KR102476136B1 - Led를 이용한 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 각각 복수의 서브 픽셀을 포함하는 픽셀들을 갖는 디스플레이 장치로서, 상기 복수의 서브 픽셀에 각각 제공되며 실질적으로 동일한 파장의 광을 방출하도록 구성된 복수의 LED 셀을 포함하는 LED 어레이 - 상기 복수의 LED 셀은 서로 반대에 위치한 제1 면 및 제2 면을 가짐 - 와, 상기 복수의 LED 셀의 제1 면에 각각 배치되며 각각 소스 및 드레인 영역들과 그 사이에 위치한 게이트 전극을 갖는 복수의 TFT 셀을 포함하는 TFT 회로와, 상기 복수의 LED 셀의 제2 면에 각각 배치되며 상기 복수의 서브 픽셀로부터 서로 다른 광이 방출되도록 구성된 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어진 파장 변환 패턴과, 상기 복수의 서브 픽셀이 분리되도록 상기 복수의 LED 셀과 상기 파장 변환패턴 사이에 배치된 광차단벽을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.

Description

LED를 이용한 디스플레이 장치{DISPLAY DEVICE USING LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 LED를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
반도체 발광다이오드(LED)는 조명 장치용 광원뿐만 아니라, 다양한 전자 제품의 광원으로 사용되고 있다. 특히, TV, 휴대폰, PC, 노트북 PC, PDA 등과 같은 각종 디스플레이 장치들을 위한 광원으로 널리 사용되고 있다.
종래의 디스플레이 장치는 주로 액정 디스플레이(LCD)로 구성된 디스플레이 패널과 백라이트로 구성되었으나, 최근에는 LED 소자를 그대로 하나의 픽셀로서 사용하여 백라이트가 별도로 요구되지 않는 형태로도 개발되고 있다. 이러한 디스플레이 장치는 컴팩트화할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 LCD에 비해 광효율도 우수한 고휘도 디스플레이 장치를 구현될 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 웨이퍼 레벨에서 구현 가능하면서 각 서브 픽셀에 적합한 파장 변환 수단을 구비한 디스플레이 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는, 각각 복수의 서브 픽셀을 포함하는 픽셀들을 갖는 디스플레이 장치로서, 상기 복수의 서브 픽셀에 각각 제공되며 실질적으로 동일한 파장의 광을 방출하도록 구성된 복수의 LED 셀을 포함하는 LED 어레이 - 상기 복수의 LED 셀은 서로 반대에 위치한 제1 면 및 제2 면을 가짐 - 와, 상기 복수의 LED 셀의 제1 면에 각각 배치되며 각각 소스 및 드레인 영역들과 그 사이에 위치한 게이트 전극을 갖는 복수의 TFT 셀을 포함하는 TFT 회로(circuitry)와, 상기 복수의 LED 셀의 제2 면에 각각 배치되며 상기 복수의 서브 픽셀로부터 서로 다른 광이 방출되도록 구성된 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어진 파장 변환 패턴과, 상기 복수의 서브 픽셀이 분리되도록 상기 복수의 LED 셀과 상기 파장 변환패턴 사이에 배치된 광차단벽을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 각각 제1 내지 제3 서브 픽셀을 포함하는 픽셀들의 어레이와, 상기 각 픽셀들의 제1 내지 제3 서브 픽셀에 각각 위치하며 제1 파장의 광을 방출하도록 구성되고, 각각 서로 반대에 위치한 제1 면 및 제2 면을 갖는 복수의 LED 셀과, 상기 복수의 LED 셀의 제1 면에 각각 배치되며, 각각 소스 및 드레인 영역들과 그 사이에 위치한 게이트 전극을 갖는 복수의 TFT 셀과, 행 방향으로 상기 복수의 TFT 셀의 소스 영역을 연결하는 복수의 데이터 라인과, 열 방향으로 상기 복수의 TFT셀의 게이트 전극을 연결하는 게이트 라인과, 상기 각 픽셀들의 제1 서브 픽셀에 위치한 LED 셀의 제2 면에 각각 배치되며, 상기 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하는 제1 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어진 제1 파장 변환 패턴과, 상기 각 픽셀들의 제2 서브 픽셀에 위치한 LED 셀의 제2 면에 각각 배치되며, 상기 제1 파장의 광을 제3 파장의 광으로 변환하는 제2 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어진 제2 파장 변환 패턴;을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 각각 제1 내지 제3 서브 픽셀을 포함하는 픽셀들의 어레이와, 상기 각 픽셀들의 제1 내지 제3 서브 픽셀에 각각 위치하며 동일한 에피택셜층으로 이루어지고 각각 서로 반대에 위치한 제1 면 및 제2 면을 갖는 복수의 LED 셀과, 상기 복수의 LED 셀의 제1 면에 배치된 절연막과, 상기 복수의 LED 셀과 상기 절연막에 의해 전기적으로 절연되며, 상기 복수의 LED 셀의 제1 면의 일 영역에 각각 배치된 복수의 TFT 셀과, 상기 각 픽셀들의 적어도 제1 및 제2 서브 픽셀에 위치한 LED 셀의 제2 면에 각각 배치되며 서로 다른 파장의 광을 방출하도록 구성된 양자점과 감광성 수지 조성물로부터 얻어진 폴리머의 복합체로 이루어진 제1 및 제2 파장 변환 패턴을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
웨이퍼 레벨에서 TFT 회로를 구현하고, 셀 단위로 개별적인 전사공정 없이 마이크로 LED 셀로 구성된 고해상도 디스플레이 장치를 제공할 수 있다. 서브 픽셀에 제공되는 파장 변환 수단을 포토레지스트와 같은 감광성 수지 조성물을 이용하여 리소그래피 공정에 의해 미세한 사이즈(예, 10㎛ 이하)로 형성될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED를 이용한 디스플레이 장치의 평면도이다.
도2는 도1에 도시된 디스플레이 장치를 A-A'를 절개한 단면도이다.
도3은 도1에 도시된 디스플레이 장치에 구현된 구동회로도이다.
도4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 LED를 이용한 디스플레이 장치의 단면도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED를 이용한 디스플레이 장치에 채용가능한 픽셀의 레이아웃이다.
도6 내지 도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타내는 공정 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED를 이용한 디스플레이 장치의 평면도이며, 도2는 도1에 도시된 디스플레이 장치를 Ⅰ-Ⅰ'를 절개한 단면도이다.
도1 및 도2를 참조하면, 디스플레이 장치(100)는 서로 다른 색의 광을 방출하도록 구성된 제1 내지 제3 서브 픽셀(S1,S2,S3)을 갖는 픽셀들(P)의 어레이를 포함한다.
본 실시예에 따른 픽셀들(P)의 어레이는 9×8로 예시되어 있으나, 행(column)과 열(row)은 임의의 적절한 개수(예, 1,024×768)로 구현될 수 있다. 예를 들어 원하는 해상도에 따른 다양한 형태의 픽셀들의 어레이를 가질 수 있다.
상기 디스플레이 장치(100)는 컬러 이미지를 디스플레이하기 위해서 제1 내지 제3 서브 픽셀(S1,S2,S3)에 서로 다른 색을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제3 서브 픽셀(S1,S2,S3)은 각각 적색, 녹색 및 청색 서브 픽셀로 제공될 수 있다.
도2을 참조하면, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 지지 기판(160) 상에 배치된 복수의 LED 셀(C1,C2,C3)을 갖는 LED 어레이를 포함한다.
상기 디스플레이 장치(100)는 도1에 도시된 바와 같이 직사각형 형상이거나 다른 적합한 형상을 가질 수 있다. 디스플레이 장치(100)는 평면일 수 있으며, 특정 실시예에서, 지지 기판(160)을 플렉서블 기판을 채용하여 곡선 프로파일을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 지지 기판(160)은 폴리 이미드와 같은 플렉서블 기판일 수 있으나,이에 한정되지 않으며, 다른 실시예에서는, 상기 지지 기판(160)은 유리 기판 또는 메탈 기판일 수 있다.
상기 LED 어레이는 복수의 LED 셀(C1,C2,C3) 각각에 배치된 박막 트랜지스터(TFT) 셀(130)을 포함한다. 상기 TFT 셀(130)이 배치된 LED 어레이는 상기 지지 기판(160)에 접합 수지층(161)에 의해 접합될 수 있다. 상기 접합 수지층(161)은, 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리 아마이드(polyamide) 및 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene, BCB)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있다.
도2에 도시된 단면 구조는 도1에 도시된 디스플레이 장치(100)의 하나의 픽셀(P)에 해당하는 부분을 나타내며, 도2에 도시된 LED 셀들은 각각 제1 내지 제3 서브 픽셀(S1,S2,S3)에 관련된 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)로 이해될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(112,117)과 그 사이에 위치한 활성층(115)을 갖는 에피택셜층들(110)을 포함하며, 서로 반대에 위치한 제1 면(100A) 및 제2 면(100B)을 갖는다. 상기 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)은 마이크로 사이즈의 LED일 수 있다. 픽셀을 구성하는 서브 픽셀에 제공되므로, 예를 들어, 상기 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)은 한변의 길이 10㎛ 이하의 구조일 수 있다.
이러한 에피택셜층들(110)은 하나의 웨이퍼에서 동일한 공정에 의해 성장되며(도6 참조), 동일하게 성장된 에피택셜층들(110)은 서로 분리되어 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)로 제공될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)의 활성층(115)은 실질적으로 동일한 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(115)은 청색 광(예, 440㎚∼460㎚) 또는 자외선이나 근자외선 광(예, 380㎚∼440㎚)을 방출할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)의 제1 면(100A)에는 각각 복수의 TFT 셀(130)을 배치될 수 있다. 도2에는 복수의 TFT 셀(130)은 상기 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)에 각각 대응된 3개의 TFT 셀이 도시되어 있다.
상기 LED 어레이와 상기 복수의 TFT 셀(130) 사이에 절연막(121)이 배치된다. 도2에 도시된 바와 같이, 상기 절연막(121)은 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)의 제1 면(110A)에 배치될 수 있다.
상기 복수의 TFT 셀(130)은 상기 절연막(121) 상에 배치된 반도체층(136)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 TFT 셀(130)을 구성하는 반도체층(136)은 폴리실리콘과 실리콘계 반도체, 인듐 갈륨 산화아연과 같은 반도체 산화물 또는 실리콘 저마늄과 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다.
상기 복수의 TFT 셀(130)은 채널영역을 제공하는 반도체층(132)과 함께, 상기 반도체층(132)의 제1 및 제2 영역(즉, 소스 및 드레인 영역)에 배치된 소스 전극(135a) 및 드레인 전극(135b)과, 상기 제1 및 제2 영역 사이에 순차적으로 배치된 게이트 절연막(134) 및 게이트 전극(136)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 TFT 셀(130)은 픽셀(구체적으로 서브 픽셀)의 구동을 제어하기 위한 TFT 회로(TFT circuitry)를 구성할 수 있다. 구체적으로, 각각 제1 내지 제3 서브 픽셀(S1,S2,S3)에서, 상기 복수의 TFT 셀(130)의 드레인 전극(135b)은 연결 배선(152)에 의해 관련 LED 셀(C1,C2,C3)의 제2 전극(119b)과 연결될 수 있다. LED 셀(C1,C2,C3)의 제1 전극(119a)은 공통 라인(158)에 연결되어 접지될 수 있다. 상기 복수의 TFT 셀(130)의 소스 전극(135a)은 제1 방향(예, 행방향)으로 데이터 라인(154)에 의해 연결되며, 상기 복수의 TFT 셀(130)의 게이트 전극(136)은 제1 방향과 교차하는 제2 방향(예, 열방향)으로 게이트 라인(156)에 의해 연결될 수 있다. 이러한 회로 구성과 작동은 도3을 참조하여 후술하기로 한다.
본 실시예에 채용된 TFT 회로와 달리, 다른 실시예에서는, 추가적인 TFT 및/또는 박막 캐패시터 등을 더 포함하여 구성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, TFT로는 앞서 설명한 바와 같이, 실리콘 트랜지스터는 물론 반도체 산화물 트랜지스터가 사용될 수 있다. 반도체 산화물 트랜지스터는 실리콘 트랜지스터보다 낮은 누설 전류를 나타내는데 도움이 된다. 실리콘 트랜지스터는 반도체 산화물 트랜지스터보다 더 빨리 전환하는데 도움이 된다. 반도체 산화물 트랜지스터와 실리콘 트랜지스터인 적절한 선택에 의해서, 게이트 라인 및 데이터 라인과 다른 픽셀 회로를 구성함으로써 디스플레이 성능은 최적화될 수 있다.
제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)의 제2 면(110B)에 배치된다. 상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 상기 제1 내지 제3 서브 픽셀(S1,S2,S3)로부터 서로 다른 광이 방출되도록 구성된 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어질 수 있다. 이러한 폴리머는 양자점이 분산되는 호스트 매트릭스로 제공된다.
상기 폴리머는 감광성 수지 조성물로부터 포토 리소그래피(노광/현상) 공정 후에 얻어진 결과물일 수 있다. 상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 포토 리소그래피 공정을 이용하여 제조되므로, 미세하면서 정밀한 패턴으로 제공될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 서브 픽셀에 해당되는 크기(예, 한 변의 길이 10㎛ 이하)의 미세한 패턴으로 구현될 수 있다.
본 실시예에서 채용된 양자점은 콜로이드 합성시 입자 크기를 비교적 자유롭게 조절할 수 있고, 입자 크기도 균일하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 양자점이 10 ㎚ 이하의 크기를 가지는 경우, 크기가 작아질수록 밴드갭(band gap)이 커지는 양자 제한효과가 현저해지고, 이에 따라 에너지 밀도가 증가할 수 있다. 양자점은 이론적 양자 효율이 거의 100% 이고 높은 색순도의 광을 방출할 수 있으므로 증가된 발광 효율 및 향상된 색재현성을 달성할 수 있다. 또한, 감광성 수지 조성물과 혼합되어 파장 변환 물질인 양자점을 패턴화할 수 있으므로, 서브픽셀을 구성하는 LED 셀을 위한 파장 변환 구조로 유익하게 사용될 수 있다.
본 실시예에서, 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)은 자외선이나 근자외선의 광(예, 380㎚∼440㎚)을 방출하는 에피택셜층(110, 특히 활성층(115))을 포함하며, 각각 제1 내지 제3 서브 픽셀(S1,S2,S3)은 상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)과 결합하여 각각 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 방출할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 각각 적색 양자점, 녹색 양자점 및 청색 양자점을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 양자점들은, Ⅱ족-Ⅵ족 화합물, Ⅲ족-Ⅴ족 화합물, Ⅳ족- Ⅵ족 화합물, Ⅳ족 화합물, I족-Ⅲ족-Ⅵ족 화합물, I족-Ⅱ족-Ⅳ족-Ⅵ족 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 균일한 광분산을 위해서 광확산재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광확산재는 금속 산화물 입자, 금속 입자 및 그 조합일 수 있다.
상기 디스플레이 장치(100)는 제1 내지 제3 서브 픽셀(S1,S2,S3)과 각 픽셀(P)을 광학적으로 상호 분리시키기 위한 광차단벽(180)을 더 포함할 수 있다. 이러한 광차단벽(180)은 상기 복수의 LED 셀(C1,C2,C3) 사이 그리고 상기 파장 변환 패턴(170R,170G,170B) 사이에 배치될 수 있다. 광차단벽은 이에 한정되지는 않으나, 블랙 매트릭스(black matrix)를 포함할 수 있다.
한편, 지지 기판(160)과 LED 어레이의 접합을 위해서 제공되는 상기 접합 수지층(161)은 상기 지지 기판(160)의 방향으로의 빛샘을 방지하기 위해서 광반사성 분말을 함유할 수 있다. 예를 들어, 광반사성 분말은 이산화 티타늄(TiO2) 또는 산화 알루미늄(Al2O3)과 같은 산화물 또는 금속 입자일 수 있다.
광반사성 분말이 함유된 접합 수지층(161)을 사용하는 대신에 별도의 반사 구조가 채용될 수 있다. 예를 들어, 보호용 절연층(141)을 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 절연막들이 교대로 적층된 분산 브래그 반사(DBR: Distributed Bragg Reflector) 구조로 구현할 수 있다. 이러한 DBR 구조는 상기 굴절률이 서로 다른 복수의 절연막들이 2회 내지 100회 반복하여 적층된 구조일 수 있으며, 상기 복수의 절연막들은 SiO2, SiN, SiOxNy, TiO2, Si3N4, Al2O3, ZrO2, TiN, AlN, TiAlN, TiSiN 등의 산화물 또는 질화물로부터 선택될 수 있다.
도1에 도시된 디스플레이 장치(100)는 태블릿 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 휴대 전화, 미디어 플레이어뿐만 아니라, 고해상도가 요구되는 웨어러블 장치의 디스플레이나, 가상현실(virtual reality: VR) 또는 증강현실(augmented reality: AR) 디스플레이에 유익하게 사용될 수 있다.
도3은 도1에 도시된 디스플레이 장치에 구현된 구동회로도이다.
도3을 참조하면, m×n의 서브 픽셀이 배열된 디스플레이 장치의 회로도가 예시되어 있다.
각 서브 픽셀(S1,S2,S3)은 수직방향(행방향)의 경로, 즉 데이터 라인(D1,D2,D3....Dm-2,Dm-1,Dm)에 통해서 데이터 신호를 수용할 수 있다. 각 서브 픽셀(22)은 수평방향(열방향) 경로, 즉 게이트 라인(G1,G2,G3....Gn-2,Gn-1,Gn)을 통해서 제어 신호(즉, 게이트 신호)를 수용할 수 있다.
상기 서브 픽셀(S1,S2,S3)은 직사각형 배열 또는 다른 형태로 배열될 수 있다. 각각 제1 내지 제3 서브 픽셀((S1,S2,S3))을 포함하는 복수의 픽셀들(P)의 어레이는 디스플레이를 위한 활성 영역(DA)을 형성하고, 사용자를 위한 이미지 표시에서 사용된다. 디스플레이 장치(100)의 비활성 영역(NA)은 활성 영역(AA)의 하나 이상의 에지를 따라 형성될 수 있다. 비활성 영역(NA)은 디스플레이 장치(100)를 위한 경계를 형성하고, 픽셀(P)이 존재하지 않는다.
드라이버 회로(210,220)는 픽셀(P), 즉 복수의 서브 픽셀(S1,S2,S3)의 작동을 제어하기 위해 채용될 수 있다. 드라이버 회로(210,220)는 집적 회로, 박막 트랜지스터 패널 회로 또는 다른 적합한 회로로 형성될 수 있고, 디스플레이 장치(100)의 비활성 영역(NA)에서 배치될 수 있다. 드라이버 회로(210,220)는 마이크로 프로세서와, 스토리지와 같은 메모리와, 처리 회로와 통신 회로를 포함할 수 있다. 작동하는 동안, 시스템 제어 회로는 디스플레이(100)에 디스플레이될 이미지에서 정보(IS)를 드라이버 회로(210,220)에 공급할 수 있다.
픽셀(P)상에 이미지를 표시하기 위해서, 제1 드라이버 회로(210)는 데이터 라인(D1,D2,D3....Dm-2,Dm-1,Dm)에 이미지 데이터를 공급하면서, 제2 드라이버 회로(220)('게이트 드라이버 회로'라고도 함)에 클럭 신호와 다른 제어 신호들을 발송할 수 있다.
상기 제2 드라이버 회로(220)는 집적 회로 및/또는 박막 트랜지스터 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 디스플레이 장치(100)의 게이트 라인(G1,G2,G3....Gn-2,Gn-1,Gn)을 통해서 열 방향으로 배열된 서브 픽셀(S1,S2,S3)을 제어하기 위한 게이트 신호가 전송될 수 있다.
각각 서브 픽셀(S1,S2,S3)은 각각 LED 셀(C1,C2,C3)과 직렬로 연결된 TFT 셀(130, '구동 트랜지스터'라고도 함)를 포함할 수 있다. 각 서브 픽셀(S1,S2,S3)의 회로 구성에 한정되지 않으며, 각 서브 픽셀(S1,S2,S3)은 다른 소자를 더 포함하여 다양한 회로로 구현될 수 있다. 예를 들어, 각 서브 픽셀(S1,S2,S3)에는 계속적인 이미지 프레임 사이에서 적재 데이터(loaded date)를 저장하는데 사용되는 캐패시터나, 데이터 로딩 작동과 다른 작업을 지원하기 위한 하나 이상의 스위칭 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
도4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 LED를 이용한 디스플레이 장치의 단면도이다.
도4에 도시된 디스플레이 장치(100')는 LED 셀의 방출 파장과 제3 서브 픽셀의 구성만을 제외하고 도1에 도시된 디스플레이 장치(100)와 유사한 것으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 구성요소에 대한 설명은 특별히 반대되는 설명이 없는 한 도1 내지 도3에 도시된 디스플레이 장치(100)의 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조할 수 있다.
본 실시예에서, 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)은 청색 광을 방출하는 에피택셜층(110', 특히, 활성층(115'))을 포함한다. 제1 및 제2 서브 픽셀(S1,S2)은 도2에 도시된 디스플레이 장치(100)와 유사하게, 상기 제1 및 제2 파장 변환 패턴(170R,170G)과 결합하여 각각 적색 광 및 녹색 광을 방출할 수 있다. 반면에, 제3 LED 셀(C3)이 청색 광을 방출하도록 구성되므로, 제3 서브 픽셀(S3)은 별도의 파장변환구조를 포함하지 않을 수 있다. 다만, 광차단벽(180)을 형성하기 용이하도록 셀 간의 레벨을 맞추도록 투명 수지로 이루어진 광투과성 패턴(170T)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 광투과성 패턴(170)은 앞서 설명된 광확산재를 포함할 수 있다.
도1에서는, 적색, 녹색 및 청색(RGB)의 광을 방출하도록 구성된 제1 내지 제3 서브 픽셀은 장방형상을 가지며 나란히 배열된 형태로 예시되어 있다. 하지만, 상기 1 내지 제3 서브 픽셀의 배열은 이에 한정되지 않으며 다양한 배열을 가질 수 있다. 또한, 하나의 픽셀에 배열되는 일부 서브 픽셀은 다른 개수로 배열될 수 있다. 구체적으로, 도5를 참조하면, 하나의 픽셀에서 적색 및 청색에 각각 해당되는 서브 픽셀(SR,SB)은 일 대각선 방향으로 녹색에 해당되는 서브 픽셀(SG)을 2개로 제공되고 다른 대각선 방향으로 배열될 수 있다.
도6 내지 도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타내는 공정 단면도이다.
도6을 참조하면, 성장용 기판(101) 상에 LED를 위한 에피택셜층(110)을 형성할 수 있다. 상기 에피택셜층(110)는 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(115) 및 제2 도전형 반도체층(117)을 포함할 수 있다.
상기 성장용 기판(101)은 절연성, 도전성 또는 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 성장용 기판(101)은 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN일 수 있다. 상기 에피택셜층(110)의 각 층은 질화물 반도체일 수 있다. 상기 MOCVD, MBE, HVPE과 같은 공정을 이용하여 상기 성장용 기판(110) 상에 성장될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 n형 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 만족하는 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 Si일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 n형 GaN일 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(117)은 p형 AlxInyGa1 -x- yN을 만족하는 질화물 반도체층일 수 있으며, p형 불순물은 Mg일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(117)은 p형 AlGaN/GaN일 수 있다. 상기 활성층(115)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조일 수 있다. 예를 들어, 질화물 반도체를 사용할 경우, 상기 활성층(35)은 GaN/InGaN MQW 구조일 수 있다. 상기 에피택셜층(110)은 상기 제2 도전형 반도체층(117) 및 제1 도전형 반도체층(112)에 의해 각각 제공되는 제1 면(110A) 및 제2 면(110B)을 갖는다.
도7을 참조하면, 상기 에피택셜층(110)의 일부 영역을 부분적으로 제거함으로써 제1 도전형 반도체층(112)의 일부 영역을 노출시키고, 제1 및 제2 전극을 형성할 수 있다.
본 제거 공정은 상기 제2 도전형 반도체층(117)과 상기 활성층(115)의 일부 영역을 제거하는 건식 에칭공정에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 건식 에칭 공정은 반응성 이온 식각(RIE) 공정일 수 있다. 노출된 제1 도전형 반도체층(112)의 일부 영역은 제1 전극을 위한 영역으로 제공될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)의 일 영역과 상기 제2 도전형 반도체층(117)의 일 영역에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(119a,119b)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 전극(119a,119b)은 각각 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 2층 이상의 구조로 채용될 수 있다. 이러한 공정들을 통해서 LED 셀을 위한 구조체가 형성될 수 있다.
도8을 참조하면, LED 셀을 위한 구조체(즉, 에피택셜층(110)) 상에 절연막(121)을 형성하고, 상기 절연막(121) 상에 TFT 셀(130)을 형성한다.
상기 에피택셜층(110) 상에 상기 절연막(121)을 형성한다. 상기 절연막(121)은 SiO2, Si3N4, HfO2, SiON, TiO2, Ta2O3 또는 SnO2일 수 있다. 상기 절연막(121) 상에 채널영역을 제공할 반도체층(136)을 형성한다. 예를 들어, 상기 반도체층(136)은 폴리실리콘과 실리콘계 반도체, 인듐 갈륨 산화아연과 같은 반도체 산화물 또는 실리콘 저마늄과 같은 화합물 반도체일 수 있다. 상기 반도체층(136)의 채널영역에 게이트 절연막(134) 및 게이트 전극(136)을 순차적으로 형성하고, 상기 게이트 전극(136)의 양측 영역에는 각각 소스 전극(135a) 및 드레인 전극(135b)을 형성한다. 이러한 공정들을 통해서 TFT 셀(130)을 제공할 수 있다.
도9를 참조하면, 연결 배선(152), 데이터 라인(154), 게이트 라인(156) 및 공통 라인(158)을 형성함으로써 TFT 회로를 제공할 수 있다.
우선, TFT 셀(130)이 형성된 구조체 상에 보호용 절연층(141)을 형성하고, TFT 회로를 구성하는 도전 라인과 접속될 영역을 부분적으로 개방시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 TFT 셀(130)의 소스 전극(135a), 드레인 전극(135b) 및 게이트 전극(136)과, LED 셀의 제1 및 제2 전극(119a,119b)을 부분적으로 노출시킬 수 있다. 예를 들어, 보호용 절연층(141)은 SiO2, Si3N4, HfO2, SiON, TiO2, Ta2O3 또는 SnO2일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 보호용 절연층(141)은 서로 다른 굴절률을 갖는 유전체막을 교대로 적층된 DBR 다층막일 수 있다.
상기 복수의 TFT 셀(130)의 드레인 전극(135b)과 상기 LED 셀의 제2 전극(119b)을 연결하는 연결 배선을 형성할 수 있다. 또한, 상기 복수의 TFT 셀(130)의 소스 전극(135a)을 행방향으로 연결하는 데이터 라인(154)을 형성하고, 상기 복수의 TFT 셀(130)의 게이트 전극(135b)을 열방향으로 연결하는 게이트 라인(156)을 형성할 수 있다. 또한, LED 셀의 제1 전극(119a)을 서로 연결하는 공통 라인(158)을 형성하여 접지시킬 수 있다. 이러한 공정들을 통해서 TFT 셀(130)을 포함한 TFT 회로를 제공할 수 있다.
도10을 참조하면, TFT 셀(130)이 형성된 LED 어레이를 지지 기판(160)을 접합시키고 상기 LED 어레이로부터 성장용 기판(101)을 제거한다.
접합 수지층(161)을 이용하여 TFT 셀(130)이 형성된 LED 어레이를 지지 기판(160)을 접합시킨다. 예를 들어, 상기 접합 수지층(161)은, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리 아마이드 및 벤조사이클로부텐으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 접합 수지층(161)은 상기 지지 기판(160)의 방향으로의 빛샘을 방지하기 위해서 광반사성 분말을 함유할 수 있다. 예를 들어, 광반사성 분말은 이산화 티타늄(TiO2) 또는 산화 알루미늄(Al2O3)과 같은 산화물 또는 금속 입자일 수 있다.
상기 지지 기판(160)을 접합시킨 후에, LED 어레이로부터 성장용 기판(101)을 제거할 수 있다. 성장용 기판(101)의 제거는 습식, 건식 식각 또는 레이저 리프트 오프(laser lift-off, LLO) 공정에 의해 수행될 수 있다. 다른 실시예에서는 기계적 연마법이 이용될 수도 있다.
도11을 참조하면, LED 어레이를 구성하는 에피택셜층(110)을 개별 LED 셀로 분할한다.
아이솔레이션 공정을 이용하여 에피택셜층(110)을 분리함으로써 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)을 형성할 수 있다. 본 아이솔레이션(IS) 공정은 RIE와 같은 건식 에칭공정이 사용될 수 있다. 각각의 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)은 한변의 길이가 10 ㎛이하인 마이크로 LED일 수 있다.
도12를 참조하면, 제1 내지 제3 LED 셀(C1,C2,C3)의 제2 면(100B)에 각각 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)을 형성한다.
상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 각각 적색, 녹색 및 청색 양자점을 혼합한 감광성 수지 조성물을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 별도의 포토 리소그래피을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 포토 리소그래피 공정을 이용하여 제조되므로, 미세하면서 정밀한 패턴으로 제공될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 서브 픽셀에 해당되는 크기(예, 한 변의 길이 10㎛ 이하)의 미세한 패턴으로 구현될 수 있다.
감광성 수지 조성물에 혼합되는 양자점은 표면에 유기 리간드를 표면 갖는 양자점일 수 있다. 상기 감광성 수지 조성물은, 광개시제와, 유기 바인더와, 광중합성 모노머와, 용매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광개시제는, 옥심 화합물, 포스핀옥사이드 화합물 및 아미노 케톤 화합물로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 유기 바인더는 카르복시기(-COOH)를 함유한 폴리머일 수 있다. 상기 광중합성 모노머는 탄소-탄소 이중 결합을 포함한 모노머일 수 있다.
포토리소그래피 공정 후에 얻어진 제1 내지 제3 파장 변환 패턴(170R,170G,170B)은 서로 다른 색의 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어질 수 있다. 이러한 폴리머는 양자점이 분산되는 호스트 매트릭스로 제공되며, 상기 폴리머는 감광성 수지 조성물로부터 포토 리소그래피(노광/현상) 공정 후에 얻어진 결과물일 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
101: 성장용 기판
112: 제1 도전형 반도체층
115: 활성층
117: 제2 도전형 반도체층
121: 절연막
132: TFT 반도체층
134: 게이트 절연막
136: 게이트 전극
152: 연결 배선
154: 데이터 라인
156: 게이트 라인
158: 공통 라인

Claims (20)

  1. 각각 복수의 서브 픽셀을 포함하는 픽셀들을 갖는 디스플레이 장치로서,
    상기 복수의 서브 픽셀에 각각 제공되는 복수의 LED 셀을 포함하는 LED 어레이 - 상기 복수의 LED 셀은 각각 서로 반대에 위치한 제1 면 및 제2 면을 갖는 제1 도전형 반도체층과, 상기 제1 도전형 반도체층의 제1 면의 제1 영역 상에 순차적으로 배치된 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층은 동일한 파장의 광을 방출하도록 구성됨 - ;
    상기 복수의 LED 셀에 각각 배치되며 상기 제1 도전형 반도체층의 제1 면의 제2 영역에 위치한 복수의 TFT 셀을 포함하며, 상기 복수의 TFT 셀 각각은 소스 및 드레인 영역들과 그 사이에 위치한 게이트 전극을 갖는 TFT 회로;
    상기 복수의 LED 셀 각각에서 상기 제1 도전형 반도체층의 제2 면에 배치되며, 상기 복수의 서브 픽셀로부터 서로 다른 광이 방출되도록 구성된 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어진 파장 변환 패턴; 및
    상기 복수의 서브 픽셀이 분리되도록 상기 복수의 LED 셀과 상기 파장 변환 패턴 사이에 배치된 광차단벽;을 포함하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 서브 픽셀은, 적색 광을 방출하도록 구성된 제1 서브 픽셀과, 녹색 광을 방출하도록 구성된 제2 서브 픽셀과, 청색 광을 방출하도록 구성된 제3 서브 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 LED 셀은 자외선 또는 근자외선 광을 방출하도록 구성된 LED 셀이며,
    상기 파장 변환 패턴은 상기 제1 내지 제3 서브 픽셀에 각각 배치된 제1 내지 제3 파장 변환 패턴을 포함하고, 상기 제1 내지 제3 파장 변환 패턴은 각각 적색, 녹색 및 청색 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 LED 셀은 청색 광을 방출하도록 구성된 LED 셀이며,
    상기 파장 변환 패턴은 상기 제1 및 제2 서브 픽셀에 각각 배치된 제1 및 제2 파장 변환 패턴을 포함하고, 상기 제1 및 제2 파장 변환 패턴은 각각 적색 및 녹색 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 서브 픽셀은, 해당 LED 셀의 제2 면에 상기 제1 및 제2 파장 변환 패턴에 대응되는 두께를 갖는 광투과성 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환 패턴의 폴리머는 감광성 수지 조성물로부터 얻어진 폴리머인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환 패턴은 금속 산화물 입자, 금속 입자 및 그 조합으로부터 선택된 광확산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LED 어레이와 상기 복수의 TFT 셀 사이에 배치된 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 TFT 회로는 행 방향으로 상기 복수의 TFT 셀의 소스 영역을 연결하는 복수의 데이터 라인과, 열 방향으로 상기 복수의 TFT 셀의 게이트 전극을 연결하는 게이트 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광차단벽은 블랙 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LED 셀의 제1 면에 배치된 플렉서블 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  12. 각각 제1 내지 제3 서브 픽셀을 포함하는 픽셀들의 어레이;
    상기 각 픽셀들의 제1 내지 제3 서브 픽셀에 각각 위치하며, 제1 파장의 광을 방출하도록 구성되고, 각각 서로 반대에 위치한 제1 면 및 제2 면을 갖는 복수의 LED 셀;
    상기 복수의 LED 셀의 제1 면에 각각 배치되며, 각각 소스 및 드레인 영역들과 그 사이에 위치한 게이트 전극을 갖는 복수의 TFT 셀;
    행 방향으로 상기 복수의 TFT 셀의 소스 영역을 연결하는 복수의 데이터 라인;
    열 방향으로 상기 복수의 TFT 셀의 게이트 전극을 연결하는 게이트 라인;
    상기 각 픽셀들의 제1 서브 픽셀에 위치한 LED 셀의 제2 면에 각각 배치되며, 상기 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하는 제1 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어진 제1 파장 변환 패턴;
    상기 각 픽셀들의 제2 서브 픽셀에 위치한 LED 셀의 제2 면에 각각 배치되며, 상기 제1 파장의 광을 제3 파장의 광으로 변환하는 제2 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어진 제2 파장 변환 패턴;
    상기 복수의 LED 셀의 제1 면 상에 상기 복수의 TFT 셀을 덮도록 배치되며, 평면적 관점에서 상기 제1 내지 제3 서브 픽셀 각각의 사이에 위치한 리세스된 영역을 갖는 절연막; 및
    상기 제1 내지 제3 서브 픽셀이 서로 분리되도록 상기 복수의 LED 셀의 제2 면 상에 배치된 광차단벽;을 포함하고,
    상기 광차단벽은 상기 제1 및 제2 파장 변환 패턴 사이로부터 상기 절연막의 상기 리세스된 영역의 바닥면까지 연장된 디스플레이 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 LED 셀은, 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 위치한 활성층을 포함하는 것을 특징으로 디스플레이 장치.
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 파장의 광은 청색 광이며, 상기 제2 파장의 광은 적색 광이며, 상기 제3 파장의 광은 녹색 광인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 각 픽셀들의 제3 서브 픽셀에 위치한 LED 셀의 제2 면에 각각 배치되며, 상기 제1 파장의 광을 제4 파장의 광으로 변환하는 제3 양자점과 폴리머의 복합체로 이루어진 제3 파장 변환 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 파장의 광은 자외선 또는 근자외선 광이며, 상기 제2 파장의 광은 청색 광이며, 상기 제3 파장의 광은 적색 광이며, 상기 제4 파장의 광은 녹색 광인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 LED 셀은 10㎛ 이하의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 TFT 셀은 폴리 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  20. 각각 제1 내지 제3 서브 픽셀을 포함하는 픽셀들의 어레이;
    상기 각 픽셀들의 제1 내지 제3 서브 픽셀에 각각 위치하며, 동일한 에피택셜층으로 이루어지며, 각각 서로 반대에 위치한 제1 면 및 제2 면을 갖는 복수의 LED 셀 - 상기 복수의 LED 셀 각각은 제1 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이의 활성층을 포함함 - ;
    상기 복수의 LED 셀의 제1 면에 배치된 절연막;
    상기 복수의 LED 셀과 상기 절연막에 의해 전기적으로 절연되며, 상기 복수의 LED 셀의 제1 면의 일 영역에 각각 배치된 복수의 TFT 셀; 및
    상기 각 픽셀들의 적어도 제1 및 제2 서브 픽셀에 위치한 LED 셀의 제2 면에 각각 배치되며, 서로 다른 파장의 광을 방출하도록 구성되며, 양자점과 감광성 수지 조성물로부터 얻어진 폴리머의 복합체로 이루어진 제1 및 제2 파장 변환 패턴;을 포함하고,
    상기 복수의 TFT 셀 및 상기 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층의 동일한 면의 서로 다른 영역들에 각각 배치되며, 상기 복수의 TFT 셀 각각은 그 전체 영역이 평면적 관점에서 상기 복수의 LED 셀 각각의 제1 도전형 반도체층에 의해 커버되도록 배치되는 디스플레이 장치.
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