KR102591388B1 - 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 박막 트랜지스터와 전기적으로 연결되는 화소 전극부와, 개별 화소를 형성하도록 빛을 방출하며, 도전형 전극을 구비하는 반도체 발광 소자와, 상기 반도체 발광 소자가 부착되며, 상기 화소 전극부를 상기 도전형 전극과 전기적으로 연결하도록 이루어지는 전도성 접착층, 및 상기 박막 트랜지스터를 보호하도록 탄성 재질로 이루어지며, 상기 박막 트랜지스터와 상기 전도성 접착층의 사이에 배치되는 버퍼층을 포함한다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치{DISPLAY DEVICE USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 플렉서블 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 박형, 플렉서블 등의 우수한 특성을 가지는 디스플레이 장치가 개발되고 있다. 이에 반해, 현재 상용화된 주요 디스플레이는 LCD(Liguid Crystal Display)와 AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes)로 대표되고 있다.
그러나, LCD의 경우에 빠르지 않은 반응 시간과, 플렉서블의 구현이 어렵다는 문제점이 존재하고, AMOLED의 경우에 수명이 짧고, 양산 수율이 좋지 않을 뿐 아니라 플렉서블의 정도가 약하다는 취약점이 존재한다.
한편, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다. 따라서, 상기 반도체 발광 소자를 이용하여 플렉서블 디스플레이를 구현하여, 상기의 문제점을 해결하는 방안이 제시될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자를 이용한 플렉서블 디스플레이는 배선기판과 반도체 발광소자를 전도성 접착층을 이용하여 합착하는 프로세스에 의하여 제조될 수 있다. 특히, 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF)을 이용하여, 배선전극과 반도체 발광 소자의 도전형 전극을 전기적으로 연결하는 경우에, 합착 공정에서 박막 트랜지스터가 손상 또는 파손되는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 이러한 합착 공정에서의 불량을 저감하기 위한 연구는 현재까지 미비한 실정이다. 이에, 본 발명에서는 배선전극과 반도체 발광 소자 사이의 전기적 연결에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 메커니즘에 대하여 제시한다.
본 발명의 일 목적은, 반도체 발광소자들의 배선 공정에서 수율을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식에서 박막 트랜지스터에 가해지는 충격을 분산시키는 구조를 구현하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식에서 계조 표현의 마진을 확보하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 박막 트랜지스터와 전기적으로 연결되는 화소 전극부와, 개별 화소를 형성하도록 빛을 방출하며, 도전형 전극을 구비하는 반도체 발광 소자와, 상기 반도체 발광 소자가 부착되며, 상기 화소 전극부를 상기 도전형 전극과 전기적으로 연결하도록 이루어지는 전도성 접착층, 및 상기 박막 트랜지스터를 보호하도록 탄성 재질로 이루어지며, 상기 박막 트랜지스터와 상기 전도성 접착층의 사이에 배치되는 버퍼층을 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 탄성 재질은 폴리머 계열 또는 에폭시 계열의 재질을 구비한다. 상기 폴리머 계열의 재질은 접착성을 가질 수 있다. 상기 탄성 재질은 상기 박막 트랜지스터의 층간 절연막보다 탄성이 높은 재질이 될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 디스플레이 장치는 상기 반도체 발광소자를 덮도록 배치되어, 적색(R), 녹색(G) 또는 청색(B)을 구현하는 컬러 필터부를 포함한다. 상기 버퍼층은 상기 반도체 발광소자를 기준으로 상기 컬러 필터부의 반대측에 배치되며, 불투명한 성질을 가질 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 버퍼층은 상기 반도체 발광소자에서 발광되는 빛을 반사하도록 이루어진다. 상기 버퍼층은 화이트 색상의 물질을 구비할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 화소 전극부는, 상기 박막 트랜지스터의 층간 절연막에 배치되는 제1화소전극, 및 상기 제1화소전극으로부터 상기 버퍼층을 관통하여 상기 버퍼층의 일면으로 연장되는 제2화소전극을 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 반도체 발광소자는 계조의 수준에 따라서 구동 주파수가 가변될 수 있다.
또한, 실시예는 상기 박막 트랜지스터를 덮는 층간 절연막, 상기 반도체 발광 소자와 상기 층간 절연막 사이에 배치되어, 상기 반도체 발광 소자와 상기 박막 트랜지스터를 전기적으로 연결시키는 화소 전극, 상기 화소 전극과 상기 반도체 발광 소자를 전기적으로 연결시키는 전도성 접착층을 포함하며, 상기 버퍼층의 일부는 상기 제1 화소 전극과 상기 제2 화소 전극 사이에 위치할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제1 화소 전극의 수평 폭은 상기 제2 화소 전극의 상면의 수평 폭보다 작을 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 반도체 발광소자는 복수 개를 포함하며, 상기 복수의 반도체 발광소자 사이에는 접착층이 배치되고, 상기 제2 화소 전극의 상면은 상기 버퍼층의 상면보다 높게 위치할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 트랜지스터는 게이트 전극을 구비하며, 상기 게이트 전극은 상기 접착층과 수직으로 중첩할 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치에서는, 버퍼층에 의하여 배선전극과 반도체 발광소자들의 합착 공정에서 디스플레이 장치에 가해지는 충격이 분산될 수 있다. 이를 통하여 합착 공정에서 박막 트랜지스터가 손상 또는 파손되는 것이 완화 또는 방지될 수 있다.
또한, 버퍼층에 의한 완충으로 인하여, 크랙에 의한 불량이 저감되어, 디스플레이 장치의 배선 공정에서 수율이 개선되고, 보다 신뢰성이 높은 전기적 연결경로가 구현될 수 있다.
또한, 본 발명은 반도체 발광소자의 구동 주파수를 가변하여, 구동마진이 작아 계조 표현력에 한계가 발생하는 문제를 해결한다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 라인 B-B 및 C-C를 따라 취한 단면도들이다.
도 4는 도 3의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이다.
도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광 소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 7은 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 라인 D-D를 따라 취한 단면도이다.
도 9는 도 8의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 10은 새로운 구조의 반도체 발광소자가 적용된 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분의 확대도이다.
도 11 및 도 12는 각각 도 10의 라인 E-E 및 라인 F-F 를 따라 취한 단면도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 단면도들이다.
도 15는 계조표현의 마진을 나타내는 그래프이고, 도 16은 본 발명과 관련한 제어방법을 나타내는 개념도이고, 도 17은 도 16의 제어방법을 구현하기 위한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명되는 디스플레이 장치에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 피씨(Slate PC), Tablet PC, Ultra Book, 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터 등이 포함될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태이라도, 디스플레이가 가능한 장치에는 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도시에 의하면, 디스플레이 장치(100)의 제어부에서 처리되는 정보는 플렉서블 디스플레이(flexible display)를 이용하여 표시될 수 있다.
플렉서블 디스플레이는 외력에 의하여 휘어질 수 있는, 구부러질 수 있는, 비틀어질 수 있는, 접힐 수 있는, 말려질 수 있는 디스플레이를 포함한다. 예를 들어, 플렉서블 디스플레이는 기존의 평판 디스플레이의 디스플레이 특성을 유지하면서, 종이와 같이 휘어지거나, 구부리거나, 접을 수 있거나 말 수 있는 얇고 유연한 기판 위에 제작되는 디스플레이가 될 수 있다.
상기 플렉서블 디스플레이가 휘어지지 않는 상태(예를 들어, 무한대의 곡률반경을 가지는 상태, 이하 제1상태라 한다)에서는 상기 플렉서블 디스플레이의 디스플레이 영역이 평면이 된다. 상기 제1상태에서 외력에 의하여 휘어진 상태(예를 들어, 유한의 곡률반경을 가지는 상태, 이하, 제2상태라 한다)에서는 상기 디스플레이 영역이 곡면이 될 수 있다. 도시와 같이, 상기 제2상태에서 표시되는 정보는 곡면상에 출력되는 시각 정보가 될 수 있다. 이러한 시각 정보는 매트릭스 형태로 배치되는 단위 화소(sub-pixel)의 발광이 독자적으로 제어됨에 의하여 구현된다. 상기 단위 화소는 하나의 색을 구현하기 위한 최소 단위를 의미한다.
상기 플렉서블 디스플레이의 단위 화소는 반도체 발광 소자에 의하여 구현될 수 있다. 본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자의 일 종류로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 예시한다. 상기 발광 다이오드는 작은 크기로 형성되며, 이를 통하여 상기 제2상태에서도 단위 화소의 역할을 할 수 있게 된다.
이하, 상기 발광 다이오드를 이용하여 구현된 플렉서블 디스플레이에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 라인 B-B 및 C-C를 따라 취한 단면도들이며, 도 4는 도 3a의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이고, 도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광 소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 2, 도 3a 및 도 3b의 도시에 의하면, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(100)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(100)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다.
상기 디스플레이 장치(100)는 기판(110), 제1전극(120), 전도성 접착층(130), 제2전극(140) 및 복수의 반도체 발광 소자(150)를 포함한다.
기판(110)은 플렉서블 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 기판(110)은 유리나 폴리이미드(PI, Polyimide)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면, 예를 들어 PEN(Polyethylene Naphthalate), PET(Polyethylene Terephthalate) 등 어느 것이라도 사용될 수 있다. 또한, 상기 기판(110)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질 어느 것이나 될 수 있다.
상기 기판(110)은 제1전극(120)이 배치되는 배선기판이 될 수 있으며, 따라서 상기 제1전극(120)은 기판(110) 상에 위치할 수 있다.
도시에 의하면, 절연층(160)은 제1전극(120)이 위치한 기판(110) 상에 배치될 수 있으며, 상기 절연층(160)에는 보조전극(170)이 위치할 수 있다. 이 경우에, 상기 기판(110)에 절연층(160)이 적층된 상태가 하나의 배선기판이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연층(160)은 폴리이미드(PI, Polyimide), PET, PEN 등과 같이 절연성이 있고, 유연성 있는 재질로, 상기 기판(110)과 일체로 이루어져 하나의 기판을 형성할 수 있다.
보조전극(170)은 제1전극(120)과 반도체 발광 소자(150)를 전기적으로 연결하는 전극으로서, 절연층(160) 상에 위치하고, 제1전극(120)의 위치에 대응하여 배치된다. 예를 들어, 보조전극(170)은 닷(dot) 형태이며, 절연층(160)을 관통하는 전극홀(171)에 의하여 제1전극(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극홀(171)은 비아 홀에 도전물질이 채워짐에 의하여 형성될 수 있다.
본 도면들을 참조하면, 절연층(160)의 일면에는 전도성 접착층(130)이 형성되나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연층(160)과 전도성 접착층(130)의 사이에 특정 기능을 수행하는 레이어가 형성되거나, 절연층(160)이 없이 전도성 접착층(130)이 기판(110)상에 배치되는 구조도 가능하다. 전도성 접착층(130)이 기판(110)상에 배치되는 구조에서는 전도성 접착층(130)이 절연층의 역할을 할 수 있다.
상기 전도성 접착층(130)은 접착성과 전도성을 가지는 층이 될 수 있으며, 이를 위하여 상기 전도성 접착층(130)에서는 전도성을 가지는 물질과 접착성을 가지는 물질이 혼합될 수 있다. 또한 전도성 접착층(130)은 연성을 가지며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 플렉서블 기능을 가능하게 한다.
이러한 예로서, 전도성 접착층(130)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 상기 전도성 접착층(130)은 두께를 관통하는 Z 방향으로는 전기적 상호 연결을 허용하나, 수평적인 X-Y 방향으로는 전기절연성을 가지는 레이어로서 구성될 수 있다. 따라서 상기 전도성 접착층(130)은 Z축 전도층으로 명명될 수 있다(다만, 이하 '전도성 접착층'이라 한다).
상기 이방성 전도성 필름은 이방성 전도매질(anisotropic conductive medium)이 절연성 베이스부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정 부분만 이방성 전도매질에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이하, 상기 이방성 전도성 필름에는 열 및 압력이 가해지는 것으로 설명하나, 상기 이방성 전도성 필름이 부분적으로 전도성을 가지기 위하여 다른 방법도 가능하다. 이러한 방법은, 예를 들어 상기 열 및 압력 중 어느 하나만이 가해지거나 UV 경화 등이 될 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도매질은 예를 들어, 도전볼이나 전도성 입자가 될 수 있다. 도시에 의하면, 본 예시에서 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정부분만 도전볼에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이방성 전도성 필름은 전도성 물질의 코어가 폴리머 재질의 절연막에 의하여 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있으며, 이 경우에 열 및 압력이 가해진 부분이 절연막이 파괴되면서 코어에 의하여 도전성을 가지게 된다. 이때, 코어의 형태는 변형되어 필름의 두께방향으로 서로 접촉하는 층을 이룰 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 열 및 압력은 이방성 전도성 필름에 전체적으로 가해지며, 이방성 전도성 필름에 의하여 접착되는 상대물의 높이차에 의하여 Z축 방향의 전기적 연결이 부분적으로 형성된다.
다른 예로서, 이방성 전도성 필름은 절연 코어에 전도성 물질이 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있다. 이 경우에는 열 및 압력이 가해진 부분이 전도성 물질이 변형되어(눌러 붙어서) 필름의 두께방향으로 전도성을 가지게 된다. 또 다른 예로서, 전도성 물질이 Z축 방향으로 절연성 베이스 부재를 관통하여 필름의 두께방향으로 전도성을 가지는 형태도 가능하다. 이 경우에, 전도성 물질은 뽀족한 단부를 가질 수 있다.
도시에 의하면, 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재의 일면에 삽입된 형태로 구성되는 고정배열 이방성 전도성 필름(fixed array ACF)가 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연성 베이스부재는 접착성을 가지는 물질로 형성되며, 도전볼은 상기 절연성 베이스부재의 바닥부분에 집중적으로 배치되며, 상기 베이스부재에서 열 및 압력이 가해지면 상기 도전볼과 함께 변형됨에 따라 수직방향으로 전도성을 가지게 된다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 이방성 전도성 필름은 절연성 베이스부재에 도전볼이 랜덤하게 혼입된 형태나, 복수의 층으로 구성되며 어느 한 층에 도전볼이 배치되는 형태(double-ACF) 등이 모두 가능하다.
이방성 전도 페이스트는 페이스트와 도전볼의 결합형태로서, 절연성 및 접착성의 베이스 물질에 도전볼이 혼합된 페이스트가 될 수 있다. 또한, 전도성 입자를 함유한 솔루션은 전도성 particle 혹은 nano 입자를 함유한 형태의 솔루션이 될 수 있다.
다시 도면을 참조하면, 제2전극(140)은 보조전극(170)과 이격하여 절연층(160)에 위치한다. 즉, 상기 전도성 접착층(130)은 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 위치하는 절연층(160) 상에 배치된다.
절연층(160)에 보조전극(170)과 제2전극(140)이 위치된 상태에서 전도성 접착층(130)을 형성한 후에, 반도체 발광 소자(150)를 열 및 압력을 가하여 플립 칩 형태로 접속시키면, 상기 반도체 발광 소자(150)는 제1전극(120) 및 제2전극(140)과 전기적으로 연결된다.
도 4를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 발광 소자는 p형 전극(156), p형 전극(156)이 형성되는 p형 반도체층(155), p형 반도체층(155) 상에 형성된 활성층(154), 활성층(154) 상에 형성된 n형 반도체층(153) 및 n형 반도체층(153) 상에서 p형 전극(156)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(152)을 포함한다. 이 경우, p형 전극(156)은 보조전극(170)과 전도성 접착층(130)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, n형 전극(152)은 제2전극(140)과 전기적으로 연결될 수 있다.
다시 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 보조전극(170)은 일방향으로 길게 형성되어, 하나의 보조전극이 복수의 반도체 발광 소자(150)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 보조전극을 중심으로 좌우의 반도체 발광 소자들의 p형 전극들이 하나의 보조전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 열 및 압력에 의하여 전도성 접착층(130)의 내부로 반도체 발광 소자(150)가 압입되며, 이를 통하여 반도체 발광 소자(150)의 p형 전극(156)과 보조전극(170) 사이의 부분과, 반도체 발광 소자(150)의 n형 전극(152)과 제2전극(140) 사이의 부분에서만 전도성을 가지게 되고, 나머지 부분에서는 반도체 발광 소자의 압입이 없어 전도성을 가지지 않게 된다. 이와 같이, 전도성 접착층(130)은 반도체 발광 소자(150)와 보조전극(170) 사이 및 반도체 발광 소자(150)와 제2전극(140) 사이를 상호 결합시켜줄 뿐만 아니라 전기적 연결까지 형성시킨다.
또한, 복수의 반도체 발광 소자(150)는 발광 소자 어레이(array)를 구성하며, 발광 소자 어레이에는 형광체층(180)이 형성된다.
발광 소자 어레이는 자체 휘도값이 상이한 복수의 반도체 발광 소자들을 포함할 수 있다. 각각의 반도체 발광 소자(150)는 단위 화소를 구성하며, 제1전극(120)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 제1전극(120)은 복수 개일 수 있고, 반도체 발광 소자들은 예컨대 수 열로 배치되며, 각 열의 반도체 발광 소자들은 상기 복수 개의 제1전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 반도체 발광 소자들이 플립 칩 형태로 접속되므로, 투명 유전체 기판에 성장시킨 반도체 발광 소자들을 이용할 수 있다. 또한, 상기 반도체 발광 소자들은 예컨대 질화물 반도체 발광 소자일 수 있다. 반도체 발광 소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광 소자(150)의 사이에 격벽(190)이 형성될 수 있다. 이 경우, 격벽(190)은 개별 단위 화소를 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 전도성 접착층(130)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 반도체 발광 소자(150)가 삽입됨에 의하여 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 상기 격벽을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 블랙이면, 별도의 블랙 절연체가 없어도 상기 격벽(190)이 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)가 증가될 수 있다.
다른 예로서, 상기 격벽(190)으로 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 이 경우에, 상기 격벽(190)은 디스플레이 장치의 목적에 따라 블랙(Black) 또는 화이트(White) 절연체를 포함할 수 있다. 화이트 절연체의 격벽을 이용할 경우 반사성을 높이는 효과가 있을 수 있고, 블랙 절연체의 격벽을 이용할 경우, 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)를 증가시킬 수 있다.
형광체층(180)은 반도체 발광 소자(150)의 외면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 형광체층(180)은 상기 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키는 기능을 수행한다. 상기 형광체층(180)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(181) 또는 녹색 형광체(182)가 될 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(151) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(181)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(151) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(182)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(151)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다. 보다 구체적으로, 제1전극(120)의 각 라인을 따라 하나의 색상의 형광체가 적층될 수 있다. 따라서, 제1전극(120)에서 하나의 라인은 하나의 색상을 제어하는 전극이 될 수 있다. 즉, 제2전극(140)을 따라서, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)이 차례로 배치될 수 있으며, 이를 통하여 단위 화소가 구현될 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 형광체 대신에 반도체 발광 소자(150)와 퀀텀닷(QD)이 조합되어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들을 구현할 수 있다.
또한, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체층들의 사이에는 블랙 매트릭스(191)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(191)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 각각의 반도체 발광 소자(150)는 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색을 비롯한 다양한 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다.
이 경우, 반도체 발광 소자(150)는 각각 단위 화소(sub-pixel)를 이루기 위하여 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자일 수 있다. 예컨대, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자(R, G, B)가 교대로 배치되고, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자에 의하여 적색(Red), 녹색(Green) 및 청색(Blue)의 단위 화소들이 하나의 화소(pixel)를 이루며, 이를 통하여 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 반도체 발광 소자는 황색 형광체층이 개별 소자마다 구비된 백색 발광 소자(W)를 구비할 수 있다. 이 경우에는, 단위 화소를 이루기 위하여, 백색 발광 소자(W) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비될 수 있다. 또한, 이러한 백색 발광 소자(W) 상에 적색, 녹색, 및 청색이 반복되는 컬러 필터를 이용하여 단위 화소를 이룰 수 있다.
도 5c를 참조하면, 자외선 발광 소자(UV) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비되는 구조도 가능하다. 이와 같이, 반도체 발광 소자는 가시광선뿐만 아니라 자외선(UV)까지 전영역에 사용가능하며, 자외선(UV)이 상부 형광체의 여기원(excitation source)으로 사용가능한 반도체 발광 소자의 형태로 확장될 수 있다.
본 예시를 다시 살펴보면, 반도체 발광 소자(150)는 전도성 접착층(130) 상에 위치되어, 디스플레이 장치에서 단위 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 화소를 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광 소자(150)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 직사각형인 경우에는 20X80㎛ 이하의 크기가 될 수 있다.
또한, 한 변의 길이가 10㎛인 정사각형의 반도체 발광 소자(150)를 단위 화소로 이용하여도 디스플레이 장치를 이루기 위한 충분한 밝기가 나타난다. 따라서, 단위 화소의 크기가 한 변이 600㎛, 나머지 한변이 300㎛인 직사각형 화소인 경우를 예로 들면, 반도체 발광 소자의 거리가 상대적으로 충분히 크게 된다. 따라서, 이러한 경우, HD화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있게 된다.
상기에서 설명된 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치는 새로운 형태의 제조방법에 의하여 제조될 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여 상기 제조방법에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
본 도면을 참조하면, 먼저, 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 위치된 절연층(160) 상에 전도성 접착층(130)을 형성한다. 제1기판(110)에 절연층(160)이 적층되어 하나의 기판(또는 배선기판)을 형성하며, 상기 배선기판에는 제1전극(120), 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 배치된다. 이 경우에, 제1전극(120)과 제2전극(140)은 상호 직교 방향으로 배치될 수 있다. 또한, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 제1기판(110) 및 절연층(160)은 각각 유리 또는 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다.
상기 전도성 접착층(130)은 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 의하여 구현될 수 있으며, 이를 위하여 절연층(160)이 위치된 기판에 이방성 전도성 필름이 도포될 수 있다.
다음에, 보조전극(170) 및 제2전극(140)들의 위치에 대응하고, 개별 화소를 구성하는 복수의 반도체 발광 소자(150)가 위치된 제2기판(112)을 상기 반도체 발광 소자(150)가 보조전극(170) 및 제2전극(140)와 대향하도록 배치한다.
이 경우에, 제2기판(112)은 반도체 발광 소자(150)를 성장시키는 성장 기판으로서, 사파이어(spire) 기판 또는 실리콘(silicon) 기판이 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자는 웨이퍼(wafer) 단위로 형성될 때, 디스플레이 장치를 이룰 수 있는 간격 및 크기를 가지도록 함으로써, 디스플레이 장치에 효과적으로 이용될 수 있다.
그 다음에, 배선기판과 제2기판(112)을 열압착한다. 예를 들어, 배선기판과 제2기판(112)은 ACF press head 를 적용하여 열압착될 수 있다. 상기 열압착에 의하여 배선기판과 제2기판(112)은 본딩(bonding)된다. 열압착에 의하여 전도성을 갖는 이방성 전도성 필름의 특성에 의해 반도체 발광 소자(150)와 보조전극(170) 및 제2전극(140)의 사이의 부분만 전도성을 가지게 되며, 이를 통하여 전극들과 반도체 발광소자(150)는 전기적으로 연결될 수 있다. 이때에, 반도체 발광 소자(150)가 상기 이방성 전도성 필름의 내부로 삽입되며, 이를 통하여 반도체 발광 소자(150) 사이에 격벽이 형성될 수 있다.
그 다음에, 상기 제2기판(112)을 제거한다. 예를 들어, 제2기판(112)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다.
마지막으로, 상기 제2기판(112)을 제거하여 반도체 발광 소자들(150)을 외부로 노출시킨다. 필요에 따라, 반도체 발광 소자(150)가 결합된 배선기판 상을 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 코팅하여 투명 절연층(미도시)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 반도체 발광 소자(150)의 일면에 형광체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 적색 형광체 또는 녹색 형광체가 상기 청색 반도체 발광 소자의 일면에 레이어를 형성할 수 있다.
이상에서 설명된 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법이나 구조는 여러가지 형태로 변형될 수 있다. 그 예로서, 상기에서 설명된 디스플레이 장치에는 수직형 반도체 발광 소자도 적용될 수 있다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 수직형 구조에 대하여 설명한다.
또한, 이하 설명되는 변형예 또는 실시예에서는 앞선 예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.
도 7은 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 일 실시예를 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7의 라인 D-D를 따라 취한 단면도이며, 도 9은 도 8의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
본 도면들을 참조하면, 디스플레이 장치는 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 수직형 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치가 될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 기판(210), 제1전극(220), 전도성 접착층(230), 제2전극(240) 및 복수의 반도체 발광 소자(250)를 포함한다.
기판(210)은 제1전극(220)이 배치되는 배선기판으로서, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능할 것이다.
제1전극(220)은 기판(210) 상에 위치하며, 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 상기 제1전극(220)은 데이터 전극의 역할을 하도록 이루어질 수 있다.
전도성 접착층(230)은 제1전극(220)이 위치하는 기판(210)상에 형성된다. 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치와 같이, 전도성 접착층(230)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 다만, 본 실시예에서도 이방성 전도성 필름에 의하여 전도성 접착층(230)이 구현되는 경우를 예시한다.
기판(210) 상에 제1전극(220)이 위치하는 상태에서 이방성 전도성 필름을 위치시킨 후에, 반도체 발광 소자(250)를 열 및 압력을 가하여 접속시키면, 상기 반도체 발광 소자(250)가 제1전극(220)과 전기적으로 연결된다. 이 때, 상기 반도체 발광 소자(250)는 제1전극(220) 상에 위치되도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 전기적 연결은 전술한 바와 같이, 이방성 전도성 필름에서 열 및 압력이 가해지면 부분적으로 두께방향으로 전도성을 가지기 때문에 생성된다. 따라서, 이방성 전도성 필름에서는 두께방향으로 전도성을 가지는 부분(231)과 전도성을 가지지 않는 부분(232)으로 구획된다.
또한, 이방성 전도성 필름은 접착 성분을 함유하기 때문에, 전도성 접착층(230)은 반도체 발광 소자(250)와 제1전극(220) 사이에서 전기적 연결뿐만 아니라 기계적 결합까지 구현한다.
이와 같이, 반도체 발광 소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광 소자(250)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 직사각형인 경우에는 20X80㎛ 이하의 크기가 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자(250)는 수직형 구조가 될 수 있다.
수직형 반도체 발광 소자들의 사이에는, 제1전극(220)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되고, 수직형 반도체 발광 소자(250)와 전기적으로 연결된 복수의 제2전극(240)이 위치한다.
도 9를 참조하면, 이러한 수직형 반도체 발광 소자는 p형 전극(256), p형 전극(256) 상에 형성된 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층(254), 활성층(254)상에 형성된 n형 반도체층(253) 및 n형 반도체층(253) 상에 형성된 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(256)은 제1전극(220)과 전도성 접착층(230)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(252)은 후술하는 제2전극(240)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광 소자(250)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다시 도 8을 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(250)의 일면에는 형광체층(280)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(250)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자(251)이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 형광체층(280)이 구비될 수 있다. 이 경우에, 형광체층(280)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(281) 및 녹색 형광체(282) 일 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(251) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(281)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(251) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(282)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(251)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치에서 전술한 바와 같이, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
다시 본 실시예를 살펴보면, 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250) 사이에 위치하고, 반도체 발광 소자들(250)과 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 반도체 발광 소자들(250)은 복수의 열로 배치되고, 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250)의 열들 사이에 위치할 수 있다.
개별 화소를 이루는 반도체 발광 소자(250) 사이의 거리가 충분히 크기 때문에 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250) 사이에 위치될 수 있다.
제2전극(240)은 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있으며, 제1전극과 상호 수직한 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 제2전극(240)과 반도체 발광 소자(250)는 제2전극(240)에서 돌출된 연결 전극에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 연결 전극이 반도체 발광 소자(250)의 n형 전극이 될 수 있다. 예를 들어, n형 전극은 오믹(ohmic) 접촉을 위한 오믹 전극으로 형성되며, 상기 제2전극은 인쇄 또는 증착에 의하여 오믹 전극의 적어도 일부를 덮게 된다. 이를 통하여 제2전극(240)과 반도체 발광 소자(250)의 n형 전극이 전기적으로 연결될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 상에 위치될 수 있다. 경우에 따라, 반도체 발광 소자(250)가 형성된 기판(210) 상에 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 포함하는 투명 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 투명 절연층이 형성된 후에 제2전극(240)을 위치시킬 경우, 상기 제2전극(240)은 투명 절연층 상에 위치하게 된다. 또한, 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 또는 투명 절연층에 이격되어 형성될 수도 있다.
만약 반도체 발광 소자(250) 상에 제2전극(240)을 위치시키기 위하여는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극을 사용한다면, ITO 물질은 n형 반도체층과는 접착성이 좋지 않은 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 반도체 발광 소자(250) 사이에 제2전극(240)을 위치시킴으로써, ITO와 같은 투명 전극을 사용하지 않아도 되는 이점이 있다. 따라서, 투명한 재료 선택에 구속되지 않고, n형 반도체층과 접착성이 좋은 전도성 물질을 수평 전극으로 사용하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광 소자(250) 사이에는 격벽(290)이 위치할 수 있다. 즉, 개별 화소를 이루는 반도체 발광 소자(250)를 격리시키기 위하여 수직형 반도체 발광 소자(250) 사이에는 격벽(290)이 배치될 수 있다. 이 경우, 격벽(290)은 개별 단위 화소를 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 상기 전도성 접착층(230)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 반도체 발광 소자(250)가 삽입됨에 의하여 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 상기 격벽을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도성 필름의 베이스 부재가 블랙이면, 별도의 블랙 절연체가 없어도 상기 격벽(290)이 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)가 증가될 수 있다.
다른 예로서, 상기 격벽(190)으로서, 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 격벽(290)은 디스플레이 장치의 목적에 따라 블랙(Black) 또는 화이트(White) 절연체를 포함할 수 있다.
만일 제2전극(240)이 반도체 발광 소자(250) 사이의 전도성 접착층(230) 상에 바로 위치된 경우, 격벽(290)은 수직형 반도체 발광 소자(250) 및 제2전극(240)의 사이사이에 위치될 수 있다. 따라서, 반도체 발광 소자(250)를 이용하여 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있고, 반도체 발광 소자(250)의 거리가 상대적으로 충분히 크게 되어 제2전극(240)을 반도체 발광 소자(250) 사이에 위치시킬 수 있고, HD 화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있는 효과가 있게 된다.
또한, 도시에 의하면, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체 사이에는 블랙 매트릭스(291)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(291)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
상기 설명과 같이, 반도체 발광 소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 따라서, 반도체 발광 소자에 의하여 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이루는 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다
상기에서 설명된 본 발명의 예시들은 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 구조를 가지고 있다. 전술한 예시들은 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하나, 이 경우에 배선전극과 반도체 발광 소자를 전기적으로 연결하는 합착 공정에서 박막 트랜지스터가 손상 또는 파손되는 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 메커니즘을 제시하며, 이하, 이러한 메커니즘을 가지는 본 발명의 다른 실시예에 에 대하여 설명한다.
도 10은 새로운 구조의 반도체 발광소자가 적용된 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분의 확대도이고, 도 11 및 도 12는 각각 도 10의 라인 E-E 및 라인 F-F 를 따라 취한 단면도이다.
도 10, 도 11 및 도 12의 도시에 의하면, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)로서 액티브 매트릭스 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)를 예시한다.
디스플레이 장치(1000)는 기판(1010) 상에 형성되는 제1전극(1020) 및 제2전극(1040)에 복수의 반도체 발광 소자(1050)가 전기적으로 연결되는 구조를 형성한다.
기판(1010)은 제1전극(1020)이 배치되는 배선기판으로서, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능할 것이다.
반도체 발광 소자(1050)는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 수직형 구조의 반도체 발광 소자가 이용될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자(1050)는 제1도전형 전극(1156)과, 제1도전형 전극(1156)이 형성되는 제1도전형 반도체층(1155)과, 제1도전형 반도체층(1155) 상에 형성된 활성층(1154)과, 상기 활성층(1154) 상에 형성된 제2도전형 반도체층(1153) 및 제2도전형 반도체층(1153)에 형성되는 제2도전형 전극(1152)을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 제1도전형 전극(1156) 및 제1도전형 반도체층(1155)은 각각 p형 전극 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 전극(1152) 및 제2도전형 반도체층(1153)은 각각 n형 전극 및 n형 반도체층이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 n형이 되고 제2도전형이 p형이 되는 예시도 가능하다.
도시에 의하면, 상기 제1전극(1020)은 화소당 구비되는 화소 전극부로서, 상기 제1도전형 전극(1156)과 전기적으로 연결될 수 있다. 반면에, 상기 제2전극(1040)은 상기 제2도전형 전극(1152)에 전기적으로 연결되는 공통전극이 될 수 있다. 이 경우에, 상기 제2전극(1040)은 복수의 전극 라인들을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 예시에서는 반도체 발광 소자(1050)가 공통 전극과, 화소당 구비되는 화소 전극부에 전기적으로 연결되어 개별 화소를 형성한다.
이때에, 반도체 발광 소자(1050)는 청색을 발광하는 청색 발광 다이오드(light emitting diode)가 이용될 수 있으며, 반도체 발광 소자(1050) 상에는 발광 소자(1050)에서 발광된 빛의 파장을 변환시킬 수 있는 형광체층(1080)이 위치할 수 있다. 예를 들어, 형광체층(1080)은, 청색 광과 혼합되어 청색 광을 백색 광으로 변환시킬 수 있는 황색 형광체층이 될 수 있다.
형광체층(1080)에 의하여 변환된 백색 광을 이용하여 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)의 3원색을 구현하도록, 컬러 필터부(1090)가 상기 반도체 발광소자를 덮도록 배치될 수 있다. 즉, 적색(R) 필터(1091), 녹색(G) 필터(1092), 및 청색(B) 필터(1093)가 구비되어, 각각의 발광 소자에 의하여 이루어지는 화소는 단위 화소(서브 픽셀; sub-pixel)을 이루고, 이러한 3색의 단위 화소가 하나의 화소(pixel)를 이룰 수 있다.
또한, 상기 컬러 필터부(1090)의 대비비(Contrast) 향상을 위하여 디스플레이 장치는 각각의 필터들의 사이에 배치되는 블랙 매트릭스(1094)를 더 포함할 수 있다. 상기 블랙 매트릭스(1094)는 필터들의 사이에 갭을 만들고, 흑색 물질이 상기 갭을 채우는 형태로 형성될 수 있다. 이를 통하여 블랙 매트릭스(1094)는 외광반사를 흡수함과 동시에 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
한편, 화소 전극부는 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFT; 1100)와 연결되어, 액티브 매트릭스(active matrix; AM) 형 디스플레이를 구현할 수 있다. 박막 트랜지스터(1100)는, 소스 영역(1101) 및 드레인 영역(1103), 그리고 채널 영역(1104)을 가지며, 채널 영역(1104)에는 게이트 전극(1102)이 위치하게 된다. 이때, 소스 영역(1101)은 화소 전극부와 전기적으로 연결되어, 이러한 박막 트랜지스터(1100)의 구동에 의하여 발광될 화소가 능동적으로 제어될 수 있다.
박막 트랜지스터(1100)는 층간 절연막(1120)에 의하여 피복될 수 있다. 개별 박막 트랜지스터(1100) 사이의 간격도 클 수 있으며, 상기 간격에는 층간 절연막(1120)이 배치된다. 본 발명에서는 작은 크기의 반도체 발광 소자로 충분한 밝기를 가지는 단위 화소가 구현되므로, 개별 화소들 간의 거리가 커질 수 있으며, 따라서 상기 간격이 커서 휘어질 수 있는 디스플레이 장치가 구현될 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광 소자(1050)와 상기 화소 전극부 및 공통 전극의 전기적 연결은 전도성 접착층(1030)에 의하여 이루어진다.
도 1 내지 도 9를 참조하여 전술한 디스플레이 장치와 같이, 전도성 접착층(1030)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 상기 전도성 접착층(1030)은 불투명 재질로 형성되어, 상기 반도체 발광 소자들 간의 혼색의 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이 경우에, 화소 전극부와 공통 전극 상에 이방성 전도성 필름 등을 위치시킨 후에, 반도체 발광 소자(1050)를 열 또는 압력을 가하여 합착하는 공정이 수행될 수 있다. 상기 공정에서, 층간 절연막(220)과 반도체 발광소자(1050)의 사이에 상에 이방성 전도성 필름을 배치하면, 세라믹 박막들간의 부착으로 인하여 박막 트랜지스터 또는 반도체 발광 소자가 깨지는 문제가 발생할 수 있다.
도시에 의하면, 이러한 문제를 완화 또는 방지하기 위하여, 상기 박막 트랜지스터(1100)와 상기 전도성 접착층(1030)의 사이에는 버퍼층(1200)이 배치된다. 상기 버퍼층(1200)은 상기 박막 트랜지스터(또는 상기 반도체 발광 소자)를 보호하도록 탄성 재질로 이루어진다.
도시에 의하면, 상기 버퍼층(1200)은 상기 박막 트랜지스터의 층간 절연막 상에 배치되며, 탄성을 가지는 폴리머 계열 또는 에폭시 계열의 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우에, 상기 버퍼층(1200)은 상기 박막 트랜지스터의 층간 절연막보다 탄성이 높은 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(1200)은 층간 절연막보다 강도가 약한 재질로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 버퍼층(1200)은 탄성과 함께 접착성을 가지는 폴리머 계열의 재질을 구비할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(1200)은 상기 반도체 발광소자(1050)를 기준으로 상기 컬러 필터부(1090)의 반대측에 배치되며, 불투명한 성질을 가질 수 있다. 이 경우에, 상기 버퍼층은 상기 반도체 발광소자에서 발광되는 빛을 반사하도록 화이트 색상의 물질을 구비하거나, 상기 빛을 흡수하여 명암비를 증가시키도록 블랙 색상의 물질을 구비할 수 있다.
도시에 의하면, 상기 버퍼층(1200) 상에 상기 화소 전극부의 적어도 일부가 배치되어, 상기 전도성 접착층(1030)을 통하여 상기 반도체 발광소자와 전기적으로 연결된다.
보다 구체적으로, 상기 화소 전극부는 제1화소전극(1021) 및 제2화소전극(1022)을 포함할 수 있다.
상기 제1화소전극(1021)은 상기 박막 트랜지스터(1100)의 층간 절연막(1120)에 배치되는 전극이 될 수 있다. 예를 들어, 상기 박막 트랜지스터(1100)의 소스 영역(1101)이 상기 제1화소전극(1021)과 전기적으로 연결된다. 이 경우에, 이때, 소스 영역(1101)과 제1화소전극(1021)은 층간 절연막(1120)을 관통하는 관통 전극(1130)에 의하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2화소전극(1022)은 상기 제1화소전극(1021)으로부터 상기 버퍼층(1200)을 관통하여 상기 버퍼층(1200)의 일면으로 연장된다. 상기 버퍼층(1200)의 일면은 상기 전도성 접착층(1030)에 의하여 덮이는 면이며, 상기 버퍼층(1200)의 일면과 반대면인 타면이 상기 층간 절연막(1120)을 덮는 부분이 될 수 있다. 이 경우에 상기 제1화소전극(1021)은 상기 버퍼층(1200)의 타면 측에 배치되며, 상기 제2화소전극(1022)이 상기 버퍼층(1200)의 타면에서 일면으로 연장되어, 적어도 일부가 상기 전도성 접착층(1030)에 삽입된다. 이러한 구조를 통하여, 상기 제2화소전극(1022)은 상기 반도체 발광소자의 제1도전형 전극(1156)과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(1200)의 일면에는 적어도 하나의 공통 전극이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 공통전극으로 이루어지는 제2전극(1040)의 복수의 전극 라인들은 상기 버퍼층(1200)에 일면 상에 배치되어, 상기 전도성 접착층(1030)을 통하여 상기 반도체 발광소자의 제2도전형 전극(1152)과 전기적으로 연결된다.
이상에서 설명된 본 발명에 의하면, 버퍼층에 의한 완충으로 인하여, 크랙에 의한 불량이 저감되어, 디스플레이 장치의 배선 공정에서 수율이 개선되고, 보다 신뢰성이 높은 전기적 연결경로가 구현될 수 있다.
한편, 본 예시에서 설명한 버퍼층은 여러가지 형태의 디스플레이 장치에 적용될 수 있다. 이하, 본 발명의 다양한 변형예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 단면도들이다.
먼저 도 13을 참조하면, 도 10, 도 11 및 도 12를 참조하여 전술한 예시에서 컬러 필터부를 대신하여, 형광체층이 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)의 3원색을 구현하는 구조가 가능하다.
이 경우에, 기판(2010), 제1전극(2020), 제2전극(2040), 반도체 발광 소자(2050), 전도성 접착층(2030), 박막 트랜지스터(2100) 및 버퍼층(2200) 등의 구조는 도 10, 도 11 및 도 12를 참조하여 전술한 구조가 적용될 수 있으며, 그 내용은 전술한 설명으로 갈음한다.
도시에 의하면, 형광체층(2080)은 반도체 발광 소자(2050)의 외면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(2050)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 형광체층(2080)은 상기 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키는 기능을 수행한다. 상기 형광체층(2080)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(2081) 또는 녹색 형광체(2082)가 될 수 있다.
이와 같이, 본 예시의 디스플레이 장치에서는, 적색 형광체(2081) 또는 녹색 형광체(2082)의 하부에 청색 반도체 발광 소자가 배치되고, 상기 청색 반도체 발광 소자의 하부에 전도성 접착층(2030)과 버퍼층(2200) 및 박막 트랜지스터(2100)가 차례로 배치될 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(2051) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(2081)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(2051) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(2082)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(2051)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다.
또한, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체층들의 사이에는 블랙 매트릭스(2094)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(2094)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
도 14를 참조하면, 도 10, 도 11 및 도 12를 참조하여 전술한 예시에서 컬러 필터부가 없이, 각각의 반도체 발광 소자(3050)가 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)의 3원색을 구현하는 구조가 가능하다.
도시에 의하면, 각각의 반도체 발광 소자(3050)는 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색을 비롯한 다양한 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다.
이 경우, 반도체 발광 소자(3050)는 각각 단위 화소(sub-pixel)를 이루기 위하여 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자일 수 있다. 예컨대, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자(R, G, B)가 교대로 배치되고, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자에 의하여 적색(Red), 녹색(Green) 및 청색(Blue)의 단위 화소들이 하나의 화소(pixel)를 이루며, 이를 통하여 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다.
한편, 전술한 예시와 같이, 액티브 매트릭스(active matrix; AM) 형 디스플레이에서는, 계조표현에 대한 제약이 따르는 문제가 있다. 본 발명에서는 이와 같이 계조를 표현하기 위한 방안을 제시하며, 이하 이러한 방안에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 15는 계조표현의 마진을 나타내는 그래프이고, 도 16은 본 발명과 관련한 제어방법을 나타내는 개념도이고, 도 17은 도 16의 제어방법을 구현하기 위한 회로도이다.
도 15를 참조하면, 동 휘도를 내기 위한 동작 전압의 경우에 유기 발광 다이오드(OLED) 대비하여 작은 크기의 발광 다이오드(울트라 발광 다이오드, ULED) 가 매우 좁다는 것을 알 수 있다. 즉, 작은 구동 전압에서도 목표치 전류에 도달하게 되므로, 울트라 발광 다이오드의 경우에 동작 전압에 대한 마진이 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 울트라 발광 다이오드를 이용하여 계조 표현을 하려면, 동작 전압 마진이 작아서 다른 방안이 필요하다.
도 16을 참조하면, 본 예시에서, 상기 울트라 발광 다이오드는 계조의 수준에 따라서 구동 주파수가 가변되도록 제어될 수 있다. 즉, 본 예시에서는 계조 표현을 주파수로 구분한다.
예를 들어, 상기 계조의 수준은 계조가 높은 제1단계(도 16의 (a))와, 계조가 중간인 제2단계(도 16의 (b))와, 계조가 낮은 제3단계(도 16의 (c))로 구획되고, 상기 제1단계가 상기 제3단계보다 구동주파수가 낮아질 수 있다. 보다 구체적으로, 제1단계는 High 계조에 해당하며, 120Hz의 주파수로 구동된다. 제2단계는 Middle 계조이며, 120 내지 240 Hz의 주파수로 구동되며, 제3단계는 Low 계조이며 240 Hz의 주파수로 구동될 수 있다.
또한, 상기 제2단계 또는 제3단계에서는 상기 반도체 발광소자의 구동주기에서 휴지기를 가질 수 있다. 이와 같은 구동을 구현하기 위하여, 도 17과 같이 본 예시의 AM 등가 회로에는 주파수 변조기가 구비될 수 있다.
AM 구동시에 60 Hz 내지 120 Hz 로 구동할 수 있으나, 울트라 발광 다이오드의 경우에 작은 구동 마진으로 인하여 계조 표현에 대한 마진 확보가 중요하다. 본 예시에서는 상기에서 설명한 바와 같이 계조를 임의 레벨로 구획하고, Low 계조에서는 보다 높은 주파수, 예를 들어 120 Hz 이상을 이용하고, 휴지기를 적용하여 계조 표현력이 극대화될 수 있다.
이상에서 설명한 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 박막 트랜지스터;
    상기 박막 트랜지스터를 덮는 층간 절연막;
    상기 층간 절연막 상에 배치되는 반도체 발광 소자;
    상기 반도체 발광 소자와 상기 층간 절연막 사이에 배치되어, 상기 반도체 발광 소자와 상기 박막 트랜지스터를 전기적으로 연결시키는 화소 전극;
    상기 화소 전극과 상기 반도체 발광 소자를 전기적으로 연결시키는 전도성 접착층; 및
    탄성 재질로 이루어지며, 상기 층간 절연막과 상기 반도체 발광 소자 사이에 상기 박막 트랜지스터와 수직으로 중첩되도록 배치되는 버퍼층;을 포함하고,
    상기 화소 전극은 상기 층간 절연막의 상면에 배치되는 제1 화소 전극 및 상기 제1 화소 전극 상에 배치되는 제2 화소 전극을 포함하며,
    상기 제2 화소 전극은 상기 버퍼층 상에 배치되는 제2-1 화소 전극 및 상기 제1 화소 전극에 접하는 제2-2 화소 전극을 포함하며,
    상기 버퍼층은 상기 제1 화소 전극의 측면과 상기 제2-2 화소 전극의 측면에 접하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 재질은 폴리머 계열 또는 에폭시 계열의 재질을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화소 전극의 수평 폭은 상기 제2 화소 전극의 상면의 수평 폭보다 작은 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자를 덮도록 배치되어, 적색(R), 녹색(G) 또는 청색(B)을 구현하는 컬러 필터부를 더 포함하며,
    상기 버퍼층은 상기 반도체 발광소자를 기준으로 상기 컬러 필터부의 반대측에 배치되며, 불투명한 성질을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 반도체 발광소자에서 발광되는 빛을 반사하도록 이루어지며,
    상기 버퍼층은 화이트 색상의 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층의 일면에는 적어도 하나의 공통 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는 복수 개를 포함하며,
    상기 복수의 반도체 발광소자 사이에는 접착층이 배치되고,
    상기 제2 화소전극은 적어도 일부가 상기 접착층에 삽입되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2-1 화소 전극의 수평 폭은 상기 반도체 발광 소자의 상기 제1 화소 전극의 수평 폭 이상인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
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