개로 상기 베이스 기판(1070)에 장착될 수 있다.
이 경우에, 상기 배선전극은 전술한 제1전극(1020)이 될 수 있으며, 상기 베이스 기판(1070)은 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 유연 재질로 이루어질 수 있다.
상기 반도체 발광소자들을 상기 베이스 기판(1070)에 이송한 후에 상기 전도성 접착층(1030)에 열 또는 촉매를 가해, 상기 반도체 발광소자들과 상기 전도성 접착층(1030)을 열압착할 수 있다.
다만, 본 실시예에서 상기 전도성 접착층은 접착층으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1전극(1020)이 기판(1010)상에 위치하지 않고, 반도체 발광소자의 도전형 전극과 일체로 형성된다면, 접착층은 전도성이 필요없게 될 수 있다.
이 후에 상기 제2도전형 전극(1152)을 이어주도록, 상기 제1전극과 교차하는 방향으로 제2전극(1040, 도 11a 참조))이 형성될 수 있다. 상기 제2전극(1040)은 돌출된 제2도전형 전극(1152)을 연결하는 상부 배선으로서, 상기 제2도전형 전극(1152)과 직접 연결된다. 이 경우에, 상기 제2전극(1040)은 증착 등에 의하여 형성될 수 있다. 나아가, 복수의 반도체 발광소자(1050)의 일면에 형광체층(1080, 도 10 참조)을 형성하는 단계가 진행될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 디스플레이 장치를 제조하는 방법에 대하여 설명하였다. 한편, 본 발명의 이송 헤드의 구조는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 이하 이러한 여러가지 실시예에 대하여 설명한다.
도 16, 도 17 및 도 18은 발명의 반도체 발광 소자를 이송하는 이송 헤드의 다른 실시예들을 나타내는 단면도들이다.
본 예시들에서는 도 13a 및 도 13b를 참조하여 설명한 이송 헤드에서 새로운 구조가 적용된 경우를 예시한다. 따라서, 이하 설명되는 본 예시에서는, 도 13a 및 도 13b를 참조하여 설명한 예시의 각 구성과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.
먼저 도 16을 참조하면, 이송 헤드(3000)는 베이스 기판(base substrate, 3010), 돌출부(3020) 및 헤드 전극(3030)에 더하여, 반도체 발광소자에 진공에 의한 부착력을 부가하는 메커니즘을 구비한다.
베이스 기판(3010)은, 예를 들어 실리콘이나 세라믹과 같이 식각이 가능한 재질로 형성되며, 전면 식각을 통하여 상기 돌출부(3020)를 형성한다.
상기 돌출부(3020)는 상부 표면(3021)과 측벽들(3022)을 포함하는 메사 구조로 이루어지며, 상기 베이스 기판(3010)과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 상기 돌출부(3020)는 상기 베이스 기판(3010)으로부터 멀어지는 방향으로 돌출하여, 픽업 작업 중 특정 반도체 발광소자를 픽업하기 위한 접점(contact point)을 제공한다.
상기 베이스 기판(3010)의 후면에는 후면 식각을 통하여 캐비티(3041)가 형성되며, 레이저 코어 드릴링(laser core drlling)이나 건조 식각을 통하여 상기 베이스 기판(3010)과 돌출부(3020)를 관통하는 관통홀(3042)이 형성된다. 이 경우에, 상기 이송 헤드는 반도체 발광소자의 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)에 진공에 의한 부착력을 부여하도록 상기 관통홀(3042) 내의 공기를 외부로 배출하도록 이루어진다. 또한, 상기 이송 헤드는 상기 캐비티와 관통홀을 통하여 진공화(vacuumize) 및 퍼지(purge)를 번갈아 수행할 수 있는 장치와 연결될 수 있다.
이 경우에, 상기 헤드 전극(3030)은 반도체 발광소자의 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)과 대전하여 정전력을 발생하도록, 상기 돌출부(3020)에 배치된다.
상기 헤드 전극(3030)은 상기 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층(1153a)과 접촉하도록 외부로 노출된다. 보다 구체적으로, 상기 헤드 전극(3030)은 상기 돌출부(3020)에서 상기 베이스 기판(3010)과 가장 먼 상면과 오버랩되며, 상기 상면에서 외부로 노출되는 노출면 또는 상부표면(3021)을 구비한다. 상기 노출면은 상기 반도체 발광소자의 픽업을 위하여, 상기 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층(1153a)과 직접 접촉할 수 있다.
이 경우에, 상기 관통홀(3042)의 입구는 상기 노출면에 배치될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 돌출부(3020) 상에서 제1헤드 전극(3030a) 및 제2헤드 전극(3030b)은 서로 이격 배치될 수 있다. 캐비티와 연결되는 관통홀은 한 쌍으로 구비되어 각각 상기 제1헤드 전극(3030a) 및 제2헤드 전극(3030b)으로 이어진다.
상기에서 설명된 구조에 의하면, 이송 헤드는, 존슨-라벡형으로 언도프된 반도체층에 직접 대전하는 방식으로 높은 정전력을 구현할 뿐만 아니라, 진공력을 부가하여 더욱 강한 힘으로 반도체 발광소자를 이송하게 된다.
또 다른 예로서, 상기 캐비티 및 관통홀 구조만을 구비하고, 헤드 전극이 없는 이송 헤드의 구조도 가능하다. 도 17을 참조하면, 도 16의 이송 헤드에서 헤드 전극과 전극 리드가 없어지고, 상기 돌출부(4020)를 덮도록 배치되며, 점착성을 가지는 유연 재질로 이루어지는 유연 점착층(4050)이 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 이송 헤드(4000)는 베이스 기판(base substrate, 4010), 돌출부(4020), 유연 점착층(4050) 및 진공에 의한 부착력을 부가하는 메커니즘을 구비한다.
베이스 기판(4010)은, 예를 들어 실리콘이나 세라믹과 같이 식각이 가능한 재질로 형성되며, 전면 식각을 통하여 상기 돌출부(4020)를 형성한다.
상기 돌출부(4020)는 상부 표면(4021)과 측벽들(4022)을 포함하는 메사 구조로 이루어지며, 상기 베이스 기판(4010)과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 상기 돌출부(4020)는 상기 베이스 기판(4010)으로부터 멀어지는 방향으로 돌출하여, 픽업 작업 중 특정 반도체 발광소자를 픽업하기 위한 접점(contact point)을 제공한다.
상기 베이스 기판(4010)의 후면에는 후면 식각을 통하여 캐비티(4041)가 형성되며, 레이저 코어 드릴링(laser core drlling)이나 건조 식각을 통하여 상기 베이스 기판(4010)과 돌출부(4020)를 관통하는 관통홀(4042)이 형성된다. 도 16의 예시와는 달리, 상기 관통홀(4042)은 단일 관통홀로 형성될 수 있다.
이 경우에, 상기 이송 헤드는 반도체 발광소자에 진공에 의한 부착력을 부여하도록 상기 관통홀(4042) 내의 공기를 외부로 배출하도록 이루어진다. 또한, 상기 이송 헤드는 상기 캐비티(4041)와 관통홀(4042)을 통하여 진공화(vacuumize) 및 에어 퍼지(purge)를 수행할 수 있는 장치와 연결될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 관통홀(4042)은 상기 유연 점착층(4050)을 관통하도록 연장될 수 있다. 상기 유연 점착층(4050)은 상기 반도체 발광소자의 일면에 접촉하여 상기 이송 헤드와 상기 반도체 발광소자 사이의 틈새를 메어주므로, 진공 상태의 관통홀(4042)로 공기가 스며드는 것을 완화 또는 방지하게 된다. 또한, 본 예시에서 반도체 발광소자는 도 4를 참조하여 설명한 언도프된 반도체층이 없는 반도체 발광소자나, 도 9를 참조하여 설명한 수직형 반도체 발광소자가 될 수 있다. 도 4의 반도체 발광소자의 경우에는, 도시된 바와 같이, 이송 헤드의 유연 점착층(4050)은 반도체 발광소자의 n형 반도체층(153)과 접촉하게 된다.
또 다른 예로서, 유연 점착층은 도 13a 및 도 13b에 개시된 전극을 구비하는 이송 헤드의 구조에도 적용될 수 있다. 이하, 이러한 구조에 대하여 도 18을 참조하여 설명한다.
도 18을 참조하면, 이송 헤드(5000)는 언도프된 반도체층(1153a)을 대전하도록 이루어지나, 직접 접촉하진 않는 구조로 형성된다.
본 예시에서, 반도체 발광소자는 도 13a를 참조하여 설명한 반도체 발광소자를 기준으로 설명한다. 다만, 본 예시에 적용되는 반도체 발광소자는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 도 4를 참조하여 설명한 반도체 발광소자, 도 17을 참조하여 설명한 반도체 발광소자 및 도 9를 참조하여 설명한 수직형 반도체 발광소자 등이 모두 가능하다. 또 다른 예로서, 도 4를 참조하여 설명한 반도체 발광소자 에서, 제2도전형 반도체층에 언도프된 반도체층이 적층되는 구조도 본 예시에 적용될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 이송 헤드(5000)는 베이스 기판(base substrate, 5010), 돌출부(5020), 헤드 전극(5030), 유전막(5060) 및 유연 점착층(5050)을 구비한다.
베이스 기판(5010)은, 예를 들어 실리콘, 세라믹 및 중합체와 같은 다양한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 상기 베이스 기판(5010)에는 이송 헤드(5000)를 제어하는 전자 장치에 연결하기 위한 배선(미도시)이 포함될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 돌출부(5020)는 상기 베이스 기판(5010)에서 돌출된다.
보다 구체적으로, 상기 돌출부(5020)는 상부 표면(2021)과 측벽들(5022)을 포함하는 메사 구조로 이루어지며, 상기 베이스 기판(5010)과 동일하거나 상이한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 상기 돌출부(5020)는 상기 베이스 기판(5010)으로부터 멀어지는 방향으로 돌출하여, 픽업 작업 중 특정 반도체 발광소자를 픽업하기 위한 접점(contact point)을 제공한다.
또한, 상기 돌출부(5020)는, 예를 들어 에칭에 의하여 상기 베이스 기판의 일부를 제거함에 따라 형성되어, 상기 베이스 기판(5010)과 일체화될 수 있다. 다른 예로서, 상기 돌출부(5020)는, 상기 베이스 기판(5010)의 상부 상에 부착되거나 성장되고 패턴화될 수 있다. 한편, 상기 돌출부(5020)는, 실리콘과 같은 반도체 기판 위에 형성된 이산화규소와 같은 패턴화된 산화물층이 될 수 있다.
상기 헤드 전극(5030)은 반도체 발광소자의 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)과 대전하여 정전력을 발생하도록, 상기 돌출부(5020)에 배치된다. 이 경우에, 본 도면에 도시되지 않았지만, 상기 돌출부(5020)와 상기 헤드 전극(5030)의 사이에는 산화 규소나 산화 알루미늄으로 이루어지는 패시베이션층(passivation layer)이 형성될 수 있다.
도시에 의하면, 전도성 층이 돌출부(5020) 또는 패시베이션층 위에 부착되고, 상기 헤드 전극(5030)을 형성하기 위하여 패턴화될 수 있다. 나아가, 상기 전도성 층은 전극 리드들(5031)을 상기 헤드 전극(5030)과 함께 형성할 수 있다. 상기 전극 리드들(5031)은 상기 헤드 전극(5030)으로부터 상기 돌출부(5020)의 상부 표면(5021)과 측벽(5022)을 따라 이어질 수 있다. 상기 헤드 전극(5030) 및 전극 리드들(5031)은 금속, 금속 합금, 내화 금속 및 내화 금속 합금 등과 같은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 헤드 전극(5030)은 티타늄, 백금, 은, 크롬 등의 재질로 이루어지며, 폭이나 높이가 100 마이크로미터 이하인 전극이 될 수 있다.
본 예시에서, 상기 헤드 전극(5030)은 유연 점착층(5050)에 의하여 덮이도록 이루어진다. 상기 유연 점착층(5050)은 실리콘 레진, 폴리머, 에폭시, 러버, 폴리이미드(PI), PDMS(polydimethylsiloxane) 등의 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 헤드 전극(5030)과 상기 유연 점착층(5050)의 사이에는 유전막(5060)이 배치될 수 있다. 상기 유전막은, 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3), 산화 탄탈륨(Ta2O5), 및 이산화규소(SiO2) 등의 재질로 형성될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 쿨롱(coulomb) 정전 그립력이 반도체 발광소자에 가해질 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 상기 유연 점착층(5050)은 상기 돌출부를 덮도록 배치되며, 점착성을 가지는 유연 재질로 이루어진다. 한편, 반도체 발광소자의 언도프된 반도체층(1153a)은 제1도전형 전극(1156)으로부터 가장 먼 일면에 형성되는 홈들(1157)을 구비할 수 있다. 상기 홈들(1157)은 상기 제1도전형 전극(1156)으로부터 가장 먼 일면에서 텍스트를 형성(textured)하도록 식각될 수 있다.
정전식 이송 헤드는 픽업해야 하는 반도체 발광소자의 표면이 거칠기가 없는 평평한 표면에서 효과적인 정전 그립력을 발휘한다. 그러나, 표면 거칠기가 있는 반도체 발광소자의 픽업에는 어려움이 있다. 본 예시에서는 광추출 효율을 개선하기 위하여, 홈들을 구비하는 반도체 발광소자의 표면에 보다 효과적인 그립력을 제공하기 위하여, 헤드 전극의 정전력과 함께, 유연 점착층이 밀착되어, van der Waals 작용으로 보다 강한 그립력을 구현하게 된다.
또한, 공정상에서 복수의 반도체 발광소자들을 동시에 픽업하다 보면 반도체 발광소자들 간의 높이 편차가 존재하게 된다. 이 경우에도 버퍼 역할을 하는 유연 점착층을 통하여 제조과정에서 일정 높이까지의 편차는 극복될 수 있다.
이상에서 설명한 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (21)

  1. 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극;
    상기 제1도전형 전극이 형성되는 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극이 형성되는 일면을 구비하는 제2도전형 반도체층; 및
    상기 제2도전형 반도체층의 타면에 형성되는 언도프된(Undoped) 반도체층을 포함하고,
    상기 언도프된 반도체층은 상기 제1도전형 전극으로부터 가장 먼 일면에 형성되는 홈들을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2도전형 전극은 상기 제2도전형 반도체층의 일면에서 상기 언도프된 반도체층의 측면으로 연장되며, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층의 측면에서 돌출되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홈들은 상기 제1도전형 전극으로부터 가장 먼 일면에서 텍스트를 형성하도록 식각되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 반도체 발광소자를 구비하는 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는,
    제1도전형 전극 및 제2도전형 전극;
    상기 제1도전형 전극이 형성되는 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극이 형성되는 일면을 구비하는 제2도전형 반도체층; 및
    상기 제2도전형 반도체층의 타면에 형성되는 언도프된(Undoped) 반도체층을 포함하고,
    상기 언도프된 반도체층은 상기 제1도전형 전극으로부터 가장 먼 일면에 형성되는 홈들을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는 제2도전형 반도체층이 상기 언도프된 반도체층에 적층된 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
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  21. 제4항에 있어서,
    상기 제2도전형 전극은 상기 제2도전형 반도체층의 일면에서 상기 언도프된 반도체층의 측면으로 연장되며, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층의 측면에서 돌출되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
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