KR101968527B1 - 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 복수의 반도체 발광소자 패키지들, 및 상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들이 결합되며, 배선전극을 구비하는 배선기판을 포함하고, 상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들은 각각, 복수의 반도체 발광소자들과, 상기 복수의 반도체 발광소자들이 결합되는 지지기판, 및 상기 복수의 반도체 발광소자들이 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀을 형성하도록, 상기 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 일부에서 발생한 빛의 색상을 변환하는 변환층을 포함하고, 상기 적색 서브 픽셀 및 녹색 서브 픽셀 중 적어도 하나에 해당하는 반도체 발광소자는 상기 청색 서브 픽셀에 해당하는 반도체 발광소자와 서로 다른 발광면적을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법{DISPLAY DEVICE USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING}
본 발명은 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 박막형, 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 않다는 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 디스플레이를 구현하여, 상기의 문제점을 해결하는 방안이 제시될 수 있다.
반도체 발광소자의 칩을 다이 형태로 집적화된 패키지를 이용하는 경우에, 칩 크기 및 패키지 크기의 한계 상, 화소가 밀리미터 수준의 크기를 가지기 때문에, 소형 혹은 고해상도 디스플레이 분야에 적합하지 못한 단점이 있다.
따라서, 반도체 발광소자 자체를 디스플레이에 적용하는 기술분야에 대하여 연구가 진행되고 있다. 다만, 개별 발광 소자의 크기가 수십 마이크로미터 이하가 되기 때문에, 통상의 기술로 이 소자들을 핸들링하고 집적하여 목표 디스플레이를 구현하는 일이 매우 어렵게 되며, 공정상 수율이 매우 낮아지는 단점을 가질 수 밖에 없다.
이에 본 발명에서는 수 내지 수십 마이크로미터 크기로 구성되는 반도체 발광소자를 기반으로 하되, 저비용으로 대형 디스플레이를 구현할 수 있는 새로운 구조의 디스플레이 장치를 제안한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0104449호 (2015.09.15. 공개) 일본 공개특허공보 특개2003-158296호 (2003.05.30. 공개)
본 발명의 일 목적은 고해상도를 지원하면서도 제조가 용이한 새로운 구조의 디스플레이 장치 및 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 반도체 발광소자의 배치 및 대량 생산에 적합한 디스플레이 장치 및 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 웨이퍼 상에서 구현되는 초소형 반도체 발광소자를 픽셀 단위로 분리하며, 픽셀 내에서 적색, 녹색 및 청색의 발광면적을 달리하여 고해상도를 구현한다.
구체적인 예로서, 상기 디스플레이 장치는, 복수의 반도체 발광소자 패키지들, 및 상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들이 결합되며, 배선전극을 구비하는 배선기판을 포함한다. 상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들은 각각, 복수의 반도체 발광소자들과, 상기 복수의 반도체 발광소자들이 결합되는 지지기판, 및 상기 복수의 반도체 발광소자들이 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀을 형성하도록, 상기 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 일부에서 발생한 빛의 색상을 변환하는 변환층을 포함한다. 상기 적색 서브 픽셀 및 녹색 서브 픽셀 중 적어도 하나에 해당하는 반도체 발광소자는 상기 청색 서브 픽셀에 해당하는 반도체 발광소자와 서로 다른 발광면적을 가질 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 반도체 발광소자들은 상기 지지기판에 결합되어 하나의 반도체 발광소자 패키지를 형성하는 제1반도체 발광소자, 제2반도체 발광소자 및 제3반도체 발광소자를 포함한다.
상기 제1반도체 발광소자, 제2반도체 발광소자 및 제3반도체 발광소자는 다른 크기로 형성되어 상기 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀에 각각 배치된다.
상기 지지기판은 상기 제1반도체 발광소자, 제2반도체 발광소자 및 제3반도체 발광소자가 배치되는 제1영역, 제2영역 및 제3영역을 구비하고, 상기 제1영역, 제2영역 및 제3영역은 크기가 서로 다르게 이루어진다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 반도체 발광소자들 중 어느 하나의 제1도전형 반도체층은 다른 하나의 제1도전형 반도체층과 다른 형상으로 이루어진다. 상기 적색 서브 픽셀에 해당하는 반도체 발광소자의 제1도전형 반도체층은 서로 수직한 양 방향으로 연장되는 형상으로 이루어질 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 반도체 발광소자들 중 어느 하나의 제2도전형 반도체층은 다른 하나의 제2도전형 반도체층과 다른 면적의 상면을 가질 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 지지기판은 실리콘 재질로 형성되며, 상기 지지기판에는 실리콘 관통전극들이 형성된다.
상기 지지기판에는 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제1도전형 전극들에 각각 연결되는 공통전극이 형성될 수 있다. 상기 실리콘 관통전극들은 상기 공통전극과 연결되는 하나의 관통전극과, 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제2도전형 전극들에 각각 연결되는 복수의 관통전극들을 구비할 수 있다.
또한, 본 발명은, 복수의 반도체 발광소자들과, 상기 복수의 반도체 발광소자들이 결합되는 지지기판, 및 상기 복수의 반도체 발광소자들이 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀을 형성하도록, 상기 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 일부에서 발생한 빛의 색상을 변환하는 변환층을 포함하고, 상기 적색 서브 픽셀 및 녹색 서브 픽셀 중 적어도 하나에 해당하는 반도체 발광소자는 상기 청색 서브 픽셀에 해당하는 반도체 발광소자와 서로 다른 발광면적을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지를 개시한다.
또한, 본 발명은, 성장기판상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 차례로 성장시키는 단계와, 상기 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층을 식각하여, 상기 기판상에서 복수의 반도체 발광소자들을 형성하는 단계와, 상기 복수의 반도체 발광소자들에 전극을 형성하는 단계와, 상기 성장기판의 일면에 상기 복수의 반도체 발광소자들의 사이를 충전하는 절연층을 형성하는 단계와, 상기 복수의 반도체 발광소자들을 지지기판에 결합하고, 상기 성장기판을 제거하는 단계, 및 상기 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 일부에서 발생한 빛의 색상을 변환하는 변환층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 성장기판상에서 형성된 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 하나는 다른 반도체 발광소자와 서로 다른 발광면적을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법을 개시한다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치에서는, 적색, 녹색 및 청색의 서브 픽셀의 발광면적이 서로 다르므로, 각 서브 픽셀의 구동 전류를 동일하게 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치에서는, 적색, 녹색 및 청색의 서브 픽셀이 웨이퍼 상에서 구현되며, 다이싱 공정 등을 통해 픽셀 단위로 분리할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 실리콘 관통전극을 구비하는 지지기판을 이용하여 웨이퍼 레벨로 일대일 전사를 구현한다.
본 발명에서는, 대부분의 공정이 웨이퍼 상에서 구현되기 때문에, 높은 수율과 일괄 공정이 가능하며, 나아가 높은 정밀도로 디스플레이 장치의 제조가 가능하게 된다. 나아가 실리콘 기판이 이용되므로 제조원가가 저렴해질 수 있다.
본 발명에서는 분리된 픽셀이 단위기판을 형성할 수 있으며, 단위기판은 크기가 매우 작아 사이니지 등 대형 디스플레이의 픽셀 간격을 축소하는 데 매우 적합하다. 이 경우에, 개별의 반도체 발광소자보다 단위기판이 더 크므로, 반도체 발광소자를 픽 앤 플레이스하는 경우보다, 보다 제조가 용이하게 될 수 있다.
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 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 11은 도 10의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이다.
도 12는 도 10의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 반도체 발광소자 패키지의 평면도이고, 도 14는 지지기판의 평면도이다.
도 15a 내지 도 15d 및 도 16a 내지 도 16e는 도 10의 디스플레이 장치의 제조방법을 나타내는 개념도들이다.
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 디스플레이에서는 성장기판에서 성장한 반도체 발광소자를 이방성 전도성 필름(ACF, anisotropic conductive film)을 이용하여 배선기판에 전사한다. 하지만, 이러한 방법은 제조 신뢰성을 확보하기가 어렵고, 제조비가 높은 단점이 있다. 특히, 디지털 사이니지의 경우에 플렉서블의 성질이 요구되지 않으므로, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이에서는 다른 접근 방식이 필요하다.
이하, 본 발명에서는 전술한 기술적 난점을 극복하고 목표로 하는 초소형 마이크로 발광 다이오드 기반의 고해상도 디스플레이 구현을 위하여, 새로운 방식의, 수 내지 수십 마이크로미터 크기로 구성되는 초소형 청색 발광 다이오드 기반의 디스플레이용 픽셀 구조 및 그 제조방법을 제안한다.
더욱 상세하게는, 본 발명에서는 지지 기판에 전사된 초소형 청색 반도체 발광소자가 서브 픽셀(단위 화소)을 이루고, 색을 변환하는 변환층이 적층되어 하나의 반도체 발광소자 패키지를 이루는 구조와, 이를 이용하여 구동전류를 균일하게 하는 것을 제시한다.
이하, 반도체 발광소자 패키지를 활용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한 부분 사시도이고, 도 11은 도 10의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이며, 도 12는 도 10의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이며, 도 13은 본 발명의 반도체 발광소자 패키지의 평면도이고, 도 14는 지지기판의 평면도이다.
도 10, 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14의 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) 및 복수의 반도체 발광소자 패키지(1050)를 포함한다.
기판(1010)은 제1전극(1020) 및 제2전극(1040)이 배치되는 배선기판이 될 수 있다. 따라서 상기 제1전극(1020) 및 제2전극(1040)은 기판(1010) 상에 위치할 수 있다. 이 때에, 상기 제1전극(1020) 및 제2전극(1040)은 배선전극이 될 수 있다.
상기 기판(1010)은 절연성은 있으나, 플렉서블이 아닌 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(1010)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질 어느 것이나 될 수 있다.
본 도면들을 참조하면, 기판(1010)의 일면에는 반도체 발광소자 패키지(1050)가 결합된다. 예를 들어, 반도체 발광소자 패키지(1050)의 전극이 솔더링 등에 의하여 배선전극에 결합될 수 있다. 이 경우에 앞선 실시예에서 설명한 전도성 접착층은 배제될 수 있다.
상기 복수의 반도체 발광소자 패키지(1050)는 웨이퍼 상에서 픽셀 단위로 면취한 것으로서, 하나의 반도체 발광소자 패키지(1050)는 복수의 반도체 발광소자(1051, 1052, 1053), 변환층(1080) 및 지지기판(1090)을 구비한다.
복수의 반도체 발광소자(1051, 1052, 1053)는 각각, 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색의 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다.
이러한 예로서, 상기 복수의 반도체 발광 소자(1050)는 n-Gan, p-Gan, AlGaN, InGan 등 다양한 계층으로 형성되는 질화갈륨 박막이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 복수의 반도체 발광소자(1050)는 녹색의 빛을 발광하는 발광소자로 구현될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 반도체 발광 소자(1050)는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다. 상기 반도체 발광 소자(1050)는 제1도전형 전극(1156), 제1도전형 전극(1156)이 형성되는 제1도전형 반도체층(1155), 제1도전형 반도체층(1155) 상에 형성된 활성층(1154), 활성층(1154) 상에 형성된 제2도전형 반도체층(1153) 및 제2도전형 반도체층(1153) 상에서 제1도전형 전극(1156)과 수평방향으로 이격 배치되는 제2도전형 전극(1152)을 포함한다. 이 경우에, 상기 제1도전형 전극(1156)과 제1도전형 반도체층(1155)은 p형 전극과 p형 반도체층이 될 수 있고, 상기 제2도전형 전극(1152)과 제2도전형 반도체층(1153)은 n형 전극과 n형 반도체층이 될 수 있다. 또한, 상기 활성층(1154)은 상기 p형 반도체층과 n형 반도체층의 사이에 형성될 수 있다.
도시에 의하면, 복수의 반도체 발광소자(1051, 1052, 1053)은 3개의 서브픽셀이 되며, 이들이 조합되어 1개의 RGB 픽셀을 구성한다. 즉, 복수의 반도체 발광소자(1051, 1052, 1053)가 각각 적색 서브 픽셀(RSP), 녹색 서브 픽셀(GSP) 및 청색 서브 픽셀(BSP)을 형성한다. 이 경우에, 상기 적색 서브 픽셀(RSP) 및 녹색 서브 픽셀(GSP) 중 적어도 하나에 해당하는 반도체 발광소자(1051, 1052)는 상기 청색 서브 픽셀(BSP)에 해당하는 반도체 발광소자(1053)와 서로 다른 발광면적을 가지게 된다.
예를 들어, 상기 복수의 반도체 발광소자들은 상기 지지기판(1090)에 결합되어 하나의 반도체 발광소자 패키지(1050)를 형성하는 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)를 포함할 수 있다. 하나의 패키지에 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)만이 구비되며, 이들은 서로 다른 발광면적을 가지는 청색 반도체 발광소자가 될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)는 다른 크기로 형성되어 상기 적색 서브 픽셀(RSP), 녹색 서브 픽셀(GSP) 및 청색 서브 픽셀(BSP)에 각각 배치될 수 있다. 이러한 예로서, 어느 하나의 반도체 발광소자의 n형 반도체층은 다른 하나의 반도체 발광소자의 n형 반도체층과 다른 면적의 상면을 가질 수 있다. 상기 상면은 상기 배선기판과 가장 먼 면으로서, 반도체 발광소자에서 빛이 방출되는 출사면이 될 수 있다. 즉, 상기 n형 반도체층은 각각 직육면체로 형성되나, 상기 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)에서 서로 다른 면적의 상하면을 가지게 된다.
다만, 상기 n형 반도체층의 상면에는 언도프된(Undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이 경우에는 상기 언도프된 반도체층에서 상기 배선기판으로부터 가장 먼 상면이 상기 반도체 발광소자에서 빛이 방출되는 출사면이 될 수 있다. 나아가, 상기 언도프된 반도체층의 상면에는 roughing 에 의하여 미세홈들이 형성될 수 있다.
또한, 도시에 의하면, 상기 복수의 반도체 발광소자들(1051, 1052, 1053) 중 어느 하나의 p형 반도체층은 다른 하나의 p형 반도체층과 다른 형상으로 이루어질 수 있다. 이러한 예로서, 상기 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)는 각각 직육면체로 형성되나, 상기 제1반도체 발광소자(1051)는 다른 형상이 될 수 있다. 이 경우에, 상기 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)는 각각 상하면이 서로 다른 면적으로 형성될 수 있다.
상기 녹색 서브 픽셀(GSP)에 해당하는 반도체 발광소자의 p형 반도체층은 상기 청색 서브 픽셀(BSP)에 해당하는 반도체 발광소자의 p형 반도체층보다 면적이 더 크도록 이루어진다. 상기 적색 서브 픽셀(RSP)에 해당하는 반도체 발광소자의 p형 반도체층은 서로 수직한 양 방향으로 연장되는 형상으로 이루어진다. 예를 들어, p형 반도체층은 2개의 직육면체가 일체화된 형상으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1반도체 발광소자(1051)의 p형 반도체층은 상기 제2반도체 발광소자(1052)의 p형 반도체층과 평행하게 연장되는 베이스부(1155a)와, 상기 베이스부(1155a)에서 상기 제2반도체 발광소자의 p형 반도체층과 수직한 방향으로 돌출되는 돌출부(1155b)를 구비할 수 있다. 따라서, 상기 제1반도체 발광소자(1051)의 p형 반도체층의 면적이 가장 크게 형성될 수 있다.
p형 반도체층이 상기에서 설명된 형상이므로, 상기 p형 반도체층에 오버랩되는 활성층(1154)도 상기 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)의 순으로 큰 면적을 가질 수 있다. 이를 통하여, 상기 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)는 서로 다른 발광면적을 가지게 된다.
다만, 본 발명은 반드시 상기에서 설명된 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 발광면적을 달리하기 위하여 각 서브 픽셀의 일 방향의 길이는 동일하나 상기 일 방향에 수직한 타방향으로 폭이 다른 구조도 가능하다. 이 경우에, 적색 서브 픽셀(RSP)의 폭이 가장 크고, 다음으로 녹색 서브 픽셀(GSP)의 폭이 크며, 청색 서브 픽셀(BSP)의 폭이 가장 작을 수 있다. 이에 대응하도록, 상기 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)의 순으로 폭이 작아질 수 있다.
상기에서 설명된 바와 같이, 본 예시에서는 광 효율이 적은 적색의 발광면적이 가장 크므로 각 서브 픽셀의 구동 전류를 동일하여도, 적색의 광량이 충분하게 된다. 효율이 적색보다 좋으나, 청색보다 낮은 녹색의 경우에도 구동 전류를 청색 픽셀과 동일하게 하여도 충분한 광량을 확보하게 된다. 광 효율은 본 예시에서 변환층과 청색 반도체 발광소자를 이용하기에, 각 서브 픽셀에서 달라지게 된다.
전술한 바와 같이, 반도체 발광소자 패키지(1050)는, 복수의 반도체 발광소자(1051, 1052, 1053)를 덮도록 배치되는 변환층(1080)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자들은 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 변환층(1080)은 상기 청색(B) 광을 황색, 백색, 적색, 녹색 등의 색상으로 변환하는 기능을 수행한다. 이 때에, 각 화소에서 변환되는 색상을 서로 달라질 수 있다. 이러한 예로서, 녹색의 화소에서는 청색광을 황색으로 변환하고, 적색의 화소에서는 청색광을 적색과 황색이 혼합되는 파장으로 변환하는 것도 가능하다.
도시에 의하면, 상기 변환층(1080)은 빛의 파장을 변환하는 복수의 형광체부(1081, 1082)를 구비한다. 이 경우에, 상기 복수의 형광체부(1081, 1082)의 사이에는 격벽(1084)이 형성될 수 있다.
예를 들어, 복수의 형광체부(1081, 1082)는 적색의 화소를 이루는 위치에 배치되는 제1형광체부(2081)와 녹색의 화소를 이루는 위치에 배치되는 제2형광체부(1082)을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1형광체부(1081)과 제2형광체부(1082)의 각각에는 청색 반도체 발광 소자(1051, 1052)의 청색 광을 적색 광이나 녹색 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체와 녹색 형광체가 구비될 수 있다. 이 때에, 청색의 화소를 이루는 위치에서는 색을 변환하지 않는 광투과성 물질(1083)이 배치될 수 있다. 상기 광투과성 물질(1083)은 가시광선 영역에서 투과율이 높은 물질로서, 예를 들어 에폭시 계열의 PR(포토 레지스트), PDMS(polydimethylsiloxane), 레진 등이 이용될 수 있다.
다른 예로서, 상기 제1형광체부(1081)과 제2형광체부(1082)에는 청색 반도체 발광 소자(1051, 1052)의 청색 광을 황색 광이나 백색 광으로 변환시킬 수 있는 황색 형광체가 구비될 수 있다. 이 경우에는, 황색 광이나 백색 광이 컬러필터를 투과하면서 적색, 녹색 및 청색으로 변환될 수 있다.
한편, 복수의 형광체부(1081, 1082)는 격벽(1084)에 의하여 구획될 수 있다. 이를 위하여, 상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들은 각각 격벽(1084)을 구비할 수 있다. 상기 격벽(1084)은 개별 서브 픽셀을 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 상기 반도체 발광소자들의 사이에 배치될 수 있다.
또한, 상기 격벽(1084)은 포토레지스트, 광학 고분자 소재, 기타 공업용 플라스틱 소재 등을 구비할 수 있다. 또한, 상기 격벽(1084)으로 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 이 경우에, 상기 격벽(1084)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.
또한, 격벽(1084) 상에는 반사특성 향상을 위한 반사막 구조가 도입될 수 있다. 즉, 격벽(1084)의 양측 가장자리에 금속, 유전박막 등 다양한 구조의 반사막이 배치될 수 있다.
개별 서브 픽셀이 단위 픽셀로서 서로 분리되며, 이들이 조합되어 하나의 픽셀을 형성하고, 상기 픽셀이 하나의 패키지로서 배선기판에 장착되는 구조를 위하여, 상기 격벽(1084)은 가장자리부(1085)와 구획부(1086)를 구비한다. 상기 가장자리부(1085)는 패키지들 각각의 가장자리를 따라 형성되며, 상기 구획부(1086)는 상기 가장자리부(1085)에서 돌출되어 상기 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀의 사이를 구획한다.
도시에 의하면, 반도체 발광소자 패키지는 직사각형의 평면을 가지며, 상기 격벽에 의하여 서로 다른 면적의 3개의 영역으로 구획된다. 상기 3개의 영역이 각각의 서브 픽셀에 해당하는 영역이 되며, 이들의 면적을 달리하기 위하여, 상기 구획부(1086)는 제1부분(1086a)과 제2부분(1086b)을 구비할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1부분(1086a)은 일방향으로 연장되며, 상기 제2부분(1086b)은 상기 제1부분(1086a)에서 상기 일방향과 수직한 타방향으로 돌출된다. 구체적으로, 상기 제1부분(1086a)은 상기 제1반도체 발광소자(1051) 및 제3반도체 발광소자(1053)와, 제2반도체 발광소자(1052)의 사이에 배치된다. 상기 제2부분(1086b)은 상기 제1부분(1086a)에서 상기 제1부분(1086a)과 수직한 방향으로 돌출되어 상기 제1반도체 발광소자(1051) 및 제3반도체 발광소자(1053)를 구획한다. 이러한 구조를 통하여, 컴팩트한 공간내에서, 복수의 형광체부(1081, 1082)와 청색에 해당하는 광투과성 물질이 채워지는 부분의 각각이 서로 다른 면적을 가지게 될 수 있다.
도시에 의하면, 컬러 필터(CF)가 상기 변환층(1080)을 덮도록 배치된다. 보다 구체적으로, 접착층(미도시)에 의하여 상기 컬러 필터(CF)와 상기 파장 변환층(1080)이 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 접착층이 상기 컬러 필터(CF)와 상기 변환층(1080)의 사이에 배치됨에 따라, 상기 컬러 필터(CF)가 상기 변환층(1080)에 부착될 수 있다.
이 경우에, 상기 컬러 필터(CF)는 빛을 선택적으로 투과하여 적색, 녹색 및 청색을 구현하도록 이루어진다. 컬러 필터(CF)는 적색 파장, 녹색 파장 및 청색 파장을 필터링하는 각각의 부분들을 구비하며, 상기 각각의 부분들이 반복 배치되는 구조를 가질 수 있다. 이 때에, 제1형광체부(1081)과 제2형광체부(1082)의 상측에는 적색을 필터링하는 부분(CF1) 및 녹색을 필터링하는 부분(CF2)이 배치되고, 청색의 화소를 이루는 부분의 광투과성 물질(1083)을 덮도록 청색을 필터링하는 부분(CF3)이 배치될 수 있다. 상기 필러링하는 부분들(CF1, CF2, CF3)의 사이에는 블랙 매트릭스(BM)가 배치될 수 있다.
이와 같이 본 예시에서는, 변환층(1080), 격벽(1084) 및 컬러 필터(CF)와 조합되어 적색, 녹색, 및 청색의 단위화소를 구현하게 된다.
상기의 구조에 의하여 구현된 서브 픽셀들은 지지기판(1090)에 의하여 지지된다.
도시에 의하면, 상기 지지기판(1090)은 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)가 배치되는 제1영역(1091), 제2영역(1092) 및 제3영역(1093)을 구비한다. 이 경우에, 상기 제1영역(1091), 제2영역(1092) 및 제3영역(1093)은 크기가 서로 다른 영역이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1영역(1091), 제2영역(1092) 및 제3영역(1093)은 각각 상기 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀에 해당하는 영역이 될 수 있다. 따라서, 상기 제1영역(1091), 제2영역(1092) 및 제3영역(1093)의 경계는 상기 격벽(1084)에 의하여 설정될 수 있다.
상기 지지기판(1090)은 실리콘 재질로 형성되며, 상기 지지기판(1090)에는 실리콘 관통전극(TSV: Through Silicon Via)이 형성된다.
상기 실리콘 관통전극(TSV)은 비아 홀에 도전물질이 채워짐에 의하여 형성될 수 있다. 이와 같이, 실리콘 관통전극(TSV)을 구비하는 지지기판(1090)을 이용함에 따라, 웨이퍼 레벨에서 일대일 전사가 매우 용이하게 될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 지지기판(1090)이 식각이 가능한 실리콘 기판이므로, 상기 식각에 의하여 실리콘 관통전극(TSV)이 형성될 수 있다. 상기 실리콘 관통전극(TSV)은 상기 반도체 발광소자와 오버랩되는 위치에서 상기 지지기판(1090)을 관통한다.
상기 실리콘 관통전극(TSV)은 각각의 반도체 발광소자에 대응하도록 복수로 구비될 수 있다. 서브 픽셀을 기준으로 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)에 대응하도록 제1관통전극(TSV1), 제2관통전극(TSV2) 및 제3관통전극(TSV3)이 배치될 수 있다. 이 경우에, 상기 제1관통전극(TSV1), 제2관통전극(TSV2) 및 제3관통전극(TSV3)은 각각 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)의 제2도전형 전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 연결을 위하여, 상기 지지기판의 일측면에는 상기 제1관통전극(TSV1), 제2관통전극(TSV2) 및 제3관통전극(TSV3)을 덮도록 전극패드(1094)이 배치될 수 있다.
한편, 상기 지지기판에는 상기 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)의 제1도전형 전극과 전기적으로 연결되는 제4관통전극(TSV4)이 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지기판(1090)에는 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제1도전형 전극들에 각각 연결되는 공통전극(1095)이 형성될 수 있다.
상기 공통전극(1095)이 상기 제4관통전극(TSV4)으로 연장됨에 따라, 상기 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)의 제1도전형 전극은 상기 제4관통전극(TSV4)을 공통 관통전극으로 하여 상기 지지기판의 타측면으로 전기적으로 이어지게 된다. 상기 제1관통전극(TSV1), 제2관통전극(TSV2), 제3관통전극(TSV3) 및 제4관통전극(TSV4)의 하부에는 하부전극(1096)이 각각 배치될 수 있다.
상기에서 설명된 구조에 의하면, 상기 실리콘 관통전극들은 상기 공통전극과 연결되는 하나의 관통전극(TSV4)과, 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제2도전형 전극들에 각각 연결되는 복수의 관통전극들(TSV1, TSV2, TSV3)을 구비하게 된다.
한편, 도시에 의하면, 상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들은 각각, 상기 복수의 반도체 발광소자들을 기준으로 상기 변환층(1080)의 반대측에서 상기 복수의 반도체 발광소자들을 덮는 절연층(1086)을 구비할 수 있다.
상기 절연층(1086)은 언더필층으로서, 상기 반도체 발광소자의 사이를 충전하도록 이루어지며, 지지기판(1090)의 일면에 형성되어 반도체 발광소자가 상기 지지기판에 합착되도록 한다. 이를 위하여, 상기 절연층(1086)은 절연성 외에도 접착성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 절연층(1086)은 개별 소자간의 광 간섭을 제거하고 광 추출을 향상하기 위하여 광 반사도가 높은 소재로 형성될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 절연층(1086)은 수지와 반사입자를 구비할 수 있다. 상기 수지는 상기 지지기판에 적층되어 상기 복수의 반도체 발광소자들의 사이를 채우도록 이루어지고, 상기 반사입자는 상기 수지에 혼합될 수 있다.
이 경우에, 상기 수지는 아크릴, 에폭시, 폴리이미드, 폴리머가 혼합된 코팅제, 또는 포토레지스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 반사입자는 산화티탄, 알루미나, 산화마그네슘, 산화안티몬, 산화지르코늄 및 실리카 중 적어도 하나를 구비할 수 있다. 한편, 상기 반사입자는 백색안료가 될 수 있다.
상기에서 설명된 구조에 의하면, 상기 반도체 발광소자 패키지는 지지기판(1090)을 단위기판으로 하여, 하나의 픽셀을 형성하게 된다. 즉, 상기 반도체 발광소자 패키지(1050)는 웨이퍼 상에서 다이싱 등을 통하여 면취한 것으로서, 픽 앤 플레이 등에 의하여 배선기판(1010)으로 이동될 수 있다.
예를 들어, 상기 배선기판(1010)과 상기 반도체 발광소자 패키지(1050)의 사이에는 상기 배선기판(1010)의 배선전극(1020, 1040)보다 저융점의 재질로 이루어지는 저융점부(1097)가 배치될 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 배선기판(1010)의 배선전극(1020, 1040)과 상기 지지기판(1090)의 하부전극(1096)의 사이에 저용점부(1097)가 배치되어, 전기적 결합을 구현한다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 저융점부(1097)는 상기 배선전극과 상기 복수의 반도체 발광소자의 도전형 전극을 각각 감싸도록 이루어질 수 있다.
이러한 예로서, 상기 저융점부(1097)는 솔더 물질로 상기 배선전극에 도금될 수 있다. 상기 솔더 물질은 예를 들어, Sb, Pd, Ag, Au 및 Bi 중 적어도 하나가 될 수 있다. 이 경우에, 상기 배선전극에 솔더가 증착되고, 열에너지를 이용하여 솔더링이 실시될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 배선기판(1010)은 상기 지지기판(1090)보다 넓은 면적으로 이루어질 수 있다. 복수의 지지기판이 상기 배선기판(1010) 상에 기설정된 간격으로 배치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치가 구현될 수 있다. 상기 반도체 발광소자 패키지들의 사이는 도시된 바와 같이 빈 공간으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 빈 공간은 절연재질 등에 의하여 충전되거나, 상기 단위기판이 상기 빈 공간이 없도록 서로 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기에서 설명한 구조에 의하면, 본 예시와 같이 웨이퍼 상에서 개별 픽셀로 구별한 반도체 발광소자 패키지를 이용하여 각 서브 픽셀의 구동 전류를 동일하게 제어할 수 있는 디스플레이 장치가 구현된다. 한편, 상기 디스플레이 장치는 새로운 방법에 의하여 제조될 수 있다.
이하, 본 발명에 적용되는 제조방법에 대하여, 도면을 참조하여 예시한다.
도 15a 내지 도 15d 및 도 16a 내지 도 16e는 도 10의 디스플레이 장치의 제조방법을 나타내는 개념도들이다.
먼저, 제조방법에 의하면, 성장기판에 n형 반도체층(1153), 활성층(1154), p형 반도체층(1155)을 각각 성장시킨다(도 15a).
성장기판(W)은 상기 반도체 발광소자가 성장하는 기판으로서, 사파이어 기판이 이용될 수 있다. 또한, 상기 성장기판은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로서, 열전도성이 큰 SiC 기판 또는 GaAs, GaP, InP, Ga2O3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
n형 반도체층(1153)이 성장하면, 다음은, 상기 n형 반도체층(1153) 상에 활성층(1154)을 성장시키고, 다음으로 상기 활성층(1154) 상에 p형 반도체층(1155)을 성장시킨다. 각각의 반도체층은 질화갈륨을 구비할 수 있다. 이 때에, 상기 n형 반도체층(1153)의 성장전에, 언도프된(Undoped) 반도체층(미도시)을 먼저 성장시킬 수 있다.
이와 같이, 언도프된(Undoped) 반도체층, n형 반도체층(1153), 활성층(1154) 및 p형 반도체층(1155)을 순차적으로 성장시키면, 도 15a에 도시된 것과 같이, 마이크로 반도체 발광소자의 적층 구조가 형성된다. 본 예시에서는, 청색 반도체 발광 소자의 적층구조로서 반도체가 성장될 수 있다.
상기 마이크로 반도체 발광소자의 적층 구조는 질화갈륨 박막으로서, n-GaN, p-GaN, AlGaN, InGaN등 다양한 계층으로 구성될 수 있다. 이 경우에, 광원으로 구동 하는데 문제가 없이 성장된다면 박막의 구성성분, 소재, 두께 등은 목적에 적합하게 선택하여 진행한다.
다음으로, 상기 n형 반도체층(1153)의 적어도 일부가 노출되도록 활성층(1154) 및 p형 반도체층(1155)의 적어도 일부를 제거한다(도 15b).
보다 구체적으로, 형성된 질화 갈륨 박막을 식각, 페시배이션(passivation) 등을 진행하여 수~수백 마이크로미터 크기의 단위 발광 다이오드의 구조를 형성한다. 단위 구조는 1개의 픽셀을 구성할 수 있다. 본 실시예는 3개의 서브픽셀이 1개의 픽셀을 구성하며, 따라서 3개의 위치에서 활성층(1154) 및 p형 반도체층(1155)이 제거되지 않고 남아있게 된다.
이 경우에, 상기 활성층(1154) 및 p형 반도체층(1155)은 수직방향으로 일부가 제거되어, 상기 n형 반도체층(1153)이 외부로 노출된다. 이를 통하여, 복수의 발광소자들의 메사 공정이 수행된다. 메사 공정에 의하여, 상기 활성층(1154)이 반도체 발광소자의 발광부분이 되며, 본 예시에서는 3개의 위치에서 상기 발광면적이 서로 다른 반도체 발광소자들이 형성되도록 상기 활성층(1154) 및 p형 반도체층(1155)이 식각된다. 상기 발광면적이 서로 다른 반도체 발광소자들에 대한 자세한 구조는 도 10 내지 도 14를 참조하여 전술한 내용으로 갈음한다.
이후에, 복수의 발광소자들이 발광 소자 어레이를 형성하도록 상기 n형 반도체층(1153)과 언도프된(Undoped) 반도체층을 식각하여 아이솔레이션(isolation)이 수행된다. 이와 같이, p형 반도체층(1155), 활성층(1154), n형 반도체층(1153) 및 언도프된(Undoped) 반도체층을 식각하여 상기 기판상에서 복수의 마이크로 반도체 발광소자를 형성한다.
상기 메사와 이이솔레션을 통하여, 상기 성장기판(W) 상에서 형성된 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 하나는 다른 반도체 발광소자와 서로 다른 발광면적을 가지게 된다.
다음으로, 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 구현되도록, 상기 복수의 반도체 발광소자에 전극을 형성한다. 예를 들어, 상기 n형 반도체층(1153)과 상기 p형 반도체층(1155)에 n형 전극(1152) 및 p형 전극(1156, 도 11 참조)를 각각 형성한다(도 15c).
상기 n형 전극(1152) 및 p형 전극(1156)은 스퍼터링 등의 증착 방법으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이 때에, 상기 n형 전극(1152)은 전술한 제2도전형 전극이 되고, 상기 p형 전극(1156)은 제1도전형 전극이 될 수 있다.
다음으로, 상기 성장기판(W)의 일면에 상기 복수의 반도체 발광소자들의 사이를 충전하는 절연층을 형성한다(도 15d).
상기 절연층(1086)은 언더필층으로서, 상기 반도체 발광소자의 사이를 충전하도록 이루어지며, 상기 반도체 발광소자가 지지기판(1090)에 합착되도록 한다.
상기와 같은 공정에 의하여, 기본 구조가 완료되면 지지기판(1090)과의 합착을 수행한다. 즉, 상기 복수의 반도체 발광소자들을 지지기판(1090)에 결합하고, 상기 성장기판(W)을 제거한다(도 16a).
합착은 온도, 압력, 혹은 이 둘의 혼합, 또는 접착용 물질 등을 활용하여 접착하게 된다. 접착이 완료된 후에 성장기판(W)이 제거된다. 이 때에, 성장기판(W)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다. 다른 방법으로, 기계연마 등도 가능하며, 전술한 방법들의 혼합 등도 가능하다. 상기 복수의 반도체 발광소자들은 복수의 반도체 발광소자(1051, 1052, 1053, 도 10 참조)을 구비할 수 있다. 이 경우에, 청색의 제1반도체 발광소자(1051), 제2반도체 발광소자(1052) 및 제3반도체 발광소자(1053)가 웨이퍼 상에서 픽셀 단위로 패키지될 수 있다.
다음으로, 상기 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 일부에서 발생한 빛의 색상을 변환하는 변환층(1080)을 형성한다.
먼저, 각 칩의 기능적 분리 및 서브 픽셀의 색 구현을 위한 격벽 형성 작업을 수행한다(도 16b). 격벽(1084)은 서브 픽셀의 영역을 명확히 구분해 줄 수 있는 방식으로 형성되며, 그 재료는 포토레지스트, 광학 고분자 소재, 기타 공업용 플라스틱 소재 등 형태를 구현할 수 있는 다양한 소재가 활용 가능하다. 격벽(1084)에 대한 상세 구조는 도 10 및 도 14를 참조하여 전술한 내용으로 갈음한다.
격벽 형성이 끝나면 형광체 도포 공정을 수행한다(도 16c). 형광체 도포는 격벽(1084)의 사이에 형성된 공간에 형광체를 충전하는 방식으로 수행이 된다. 형광체는 bar-coating, spray coating 등 다양한 수단으로 충전되며, 형광체의 종류에 따라서 일괄적으로 충전하거나 선택적으로 충전할 수 있다. 충전 공정이 끝나면 도시된 것처럼 변환층(1080)이 형성되며, 이에 대한 자세한 구조는 도 10 및 도 14를 참조한 설명으로 갈음한다.
다음으로, 상기 변환층(1080)의 일면에 형광체에서 방출되는 빛을 필터링하는 컬러 필터(CF)를 부착한다(도 16d).
상기 컬러 필터(CF)의 부착을 위하여 별도의 접착층이 구비될 수 있으며, 상기 접착층은 OCA 나 OCR 등을 구비할 수 있다.
이 경우에, 상기 컬러 필터(CF)는 빛을 선택적으로 투과하여 적색, 녹색 및 청색을 구현하도록 이루어진다. 이 경우에, 변환층(1080)과 컬러 필터(CF)가 조합되어 적색, 녹색, 및 청색의 단위화소를 구현하게 된다.
상기 컬러 필터(CF)는 디스플레이의 색 품질을 향상하고 잔여 청색광을 제거하기 위해서 적용될 수 있다. 이 경우에, 형광체 변환 이후의 색상이 충분히 정확하다면 컬러 필터(CF)는 선택적으로 적용할 수 있다. 또한, 컬러 필터(CF)가 형성된 이외의 부분에는 블랙 매트릭스(BM)가 덮여질 수 있다. 상기 블랙 매트릭스(BM)에 의하여 보다 고품질의 디스플레이가 높은 명암비를 가질 수 있게 된다.
제작된 초소형 청색 반도체 발광소자 기반의 디스플레이용 RGB 픽셀은 개별적으로 분리 되어 PCB 혹은 대상 기판에 부착 하여 디스플레이를 구현하게 된다.
구체적으로, 상기 지지기판을 복수의 단위기판들로 준비하고, 상기 단위기판들을 배선기판(1010)에 기설정된 간격으로 결합한다(도 16e).
상기 배선기판(1010)은 통상적으로 PCB가 사용되나, 연성 PCB 혹은 기타 다른 기판일 수 있으며, 이는 구현 목적에 따라 선택될 수 있다. 이 경우에, 접착 방식도, pick and place, self assembly, solder reflow 등 다양한 방식이 사용 가능하다. 다른 예로서, 상기에서 설명된 디스플레이 장치에는 반도체 발광소자 패키지가 상기 금속 솔더링 대신에 전도성 접착층에 의하여 배선기판에 부착될 수 있다.
본 예시에서는 배선기판(1010)에 solder bump 를 형성 하고 pick and place 방식을 사용하여 접착한 경우를 도시하였으며, 이 공정이 끝나면 도 15e와 같은 형태로 제작이 완료된다. 최종적으로는 배선기판(1010) 상에 다수의 소자가 배열, 집적하게 되어 디스플레이를 구현하게 된다.
상기에서 설명한 구조에 의하면, 본 예시와 같이 웨이퍼 상에서 개별 픽셀로 구별한 반도체 발광소자 패키지를 이용하여 대면적의 디스플레이 장치가 구현될 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 (20)

  1. 복수의 반도체 발광소자 패키지들; 및
    상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들이 결합되며, 배선전극을 구비하는 배선기판을 포함하고,
    상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들은 각각,
    복수의 반도체 발광소자들;
    상기 복수의 반도체 발광소자들이 결합되는 지지기판; 및
    상기 복수의 반도체 발광소자들이 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀을 형성하도록, 상기 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 일부에서 발생한 빛의 색상을 변환하는 변환층을 포함하고,
    상기 적색 서브 픽셀 및 녹색 서브 픽셀 중 적어도 하나에 해당하는 반도체 발광소자는 상기 청색 서브 픽셀에 해당하는 반도체 발광소자와 서로 다른 발광면적을 가지며,
    상기 지지기판은 실리콘 재질로 형성되며, 상기 지지기판에는 실리콘 관통전극들이 형성되며,
    상기 실리콘 관통전극들 중 어느 일부는 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제1도전형 전극들과 전기적으로 연결되고, 다른 일부는 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제2도전형 전극들과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 발광소자들은 상기 지지기판에 결합되어 하나의 반도체 발광소자 패키지를 형성하는 제1반도체 발광소자, 제2반도체 발광소자 및 제3반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1반도체 발광소자, 제2반도체 발광소자 및 제3반도체 발광소자는 다른 크기로 형성되어 상기 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지지기판은 상기 제1반도체 발광소자, 제2반도체 발광소자 및 제3반도체 발광소자가 배치되는 제1영역, 제2영역 및 제3영역을 구비하고,
    상기 제1영역, 제2영역 및 제3영역은 크기가 서로 다른 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1반도체 발광소자, 제2반도체 발광소자 및 제3반도체 발광소자는 발광면적이 서로 다른 청색 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 발광소자들은 각각,
    상기 제1도전형 전극들 및 제2도전형 전극들이 각각 형성되는 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층; 및
    상기 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층의 사이에 형성되는 활성층을 포함하는 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 발광소자들 중 어느 하나의 제1도전형 반도체층은 다른 하나의 제1도전형 반도체층과 다른 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적색 서브 픽셀에 해당하는 반도체 발광소자의 제1도전형 반도체층은 서로 수직한 양 방향으로 연장되는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 어느 하나의 제2도전형 반도체층은 상기 다른 하나의 제2도전형 반도체층과 다른 면적의 상면을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 지지기판에는 상기 제1도전형 전극들에 각각 연결되는 공통전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘 관통전극들은 상기 공통전극과 연결되는 하나의 관통전극과, 상기 제2도전형 전극들에 각각 연결되는 복수의 관통전극들을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들은 각각, 상기 복수의 반도체 발광소자들을 기준으로 상기 변환층의 반대측에서 상기 복수의 반도체 발광소자들을 덮는 절연층을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들은 각각 격벽을 구비하고,
    상기 격벽은 상기 복수의 반도체 발광소자 패키지들 각각의 가장자리를 따라 형성되는 가장자리부와, 상기 가장자리부에서 돌출되어 상기 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀의 사이를 구획하는 구획부를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 구획부는 일방향으로 연장되는 제1부분과, 상기 제1부분에서 상기 일방향과 수직한 타방향으로 돌출되는 제2부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  16. 복수의 반도체 발광소자들;
    상기 복수의 반도체 발광소자들이 결합되는 지지기판; 및
    상기 복수의 반도체 발광소자들이 적색 서브 픽셀, 녹색 서브 픽셀 및 청색 서브 픽셀을 형성하도록, 상기 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 일부에서 발생한 빛의 색상을 변환하는 변환층을 포함하고,
    상기 적색 서브 픽셀 및 녹색 서브 픽셀 중 적어도 하나에 해당하는 반도체 발광소자는 상기 청색 서브 픽셀에 해당하는 반도체 발광소자와 서로 다른 발광면적을 가지며,
    상기 지지기판은 실리콘 재질로 형성되며, 상기 지지기판에는 실리콘 관통전극들이 형성되며,
    상기 실리콘 관통전극들 중 어느 일부는 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제1도전형 전극들과 전기적으로 연결되고, 다른 일부는 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제2도전형 전극들과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 발광소자들은 상기 지지기판에 결합되어 하나의 반도체 발광소자 패키지를 형성하는 제1반도체 발광소자, 제2반도체 발광소자 및 제3반도체 발광소자를 포함하는 반도체 발광소자 패키지.
  18. 삭제
  19. 성장기판상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 차례로 성장시키는 단계;
    상기 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층을 식각하여, 상기 기판상에서 복수의 반도체 발광소자들을 형성하는 단계;
    상기 복수의 반도체 발광소자들에 전극을 형성하는 단계;
    상기 성장기판의 일면에 상기 복수의 반도체 발광소자들의 사이를 충전하는 절연층을 형성하는 단계;
    상기 복수의 반도체 발광소자들을 지지기판에 결합하고, 상기 성장기판을 제거하는 단계; 및
    상기 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 일부에서 발생한 빛의 색상을 변환하는 변환층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 성장기판상에서 형성된 복수의 반도체 발광소자들 중 적어도 하나는 다른 반도체 발광소자와 서로 다른 발광면적을 가지며,
    상기 지지기판은 실리콘 재질로 형성되며, 상기 지지기판에는 실리콘 관통전극들이 형성되며,
    상기 실리콘 관통전극들 중 어느 일부는 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제1도전형 전극들과 전기적으로 연결되고, 다른 일부는 상기 복수의 반도체 발광소자들의 제2도전형 전극들과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 지지기판을 복수의 단위기판들로 준비하고, 상기 단위기판들을 배선기판에 기설정된 간격으로 결합하는 단계를 더 포함하는 디스플레이 장치의 제조방법.
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