KR102397458B1 - 마이크로 led 어셈블리 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

기판 상에 마이크로 LED를 세워진 상태로 수직 정렬시킴으로써 우수한 발광 효율, 고밀도 및 고해상도를 나타낼 수 있는 마이크로 LED 어셈블리 및 이의 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 본 발명에 따른 마이크로 LED 어셈블리는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치되고, 상기 기판, 하부 전극의 일부가 노출되도록 홈을 포함하는 절연층; 및 상기 홈에 배치되며, 하부 전극에 연결되는 마이크로 LED;을 포함하고, 상기 마이크로 LED의 p형 반도체층이 하부 전극에 연결되고, 상기 마이크로 LED는 길이가 가장 긴 측면이 상기 기판에 수직 방향으로 배치된다.

Description

마이크로 LED 어셈블리 및 이의 제조 방법{MICRO LED ASSEMBLY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 마이크로 LED 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 마이크로 LED를 세워진 상태로 수직 정렬시킴으로써 우수한 발광 효율, 고밀도 및 고해상도를 나타낼 수 있는 마이크로 LED 어셈블리 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
LED는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자로서, 광 변환 효율이 높아 디스플레이의 광원으로 널리 이용되고 있다.
최근에는 LED의 크기를 나노미터 또는 마이크로미터 단위로 제작한 초소형 LED 소자를 조명, 디스플레이 등에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
이러한 연구에서 주목 받고 있는 부분은 초소형 LED의 개수, 초소형 LED에 연결되는 전극의 배치 구조, 초소형 LED의 정렬 방법 등이 있다.
이 중에서도 정렬 방법 관련하여, 초소형 LED는 크기가 매우 작아 목적한 대로 자유롭게 정렬시키는 것이 매우 어렵다.
초소형 LED를 이용하여 디스플레이를 제조하는 경우, 기판에 대하여 초소형 LED를 수평 방향으로 배열시켜 디스플레이를 제조하고 있다.
하지만, 초소형 LED를 수평 방향으로 배열시키는 경우, 출광 방향이 측면으로 주로 향하면서 발광 효율 및 광량이 낮아지게 되고, 수평 배열된 초소형 LED가 차지하는 면적이 커지면서 집적도가 떨어져 고밀도 및 고해상도 디스플레이를 제작하는데 한계가 있다. 또한 정렬되는 초소형 LED 중 일부는 전기적 단락 등의 불량 문제가 발생할 수 있어 발광 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
따라서 초소형 LED의 발광 효율을 향상시키고, 고밀도 및 고해상도의 디스플레이를 제작할 수 있는 어셈블리가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 발광 효율이 우수한 마이크로 LED 어셈블리를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 고밀도 및 고해상도 디스플레이를 나타낼 수 있는 마이크로 LED 어셈블리를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 마이크로 LED를 정확한 위치에 정렬시킬 수 있는 마이크로 LED 어셈블리를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 하나의 화소 영역마다 하나의 마이크로 LED를 정렬시킬 수 있는 마이크로 LED 어셈블리를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 상기 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 마이크로 LED 어셈블리는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치되고, 상기 기판, 하부 전극의 일부가 노출되도록 홈을 포함하는 절연층; 및 상기 홈에 배치되며, 하부 전극에 연결되는 마이크로 LED;을 포함하고, 상기 마이크로 LED의 p형 반도체층이 하부 전극에 연결되고, 상기 마이크로 LED는 길이가 가장 긴 측면이 상기 기판에 수직 방향으로 배치된다.
상기 기판 하부에 서로 수평적으로 이격되는 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극을 포함할 수 있다.
상기 마이크로 LED는 기둥 형상의 마이크로 LED를 포함하거나, 코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 포함할 수 있다.
상기 홈의 길이는 마이크로 LED의 폭 보다 크고, 마이크로 LED의 폭 보다 2배 미만일 수 있다.
하나의 홈에 하나의 마이크로 LED가 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법은 (a) 기판 상에 하부 전극을 배치하는 단계; (b) 상기 하부 전극 상에 절연층을 배치하되, 상기 기판, 하부 전극의 일부가 노출되도록 홈을 포함하는 절연층을 배치하는 단계; 및 (c) 상기 홈에 마이크로 LED를 공급하여 마이크로 LED의 p형 반도체층이 하부 전극에 연결되도록 마이크로 LED를 어셈블리하는 단계;를 포함하고, 상기 (c) 단계에서, 마이크로 LED는 길이가 가장 긴 측면이 상기 기판에 수직 방향으로 배치된다.
상기 (a) 단계에서, 기판 하부에 서로 수평적으로 이격되는 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극을 배치할 수 있다. 상기 (c) 단계에서는 배치된 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극에 전압을 인가하여 전기장을 발생시켜 마이크로 LED를 어셈블리할 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 이소프로필알코올, 아세톤, 톨루엔, 에탄올, 메탄올 및 증류수 중 1종 이상을 포함하는 유체에 마이크로 LED가 분산된 상태로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 LED 어셈블리는 기판 상에 마이크로 LED가 세워진 상태로 수직 배열됨에 따라, 발광 효율이 우수한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 마이크로 LED 어셈블리는 고밀도 및 고해상도 디스플레이를 나타낼 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법은 마이크로 LED를 정확한 위치에 정렬시킬 수 있고, 정렬된 상태를 매우 안정적으로 유지하도록 한다.
또한 본 발명에 따른 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법 하나의 화소 영역마다 하나의 마이크로 LED를 정렬시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 기둥 형상의 마이크로 LED를 적용한 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 하부 전극의 구조를 바꾼 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 3은 도 1에서 기판 하부에 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극이 배치된 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 4는 도 3에서 상부 전극이 배치된 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 기둥 형상의 마이크로 LED의 사시도 및 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 마이크로 LED의 사시도 및 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 적용한 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 8은 도 7에서 하부 전극의 구조를 바꾼 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 9는 도 7에서 기판 하부에 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극이 배치된 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 10은 도 9에서 상부 전극이 배치된 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 11은 본 발명에 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법의 순서도이다.
도 12는 본 발명에 따른 유체 기반 하에서 마이크로 LED를 수직 방향으로 배치하는 시뮬레이션 결과를 도식화한 것이다.
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 마이크로 LED가 수직 방향으로 배치되는 모습을 도식화한 것이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 마이크로 LED 어셈블리 및 이의 제조 방법을 설명하도록 한다.
본 발명은 기판 상에 마이크로 LED를 세워진 상태로 수직 정렬시킴으로써 우수한 발광 효율, 고밀도 및 고해상도를 나타낼 수 있는 마이크로 LED 어셈블리를 제조하는 기술이다. 본 발명의 마이크로 LED 어셈블리는 소자 하나가 화소 하나가 될 수 있고, 소자 여러 개를 묶어서 화소 하나가 될 수도 있다.
본 발명에서 마이크로 LED 어셈블리는 마이크로 LED가 세워진 상태로 정렬된 소재, 마이크로 LED의 길이가 가장 긴 측면이 상기 기판에 수직 방향으로 배치된 소재, 마이크로 LED가 입상 형태로 정렬된 소재, 마이크로 LED가 수직 방향으로 정렬된 소재를 의미한다.
또한 본 발명에서 마이크로 LED 어셈블리는 격벽 없이, 기둥 형상의 마이크로 LED와 코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 수직 방향으로 배치한 구조를 가지며, 유체 기반의 마이크로 LED를 기판 상에 공급한 후, 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극에 전압을 인가하여 전기장을 발생시킴으로써, 강한 인력에 의해 마이크로 LED가 세워진 상태로 정렬될 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에서 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극 구조는 다양한 구조로 설계될 수 있으며, 도면에서 도시된 전극 구조는 하나의 실시예에 해당할 뿐이며, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 기둥 형상의 마이크로 LED를 적용한 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이고, 도 2는 도 1에서 하부 전극의 구조를 바꾼 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 마이크로 LED 어셈블리는 기판(10), 상기 기판 상에 배치되는 하부 전극(20), 상기 하부 전극 상에 배치되고, 상기 기판, 하부 전극의 일부가 노출되도록 홈을 포함하는 절연층(30) 및 상기 홈에 배치되며, 하부 전극에 연결되는 마이크로 LED를 포함한다.
이때 마이크로 LED의 p형 반도체층이 하부 전극에 연결되는 구조이며, 마이크로 LED는 길이가 가장 긴 측면이 상기 기판에 수직 방향으로 배치된다.
기판(10)은 능동구동 백플레인 혹은 활성화된 매트릭스 백플레인(active matrix backplane)일 수 있다.
또한 기판(10)은 투명 절연 물질을 포함하여 광의 투과가 가능하다. 예를 들어, 기판은 실리콘 기판, 유리 기판, 석영 기판, 유리 세라믹 기판, 결정질 유리 기판 및 고분자 유기물을 포함하는 플라스틱 기판 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
기판 상에 배치되는 하부 전극(20)은 마이크로 LED를 구동시키기 위한 전극으로, 마이크로 LED의 p형 반도체층과 접촉되어 전기적으로 연결된다.
도 1 및 도 2에서는 기둥 형상의 마이크로 LED에서 p형 반도체층(101)과 오믹 접촉을 이루는 메탈층(110)이 하부 전극(20) 또는 제1, 2하부 전극(21, 22)에 접촉되는 것으로 도시하였으나, 이는 하나의 실시예에 해당할 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다. 기둥 형상의 마이크로 LED는 메탈층(110) 없이 p형 반도체층(101)이 하부 전극(20) 또는 제1, 2하부 전극(21, 22)에 접촉될 수 있다.
하부 전극(20)은 전원 전압 라인(VDD) 또는 기저 전압 라인(VSS)에 연결되거나, 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극 중 어느 하나로부터 연장되어 형성될 수 있다. 상기 트랜지스터는 마이크로 LED의 전류를 조절할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하부 전극(20)은 서로 수평적으로 이격되는 제1하부 전극(21)과 제2하부 전극(22)을 포함할 수 있다.
또한 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 전극은(20)은 기판 상에 일방향으로 연장되어 배치될 수 있다.
하부 전극(20)은 마이크로 LED를 구동하기 위한 전극으로, 후술할 상부 전극(60)과 함께 전압이 인가됨에 따라 마이크로 LED의 전자-정공 쌍이 결합하면서 마이크로 LED가 광을 방출하게 된다.
하부 전극(20)의 두께는 10 ~ 100nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
절연층(30)은 하부 전극(20, 21, 22) 상에 배치되며, 기판과 하부 전극의 일부가 노출되도록 홈을 포함하는 것이 바람직하다. 후술할 어셈블리용 전극(41, 42)에 전압을 인가하면, 절연층의 홈 영역에서는 국부적으로 전기장의 세기가 커지게 되면서 마이크로 LED의 메탈층(110)에 의해 강한 인력이 발생하여 홈에 마이크로 LED가 어셈블리될 수 있다.
절연층(30)은 마이크로 LED 측면 방향에 배치될 수 있다. 또한 절연층은 측면 뿐만 아니라 마이크로 LED와 하부 전극 사이에도 배치되어 하부 전극과 마이크로 LED 사이의 쇼트(short) 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 도면에서는 하부 전극과 마이크로 LED 사이에 절연층이 없는 구조로 도시하였으나, 이는 하나의 실시예에 해당할 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다.
절연층(30)의 홈은 너비와 길이를 갖는 도랑 형태일 수 있고, 절연층을 식각하여 홈을 형성할 수 있다. 디스플레이의 전체 구성에서는 다수의 홈들이 하부 전극의 길이 방향을 따라 소정의 간격을 두고 형성될 수 있다.
절연층(30)의 홈은 마이크로 LED가 배치되는 공간으로, 홈의 길이(d1)는 마이크로 LED의 폭(d2) 보다 크고, 마이크로 LED의 폭(d2) 보다 2배 미만일 수 있다. 홈의 길이(d1)가 마이크로 LED의 폭(d2) 보다 2배 미만을 만족함으로써, 하나의 홈에 하나의 마이크로 LED를 수직 방향으로 정렬시킬 수 있다.
또한 홈의 길이(d1)는 제1하부 전극(21)과 제2하부 전극(22) 사이의 이격 거리보다 큰 것이 바람직하다.
또한 홈의 깊이(d3)는 마이크로 LED 높이(d4)와 동일하거나 상기 높이(d4)보다 작을 수 있고, 마이크로 LED 높이(d4)의 1/4 이상일 수 있다.
이 경우 마이크로 LED의 수직 정렬이 보다 용이한 효과가 있다.
여기서 홈의 깊이(d3)는 절연층(30)의 두께(높이)를 가리키며, 절연층의 두께는 대략 100 ~ 10,000nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
절연층(30)의 홈은 상측에서 하측까지 수직면을 포함하여 마이크로 LED가 배치되는 공간을 확보할 수 있다. 또한 절연층의 홈의 측면은 상측에서 하측으로 갈수록 홈의 크기가 작아지도록 경사면을 포함함으로써, 마이크로 LED가 보다 수월하게 홈에 들어가 정렬되도록 할 수 있다. 여기서 경사면은 수직면을 기준으로 45° 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
절연층(30)은 폴리머 기반의 유기물 또는/및 무기물로부터 형성될 수 있다.
예를 들어, 절연층(30)은 질화규소(Si3N4), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 산화이트륨(Y2O3) 및 이산화티타늄(TiO2) 중 1종 이상의 다양한 재질이 사용될 수 있다.
마이크로 LED는 세워진 상태, 즉 수직 정렬된 상태로 절연층(30)의 홈에 투입(결합)될 수 있고, 마이크로 LED의 p형 반도체층이 하부 전극(20)에 연결될 수 있다.
여기서 수직 정렬이라는 것은 마이크로 LED의 길이가 가장 긴 측면이 상기 기판에 수직 방향으로 배치된 것을 의미한다.
마이크로 LED가 수직 정렬됨으로써, 발광의 직진성이 우수하여 발광 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한 마이크로 LED가 세워진 상태로 배치되기 때문에 마이크로 LED가 차지하는 면적을 감소시키고 고밀도 및 고해상도의 디스플레이를 제작하는데 유리한 이점이 있다.
마이크로 LED를 세워진 상태로 정렬시키기 위해서는 기판 하부에 서로 수평적으로 이격되는 제1 어셈블리용 전극(41)과 제2 어셈블리용 전극(42)을 포함할 수 있다.
도 3은 도 1에서 기판 하부에 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극이 배치된 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다. 하부 전극(20) 또는 제1, 2 하부 전극(21, 22)이 배치된 상태에서 제1 어셈블리용 전극(41)과 제2 어셈블리용 전극(42)에 전압을 인가하여 전기장을 발생시키면 두 개의 전극(41, 42) 사이에서 강한 인력이 발생하게 되므로, 마이크로 LED가 세워진 상태로 수직 어셈블리할 수 있게 된다. 본 발명에서 어셈블리용 전극(41, 42)은 전기장을 발생시키기 위한 구성 요소로서, 어셈블리용 전극 구조는 다양한 형태로 설계될 수 있으며, 도 3에 도시된 어셈블리용 전극(41, 42) 구조는 하나의 실시예에 해당할 뿐이며, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 도 3에서 상부 전극이 배치된 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 LED 어셈블리는 마이크로 LED의 상부에 배치되며, n형 반도체층(105)과 접촉되어 전기적으로 연결되는 상부 전극(60)을 더 포함할 수 있다. 상부 전극(60)을 더 배치하기 위해서는 절연층(30)과 마이크로 LED 사이의 빈 틈에 절연막(50)을 증착시킨 후 전극 재료를 증착하여 수행될 수 있다.
상부 전극(60)은 마이크로 LED를 구동하기 위한 전극으로, 하부 전극(20)과 함께 전압이 인가됨에 따라 마이크로 LED의 전자-정공 쌍이 결합하면서 마이크로 LED가 광을 방출하게 된다.
상부 전극(40)은 투명 전도성 산화물(TCO)을 포함할 수 있다.
투명 전도성 산화물은 ZnO, GZO, AZO, IZO, MZO 및 ITO 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 어셈블리에 적용되는 마이크로 LED는 기둥 형상 또는 코어-쉘 형상일 수 있다.
마이크로 LED는 가장 긴 변의 길이가 대략 100㎛ 이하인 초소형 발광물질이다. 예를 들어, 상기 가장 긴 변의 길이는 80㎛ 이하, 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하, 20㎛ 이하, 10㎛ 이하일 수 있다.
마이크로 LED는 유체 내에 분산되어 있는 유기 또는/및 무기 재질이고, 1D, 2D 또는 3D 형상의 다양한 크기를 가질 수 있다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이 외주면에 메탈층을 포함하는 원기둥 형상의 마이크로 LED를 포함할 수 있다. 또는 도 6에 도시된 바와 같이 코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 포함할 수 있다.
먼저 도 5를 참조하면, 기둥 형상의 마이크로 LED는 p형 반도체층(101), 활성층(103) 및 n형 반도체층(105), 및 상기 p형 반도체층과 오믹 접촉을 이루며 외주면에 배치되는 메탈층(110)을 포함할 수 있다.
또한 적어도 활성층(103)의 외주면을 감싸는 패시베이션층(107)을 포함할 수 있고, 상기 패시베이션층 외주면에 메탈층(110)이 배치될 수 있다.
마이크로 LED는 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 것으로, 일반적으로 사용되는 LED의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
마이크로 LED의 외주면에 배치되는 메탈층(110)은 마이크로 LED에서 방출되는 광을 반사시켜 반사된 광이 손실 없이 디스플레이 장치의 정면 방향으로 더욱 진행될 수 있도록 반사막 역할을 한다.
또한 제1 어셈블리용 전극(41)과 제2 어셈블리용 전극(42)에 전기장이 형성되면 마이크로 LED에 배치된 메탈층(110)에 강한 인력이 발생하게 되므로, 메탈층(110)은 하부 전극과 상부 전극 사이, 홈에 마이크로 LED가 세워진 상태로 수직 어셈블리하기 위한 역할을 한다.
마이크로 LED의 외주면에 메탈층(110)을 배치함으로써, 마이크로 LED가 수직 어셈블리하기 용이하며 하나의 마이크로 LED의 면적을 최소화할 수 있다.
이에 따라 기판 상에 보다 많은 마이크로 LED를 어셈블리할 수 있어 고밀도 및 고해상도를 갖는 디스플레이 제작에 유리한 이점이 있다.
메탈층(110)은 반사도가 우수한 재질인 Al, Au, Ni, Ti, In, Ag, Mg 및 Cu 중 1종 이상을 포함할 수 있고, ITO, IZO, ITZO와 같은 재질도 포함할 수 있다.
메탈층(110)은 투명 또는 반투명할 수 있고, 활성층(103)에서 생성되는 광이 메탈층을 투과하여 소자의 외부로 방출될 수 있다.
메탈층(110)의 높이(ML)는 n형 반도체층의 측면 높이까지 형성될 수 있다. 또는 메탈층(110)의 높이(ML)는 마이크로 LED의 p형 반도체층(101)과 활성층(103)을 덮는 정도의 높이까지만 형성될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 코어-쉘 구조의 마이크로 LED는 활성층(203)이 n형 반도체층(201)의 외주면을 둘러싸는 형태로 구성되기 때문에 활성층이 위치하는 영역을 따라 활성층이 위치한 모든 영역에서 광이 방출될 수 있다.
즉, 코어-쉘 구조의 마이크로 LED는 활성층 면적이 상대적으로 크기 때문에 광이 방출되는 면적을 많이 확보할 수 있다.
마이크로 LED는 마이크로 LED의 길이 방향을 따라 가운데에 위치하는 n형 반도체층(201)으로 형성된 코어, 상기 코어 표면에 배치되며 n형 반도체층의 적어도 일측을 둘러싸는 활성층(203) 및 상기 활성층 표면에 배치되며 활성층을 둘러싸는 p형 반도체층(205)을 포함하는 코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 포함할 수 있다.
또한 상기 p형 반도체층(205)을 둘러싸는 메탈층(미도시)과, 상기 메탈층 외주면 일부를 둘러싸는 절연 피막(미도시)을 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
마이크로 LED는 n형 반도체층의 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있다. 마이크로 LED는 중심에서 상부로 향할수록 폭이 좁아지면서 하나의 꼭지점에 접하는 육각뿔 형상을 가지며, 중심에서 하부까지는 동일한 폭을 갖는 사각 기둥 형상을 가질 수 있다. 다른 예로 마이크로 LED는 상부에서 하부로 향할수록 폭이 좁아지는 다각 기둥 형상을 가지거나, 그 반대로 하부에서 상부로 향할수록 폭이 좁아지는 다각 기둥 형상을 가질 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 적용한 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이고, 도 8은 하부 전극의 구조를 바꾼 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
코어-쉘 구조의 마이크로 LED는 p형 반도체층(205)이 하부 방향에 위치하도록 홈에 수직 정렬됨으로써, p형 반도체층(205)의 전기적 컨택이 보다 유리한 효과가 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, p형 반도체층(205)에 하부 전극(20)이 전기적으로 연결되며, 하부 전극(20)은 서로 수평적으로 이격되는 제1하부 전극(21)과 제2하부 전극(22)을 포함하거나, 기판 상에 일방향으로 연장되어 배치될 수 있다.
코어-쉘 구조의 마이크로 LED가 배치되는 경우, 마이크로 LED의 뾰족한 형상에 따라 p형 반도체층(205)에 접촉하는 하부 전극(20)의 형상도 뾰족한 형상일 수 있으며, p형 반도체층(205)의 바닥면을 감싸는 구조로 형성될 수 있다.
도 9는 도 7에서 기판 하부에 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극이 배치된 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이고, 도 10은 상부 전극이 배치된 마이크로 LED 어셈블리의 단면도이다.
전술한 바와 같이, 마이크로 LED를 세워진 상태로 정렬시키기 위해서는 기판 하부에 서로 수평적으로 이격되는 제1 어셈블리용 전극(41)과 제2 어셈블리용 전극(42)을 포함할 수 있다.
하부전극(20) 또는 제1, 2 하부 전극(21, 22)이 배치된 상태에서 제1 어셈블리용 전극(41)과 제2 어셈블리용 전극(42)에 전압을 인가하여 전기장을 발생시키면 두 개의 전극층(41, 42) 사이에서 강한 인력이 발생하게 되므로, 코어-쉘 구조의 마이크로 LED가 세워진 상태로 수직 어셈블리할 수 있게 된다. 어셈블리용 전극(41, 42) 구조는 다양한 형태로 설계될 수 있으며, 어셈블리용 전극(41, 42) 구조는 하나의 실시예에 해당할 뿐이며, 이에 제한되는 것은 아니다.
코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 적용한 어셈블리는 마이크로 LED의 상부에 배치되며, n형 반도체층(201)과 접촉되어 전기적으로 연결되는 상부 전극(60)을 더 포함할 수 있다.
기존에는 반사막을 뱅크 외각에 위치시키고, 격벽을 이용하여 잉크젯 또는 유동성 방식으로 LED를 수직 정렬시키려는 시도가 있었으나, 표면장력에 의해 LED가 수평 방향으로 쓰러지기 때문에 현실적으로 LED를 수직 정렬시키는 것이 불가능하였다.
또한 기존에는 코어-쉘 구조의 LED의 p형 반도체층이 상부에 위치하도록 배치되었으나, 이는 배열하는데 있어서 불안정한 정렬 구조를 가지는 단점이 있었다.
하지만, 본 발명에서는 별도의 격벽 없이, 기판 하부에 배치된 제1 어셈블리용 전극(41)과 제2 어셈블리용 전극(42)에 전압을 인가하여 전기장을 발생시킴으로써, 기둥 형상 또는 코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 기판 상에 수직한 방향으로 어셈블리하는 효과가 있다.
또한 코어-쉘 구조의 LED에서 p형 반도체층이 하부에 위치하도록 배치됨에 따라 p형 반도체층의 전기적 컨택이 보다 유리한 효과가 있으며, 안정적인 정렬 구조를 확보하는 효과가 있다.
본 발명의 마이크로 LED 어셈블리는 절연층의 홈에 마이크로 LED를 수직 방향으로 정렬시킴으로써, 하나의 홈에 하나의 마이크로 LED가 배치될 수 있다.
하나의 홈에 하나의 마이크로 LED가 배치된 어셈블리를 통해, 하나의 화소 영역마다 하나의 마이크로 LED가 배치되는 디스플레이를 제작할 수 있다.
도 11은 본 발명에 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법의 순서도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법은 기판 상에 하부 전극을 배치하는 단계(S110), 홈을 포함하는 절연층을 배치하는 단계(S120), 홈에 마이크로 LED를 공급하고 마이크로 LED를 수직 방향으로 어셈블리하는 단계(S130)를 포함한다.
먼저 기판(10) 상에 금속층을 배치한 후, 상기 금속층 중에서 이격 거리만큼 제거하여 제1하부 전극(21)과 제2하부 전극(22)을 형성할 수 있다. 또는 금속층이 일방향으로 연장되어 형성되도록 하여 하부 전극(20)을 형성할 수 있다.
디스플레이 회로에서는 마이크로 LED가 전극으로 연결되어야 하므로 많은 금속배선을 필요로 한다. 이에 따라 전기장을 통한 마이크로 LED 조립 과정에서 원하지 않는 곳에 기생 전기장(parasitic electric field)이 생길 수 있으므로 이러한 현상을 최소화하는 것이 중요하다.
이를 위해, 회로의 모든 소자를 덮고 있도록 전 영역에 전기장 차폐층 역할을 하면서 정렬 역할을 하는 금속층을 형성하는 것이 바람직하다.
금속층을 기판 상의 전 영역에 형성하게 되면, 기생 전기장의 형성을 최소화하면서 동시에 아래에 있는 소자를 전기장으로부터 보호할 수 있다.
예를 들어, 수평적으로 이격되는 제1하부 전극(21)과 제2하부 전극(22)을 형성하기 위해, 금속층 상에 이격 거리를 제외한 영역에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 형성된 포토레지스트 패턴에서 식각 마스크를 이용해 식각을 수행하여 금속층 중에서 이격 거리만큼을 제거할 수 있다. 이를 통해, 기판 상에 서로 이격되는 제1하부 전극(21)과 제2하부 전극(22)을 배치할 수 있다.
추가로, 기판 상에 하부 전극을 배치하는 단계(S110)에서 기판 하부에 서로 수평적으로 이격되는 제1 어셈블리용 전극(41)과 제2 어셈블리용 전극(42)을 배치하는 것이 바람직하다. 기판 하부에 절연층을 소정의 두께로 증착한 후 어셈블리용 전극(41, 42)을 배치할 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 하부 전극(20) 상에 절연층(30)을 배치하되, 상기 기판, 하부 전극의 일부가 노출되도록 홈을 포함하는 절연층(30)을 배치한다.
하부 전극(20) 상에 마이크로 LED가 정렬될 수 있도록, 절연층(30)을 패터닝하여 홈을 형성할 수 있다.
상기 패터닝은 노광(exposure)과 현상(develop)을 이용하여 수행되거나, 건식 식각, 습식 식각을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 홈은 마이크로 LED가 하부 전극과 맞닿아 접촉될 수 있도록 형성될 수 있다. 홈의 길이는 마이크로 LED의 폭 보다 크고, 마이크로 LED의 폭 보다 2배 미만일 수 있다.
절연층의 홈은 상측에서 하측까지 수직면으로 형성되거나, 또는 상측에서 하측으로 갈수록 홈의 크기가 작아지도록 경사면으로 형성되어 마이크로 LED가 배치되는 공간을 확보할 수 있다.
절연층의 재질 및 두께에 대한 사항은 전술한 바와 동일하므로 생략하기로 한다.
이어서, 상기 홈에 마이크로 LED를 공급하여 마이크로 LED의 p형 반도체층이 하부 전극에 연결되도록 마이크로 LED를 어셈블리한다.
이소프로필알코올, 아세톤, 톨루엔, 에탄올, 메탄올 및 증류수 중 1종 이상을 포함하는 유체에 마이크로 LED가 분산된 상태로 기판 상에 공급하여, 홈에 마이크로 LED를 공급할 수 있다. 기판 상에 공급된 마이크로 LED는 홈 근처에 위치하거나, 홈 내부에 위치할 수 있다.
기판 상에 마이크로 LED를 공급한 후, 제1 어셈블리용 전극(41)과 제2 어셈블리용 전극(42)에 전압을 인가하여 전기장을 발생시킴으로써, 마이크로 LED는 길이가 가장 긴 측면이 기판에 수직 방향이 되도록 배치될 수 있다.
어셈블리용 전극(41, 42)에 전압을 인가하여 전기장을 발생시키면, 기둥 형상의 마이크로 LED의 경우 외주면에 배치된 메탈층에 강한 인력이 발생하게 되어 마이크로 LED가 수직 방향으로 홈에 정렬되기에 유리한 이점이 있다.
어셈블리용 전극(41, 42)에 전압을 인가하기 위해, 하부 전극과 상부 전극에 직류 신호, 교류 신호 또는 펄스 직류(pulsed DC) 신호를 공급할 수 있다.
전술한 바와 같이, 마이크로 LED는 기둥 형상의 마이크로 LED, 또는 코어-쉘 구조의 마이크로 LED일 수 있다.
이후, 소자 발광을 위해, 마이크로 LED의 n형 반도체층과 연결되도록 마이크로 LED의 상부에 상부 전극(60)을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상부 전극(60)을 배치하기 전에는 절연층(30)과 마이크로 LED 사이 빈틈, 즉 홈 내부와 절연층(30) 상에 절연 물질을 증착하여 절연막(50)을 형성할 수 있다.
이어서 절연막(50) 일부를 식각하여 상부 전극을 형성하기 위한 전극 재료를 증착할 수 있다.
이처럼 본 발명에서는 유체 기반의 LED 및 전기장을 이용하여 기둥 형상 또는 코어-쉘 구조의 마이크로 LED가 수직 정렬됨으로써, 발광의 직진성이 우수하여 발광 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한 마이크로 LED가 세워진 상태로 배치되기 때문에 LED가 차지하는 면적을 감소시키고 고밀도 및 고해상도의 디스플레이를 제작하는데 유리한 이점이 있다.
또한 하나의 홈에 하나의 마이크로 LED를 어셈블리할 수 있다.
이와 같이 마이크로 LED 어셈블리 및 이의 제조 방법에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
도 12는 본 발명에 따른 유체 기반 하에서 마이크로 LED를 수직 방향으로 배치하는 시뮬레이션 결과를 도식화한 것이다.
도 12를 참조하면, 절연층의 홈에 원기둥 형상의 마이크로 LED가 수직 방향으로 어셈블리된 것을 보여준다. 이러한 시뮬레이션 결과를 통해 고밀도 및 고해상도의 디스플레이를 제작하는데 적용될 수 있음을 예상할 수 있다.
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 마이크로 LED가 수직 방향으로 배치되는 모습을 도식화한 것이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 절연층의 홈에 기둥 형상의 마이크로 LED가 수직 정렬된 것을 확인할 수 있고, 하나의 홈에 하나의 마이크로 LED가 어셈블리된 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10 : 기판
20 : 하부 전극
21 : 제1하부 전극
22 : 제2하부 전극
30 : 절연층
41 : 제1 어셈블리용 전극
42 : 제2 어셈블리용 전극
50 : 절연막
60 : 상부 전극
101, 205 : p형 반도체층
103, 203 : 활성층
105, 201 : n형 반도체층
107 : 패시베이션층
110 : 메탈층

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치되고, 상기 기판, 하부 전극의 일부가 노출되도록 홈을 포함하는 절연층; 및
    상기 홈에 배치되며, 하부 전극에 연결되는 마이크로 LED;을 포함하고,
    상기 마이크로 LED는
    p형 반도체층, 상기 p형 반도체층 상에 배치되는 활성층, 상기 활성층 상에 배치되는 n형 반도체층, 상기 활성층의 외주면을 감싸는 패시베이션층, 및 상기 p형 반도체층과 오믹 접촉을 이루며 패시베이션층의 외주면에 배치되는 메탈층을 포함하는 기둥 형상의 마이크로 LED를 포함하거나,
    n형 반도체층으로 형성된 코어, 상기 코어 표면에 배치되는 활성층 및 상기 활성층 표면에 배치되는 p형 반도체층을 포함하는 코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 포함하고,
    상기 마이크로 LED의 p형 반도체층이 하부 전극에 연결되고,
    상기 마이크로 LED는 길이가 가장 긴 측면이 상기 기판에 수직 방향으로 배치되는 마이크로 LED 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판 하부에 서로 수평적으로 이격되는 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극을 포함하는 마이크로 LED 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극은 일방향으로 연장되어 배치되거나,
    서로 수평적으로 이격되는 제1하부 전극과 제2하부 전극을 포함하는 마이크로 LED 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홈의 길이는 마이크로 LED의 폭 보다 크고, 마이크로 LED의 폭 보다 2배 미만인 마이크로 LED 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    하나의 홈에 하나의 마이크로 LED가 배치되는 마이크로 LED 어셈블리.
  6. (a) 기판 상에 하부 전극을 배치하는 단계;
    (b) 상기 하부 전극 상에 절연층을 배치하되, 상기 기판, 하부 전극의 일부가 노출되도록 홈을 포함하는 절연층을 배치하는 단계; 및
    (c) 상기 홈에 마이크로 LED를 공급하여 마이크로 LED의 p형 반도체층이 하부 전극에 연결되도록 마이크로 LED를 어셈블리하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계에서, 마이크로 LED는 길이가 가장 긴 측면이 상기 기판에 수직 방향으로 배치되는 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 하부 전극은 일방향으로 연장되어 배치되거나,
    서로 수평적으로 이격되는 제1하부 전극과 제2하부 전극으로 배치되는 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 기판 하부에 서로 수평적으로 이격되는 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극을 배치하는 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 어셈블리용 전극과 제2 어셈블리용 전극에 전압을 인가하여 전기장을 발생시켜 마이크로 LED를 어셈블리하는 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 홈의 길이는 마이크로 LED의 폭 보다 크고, 마이크로 LED의 폭 보다 2배 미만인 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 이소프로필알코올, 아세톤, 톨루엔, 에탄올, 메탄올 및 증류수 중 1종 이상을 포함하는 유체에 마이크로 LED가 분산된 상태로 공급하는 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    하나의 홈에 하나의 마이크로 LED를 어셈블리하는 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로 LED는
    p형 반도체층, 상기 p형 반도체층 상에 배치되는 활성층 및 상기 활성층 상에 배치되는 n형 반도체층; 및 상기 p형 반도체층과 오믹 접촉을 이루며 외주면에 배치되는 메탈층;을 포함하는 기둥 형상의 마이크로 LED를 포함하는 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로 LED는
    n형 반도체층으로 형성된 코어, 상기 코어 표면에 배치되는 활성층 및 상기 활성층 표면에 배치되는 p형 반도체층을 포함하는 코어-쉘 구조의 마이크로 LED를 포함하는 마이크로 LED 어셈블리의 제조 방법.
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