KR102551869B1 - 로드형 led 소자 수직배치형 전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광원 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초소형 LED 소자를 포함하는 전극어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극어셈블리의 단위 면적당 포함되는 초소형 LED 소자의 개수를 증가시키고, 개개의 초소형 LED 소자의 광추출효율을 높여 단위면적당 광량을 극대화하는 동시에 나노스케일의 초소형 LED 소자가 전기적 단락 등의 불량 없이 전극에 연결된 초소형 LED 소자를 포함하는 전극어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 LED 소자 전극어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광원에 관한 것이다.
최근 LED소자의 제조기술 발달에 따라서 마이크로 또는 나노스케일의 초소형 LED 소자를 이용한 광원의 개발에 관심이 급증하고 있다.
또한, 낱 개로 구현된 마이크로 또는 나노스케일의 초소형 LED 소자를 마이크로 또는 나노 스케일의 미세전극 상에 실장시키는 기술 역시 개발되어 이와 같은 기술이 채용된 디스플레이 등의 전자기기가 상용화되는 단계에 이르고 있다.
초소형 LED 소자를 미세전극 상에 실장시키는 기술 중 하나는 동일한 평면상에 수평방향으로 이격 배치된 서로 다른 두 전극에 전원을 인가해 다수 개의 로드 형상인 초소형 LED 소자를 서로 다른 두 전극 상에 자기정렬시키는 유전영동을 이용한 실장기술인데, 당해 실장기술에 의하면 로드형 초소형 LED 소자의 길이방향에 평행하게 소자가 누워서 서로 다른 두 전극 상에 실장된 형태의 로드형 LED 소자 수평배열 전극어셈블리가 구현된다. 이때 사용되는 로드형 LED 소자는 길이방향으로 광이 추출되도록 구조가 설계된 것과 길이방향에 수직인 방향으로 광이 추출되도록 구조가 설계된 것을 상정할 수 있는데, 소자의 길이방향으로 광이 추출되도록 구조가 설계된 로드형 LED 소자를 사용 시 결과적으로 로드형 LED 소자 수평배열 전극어셈블리의 측면 방향으로 발광이 이루어지며, 전면 측으로는 휘도가 매우 낮은 문제가 있다. 또한, 길이방향에 수직인 방향으로 광이 추출되도록 구조가 설계된 로드형 LED 소자를 사용 시 로드형 LED 소자 수평배열 전극어셈블리의 전면발광은 개선되나 고굴절률값을 가지는 LED 소재에 의해 상당 부분의 광이 웨이브가이딩 되어 LED 소자를 빠져나오지 못하므로 전면발광효율이 여전히 만족스럽지 못한 문제가 있다.
또한, 수평방향으로 서로 다른 적어도 2종의 미세전극이 나란하게 구현되어함에 따라서 미세전극라인의 구현이 용이하지 않은 문제가 있다.
나아가, 로드형LED 소자들은 서로 다른 두 전극의 전위차에 의해 형성된 전기장의 유도에 따라서 서로 다른 두 전극 상에 자기 정렬되는데 이때 전위차가 커지면 전극의 손상이나 단락이 발생하기 쉽고 이로 인해서 높은 전압에서 로드형 LED 소자를 정렬시키기 어려운 문제가 있다.
한편, 측면으로 대부분의 광이 추출되는 로드형 LED 소자를 이용해 전면 발광효율을 향상시키고자 로드형 LED 소자를 화학적 결합 링커를 이용해 전극 상에 수직으로 직립시켜서 실장시키고 직립된 로드형 LED 소자 상부에 다른 전극을 형성시켜서 구현되는 LED 전극어셈블리도 개발되었으나(특허문헌1), 마이크로, 나노 스케일의 초소형인 LED 소자를 수직 방향으로 서로 이격된 전극면 사이 공간에 위치시키는 동시에 이를 실장시키는 것은 용이하지 않은 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 로드형 LED 소자의 구체적인 구조설계에 관계 없이 전면 발광 효율을 크게 개선시킬 수 있는 LED 전극어셈블리인 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 동일평면 상에 구동전극이 배치될 때 발생하는 구동전극의 간격 제약과 미세패턴으로 구동전극을 구현하기 어려운 공정의 복잡성을 해결할 수 있는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리 및 이의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
나아가, 본 발명은 LED 소자가 이용되는 다양한 용도의 기기의 전면 휘도를 크게 개선하면서도 제조공정을 보다 간소화할 수 있는 광원을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 소정의 폭과 두께를 가지고 길이방향인 수평방향으로 연장되며 상기 수평방향에 수직한 방향으로 상호 이격하여 적층된 제1정렬전극층과 제2정렬전극층을 포함하는 정렬전극층을 구비한 적어도 1개의 정렬전극이 측면 간에 이격하여 형성된 정렬전극라인, 장축의 길이(a)와 단축의 길이(b) 간의 종횡비(a/b)가 1.2 이상이며, 장축방향 일단부 측면 일부가 어느 일 정렬전극의 일 측면 내 제1정렬전극층 상에 위치하고, 장축방향 타단부 측면 일부가 상기 정렬전극의 동일 측면 내 제2정렬전극층 상에 위치하도록 정렬전극의 측면 상에 정렬된 다수 개의 로드형 LED 소자, 및 정렬된 어느 일 로드형 LED 소자의 장축방향 일단과 타단에 각각 전기적으로 연결되도록 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 제1구동전극층과 제2구동전극층을 포함하는 구동전극을 구비한 구동전극라인을 포함하는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 정렬전극과 구동전극은 각각 제1정렬전극층과 제2정렬전극층 사이 및 제1구동전극층과 제2구동전극층 사이에 절연층이 개재된 수직스택형 전극구조일 수 있다.
또한, 상기 정렬전극의 적어도 측면을 피복하는 절연피막을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 정렬전극은 상기 제1정렬전극층 및 제2정렬전극층 각각과 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 적어도 하나의 정렬전극층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 로드형 LED 소자는 제1도전성 반도체층, 광활성층 및 제2도전성 반도체층이 장축방향으로 적층된 소자일 수 있다.
또한, 상기 로드형 LED 소자는 적어도 광활성층의 외부면을 피복하는 보호피막을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 로드형 LED 소자는 장축에 수직한 소자의 폭 또는 두께방향으로 적층된 제1도전성 반도체층, 광활성층 및 제2도전성 반도체층과, 장축방향 일단에 구비되며 제1도전성 반도체층과 제2도전성 반도체층 중 어느 하나의 도전성 반도체층에만 전기적으로 연결되는 제1전극단자, 및 장축방향 타단에 다른 도전성 반도체층에만 전기적으로 연결되는 제2전극단자를 포함하는 소자일 수 있다.
또한, 상기 정렬전극층은 정렬전극의 종단까지 연속되게 수평방향으로 연장되거나 또는 정렬전극의 종단까지 비연속적으로 수평방향으로 연장되게 형성되며, 상기 제1구동전극층 및 제2구동전극층은 상기 정렬전극층에 대응되도록 정렬전극의 측면을 따라서 연속 또는 비연속적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 로드형 LED 소자는 길이가 0.6 ~ 10㎛일 수 있다.
또한, 상기 구동전극은 정렬전극의 측면 상에 배치된 다수 개의 로드형 LED 소자를 고정 및 지지하기 위하여 측면 간에 이격되어 배치된 정렬전극 사이의 이격공간을 채우도록 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 (1) 베이스 기판 상에 소정의 폭과 두께를 가지고 수평방향으로 연장되며 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 제1정렬전극층과 제2정렬전극층을 포함하는 정렬전극층을 구비한 정렬전극이 측면 간에 서로 이격하여 마주보도록 배치된 정렬전극라인을 형성시키는 단계, (2) 장축의 길이(a)와 단축의 길이(b) 간의 종횡비(a/b)가 1.2 이상인 다수 개의 로드형 LED 소자 및 용매를 정렬전극라인 상에 투입시키는 단계, (3) 상기 로드형 LED 소자의 장축방향 일단부 측면 일부가 정렬전극의 제1정렬전극층 일 측면 상에 위치하고, 장축방향 타단부의 측면 일부가 상기 정렬전극의 제2정렬전극층 측면 상에 위치하도록 정렬전극의 측면에 다수 개의 로드형 LED 소자를 자기정렬 시키기 위하여 제1정렬전극층 및 제2정렬전극층에 전원을 인가하는 단계, 및 (4) 정렬된 어느 일 로드형 LED 소자의 장축방향 일단과 타단에 각각 전기적으로 연결되도록 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 제1구동전극층과 제2구동전극층을 포함하는 구동전극을 구비한 구동전극라인을 형성시키는 단계를 포함하는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리 제조방법을 제공한다.
본 발명이 일 실시예에 의하면, 상기 (4) 단계에서 구동전극은 측면 간에 서로 이격하여 마주보도록 배치된 정렬전극 사이에 순차적으로 절연층, 제1구동전극층, 절연층 및 제2구동전극층을 적층시켜서 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리를 포함하는 광원을 제공한다.
본 발명이 일 실시예에 의하면, 상기 광원은 조명기기, 디스플레이 장치, 미용기기 또는 의료기기에 구비되는 부품 용도일 수 있다.
이하, 본 발명에서 사용한 용어에 대해 정의한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, 각 층 또는 구조물들이 기판, 각 층들의 "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, "전기적으로 연결"이란 로드형 LED 소자가 구동전극라인에 전원을 인가할 때 발광할 수 있는 상태가 되도록 구동전극과 연결됨을 의미한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, "수평" 또는 "수직"은 물리적, 수학적으로 정확한 "수평" 또는 "수직"에 제한되지 않고, 실질적으로 "수평" 또는 "수직"이라 볼 수 있는 정도까지를 포함하는 의미이며, 일 예로 '수평'은 기준면에 대해 기울어진 정도가 일 예로 ±5°이하, ±4° 이하, ±3° 이하, ±2° 이하, ±1.5° 이하, ±1.0° 이하, ±0.5° 이하 또는 0°일 수 있다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, '일단부', '타단부'와 같은 '단부'는 소정의 방향을 기준으로 끝단면 및 상기 끝단면에서 이어지는 외부면의 일부분을 포함하는 의미이다. 일 예로 도 11과 같은 로드형 LED 소자의 경우 장축방향 '단부'는 장축방향의 끝단면에 해당하는 상부면 또는 하부면에서 이어지는 LED 소자의 측면의 일부분을 포함한다. 더욱 구체적인 일 예로 도 11과 같은 로드형 LED 소자가 제1도전성 반도체층, 광활성층 및 제2도전성 반도체층이 장축방향으로 적층된 구조일 경우 '단부'는 제1도전성 반도체층 또는 제2도전성 반도체층의 노출된 끝단면과, 상기 끝단면에서 이어지는 제1도전성 반도체층 또는 제2도전성 반도체층의 노출된 측면 전부 또는 일부를 의미한다.
본 발명의 로드형 LED 소자 수직배치형 전극어셈블리는 로드형 LED 소자의 구체적 층구조 설계에 기인한 광추출방향에 관계없이 전면 발광을 개선시켜서 우수한 전면휘도를 달성하기에 유리하다. 또한, 마이크로, 나노 스케일의 로드형 LED 소자를 이용한 종래의 수평배치형 전극어셈블리에 대비해 전극라인의 제조가 용이하고, 전극의 단락이나 손상을 방지하기 유리함에 따라서 디스플레이, 미용기기, 의료기기, 조명기기 등 다양한 산업분야의 기기에 채용되는 광원으로 응용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 로드형 LED 소자 수직배치형 전극어셈블리의 도면으로서, 도 1은 사시도, 도 2는 도 1의 경계선 X-X' 따른 단면도, 및 도 3은 도 1에 따른 로드형 LED 소자 수직배치형 전극어셈블리에서 어느 일 정렬전극의 측면에서 바라본 다수 개의 로드형 LED 소자의 정렬 모습을 도시한 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 정렬전극라인의 사시도 및 경계선 X-X'에 따른 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 정렬전극라인의 사시도 및 경계선 X-X'에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 정렬전극라인의 단면도이다.
도 7은 도 6의 정렬전극라인을 이용하여 구현된 로드형 LED 소자 수직배치형 전극어셈블리에서 어느 일 정렬전극 측면 상에 멀티레이어를 형성하며 정렬된 LED 소자를 도시한 모식도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 로드형 LED 소자 수직배치형 전극어셈블리에 포함되는 로드형 LED 소자의 사시도이다.
도 10은 도 9에 따른 로드형 LED 소자를 이용해서 구현된 본 발명의 일 실시예에 의한 로드형 LED 소자 수직배치형 전극어셈블리에서 어느 일 정렬전극 측면 상에 정렬된 도 9에 따른 로드형 LED 소자의 배치상태를 도시한 모식도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 정렬전극의 제조공정에 대한 모식도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 광원의 모식도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 여러 실시예에 의한 광원의 모식도이다.
도 14 및 도 15는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 의료기기 및 미용기기의 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 정렬전극라인의 사시도 및 경계선 X-X'에 따른 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 정렬전극라인의 사시도 및 경계선 X-X'에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 정렬전극라인의 단면도이다.
도 7은 도 6의 정렬전극라인을 이용하여 구현된 로드형 LED 소자 수직배치형 전극어셈블리에서 어느 일 정렬전극 측면 상에 멀티레이어를 형성하며 정렬된 LED 소자를 도시한 모식도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 로드형 LED 소자 수직배치형 전극어셈블리에 포함되는 로드형 LED 소자의 사시도이다.
도 10은 도 9에 따른 로드형 LED 소자를 이용해서 구현된 본 발명의 일 실시예에 의한 로드형 LED 소자 수직배치형 전극어셈블리에서 어느 일 정렬전극 측면 상에 정렬된 도 9에 따른 로드형 LED 소자의 배치상태를 도시한 모식도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 정렬전극의 제조공정에 대한 모식도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 광원의 모식도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 여러 실시예에 의한 광원의 모식도이다.
도 14 및 도 15는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 의료기기 및 미용기기의 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 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.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)는 적어도 1개의 정렬전극(210,220,230)이 측면 간에 서로 이격하여 형성된 정렬전극라인(200), 상기 정렬전극(210,220,230)의 측면 상에 배치된 다수 개의 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a) 및 상기 다수 개의 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)와 전기적으로 연결된 구동전극(310,320,330)을 구비한 구동전극라인(300)을 포함하며, 정렬전극라인(200) 및 구동전극라인(300)을 지지하는 베이스 기판(10)을 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판(10)은 정렬전극라인(200)이 형성되는 기판으로써, 통상적으로 전극라인이 형성되는 기판의 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 일 예로 상기 베이스 기판(10)은 유리기판, 수정기판, 사파이어 기판, 플라스틱 기판 및 플렉서블한 폴리머 필름 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 또한, 상기 베이스 기판(10)은 바람직하게는 투명할 수 있다.
또한, 상기 베이스 기판(10)의 면적은 제한이 없으며, 베이스 기판(10) 상에 형성될 정렬전극라인(200)의 면적을 고려하여 면적을 결정할 수 있다. 또한, 상기 베이스 기판(10)의 두께는 100㎛ 내지 1㎜일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 베이스 기판(10) 상에 형성되는 정렬전극라인(200)은 후술하는 유전영동을 통해서 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)를 목적하는 지점 또는 영역으로 이동시키고 정렬시키는 기능을 수행하는 전극라인으로써, 적어도 제1정렬전극층(212) 및 제2정렬전극층(214)을 구비한 적어도 1개의 정렬전극(210,220,230)을 포함하여 형성된다.
이때, 상기 정렬전극(210,220,230)은 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 같이 다수 개의 정렬전극(210,220,230)이 측면 간에 소정의 간격(d1)만큼 이격하여 나란하게 배치될 수 있다. 또는 도 5a 및 도 5b에 도시된 것과 같이 1개의 정렬전극(240)이 측면 간에 소정의 간격(d2)만큼 이격하여 나선형의 형태, 또는 절곡된 형태 등으로 배치될 수 있다.
한편, 도 4a 내지 도 5b의 경우 정렬전극(210,220,230,240) 측면 간에 일정한 간격을 구현하도록 정렬전극라인(200,200')이 형성된 것으로 도시했으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 정렬전극을 측면 간 간격이 점차 좁아지거나 넓어지게 배치시킨 형태 등과 같이, 정렬전극라인 내 하나 또는 두 개의 정렬전극 간 간격이 일정하지 않게 이격된 경우도 포함되며, 정렬전극 측면의 일부만 이격되어 있는 경우에도 본 발명의 정렬전극라인에 포함됨을 밝혀둔다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 정렬전극(210,220,230)에 대해서 구체적으로 설명하면, 하나의 정렬전극(210,220,230)은 소정의 폭과 두께를 가지고 길이방향인 수평방향으로 연장되고, 상기 수평방향에 수직한 방향이 되는, 베이스 기판(10)에 대해서 수직한 방향(또는 정렬전극층의 두께방향)으로 상호 이격된 제1정렬전극층(212) 및 제2정렬전극층(214)을 적어도 구비하며, 제1정렬전극층(212)의 하부, 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214) 사이 및 제2정렬전극층(214) 상에 제1절연층(213)이 함께 적층 배치된 수직스택형 전극구조일 수 있다.
상기 정렬전극(210,220,230)은 폭이 2 ~ 20㎛일 수 있다. 또한, 폭보다는 길이가 더 길게 형성될 수 있으며, 길이는 구현하고자 하는 전극어셈블리의 크기 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있다. 다만, 또한, 정렬전극(210,220,230)의 높이는 2.0 ~ 30㎛ 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 정렬전극 내 구비되는 정렬전극층의 개수 등을 고려하여 변경될 수 있다.
또한, 상기 제1정렬전극층(212) 및 제2정렬전극층(214)은 각각 독립적으로 도전성의 재질로 소정의 두께만큼 형성된 층일 수 있다. 상기 도전성 재질은 일 예로 알루미늄, 타이타늄, 인듐, 골드 및 실버로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 금속물질 또는 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO:Al 및 CNT-전도성 고분자 복합체로 이루어진 군에서 선택 어느 하나 이상의 투명물질일 수 있다. 또한, 상기 제1정렬전극층(212) 및 제2정렬전극층(214)은 각각 독립적으로 두께가 0.5 ~ 10㎛일 수 있다. 만일 정렬전극층의 폭이 0.5㎛ 미만일 경우 후술하는 (3) 단계에서 전원의 인가 시 단락의 우려가 있다. 또한, 만일 정렬전극층의 폭이 10㎛를 초과 시 증착 등을 통한 정렬전극층의 제조시간이 연장될 수 있다. 여기서 제1정렬전극층(212) 및 제2정렬전극층(214)의 두께는 베이스 기판(10) 주면에 수직한 방향으로의 길이를 의미한다.
또한, 상기 제1절연층(213)은 절연기능이 있는 재질의 경우 제한 없이 사용할 수 있으며, 일예로 SiO2, SiNx와 같은 절연재료를 PECVD 공법을 통해 증착하거나, AlN, GaN와 같은 절연재료를 MOCVD 공법을 통해 증착하거나, Al2O, HfO2, ZrO2 등의 절연재료를 ALD 공법을 통해 증착된 것일 수 있다. 또한, 상기 제1절연층(213)은 정렬전극(210) 내 위치에 따라서 두께를 달리하거나, 위치에 관계 없이 동일한 두께를 가지도록 구비될 수 있다.
한편, 정렬전극(210) 내 제1정렬전극층(212) 및 제2정렬전극층(214)의 두께, 제1절연층(213)의 두께는 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)의 길이, 낱 개의 LED 소자를 구성하는 도전성 반도체층의 개수와 두께, 광활성층의 개수와 두께 및 기타 부가층의 개수와 두께를 고려해 적절히 설계될 수 있음을 밝혀둔다.
또한, 하나의 정렬전극(210,220,230) 내 정렬전극층은 로드형 LED 소자의 유전영동을 통한 자기정렬이 발생할 수 있도록 최소한 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214)을 구비할 수 있다. 다만, 한정된 면적의 정렬전극 측면 상에 LED 소자를 많은 개수로 배치정렬시키기 위하여 정렬전극층은 3개층 이상으로 구비될 수 있다. 구체적으로 도 6 및 도 7에 도시된 것과 같이 정렬전극라인(200")은 하나의 정렬전극(250,260) 내 3개층 이상의 정렬전극층(252)이 구비될 수 있고, 이를 통해서 다수 개의 로드형 LED 소자(104,105,106)는 정렬전극(250)의 측면 상에 수직방향으로 멀티레이어를 이루며 배치될 수 있고, 보다 개선된 전면휘도를 수득할 수 있다.
한편, 정렬전극라인(200)은 정렬전극(210,220,230)의 외부를 피복하는 절연피막(211)을 더 포함할 수 있다. 상기 절연피막(211)은 로드형 LED 소자 내 광활성층이 정렬전극층과 접촉 시 발생하는 전기적 쇼트에 의한 LED 소자의 손상을 방지할 수 있다. 특히 로드형의 LED 소자를 정렬전극 측면 상에 베이스 기판 상에 소정의 거리만큼 띄어진 상태로 정렬시키기 위해서는 정렬전극층에 보다 높은 전압의 전원이 인가될 수 있는데, 높은 전압의 전원에 의한 로드형 LED 소자의 손상을 방지할 수 있다. 상기 절연피막(211)은 두께가 1㎚ ~ 10㎛일 수 있으며, 만일 절연피막의 두께가 1㎚ 이하일 경우, 로드형 LED 소자 정렬 시 로드형 LED 소자의 활성층이 정렬전극과 접촉함에 따라 발생하는 전기적 단락에 의한 로드형 LED 소자 손상을 방지하기 어려울 수 있고, 절연피막의 두께가 10㎛를 초과할 경우, 로드형 LED 소자를 정렬시키기 위해 요구되는 전압 이상으로 더 큰 전압의 전원이 인가되어야 하거나 요구되는 전압 수준으로 전원이 인가 시 로드형 LED 소자가 목적하는 대로 정렬되지 않는 등 본 발명의 목적을 달성하기에 어려울 수 있다.
다음으로 상술한 정렬전극(210,220,230)의 측면 상에 배치되는 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)에 대해서 설명한다.
상기 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)는 장축 길이(a)와 단축 길이(b) 간의 종횡비(a/b)가 1.2 이상인 소자로서, 여기서 장축의 길이(a)는 소자의 외형이 육면체인 경우 가로, 세로, 높이 중 가장 긴 것을 의미하고 단축의 길이(b)는 나머지 두 개 중 긴 것의 길이를 의미한다. 또한, 소자의 외형이 원기둥일 경우 높이와 단면 직경 중 긴 것이 장축의 길이(a), 짧은 것이 단축의 길이(b)이다. 또한, 소자의 외형이 타원기둥일 경우 높이와, 높이에 수직한 횡단면인 타원의 장축의 길이, 타원의 단축의 길이 중 가장 긴 것이 장축의 길이(a)이며, 나머지 두 개 중 긴 것이 단축의 길이(b)이다. 만일 종횡비(a/b)가 1.2 미만일 경우 후술하는 유전영동을 통해서 정렬전극(210,220,230)의 측면 상에 자기정렬되기 어려울 수 있다.
이와 같은 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)는 장축방향을 기준으로 각 단부의 측면 일부가 정렬전극(210,220,230)의 측면에 접하도록 배치된다. 여기서 각 단부의 측면 일부란 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a) 의 장축방향에 수직한 단부의 단면 모양이 사각형인 경우 단부 네 측면 중 어느 일 측면, 또는 단부의 단면 모양이 원형인 경우 단부 측면 중 어느 일 선분일 수 있고, 단부 측면 중 어느 일 측면 또는 일 선분이 정렬전극(210,220,230)의 측면에 접하도록 배치될 수 있다.
또한, 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)의 장축방향 각각의 단부 측면 일부가 정렬전극(210,220,230) 내 제1정렬전극층(202)과 제2정렬전극층(204) 측면 상에 각각 위치하도록 배치되는데, 상술한 것과 같이 하나의 정렬전극(210)은 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214)이 베이스 기판(10)을 기준으로 수직방향으로 상호 이격되고, 제1정렬전극층(212)의 하부, 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214) 사이 및 제2정렬전극층(214) 상에 제1절연층(213)이 함께 적층 배치된 수직스택형 전극구조로 설계됨에 따라서 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)는 베이스 기판(10)에 대해서 길이방향으로 세워진 형태로 배치될 수 있다. 이때, 다수 개의 로드형 LED 소자(101a,101b,101c)가 베이스 기판(10)에 대해서 길이방향으로 세워진 형태에 대해서 도 3을 참조하여 설명하면, 제1로드형 LED 소자(101a)와 같이 로드형 LED 소자는 베이스 기판(10)에 대해서 소자의 장축방향이 실질적으로 수직하게 정렬될 수 있다. 또는 제2로드형 LED 소자(101b) 및 제3로드형 LED 소자(101c)와 같이 로드형 LED 소자는 소자 장축방향 각각의 일단부 측면 일부가 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214) 측면 상에 각각 위치하되 베이스 기판(10)에 대해서 소자의 장축방향이 다소 기울어지게 배치될 수도 있다.
상기 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)는 공지된 LED 소자의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 일 예로 상기 로드형 LED 소자는 제1도전성 반도체층, 광활성층 및 제2도전성 반도체층을 최소구성으로 포함하는 소자일 수 있다.
도 8을 참조하여 설명하면, 로드형 LED 소자(107)는 길이방향(l1)인 장축방향으로 제1도전성 반도체층(110), 광활성층(120) 및 제2도전성 반도체층(130)이 적층된 소자일 수 있다. 또한, 상기 제1도전성 반도체층(110) 및 상기 제2도전성 반도체층(130) 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함할 수 있다.
제1도전성 반도체층(110) 및 제2도전성 반도체층(130) 중 어느 하나는 n형 반도체층이고, 다른 하나는 p형 반도체층일 수 있고, 상기 n형 반도체층 및 p형 반도체층은 발광다이오드에 채용되는 공지된 반도체층의 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 일예로 상기 n형 반도체층과 p형 반도체층은 III-질화물 재료들로 지칭되는 III-V족 반도체들, 특히 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 질소의 2원, 3원 및 4원 합금들을 포함할 수 있다.
일예로 제1도전성 반도체층(110)은 n형 반도체층일 수 있고, 이 경우 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, InN등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제1 도전성 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제1도전성 반도체층(110)의 두께는 1.5 ~ 5㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 제2도전성 반도체층(130)은 p형 반도체층일 수 있으며, 이 경우 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, InN등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제 2도전성 도펀트(예: Mg)가 도핑될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 상기 제2도전성 반도체층(130)의 두께는 0.08 ~ 0.25㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 제1도전성 반도체층(110)과 제2도전성 반도체층(130) 사이에 위치하는 광활성층(120)은 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 광활성층(120)은 조명, 디스플레이 등에 사용되는 통상의 LED 소자에 포함되는 광활성층인 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 광활성층(120)의 위 및/또는 아래에는 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 상기 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 광활성층(120)으로 이용될 수 있다. 이러한 광활성층(120)은 소자에 전계를 인가하였을 때, 광활성층 위, 아래에 각각 위치하는 도전성 반도체층으로부터 광활성층으로 이동하는 전자와 정공이 광활성층에서 전자-정공 쌍의 결합이 발생하고 이로 인해 발광하게 된다. 본 발명의 바람직한 일실예에 따르면 상기 광활성층(120)의 두께는 50 ~ 250㎚일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 상술한 제1도전성 반도체층(110) 하부 및 제2도전성 반도체층(130) 상부 중 어느 하나 이상에 전극층(미도시)이 더 구비될 수 있다. 상기 전극층은 조명, 디스플레이 등에 사용되는 통상의 LED 소자에 포함되는 전극층의 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 전극층은 각각 독립적으로 Cr, Ti, Al, Au, Ni, ITO 및 이들의 산화물 또는 합금 중 1종으로 형성된 단독층, 또는 2종 이상이 혼합된 단독층, 또는 2종 이상의 재질 각각이 층을 이룬 복합층일 수 있다. 일예로 로드형 LED 소자는 제2도전성 반도체층(130) 상에 ITO전극 및 Ti/Au 복합층(41)이 적층된 전극층을 구비할 수 있다. 또한, 상기 전극층은 두께가 10 ~ 500㎚일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 로드형 LED 소자(107)는 각 층의 적층방향에 평행한 면을 측면이라고 할 때 소자 측면을 둘러싸는 보호피막(140)을 더 포함할 수 있다. 상기 보호피막은 제1도전성 반도체층(110), 광활성층(120) 및 제2도전성 반도체층(130)의 표면을 보호하는 기능을 수행한다. 상기 보호피막(140)은 일 예로 질화규소(Si3N4), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 산화지르코늄(ZrO2), 산화이트륨(Y2O3), 이산화티타늄(TiO2), 질화알루미늄(AlN) 및 질화갈륨(GaN) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 보호피막(140)의 두께는 5㎚ ~ 100㎚일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 로드형 LED 소자(107)는 보호피막으로써의 보호기능 이외에 보다 향상된 발광효율을 가지기 위해서 제2도전성 반도체층(130)의 노출된 측면, 또는 제2도전성 반도체층(130) 노출된 측면과 광활성층(120) 적어도 일부의 노출된 측면을 둘러싸서 노출된 측면 표면쪽의 정공을 중심쪽으로 이동시키기 위한 정공푸싱피막(미도시)과, 제1도전성 반도체층(110)의 노출된 측면을 둘러싸서 노출된 측면 표면쪽의 전자를 중심쪽으로 이동시키기 위한 전자푸싱피막(미도시)으로 구성된 보호피막(미도시)을 구비할 수 있다.
제1도전성 반도체층(110)으로부터 광활성층(120)으로 이동되는 전하의 일부와, 제2도전성 반도체층(130)으로부터 광활성층(120)으로 이동되는 정공의 일부는 측면의 표면을 따라 이동할 수 있는데, 이 경우 표면에 존재하는 결함에 의해서 전자나 정공의 ??칭이 발생하고, 이로 인해 발광효율이 저하될 우려가 있다. 이 경우 보호피막을 구비시키더라도, 보호피막의 구비 전 소자 표면에 발생된 결함에 의한 ??칭은 피할 수 없는 문제가 있다. 그러나 보호피막을 정공푸싱피막과 전자푸싱피막으로 구성 시 전자와 정공을 소자 중심 쪽으로 집중시켜 광활성층 방향으로 이동하게끔 유도함에 따라서 보호피막 형성 전 소자 표면에 결함이 있더라도 표면결함에 따른 발광효율 손실을 방지할 수 있는 이점이 있다.
상기 정공푸싱피막은 일 예로 AlNX, ZrO2, MoO, Sc2O3, La2O3, MgO, Y2O3, Al2O3, Ga2O3, TiO2, ZnS, Ta2O5 및 n-MoS2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 전자푸싱피막은 Al2O3, HfO2, SiNx, SiO2, ZrO2, Sc2O3, AlNx 및 Ga2O3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 로드형 LED 소자(107)가 정공푸싱피막과 전자푸싱피막을 모두 구비하는 경우 전자푸싱피막은 제1도전성 반도체층(110), 광활성층(120) 및 제2도전성 반도체층(130)의 측면을 둘러싸는 최외피막으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 정공푸싱피막과 전자푸싱피막은 각각 독립적으로 두께가 1 ~ 50㎚일 수 있다.
다음으로 도 9를 참조하여 설명하면, 도 9의 로드형 LED 소자(108)는 도 8의 로드형 LED 소자(107)와 다르게 길이방향(l2)인 장축방향에 수직한 방향으로 제1도전성 반도체층(110'), 광활성층(120') 및 제2도전성 반도체층(130')이 적층된 소자일 수 있다. 상기 로드형 LED 소자(108)는 상호 수직하는 X, Y, Z축을 기준으로 X축 방향을 길이, Y축 방향을 너비, Z축 방향을 두께라고 할 때 길이가 장축되고, 두께가 단축이 되는 길이가 두께보다 큰 로드형의 소자이며, 두께방향으로 제1도전성 반도체층(110'), 광활성층(120'), 제2도전성 반도체층(130') 이 순차적으로 적층된 소자이다. 보다 구체적으로 길이와 너비로 이루어진 X-Y 평면에서 소정의 모양을 가지며, 상기 평면에 수직한 방향이 두께 방향이 되고, 두께 방향으로 각 층이 적층된다. 이러한 구조의 로드형 LED 소자(108)는 측면에 노출되는 부분의 광활성층(120') 두께를 얇게 하더라도 길이와 너비로 이루어진 평면으로 인해서 보다 넓은 발광면적을 확보할 수 있는 이점이 있다. 또한, 이로 인해 이러한 로드형 LED 소자(108)의 발광면적은 로드형 LED 소자(108) 종단면 면적의 2배를 초과하는 넓은 발광면적을 가질 수 있다. 여기서 종단면이란 길이방향인 X축 방향에 평행한 단면으로서, 너비가 일정한 소자의 경우 상기 X-Y 평면일 수 있다. 또한, 보다 향상된 발광면적을 가짐과 동시에 노출되는 광활성층(120')의 면적이 다소 증가하더라도 두께가 길이보다 작은 로드형이기 때문에 LED 웨이퍼를 식각 시 식각되는 깊이가 얕아서 노출된 광활성층(120')의 표면에 결함이 발생할 가능성이 줄어들 수 있고, 표면 결함에 따른 발광효율 감소를 최소화 또는 방지하기에 유리하다.
한편, 로드형 LED 소자(108)의 평면은 도 12에서는 직사각형을 도시했으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 마름모, 평행사변형, 사다리꼴 등 일반적인 사각형의 형상에서부터 타원형 등에 이르기까지 제한 없이 채용될 수 있음을 밝혀둔다.
또한, 상기 로드형 LED 소자(108)는 길이와 너비가 마이크로 또는 나노 단위의 크기를 가질 수 있고, 일예로 소자의 길이는 1000 ~ 10000 ㎚일 수 있고, 너비는 100 ~ 3000㎚일 수 있다. 또한, 두께는 100 ~ 3000 ㎚일 수 있다. 상기 길이와 너비는 평면의 형상에 따라서 그 기준이 상이할 수 있고, 일예로 상기 평면이 마름모, 평행사변형일 경우 두 대각선 중 하나가 길이, 다른 하나가 너비일 수 있으며, 사다리꼴일 경우 높이, 윗변 및 밑변 중 긴 것이 길이, 긴 것에 수직한 짧은 것이 너비 일수 있다. 또는 상기 평면의 형상이 타원일 경우 타원의 장축이 길이, 단축이 너비일 수 있다.
또한, 로드형 LED 소자(108)의 길이와 두께의 비율은 3:1 이상, 보다 바람직하게는 6:1 이상으로 길이가 더 클 수 있으며, 이를 통해 유전영동을 통해 전극에 보다 용이하게 자기정렬 시킬 수 있는 이점이 있다. 만일 로드형 LED 소자(108)의 길이와 두께 비율이 3:1 미만으로 길이가 작아질 경우 유전영동을 통해서 소자를 정렬전극 측면 상에 자기정렬시키기 어려울 수 있다. 다만, 길이와 두께의 비율은 15:1 이하일 수 있으며, 이를 통해 유전영동을 통해 자기정렬 되는 돌림힘에 대한 최적화 등 본 발명의 목적을 달성하기에 유리할 수 있다.
또한, 로드형 LED 소자(108) 평면에서 길이와 너비의 비율 역시 바람직하게는 3:1 이상, 보다 바람직하게는 6:1 이상으로 길이가 더 클 수 있으며, 이를 통해 유전영동을 통해 전극에 보다 용이하게 자기정렬 시킬 수 있는 이점이 있다. 다만, 길이와 너비의 비율은 15:1 이하일 수 있으며, 이를 통해 유전영동을 통해 자기정렬이 되는 돌림힘에 대한 최적화에 유리할 수 있다.
한편, 도 12와 같은 적층구조를 가지는 로드형 LED 소자(108)는 장축방향과 적층방향이 수직인데, 로드형 LED 소자(108)가 정렬전극(210,220,230)의 측면 상에 베이스 기판(10)의 주면에 대해서 수직방향으로 장축방향으로 세워져서 배치됨에 따라서 배치된 로드형 LED 소자(108)의 구동이 문제된다.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 로드형 LED 소자(101a,102a,103a)는 장축방향 단부가 각각 베이스 기판을 기준으로 수직방향으로 이격된 제1구동전극층(312)과 제2구동전극층(314)과 전기적으로 연결되어 구동 되는데, 도 11에 도시된 로드형 LED 소자(107)의 경우 상기 수직방향으로 서로 다른 도전성 반도체층, 예를 들어 p형 반도체층과 n형 반도체층이 적층 배치된 구조이므로 p형 반도체층과 n형 반도체층 중 어느 하나만이 제1구동전극층(312) 또는 제2구동전극층(314)과 전기적 연결되어 전기적 단락없이 발광할 수 있다. 그러나 도 12에 도시된 로드형 LED 소자(108)의 경우 소자가 정렬전극 측면 상에 정렬되는 소자 면에 따라서 구동전극을 향해서 노출되는 소자의 면이 p형 반도체층만 노출되거나 또는 n형 반도체층만 노출되거나, 또는 수직방향으로 동일 지점에 p형 반도체층과 n형 반도체층이 모두 함께 존재하게 됨에 따라서 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 정렬전극 측면 상에 베이스 기판을 기준으로 장축방향으로 세워져 정렬, 지지되고, 구동전극에 의해서 정렬된 위치가 고정되더라도 구동전극에 인가되는 전원에 의해서 발광이 되지 않는다.
이에 도 12에 도시된 로드형 LED 소자(108)와 같이 장축방향에 수직한 방향으로 층들이 적층되는 구조의 LED 소자의 경우에는 장축방향 양 단에 각각 제1도전성 반도체층(110')과 제2도전성 반도체층(130') 중 어느 하나에만 전기적 연결되도록 구비된 전극단자(150)를 구비할 수 있고, 더 구체적으로 제1도전성 반도체층(110')에만 전기적으로 연결되는 제1전극단자(152) 및 제2도전성 반도체층(130')에만 전기적으로 연결되는 제2전극단자(151)를 포함할 수 있다. 한편, 로드형 LED 소자(108)의 장축방향 양 단에 전극단자(150)가 구비됨에도 어느 하나의 도전성 반도체층과만 전기적 연결되기 위해서 다른 도전성 반도체층과는 전기적 절연시킬 수 있는 절연막(160)을 포함하며, 구체적으로 제1전극단자(152)를 광활성층(120') 및 제2도전성 반도체층(130')과 전기적 절연시키기 위한 제1절연막(162) 및 제2전극단자(151)를 광활성층(120') 및 제1도전성 반도체층(110')과 전기적 절연시키기 위한 제2절연막(161)을 포함할 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 로드형 LED 소자(108)의 경우 상술한 것과 같은 전극단자(150) 및 절연막(160)을 구비함에 따라서 도 10에 도시된 것 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000")와 같이 로드형 LED 소자(108a,108b,108c)가 정렬전극(270) 측면 상에 정렬되는 소자 면에 관계 없이 정렬 및 배치된 형상 그대로 구동전극을 통해서 전기적으로 연결되어 발광될 수 있다.
상술한 도 9에 도시된 로드형 LED 소자(108)의 구조에서 제1도전성 반도체층(110'), 광활성층(120') 및 제2도전성 반도체층(130')에 대한 설명은 도 11에 따른 로드형 LED 소자(107)의 설명에서 제1도전성 반도체층(110), 광활성층(120) 및 제2도전성 반도체층(130)과 동일하여 구체적인 설명을 생략한다. 또한, 상기 전극단자(150) 및 절연막(160)의 재질은 도 11에 따른 로드형 LED 소자(107)의 설명에서 각각 전극층 및 보호피막의 재질 설명과 동일하다.
한편, 도 9에 도시된 로드형 LED 소자(108) 역시 도시되지 않은 구성으로써, 측면을 둘러싸는 보호피막, 제1도전성 반도체층(110') 및/또는 제2도전성 반도체층(130') 상에 구비되는 전극층을 더 구비할 수 있다.
또한, 상술한 도 8 및 도 9에 따른 로드형 LED 소자(107,108)는 제1도전형 반도체층(110,110'), 광활성층(120,120'), 제2도전성 반도체층(130,130')을 최소 구성 요소로 포함하며, 각 층의 위/아래에 다른 형광체층, 양자점층, 활성층, 반도체층, 정공 블록층 및/또는 전극층을 더 포함할 수도 있음을 밝혀둔다.
한편, 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)는 정렬전극(210,220,230)의 측면 상에 정렬된 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)가 발광되기 위한 전원을 공급받기 위하여 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)의 장축방향 일단부와 타단부 각각에 전기적으로 연결되도록 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 제1구동전극층(312)과 제2구동전극층(314)을 포함하는 구동전극(310,320,330)을 구비한 구동전극라인(300)을 포함한다.
로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)가 구동전극라인(300) 없이 정렬전극라인(200)의 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214)을 이용해서 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)를 구동시킬 수도 있으나, 상술한 것과 같이 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)의 단부 단면 모양에 따라서 제1정렬전극층(212) 및 제2정렬전극층(214)과의 접촉이 선접촉될 수 있고, 이로 인해 접촉저항이 증가해 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)에 원활히 전원을 공급하기 어려울 수 있다. 또한, 이를 방지하려면 접촉되는 정렬전극층 측면과 로드형 LED 소자 단부 측면 간에 별도의 오믹층을 더 형성시켜야 하나 로드형 LED 소자의 크기, 정렬전극 간의 미세한 거리 간격, 베이스 기판(10)에 가깝게 배치되는 로드형 LED 소자의 일단부의 경우 정렬전극라인 상부에서 볼 때 가려져서 거의 노출되지 않아 증착을 통해서 오믹층을 형성시키는 것이 용이하지 않다. 더불어 로드형 LED 소자를 길이방향으로 세워서 정렬전극의 측면에 정렬 및 고정시키기 위해서는 높은 전압의 전원이 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214)에 인가되어야 하는데, 이로 인해 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214)의 손상 또는 단락이 발생할 수 있어서 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214)을 구동전극으로 사용하기 어려울 수 있다.
이에 본 발명에 따른 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)는 정렬전극라인과 별도의 구동전극라인(300)을 구비하며 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)에 접촉저항을 줄이면서 전원을 온전하게 인가시킬 수 있는 이점 있다.
상기 구동전극라인(300)은 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 제1구동전극층(312) 및 제2구동전극층(314)을 구비하는 구동전극(310,320,330)을 포함하며, 이때, 제1구동전극층(312)은 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)의 장축방향 어느 일단부와 전기적으로 연결되며, 제2구동전극층(314)은 장축방향 타단부와 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로 구동전극(310,320,330)은 제1구동전극층(312) 하부, 제1구동전극층(312)과 제2구동전극층(314) 사이 및 제2구동전극층(314) 상부에 제2절연층(313)을 구비한 독립된 수직스택형 전극구조 형태일 수 있다. 또한, 상기 구동전극(310,320,330) 측면 간에 서로 이격된 정렬전극 사이를 채우도록 배치될 수 있는데, 이를 통해서 정렬전극 측면 상에 정렬된 다수 개의 로드형 LED 소자(101a,101b,101c,102a,103a)를 고정 및 지지하는 기능을 함께 수행할 수 있다.
제1구동전극층(312) 및 제2구동전극층(314)의 두께는 일예로, 0.6 ~ 10㎛ 일 수 있는데, 로드형 LED 소자의 장축방향 길이, 로드형 LED 소자의 층구성 및 적층방향을 고려해 적절히 변경될 수 있다.
상술한 구조를 가지는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)는 (1) 베이스 기판 상에 소정의 폭과 두께를 가지고 수평방향으로 연장되며 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 제1정렬전극층과 제2정렬전극층을 포함하는 정렬전극층을 구비한 정렬전극이 측면 간에 서로 이격하여 마주보도록 배치된 정렬전극라인을 형성시키는 단계, (2) 장축의 길이(a)와 단축의 길이(b) 간의 종횡비(a/b)가 1.2 이상인 다수 개의 로드형 LED 소자 및 용매를 정렬전극라인 상에 투입시키는 단계, (3) 상기 로드형 LED 소자의 장축방향 일단부 측면 일부가 정렬전극의 제1정렬전극층 일 측면 상에 위치하고, 장축방향 타단부의 측면 일부가 상기 정렬전극의 제2정렬전극층 측면 상에 위치하도록 정렬전극의 측면에 다수 개의 로드형 LED 소자를 자기정렬 시키기 위하여 제1정렬전극층 및 제2정렬전극층에 전원을 인가하는 단계 및 (4) 정렬된 어느 일 로드형 LED 소자의 장축방향 일단과 타단에 각각 전기적으로 연결되도록 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 제1구동전극층과 제2구동전극층을 포함하는 구동전극을 구비한 구동전극라인을 형성시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
먼저 본 발명에 따른 (1) 단계로써, 베이스 기판 상에 소정의 폭과 두께를 가지고 수평방향으로 연장되며 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 제1정렬전극층과 제2정렬전극층을 포함하는 정렬전극층을 구비한 정렬전극이 측면 간에 서로 이격하여 마주보도록 배치된 정렬전극라인을 형성시키는 단계를 수행한다.
도 14를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 정렬전극라인은 베이스 기판(10)을 준비하는 단계(도 11의 (a)), 준비된 베이스 기판(10) 상에 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214)을 적층시키되, 베이스 기판(10)과 제1정렬전극층(212) 사이, 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214) 사이, 제2정렬전극층(214) 상부에 각각 제1절연층(213)이 배치된 정렬전극 적층체를 준비하는 단계(도 11의 (b)), 정렬전극 적층체 상부에 목적하는 폭과 길이, 및 개수를 갖도록 정렬전극을 패터닝하기 위한 패터닝층(1)을 형성시키는 단계(도 11의 (c)), 패터닝층(1)을 따라서 정렬전극 적층체를 두께방향으로 식각하는 단계(도 11의 (d) 내지 (g)) 및 패터닝층(1)을 제거하는 단계(도 11의 (i))를 통해 제조될 수 있다.
상기 패터닝층(1)은 전극 패턴을 제조 시 사용되는 공지의 방법 및 재질로 형성될 수 있으며, 통상적인 포토리소그래피 공법이나 나노임프린팅 공법 등을 적절히 응용해 형성시킬 수 있다.
또한, 정렬전극 적층체를 두께방향으로 식각하는 단계는 제1절연층(213) 및 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214)의 재질을 고려해 공지된 식각방법을 적절히 채용해 수행할 수 있으며, 일 예로 제1절연층(213)이 SiNx일 경우 RIE(Reative ion etcher)를 통해 식각될 수 있고, 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214)이 니켈이나 알루미늄 같은 금속층일 경우 ICP(inductively coupled plasma: 유도 결합 플라즈마)로 식각될 수 있다.
상술한 (1) 단계를 통해 준비된 정렬전극라인 상에 본 발명에 따른 (2) 단계로써, 장축의 길이(a)와 단축의 길이(b) 간의 종횡비(a/b)가 1.2 이상인 다수 개의 로드형 LED 소자 및 용매를 정렬전극라인 상에 투입시키는 단계를 수행한다.
바람직하게 상기 용매는 아세톤, 물, 알코올 및 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 아세톤일 수 있다. 다만, 용매의 종류는 상기의 기재에 제한되는 것은 아니며 로드형 LED 소자에 물리적, 화학적 영향을 미치지 않으면서 잘 휘발될 수 있는 용매의 경우 어느 것이나 제한 없이 사용될 수 있다.
바람직하게 로드형 LED 소자는 용매 100 중량부에 대해 0.001 내지 100 중량부로 투입될 수 있다. 만일 0.001 중량부 미만으로 투입될 경우 로드형 LED 소자가 정렬전극 측면 상에 이동 및 정렬되기 어려울 수 있다. 또한, 용매가 100 중량부를 초과하는 경우 휘발이 지연되고 이로 인해서 로드형 LED 소자들의 정렬이 오히려 방해 받을 수 있는 문제점이 있을 수 있다.
한편, 상기 로드형 LED 소자 및 용매는 정렬전극라인 상부에 위치를 지정하지 않고 투입될 수도 있고, 정렬전극라인의 정렬전극 측면 간 사이 공간에 투입될 수도 있음을 밝혀둔다.
다음으로 본 발명에 따른 (3) 단계로써, 상기 로드형 LED 소자의 장축방향 일단부 측면 일부가 정렬전극의 제1정렬전극층 일 측면 상에 위치하고, 장축방향 타단부의 측면 일부가 상기 정렬전극의 제2정렬전극층 측면 상에 위치하도록 정렬전극의 측면에 다수 개의 로드형 LED 소자를 자기정렬 시키기 위하여 제1정렬전극층 및 제2정렬전극층에 전원을 인가하는 단계를 수행한다.
로드형 LED 소자들은 제1정렬전극층(212)과 제2정렬전극층(214) 간의 전위차에 의해 하나의 로드형 LED 소자에 위치를 달리하여, 보다 구체적으로는 로드형 LED 소자의 장축방향으로 소자의 중앙을 중심으로 양 끝단 쪽으로 서로 다른 전하를 띠게 되며, 양전하로 하전된 LED 소자의 일단은 반대 전하를 띠는 제1정렬전극층(212) 또는 제2정렬전극층(214) 측면으로 이동 및 접하고, 음전하로 하전된 타단은 역시 반대 전해를 띠는 다른 정렬전극층의 측면에 이동 및 접하는 방식으로 유전영동을 통해서 정렬전극의 측면 상에 자기정렬될 수 있다.
바람직하게는 인가되는 전원은 교류일 수 있고, 보다 바람직하게는 상기 전원의 전압은 40 내지 100 Vpp 일 수 있으며, 10 내지 120초 동안 전원을 인가시킬 수 있다. 만일 전압이 20 V 미만 및/또는 전원의 인가가 10초 미만인 경우 로드형 LED 소자를 자기정렬 시키기에 충분한 전기장이 형성되지 않아 목적한 대로 로드형 LED 소자를 정렬전극 측면 상에 위치정렬 시킬 수 없을 수 있으며, 만일 전압이 50 V를 초과 및/또는 전원의 인가가 120초를 초과하는 경우 로드형 LED소자 및/또는 정렬전극층에 지나치게 많은 양의 전원이 인가되어 로드형 LED 소자 및/또는 정렬전극층에 손상을 입히게 되어 정렬이 목적하는 수준으로 이루어지지 않거나 발광 효율이 저하되거나 발광되지 않을 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 (4) 단계로써, 정렬된 어느 일 로드형 LED 소자의 장축방향 일단과 타단에 각각 전기적으로 연결되도록 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 제1구동전극층과 제2구동전극층을 포함하는 구동전극을 구비한 구동전극라인을 형성시키는 단계를 수행한다.
상기 (4) 단계는 목적하는 구동전극층 형성재료를 로드형 LED 소자의 길이와 인접하는 정렬전극층 간의 거리를 고려해 적절한 두께로 형성되도록 수행될 수 있다.
보다 구체적으로 구동전극층 형성재료가 금속층일 경우 통상적인 스퍼터링을 통한 증착을 통해서 형성될 수 있다. 또한, 제1구동전극층과 제2구동전극층 사이, 구동전극층의 하부나 상부에 형성되는 절연층 역시 ALD(원자층 증착) 등의 공지된 증착방법을 통해서 형성될 수 있다.
상술한 제조방법을 통해서 구현된 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)는 광원(2000,2000',3000)으로 구현될 수 있다.
구체적으로 상기 광원(2000,2000',3000)은 지지체(1100,1100',1100") 및 상기 지지체(1100,1100',1100") 상에 구비되는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 지지체(1100,1100',1100")는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)를 지지하기 위한 것으로써, 지지기능을 수행하기 위한 일정수준 이상의 기계적 강도를 보유한 경우 재질에 관계없이 제한없이 지지체로 사용될 수 있고, 이에 대한 비제한적인 예로써, 유기수지, 세라믹, 금속 및 무기수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재일 수 있다. 또한, 상기 지지체(1100,1100',1100")는 투명하거나 불투명할 수 있다.
또한, 상기 지지체(1100,1100',1100")의 형상은 도 12에 도시된 것과 같이 컵 형상이거나, 도 13a 및 도 13b에 도시된 것과 같이 판상형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 광원이 장착된 표면의 형상에 따라서 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 지지체(1100,1100',1100")의 면적 및/또는 부피 역시 구현하고자 하는 휘도특성 및 이에 따라 구비되는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)의 개수/배치 구조, 광원의 용도를 고려해 적절히 조절될 수 있으므로 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다. 또한, 지지체(1100,1100',1100")의 두께는 재질의 강도를 고려해 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)를 지지할 수 있을 정도의 두께를 적절히 채용할 수 있다.
또한, 도 12에 도시된 지지체(1100)는 마이크로-나노핀 LED 전극어셈블리(1000)를 지지하는 기능 이외에 그 자체로 광원의 하우징 역할을 겸할 수 있음을 밝혀둔다.
또한, 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)는 광원(2000,2000',3000) 내 1개 또는 2개 이상 구비될 수 있다. 이때, 단일의 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)에 구비되는 로드형 LED 소자는 실질적으로 어느 일색을 발광하는 소자로 구성될 수 있고, 상기 광색은 일예로 UV, 청색, 녹색, 황색, 호박색 및 적색 중 어느 하나일 수 있다. 한편, 광원(2000',3000) 내 2개 이상의 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)가 구비되고, 이들이 각각 독립적으로 구동되도록 구성될 경우 여러 종류의 광색을 발광하도록 광원을 구현할 수 있으며, 이러한 광원은 LCD 또는 OLED 등의 디스플레이에 채용될 수 있다. 또한, 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)가 2개 이상 포함되는 경우 이들의 배열은 도 13a에 도시된 것과 같이 어느 일방향으로 선배열되거나, 도 13b에 도시된 것과 같이 면배열 되는 것과 같이 규칙을 가지고 배열되거나 이와는 다르게 랜덤하게 배열될 수도 있다.
또한, 광원(2000,2000',3000)은 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000,1001,1002,1003)로부터 출사된 광이 특정한 파장을 가지도록 색변환물질을 더 포함할 수 있다. 상기 색변환물질은 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1,101,102,103,108,109)로부터 방출된 광에 의해 여기되어 특정한 파장을 갖는 광을 방출시키는 기능을 수행한다. 일 예로 상기 색변환물질은 도 12에 도시된 것과 같이 지지체(1100)가 컵 형상으로 내부에 수용부를 구비할 경우 수용부 내 매립층(1200) 내 구비되거나, 도 13a 및 도 13b에 도시된 것과 같이 지지체(1100',1100")가 평판형일 경우 색변환 물질은 코팅층(1200',1300) 형태로 구비될 수 있다.
또한, 상기 로드형 LED 소자는 UV, 청색, 녹색, 황색, 호박색 및 적색 중 어느 한 광색을 발광하는 소자일 수 있는데, 선택된 소자가 발광하는 광색을 고려하여 색변환물질이 결정될 수 있다. 일예로 UV를 발광하는 소자인 경우 상기 색변환물질은 청색, 시안색, 황색, 녹색, 호박색 및 적색 중 어느 하나 이상일 수 있고 이를 통해서 어느 한 색상의 단색 광원 또는 백색광원을 구현할 수 있다. 백색광원을 구현하는 일예로 UV를 발광하는 소자인 경우 상기 색변환물질은 청색/황색, 적색/시안색, 청색/녹색/적색 및 청색/녹색/호박색/적색 중 어느 한 종류의 혼합물질일 수 있고 이를 통해 백색광원을 구현할 수 있다. 또한, 청색을 발광하는 소자인 경우 색변환물질은 황색, 시안색, 녹색, 호박색 및 적색 중 어느 하나 이상일 수 있고, 이를 통한 단색 광원, 또는 백색광원을 구현할 수 있다. 상기 백색광원을 구현하는 예시로 어느 2색상 이상을 조합할 수 있고, 구체적으로 청색/황색, 적색/시안색, 청색/녹색/적색 및 청색/녹색/호박색/적색 중 어느 한 종류의 혼합물질을 조합함을 통해서 백색광원을 구현할 수 있다.
한편, 상기 색변환물질은 조명, 디스플레이 등에 사용되는 공지된 형광체 또는 양자점일 수 있으며, 본 발명은 이의 구체적인 종류에 대해서 특별히 한정하지 않는다.
상술한 광원(2000,2000',3000)은 그 자체로 또는 다른 공지된 구성과 결합되어 전기전자 부품 또는 기기를 구성할 수 있다. 일예로 상기 공지된 구성은 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)가 동작하기 위해 필요한 신호들이 수신되는 입력부, 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)가 구동 시 발생하는 열을 외부로 전달시키기 위한 히트 싱크 등의 방열부, 광원을 다른 구성과 패키징 하는 하우징일 수 있다.
또한, 상기 광원(2000,2000',3000)은 발광체가 요구되는 각종 전기전자 기기에 채용될 수 있는데, 일예로 가정용/차량용 등 각종 LED 조명, 디스플레이, 의료기기, 미용기기, 각종 광학기기일 수 있다. 한편, 상기 의료기기는 도 14에 도시된 것과 같이 일예로 두뇌에 소정의 파장의 광을 출사시켜 해당 부위의 신경망 등을 활성화시키는 등의 광유전학용 LED 광원(4000)일 수 있다. 상기 광유전학용 LED 광원(4000)은 지지체(1100½´) 상에 다수의 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리(1000)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 미용기기는 도 15에 도시된 것과 같이 일예로 피부미용용 LED 마스크(5000)일 수 있으며, 피부가 닿게 되는 마스크 지지체(3100) 내측 면에 다수의 마이크로-나노핀 LED 전극어셈블리(1000)를 구비하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상술한 바람직한 일구현예들에 따라 구체적으로 기재되었으나, 상기한 구현예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 구현예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (13)
- 소정의 폭과 두께를 가지고 길이방향인 수평방향으로 연장되며 상기 수평방향에 수직한 두께방향으로 상호 이격하여 적층된 제1정렬전극층과 제2정렬전극층을 포함하는 적어도 1개의 정렬전극이 측면 간에 마주보도록 이격하여 형성된 정렬전극라인;
장축의 길이(a)와 단축의 길이(b) 간의 종횡비(a/b)가 1.2 이상이며, 장축방향 일단부 측면 일부가 어느 일 정렬전극의 일 측면 내 제1정렬전극층 상에 위치하고, 장축방향 타단부 측면 일부가 상기 정렬전극의 동일 측면 내 제2정렬전극층 상에 위치하도록 정렬전극의 측면 상에 정렬된 다수 개의 로드형 LED 소자; 및
정렬된 어느 일 로드형 LED 소자의 장축방향 일단부와 타단부에 각각 전기적으로 연결되도록 두께방향으로 상호 이격하여 적층된 제1구동전극층과 제2구동전극층을 포함하며 정렬전극의 측면 상에 배치된 다수 개의 로드형 LED 소자를 고정 및 지지하기 위하여 마주보는 정렬전극 측면 사이 이격공간 내 배치되는 구동전극을 구비한 구동전극라인;을 포함하는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리 - 제1항에 있어서,
상기 정렬전극과 구동전극은 각각 제1정렬전극층과 제2정렬전극층 사이 및 제1구동전극층과 제2구동전극층 사이에 절연층이 더 개재된 수직스택형 전극구조인 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 정렬전극의 적어도 측면을 피복하는 절연피막을 더 포함하는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 정렬전극은 상기 제1정렬전극층 및 제2정렬전극층 각각과 수직방향으로 상호 이격하여 적층된 적어도 하나의 정렬전극층을 더 포함하는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 로드형 LED 소자는 제1도전성 반도체층, 광활성층 및 제2도전성 반도체층이 장축방향으로 적층된 소자인 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리. - 제5항에 있어서,
상기 로드형 LED 소자는 적어도 광활성층의 노출된 외부면을 피복하는 보호피막을 더 포함하는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 로드형 LED 소자는 장축에 수직한 소자의 폭 또는 두께방향으로 적층된 제1도전성 반도체층, 광활성층 및 제2도전성 반도체층과,
장축방향 일단에 구비되며 제1도전성 반도체층과 제2도전성 반도체층 중 어느 하나의 도전성 반도체층에만 전기적으로 연결되는 제1전극단자, 및
장축방향 타단에 다른 도전성 반도체층에만 전기적으로 연결되는 제2전극단자를 포함하는 소자인 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 로드형 LED 소자는 길이가 0.6 ~ 10㎛인 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리. - 삭제
- (1) 베이스 기판 상에 소정의 폭과 두께를 가지고 상기 베이스 기판의 면방향이 길이방향이 되도록 연장되며 상기 길이방향에 수직한 두께방향으로 상호 이격하여 적층된 제1정렬전극층과 제2정렬전극층을 포함하는 적어도 1개의 정렬전극이 측면 간에 서로 마주보도록 이격하여 마주보도록 배치된 정렬전극라인을 형성시키는 단계;
(2) 장축의 길이(a)와 단축의 길이(b) 간의 종횡비(a/b)가 1.2 이상인 다수 개의 로드형 LED 소자 및 용매를 정렬전극라인 상에 투입시키는 단계;
(3) 상기 로드형 LED 소자의 장축방향 일단부 측면 일부가 상기 제1정렬전극층에 대응하는 높이의 정렬전극의 일 측면 상에 위치하고, 장축방향 타단부의 측면 일부가 상기 제2정렬전극층에 대응하는 높이의 상기 정렬전극 일 측면 상에 위치하도록 정렬전극의 측면에 다수 개의 로드형 LED 소자를 자기정렬 시키기 위하여 제1정렬전극층 및 제2정렬전극층에 전원을 인가하는 단계; 및
(4) 정렬된 로드형 LED 소자의 장축방향 일단부와 타단부가 각각 전기적으로 연결되도록 상기 일단부와 타단부가 각각 위치하는 높이의 제1구동전극층과 제2구동전극층이 대응하여 위치하고 정렬전극의 측면 상에 배치된 다수 개의 로드형 LED 소자를 고정 및 지지하기 위하여 마주보는 정렬전극의 측면 사이 이격공간 내 순차적으로 절연층, 제1구동전극층, 절연층 및 제2구동전극층을 적층시켜서 형성된 구동전극을 구비한 구동전극라인을 형성시키는 단계;를 포함하는 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리 제조방법. - 삭제
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 로드형 LED 소자 수직배치형 전극 어셈블리;를 포함하는 광원.
- 제12항에 있어서,
조명기기, 디스플레이 장치, 미용기기 또는 의료기기에 구비되는 부품 용도인 광원.
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