KR102295710B1 - 외부 광원의 빛을 조사하여 일방향의 극성 배열성이 향상된 초소형 led 전극 어셈블리 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

외부 광원의 빛을 조사하여 일방향의 (unidirectional) 극성 배열성(polar ordering)이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리가 제공된다. 더욱 상세하게는 초소형 전극에 초소형 LED 소자가 전기적 단락 등 불량 없이 연결되되, 직류 구동전압에도 매우 뛰어난 성능을 발현할 수 있는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

외부 광원의 빛을 조사하여 일방향의 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리 및 그 제조방법{ULTRA-SMALL LED ELECTRODE ASSEMBLY HAVING IMPROVED UNIDIRECTIONAL POLAR ORDERING BY IRRADIATION OF LIGHT FROM OUTER LIGHT SOURCE AND MAKING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 초소형 LED 전극 어셈블리에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 초소형 LED 소자가 초소형 전극에 전기적 단락 등 불량 없이 연결되되, 직류 구동전압에도 매우 뛰어난 발광 특성을 발현하는, 일방향의(unidirectional) 극성 배열성(polar ordering)이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Light-emitting diode (LED) 소자는 1992년 일본 니치아사의 나카무라 등이 저온의 GaN 화합물 완충층을 적용하여 양질의 단결정 GaN 질화물 반도체를 제조하는데 성공하여, 그 개발이 활발하게 이루어져 왔다. LED는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 다수의 캐리어가 전자(electron)인 n형 반도체 결정과 다수의 캐리어가 정공(hole)인 p형 반도체 결정이 서로 접합된 구조를 갖는 반도체 소자로써, 전기적인 신호를 특정 파장 대역의 빛으로 변환시킬 수 있는 광소자의 일종이다.
이러한 LED와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제2009-0121743은 발광다이오드 제조방법 및 이에 의해 제조되는 발광다이오드를 개시하고 있다.
상기 LED는 광 변환 효율이 매우 높기 때문에 에너지 소비량이 매우 적으며, 소자의 수명이 반영구적이고, 환경 친화적이고, 신호등, 핸드폰, 자동차 전조등, 옥외 전광판, LCD BLU(back light unit), 그리고 실내외 조명 등 많은 분야에서 응용되고 있으며, 이에 대한 활발한 연구가 국내외에서 계속되고 있다.
이러한 일련의 연구들 중에서, LED 소자의 크기를 나노 또는 마이크로 단위로 제작한 초소형 LED 소자를 이용한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 특히, 이러한 초소형 LED 소자를 조명 또는 디스플레이 등에 활용하기 위한 연구가 계속되고 있다. 이러한 연구에서 지속적으로 주목받고 있는 이슈로는, 초소형 LED 소자에 전원을 인가할 수 있는 전극 및 전극이 차지하는 공간의 최소화 등을 위한 전극의 배치, 배치된 전극에 초소형 LED를 적절하게 실장하는 방법 등에 관한 것들이 있다.
이들 중에서도, 배치된 전극에 초소형 LED소자를 실장시키는 방법에 대한 이슈에는 초소형 LED 소자 크기의 제약으로 인하여, 배치 전극상에 초소형 LED 소자를 목적한 대로 배치 및 실장시키기 매우 어렵다는 난제가 여전히 상존하고 있다. 이는 초소형 LED 소자가 나노 스케일 또는 마이크로 스케일이므로, 사람이나 일반적인 장비로는 미세한 크기의 소자를 일일이 목적한 전극 영역에 배치하고 실장 할 수 없기 때문이다.
또한, 목적한 전극영역에 초소형 LED 소자를 실장한다 하여도, 단위전극 영역에 포함되는 초소형 LED 소자의 개수, 초소형 LED 소자의 위치 등을 목적한 대로 조절하기 매우 곤란하며, 단위 면적에 포함되는 LED 소자의 개수는 한계가 있어, 목적한 광량을 얻기가 어려운 문제점이 있다.
이를 극복하기 위하여, 초소형의 전극 라인에 교류 전원을 인가하여 초소형 LED 소자의 양방향의 (bidirectional) 비극성 배열성 (axial ordering)이 증대한 어셈블리를 구현하는 제조방법 및 초소형 LED 전극 어셈블리를 구현하였으나 (대한민국 등록특허공보 제10-1490758호), 이와 같은 기술로 구현된 초소형 LED 전극 어셈블리는 구동전원으로 직류(DC)를 인가하는 경우, 발광하지 않는 초소형 LED 소자의 개수가 거의 절반 (50%)에 달하여, 목적하는 휘도를 얻기 어려웠다.
이는 LED 소자가 가지고 있는 정류 소자 특성 때문이다. 다이오드 소자 내의 전류 흐름은 소자의 구조에 따라서 결정되는데, 일예로, p형 반도체와 n형 반도체가 접합된 LED의 경우, p형 반도체에 (+) 전원을 연결하고, n형 반도체에 (-) 전원을 연결할 때, n형 반도체에 주입된 전자가 p형 반도체 쪽으로 이동하면서 전류가 흐를 수 있고, 상기 전자가 정공과 재결합하면서 발광할 수 있다. 그러나, 만일 p형 반도체에 (-) 전원을 연결하고, n형 반도체에 (+) 전원을 연결할 경우, LED 내에서는 전류가 흐르지 않으며 발광하지 않는다.
이 때문에, 직류 구동 전극 사이에 전류 흐름의 방향성이 반대되는 방향으로 초소형 LED 소자가 배열되는 경우, 배치된 초소형 LED 전극 어셈블리는 직류 구동 전원의 인가에 대해 LED 소자가 발광하지 못하여, 따라서 발광 휘도가 현저히 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 구동 전원으로 교류(AC)를 인가해야 하는 전원 선택의 제한이 있었다.
이에 대하여, 초소형의 전극 라인에 비대칭 파형을 갖으며, 상단피크 전압의 크기가 하단피크 전압의 크기와 서로 다른 비대칭 조립전압을 인가하여 초소형 LED 소자의 일방향의 (unidirectional) 극성 배열성(polar ordering)이 증대한 어셈블리를 구현하는 제조방법 및 초소형 LED 전극 어셈블리를 구현하였다. (대한민국 등록특허공보 제10-1730927호) 그러나, 이와 같은 기술로 구현된 초소형 LED 전극 어셈블리도 90% 이하로 극성 배열된 초소형 LED로 인하여, 구동전원으로 직류(DC)를 인가하는 경우, 10% 가량의 역 방향으로 배치된 발광하지 않는 초소형 LED 소자가 많이 남아 있어서, 목적하는 발광 휘도를 얻기 어렵다.
이에 따라, 초소형 LED 소자의 극성 배열성이 더욱 개선된 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 고안한 것으로, 초소형 LED 소자가 초소형 전극에 역 방향으로 배치되는 등의 불량 없이 연결된 초소형 LED 전극 어셈블리 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 직류 구동전원으로도 충분한 발광 휘도 특성이 발현되는 극성 배열성이 증강된 초소형 LED 전극 어셈블리 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 종래의 초소형 LED 전극 어셈블리 보다 휘도 및 효율 특성이 더욱 개선된 초소형 LED 전극 어셈블리 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리를 통해 우수한 휘도 특성을 발현할 수 있는 광원 및 이를 구비하는 디스플레이를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리를 통해 우수한 휘도 특성을 발현할 수 있고, 동시에 목적하는 특정의 색상에 대한 광이 강도가 향상된 디스플레이 및 균일한 휘도를 발현할 수 있는 풀-컬러 LED 디스플레이를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 일 실시형태인 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리 제조방법은,
(1) 제1 실장전극 및 상기 제1 실장전극과 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인의 상부에 복수개의 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 투입하는 단계;
(2) 상기 복수개의 초소형 LED 소자에 외부 광원의 빛을 조사하여 상기 복수개의 초소형 LED 소자에 광전현상(Photovoltaic effect)을 일으켜서, 상기 복수개의 초소형 LED 소자 양단에 단락 전압을 발생시켜 상기 복수개의 초소형 LED 소자에 전기쌍극자모멘트를 발생시키는 단계; 및
(3) 상기 전극 라인을 통해 비대칭 조립전압이 1.0 V 이상인 전원을 인가하여, 상기의 전기쌍극자모멘트가 발생된 복수개의 초소형 LED 소자에 전기력 및 토크 힘을 작용하여 상기 복수개의 초소형 LED 소자를 일 방향으로 극성 배열하도록 이동 및 회전시켜서, 상기 복수개의 초소형 LED 소자의 단부를 각각 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 극성의 배열성을 갖으며 접촉시키는 단계;를 포함하며, 또한 상기 (2) 단계 및 (3) 단계는 중첩되어 행해지며,
상기 외부 광원은 광의 세기가 0.1 nW/cm2 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (3) 단계 수행 후,
(4) 상기 전극 라인 상에 배열된 상기 복수개의 초소형 LED 소자를 300℃ 내지 1,000℃에서 0.5분 내지 10분간 열처리시키는 단계;를 더 포함한다.
또한, 상기 (3) 단계 이후, 제1 실장전극 및 제2 실장전극에 각각 접촉하는 상기 복수개의 초소형 LED 소자의 단부에 오믹층을 형성시키는 단계;를 더 포함한다.
또한, 상기 전원은 비대칭 조립전압이 25 V 이상이다.
또한, 외부 광원의 빛의 파장의 길이는 상기 복수개의 초소형 LED 소자의 발광 파장의 길이보다 짧다.
본 발명의 일 실시형태인 초소형 LED 전극 어셈블리는,
상호 이격된 제1 실장전극과 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인; 및
일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉하고, 광 및 비대칭 조립전압 인가에 의해 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 소자;를 포함한다.
여기서, 상기 초소형 LED 소자는, 제1 도전성 반도체층, 상기 제1 도전성 반도체층상에 형성된 활성층, 상기 활성층상에 형성된 제2 도전성 반도체층 및 소자의 외부면 중 적어도 활성층 부분의 외부면 전체를 덮는 절연피막을 포함한다.
또한, 상기 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층 중 어느 하나의 도전성 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함한다.
나아가, 상기 초소형 LED 소자는 길이가 100 nm 내지 10 ㎛를 사용한다.
한편, 상기 초소형 LED 전극 어셈블리는 단위 발광 화소 당 실장된 초소형 LED 소자 개수가 2개 이상을 사용한다.
본 발명의 일 실시형태인 초소형 LED 전극 어셈블리는,
상호 이격된 제1 실장전극과 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인; 및
제1 도전성 반도체 및 제2 도전성 반도체를 포함하여 일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉되고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉되고, 광 및 비대칭 조립전압 인가에 의해 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 소자;를 포함하며,
상기 초소형 LED 소자 전체 개수 중 상기 제1 실장전극에 상기 제1반도체가 접촉하는 상기 극성 배열된 초소형 LED 소자의 개수가 80% 이상을 사용한다.
또한, 상기 초소형 LED 소자 전체 개수 중 상기 제1 실장전극에 상기 제1반도체가 접촉되고, 광 및 비대칭 조립전압 인가에 의해 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 소자의 개수는 90% 이상을 사용한다.
본 발명의 일 실시형태인 광원은, 초소형 LED 전극 어셈블리;를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태인 디스플레이는, 초소형 LED 전극 어셈블리;를 포함한다.
이하, 본 발명에서 사용한 용어에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, "실장전극"이란 초소형 LED 소자의 양단부와 직접적으로 접촉하고 있는 전극을 의미하고, 초소형 LED 전극 어셈블리를 구동시키기 위하여 상기 실장전극에 직접 전원부가 연결되거나 상기 실장전극으로 전원을 인가하는 어드레스 전극이나 게이트 전극이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, 각 층, 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층, 영역, 패턴들의 “위(on)”, “상부”, “상”, “아래(under)”, “하부”, “하”에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, “위(on)”, “상부”, “상”, “아래(under)”, “하부”, “하”는 “directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, "접촉"의 의미는 구성1과 구성2가 직접 구조적 연결되거나 구성3을 포함하여 간접적으로 구조적 연결되는 경우를 모두 포함하는 의미이다. 예를 들어, "제1 실장전극에 접촉된 제1도전성반도체"의 의미는 제1 도전성반도체가 직접 제1 실장전극에 구조적 연결된 경우 뿐만 아니라, 제1도전성반도체 상에 전극층이 형성되고, 상기 전극층과 제1 실장전극이 구조적 연결됨에 따라서 제 1 도전성 반도체가 간접적으로 제1 실장전극에 구조적 연결된 경우를 모두 포함한다. 한편, 상기 구조적 연결이란, 전극 라인에 구동전원을 인가했을 때 초소형 LED 소자의 발광여부와 관련된 전기적 연결 상태까지를 의미하지는 않고, 전기적 연결되지 않더라도 물리적 접촉된 상태를 모두 포함한다.
본 발명에 의하면, 전극 라인에 초소형 LED 소자가 극성 배열성이 증가됨에 따라서 초소형 LED 소자가 초소형 전극에 역 방향으로 배치되는 등의 불량 없이 연결되어 우수한 발광 휘도를 발현할 수 있다. 또한, 낮은 비대칭 조립전압으로도 높은 극성 배열성으로 초소형 LED 소자를 배치할 수 있어서 생산성, 생산단가의 측면에서 유리할 수 있다.
또한, 초소형 LED 전극 어셈블리의 구동전원 선택 제한을 해소하여 직류 구동전원을 통해서도 충분한 휘도 특성이 발현될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예를 통해 제조된 초소형 LED 전극 어셈블리의 경우, 직류전압을 구동전원으로 인가했을 때 발광의 강도가 현저히 증가할 수 있다.
따라서, 구동전원으로 교류전원보다 직류전원이 효율적인 동시에 직류전원을 구동전원으로 사용하는 각종 전자부품, 장치에 더욱 적합한 초소형 LED 전극 어셈블리일 수 있으며, 간단한 직류 구동회로를 이용할 수 있어서 생산성, 생산단가의 측면에서 더욱 유리할 수 있다.
나아가, LED 고유의 발광 파장에 해당하는 광의 강도가 더욱 향상되어, 이를 이용하여 다른 파장의 색상으로 변환시에도 변환된 색상의 광의 강도가 향상된 각종 조명기구에 널리 사용될 수 있고, 초소형 LED 소자가 사용되는 디스플레이 및 각종 부품 및 전자기기 등에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 도면으로써, 극성 배열도가 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리의 사시도를 나타낸다.
도 2는 종래의 방법으로 제조된 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 도면으로써, 극성 배열도가 낮은 초소형 LED 전극 어셈블리의 사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리의 제조공정 모식도를 나타낸다.
도 4는 실장전극 간에 인가된 조립전압에 의한 전기장과 광 조사된 초소형 LED 소자의 정전기력 및 토크 힘을 나타낸 모식도로써,
도 4a는 실장전극에 전원 및 광 조사가 인가되기 전 경우의 모식도이며,
도 4b는 기존 기술의 실장전극에 대칭전원만 인가된 경우의 모식도이고,
도 4c는 기존 기술의 외부광의 입사없이, 실장전극에 비대칭 조립전원만 인가된 경우의 모식도,
도 4d는 본 발명의 외부광이 입사되고, 실장전극에 비대칭 조립전원이 인가된 경우의 모식도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자의 광전 특성으로써,
도 5a는 인가전압-광전류 특성,
도 5b는 단락 전압-입사광의 세기,
도 5c는 개방 전류-입사광의 세기 특성 그래프를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리는 상호 이격된 제1 실장전극(110)과 제2 실장전극(130)을 포함하는 전극 라인 및 일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉된 극성 배열성(unidirectional polar ordering)이 향상된 복수개의 초소형 LED 소자(121,122)를 포함하여 구현된다.
도 1과 같이, 일예로, 초소형 LED 전극 어셈블리는 제1 실장전극(110)과 제2 실장전극(130)을 동일평면상에 위치시키고, 초소형 LED 소자(121,122)를 상기 전극들에 눕혀서 연결하여, 초소형 LED 소자의 광추출 효율(extraction efficiency)을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 1과 같은 초소형 LED 전극 어셈블리는 전극의 폭과 전극 간의 거리를 비롯하여 초소형 LED 소자의 크기가 모두 마이크로 또는 나노 스케일임에 따라서 사람 또는 기계가 낱개로 분리된 초소형 LED 소자를 일일이 실장시켜 제조하기는 불가능하다.
이에 초기의 발명자들은 초소형의 전극 라인에 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 떨어뜨린 후, 조립전원을 인가하여 초소형 LED 소자 스스로 서로 다른 두 실장전극에 정렬 및 연결되는 방법으로 도 2와 같은 초소형 LED 전극 어셈블리를 제조하였고, 이를 실제로 교류전압인 구동전원으로 구동시 켰을 때 발광까지 하는 것을 확인하였다.
그러나, 도 2와 같은 초소형 LED 전극 어셈블리는 구동전원으로 교류전압이 아닌 직류전압을 사용시에 실제 발광하는 소자가 현저히 감소되는 문제가 있다. 구체적으로 동일한 초소형 LED 전극 어셈블리에 대하여, 구동전원을 달리하여 직류전압에 따라 구동되어 발광하는 초소형 LED 전극 어셈블리와 교류전압에 따라 구동되어 발광하는 초소형 LED 전극 어셈블리의 발광정도를 비교하면, 직류전압을 구동전원으로 사용시에 발광 휘도가 현저히 감소한다.
이러한 직류 구동전원에서 휘도가 감소하는 문제는 전극 어셈블리 내에 초소형 LED 소자의 서로 다른 도전성 반도체(Ex. p형 반도체, n형 반도체)와 각각 접촉되는 서로 다른 실장전극 간의 극성 배향성이 없기 때문이다 (biaxial axial ordering, not polar ordering). 구체적으로 도 2에서 확인할 수 있듯이, 초소형 LED 전극 어셈블리에 실장된 10개의 초소형 LED 소자 중 제1초소형LED 소자(21)와 같이 제1 실장전극(10)에 동일한 종류의 반도체가 접촉한 소자의 개수는 5개이며, 다른 5개의 초소형 LED 소자는 다른 종류의 반도체 소자가 제1 실장전극(10)에 접촉해 있다. 따라서 도 2와 같은 초소형 LED 전극 어셈블리에 일방향의 직류 구동전원을 인가하면, 5개의 초소형 LED 소자만 발광하며, 나머지 5개의 초소형 LED 소자는 발광하지 못하는 문제가 있으며, 이는 휘도 저하에 직결된다.
결국, 종래의 제조방법으로 초소형 LED 소자를 정렬시킬 경우, 초소형 LED 소자의 양단부는 각각 서로 다른 두 전극에 비극성 배열성(axial ordering, not polar ordering)을 갖고 접촉될 수는 있었으나, 제조된 초소형 LED 전극 어셈블리를 살펴보면, 제1 실장전극에 접촉한 초소형 LED 소자들은 특정한 일단, 예를 들어 p형 반도체가 제1 실장전극에만 접촉하는 것이 아니라 초소형 LED 소자들의 일부는 n형 반도체가 제1 실장전극에 접촉되고 있었다 즉, 초소형 LED 소자들은 배향성을 가지고 정렬되었으나, 이는 비극성 배향성(axial ordering, not polar ordering)이다. 또한, 어떠한 반도체층이 특정의 실장전극에 더 많이 접촉되는지는, 비극성 배향의 확률이 50%이므로, 이를 기준으로, 초소형 LED 전극 어셈블리의 제조 시마다 조금씩 상이함에 따라서 경우에 따라 우연히 직류전압을 구동전원으로 하여 발광시킬 수 있는 초소형 LED 전극 어셈블리가 제조될 수 있어도, 이와 같은 전극 어셈블리를 항상 제조할 수 있는 것은 아니다.
이에 일단의 발명자는 초소형의 전극 라인에 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 투입한 후, 비대칭 조립전원을 인가하여 초소형 LED 소자내 특정 반도체층이 특정의 실장전극에 접촉시켰다. 구체적으로, 제1도전성반도체층 또는 제2도전성반도체층이 제1 실장전극 또는 제2 실장전극에 정렬될 수 있고, 이에 따라서 직류 구동전원을 통해서 구동이 가능한 특성이 발현됨을 확인하였다.
그러나, 이렇게 제조된 초소형 LED 전극 어셈블리를 살펴보면, 제1 실장전극에 접촉한 초소형 LED 소자들은 특정한 일단, 예를 들어 p형 반도체가 제1 실장전극에만 접촉하는 것이 아니라 초소형 LED 소자들의 일부는 아직도 n형 반도체가 제1 실장전극에 접촉되고 있었다. 즉, 초소형 LED 소자들은 극성 배향성을 가지고 정렬되었으나, 그 극성 배향성은 아직 부족한 수준으로 (90% 이하의 LED 만 극성 배열), 구동전원으로 직류전압을 사용시에 실제 발광하는 소자가 충분하지 않다는 문제가 남아 있다.
결국, 종래의 제조방법으로 초소형 LED 소자를 정렬시킬 경우, 초소형 LED 소자의 양단부는 각각 서로 다른 두 전극에 접촉될 수 있었으나, 제조된 초소형 LED 전극 어셈블리를 살펴보면, 제1 실장전극에 접촉한 초소형 LED 소자들은 특정한 일단, 예를 들어 p형 반도체가 제1 실장전극에만 접촉하는 것이 아니라 초소형 LED 소자들의 일부는 n형 반도체가 제1 실장전극에 접촉되고 있었다. 즉, 초소형 LED 소자들은 극성 배향성을 가지고 정렬되었으나, 이들의 극성 배향성은 아직 낮은 수준이다.
이에, 본 발명의 발명자는 상술한 종래의 초소형 LED 소자의 극성 배향성의 문제를 해결하기 위해, 특정한 외부 광원의 빛을 초소형 LED 소자에 조사하는 조건하에서 비대칭 조립전압을 인가하여, 초소형 LED 소자를 정렬시킬 경우, 초소형 LED 소자내의 특정 반도체층이 특정의 실장전극에 접촉, 구체적으로 제 1 도전성 반도체층 또는 제 2 도전성 반도체층이 제1 실장전극 또는 제2 실장전극에 향상된 극성 배열성을 가지고 정렬될 수 있고, 이에 따라서 직류 구동전원을 통해서 구동이 가능하도록 하는 본 발명에 이르게 되었다.
이하, 위와 같은 직류 전압에 의한 구동을 가능하게 하는 본 발명에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리의 제조방법에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리는 (1) 제1 실장전극 및 상기 제1 실장전극과 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인의 상부에 복수개의 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 투입하는 단계; (2) 상기 복수개의 초소형 LED 소자에 외부 광원의 빛을 조사하여 상기 복수개의 초소형 LED 소자에 광전현상을 일으켜서, 상기 복수개의 초소형 LED 소자 양단에 단락 전압을 발생시켜 상기 복수개의 초소형 LED 소자에 전기쌍극자모멘트를 발생시키는 단계; 및 (3) 상기 전극 라인을 통해 비대칭 조립전압이 1.0 V 이상인 전원을 인가하여, 상기의 전기쌍극자모멘트가 발생된 복수개의 초소형 LED 소자에 토크 힘을 작용하여 상기 복수개의 초소형 LED 소자를 일 방향으로 극성 배열하도록 이동 및 회전시켜서, 상기 복수개의 초소형 LED 소자의 단부를 각각 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 극성의 배열성을 갖으며 접촉시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
여기서, 상기 (2) 단계 및 (3) 단계는 중첩되어 행해질 수 있다. 여기서, 중첩되어 행해진다는 의미는 (2) 단계 및 (3) 단계가 서로 동시에 행해지거나 (2) 단계 및 (3) 단계가 일부분 동시에 행해지는 것을 의미한다. 예를 들어, (2) 단계 및 (3) 단계가 일부분 동시에 행해지는 것은 (2) 단계 및 (3) 단계가 적어도 1 마이크로 초 이상 동일한 시간에 행해지는 것을 의미한다. 이와 같은 동작에 의하여 복수개의 초소형 LED 소자는 일방향의 극성 배열성이 향상될 수 있다. 이는 광원에 의하여 빛을 조사하는 단계나 비대칭 전압을 가하는 단계를 개별적으로 수행하는 것보다 광원의 빛 조사에 의한 전기쌍극자 모멘트의 발생과 비대칭 전압 인가에 의한 회전이나 이동의 복합 작용에 의하여, 복수개의 초소형 LED 소자의 일방향의 극성 배열성이 증대하는 것을 기대할 수 있고, 이에 따른 낮은 비대칭 전압의 인가나 공정 시간의 단축도 가능해 진다.
한편, 본 발명의 외부 광원은 광의 세기가 0.1 nW/cm2 이상을 사용할 수 있고, 나아가 외부 광원의 빛의 파장의 길이는 복수개의 초소형 LED 소자의 발광 파장의 길이보다 짧은 것을 사용할 수 있다.
먼저, (1) 단계로써, 상기 초소형 제1 실장전극 및 상기 제1 실장전극과 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인에 복수개의 초소형 LED 소자와 이들을 포함할 수 있는 용액을 투입하는 단계를 수행한다.
구체적으로 도 3은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 전극어셈블리의 제조공정 모식도로써, 도 3a는 베이스기판(100) 상에 형성된 제1 실장전극(110), 상기 제1 실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제2 실장전극(130) 및 복수개의 초소형 LED 소자가 포함된 용액(초소형LED소자(120), 용매(140))을 나타낸다. 상기 도 3에는 도시되지 않았지만, 초소형 LED 소자가 포함된 용액이 투입되는 전극 라인 중 실장가능영역 상에는 초소형 LED 소자를 포함하는 용액이 투입된 후 초소형 LED 소자가 실장될 전극 라인 영역 이외로 퍼지는 것을 방지하기 위하여 절연격벽이 더 구비될 수 있다.
상기 베이스기판, 제1 실장전극 및 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인, 상기 전극 라인 상에 형성될 수 있는 절연 격벽 등에 대한 구체적인 제조방법, 구조 및 투입되는 용액에서의 용매, 초소형LED 소자의 용액내 함량 등에 대한 설명은 대한민국 등록특허 제10-1429095호, 대한민국 특허출원 제10-2014-0085384호가 참조로 삽입될 수 있어서, 본 발명은 이에 대한 구체적 설명을 생략한다.
다음으로 본 발명에 따른 (2) 단계로써, 상기 초소형 LED 소자에 광전현상을 일으키기 위해서, 상기 초소형 LED 소자에 외부 광원의 빛을 조사한다 (도 3b). 상기 (2) 단계는, 초소형 LED 소자의 활성층이 외부 광원의 특정 파장의 빛을 흡수하여, 기저상태에 있던 전자가 들뜬 상태로 천이하고 전자-정공쌍의 여기자를 형성한다. 상기 여기자는 초소형 LED 소자 내부의 built-in potential에 의해 전자와 정공으로 분리되고, 상기 분리된 전하 및 정공은 각각 초소형 LED 소자 양단으로 이동하며, 소자에 단락 전압과 전기쌍극자모멘트를 발생시키게 된다. 따라서, 이러한 외부 광원의 빛을 조사하여 초소형 LED 소자에 전기쌍극자모멘트를 발생시키는 단계를 수행한다.
본 발명에 따른 (3) 단계로써, 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 초소형 LED 소자의 단부를 각각 접촉시키기 위하여 상기 전극 라인에 비대칭 조립전압이 1.0 V 이상인 전원을 인가시켜 복수개의 초소형 LED 소자들을 실장시키는 단계를 수행한다 (도 3c).
상기 (3) 단계는 비대칭 전압의 인가로 실장전극 사이에 형성된 비대칭 전기장과 외부 광원 빛의 조사로 발생한 초소형 LED 소자의 전기쌍극자모멘트와 상호 작용(전기력 및 토크 힘 발생)을 통하여, 소자가 스스로 이동 및 회전하여 전극 사이에 극성 배열성을 가지고 정렬하여 실장될 수 있다. 즉, 외부 광원 빛의 조사하면서 비대칭 조립전압을 초소형 LED 소자에 인가할 수 있다. 다만, 소자가 전극으로 이동, 정렬할 뿐만 아니라 소자 내 제1 도전성 반도체층이 제1 실장전극에 접촉되도록 하여 실장되는 초소형 LED 소자들의 극성 배향성을 향상시키기 위해서는 상기 외부 광원은 광의 세기가 0.1 nW/cm2 이상인 광을 조사해야만 한다.
일부 발명자에 의한 종래의 초소형 LED 전극 어셈블리는 상기 (2) 단계에서 조사되는 외부 광원이 없는 조건에서 비대칭 조립전압만을 사용했었는데, 이와 같은 비대칭 조립전압만의 인가는 초소형 LED 소자의 특정실장전극으로의 극성 배향성을 극대화하기에 불충분 하며, 따라서 적정 수준의 극성 배향성을 갖도록 초소형 LED 소자를 실장시키기는 어렵다. (도 4a, 4b 및 4c 참조)
구체적으로 실장전극에 비대칭 전기장만을 형성시키면, 상기 전기장에 의해 초소형 LED 소자에 표면 분극이 유도되는데 (induced polarization), 이 초소형 LED 소자의 유도 분극과 실장전극간의 정전기력 사이의 힘을 통하여 소자가 전극으로 이동, 정렬하여 실장될 수도 있다. 이때 유도되는 표면 분극의 크기는 매우 작기 때문에, 소자가 전극으로 이동, 정렬할 뿐만 아니라 실장전극에 접촉되어 실장 되기 위해서는 매우 큰 비대칭 조립전압을 인가해야만 한다.(도 4c 참조) 그러나, 이렇게 매우 큰 조립전압은 실장전극을 포함한 여러 기재들에 전기적 손상을 주어, 소자의 성능과 안정성을 크게 해치게 되므로, 이를 마냥 크게 인가할 수만은 없다는 문제가 있다.
그러나, 본 발명의 외부 광원을 조사하여 초소형 LED 소자에 전기쌍극자모멘트를 발생시킨 경우, 일반적으로, 전기쌍극자모멘트와 인가 전기장 사이의 토크 힘을 비롯한 전기력은 유도분극에 의한 전기력 보다 매우 크기 때문에 (일반적으로 ~1000 배 이상), 본 발명의 경우, 제 1 도전성 반도체층(120b)을 제1 실장전극(110)쪽으로, 제 2 도전성 반도체층(120d)을 제2 실장전극(130)쪽으로 회전, 이동시키는 전기적 토크 및 인력(c1, c2)이 더 강해지게 되어, 제 1 도전성 반도체층(120b)이 제1 실장전극(110)에 접촉될 확률이 훨씬 커지게 되며, 이를 확장해 볼 때 실장전극에 투입된 복수개의 초소형 LED 소자가 극성 배향성을 가지고 제1 실장전극과 더욱 용이하게 접촉할 수 있다. 또한, 본 발명의 외부 광원을 조사하여 초소형 LED 소자에 전기쌍극자모멘트를 발생시킨 경우, 전기쌍극자모멘트와 인가 전기장 사이의 토크 힘을 비롯한 전기력의 복합 작용으로 인하여, 비대칭 조립전압만을 가하는 경우에 비하여, 비대칭 조립전압의 크기를 낮추어도 극성 배향이 향상되는 효과를 가질 수 있다. (도 4d 참조)
다만, (3) 단계를 수행한 직후의 상태는 모든 초소형 LED 소자가 두 전극 사이에 나란하게 배치되는 것은 아니며, 일부 초소형 LED 소자는 정도를 달리하며 비스듬하게 배치되거나, 다른 초소형 LED 소자는 어느 하나의 실장전극 상에 올려져 있을 수도 있다. 또한, 초소형 LED 소자 내 각 도전성 반도체층의 길이가 서로 상이하도록 비대칭적으로 형성될 수 있다. 따라서, 이와 같은 모든 상황을 고려하여 초소형 LED 소자의 특정 반도체층이 특정의 실장전극에 접촉되도록 하는 극성 배향성을 더욱 향상시키기 위하여 조사되는 외부광원의 세기는 0.1 nW/cm2 이상이어야 하며, 바람직하게는 1 mW/cm2 이상일 수 있다.
또한, 상기 외부 광원의 빛의 파장은 초소형 LED 소자의 발광 파장 이하이어야 한다. 만일, 외부 광원의 빛의 파장의 길이는 복수개의 초소형 LED 소자의 발광 파장의 길이보다 긴 경우에는 입사 빛의 에너지가 LED 반도체 소자의 활성층의 밴드갭 에너지보다 작아서, 광흡수가 일어날 수 없으므로 광전현상을 일으킬 수 없고, 따라서 본 발명에서 의도하는 극성 배열성을 향상시킬 수 없기 때문이다.
또한, 실장전극에 인가되는 조립전원의 비대칭 정도인, 상단피크 전압의 크기와 하단 피크 전압의 크기의 차이는 1.0 V 이상에서 가능하고, 25V 이상을 사용할 수도 있다.
만일 조사되는 외부광원의 세기는 0.1 nW/cm2 미만이거나, 외부 광원의 빛의 파장이 초소형 LED 소자의 발광 파장보다 긴 경우, 외부 빛은 초소형 LED 소자에 광전 현상을 일으키지 못하여, 결국 초소형 LED 소자의 극성 배향성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 비대칭 조립전압이 1.0 V 미만일 경우, 초소형 LED 소자의 특정 반도체층이 특정의 실장전극에 접촉되도록 하는 극성 배향성이 감소되어, 제조된 초소형 LED 전극 어셈블리에 구동전원으로 직류를 인가시에 교류를 구동전원의 인가시보다 휘도가 현저히 저하되는 문제가 있다.
한편, 비대칭 조립전압이 100 V를 초과하는 경우 초소형 LED 소자의 특정방향으로의 배향성은 문제가 없으나 실장전극을 포함한 여러 기재들이 손상될 수 있는 우려가 있으므로 비대칭 조립전압이 낮은 크기에서 효과적인 일방향 극성 배열성을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 전원은 주파수가 0.1 Hz ~ 1 GHz일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 주파수가 10 kHZ ~ 100 MHz 인 전원일 수 있다. 또한 상기 전원은 오프셋(off-set)이 조절된 싸인파의 형태를 갖는 비대칭 교류전원일 수 있다.
상기 (3) 단계 수행 후 (4) 단계로써, 전극 라인 및 상기 전극 라인 상에 정렬된 초소형 LED 소자를 300 ~ 1000℃에서 0.5 ~ 10분간 열처리하는 단계를 더 수행할 수 있다. 이때, 상기 열처리 온도는 보다 바람직하게는 600℃ 이상에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 초소형 LED 소자를 서로 다른 실장전극들에 각각 접촉시킨 후 초소형 LED 소자의 이동, 정렬을 용이하게 하도록 투입되었던 용매를 제거하기 위한 공정이다. 용매가 완전히 제거되지 않은 상태에서 구동전원이 인가되거나, 실장전극과 초소형 LED 소자간에 접촉저항을 감소시키기 위한 금속오믹층을 형성할 경우, 초소형 LED 전극 어셈블리는 목적하는 수준의 발광 휘도 및 효율을 발현하지 못할 수 있다.
또한, 제거되지 않은 용매는 금속오믹층 제조단계에서 공정상의 결함을 유발할 수 있고, 금속오믹층이 형성되더라도 형성되는 정도가 미약할 수 있으며, 많은 전류손실이 발생할 수 있다. 만일 300℃ 미만 및/또는 0.5분 미만의 시간으로 열처리가 수행되면 불순물이 완전히 제거되지 않는 문제와 초소형 LED 소자와 전극 사이의 접촉 반응이 완전히 일어나지 않을 수 있는 문제가 발생할 수 있고, 1000℃를 초과 및/또는 10분을 초과하여 수행되면 베이스 기판 및/또는 전극이 변형되거나 깨지는 문제가 발생할 수 있으며, 저항의 증가로 초소형 LED 소자에 전압이 제대로 인가되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 (4) 단계는 후술하는 금속오믹층의 형성 후 재실시됨이 바람직하며, 이를 통해 보다 향상된 발광 후도 및 효율을 발현하는 초소형 LED 전극 어셈블리를 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리 제조방법은 상술한 (3) 단계 이후에 제1 실장전극 및 제2 실장전극과 초소형 LED 소자의 접촉부분에 금속오믹층을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다.
상기 금속오믹층의 형성단계는 상술한 (3) 단계 이후에 수행되는 것이 바람직하다.
상기 접촉부분에 금속오믹층을 형성하는 이유는 구동전원의 인가 시에 전극과 초소형 LED 소자 간에 발생할 수 있는 접촉저항을 줄여 발광효율을 더욱 높이기 위함이다. 상기 금속오믹층은 무전해도금 등 당업계에 공지된 통상의 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있어 본 발명은 이에 대한 구체적인 방법에 대해 한정되지 않으며, 이에 대한 설명도 생략한다. 또한, 금속오믹층의 재질도 공지된 재질을 사용할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법을 통해 구현된 초소형 LED 전극 어셈블리는 도 1에 도시된 것과 같이 동일평면상에 상호 이격된 제1 실장전극(110)과 제2 실장전극(130)을 포함하는 전극 라인 및 일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉된 복수개의 초소형 LED 소자(121,122)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리에 실장된 초소형 LED 소자는 전체 실장된 초소형 LED 소자 개수 중 약 80% 이상이 동일한 종류의 반도체, 일예로, 제 1 도전성 반도체층이 동일한 종류의 전극, 일예로, 제1 실장전극에 접촉되도록 구현되어 향상된 극성 배향성이 향상되어, 교류를 구동전원으로 사용하지 않고, 직류를 구동전원으로 사용해도 80% 이상의 초소형 LED 소자를 발광시킬 수 있어서 충분한 휘도 특성을 발현할 수 있고, 직류를 구동전원으로 사용함에 따라서 회로구성이 보다 단순화되어 생산효율, 생산단가 측면에서 유리할 수 있다. 만일 전체 실장된 초소형 LED 소자 중 80% 미만의 초소형 LED 소자만이 일방향의 극성 배향성을 나타낼 경우, 직류를 구동 전원으로 사용했을 때 발현하는 휘도가 교류를 구동전원으로 사용했을 때 발현하는 휘도보다 현저히 저하하여, 직류 구동전원으로 초소형 LED 전극어셈블리를 구동시킬 수 없다.
바람직하게는 실장되는 전체 초소형 LED 소자 중 소자의 제1도전성반도체층이 제1 실장전극에 직접/간접 접촉되는 초소형 LED 소자의 개수가 80% 이상일 수 있고, 이를 통해 더욱 향상된 휘도 특성을 발현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리는 단위 발광 화소당 실장되는 초소형 LED 소자의 개수가 2개 이상일 수 있으며, 이를 통해 매우 뛰어난 휘도특성을 발현할 수 있다. 한편, 단위면적당 초소형 LED 소자의 평균 실장 개수는 초소형 LED 소자가 실질적으로 실장될 수 없는 전극영역까지 포함한 전체 면적을 의미하지 않으며, 초소형 LED 소자가 실질적으로 실장될 수 있는 전극 라인의 면적을 기준으로 실장된 초소형 LED 소자의 개수를 단위면적으로 환산한 개수를 의미한다.
한편, 초소형 LED 전극 어셈블리에 구비되는 상기 초소형 LED 소자는 일반적으로 광원, 디스플레이 등에 광범위하게 사용되는 초소형 LED 소자이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 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 LED 소자의 발광 효율을 저하시킬 수 있다. 초소형 LED 소자의 형상은 원기둥, 직육면체, 디스크 타입 등 다양한 형상일 수 있고, 바람직하게는 원기둥 형상일 수 있으나 상기 기재에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 초소형 LED 소자의 종횡비는 1.0 이상 100 이하 (봉상 타입), 보다 바람직하게는 1.2 ~ 50 일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 1.5 ~ 20, 특히 바람직하게는 1.5 ~ 10 일 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 소자는 제 1 도전성 반도체층 및 제 2 도전성 반도체층을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 제 1 도전성 반도체층 및 상기 제 1 도전성 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 제 2 도전성 반도체층 및 소자의 외부면 중 적어도 활성층 부분의 외부면 전체를 덮는 절연피막을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제 1 도전성 반도체층 및 제 2 도전성 반도체층 중 어느 하나의 도전성 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함하는 소자일 수 있다. 초소형 LED 소자가 청색 발광 소자일 경우, 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, 제 1 도전성 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑될 수 있다. 바람직하게 상기 n형 반도체층의 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. 또한, 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 2 도전성 도펀트(예: Mg)가 도핑될 수 있다. 바람직하게 상기 p형 반도체층의 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 p형 반도체 층으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 활성층은 제 1 도전성 반도체층과 제 2 도전성 반도체층의 사이에 개재될 수 있고, 소자에 전압을 인가하였을 때, 활성층에서는 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 특정 파장의 빛이 발생하게 된다. 상기 활성층은 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층의 위 및/또는 아래에는 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층이 형성될 수도 있으며, 상기 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 활성층으로 이용될 수 있다. 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 LED 소자의 광색은 청색에 제한되지 않으므로, 발광색이 다른 경우 다른 종류의 III-V족 반도체 물질을 활성층으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 제 1 도전성 반도체층의 상부 및/또는 제 2 도전성 반도체층의 하부에는 각각 전극층이 더 형성될 수 있다. 도전성 반도체층이 전극층을 더 포함하는 경우 실장전극과 초소형 LED 소자의 접촉은 전극층과 실장전극 간 및/또는 전극층/도전성 반도체층 모두와 실장전극 간에 형성될 수 있다. 상기 전극층은 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 전극층의 두께는 1 ~ 100 nm 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 전극층을 포함할 경우, 도전성 반도체층과 실장전극의 접촉부위에 금속오믹층을 형성하는 공정에서 요구되는 온도보다 낮은 온도로 전극층과 실장 전극을 접할 시킬 수 있는 이점이 있다.
상기 절연피막은 적어도 활성층을 포함하여 초소형 LED 소자의 외부면에 코팅될 수 있고, 보다 바람직하게는 반도체층의 외부 표면 손상으로 인한 초소형 LED 소자의 내구성 저하를 방지하기 위해, 제 1 도전성 반도체층 및 제 2 도전성 반도체층 중 어느 하나 이상에도 절연피막이 코팅될 수 있다. 상기 절연피막은 초소형 LED 소자에 포함된 활성층이 실장전극과 접촉 시에 초소형 LED 소자에 발생하는 전기적 단락을 방지하는 역할을 한다. 또한, 절연피막은 초소형 LED 소자의 활성층을 포함한 외부면을 보호함으로써 활성층의 표면 결함을 방지해 발광 효율 저하를 막을 수 있다. 상기 절연피막은 바람직하게는 질화규소(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 산화이트륨(Y2O3) 및 이산화티타늄(TiO2) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 성분으로 이루어지나 투명한 것일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않는다. 투명한 절연피막의 경우 상기의 절연피막의 역할을 하는 동시에 절연피막을 코팅함으로써 발생할 수 있는 발광효율의 감소를 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 본 발명에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리를 포함하는 광원을 포함한다. 상기 광원은 초소형 LED 전극 어셈블리를 수용 또는 지지하기 위한 지지체를 더 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 목적에 따라 지지체의 형상을 달리 설계할 수 있어 본 발명은 지지체 형상을 특별히 한정하지 않는다.
또한, 상기 광원은 지지체 내부에 구비되며 초소형 LED 소자로부터 조사된 광에 여기되는 형광체를 더 포함할 수 있다. 일예로, 상기 초소형 LED소자가 UV 초소형 LED소자인 경우 UV에 의해 여기 될 수 있는 상기 형광체는 청색, 황색, 녹색, 호박색 및 적색 중 어느 하나인 형광체가 바람직할 수 있고, 이때, 선택된 어느 한 색상을 발광하는 단색 LED 광원일 수 있다. 또한, 바람직하게는 UV에 의해 여기 되는 상기 형광체는 청색, 황색, 녹색, 호박색 및 적색 중 어느 하나 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 청색/황색, 청색/녹색/적색 및 청색/녹색/호박색/적색 중 어느 한 종류의 혼합 형광체 일 수 있고 이 경우 형광체에 의해 백색광이 조사될 수 있다.
구체적인 형광체는 선택되는 초소형 LED 소자가 발광하는 광색을 고려하여 공지된 형광체를 선택하여 사용할 수 있음에 따라서 본 발명은 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리를 포함하는 조명, 백라이트유닛, 디스플레이일 수 있다.
구체적으로 LED 디스플레이는 초소형 LED 전극 어셈블리, 상기 초소형 LED 전극 어셈블리를 서브화소로 하는 발광부 유닛, 그 상부에 위치하는 Quantum dot 등을 포함하는 광변환층 및 상기 발광부 유닛 및 광변환층을 지지 및 수납하는 지지부재를 포함할 수 있다. 이때, 상기 지지부재 상부에 배치되고, 외부로부터 입사되는 광의 반사를 억제하는 광학시트를 더 구비할 수 있고, 상기 발광부 유닛 하부에는 방열부재를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리는 상기 발광부 유닛에 광원으로써 구비될 수 있다. 상기 디스플레이의 각 구성은 디스플레이 분야의 공지된 구성을 채용할 수 있어서 본 발명은 이에 대해 구체적 설명을 생략한다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예>
본 발명의 외부 광원의 빛을 조사하여 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리 및 그 제조방법의 작동 메커니즘을 확인하기 위하여, 상용의 LED 소자를 사용하여, 이의 외부 광 조사에 대한 소자의 전기적 특성을 살펴보았다. 외광으로 사용한 광원은 Solar simulator(AM 1.5G light source, Newport, 96000 Solar Simulator)으로, 입사광의 세기를 최대 100 mW/cm2 로 하여, Neutral density filter를 사용하여 입사광의 세기를 조절하였다. 외광이 입사될 때, LED 소자의 양단에서 발생하는 전기적 특성, 즉 인가 전압 (Bias voltage, V)에 따른 전류 발생 특성을 소스미터 (source meter, Keithley 2400)로 측정하여, 그 특성 그래프 (photo J-V curve)을 도 5a에 나타내었다. 도 5a에서 볼 수 있듯이, 외광이 입사됨에 따라서 LED 소자에서 광전현상이 일어남을 확인할 수 있었으며, 이러한 광전현상은 입사광의 세기에 대하여 그 특성이 크게 의존함을 확인할 수 있다. 그러한 특성을 분석하기 위해, 관측된 photo J-V curve로부터, 단락 전압(open-circuit voltage, V OC)의 입사광 세기 의존성을 추출하여 도 5b에, 개방 전류 (short-circuit current, I SC)의 입사광 세기 의존성을 추출하여 도 5c에 각각 나타내었다. 도에서 볼 수 있듯이, 외광이 입사된 LED 소자에는 광전효과에 의해 V OC 및 I SC 들이 크게 발생함을 확인하였다. 따라서, 본 발명에서 묘사하였듯이, 외부 광원의 빛을 조사하면 LED 소자에 단락 전압 및 전기쌍극자모멘트를 발생시킬 수 있고, 여기에 실장전극을 통해 비대칭 조립전압을 인가하여 전기장을 생성하면, 극성 배열성이 더욱 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리를 제조할 수 있는 메커니즘이 작동할 수 있음을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한 되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10,110: 제1 실장전극
30,130: 제2 실장전극
21,22,120,121,122: 초소형 LED 소자

Claims (14)

  1. (1) 제1 실장전극 및 상기 제1 실장전극과 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인의 상부에 복수개의 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 투입하는 단계;
    (2) 상기 복수개의 초소형 LED 소자에 외부 광원의 빛을 조사하여 상기 복수개의 초소형 LED 소자에 광전현상을 일으켜서, 상기 복수개의 초소형 LED 소자 양단에 단락 전압을 발생시켜 상기 복수개의 초소형 LED 소자에 전기쌍극자모멘트를 발생시키는 단계; 및
    (3) 상기 전극 라인을 통해 비대칭 조립전압이 1.0 V 이상인 전원을 인가하여, 상기의 전기쌍극자모멘트가 발생된 복수개의 초소형 LED 소자에 전기력 및 토크 힘을 작용하여 상기 복수개의 초소형 LED 소자를 일 방향으로 극성 배열하도록 이동 및 회전시켜서, 상기 복수개의 초소형 LED 소자의 단부를 각각 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 극성의 배열성을 갖으며 접촉시키는 단계;를 포함하며, 또한 상기 (2) 단계 및 (3) 단계는 중첩되어 행해지며,
    상기 외부 광원은 광의 세기가 0.1 nW/cm2 이상인 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (3) 단계 수행 후,
    (4) 상기 전극 라인 상에 배열된 상기 복수개의 초소형 LED 소자를 300℃ 내지 1,000℃에서 0.5분 내지 10분간 열처리시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (3) 단계 이후, 제1 실장전극 및 제2 실장전극에 각각 접촉하는 상기 복수개의 초소형 LED 소자의 단부에 오믹층을 형성시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원은 비대칭 조립전압이 25 V 이상인 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 광원의 빛의 파장의 길이는 상기 복수개의 초소형 LED 소자의 발광 파장의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법.
  6. 상호 이격된 제1 실장전극과 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인; 및
    일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉하고, 광 및 비대칭 조립전압 인가에 의해 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리:
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 초소형 LED 소자는, 제1 도전성 반도체층, 상기 제1 도전성 반도체층상에 형성된 활성층, 상기 활성층상에 형성된 제2 도전성 반도체층 및 소자의 외부면 중 적어도 활성층 부분의 외부면 전체를 덮는 절연피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층 중 어느 하나의 도전성 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 초소형 LED 소자는 길이가 100 nm 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 초소형 LED 전극 어셈블리는 단위 발광 화소 당 실장된 초소형 LED 소자 개수가 2개 이상인 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극어셈블리.
  11. 상호 이격된 제1 실장전극과 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인; 및
    제1 도전성 반도체 및 제2 도전성 반도체를 포함하여 일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉되고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉되고, 광 및 비대칭 조립전압 인가에 의해 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 소자;를 포함하며,
    상기 초소형 LED 소자 전체 개수 중 상기 제1 실장전극에 상기 제1 도전성 반도체가 접촉하는 상기 극성 배열된 초소형 LED 소자의 개수가 80% 이상인 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 초소형 LED 소자 전체 개수 중 상기 제1 실장전극에 상기 제1 도전성 반도체가 접촉되고, 광 및 비대칭 조립전압 인가에 의해 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 소자의 개수는 90% 이상인 것을 특징으로 하는 극성 배열성이 향상된 초소형 LED 전극 어셈블리.
  13. 청구항 11에 에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리;를 포함하는 광원.
  14. 청구항 11에 따른 초소형 LED 전극 어셈블리;를 포함하는 디스플레이.
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