KR101770632B1 - 자가 조립형 초소형 led 전극어셈블리 제조용 용매 및 이를 통해 자가 조립형 초소형 led 전극어셈블리를 제조하는 방법 - Google Patents

자가 조립형 초소형 led 전극어셈블리 제조용 용매 및 이를 통해 자가 조립형 초소형 led 전극어셈블리를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리는 제조하는 방법에 관한것으로, 보다 상세하게는 초소형 LED 소자를 자기정렬 시키는데 있어서 초소형 LED 소자가 화학적, 물리적 손상되지 않은 상태로 서로 다른 두 전극에 자기정렬 시킬 수 있는 동시에 실장 되는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시키고, 소자의 정렬성, 전기적 연결성을 보다 향상시킬 수 있는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조용 용매 및 이를 통해 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 방법{Solvent for manufacture of Self-assembled nano-scale LED electrode assembly and method for manufacturing Self-assembled nano-scale LED electrode assembly by the same}
본 발명은 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리는 제조하는 방법에 관한것으로, 보다 상세하게는 초소형 LED 소자를 자기정렬 시키는데 있어서 초소형 LED 소자가 화학적, 물리적 손상되지 않은 상태로 서로 다른 두 전극에 자기정렬 시킬 수 있는 동시에 실장 되는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시키고, 소자의 정렬성, 전기적 연결성을 보다 향상시킬 수 있는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
LED는 1992년 일본 니치아사의 나카무라 등이 저온의 GaN 화합물 완충층을 적용하여 양질의 단결정 GaN 질화물 반도체를 융합시키는데 성공함으로써 개발이 활발하게 이루어져 왔다. LED는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 다수의 캐리어가 전자인 n형 반도체 결정과 다수의 캐리어가 정공인 p형 반도체 결정이 서로 접합된 구조를 갖는 반도체로써, 전기신호를 원하는 영역의 파장대역을 가지는 빛으로 변환시켜 표출되는 반도체 소자이다.
이러한 LED 반도체는 광 변환 효율이 높기에 에너지 소비량이 매우 적으며 수명이 반영구적이고 환경 친화적이어서 그린 소재로서 빛의 혁명이라고 불린다. 최근에는 화합물 반도체 기술의 발달로 고휘도 적색, 주황, 녹색, 청색 및 백색 LED가 개발되었으며, 이를 활용하여 신호등, 핸드폰, 자동차 전조등, 옥외 전광판, LCD BLU(back light unit), 그리고 실내외 조명 등 많은 분야에서 응용되고 있으며 국내외에서 활발한 연구가 계속되고 있다. 특히 넓은 밴드갭을 갖는 GaN계 화합물 반도체는 녹색, 청색 그리고 자외선 영역의 빛을 방출하는 LED 반도체의 제조에 이용되는 물질이며, 청색 LED 소자를 이용하여 백색 LED 소자의 제작이 가능하므로 이에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
한편, LED 소자를 조명, 디스플레이에 등에 활용하기 위해서는 LED 소자와 상기 소자에 전원을 인가할 수 있는 전극이 필요하며, 활용목적, 전극이 차지하는 공간의 감소 또는 제조방법과 연관되어 LED 소자와 서로 다른 두 전극의 배치는 다양하게 연구되어 왔다.
LED 소자와 전극의 배치에 관한 연구는 전극에 LED 소자를 성장시키는 것과 LED 소자를 별도로 독립성장 시킨 후에 전극에 배치하는 것으로 분류할 수 있다.
먼저, 전극에 LED 소자를 성장시키는 연구는 고결정성/고효율의 박막 및 LED 소자의 성장이 결정학적으로 매우 어렵다는 문제가 있고, LED 소자를 별도로 독립성장 시킨 후에 전극에 배치하는 방법은 LED 소자의 광추출 효율이 낮아져 발광효율이 떨어질 수 있다는 문제점이 있다.
특히, 후자의 방법의 경우 일반적인 LED 소자라면 3차원의 LED 소자를 직립하여 전극과 연결할 수 있지만 LED 소자가 나노단위 크기의 초소형일 경우 전극에 직립시키기가 매우 어렵다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 한국특허출원 제2011-0040174호는 나노단위 크기의 초소형 LED 소자를 전극에 3차원 직립하여 연결시키기 위해 초소형 LED 소자에 전극과 결합을 용이하게 하는 결합링커까지 구성하였으나 이를 실제 초소형 전극에 구현 시에 초소형 LED 소자가 전극과 3차원으로 직립하여 결합시키기 매우 어려운 문제점이 있다.
나아가 LED 소자의 크기가 나노단위로 초소형일 경우 초소형으로 패터닝된 서로 다른 전극에 LED 소자를 목적한 범위 내로 일일이 배치하기 더더욱 어려우며, 초소형의 서로 다른 두 전극에 LED 소자를 배치한다 하더라도 전극과 초소형 LED의 전기적 연결에 단락에 따른 불량이 빈번하여 목적하는 전극어셈블리가 구현되지 않는 문제점이 있다.
본 발명자는 이와 같은 문제점을 해결하고자 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하기 위해 부단한 연구를 계속하던 중 전기장 하에 있는 용매에 혼합된 초소형 LED 소자는 서로 다른 두 전극에 자기 정렬된다는 것을 알게 되었으나, 서로 다른 전극상에 자기정렬 되어 실장 되고, 전기적으로 연통까지 되어 발광을 하는 초소형 LED 소자의 개수가 너무 적었고, 초소형 LED 소자의 정렬성도 현저히 좋지 못한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 해결하려는 첫 번째 과제는 초소형 LED 소자를 자기정렬 시키는데 있어서 초소형 LED 소자가 화학적, 물리적 손상되지 않은 상태로 서로 다른 두 전극에 자기정렬 시킬 수 있는 동시에 실장 되는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시키고, 소자의 정렬성, 전기적 연결성을 보다 향상시킬 수 있는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하려는 두 번째 과제는, 초소형 LED 소자를 화학적, 물리적으로 손상시키지 않고, 복수개의 초소형 LED 소자들의 자기정렬을 보다 용이하게 하며, 실장 되는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시키는 동시에, 전기장하에서 초소형 LED 소자가 서로 다른 두 전극상에 이동을 위한 정전기적 인력유도에 영향을 미쳐 이동성 및 자기 정렬성을 높이고, 초소형 LED 소자의 이동에 대한 저항성을 감소시켜 이동성을 더욱 높이는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조용 용매 및 이를 통해 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은(1) 베이스 기판, 상기 베이스 기판상에 형성된 제 1실장전극 및 상기 제 1실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제 2실장전극을 포함하는 전극라인에 복수개의 초소형 LED 소자 및 용매를 투입하는 단계 및 (2) 상기 제 1 실장전극과 제 2실장전극에 초소형 LED 소자의 단부를 각각 연결시키기 위하여 상기 전극라인에 전원을 인가시켜 복수개의 초소형 LED 소자들을 자기정렬 시키는 단계를 포함하여 제조되며, 상기 용매는 하기 조건 (a) 및 조건 (b)를 만족하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리의 제조방법을 제공한다.
(a) 쌍극자 모멘트(Dipole moment)가 1.5 D 이상
(b) 20℃에서 전기 전도도(Electrical conductivity)가 5 μS/m 이상
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 용매는 하기 조건 (c) 및 조건 (d)를 더 만족할 수 있다.
(c) 끓는점(Boiling point)이 30 ~ 85℃
(d) 20℃에서 증기압(Vapor pressure)이 3 ~ 100kPa 이상
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 용매는 20℃에서 점도(Viscosity)가 0.3 ~ 1 cP 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 용매의 상기 조건 (a) 및 조건 (b)는 하기의 조건 (e) 및 조건 (f) 일 수 있다.
(e) 쌍극자 모멘트(Dipole moment)가 2.5 ~ 5.0 D
(f) 20℃에서 전기 전도도(Electrical conductivity)가 10 ~ 500 μS/m
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 초소형 LED 소자의 종횡비(Aspect ratio)는 1.2~100 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 초소형 LED 소자의 길이는 100nm~10㎛ 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계에서 인가되는 전원의 전압(진폭)은 0.1~1000 Vpp 이며, 주파수는 10Hz~100GHz 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 초소형 LED 소자는 소자 상호간 응집을 방지하기 위하여 절연피막 외부면에 코팅된 소수성 피막을 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 전원이 인가된 전극라인 영역에 위치하는 초소형 LED 소자를 전극라인의 서로 다른 두 실장전극으로 이동 및 자기정렬 시키며, 하기의 조건 (a) 및 조건 (b)를 만족하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조용 용매를 제공한다.
(a) 쌍극자 모멘트(Dipole moment)가 1.5 D 이상
(b) 20℃에서 전기 전도도(Electrical conductivity)가 5 μS/m 이상
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 용매는 하기 조건 (c) 및 조건 (d)를 더 만족할 수 있다.
(c) 끓는점(Boiling point)이 30 ~ 85℃
(b) 20℃에서 증기압(Vapor pressure)이 3 ~ 100kPa
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 용매는 20℃에서 점도(Viscosity)가 0.3 ~ 1cP 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 용매의 상기 조건(a) 및 조건 (b)는 하기의 조건 (e) 및 조건 (f) 일 수 있다.
(e) 쌍극자 모멘트(Dipole moment)가 2.5 ~ 5 D
(f) 20℃에서 전기 전도도(Electrical conductivity)가 10 ~ 500 μS/m
본 발명에서 사용된 용어인 “제1실장전극”과“제2실장전극”은 초소형 LED 소자가 실질적으로 실장 될 수 있는 전극 영역 또는 상기 영역과 더불어 베이스 기판 상 전극을 배치하는 방법에 따라 더 포함될 수 있는 전극영역까지를 모두 포함한다.
또한, 본 발명에서 사용된 용어인 Vpp는 전압의 최소와 최대의 차이(Peak to peak Voltage)를 나타내는 것으로, 본 발명에서는 교류 전원을 인가할 시 전압의 진폭에 대한 최소와 최대의 차이를 나타내는 의미이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초소형 LED 전극어셈블리 제조용 용매는 초소형 LED 소자와 화학적, 물리적 반응을 하지 않기 때문에 전원인가 유무에 관계없이 제조과정에서 초소형 LED 소자 및 전극라인에 손상을 주지 않아 초소형 LED 전극어셈블리의 불량률을 줄일 수 있고, 초소형 LED 소자가 서로 다른 두 전극상에 이동할 때 정전기적 인력을 유도에 영향을 미쳐 복수개의 초소형 LED 소자들의 자기정렬을 용이하게 시킬 수 있으며, 초소형 LED 소자들의 정렬성을 향상 시킬 수 있는 동시에 초소형 LED 소자의 이동에 대한 저항성을 감소시켜 초소형 LED 소자의 이동성을 높이고, 실장 되는 초소형 LED 소자의 개수를 증가시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초소형 LED 소자에 대한 사시도이다.
도 3은 비교예에 따른 용매로 구현한 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 청색 전계 발광 사진이다.
도 4는 도 3에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극 어셈블리에 대하여 광학현미경으로 확대한 사진이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 용매를 통해 제조 된 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 청색 전계 발광 사진이다.
도 6은 도 5에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대하여 광학현미경으로 확대한 사진이다.
도 7는 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 용매를 통해 제조 된 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 청색 전계 발광 사진이다.
도 8은 도 7에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대하여 광학현미경으로 확대한 사진이다.
도 9은 본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 청색 전계 발광 사진이다.
도 10은 도 9에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대하여 광학현미경으로 확대한 사진이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 본 발명자는 나노스케일의 초소형 LED 소자를 초소형의전극에 실장시키기 매우 어려운 문제점을 해결하고자 부단한 연구를 계속하던 중 전기장 하에 있는 용매에 혼합된 초소형 LED 소자는 서로 다른 두 전극에 자기 정렬된다는 것을 알게 되었으나, 서로 다른 전극상에 자기정렬 되어 실장 되고, 전기적으로 연통까지 되어 발광을 하는 초소형 LED 소자의 개수가 너무 적었고, 초소형 LED 소자의 정렬성도 현저히 좋지 못한 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 베이스 기판, 상기 베이스 기판상에 형성된 제 1실장전극 및 상기 제 1실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제 2실장전극을 포함하는 전극라인에 복수개의 초소형 LED 소자 및 용매를 투입하는 단계 및 (2) 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 초소형 LED 소자의 단부를 각각 연결시키기 위하여 상기 전극라인에 전원을 인가하여 복수개의 초소형 LED 소자들을 자기정렬 시키는 단계를 포함하여 제조되며, 상기 용매는 후술하는 조건 (a) 및 조건 (b)를 만족하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법을 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해 초소형 LED 소자와 화학적, 물리적 반응을 하지 않기 때문에 전원인가 유무에 관계없이 제조과정에서 초소형 LED 소자 및 전극라인에 손상이 없으므로 초소형 LED 전극어셈블리의 불량률을 줄일 수 있고, 초소형 LED 소자를 부유시키는 동시에 복수개의 초소형 LED 소자들을 자기정렬 시킬 수 있고, 초소형 LED 소자들의 정렬성을 향상 시킬 수 있으며, 실장 되는 초소형 LED 소자의 개수를 증가시키는 효과를 제공할 수 있다.
먼저 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하기 위한 본 발명에 따른 (1)단계를 설명한다.
상기 (1) 단계는 베이스 기판, 상기 베이스 기판상에 형성된 제 1실장전극 및 상기 제 1실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제 2실장전극을 포함하는 전극라인에 복수개의 초소형 LED 소자 및 용매를 투입하는 단계이다.
구체적으로 도 1은 본발명의 바람직한 일실시예에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 단계를 나타내는 사시도로서, 도 1a는 베이스기판(100) 상에 형성된 제 1실장전극(110), 상기 제 1실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제 2실장전극(130) 및 복수개의 초소형 LED 소자(120) 및 용매(140)을 나타낸다.
상기 초소형 LED 전극 어셈블리는 본 발명의 발명자에 의한 대한민국 등록특허 제10-1490758호, 대한민국 특허출원 제2014-0085384호가 참조로 삽입될 수 있음에 따라 전극의 구조, 형상, 재질, 전극라인의 제조방법 등에 관한 구체적인 설명은 생략한다.
먼저, 상기 초소형 LED 소자(120)에 대해 설명한다. 이하, 초소형 LED 소자의 설명에서 ‘위’, ‘아래’, ‘상’, ‘하’, ‘상부’ 및 ‘하부’는 초소형 LED 소자에 포함된 각 층을 기준으로 하여 수직의 상, 하 방향을 의미한다.
상기 초소형 LED 소자는 일반적으로 조명 또는 디스플레이에 사용되는 초소형 LED 소자이면 제한 없이 사용 될 수 있으며, 바람직하게는 상기 초소형 LED 소자는 제1 도전성 반도체층, 상기 제1 도전성 반도체층상에 형성된 활성층 및 상기 활성층상에 형성된 제2 도전성 반도체층을 포함하고, 상기 제1 도전성 반도체층 하부에 제1 전극층 및 상기 제2 도전성 반도체층 상에 제2 전극층을 더 포함할 수 있으며, 상기 초소형 LED 소자는 3층구조 또는 5층구조 일 수 있다.
또한, 초소형 LED 소자의 길이는 100 nm 내지 10㎛ 일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 500 nm 내지 5㎛ 일 수 있다. 만일 초소형 LED 소자의 길이가 100 nm 미만인 경우 고효율의 LED 소자의 제조가 어려우며, 10 ㎛를 초과하는 경우 LED소자의 발광 효율을 저하시킬 수 있다. 초소형 LED 소자의 형상은 원기둥, 직육면체 등 다양한 형상 일 수 있고, 바람직하게는 원기둥 형상 일 수 있으나 상기 기재에 한정되는 것은 아니다
구체적으로 도 2은 본 발명이 포함하는 초소형 LED 소자의 일실시예를 나타내는 사시도로서, 제1 전극층(11)상에 형성된 제1 도전성 반도체층(21)상에 형성된 활성층(22), 상기 활성층(22)상에 형성된 제2 도전성 반도체층(23) 및 상기 제2 도전성 반도체층(23)상에 제2 전극층(12)을 나타낸다.
먼저, 제1 전극층(11)에 대해 설명한다.
제1 전극층(11)은 통상의 LED 소자의 전극으로 사용되는 금속 또는 금속산화물을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 니켈(Ni), ITO 및 이들의 산화물 또는 합금 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 바람직하게 상기 제1 전극층의 두께는 1 ~ 100 nm 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 제1 전극층을 포함할 경우 제1 반도체층과 전극라인의 연결부위에 금속오믹층을 형성하는 공정에서 요구되는 온도보다 낮은 온도로 접할 시킬 수 있는 이점이 있다.
다음으로 상기 제1 전극층(11)상에 형성되는 제1 도전성 반도체층(21)에 대해 설명한다. 상기 제1 도전성 반도체층(21)은 예컨대, n형 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 초소형 LED 소자가 청색 발광 소자일 경우에는, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제1 도전성 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑될 수 있다. 바람직하게 상기 제1 도전성 반도체층(21)의 두께는 500 nm ~ 5㎛ 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 초소형 LED의 발광은 청색에 제한되지 않으므로, 발광색이 다른 경우 다른 종류의 III-V족 반도체 물질을 n형 반도체 층으로 사용하는데 제한이 없다.
다음으로, 상기 제1 도전성 반도체층(21)상에 형성되는 활성층(22)에 대해 설명한다. 상기 초소형 LED 소자가 청색 발광 소자일 경우에는, 상기 활성층(22)은 상기 제 1도전성 반도체층(21) 위에 형성되며, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층(22)의 위 및/또는 아래에는 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 상기 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 활성층(12)으로 이용될 수 있음은 물론이다. 이러한 활성층(22)에서는 전계를 인가하였을 때, 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다. 바람직하게 상기 활성층의 두께는 10 ~ 200 nm 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 활성층의 위치는 LED 종류에 따라 다양하게 위치하여 형성될 수 있다. 상기 초소형 LED의 발광은 청색에 제한되지 않으므로, 발광색이 다른 경우 다른 종류의 III-V족 반도체 물질을 활성층으로 사용하는데 제한이 없다.
다음으로, 상기 활성층(22)상에 형성되는 제2 도전성 반도체층(23)에 대해 설명한다. 상기 초소형 LED 소자가 청색 발광 소자일 경우에는, 상기 활성층(22) 상에는 제 2도전성 반도체층(23)이 형성되며, 상기 제 2도전성 반도체층(23)은 적어도 하나의 p형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 p형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제 2도전성 도펀트(예: Mg)가 도핑될 수 있다. 여기서, 발광 구조물은 상기 제1도전형 반도체층(21), 상기 활성층(22), 상기 제 2도전성 반도체층(23)을 최소 구성 요소로 포함하며, 각 층의 위/아래에 다른 형광체층, 활성층, 반도체층 및/또는 전극층을 더 포함할 수도 있다. 바람직하게 상기 제2 도전성 반도체층(23)의 두께는 50 nm ~ 500 nm 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 초소형 LED의 발광은 청색에 제한되지 않으므로, 발광색이 다른 경우 다른 종류의 III-V족 반도체 물질을 p형 반도체 층으로 사용하는데 제한이 없다.
다음으로 상기 제2 도전성 반도체층(23)상에 형성되는 제2 전극층(12)에 대해 설명한다.
상기 제2 전극층(12)은 통상의 LED 소자의 전극으로 사용되는 금속 또는 금속산화물을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 니켈(Ni), ITO 및 이들의 산화물 또는 합금 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 바람직하게 상기 제2 전극층의 두께는 1 ~ 100 nm 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 제2 전극층을 포함할 경우 제2 반도체층과 전극라인의 연결부위에 금속오믹층을 형성할 때, 요구되는 온도보다 낮은 온도로 접할 시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 초소형 LED 전극어셈블리에 포함되는 초소형 LED 소자는 상기 초소형 LED 소자의 활성층(22)과 초소형 LED 전극어셈블리에 포함되는 전극라인이 접촉되어 발생하는 단락을 방지하기 위해 초소형 LED 소자의 외부면에 적어도 활성층 부분의 외부면 전체를 덮는 절연피막(30);을 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게는 전기적 단락 및 반도체층의 외부 표면 손상을 통한 초소형 LED 소자의 내구성 저하를 동시에 방지하기 위해 제1 반도체층(21) 및 제2 반도체층(23) 중 어느 하나 이상의 외부면에도 절연피막(30)이 코팅될 수 있다.
구체적으로 도 6에서 절연피막(30)은 제1 도전성 반도체층(21), 활성층(22) 및 제2 도전성 반도체층(23) 외부면을 덮고 있다.
상기 절연피막(30)은 초소형 LED 소자에 포함된 활성층이 전극과 접촉 시에 발생하는 전기적 단락을 방지하는 역할을 한다. 또한, 절연피막(30)은 초소형 LED 소자의 활성층을 포함한 외부면을 보호함으로써 소자의 외부표면 결함을 방지해 발광 효율 저하를 막을 수 있다.
만일 초소형 LED 소자 각각을 일일이 서로 다른 두 전극 사이에 배치시키고 연결시킬 수 있는 경우 활성층이 전극에 닿아 발생하는 전기적 단락을 방지할 수 있다. 그러나 나노단위의 초소형 LED 소자를 일일이 전극에 실장하는 것은 물리적으로 어렵다. 이에 따라 본 발명과 같이 전원을 인가하여 서로 다른 두 전극 사이에 초소형 LED 소자를 자기정렬 시킬 경우 초소형 LED 소자는 서로 다른 두 전극 사이를 이동, 정렬 등의 위치변경을 하게되며, 이 과정에서 초소형 LED 소자의 활성층(22) 외부면이 전극라인에 접촉할 수 있어 전기적 단락이 빈번히 발생할 수 있다.
한편, 초소형 LED 소자를 전극상에 직립하여 세울 경우에는 활성층과 전극라인이 접촉하여 발생하는 전기적 단락의 문제가 발생하지 않을 수 있다. 즉, 초소형 LED 소자를 전극상에 직립하여 세우지 못하여 전극상에 LED 소자가 누워있는 경우에만 활성층과 전극라인이 접촉할 수 있으며, 이러한 경우는 초소형 LED 소자를 서로 다른 두 전극에 연결시키지 못한 문제가 있을 뿐 전기적 단락의 문제는 발생하지 않을 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 절연피막(30)은 초소형 LED 소자의 제1 전극층(11) 및 제2 전극층(12) 중 어느 하나 이상의 전극층에는 절연피막이 코팅되지 않을 수 있고, 보다 바람직하게는 두 전극층(11, 12) 모두 절연피막이 코팅되지 않을 수 있다. 이는 상기 두 전극층(11, 12)과 서로 다른 전극간에는 전기적으로 연결이 되어야 하는데 만일 두 전극층(11, 12)에 절연피막(30)이 코팅되는 경우 전기적 연결을 방해할 수 있어 초소형 LED의 발광이 감소되거나 전기적으로 연결되지 않아 발광 자체가 되지 않을 수 있는 문제점이 있다. 다만, 초소형 LED 소자의 두 전극층(11, 12)과 서로 다른 전극간에 전기적 연결이 있는 경우 초소형 LED 소자의 발광에 문제가 없을 수 있어 상기 초소형 LED 소자의 두 전극층(11, 12)의 끝단부를 제외한 나머지 전극층(11, 12) 부분에는 절연피막(30)을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 초소형 LED 소자는 상기 절연피막(30) 위에 소수성 피막(40)을 더 포함할 수 있다. 상기 소수성 피막(40)은 초소형 LED 소자의 표면에 소수성 특성을 갖게 하여 LED 소자들 간에 응집현상을 방지하기 위한 것으로서 초소형 LED 소자가 용매에 혼합될 때 초소형 LED 소자간에 응집을 최소화하여 독립된 초소형 소자의 특성 저해 문제를 제거하고, 전원을 전극라인에 인가시에 보다 용이하게 각각의 초소형 LED 소자가 위치정렬 할 수 있다.
소수성 피막(40)은 상기 절연피막(30) 상에 형성될 수 있다. 이 경우 사용 가능한 소수성 피막은 절연피막 상에 형성되어 초소형 LED 소자들 간에 응집현상을 방지할 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 옥타데실트리크로로실리란(octadecyltrichlorosilane, OTS)과 플루오로알킬트리크로로실란(fluoroalkyltrichlorosilane), 퍼플루오로알킬트리에톡시실란(perfluoroalkyltriethoxysilane) 등과 같은 자기조립 단분자막(SAMs, self-assembled monolayers)과 테프론(teflon), Cytop 등과 같은 플루오로 폴리머(fluoropolymer) 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로 본 발명에 따른 (1) 단계에서 투입되는 용매(140)에 대해 설명한다.
자가조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법에서의 용매는 초소형 LED 소자를 화학적, 물리적으로 손상시키지 않고, 복수개의 초소형 LED 소자들의 자기정렬을 보다 용이하게 하며, 실장 되는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시키는 동시에, 초소형 LED 소자가 서로 다른 두 전극상에 이동할 때 정전기적 인력을 유도시켜 이동성 및 자기 정렬성을 높이고, 초소형 LED 소자의 이동에 대한 저항성을 감소시켜 초소형 LED 소자의 이동성을 더욱 높이는 기능을 한다.
더 나아가, 상기 용매는 투입된 후 제조공정 중에 쉽게 증발해야 하는데 특히, 별도의 추가적인 열에너지 없이도 초소형 LED 소자를 자기정렬 시키기 위하여 가해주는 전기에너지로 증발이 쉽게 일어나는 것이 바람직하다. 만일 용매의 증발이 용이하지 않을 경우 용매의 증발에 추가적인 에너지를 투입해야 하거나 제조에 소요되는 시간이 연장됨에 따라 생산성이 저하되고 생산비용이 증가하는 문제가 있을 수 있다. 또한, 1차로 소자가 자기정렬 되어 서로 다른 전극에 실장 된 후 용매가 모두 증발하기 전에 전기장을 소멸시킬 경우 잔존하는 용매로 인한 소자의 물리적 이동으로 실장 정렬성이 흐트러지고, 더 심할 경우 실장 된 소자가 전극상에서 이탈하는 문제가 발생할 수 있다.
이에 초소형 LED 전극어셈블리의 제조에 사용되는 용매는 먼저, 본 발명에 따른 조건 (a) 로써 쌍극자 모멘트(Dipole moment)가 1.5 D 이상이고, 바람직하게는 2.5 D 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 2.5~5.0 D 일수 있다.
또한, 본 발명에 따른 조건 (b)로써 20℃에서 전기 전도도(Electrical conductivity)가 5 μS/m 이상이고, 바람직하게는 10 μS/m 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 10~500 μS/m 일 수 있다.
만일 용매(140)가 상기 조건 (a) 및 조건 (b)를 만족하지 못하게 되면, 외부 전원인가 시 용매(140)가 정전기적 인력을 유도시키는데 영향을 미칠 수 없기 때문에, 초소형 LED 소자(120)의 자기정렬이 이루어지지 않고, 전기에너지로 인해 용매(140)의 증발이 용이하게 유도되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로, 도 3은 본 발명에 따른 비교예인 용매로 n-헥산을 투입하여 구현한 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 청색 전계 발광 사진으로써, 도 3a는 명실에서 촬영 한 초소형 LED 소자를 발광시키기 전의 사진이고, 도 3b는 명실에서 촬영한 초소형 LED 소자의 청색 전계 발광사진이며, 도 3c는 암실에서 촬영한 초소형 LED 소자의 청색 전계 발광사진이다.
상기 n-헥산은 쌍극자 모멘트 값이 0.08 D 이고, 20℃에서 전기 전도도가 10-6 미만 임에 따라 상기 조건 (a)와 (b)를 만족하지 못한다. 상기 n-헥산은 무극성 용매로써 매우 낮은 쌍극자 모멘트 및 전기 전도도를 갖는데, 이러한 용매만을 사용하여 자기정렬을 진행할 경우 외부 전원이 용매에 전기적으로 영향을 미치지 않기 때문에 용매의 증발이 유도되지 않는다. 그럼에도 불구하고 도 3에서 발광을 하는 초소형 LED 소자가 있는 것은, 비록 외부 전원에 의해 용매의 증발을 유도되지 않았으나 자연적으로 증발하면서, 일부의 초소형 LED 소자가 정렬된 것이다.
또한, 도 4는 도 3에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극 어셈블리에 대하여 광학현미경으로 확대한 사진이다. 구체적으로 도 4a는 n-헥산을 투입하여 구현한 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 100배 확대된 광학현미경 사진이고, 도 4b는 n-헥산을 투입하여 구현한 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 1500배 확대된 광학현미경 사진이다. 도 4에서는 초소형 LED 소자가 거의 실장 되지 않을 것을 확인할 수 있다.
한편, 바람직하게는 용매의 쌍극자 모멘트는 2.5~5.0 D 일 수 있다. 만일 쌍극자 모멘트가 5.0을 초과하는 경우 용매 분자간의 인력이 증가하여 용매의 증발이 원활하지 않아 초소형 LED 소자에 지속적으로 영향을 주는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 바람직하게는 용매의 20℃에서 전기 전도도는 10~500 μS/m 일 수 있다. 만일 20℃에서 전기전도도가 500 μS/m 을 초과하는 경우 높은 전류가 용매를 타고 흘러 회로에 단락이 발생하여 전극 라인에 손상이 발생하거나 자기 정렬을 위한 외부 전원에 문제가 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 용매(140)는 본 발명의 바람직한 조건 (c)로써 끓는점(Boiling point)이 30~ 85℃ 일 수 있고, 조건 (d)로써 20℃에서 증기압(Vapor pressure)이 3 ~ 100kPa 일 수 있다.
만일 용매(140)가 상기 조건 (c) 및 조건 (d)를 만족하지 못하여 끓는점이 85℃를 초과 및/또는 증기압이 3kPa 미만이면 전극에 교류 전원 인가 시 높은 온도에서 끓어오르는 현상에 의해 초소형 LED 소자(120) 및/또는 전극이 타버리기 때문에 공정을 진행 할 수 없게 되고, 초소형 LED 소자(120)의 자기정렬도 이루어 지지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 만일 끓는점이 30℃미만 및/또는 증기압이 1000kPa를 초과하면 외부 전원의 인가와 관계없이 자연적으로 증발하려는 경향이 크기 때문에 전극 라인에 초소형 LED의 자기 정렬을 유도하기 어려운 문제점이 있을 수 있다.
구체적으로 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 용매를 통해 제조 된 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 청색 전계 발광사진으로써, 도 5a는 명실에서 촬영 한 초소형 LED 소자를 발광시키기 전과 후의 사진이고, 도 5b는 암실에서 촬영한 초소형 LED 소자의 청색 전계 발광사진이다. 상기 용매는 증류수로, 끓는점이 100℃이고, 20℃에서 증기압이 2.338kPa 임에 따라 상기 조건 (c) 및 조건 (d)를 만족하지 못한다. 상기 증류수는 끓는점이 높기 때문에, 증류수를 사용했을 경우 전극에 전원 인가 시 끓어오르는 현상에 의해 전극이 타버리게 되며, 초소형 LED 소자의 자기 정렬도 전혀 진행되지 않으며, 소량 자기정렬 되어도 전극이 타버리기 때문에 발광하지 않는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 6은 도 5에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대하여 광학현미경으로 확대한 사진이다. 구체적으로 도 6a는 증류수를 투입하여 구현한 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 100배 확대된 광학현미경 사진이고, 도 6b는 증류수를 투입하여 구현한 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 1500배 확대된 광학현미경 사진이다. 도 6에서는 초소형 LED 소자가 전혀 실장되지 않은 채로 한 부분에만 집중적으로 뭉쳐져 있는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 용매(140)는 20℃에서 점도(Viscosity)가 0.3 ~ 1 cP 일 수 있다. 만일, 20℃에서 점도가 0.3 cP 미만이면 초소형 LED 소자가 부유되지 않고 용매만이 과도하게 퍼지기 때문에 초소형 LED 소자가 잘 퍼지지 않는 문제가 발생할 수 있고, 20℃에서 점도가 1cP를 초과하게 되면, 초소형 LED 소자(120)가 정렬될 수는 있으나, 용매(140)와 상기 초소형 LED 소자(120)을 포함하는 용액의 액적 내부에만 실장되기 때문에 목적하는 실장영역 전체에 실장을 할 수 없고, 균등하게 분산되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 이는 초소형 LED 소자(120)가 자기정렬 하는데 있어, 초소형 LED 소자(120)의 전극영역에서의 퍼짐성이 현저히 저하되는 것을 의미한다. 또한, 초소형 LED 소자가 특정 일부분의 전극영역에 과도하게 실장 된 초소형 LED 전극 어셈블리는 사용 중 상기 특정 일부분의 전극의 단락 발생을 현저히 증가시켜 내구성을 저하시키거나 발광되지 않는 문제점이 있다. 나아가, 초소형 LED 소자가 과도하게 밀집하여 실장 된 부분에서 발광하는 광의 강도가 나머지 영역에서 발광하는 광의 강도와 비교했을 때 차이가 현저해지는 불균일 발광의 문제점이 있을 수 있다.
또한, 과도하게 자기정렬이 된 부분을 중심으로 전극에도 영향을 미칠 수 있으며, 이 경우 전극라인에 단락이 발생하게 되고, 단락이 발생한 전극라인에 정렬된 초소형 LED 소자(120)가 전기적으로 연통(도통)되지 않으므로 발광하지 않을 수 있다.
구체적으로, 도 7은 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 용매를 통해 제조 된 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 청색 전계 발광 사진으로써, 도 7a는 명실에서 촬영 한 초소형 LED 소자를 발광시키기 전의 사진이고, 도 7b는 명실에서 촬영한 초소형 LED 소자의 청색 전계 발광사진이며, 도 7c는 암실에서 촬영한 초소형 LED 소자의 청색 전계 발광사진이다. 상기 용매는 이소 프로필 알코올로, 20℃에서 점도가 2.3703 cP 임에 따라 상기 점도 조건을 만족하지 못한다. 도 7에서 확인할 수 있듯이 상기 이소 프로필 알코올은 점도가 크기 때문에, 전원 인가 시 초소형 LED 소자가 자기정렬 되었으나, 초소형 LED 소자와 용매를 포함하는 용액의 액적을 따라 하얀 띠를 이루어 과도하게 집중되어 정렬된 것을 확인할 수 있다. 이는 초소형 LED 소자가 자기정렬 하는데 있어 잘 퍼지지 않는 것을 의미한다. 또한, 과도하게 자기정렬이 된 부분을 중심으로 전극에도 영향을 미치게 되며, 이런 현상이 심해질 경우 전극라인에 단락이 발생하게 되며 결국 단락이 발생한 전극라인에 정렬된 초소형 LED 소자는 전기적으로 연동되지 않으므로 발광하지 않는다.
또한, 도 8은 도 7에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대하여 광학현미경으로 확대한 사진이다. 구체적으로 도 8a는 이소 프로필 알코올을 투입하여 구현한 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 100배 확대된 광학현미경 사진이고, 도 8b는 이소 프로필 알코올을 투입하여 구현한 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 1500배 확대된 광학현미경 사진이다. 도 8에서는 초소형 LED 소자가 자기정렬이 되지만, 점도가 높은 용매를 사용하였기 때문에 전극라인의 외곽까지 골고루 분산되지 않고, 중앙부에 집중되어 뭉쳐서 자기정렬 된 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 조건 (a) 및 조건 (b)를 만족하는 용매(140)를 포함하는 용액은, 상기 조건 (a)를 만족하는 용매의 쌍극자 모멘트와 상기 조건 (b)를 만족하는 전기전도도로 인하여, 초소형 LED 소자(120)가 서로 다른 두 전극상에 이동할 때 정전기적 인력을 유도시켜 이동성을 높여, 초소형 LED 소자(120)의 자기정렬을 용이하게 하고, 전원 인가 시 용매(140)의 증발이 유도되기 쉽다. 또한, 상기 조건 (c)를 만족하는 끓는점과 조건 (d)를 만족하는 증기압으로 인하여, 전원 인가 시 용매(140)가 전극라인 및 초소형 LED 소자(120)에 영향을 미치지 않고 더욱 쉽게 증발이 가능하다. 또한, 점도가 0.3 ~ 1 cP 이기 때문에, 초소형 LED 소자(120)의 이동에 대한 저항성을 감소시켜 이동성을 높이고, 강한 퍼짐성으로 인해 전극라인에 더욱 잘 퍼질 수 있으며, 초소형 LED 소자(120)를 균일하게 자기정렬 시킬 수 있다.
구체적으로 도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따른 용매를 통해 제조 된 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 청색 전계 발광 사진으로써, 도 9a는 명실에서 촬영 한 초소형 LED 소자를 발광시키기 전의 사진이고, 도 9b는 명실에서 촬영한 초소형 LED 소자의 청색 전계 발광사진이며, 도 9c는 암실에서 촬영한 초소형 LED 소자의 청색 전계 발광사진이다. 상기 용매는 메틸에틸케톤으로, 쌍극자 모멘트가 2.76 D, 20℃에서 전기 전도도가 20 μS/m, 끓는점이 79.6℃, 20℃에서 증기압이 10.40 kPa 및 20℃에서 점도가 0.426 cP 임에 따라 상기 조건 (a), 조건 (b), 조건 (c), 조건 (d) 및 점도 조건을 모두 만족한다. 도 9에서 확인할 수 있듯이 메틸에틸케톤은 전극라인 및 초소형 LED 소자의 손상 없이 용매가 증발하여 초소형 LED 소자의 자기정렬이 우수한 것을 확인할 수 있으며, 전극라인에 초소형 LED 소자가 골고루 분산되어 균일하게 자기 정렬 되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 10은 도 9에 따른 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리에 대하여 광학현미경으로 확대한 사진이다. 구체적으로 도 10a는 용매로 메틸에틸케톤을 사용한 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 100배 확대된 광학현미경 사진이고, 도 10b는 용매로 메틸에틸케톤을 사용한 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 1500배 확대된 광학현미경 사진이다. 도 10에서는 초소형 LED 소자가 전극라인의 어느 한 곳에 집중되지 않고, 골고루 분산되어 실장 되고, 소자가 뭉치는 것도 최소화된 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 (2) 단계를 설명한다. (2) 단계로서, 상기 제1 실장전극(110)과 제2 실장전극(130)에 초소형 LED 소자(120)의 단부를 각각 연결시키기 위하여 상기 전극라인에 전원을 인가하여 복수개의 초소형 LED 소자(120)들을 자기정렬 시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 초소형 LED 전극어셈블리에 포함된 복수개의 초소형 LED 소자(120)들은 제1 실장전극(110)과 제2 실장전극(130)에 전원을 인가함으로써 자기정렬 되어도 1c와 같이 제1 실장전극(110)과 제2 실장전극(130)에 연결된다.
이때, 상기 전원은 전극상에 자기정렬 되어 실장 되는 초소형 LED 소자의 정렬성을 보다 현저히 향상시켜 실장 되는 초소형LED 소자의 단위면적 당 개수를 현저히 증가시키고, 어느 일 방향으로의 선형편광에 가까운 부분편광을 출사하기 위하여 상기 전원은 전압이 0.1~2000 Vpp이고 주파수가 10 Hz~200 GHz일 수 있으며, 보다 바람직하게는 전압이 0.1 ~ 1000 Vpp 이고 주파수가 10Hz~100GHz일 수 있다. 또한, 상기 전원은 진폭과 주기를 갖는 변동하는 전원일 수 있으며, 그 파형은 싸인파와 같은 정현파 또는 정현파가 아닌 파형들로 구성된 펄스파 일 수 있다. 그 예로서 교류 전원을 인가하거나, 또는 직류 전원을 초당1000 회 동안 제1 전극에 0V, 30V, 0V, 30V, 0V, 30V 반복하여 인가하고 제2 실장전극에는 제1 실장전극과 상반되게 30V, 0V, 30V, 0V, 30V, 0V를 반복하여 인가함으로써 진폭과 주기를 갖는 변동하는 전원을 만들 수도 있다.
만일 상기 전원의 전압이 1000 Vpp를 초과하는 경우 상기 주파수 범위를 만족하는 경우라도 실장 되는 초소형 LED 소자가 현저히 감소하며, 높은 전압이 전극에 미치는 영향이 강해져 심할 경우 전극라인에 단락이 발생할 수 있는 문제점이 있을 수 있다. 만일 상기 전압이 0.1 Vpp미만인 경우 주파수 범위를 만족하더라도 낮은 전압에 의해 전압이 과다할 때보다도 더 적은 수의 초소형 LED 소자가 실장 될 수 있고, 동시에 실장 되는 초소형 LED 소자의 정렬도가 현저히 저하될 수 있다.
또한, 만일 주파수가 10 Hz 미만일 경우 전압범위를 만족하더라도 실장 되는 초소형 LED 소자의 개수가 현저히 저하되고, 소자간의 정렬 정도 또한 현저히 불규칙해지는 문제점이 있다. 또한, 만일 주파수가 1000 GHz를 초과하는 경우 초소형 LED 소자가 변화하는 극성을 따라가지 못해 자기 정렬이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있을 수 있다.
구체적으로 자기정렬을 위해 인가시키는 전원의 종류 및 전압, 주파수의 조건에 있어서, 상기 전원이 단순히 진폭과 주기를 갖는 변동하는 전원이고, 그 파형이 싸인파와 같은 정현파 또는 정현파가 아닌 파형들로 구성된 펄스파든 상관이 없으며, 전원의 전압(진폭)이 0.1V 내지 1000 V 이고, 주파수는 10 Hz 내지 100 GHz 일 수 있는데, 이 때 초소형 소자의 정렬성 즉, 소자간에 장축방향이 실질적으로 평행에 가깝고, 더 나아가 상기 장축방향이 실장전극에 수직에 가깝도록 실장됨에 따라 단일 초소형 LED 소자가 실장되기 위해 차지하는 전극라인의 면적이 최소화되어 한정된 실장전극영역에 실장시킬 수 있는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시킬 수 있고, 이를 통해 구현된 초소형 LED 전극 어셈블리는현저히 높은 강도의 광을 출사할 수 있다.
한편, 자기정렬 되는 초소형 LED 소자들은 용매에 포함되어 전극 라인에 투입되는데 상기 초소형 LED 소자들은 두 전극의 전위차에 의해 형성된 전기장의 유도에 의해 초소형 LED 소자에 비대칭적으로 전하가 유도되므로 초소형 LED 소자의 양끝단이 마주 보고 있는 서로 다른 두 전극 사이에 자기정렬 할 수 있다. 이후 상기 용매는 증발되어 전극에섬블리상에서 제거될 수 있는데, 상기 용매의 증발은 초소형 LED 소자의 자기정렬과 동시 또는 초소형 LED 소자의 자기정렬 후에 일어나는 것이 바람직하다. 상기 초소형 LED 소자는 5 내지 120 초 동안 전원을 인가함으로써 서로 다른 두 전극에 연결될 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조의 용도로써 매우 적합한 용매를 포함하며, 상기 용매는 하기의 조건 (a) 및 (b)를 만족한다.
(a) 쌍극자 모멘트(Dipole moment)가 1.5 D 이상
(b) 20℃에서 전기 전도도(Electrical conductivity)가 5 μS/m 이상
상기 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조용 용매는 상술한 제조방법의 (1) 단계에서 투입된 용매의 설명과 동일하여 이하 구체적인 설명을 생략한다. 상기 용매는, 초소형 LED 소자를 화학적, 물리적으로 손상시키지 않고, 복수개의 초소형 LED 소자들의 자기정렬을 보다 용이하게 하며, 실장 되는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시키는 동시에, 초소형 LED 소자가 서로 다른 두 전극상에 이동할 때 정전기적 인력을 유도시켜 이동성 및 자기 정렬성을 높이고, 초소형 LED 소자의 이동에 대한 저항성을 감소시켜 이동성을 더욱 높일 수 있으며, 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리의 제조에 매우 적합하다.
이상에서 본 발명에 대하여 도면을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명의 실시예를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 설명한다. 이때, 하기 실시예들은 발명의 이해를 돕고, 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
석영(Quartz) 재질의 두께 800 ㎛ 베이스기판상에 도 1a와 같은 전극라인을 제조하였다. 이때 상기 전극라인에서 제1 실장 전극의 폭은 3 ㎛, 제2 실장 전극의 폭은 3 ㎛, 상기 제1 실장 전극과 인접한 제2 실장 전극 간의 간격은 2 ㎛, 전극의 두께는 0.2㎛이었으며, 제1 실장 전극 및 제2 실장 전극의 재질은 타이타늄/골드이고, 상기 전극라인에서 초소형 LED 소자가 실장 되는 영역의 면적은 4.2 x 107㎛2이었다.
이후, 용매는 메틸에틸케톤을 사용하였으며, 하기 표 1과 같은 스펙을 갖고, 도2와 같은 구조를 가지며, 초소형 LED 소자의 활성층 부분 외부면에 절연피막이 0.02㎛의 두께로 코팅된 초소형 LED 소자를 메틸에틸케톤 100 중량부에 대해 1.0 중량부 혼합하여 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 제조하였다.
상기 전극라인에 최소전압 -30V 및 최대전압 30V와 950 kHz의 주파수를 갖는 사인파의 교류 전원을 5분 동안 인가하여, 상기 제조된 용액을 상기 베이스 기판상의 전극라인 영역에 9㎕씩 9번 떨어뜨려 초소형 LED 소자를 자기 정렬하였다. 이후 초소형 LED 소자와 전극라인의 컨택 향상을 위해 급속열처리(rapid thermal annealing)를 이용하여 질소 분위기 5.0×10- 1torr의 압력에서 810℃에서, 2분 간 열처리를 진행한 후 LED 소자의 발광을 확인하였다.
구분 재질 길이(㎛) 직경(㎛)
제1 전극층 크롬 0.03 0.5
제1 도전성반도체층 n-GaN 2.14 0.5
활성층 InGaN 0.1 0.5
제2 도전성 반도체층 p-GaN 0.2 0.5
제2 전극층 크롬 0.03 0.5
절연피막 산화알루미늄 - 0.02(두께)
초소형 LED 소자 - 2.5 0.52
<실시예 2 ~ 6 및 비교예>
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 하기 표 2와 같이 용매의 종류를 변경하여 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예 6 비교예
사용용매 메틸에틸케톤 이소프로필알코올 증류수 헥사메틸 인산 트리아미드 아세토니트릴 디에틸 에테르 n-헥산
쌍극자 모멘트 수치(D) 2.76 1.66 1.85 5.37 3.92 1.15 0.08
조건(a)/조건(e) ○ / ○ ○ / × ○ / × ○ / × ○ / ○ × / × × / ×
20℃에서의 전기 전도도 수치(μS/m) 20 6 5.50 1.25 700 4×10-5 < 10-6
조건(b)/조건(f) ○ / ○ ○ / × ○ / × × / × ○ / × × / × × / ×
끓는점 (℃)/ 조건(c)만족여부 79.6
/ ○		 82.6
/ ○		 100
/ ×		 232.5
/ ×		 82
/ ○		 34.48
/ ○		 68.8
/ ○
20 ℃에서의 증기압 (kPa)/조건(d) 10.4
/ ○		 4.399
/ ○		 2.338
/ ×		 0.004
/ ×		 11.84
/○		 58.66
/ ○		 17.60
/ ○
20 ℃에서의 점도 (cP)/점도조건 0.426/ ○ 2.3703
/ ×		 1.005/ × 3.25
/ ×		 0.35
/ ○		 0.2488
/ ×		 0.3258
/ ○
< 실험예 >
실시예 1~6 및 비교예에 따라 제조된 초소형 LED 전극 어셈블리에 대하여, 청색을 발광하는 초소형 LED 소자의 개수를 광학현미경을 통해 관찰하여 그 수를 카운팅 한 후, 하기 표 3에 나타내었다.
구분 실장된 초소형 LED 소자의 개수 청색 발광하는 초소형 LED 소자의 개수
실시예 1 41532 2457
실시예 2 30156 1136
실시예 3 1055 0
실시예 4 9890 541
실시예 5 21981 238
실시예 6 6016 389
비교예 5451 264
상기 표 2를 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명의 용매조건을 모두 만족하는 메틸에틸케톤을 용매로 사용한 실시예 1이 본 발명의 용매조건을 만족하지 못하는 용매를 사용한 실시예 2 ~ 6 및 비교예에 비하여, 실장된 초소형 LED 소자의 개수 및 청색 발광하는 초소형 LED 소자의 개수가 현저히 많았으며, 이를 통해 본 발명에 따른 (a), 조건 (b), 조건(c), 조건 (d), 조건 (e), 조건 (f) 및 20℃에서 점도가 0.3 ~ 1 cP를 모두 만족하는 메틸에틸케톤의 물리적 특성이 본 발명의 초소형 LED 전극어셈블리 제조에 가장 적합하다는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 용매로 이소 프로필 알코올을 사용한 실시예 2는 초소형 LED 소자가 자기정렬 되어 실장된 초소형 LED 소자의 개수는 많았으나, 초소형 LED 소자와 용매를 포함하는 용액의 액적을 따라 하얀 띠를 이루어 과도하게 집중되어 정렬된 것을 도 7을 통해 확인할 수 있다. 이는 초소형 LED 소자가 자기정렬 하는데 있어 잘 퍼지지 않는 것을 의미하고, 또한, 과도하게 자기정렬이 된 부분을 중심으로 전극에도 영향을 미치게 되며, 이런 현상이 심해질 경우 전극라인에 단락이 발생하게 된다. 표 3에서, 실시예 1에 비하여 실시예 2가 청색 발광하는 초소형 LED 소자의 개수가 현저히 적었으며, 이를 통해, 전극라인에 전기적 단락이 많이 발생했음을 확인할 수 있다.
또한, 용매로 증류수를 사용한 실시예 3은 전극에 전원 인가 시 끓어오르는 현상에 의해 전극이 타버리게 되며, 도 6에서는 초소형 LED 소자가 한 부분에만 집중적으로 뭉쳐져 있는 것을 확인할 수 있다. 표 2에서, 실시예 3은 청색 발광하는 초소형 LED 소자가 전혀 없었으며, 이를 통해, 전극라인에 소자의 자기 정렬이 전혀 진행되지 않은 것을 확인할 수 있다.
또한, 용매로 쌍극자 모멘트가 5.37 D 인 헥사메틸 인산 트리아미드를 사용한 실시예 4는 용매 분자간의 인력이 증가하여 용매의 증발이 원활하지 않아 초소형 LED 소자에 지속적으로 영향을 주게 된다. 표 2에서, 실시예 1에 비하여 실시예 4는 상기와 같은 이유로 청색 발광하는 초소형 LED 소자의 개수가 적었으며, 이를 통해 초소형 LED 소자에 영향을 주었음을 확인할 수 있다.
또한, 용매로 20 ℃에서 전기전도도가 700 μS/m 인 아세토니트릴을 사용한 실시예 5는 높은 전류가 용매를 타고 흘러 회로에 단락이 발생하여 전극라인에 손상이 발생하였다. 표 2에서, 실시예 5는 실장되는 초소형 LED 소자의 개수는 많았지만, 청색 발광하는 초소형 LED 소자의 개수가 현저히 적었으며, 이를 통해 회로에 단락이 발생하여 전극라인에 손상이 발생했음을 알 수 있다.
또한, 20℃에서 점도가 0.2448 cP 인 실시예 6은 초소형 LED 소자를 실장시키고자 하는 영역보다 용액이 과도하게 넓게 퍼지므로 초소형 LED 소자의 사용량이 증가하게 된다. 표 2에서 실시예 1에 비하여 실시예 6은 청색 발광하는 초소형 LED 소자의 개수가 다른 실시예들에 비해 차이가 크지는 않았지만, 과도하게 넓게 퍼지므로 밝지 않았으며(미도시), 이를 통해 초소형 LED 소자가 과도하게 넓게 퍼졌음을 알 수 있다.
또한, 용매로 n-헥산을 사용한 비교예는 쌍극자 모멘트와 전기전도도가 낮기 때문에, 외부 전원이 용매에 전기적으로 영향을 미치지 않으므로 용매의 증발이 유도되지 않았다. 표 3에서 발광을 하는 초소형 LED 소자가 있는 것은, 외부 전원에 의해 용매의 증발을 유도되지 않았으나 자연적으로 증발하면서, 일부의 초소형 LED 소자가 정렬되었기 때문이다. 이를 통해, 전극라인에 소량의 초소형 LED 소자가 정렬되었지만, 전원인가를 통한 초소형 LED 소자의 자기정렬은 진행되지 않은 것을 확인할 수 있다.
100 : 베이스 기판 110 : 제1 실장전극
120 : 초소형 LED 소자 130 : 제2 실장전극
140 : 용매 11 : 제1 전극층
12 : 제2 전극층 21 : 제1 도전성 반도체층
22 : 활성층 23 : 제2 도전성 반도체층
30 : 절연피막 40 : 소수성 피막

Claims (12)

  1. (1) 베이스 기판, 상기 베이스 기판상에 형성된 제 1실장전극 및 상기 제 1실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제 2실장전극을 포함하는 전극라인에 복수개의 초소형 LED 소자 및 용매를 투입하는 단계; 및
    (2) 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 초소형 LED 소자의 단부를 각각 연결시키기 위하여 상기 전극라인에 전원을 인가하여 복수개의 초소형 LED 소자들을 자기정렬 시키는 단계;를 포함하여 제조되며,
    상기 용매는 20℃에서 점도(Viscosity)가 0.3 ~ 1 cP이고, 하기 조건 (a) 및 조건 (b)를 만족하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법.
    (a) 쌍극자 모멘트(Dipole moment)가 2.5 ~ 5.0 D
    (b) 20℃에서 전기 전도도(Electrical conductivity)가 10 ~ 500 μS/m
  2. 제 1항에 있어서, 상기 용매는 하기 조건 (c) 및 조건 (d)를 더 만족하는 것을 특징으로 하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법.
    (c) 끓는점(Boiling point)이 30 ~ 85℃
    (d) 20℃에서 증기압(Vapor pressure)이 3 ~ 100kPa
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 LED 소자의 종횡비(Aspect ratio)는 1.2~100 인 것을 특징으로 하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 LED 소자의 길이는 100nm~10㎛ 인 것을 특징으로 하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (2) 단계에서 인가되는 전원의 전압(진폭)은 0.1~1000 Vpp 이며, 주파수는 10Hz~100GHz인 것을 특징으로 하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 LED 소자는 소자 상호간 응집을 방지하기 위하여 절연피막 외부면에 코팅된 소수성 피막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법.
  9. 전원이 인가된 전극라인 영역에 위치하는 초소형 LED 소자를 전극라인의 서로 다른 두 전극으로 이동 및 자기정렬 시키며,
    20℃에서 점도(Viscosity)가 0.3 ~ 1 cP이고, 하기의 조건 (a) 및 조건 (b)를 만족하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조용 용매.
    (a) 쌍극자 모멘트(Dipole moment)가 2.5 ~ 5.0 D
    (b) 20℃에서 전기 전도도(Electrical conductivity)가 10 ~ 500 μS/m
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 용매는 하기 조건 (c) 및 조건 (d)를 더 만족하는 것을 특징으로 하는 자가 조립형 초소형 LED 전극어셈블리 제조용 용매.
    (c) 끓는점(Boiling point)이 30 ~ 85℃
    (d) 20℃에서 증기압(Vapor pressure)이 3 ~ 100kPa
  11. 삭제
  12. 삭제
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