KR102115188B1 - 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 디스플레이 장치는 복수의 금속패드를 구비하는 기판; 및 자가조립을 통하여 상기 금속패드들과 전기적으로 연결되는 반도체 발광소자를 포함한다. 상세하게, 상기 금속패드는 상기 반도체 발광소자의 도전형 전극과 전기적으로 연결되는 접합금속; 및 상기 접합금속을 감싸는 코팅층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치{DISPLAY DEVICE USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광소자를 이용한 플렉서블 디스플레이에 장치에 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 않다는 취약점이 존재한다.
한편, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광소자로서, 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 발광소자를 이용하여 디스플레이를 구현하여, 상기의 문제점을 해결하는 방안이 제시될 수 있다.
이와 같이, 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이의 경우에 대화면의 디스플레이 장치의 구현이 어렵다. 따라서, 최근에는 자가조립 방식으로 반도체 발광소자가 기판에 결합되는 제조방법이 개발되고 있다. 하지만, 종래의 자가조립 방식은 수용액 상에서 이루어지며, 자가조립이 수행되는 수용액에 의하여 기판과 반도체 발광소자의 결합을 형성해주는 접합금속의 유실이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 자가조립 방식으로 반도체 발광소자를 기판에 결합시키는 경우 접합금속의 유실이 방지될 수 있는 디스플레이장치에 대하여 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 디스플레이 장치에서 반도체 발광소자의 자가조립 시에 접합금속의 유실을 최소화 할 수 있는 구조를 제공하고, 디스플레이 장치의 기판에 배치되는 접합금속의 유실을 최소화 할 수 있는 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는 복수의 금속패드를 구비하는 기판; 및 자가조립을 통하여 상기 금속패드들과 전기적으로 연결되는 반도체 발광소자를 포함한다. 상세하게, 상기 금속패드는 상기 반도체 발광소자의 도전형 전극과 전기적으로 연결되는 접합금속; 및 상기 접합금속을 감싸는 코팅층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 접합금속은 구리(Cu), 은(Ag), 인듐(In), 주석(Sn), 비스무트(Bi) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 코팅층은 양친매성 유기물로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 코팅층은 올레산으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 양친매성 유기물의 친수성부는 상기 접합금속의 자연 산화막과 정전기적 결합을 형성하여 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 반도체 발광소자를 성장기판에서 성장시키는 단계; 상기 반도체 발광소자를 상기 성장기판으로부터 분리하고, 임시기판에 상기 반도체 발광소자를 고정시키는 단계; 유체가 채워진 챔버에서 상기 임시기판으로부터 상기 반도체 발광소자를 분리시키는 단계; 및 유체가 채워진 챔버에서 자가조립을 통하여 복수의 금속패드가 형성된 기판에 상기 반도체 발광소자를 결합하는 단계를 포함한다. 나아게, 상기 기판의 금속패드 형성에 있어서, 상기 기판에 상기 반도체 발광소자와 오믹접촉을 형성하도록 금속층을 형성하는 단계; 상기 기판에 반도체 발광소자의 도전형 전극과 전기적으로 연결되는 접합금속을 형성하는 단계; 및 상기 접합금속을 감싸는 코팅층을 형성하는 단계를 포함하여 금속패드를 형성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 반도체 발광소자를 성장기판에서 성장시키는 단계 및 반도체 발광소자를 분리시키는 단계 사이에, 상기 반도체 발광소자를 감싸도록 형성하는 희생층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 희생층은 습식 식각 공정으로 제거되는 층인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 반도체 발광소자를 분리시키는 단계에서, 상기 희생층이 유체에서 습식 식각되며 상기 임시기판으로부터 상기 반도체 발광소자가 분리되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 접합금속을 감싸는 코팅층을 형성하는 단계에서, 상기 접합금속을 감싸는 코팅층은 양친매성 유기물로 형성되고, 상기 양친매성 유기물을 포함하는 소정 농도의 용액에 상기 접합금속이 형성된 상기 기판을 침지시켜 상기 양친매성 유기물이 상기 접합금속표면에 자기정렬하고, 상기 양친매성 유기물의 친수성부는 상기 접합금속의 자연 산화막과 정전기적 결합을 형성하여 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 금속패드가 형성된 기판에 상기 반도체 발광소자를 결합하는 단계에서, 상기 코팅층이 형성된 금속패드와 상기 반도체 발광소자가 유체 내에서 서로 충돌하여 상기 코팅층의 표면장력으로 상기 접합금속의 외곽으로 상기 코팅층이 밀려나면서 상기 반도체 발광소자와 결합하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 접합 금속을 감싸는 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 금속패드가 형성된 기판에 상기 반도체 발광소자를 결합하는 단계가 복수회 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치에서는, 접합금속을 코팅하는 코팅층을 구비하여 접합금속을 자가조립이 수행되는 수용액에 의한 접합금속의 유실이 방지될 수 있어 반복 조립을 수행하더라도 반도체 발광소자의 조립율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 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 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 7은 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 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 디스플레이 장치가 적용된 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분 확대도이다.
도 11은 도 10의 E-E를 따라 취한 단면도이다.
도 12 내지 도 14은 본 발명에 따른 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 발광소자를 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 발광소자에 의하여 구현될 수 있다. 본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광소자의 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 발광소자를 나타내는 개념도이고, 도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 2, 도 3a 및 도 3b의 도시에 의하면, 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치(100)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치(100)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광소자에도 적용 가능하다.
상기 디스플레이 장치(100)는 기판(110), 제1전극(120), 전도성 접착층(130), 제2전극(140) 및 복수의 반도체 발광소자(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 발광소자(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 발광소자(150)를 열 및 압력을 가하여 플립 칩 형태로 접속시키면, 상기 반도체 발광소자(150)는 제1전극(120) 및 제2전극(140)과 전기적으로 연결된다.
도 4를 참조하면, 상기 반도체 발광소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광소자가 될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 발광소자는 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 발광소자(150)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 보조전극을 중심으로 좌우의 반도체 발광소자들의 p형 전극들이 하나의 보조전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 열 및 압력에 의하여 전도성 접착층(130)의 내부로 반도체 발광소자(150)가 압입되며, 이를 통하여 반도체 발광소자(150)의 p형 전극(156)과 보조전극(170) 사이의 부분과, 반도체 발광소자(150)의 n형 전극(152)과 제2전극(140) 사이의 부분에서만 전도성을 가지게 되고, 나머지 부분에서는 반도체 발광소자의 압입이 없어 전도성을 가지지 않게 된다. 이와 같이, 전도성 접착층(130)은 반도체 발광소자(150)와 보조전극(170) 사이 및 반도체 발광소자(150)와 제2전극(140) 사이를 상호 결합시켜줄 뿐만 아니라 전기적 연결까지 형성시킨다.
또한, 복수의 반도체 발광소자(150)는 발광소자 어레이(array)를 구성하며, 발광소자 어레이에는 형광체층(180)이 형성된다.
발광소자 어레이는 자체 휘도값이 상이한 복수의 반도체 발광소자들을 포함할 수 있다. 각각의 반도체 발광소자(150)는 단위 화소를 구성하며, 제1전극(120)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 제1전극(120)은 복수 개일 수 있고, 반도체 발광소자들은 예컨대 수 열로 배치되며, 각 열의 반도체 발광소자들은 상기 복수 개의 제1전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 반도체 발광소자들이 플립 칩 형태로 접속되므로, 투명 유전체 기판에 성장시킨 반도체 발광소자들을 이용할 수 있다. 또한, 상기 반도체 발광소자들은 예컨대 질화물 반도체 발광소자일 수 있다. 반도체 발광소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광소자(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 발광소자(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 발광소자(150)의 외면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광소자이고, 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 발광소자(151) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(181)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광소자(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 발광소자(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 발광소자(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 발광소자(150)는 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색을 비롯한 다양한 빛을 발광하는 고출력의 발광소자로 구현될 수 있다.
이 경우, 반도체 발광소자(150)는 각각 단위 화소(sub-pixel)를 이루기 위하여 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광소자일 수 있다. 예컨대, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광소자(R, G, B)가 교대로 배치되고, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광소자에 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 발광소자는 황색 형광체층이 개별 소자마다 구비된 백색 발광소자(W)를 구비할 수 있다. 이 경우에는, 단위 화소를 이루기 위하여, 백색 발광소자(W) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비될 수 있다. 또한, 이러한 백색 발광소자(W) 상에 적색, 녹색, 및 청색이 반복되는 컬러 필터를 이용하여 단위 화소를 이룰 수 있다.
도 5c를 참조하면, 자외선 발광소자(UV) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비되는 구조도 가능하다. 이와 같이, 반도체 발광소자는 가시광선뿐만 아니라 자외선(UV)까지 전영역에 사용가능하며, 자외선(UV)이 상부 형광체의 여기원(excitation source)으로 사용가능한 반도체 발광소자의 형태로 확장될 수 있다.
본 예시를 다시 살펴보면, 반도체 발광소자(150)는 전도성 접착층(130) 상에 위치되어, 디스플레이 장치에서 단위 화소를 구성한다. 반도체 발광소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 화소를 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광소자(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 발광소자(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 발광소자의 거리가 상대적으로 충분히 크게 된다. 따라서, 이러한 경우, HD화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있게 된다.
상기에서 설명된 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치는 새로운 형태의 제조방법에 의하여 제조될 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여 상기 제조방법에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광소자를 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 발광소자(150)가 위치된 제2기판(112)을 상기 반도체 발광소자(150)가 보조전극(170) 및 제2전극(140)와 대향하도록 배치한다.
이 경우에, 제2기판(112)은 반도체 발광소자(150)를 성장시키는 성장 기판으로서, 사파이어(spire) 기판 또는 실리콘(silicon) 기판이 될 수 있다.
상기 반도체 발광소자는 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 발광소자(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 발광소자(150)가 상기 이방성 전도성 필름의 내부로 삽입되며, 이를 통하여 반도체 발광소자(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 발광소자들(150)을 외부로 노출시킨다. 필요에 따라, 반도체 발광소자(150)가 결합된 배선기판 상을 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 코팅하여 투명 절연층(미도시)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 반도체 발광소자(150)의 일면에 형광체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광소자이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 적색 형광체 또는 녹색 형광체가 상기 청색 반도체 발광소자의 일면에 레이어를 형성할 수 있다.
한편, 도 6에서 설명된 반도체 발광소자(1050)과 전극들의 조립의 방법으로는 대화면의 디스플레이 장치의 구현이 어렵다. 따라서, 반도체 발광소자와 전극을 포함하는 기판을 용액에 침지시켜 조립하는 자가조립 방식으로 반도체 발광소자가 기판에 결합되는 제조방법이 개발되고 있다.
이상에서 설명된 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법이나 구조는 여러가지 형태로 변형될 수 있다. 또한 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법의 다른 예로서, 상기에서 설명된 디스플레이 장치에는 수직형 반도체 발광소자도 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 발광소자를 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 발광소자를 이용한 디스플레이 장치가 될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 기판(210), 제1전극(220), 전도성 접착층(230), 제2전극(240) 및 복수의 반도체 발광소자(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 발광소자가 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 발광소자(250)를 열 및 압력을 가하여 접속시키면, 상기 반도체 발광소자(250)가 제1전극(220)과 전기적으로 연결된다. 이 때, 상기 반도체 발광소자(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 발광소자(250)와 제1전극(220) 사이에서 전기적 연결뿐만 아니라 기계적 결합까지 구현한다.
이와 같이, 반도체 발광소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광소자(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 발광소자(250)는 수직형 구조가 될 수 있다.
수직형 반도체 발광소자들의 사이에는, 제1전극(220)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되고, 수직형 반도체 발광소자(250)와 전기적으로 연결된 복수의 제2전극(240)이 위치한다.
도 9를 참조하면, 이러한 수직형 반도체 발광소자는 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 발광소자(250)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다시 도 8을 참조하면, 상기 반도체 발광소자(250)의 일면에는 형광체층(280)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광소자(250)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광소자(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 발광소자(251) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(281)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광소자(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 발광소자(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 발광소자가 적용된 디스플레이 장치에서 전술한 바와 같이, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
다시 본 실시예를 살펴보면, 제2전극(240)은 반도체 발광소자들(250) 사이에 위치하고, 반도체 발광소자들(250)과 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 반도체 발광소자들(250)은 복수의 열로 배치되고, 제2전극(240)은 반도체 발광소자들(250)의 열들 사이에 위치할 수 있다.
개별 화소를 이루는 반도체 발광소자(250) 사이의 거리가 충분히 크기 때문에 제2전극(240)은 반도체 발광소자들(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 발광소자(250)는 제2전극(240)에서 돌출된 연결 전극에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 연결 전극이 반도체 발광소자(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 발광소자(250)의 n형 전극이 전기적으로 연결될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 상에 위치될 수 있다. 경우에 따라, 반도체 발광소자(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 발광소자(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 발광소자(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 발광소자(250) 사이에는 격벽(290)이 위치할 수 있다. 즉, 개별 화소를 이루는 반도체 발광소자(250)를 격리시키기 위하여 수직형 반도체 발광소자(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 발광소자(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 발광소자(250) 사이의 전도성 접착층(230) 상에 바로 위치된 경우, 격벽(290)은 수직형 반도체 발광소자(250) 및 제2전극(240)의 사이사이에 위치될 수 있다. 따라서, 반도체 발광소자(250)를 이용하여 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있고, 반도체 발광소자(250)의 거리가 상대적으로 충분히 크게 되어 제2전극(240)을 반도체 발광소자(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 발광소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 따라서, 반도체 발광소자에 의하여 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이루는 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다.
상기에서 설명된 본 발명의 디스플레이 장치는 대화면의 디스플레이 장치의 구현이 어렵다는 문제가 있다. 이에, 반도체 발광소자를 자가조립 방식으로 기판에 결합되는 제조방법이 개발되고 있지만 수율이 높지 않다. 이는 자가조립 방식이 수용액 상에서 이루어지며, 자가조립이 수행되는 산성의 수용액에 의하여 기판과 반도체 발광소자의 결합을 형성해주는 접합금속의 유실이 발생한다는 한계가 있기 때문이다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 구조의 디스플레이 장치를 제시한다. 이하, 접합금속을 코팅하는 코팅층을 구비하여 접합금속을 자가조립이 수행되는 수용액에 의한 접합금속의 유실이 방지될 수 있어 반복 조립을 수행하더라도 반도체 발광소자의 조립율이 향상된 구조의 디스플레이 장치에 대하여 설명한다.
도 10은 새로운 구조의 디스플레이 장치의 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분 확대도이다. 도 11은 도 10의 E-E를 따라 취한 단면도이다.
도 10과 도 11의 도시에 의하면, 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광소자에도 적용 가능하다.
디스플레이 장치(1000)는 기판(1010), 금속패드(1020), 절연부재(1030), 제2전극(1040) 및 복수의 반도체 발광소자(1050)를 포함한다.
기판(1010)은 제1기판층(1011) 및 제2기판층(1012)을 포함할 수 있다. 제1기판층(1011)은 실리콘 또는 산화실리콘으로 형성된 기판일 수 있다. 한편, 제1기판층(1011)은 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드, 플루오로폴리머수지, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리아미드, 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성이 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능하다.
또한, 기판(1010)의 제2기판층(1012)은 반도체 발광소자(1050)의 아래에 배치되어 반도체 발광소자(1050)의 하부방향으로 진행하는 반도체 발광소자(1050)의 광을 반사시키는 역할을 수행할 수도 있다. 이에 제2기판층(1012)은 반도체 발광소자(1050)의 광을 반사시키기 위하여 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd) 및 구리(Cu)를 포함할 수도 있다.
금속패드(1020)는 반도체 발광소자(1050)를 전기적으로 연결하는 전극으로써, 전술된 제1전극의 역할을 수행할 수 있다. 금속패드(1020)는 금속층(1021), 접합금속(1022) 및 코팅층(1023)을 포함할 수 있다.
금속층(1021)은 반도체 발광소자(1050)와 오믹접촉(ohmic contact)을 형성할 수 있다. 이에, 금속층(1021)은 오믹접촉을 형성할 수 있는 은(Ag) 또는 크로뮴(Cr)을 포함할 수 있다.
접합금속(1022)은 금속층(1021) 상에 구비되고, 반도체 발광소자(1050)와 전기적으로 연결될 수 있다. 접합금속(1022)은 솔더 페이스트로 형성할 수 있다. 솔더 페이스트는 도 13에서 후술되는 산성 용액에서의 자기조립을 통하여 반도체 발광소자(1050)와 접합을 형성하도록 형성될 수 있도록 구리(Cu), 은(Ag), 인듐(In), 주석(Sn), 비스무트(Bi) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 하지만, 접합금속(1022)에 대한 열거 사항은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
코팅층(1023)은 접합금속(1022)을 감싸도록 형성될 수 있다. 코팅층(1023)은 양친매성 유기물로 형성될 수 있다. 양친매성 유기물은 분자의 양 끝단에 각각 친수성부와 소수성부를 가지는 물질이다.
코팅층(1023)을 형성하는 양친매성 유기물은 접합금속(1022)과 정전기적 결합을 형성하여 접합금속(1022)를 둘러싸도록 형성된다. 상세하게, 양친매성 유기물의 친수성부는 접합금속(1022)의 표면과 정전기적 결합을 형성하여 코팅층(1023)이 형성될 수 있다. 덧붙여 접합금속(1022)의 표면은 자연 산화막이 형성되어 친수성 표면으로 개질되고, 이에 양친매성 유기물의 친수성부는 접합금속(1022)의 표면의 자연 산화막과 결합이 쉽게 형성될 수 있다.
나아가, 양친매성 유기물의 친수성부는 하이드록실기(-OH), 카복시기(-COOH), 아민기(-NH2), 술폰산기(-SO3H), 인산기(-OPO3H2) 및 술폰산염(-OSO3H) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 한편, 양친매성 유기물의 소수성부는 물분자와 친화성이 없는 탄화수소, 할로겐화알킬 및 유기규소화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 양친매성 유기물은 올레산(Elaidic acid, C18H34O2)으로 형성될 수 있다. 이에, 올레산의 카복시기가 접합금속(1022)의 표면의 자연 산화막에 결합하고, 올레산의 소수기는 접합금속(1022)의 표면과 반대 방향으로 향하여 배열될 수 있다.
절연부재(1030)는 도 11에서 도시하는 것과 같이 기판상에 배치되고, 반도체 발광소자(1050)를 감쌀 수 있다. 절연부재(1030)는 유연성을 갖는 고분자 소재로 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 폴리메틸페닐실록산(polymethylphenylsiloxane, PMPS)을 포함할 수 있다.
또한, 절연부재(1030)는 투면 레진 또는 광반사물질을 포할 수 있다. 이에, 외부환경으로부터 반도체 발광소자(1050)를 보호할 수 있으며 동시에 광효율을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
상세하게, 절연부재(1030)에 포함되는 상기 광반사물질은 굴절률을 조정하기 위한 충진재로서, 수나노미터 입경을 가지는 이산화실리콘(SiO2), 이산화타이타늄(TiO2), 산화아연(ZnO2) 와 같은 광반사물질 필러(filler)를 포함할 수 있다.
한편, 반도체 발광소자(1050)는 제1도전형 전극(1056) 및 제2도전형 전극(1052), 제1도전형 전극(1056)이 배치되는 제1도전형 반도체층(1055), 제1도전형 반도체층(1055)과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극(1052)이 배치되는 제2도전형 반도체층(1053) 및 제1도전형 반도체층(1055)과 제2도전형 반도체층(1053) 사이에 배치되는 활성층(1054)을 포함한다.
또한, 반도체 발광소자(1050)의 제1도전형 전극(1056) 및 제2도전형 전극(1052)은 각각 금속패드(1020) 및 제2전극(1040)에 대응되어 전기적으로 결합될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1도전형 전극(1056) 및 제1도전형 반도체층(1055)은 각각 p형 전극 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 전극(1052) 및 제2도전형 반도체층(1053)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.
또한, 반도체 발광소자(1050)는 제1도전형 반도체층(1055)과 제2도전형 반도체층(1053)의 외면들을 덮도록 형성되는 패시베이션층(1051)을 포함한다. 예를 들어, 패시베이션층(1051)은 제1도전형 반도체층(1055)과 제2도전형 반도체층(1053)의 측면들과 하면들을 감싸도록 형성될 수 있다.
상세하게, 패시베이션층(1051)은 상기 반도체 발광소자의 측면을 감싸서, 반도체 발광소자(1050) 특성의 안정화를 기하도록 이루어지며, 절연 재질로 형성된다. 이러한 예로서, 패시베이션층(1051)은 실리콘 합성물 또는 산화물로 이루어지는 절연 박막이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 패시베이션층(1051)은 AlxOy, SixOy, SixNy, SnxOy, TixOy, CrOx, ZrOx 중 어느 하나 이상의 재질로 형성될 수 있다.
나아가, 디스플레이 장치(1000)는, 복수의 반도체 발광소자(1050)의 일면에 형성되는 형광체층(1080)을 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광소자(1050)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광소자이고, 형광체층(1080)은 상기 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키는 기능을 수행한다. 형광체층(1080)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(1081) 또는 녹색 형광체(1082)가 될 수 있으며, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체층들의 사이에는 블랙 매트릭스(1091)가 배치될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다. 덧붙여, 광추출효율 개선 및 반도체 발광소자(1050)를 보호하기 위해 수지층(1092)을 추가로 배치할 수도 있다.
도 12 내지 도 14는 본 발명에 따른 디스플레이 장치(1000)의 제조방법을 나타내는 개념도들이다.
도 12를 참조하면, 반도체 발광소자(1050')를 성장기판(W)에 성장시키고 제1임시기판(W1)과 제2임시기판(W2)의 적층체에 전사하는 것을 나타낸다.
도 12의 (a)를 참조하면, 사파이어(spire) 기판 또는 실리콘(silicon) 기판으로 이루어지는 성장기판(W)에 언도프드(undoped) 반도체층(1060), 제1도전형 반도체층(1055), 활성층(1054), 제2도전형 반도체층(1053) 및 패시베이션층(1051)을 형성한다. 이에, 성장기판(W)에 반도체 발광소자(1050')가 형성될 수 있다.
도 12의 (b)를 참조하면, 반도체 발광소자(1050') 및 성장기판(W)의 표면에 습식 식각 공정으로 쉽게 제거될 수 있는 희생층(1070)을 적층한다. 이에, 희생층(1070)은 반도체 발광소자(1050')를 감싸도록 형성될 수 있다.
도 12의 (c)를 참조하면, 제1임시기판(W1)과 제2임시기판(W2)의 적층체에 희생층(1070)이 적층된 반도체 발광소자(1050')가 라미네이션 공정으로 전사될 수 있다. 제1임시기판(W1)은 라미네이션 공정 중에 변형이 일어나지 않는 재질로 형성될 수 있다. 제1임시기판(W1)은 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)가 낮고, 열저항성(thermal resistance)이 높은 폴리이미드(Polyimid), 플루오로폴리머수지(fluororesin), 폴리에스테르(Polyester), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리아미드(Polyamide) 및 폴리카보네이트(Polycarbonate)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
한편, 제2임시기판(W2)은 라미네이션 공정으로 반도체 발광소자(1050') 및 성장기판(W)과 결합이 형성될 수 있는 유연성을 갖는 고분자 소재로 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 폴리메틸페닐실록산(polymethylphenylsiloxane, PMPS)을 포함할 수 있다.
도 12의 (d)를 참조하면, 레이저 리프트 오프법(Laser Life-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemicla Lift-off, CLO)으로 성장기판(W)과 반도체 발광소자(1050')가 분리될 수 있다. 성장기판(W)의 분리에는 바람직하게 레이저 빔이 이용될 수 있다. 레이저 빔에 의하여 성장기판(W)과 반도체 발광소자(1050')의 분리가 이루어지지만, 라미네이션에 의하여 성장기판(W)과 제2임시기판(W2)의 접합되어 있으므로 서로 분리되지 않는다.
도 12의 (e)를 참조하면, 성장기판(W)을 분리하기 위해서 박리공정(delamination)을 수행하여 성장기판(W)에서 반도체 발광소자(1050')을 분리한다.
도 13을 참조하면, 기판(1010)에 금속패드(1020')를 형성하는 것을 나타낸다.
도 13의 (a)를 참조하면, 제1기판층(1011) 및 제2기판층(1012)을 포함하는 기판(1010)에 금속층(1021)과 접합금속(1022')을 배치할 수 있다. 접합금속(1022')은 솔더 페이스트로 형성할 수 있다. 솔더 페이스트는 구리(Cu), 은(Ag), 인듐(In), 주석(Sn), 비스무트(Bi) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 13의 (b)를 참조하면, 양친매성 유기물(1023")을 포함하는 용액에 금속패드(1020')가 형성된 기판(1010)을 소정시간 침지시켜 접합금속(1022')의 표면에 양친매성 유기물(1023")로 형성된 코팅층을 형성한다. 상세하게, 양친매성 유기물(1023")을 포함하는 소정 농도의 용액에 금속패드가 형성된 기판(1010)이 침지될 수 있다. 이에, 양친매성 유기물(1023")의 친수성부는 접합금속(1022')의 표면과 정전기적 결합을 형성하여 자기정렬할 수 있다. 즉, 코팅층(1023')이 형성될 수 있다. 상기 소정 농도의 용액은 0.01 내지 10 M의 농도로 형성될 수 있다.
한편, 접합금속(1022')의 표면은 자연 산화막(1022b)이 형성되어 친수성 표면으로 개질될 수 있다. 이에 양친매성 유기물(1023")의 친수성부는 접합금속(1022')의 표면의 자연 산화막(1022b)과 결합이 쉽게 형성될 수 있다.
도 13의 (c)를 참조하면, 도 13의 (b)의 과정 이후에, 유기용매로 수세하여 접합금속(1022')과 결합을 형성하지 않은 잔류 양친매성 유기물(1023")을 제거할 수 있다. 이에, 접합금속(1022')의 표면에 양친매성 유기물(1023")로 형성된 코팅층(1023')이 형성될 수 있다. 즉, 내부 접합금속(1022a)을 감싸는 자연 산화막(1022b)에 양친매성 유기물(1023")이 결합하여 코팅층(1023')이 형성될 수 있다.
코팅층(1023')의 형성으로 도 14에서 후술될 반도체 발광소자(1050)의 자기조립공정에서 사용되는 산성의 유체로부터 접합금속(1022')이 유실되는 것을 방지할 수 있다. 일반적으로 접합금속(1022')에 포함될 수 있는 인듐(In), 주석(Sn)과 같은 금속은 산성의 유체에서 이온화가 쉽게 이루어진다는 문제점이 존재한다.
하지만, 본 발명의 코팅층(1023')을 형성하는 양친매성 유기물(1023")의 소수성부가 접합금속(1022')을 둘러싸는 금속패드(1020')가 형성되어 자기조립공정에서 사용되는 산성의 유체와 접합금속(1022')의 접촉을 방지한다. 이에, 산성의 유체에서 자기조립공정 중에 접합금속(1022')이 유실되는 것을 방지되어 접합금속(1022')의 조성이 유지되므로, 자가조립 방식의 반복 조립을 통하여 기판에 결합되는 반도체 발광소자(1050)의 조립율이 향상되어 수율이 상승할 수 있다.
도 14을 참조하면, 금속패드(1020')가 형성된 기판(1010)과 반도체 발광소자(1050)의 결합을 나타낸다.
도 14의 (a)를 참조하면, 유체가 채워진 챔버에 도 12의 (e)에서 제조된 제1임시기판(W1)과 제2임시기판(W2) 및 반도체 발광소자(1050')를 침지시킨다. 이에, 습식 식각 공정으로 쉽게 제거될 수 있는 희생층(1070)을 제거하여 반도체 발광소자(1050')가 제1임시기판(W1)과 제2임시기판(W2)으로부터 분리될 수 있다.
여기에, 산성의 유체 내에서 도 13의 (c)에서 제조된 코팅층(1023')이 형성된 금속패드(1020')를 포함하는 기판(1010)을 침지시켜 반도체 발광소자(1050')와 금속패드(1020')가 서로 충돌할 수 있다. 이에, 금속패드(1020')와 반도체 발광소자(1050')의 결합을 형성할 수 있다. 덧붙여, 반도체 발광소자(1050')와 금속패드(1020')가 충돌하여 결합할 확률을 높이기 위해서 유체를 가열하거나, 음파처리(sonication)를 추가로 할 수도 있다.
반도체 발광소자(1050')와 금속패드(1020')의 결합은 코팅층(1023')과 반도체 발광소자(1050')가 산성의 유체 내에서 서로 충돌하여 코팅층(1023')의 표면장력으로 코팅층(1023')이 접합금속(1022')의 외곽으로 밀려나면서 변형된 접합금속(1022) 및 코팅층(1023)을 포함하는 금속패드(1020)를 형성할 수 있다.
도 14의 (b)를 참조하면, 금속패드(1020)가 형성된 기판(1010)에 반도체 발광소자(1050')가 결합될 수 있다.
도 14의 (c)를 참조하면, 반도체 발광소자(1050')가 결합된 기판(1010)상에 반도체 발광소자(1050')를 감싸도록 절연부재(1030')를 형성할 수 있다.
도 14의 (d)를 참조하면, 언도프드 반도체층(1060)을 식각하여 제2도전형 반도체층(1053)을 노출시킬 수 있다. 또한, 절연부재(1030')의 상부를 식각하여 상부가 식각된 절연부재(1030)를 형성할 수 있다.
도 14의 (e)를 참조하면, 제2도전형 반도체층(1053) 상에 제2도전형 전극(1052)을 배치하여 반도체 발광소자(1050)를 형성할 수 있다. 덧붙여, 광추출효율 개선 및 반도체 발광소자(1050)를 보호하기 위해 수지층(미도시)을 추가로 도포할 수도 있다.
나아가, 도 13의 (b) 및 (c)와 도 14의 (a) 단계가 복수회 수행되어 반도체 발광소자(1050')의 결합 형성될 수 있다. 즉, 코팅층(1023')을 형성하고, 반도체 발광소자(1050')를 결합한 후, 도 13의 (b) 및 (c) 단계가 다시 수행되어 반도체 발광소자(1050')가 결합되지 않은 접합금속(1022')의 표면에 코팅층(1023')이 다시 형성되도록 할 수도 있다.
도 13의 (b) 및 (c)와 도 14의 (a) 단계가 복수회 수행된 본 발명의 실시예를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예는 양친매성 유기물로 형성된 코팅층이 없고, 대략 14만개의 반도체 발광소자의 접합되는 5인치 기판에 반도체 발광소자를 접합하는 도 14의 (a) 단계를 5회 반복하였다.
한편, 실시예 1은 양친매성 유기물인 올레산 0.5 M 농도의 용액에 대략 14만개의 반도체 발광소자의 접합되는 5인치 기판을 침지시켜 접합금속의 표면에 올레산으로 형성되는 코팅층을 형성하고, 도 14의 (a) 단계를 5회 반복하였다.
또한, 실시예 2는 양친매성 유기물인 올레산 0.5 M 농도의 용액에 대략 14만개의 반도체 발광소자의 접합되는 5인치 기판을 침지시켜 접합금속의 표면에 올레산으로 형성되는 코팅층을 형성하고, 도 14의 (a) 단계를 3회 반복하였다. 이후, 양친매성 유기물인 올레산 0.5 M 농도의 용액에 도 14의 (a) 단계를 3회 반복한 기판을 다시 침지시켜 접합금속의 표면에 올레산으로 형성되는 코팅층을 다시 형성한 후, 추가로 도 14의 (a) 단계를 2회 반복하였다.
항목 비교예 실시예 1 실시예 2
조립률(%) 99.0 99.947 99.986
접합금속 유실률(%) ~1 0.02 0.01
표 1과 같이 본 발명의 양친매성 유기물로 형성되는 코팅층을 가지는 실시예 1 및 실시예 2의 반도체 발광소자 조립률이 비교예에 비하여 높은 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 및 실시예 2의 접합금속 유실율이 비교예에 비하여 낮은 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 반도체 발광소자를 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 (11)

  1. 복수의 금속패드를 구비하는 기판; 및
    자가조립을 통하여 상기 금속패드들과 전기적으로 연결되는 반도체 발광소자를 포함하고,
    상기 금속패드는,
    금속층;
    상기 금속층 상에 구비되고, 상기 반도체 발광소자와 전기적으로 연결되는 접합금속; 및
    상기 접합금속의 측면의 적어도 일부를 감싸는 코팅층을 구비하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접합금속은 구리(Cu), 은(Ag), 인듐(In), 주석(Sn), 비스무트(Bi) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 양친매성 유기물로 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코팅층은 올레산으로 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 양친매성 유기물의 친수성부는 상기 접합금속의 자연 산화막과 정전기적 결합을 형성하여 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 반도체 발광소자를 성장기판에서 성장시키는 단계;
    상기 반도체 발광소자를 상기 성장기판으로부터 분리하고, 임시기판에 상기 반도체 발광소자를 고정시키는 단계;
    유체가 채워진 챔버에서 상기 임시기판으로부터 상기 반도체 발광소자를 분리시키는 단계; 및
    유체가 채워진 챔버에서 자가조립을 통하여 복수의 금속패드가 형성된 기판에 상기 반도체 발광소자를 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 기판의 금속패드 형성에 있어서,
    상기 기판에 상기 반도체 발광소자와 오믹접촉을 형성하도록 금속층을 형성하는 단계;
    상기 기판에 반도체 발광소자의 도전형 전극과 전기적으로 연결되는 접합금속을 형성하는 단계; 및
    상기 접합금속의 표면을 감싸는 코팅층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 유체가 채워진 챔버에서 자가조립을 통하여 복수의 금속패드가 형성된 기판에 상기 반도체 발광소자를 결합하는 단계는,
    상기 코팅층이 형성된 금속패드와 상기 반도체 발광소자가 유체 내에서 서로 충돌하여 상기 코팅층의 표면장력으로 상기 접합금속의 외곽으로 상기 코팅층이 밀려나면서 상기 반도체 발광소자와 결합하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    반도체 발광소자를 성장기판에서 성장시키는 단계 및 상기 임시기판으로부터 반도체 발광소자를 분리시키는 단계 사이에,
    상기 반도체 발광소자를 감싸도록 형성하는 희생층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 희생층은 습식 식각 공정으로 제거되는 층인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 임시기판으로부터 반도체 발광소자를 분리시키는 단계에서,
    상기 희생층이 유체에서 습식 식각되며 상기 임시기판으로부터 상기 반도체 발광소자가 분리되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 접합금속을 감싸는 코팅층을 형성하는 단계에서,
    상기 접합금속을 감싸는 코팅층은 양친매성 유기물로 형성되고,
    상기 양친매성 유기물을 포함하는 소정 농도의 용액에 상기 접합금속이 형성된 상기 기판을 침지시켜 상기 양친매성 유기물이 상기 접합금속의 표면에 자기정렬하고,
    상기 양친매성 유기물의 친수성부는 상기 접합금속의 자연 산화막과 정전기적 결합을 형성하여 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제6항에 있어서,
    상기 접합 금속을 감싸는 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 금속패드가 형성된 기판에 상기 반도체 발광소자를 결합하는 단계가 복수회 수행되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
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