KR102378918B1 - 매트릭스 어레이를 만들기 위한 2단계 인광체 퇴적 - Google Patents

매트릭스 어레이를 만들기 위한 2단계 인광체 퇴적 Download PDF

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Abstract

수직 행들 및 열들의 매트릭스 어레이(200)로 배열된 가깝게 이격된 pcLED들(100)을 제조하는 방법은 인광체(803, 905)가 체커보드 패턴으로 매트릭스 어레이 내의 교대 위치들(픽셀들)에 퇴적되는 초기 인광체 퇴적 단계를 포함하여, 인광체(803, 905)가 퇴적되는 어레이 내의 위치들(504)이 서로 인접하지 않는다. 후속 인광체 퇴적 단계에서 인광체는 제1 퇴적 단계에서 인광체가 퇴적되지 않은 교대 위치들에 퇴적된다. 2개의 인광체 퇴적 단계 사이에서, 반사 또는 산란 구조체들(606)은 결과적인 어레이 내의 pcLED들을 서로 광학적으로 격리시키기 위해 인광체 픽셀들의 측벽들 상에 제조될 수 있다.

Description

매트릭스 어레이를 만들기 위한 2단계 인광체 퇴적
본 발명은 일반적으로 인광체-변환 발광 다이오드들(phosphor-converted light emitting diodes)에 관한 것이다.
반도체 발광 다이오드들 및 레이저 다이오드들(총괄하여 본 명세서에서 "LED"라고 함)은 현재 이용가능한 가장 효율적인 광원들 중 하나이다. LED의 방출 스펙트럼은 전형적으로 디바이스의 구조에 의해 그리고 그것이 구성되는 반도체 재료들의 조성에 의해 결정된 파장에서 단일의 좁은 피크를 나타낸다. 디바이스 구조 및 재료 시스템의 적합한 선택에 의해, LED들은 자외선, 가시광선 또는 적외선 파장들에서 동작하도록 설계될 수 있다.
LED들은 LED에 의해 방출되는 광을 흡수하고 그에 응답하여 더 긴 파장의 광을 방출하는 하나 이상의 파장 변환 재료(일반적으로 본 명세서에서 "인광체들"로 지칭됨)와 결합될 수 있다. 그러한 인광체-변환 LED들("pcLEDs")에 대해, 인광체들에 의해 흡수되는 LED에 의해 방출되는 광의 비율은 LED에 의해 방출되는 광의 광 경로에서의 인광체 재료의 양, 예를 들어 LED 상에 또는 주위에 배치된 인광체 층 내의 인광체 재료의 농도 및 층의 두께에 의존한다.
인광체-변환 LED들은 LED에 의해 방출된 광의 모두가 하나 이상의 인광체에 의해 흡수되도록 설계될 수 있고, 이 경우에 pcLED로부터의 방출은 완전히 인광체들로부터의 것이다. 그러한 경우들에서 인광체는, 예를 들어, LED에 의해 직접 효율적으로 생성되지 않는 좁은 스펙트럼 영역 내의 광을 방출하도록 선택될 수 있다.
대안적으로, pcLED들은 LED에 의해 방출된 광의 일부만이 인광체들에 의해 흡수되도록 설계될 수 있고, 이 경우에 pcLED로부터의 방출은 LED에 의해 방출된 광과 인광체들에 의해 방출된 광의 혼합물이다. LED, 인광체들, 및 인광체 조성의 적합한 선택에 의해, 그러한 pcLED는, 예를 들어, 원하는 색 온도 및 원하는 연색(color-rendering) 특성들을 갖는 백색 광을 방출하도록 설계될 수 있다.
WO 2018/122520 A1은 발광 다이오드들의 매트릭스 어레이 및 발광 다이오드들의 적어도 일부에 대면하여 위치되는 복수의 광발광(photoluminescent) 패드를 포함하는 광전자 디바이스들을 생산하기 위한 프로세스를 개시한다. WO 95/30236 A1은 기판 내에 복수의 개구를 생성하고 개구들 내에 인광체를 퇴적함으로써 픽셀화된 인광체 구조체를 만들기 위한 프로세스를 개시한다. US 2017/200765 A1은 인광체 부분들 사이에 분산 브래그 반사기(distributed bragg reflector) 구조체를 갖는 디스플레이 디바이스를 개시한다.
본 명세서는 수직 행들 및 열들의 매트릭스 어레이로 배열되는 가깝게 이격된 pcLED들을 제조하는 방법들을 개시한다. 인광체는 LED들의 어레이 상에 직접적으로 퇴적될 수 있다. 대안적으로 인광체는 LED들의 어레이에 대응하는 매트릭스 어레이의 캐리어 기판 상에 퇴적되고 이후에 LED들에 전사될 수 있다.
어느 경우에서든 초기 인광체 퇴적 단계에서 인광체는 매트릭스 어레이 내의 교대 위치들(픽셀들)에서 체커보드 패턴(checkerboard pattern)으로 퇴적되어, 인광체가 퇴적되는 어레이 내의 위치들이 서로 인접하지 않는다. 인광체는 이 제1 단계에서 어레이 내의 위치들의 절반, 또는 약 절반에 퇴적된다. 후속 인광체 퇴적 단계에서 인광체는 제1 퇴적 단계에서 인광체가 퇴적되지 않은 교대 위치들에 퇴적된다. 2개의 인광체 퇴적 단계 사이에, 결과적인 어레이 내의 pcLED들을 서로로부터 광학적으로 격리하기 위해 인광체 픽셀들의 측벽들 상에 반사 구조체들이 제조될 수 있다.
이 방법의 이점은 반사 구조체들이 퇴적될 때 전형적으로 매트릭스 어레이 내에 고 종횡비(high aspect ratio) 구조체들이 존재하지 않고, 이는 그들의 퇴적을 용이하게 한다는 것이다. 또 다른 이점은 픽셀들 사이의 간격이 반사기 두께와 동일하고, 이것은 매우 얇을 수 있다는 것이다. 반사기 두께는 예를 들어, 약 10 미크론 이하, 약 5 미크론 이하, 약 3 미크론 이하, 또는 약 0.2 미크론 이하일 수 있다.
본 명세서에서 개시된 방법들에 의해 제조된 인광체-변환 LED들은 예를 들어, 디스플레이들에서 사용된 마이크로LED 어레이들에서, 자동차들에서의 조명을 위해 사용된 LED 어레이들에서(예를 들어, 헤드라이트들에서), 및 카메라들을 위한 플래시 광원들에서 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들, 특징들 및 장점들은 먼저 간략하게 설명되는 첨부 도면들과 함께 이하의 본 발명의 보다 상세한 설명에 대한 참조로 취해질 때 본 기술분야의 통상의 기술자에게 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 예시적인 pcLED의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2a 및 2b는 pcLED들의 어레이의 단면 및 상면 개략도들을 각각 도시한다.
도 3a는 pcLED들의 어레이가 장착될 수 있는 전자제품 보드의 개략적인 상면도를 도시하고, 도 3b는 유사하게 도 3a의 전자 보드 상에 장착된 pcLED들의 어레이를 도시한다.
도 4a는 도파관들 및 투영 렌즈에 대해 배열된 pcLED들의 어레이의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4b는 도파관들이 없는, 도 4a의 것과 유사한 배열을 도시한다.
도 5는 본 명세서에서 설명된 인광체 퇴적 방법들에서 이용될 수 있는 예시적인 체커보드 패터닝된 구조체의 개략적인 상면도를 도시한다.
도 6a 내지 6i는 본 명세서에서 설명된 인광체 퇴적 방법들의 하나의 변형예에 의한 pcLED 어레이의 제조시의 중간 스테이지들을 예시한다.
도 7a 내지 7d는 본 명세서에서 설명된 인광체 퇴적 방법들의 또 다른 변형예에 의한 pcLED 어레이의 제조시의 중간 스테이지들을 예시한다.
도 8a 내지 8b는 본 명세서에서 설명된 인광체 퇴적 방법들의 또 다른 변형예에 의한 pcLED 어레이의 제조시의 중간 스테이지들을 예시한다.
도 9a 내지 9e는 본 명세서에서 설명된 인광체 퇴적 방법들의 또 다른 변형예에 의한 pcLED 어레이의 제조시의 중간 스테이지들을 예시한다.
이하의 상세한 설명은 도면들을 참조하여 읽어야 하며, 도면들에서 동일한 참조 번호들은 상이한 도면들 전체에 걸쳐 동일한 요소들을 지칭한다. 반드시 실제 축척으로 도시되어 있는 것은 아닌 도면들은 선택적인 실시예들을 도시하고, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도된 것은 아니다. 상세한 설명은, 제한이 아니라, 예로서, 본 발명의 원리들을 예시한다.
도 1은 본 명세서에서 함께 "LED"로 고려되는, 기판(104) 상에 배치된 반도체 다이오드 구조체(102), 및 LED 상에 배치된 인광체 층(106)을 포함하는 개별 pcLED(100)의 예를 도시한다. 반도체 다이오드 구조체(102)는 전형적으로 n-형 및 p-형 층들 사이에 배치된 활성 영역을 포함한다. 다이오드 구조체를 가로지르는 적합한 순방향 바이어스의 인가는 활성 영역으로부터의 광의 방출을 초래한다. 방출된 광의 파장은 활성 영역의 조성 및 구조에 의해 결정된다.
LED는 예를 들어, 청색, 자색 또는 자외선 광을 방출하는 III-질화물 LED일 수 있다. 임의의 다른 적합한 재료 시스템으로부터 형성되고 임의의 다른 적합한 파장의 광을 방출하는 LED들이 또한 사용될 수 있다. 다른 적합한 재료 시스템들은 예를 들어, III-인화물 재료들, III-비화물 재료들 및 II-VI 재료들을 포함할 수 있다.
pcLED로부터의 원하는 광 출력에 따라, 임의의 적합한 인광체 재료들이 사용될 수 있다.
도 2a 내지 2b는 기판(202) 상에 배치된 인광체 픽셀들(106)을 포함하는 pcLED들(100)의 어레이(200)의 단면도 및 상면도를 각각 도시한다. 이러한 어레이는 임의의 적합한 방식으로 배열된 임의의 적합한 수의 pcLED를 포함할 수 있다. 예시된 예에서 어레이는 공유된 기판 상에 모놀리식으로(monolithically) 형성된 것으로 도시되지만, 대안적으로 pcLED들의 어레이는 별개의 개별 pcLED들로부터 형성될 수 있다. 기판(202)은 선택적으로 LED를 구동하기 위한 CMOS 회로를 포함할 수 있고, 임의의 적합한 재료들로부터 형성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 전력 및 제어 모듈(302), 센서 모듈(304), 및 LED 부착 영역(306)을 포함하는 전자제품 보드(300) 상에 pcLED 어레이(200)가 장착될 수 있다. 전력 및 제어 모듈(302)은 어느 전력 및 제어 모듈(302)이 LED들의 동작을 제어하는지에 기초하여, 외부 소스들로부터의 전력 및 제어 신호들 및 센서 모듈(304)로부터의 신호들을 수신할 수 있다. 센서 모듈(304)은 임의의 적합한 센서들로부터, 예를 들어 온도 센서들 또는 광 센서들로부터 신호들을 수신할 수 있다. 대안적으로, pcLED 어레이(200)는 전력 및 제어 모듈 및 센서 모듈과 별개의 보드(도시되지 않음) 상에 장착될 수 있다.
개별 pcLED들은 선택적으로 인광체 층에 인접하여 위치하거나 인광체 층 상에 배치된 렌즈 또는 다른 광학 요소를 포함하거나 그와 결합하여 배열될 수 있다. 도면들에 도시되지 않은, 그러한 광학 요소는 "주 광학 요소(primary optical element)"로 지칭될 수 있다. 또한, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, (예를 들어, 전자제품 보드(300) 상에 장착된) pcLED 어레이(200)는 의도된 응용에서 사용하기 위해 도파관들, 렌즈들, 또는 둘 다와 같은 보조 광학 요소들과 조합하여 배열될 수 있다. 도 4a에서, pcLED들(100)에 의해 방출된 광은 도파관들(402)에 의해 수집되어 투영 렌즈(404)로 지향된다. 투영 렌즈(404)는 예를 들어, 프레넬 렌즈(Fresnel lens)일 수 있다. 이러한 배열은 예를 들어, 자동차 헤드라이트들에서 사용하기에 적합할 수 있다. 도 4b에서, pcLED들(100)에 의해 방출된 광은 중개 도파관들의 사용 없이 투영 렌즈(404)에 의해 직접적으로 수집된다. 이 배열은 pcLED들이 서로 충분히 가깝게 이격될 수 있을 때 특히 적합할 수 있고, 또한 자동차 헤드라이트들뿐만 아니라 카메라 플래시 응용들에서 사용될 수 있다. 마이크로LED 디스플레이 응용은 예를 들어, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 것들과 유사한 광 배열들을 사용할 수 있다. 일반적으로, 원하는 응용에 따라, 광학 요소들의 임의의 적합한 배열이 본 명세서에 설명된 pcLED들과 조합하여 사용될 수 있다.
pcLED 어레이들의 많은 사용들을 위해, 어레이 내의 개별 pcLED들로부터 방출된 광을 구획화하는 것이 바람직하다. 즉, 어레이 내의 인접한 pcLED들은 어둡게 유지하면서 어레이 내의 개별 pcLED를 광원으로서 동작시킬 수 있는 것이 유리하다. 이것은 디스플레이들 또는 조명의 더 양호한 제어를 허용한다.
많은 응용들에서 어레이 내의 pcLED들을 서로 가깝게 배치하는 것이 또한 유리하다. 예를 들어, 마이크로LED들에서의 바람직한 구성은 개별 LED들 사이에 최소 간격을 갖는 것이다. 카메라 플래시 광원으로서 사용되는 어레이의 또는 자동차 헤드라이트에서의 pcLED들을 가깝게 이격시키는 것은 임의의 보조 광학계(secondary optics)에 대한 요건들을 단순화하고 어레이에 의해 제공되는 조명을 개선할 수 있다.
그러나, 어레이 내의 pcLED들이 서로 가깝게 배치되면, 인접한 pcLED들 간의 광학적 크로스 토크가 발생할 수 있다. 즉, pcLED에 의해 방출된 광은 인접한 pcLED 내로 산란하거나 그렇지 않으면 인접한 pcLED 내로 결합하고 그 다른 pcLED로부터 비롯되는 것으로 보일 수 있어서, 광의 원하는 구획화를 방지한다.
어레이 내의 픽셀들 사이의 광학적 크로스토크의 가능성은 LED들의 어레이 상부의 단일 공유 인광체 층의 사용을 금지한다. 대신에, 인광체 픽셀들 상의 반사 측벽들과 함께, 각각의 발광 요소 상에 인광체의 이산(discrete) 픽셀을 제공하는 패터닝된 인광체 퇴적이 필요하다.
어레이 내의 LED들 사이의 간격이 작은 경우, 예를 들어, 10 또는 20 미크론보다 작은 경우, 채워지거나 코팅될 채널들의 높은 종횡비들로 인해 습식 화학적 또는 물리적 퇴적 방법들을 사용하여 인광체 픽셀들 상에 반사 측벽들을 형성하는 것이 어렵다. LED들을 위한 측면 코트로서 사용되는 가장 흔한 산란 층은 실리콘 내에 매립된 TiO2 산란 입자들을 포함한다. 또 다른 옵션은 예를 들어, 알루미늄 또는 은과 같은 반사 금속 층이다. 또 다른 옵션은 설계에 따라 매우 높은 반사율을 제공할 수 있는, 고 굴절률 재료 및 저 굴절률 재료의 교대 층들의 스택으로 형성된 다층 분산 브래그 반사기(DBR) 구조체이다. 인광체 픽셀들의 측벽들 상의 그러한 반사 층들 또는 구조체들의 균일한 코팅을 보증하기 위해, 측벽들은 액세스가능해야 한다. 인접한 인광체 픽셀들 사이의 갭의 종횡비가 높은 경우, 반사 코팅 두께의 비균질성(inhomogeneities)이 예상되어 불균일하고 최적이 아닌 반사 특성들로 이어질 수 있다.
본 명세서는 인접한 pcLED들의 매우 가까운 간격을 갖는 pcLED 어레이를 생산하기 위해 이용될 수 있는 인광체 픽셀들의 측벽들을 코팅하는 방법을 개시한다. 위에서 요약된 바와 같이, 제1 인광체 퇴적 단계에서 인광체 픽셀들의 절반(또는 약 절반)만이 체커보드 패턴으로 퇴적된다. 예를 들어, 짝수의 픽셀들을 갖는 매트릭스 어레이에 대해, 인광체 픽셀들의 절반이 제1 인광체 퇴적 단계에서 퇴적될 수 있다. 홀수 개의 픽셀들을 갖는 매트릭스 어레이에 대해, 인광체 픽셀들의 절반 플러스 1 또는 마이너스 1이 제1 인광체 퇴적 단계에서 퇴적될 수 있다. 제1 인광체 퇴적 단계(및 제1 퇴적 단계에서 사용되는 임의의 패터닝된 구조체들 또는 몰드(mold)들의 제거) 후에, 반사 측면 코트들이 퇴적된다. 방법의 이 단계에서, 반사 측면 코트들의 퇴적을 방해하는 고 종횡비 구조체들이 시스템에 존재하지 않는다. 다음 단계에서 나머지 인광체 픽셀들이 퇴적되어, 각각이 반사 측면 코트들을 갖는 인광체 픽셀들의 픽셀화된 매트릭스 어레이로 이어진다.
도 5는 이 방법에서 사용될 수 있는 예시적인 7x7 체커보드 패턴 구조체(502)의 상면도를 도시한다. 아래에 추가로 설명된 바와 같이, 구조체(502)는 예를 들어, 포토레지스트(photoresist)로부터 또는 선택적으로 재사용가능한 몰드로서 형성될 수 있다. 유사한 더 크거나 또는 더 작은 MxN 구조체들이 이용될 수 있으며, 여기서 M 및 N은 동일하거나 상이할 수 있다. 구조체(502)는 체커보드 패턴을 형성하기 위해 구조체의 직사각형(예를 들어, 정사각형) 특징들과 교대하는 직사각형(예를 들어, 정사각형) 개구들(504)을 포함한다. 구조체(502)의 이러한 직사각형 특징들은 예를 들어, 포토레지스트의 블록들 또는 몰드의 부분들일 수 있다. 구조체(502)는 구조체에서 직사각형 특징들의 외부 것들에 인접한 체커보드 패턴의 에지 주위에 배열된 얇은 직사각형 개구들(506)을 추가로 포함한다.
아래에 추가로 설명된 바와 같이, 제1 인광체 퇴적 단계에서 인광체 픽셀들을 형성하기 위해 개구들(504)이 사용된다. 개구들(506)의 기능은, 제1 인광체 퇴적 단계 후에, 미러(mirror) 구조체가 퇴적될 수 있는 표면을 제공하는 것이다. 그렇지 않으면, 아래에 설명된 제2 인광체 퇴적 단계 동안 형성된 외부 픽셀들은 외부 미러 구조체가 없을 것이다. 개구들(506) 내에 퇴적된 인광체는 광 발생을 위해 사용되지 않는다.
예로서, 구조체(502) 내의 정사각형 개구들(504)은 폭이 200 마이크로미터일 수 있고, 얇은 직사각형 개구들(506)은 길이가 200 미크론이고 폭이 50 미크론일 수 있다. 구조체(502)의 체커보드 패턴에서의 직사각형 특징들은 픽셀화된 인광체 어레이 상에 퇴적될 반사 측면 코트들의 폭의 2배만큼 개구들(504)보다 더 넓고 더 길며, 이 예에서는 약 10미크론의 2배이다. 결과적인 픽셀 크기 및 간격은 예를 들어, 플래시 모듈에 적합할 수 있다. 예를 들어, 8 미크론 스트리트들(streets)(픽셀 간격, 반사기 폭)을 갖는 32x32 미크론 픽셀들, 5 미크론 스트리트들을 갖는 35x35 미크론 픽셀들, 및 3 미크론 스트리트들을 갖는 37x37 미크론 픽셀들과 같은 더 작은 크기들이 쉽게 생성될 수 있다. 더 큰 픽셀 크기들이 또한 사용될 수 있다. 임의의 다른 적합한 치수들이 사용될 수 있다.
도 6a 내지 6i는 도 5에 도시된 절단선(503)을 따라 취해진 구조체(502)의 부분 단면도를 도시한다. 이제 이러한 도면들을 참조하면, 이 방법의 하나의 변형예에서 체커보드 패턴(502)은 캐리어(602) 상에 퇴적된 포토레지스트로부터 형성된다(도 6a). 임의의 적합한 포토레지스트가 사용될 수 있고, 포토레지스트는 임의의 적합한 종래의 방법들을 사용하여 패터닝될 수 있다. 캐리어(602)는 예를 들어 유리 시트, 또는 임의의 다른 적합한 재료일 수 있다.
후속해서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 구조체(502) 내의 개구들(504)을 인광체 재료로 채워 인광체 픽셀들(604)을 형성한다. 구조체(502) 내의 얇은 직사각형 개구들(506) 또한 이 단계에서 인광체 재료로 채워진다. 인광체 재료는, 예를 들어, 임의의 적합한 매트릭스 재료에 분산된 임의의 적합한 인광체 입자들을 포함할 수 있다. 적합한 매트릭스 재료는, 예를 들어, 실리콘들, 졸 겔들(sol gels), 및 저융점 유리들을 포함할 수 있다. 인광체 픽셀들은 임의의 적합한 방법에 의해, 예를 들어 블레이드 코팅에 의해 또는 스프레이 코팅에 의해 퇴적될 수 있다. 과잉 인광체 재료는, 예를 들어, 린싱(rinsing) 또는 와이핑(wiping) 또는 이 둘의 조합에 의해 구조체(502)의 상부로부터 제거될 수 있다. 그 다음, 인광체 픽셀들(604)은 포토레지스트 형성 구조체(502)가 인광체 층에 영향을 주지 않고 박리될 수 있는 정도까지 경화되거나 부분적으로 경화될 수 있다.
후속하여, 도 6c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 형성 구조체(502)가 캐리어(602)로부터 박리되어, 그들의 측벽들이 노출된 인광체 픽셀들(604)을 남긴다. 포토레지스트는, 예를 들어, 용매로 또는 건식 에칭에 의해, 또는 임의의 다른 적합한 방법에 의해 박리될 수 있다.
선택적으로, 포토레지스트의 박리 후에 인광체 매트릭스는 추가로 경화될 수 있다. 또한 선택적으로, 금속 이동(migration)을 저지하기 위해 또는 인광체 픽셀들 상의 반사 층의 접착을 개선하기 위해, 중간 층들이 인광체 픽셀들 상에 퇴적될 수 있거나, 인광체 픽셀들이 플라즈마로 처리되거나 UV/오존에 노출될 수 있다.
후속해서, 도 6d에 도시된 바와 같이, 반사 층(606)이 인광체 픽셀들(604)의 상부 및 측벽들 상에 퇴적될 수 있다. 유리하게는, 이 스테이지에서 이웃하는 인광체 픽셀들이 아직 퇴적되지 않았기 때문에 픽셀들(604)의 측벽들이 쉽게 액세스된다. 반사 층(606)은, 예를 들어, 실리콘에 매립된 TiO2 입자들과 같은 광 산란 재료, 하나 이상의 반사 금속 층, 또는 하나 이상의 DBR 구조체이거나 또는 이를 포함할 수 있다. 반사 금속 층들은 예를 들어, 기상 퇴적(vapor deposition) 또는 스퍼터링(sputtering)에 의해 퇴적될 수 있다. DBR 구조체들은, 예를 들면 원자 층 퇴적에 의해 퇴적될 수 있다.
반사 층(606)은 예를 들어, 약 0.2 미크론 이하, 약 3 미크론 이하, 약 5 미크론 이하, 약 10 미크론 이하, 또는 약 20 미크론 이하의 인광체 픽셀들(604)의 측벽들 상의 두께를 가질 수 있다. 알루미늄 미러 반사 구조체는 예를 들어, 약 0.2 미크론 이하의 두께를 가질 수 있다. DBR 구조체는 예를 들어, 약 3미크론 이하의 두께를 가질 수 있다. 최종 인광체 어레이 구조체에서, 이러한 반사기 측벽들의 두께 또한 인광체 픽셀들 간의 간격이다.
후속해서, 도 6e에 도시된 바와 같이, 반사 층(606)의 퇴적 후에, 인광체 픽셀들(608)을 퇴적하기 위해 제2 인광체 층 도포 단계가 수행된다. 인광체 픽셀들(608)은 (도 5에 도시된) 구조체(502)의 체커보드 패턴 내의 직사각형 특징들이 이전에 위치되었던 곳에 위치된다. 이전의 인광체 퇴적 단계에서 얇은 직사각형 개구들(506)을 채움으로써 형성된 인광체 구조체들은 제2 인광체 퇴적 단계에서 퇴적된 인광체 재료가 어레이 밖으로 흐르는 것을 방지한다.
픽셀들(608)을 형성하기 위해 제2 퇴적 단계에서 퇴적된 인광체 재료는 픽셀들(604)을 형성하기 위해 제1 퇴적 단계에서 퇴적된 것과 동일할 수 있다. 대안적으로, 2개의 별개의 퇴적 단계에서 사용되는 인광체 재료들은 상이할 수 있다. 예를 들어, 2개의 단계에서 사용되는 인광체 재료들은 동일한 인광체들을 포함할 수 있고, 따라서 동일하거나 유사한 스펙트럼 특성들을 갖지만, 인광체 입자들이 분산되는 매트릭스 재료에서는 상이하다. 대안적으로, 2개의 상이한 퇴적 단계에서 사용되는 인광체 재료들은 동일한 매트릭스 재료를 사용할 수 있지만 상이한 스펙트럼 특성들을 갖는 상이한 인광체들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 퇴적 단계들 중 하나에서, 온백색(warm white) 광 출력을 제공하는 인광체가 퇴적될 수 있는 한편, 다른 인광체 퇴적 단계에서 냉백색(cool white) 광 출력을 제공하는 인광체가 퇴적될 수 있다. 이것은 약 절반의 온백색 픽셀 및 약 절반의 냉백색 픽셀을 갖는 매트릭스를 야기할 것이고, 이는 예를 들어, 카메라 플래시 응용에서 유리하게 이용될 수 있다. 2개의 별개의 퇴적 단계에서 사용되는 인광체 재료들은 또한 매트릭스 및 인광체 둘 다에서 다를 수 있다.
제2 인광체 퇴적 단계 후에, 인광체 픽셀들(604) 상부 상의 반사 층들의 일부가 화학적 또는 기계적 수단에 의해 제거되어, 예를 들어, 도 6f에 도시된 인광체 픽셀 어레이를 야기한다.
도 6g에 도시된 바와 같이, 도 6f에 도시된 인광체 픽셀 어레이가 뒤집어 져서 기판(612) 상에 배열된 LED들(610)의 어레이에 본딩될 수 있는데, 인광체 픽셀들은 대응하는 LED들과 정렬된다. 이는 도 6h에 도시된 구조체를 야기한다.
후속하여, 캐리어(602) 및 캐리어(602) 상에 존재하는 반사 층(606)의 부분들은 연마(polishing) 또는 그라인딩(래핑(lapping))에 의해 제거된다. 이것은 도 6i에 도시된 pcLED 어레이를 야기하고, 여기서 인접하는 가깝게 이격된 인광체 픽셀들(614)은 반사 측벽들(616)에 의해 분리된다.
이제 도 7a 내지 도 7d에 도시된 부분 단면도들을 참조하면, 인광체 퇴적 방법의 또 다른 변형예에서, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같은 개구들을 갖는 선택적으로 재사용가능한 몰드(702)가 포토레지스트 패턴 대신에 사용된다. 몰드 내의 개구들은 인광체 픽셀들(704)을 형성하기 위해 인광체 재료로 채워지고, 과잉 인광체는 몰드의 상부 표면으로부터 제거된다(도 7a).
몰드는 예를 들어, 붕소-질화물로부터 형성될 수 있고, 예를 들어, 포토레지스트들이 견딜 수 있는 것보다 더 높은 온도에서 경화하는 인광체 재료들과 조합하여 사용될 수 있다. 인광체 재료는 예를 들어, 유리 내의 인광체(PiG) 재료일 수 있다. 임의의 다른 적합한 인광체 재료들이 대신 사용될 수 있다. 예를 들어, 인광체 재료는 유리 매트릭스보다는, 위에 설명된 것과 같은 실리콘 또는 졸-겔 매트릭스를 포함할 수 있다.
후속하여, 인광체 픽셀들(704)이 경화된다. PiG 재료에 대해, 인광체 픽셀들(704)은 예를 들어, 약 480°C에서 경화될 수 있다. 인광체 재료는 도 7b에 도시된 바와 같이, 경화 동안 수축할 수 있지만 반드시 수축하지는 않을 것이다. 이는 몰드를 과충전(over-filling)함으로써 보상될 수 있다(예를 들어, 아래에 논의되는 도 8a 참조).
후속해서, 몰드는 캐리어(706) 상에서 뒤집히고(도 7c), 몰드는 몰드의 냉각 및 제거 후에 기판 상에 인광체 픽셀들(704)을 부착하고 남기기 위해 인광체 재료를 연화하는 추가 가열 단계 후에 제거된다. 캐리어는, 예를 들어, 유리 시트 또는 임의의 다른 적합한 재료일 수 있다. 인광체 재료가 도 7b-7c에 도시된 바와 같이 수축한 경우, 몰드로부터 릴리즈(release)되는 것이 어려울 수 있다.
대안적으로, 인광체 재료, 예를 들어, PiG 재료가 몰드의 보이드들(void) 내에 퇴적된다. 인광체 재료를 경화하기 전에, 기판(706)이 몰드에 부착되고 몰드 및 기판 어셈블리가 도 7c에 도시된 바와 같은 구성으로 뒤집힌 후에 고온 경화 단계가 뒤따른다. 예를 들어 약 480°C에서 수행되는, 고온 경화 단계는, 감소된 압력 하에서 행해질 수 있어 인광체 픽셀들(704)의 밀도 및 기판(706)에 대한 접착력을 개선한다.
방법의 이 변형예에서 pcLED 어레이를 형성하는 후속 단계들은 일반적으로 도 6d 내지 도 6i에 관하여 설명된 것들을 추적할 수 있다.
이제 도 8a 내지 도 8b에 도시된 부분 단면도들을 참조하면, 인광체 퇴적 방법의 또 다른 변형예는 도 7a에 도시된 바와 같이 선택적으로 재사용가능한 몰드(702)를 사용하지만 몰드를 인광체 재료(803) 로 과충전한다(도 8a). 도시된 바와 같이, 도 8b에서, 몰드로부터의 제거 후에 이것은 인광체 재료 캐리어(806)에 의해 서로 접속된 인광체 픽셀들(804)을 포함하는 모놀리식 인광체 구조체를 야기한다. 캐리어(806)는 도 7c에 도시된 캐리어(706)와 유사한 역할을 한다. 방법의 이러한 변형예에서 pcLED 어레이를 형성하는 후속 단계들은 일반적으로 도 6d 내지 도 6i에 관하여 설명된 것들을 추적할 수 있다.
인광체 퇴적 방법의 또 다른 변형예에서, 도 5에 도시된 바와 같은 체커보드 패턴은 기판(706) 상에 붕소 질화물 그리드를 퇴적함으로써 형성된다. 이러한 붕소 질화물 그리드는, 예를 들어, 미세가공(micromachining)에 의해 준비될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 붕소 질화물로 형성된 프레임이 기판(706)에 부착되거나 기판과 접촉하게 될 수 있다.
프레임 또는 그리드는 PiG 재료와 같은 인광체 재료로 채워질 수 있고, 프레임 또는 그리드의 제거 후에, 도 7d에 도시된 바와 같은 기판 상의 인광체 픽셀 구성으로 이어지는 고온 경화 단계가 뒤따를 수 있다. 충전 프로세스를 위해, PiG 재료가 액체 바인더와 혼합되어 페이스트 또는 슬러리를 획득할 수 있다. 페이스트 또는 슬러리는 이후 예를 들어, 캐스팅(casting) 또는 디스펜싱(dispensing)과 같은 방법들에 의해 프레임 또는 그리드의 개구들 내로 투여될 수 있고, 바인더 첨가제들의 건조 및 제거 단계들이 뒤따를 수 있다. 방법의 이러한 변형예들에 의해 pcLED 어레이를 형성하는 후속 단계들은 일반적으로 도 6d 내지 도 6i에 관하여 설명된 단계들을 추적할 수 있는데, 붕소 질화물 그리드가 포토레지스트 패턴을 대체한다.
PiG 재료가 몰드 또는 프레임에 퇴적되는 변형예들에서, 몰드 또는 프레임은, 예를 들어, 유리 연화(softening) 또는 어닐링 온도에서, 몰드 또는 프레임 및 기판의 열 팽창의 계수들 사이의 불일치들로부터 야기되는 기계적 응력(mechanical stress)을 회피하면서 픽셀 형상을 유지하도록 선택된 온도에서 유리 용융 및 응고 후에 제거될 수 있다.
이제 도 9a의 부분 단면도를 참조하면, 인광체 퇴적 방법의 또 다른 변형예에서, 인광체 재료는 LED 어레이(900) 상에 직접적으로 퇴적된다. LED 어레이(900)는 직사각형 어레이로 기판(902) 상에 배열된 LED들(100)을 포함한다. 기판(902)은 인터커넥트들 및 콘택들(903)을 통해 LED들을 구동하도록 구성되는 CMOS를 포함할 수 있다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 교대하는 LED들 위에 놓인 LED 어레이(900) 상에 체커보드 포토레지스트 패턴(502)이 퇴적된다. 패시베이팅 유전체 층은 포토레지스트의 퇴적 전에 LED 어레이 상에 퇴적될 수 있다.
후속해서, 도 9c에 도시된 바와 같이, 인광체 재료(905)가 체커보드 포토레지스트 패턴으로 퇴적된다. 과잉 인광체는 LED 어레이의 상부로부터 제거되어, 대응하는 LED들 위의 제자리에 인광체 픽셀들(604)을 남긴다(도 9d). 포토레지스트 패턴이 이어서, 방법의 다른 변형예들에 대해 설명된 것과 유사하게 제거되어, 도 9e에 도시된 구조체를 야기한다.
방법의 이 변형예에서 pcLED 어레이를 형성하는 후속 단계들은 일반적으로 도 6d 내지 도 6i에 관하여 설명된 것들을 추적할 수 있다.
실리콘 매트릭스에 분산된 인광체 입자들을 포함하는 인광체 재료와 함께 포토레지스트 패턴(502)을 이용하는 인광체 퇴적 방법의 변형예들에서, 실리콘을 만족스럽게 경화하지만 포토레지스트의 베이킹 또는 손상을 피하고 포토레지스트를 제거하기 어렵게 만들기에 충분히 낮은 온도에서 실리콘 매트릭스를 경화하는 것이 바람직하다.
이러한 저온 경화는, 예를 들어, 매트릭스에 대해 축합(condensation) 경화 실리콘 조성물을 사용하고, 이를 기상 촉매작용(vapor phase catalyzation)을 사용하여 경화시킴으로써 용이해질 수 있다. 축합 경화 실리콘 조성물은 예를 들어, 오르가노실록산 블록 공중합체들(organosiloxane block copolymers)을 포함할 수 있다. 기상 촉매는 예를 들어, 염기성 또는 알칼리성 촉매제일 수 있다. Swier 등 에 의한 미국 특허 제9,688,035호에 설명된 바와 같은 초염기 촉매들이 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "초염기"는 리튬 디이소프로필아미드(lithium diisopropylamide)와 같은 매우 높은 염기도를 갖는 화합물들을 지칭한다. 용어 "초염기"는 또한 고유한 새로운 특성들을 소유하는 새로운 염기성 종들로 이어지는 2개(또는 그 이상)의 염기들의 혼합으로부터 기인하는 염기들을 포함한다. 용어 "초염기"는 반드시 또 다른 것보다 열역학적으로 및/또는 동역학적으로 더 강한 염기를 의미하지는 않는다. 대신에, 일부 변형예들에서 그것은 염기 시약이 여러 상이한 염기들의 특성들을 결합함으로써 생성되는 것을 의미한다. 용어 "초염기"는 또한 1,8-비스-(디메틸아미노)-나프탈렌(1,8-bis-(dimethylamino)-naphthalene)에 비해 더 높은 절대 양성자 친화도 (APA=245.3 kcal/mole) 및 고유 기상 염기도(GB=239 kcal/mole)를 갖는 임의의 종을 포함한다. 초염기들의 비-제한적인 예들은 유기 초염기들, 유기금속 초염기들, 및 무기 초염기들을 포함한다.
유기 초염기들은 질소-함유 화합물들을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 일부 실시예들에서, 질소-함유 화합물들은 또한 낮은 친핵성(nucleophilicity) 및 비교적 온화한 사용의 조건들을 갖는다. 질소 함유 화합물들의 비-제한적인 예들은 포스파젠(phosphazenes), 아미딘(amidines), 구아니딘(guanidines), 및 멀티사이클릭 폴리아민(multicyclic polyamines)을 포함한다. 유기 초염기들은 또한 산소(불안정화된 알콕시드들) 또는 질소(리튬 디이소프로필아미드와 같은 금속 아미드들(metal amides))와 같은, 반응성 금속이 헤테로원자 상의 수소로 교환된 화합물들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 초염기 촉매는 아미딘 화합물이다. 일부 실시예들에서, 용어 "초염기"는 물 중에서 측정시 적어도 2개의 질소 원자 및 약 0.5 내지 약 11의 pKb를 갖는 유기 초염기를 지칭한다.
유기금속 초염기들은 유기리튬(organolithium) 및 유기마그네슘(organomagnesium)(그리냐르 시약(Grignard reagent)) 화합물들을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 일부 변형예들에서, 유기금속 초염기들은 그것들을 비-친핵성으로 만드는 데 필요한 정도로 방해된다.
초염기들은 또한 유기, 유기금속, 및/또는 무기 초염기들의 혼합물을 포함한다. 이러한 혼합된 초염기들의 비-제한적인 예는 n-부틸리튬(n-butyllithium) 및 칼륨 tert-부톡시드(potassium tert-butoxide)의 조합인 슐로서 염기(Schlosser base)(또는 로흐만-슐로서 염기(Lochmann-Schlosser base))이다. n-부틸리튬 및 칼륨 tert-부톡시드의 조합은 어느 하나의 시약 단독보다 더 큰 반응성의 혼합된 응집체를 형성하고 tert-부틸칼륨(tert-butylpotassium)과 비교하여 명백하게 상이한 특성들을 갖는다.
무기 초염기는 작고, 고도로 대전된 음이온들(highly charged anions)을 갖는 염-유사(salt-like) 화합물들을 포함한다. 무기 초염기들의 비-제한적 예들은 리튬 질화물(lithium nitride), 및 칼륨 수소화물(potassium hydride) 및 나트륨 수소화물(sodium hydride)을 포함한 알칼리- 및 알칼리 토금속 수소화물들을 포함한다. 이러한 종은 강한 양이온-음이온 상호작용으로 인해 모든 용매에 불용성이지만, 이러한 재료들의 표면들은 반응성이 높고 슬러리가 사용될 수 있다.
일부 변형들에서 초염기 촉매는 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데스-7-엔(1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene, DBU), (CAS#6674-22-2)을 포함한다.
사용되는 초염기 촉매의 양은 달라질 수 있고 제한적이지 않다. 전형적으로, 기상을 통해 첨가되는 양은 촉매 유효량이며, 이는 선택된 초염기, 및 실록산 중합체 수지(siloxane polymer resin)의 증기 투과 특성들에 따라 달라질 수 있다. 초염기 촉매의 양은 전형적으로 고체 조성물에서의 ppm(parts per million)으로 측정된다. 특히, 촉매 수준은 공중합체(copolymer) 고체들과 관련하여 계산된다. 경화성 실리콘 조성물에 첨가되는 초염기 촉매의 양은, 고체 조성물들에 존재하는 중합체 수지 함량(중량 기준)을 기준으로 하여, 0.1ppm 내지 1,000ppm, 대안적으로 1ppm 내지 500ppm, 또는 대안적으로 10ppm 내지 100ppm의 범위일 수 있다.
실리콘 재료 또는 실록산은 기계적 안정성, 저온 경화 특성들(예를 들어, 섭씨 150-120도 미만), 및 기상 촉매들을 사용하여 촉매되는 능력을 위해 선택될 수 있다. 일부 변형들에서, 오르가노실록산 블록 공중합체들이 사용될 수 있다. D 단위 및 T 단위를 함유하는 오르가노폴리실록산이 사용될 수 있으며, 여기서 D 단위는 주로 함께 결합되어 10 내지 400개의 D 단위를 갖는 선형 블록들을 형성하고, T 단위는 주로 서로 결합되어 "비-선형 블록"이라고 지칭되는 분지형 중합체 사슬들(branched polymeric chains)을 형성한다.
이 개시내용은 예시적이며, 제한적이지 않다. 추가의 변형예들이 본 개시내용에 비추어 본 기술분야의 통상의 기술자에게는 명백할 것이고, 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 인광체-변환 LED들의 매트릭스 어레이를 제조하는 방법으로서,
    제1 인광체 퇴적 단계에서 매트릭스 어레이 내의 교대 위치들에 인광체 재료를 퇴적하여 인광체 픽셀들이 퇴적되는 상기 매트릭스 어레이 내의 위치들이 인광체 픽셀들이 퇴적되지 않는 상기 어레이 내의 위치들과 교대하는 인광체 픽셀들의 체커보드 패턴을 형성하는 단계 - 상기 인광체 픽셀들은 인광체 픽셀들이 퇴적되지 않는 상기 어레이 내의 상기 위치들에 인접하고 대향하는 측벽들을 포함함 -;
    상기 제1 인광체 퇴적 단계에서 퇴적된 상기 인광체 픽셀들의 상기 측벽들 상에 반사 구조체들을 퇴적하는 단계; 및
    제2 인광체 퇴적 단계에서, 상기 반사 구조체들을 퇴적한 후에, 인광체 재료를 퇴적하여 제1 인광체 퇴적 단계에서 인광체 픽셀들이 퇴적되지 않은 상기 매트릭스 어레이 내의 교대 위치들에 인광체 픽셀들을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 인광체 퇴적 단계 및 제2 인광체 퇴적 단계 후에 인광체 픽셀들의 결과적인 매트릭스 어레이 내의 인접한 인광체 픽셀들이 상기 반사 구조체들 중 하나와 접촉하고 그에 의해 이격되는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인광체 픽셀들은 상기 반사 구조체들에 의해 10 미크론 이하만큼 이격되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인광체 픽셀들은 상기 반사 구조체들에 의해 3 미크론 이하만큼 이격되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 인광체 퇴적 단계에서 퇴적된 상기 인광체 픽셀들의 상기 측벽들 상에 반사 구조체들을 퇴적하는 단계는 또한 인광체-변환 LED들의 상기 매트릭스 어레이의 다른 표면들 상에 반사 구조체들을 퇴적하는 단계를 포함하고, 상기 제2 인광체 퇴적 단계 후에 이러한 다른 표면들의 적어도 일부로부터 반사 구조체들을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 인광체 퇴적 단계에서 퇴적된 상기 인광체 재료는 상기 제1 인광체 퇴적 단계에서 퇴적된 상기 인광체 재료와 동일한 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 인광체 퇴적 단계에서 퇴적된 상기 인광체 재료는 상기 제1 인광체 퇴적 단계에서 퇴적된 상기 인광체 재료와 상이한 방법.
  7. 제1항에 있어서, 캐리어 상에 상기 인광체 픽셀들의 매트릭스 어레이를 형성하는 단계, 및 상기 인광체 픽셀들의 매트릭스 어레이를 상기 캐리어로부터 LED들의 매트릭스 어레이로 전사하여 상기 인광체-변환 LED들의 매트릭스 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, LED들의 매트릭스 어레이 상에 직접적으로 상기 인광체 픽셀들의 매트릭스 어레이를 형성하여 상기 인광체-변환 LED들의 매트릭스 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 인광체 퇴적 단계에서 상기 인광체 재료를 퇴적하는 것은, 포토레지스트 구조체의 개구들 내에 상기 인광체 재료를 퇴적하는 것을 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반사 구조체들을 퇴적하기 전에 상기 포토레지스트 구조체를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    캐리어 상에 상기 포토레지스트 구조체를 형성하는 단계; 및
    후속해서 상기 인광체 픽셀들의 매트릭스 어레이를 상기 캐리어로부터 LED들의 매트릭스 어레이로 전사하여 상기 인광체-변환 LED들의 매트릭스 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, LED들의 어레이 상에 상기 포토레지스트 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 인광체 퇴적 단계에서 상기 인광체 재료를 퇴적하는 것은, 몰드의 개구들 내에 상기 인광체 재료를 퇴적하는 것을 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 인광체 퇴적 단계에서 퇴적된 상기 인광체 재료는 유리 매트릭스 내에 인광체를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 몰드는 붕소 질화물로 형성되는 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 반사 구조체들을 퇴적하기 전에 상기 몰드로부터 캐리어로 상기 인광체 픽셀들의 체커보드 패턴을 전사하는 단계; 및
    후속해서 상기 인광체 픽셀들의 매트릭스 어레이를 상기 캐리어로부터 LED들의 매트릭스 어레이로 전사하여 상기 인광체-변환 LED들의 매트릭스 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 반사 구조체들은 매트릭스 재료에 분산된 산란 입자들을 포함하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 반사 구조체들은 반사 금속 층들을 포함하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 반사 구조체들은 분산 브래그 반사기 구조체들을 포함하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제2 인광체 퇴적 단계에서, 인광체 재료를 퇴적하여 인광체 픽셀들을 형성하는 단계는 인광체 재료를 퇴적하여 각각이 상기 제1 인광체 퇴적 단계에서 퇴적된 상기 인광체 픽셀의 상기 측벽들 상의 인접한 반사 구조체들 사이의 거리와 일치하는 폭을 갖는 인광체 픽셀들을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
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