KR102650341B1 - 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 성장기판과, 상기 성장기판에서 성장하여 상기 성장기판의 일면에 배치되는 반도체 발광소자와, 상기 반도체 발광소자와 오버랩되는 위치에서 상기 성장기판을 관통하는 관통홀, 및 상기 관통홀에 충전되어 상기 반도체 발광소자에서 발생한 빛의 파장을 변환하는 파장변환물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법{DISPLAY DEVICE USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING}
본 발명은 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 박막형, 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 않다는 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 디스플레이를 구현하여, 상기의 문제점을 해결하는 방안이 제시될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이에서는 성장기판에서 성장한 반도체 발광소자를 배선기판에 전사하므로, 상기 성장기판이 제거되는 것이 일반적이다. 하지만, 이러한 방법은 제조 신뢰성을 확보하기가 어렵고, 제조비가 높은 단점이 있다. 특히, 이러한 단점 때문에 디지털 사이니지의 디스플레이로서 적용이 어려운 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 수 내지 수십 마이크로미터 크기로 구성되는 반도체 발광소자를 기반으로 하되, 전사 과정이 필요없는 새로운 구조의 디스플레이 장치를 제안한다.
본 발명의 일 목적은 성장기판의 제거 과정이 필요없는 새로운 구조의 디스플레이 장치 및 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 제조원가를 절감할 수 있는 디스플레이 장치의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 성장기판을 디스플레이의 격벽으로 활용하여, 성장기판의 제거 과정이 필요없는 새로운 구조의 디스플레이 장치를 구현한다.
구체적인 예로서, 상기 디스플레이 장치는, 성장기판과, 상기 성장기판에서 성장하여 상기 성장기판의 일면에 배치되는 반도체 발광소자와, 상기 반도체 발광소자와 오버랩되는 위치에서 상기 성장기판을 관통하는 관통홀, 및 상기 관통홀에 충전되어 상기 반도체 발광소자에서 발생한 빛의 파장을 변환하는 파장변환물질을 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 반도체 발광소자는 질화갈륨을 구비하며, 상기 성장기판은 상기 질화갈륨이 성장가능하도록 이루어진다. 상기 기판은 상기 관통홀을 위한 식각이 가능하도록 실리콘 재질을 구비할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 관통홀의 내측벽에는 반사막이 형성된다. 상기 파장변환물질은 상기 반사막에 의하여 감싸지는 형광체를 구비할 수 있다. 상기 반사막은 상기 관통홀의 내측벽을 완전히 덮도록 이루어진다.
실시 예에 있어서, 상기 성장기판의 타면에는 상기 파장변환물질에서 방출되는 빛을 필터링하는 컬러 필터가 상기 관통홀과 오버랩되게 배치된다. 상기 컬러 필터의 사이에는 상기 성장기판의 타면을 덮는 블랙 매트릭스가 배치된다.
실시 예에 있어서, 상기 성장기판의 일면에는 상기 반도체 발광소자의 사이를 충전하는 보호층이 형성된다. 상기 보호층에는 반사입자가 혼입될 수 있다. 상기 관통홀은 상기 성장기판의 두께 방향으로 상기 보호층과 적어도 일부가 오버랩될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 관통홀에 가장 가까운 상기 반도체 발광소자의 일면은 텍스처링된 면으로 이루어진다.
실시 예에 있어서, 상기 반도체 발광소자의 전극과 전기적으로 연결되는 배선기판이 상기 반도체 발광소자를 사이에 두고 상기 성장기판의 반대측에 배치된다. 상기 성장기판은 적어도 3개의 반도체 발광소자가 부착된 복수의 단위기판들을 구비하고, 상기 배선기판에는 상기 단위기판들이 기설정된 간격으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은, 성장기판상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 차례로 성장시키는 단계와, 상기 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층을 식각하여, 상기 기판상에서 복수의 반도체 발광소자를 형성하는 단계와, 상기 복수의 반도체 발광소자에 전극을 형성하는 단계와, 상기 성장기판의 일면에 상기 반도체 발광소자의 사이를 충전하는 보호층을 형성하는 단계와, 상기 반도체 발광소자와 오버랩되는 위치에서 상기 성장기판을 관통하는 관통홀을 형성하도록 상기 성장기판을 식각하는 단계, 및 상기 관통홀에 상기 반도체 발광소자에서 발생한 빛의 파장을 변환하는 파장변환물질을 충전하는 단계를 포함하는 디스플레이 장치의 제조방법을 개시한다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치에서는, 성장기판을 격벽 구조로 활용하기에, 성장기판의 제거 과정이 필요없는 디스플레이 장치를 구현한다. 따라서, 제거과정에 이용되는 레이저 리프트 오프 등 고가이나 저수율의 공정이 필요없는 제조방법이 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 성장기판으로 실리콘 기판이 이용되므로, 사파이어 대비 낮은 가격으로 디스플레이 장치의 제조가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 반도체 공정에서 대부분의 제조 공정이 이루어지므로, 높은 수율과 일괄 공정이 가능하며, 나아가 높은 정밀도로 디스플레이 장치의 제조가 가능하게 된다.
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 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 11은 도 10의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이다.
도 12는 도 10의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이다.
도 13a 내지 도 13d 및 도 14a 내지 도 14f는 도 10의 디스플레이 장치의 제조방법을 나타내는 개념도들이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 16은 도 10의 라인 G-G를 따라 취한 단면도이다.
도 17은 도 10의 라인 H-H를 따라 취한 단면도이다.
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. 이 때에, 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 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이에서는 성장기판에서 성장한 반도체 발광소자를 이방성 전도성 필름(ACF, anisotropic conductive film)을 이용하여 배선기판에 전사한다. 하지만, 이러한 방법은 제조 신뢰성을 확보하기가 어렵고, 제조비가 높은 단점이 있다. 특히, 디지털 사이니지의 경우에 플렉서블의 성질이 요구되지 않으므로, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이에서는 다른 접근 방식이 필요하다.
이하, 본 발명에서는 전술한 기술적 난점을 극복하고 목표로 하는 초소형 마이크로 발광 다이오드 기반의 고해상도 디스플레이 구현을 위하여, 새로운 방식의, 수 내지 수십 마이크로미터 크기로 구성되는 초소형 청색 발광 다이오드 기반의 디스플레이용 픽셀 구조 및 그 제조방법을 제안한다.
더욱 상세하게는, 본 발명에서는 GaN on Si 기술을 이용하여 실리콘 기판 상에 질화갈륨 박막을 형성하고, 질화 갈륨 박막을 식각하여 마이크로 발광 다이오드의 구조를 형성 한 뒤에, 성장 기판을 식각하여 격벽 구조를 형성하여 고해상도의 마이크로 발광 다이오드 구조를 구현한다. 이렇게 웨이퍼 상에 구현된 고해상도의 마이크로 발광 다이오드 구조는 그 자체로 디스플레이로 활용이 가능하며, 개별 칩으로 분리하여 더 넓은 기판에 붙여 대면적의 디스플레이로도 활용이 가능하다.
이하, 성장 기판을 식각하여 격벽 구조로 활용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한 부분 사시도이고, 도 11은 도 10의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이며, 도 12는 도 10의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이다.
도 10, 도 11 및 도 12의 도시에 의하면, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다.
디스플레이 장치(1000)는 기판(1010), 제1전극(1020), 전도성 접착층(1030), 제2전극(1040), 성장기판(1090) 및 복수의 반도체 발광 소자(1050)를 포함한다. 여기에서, 제1 전극(1020) 및 제2 전극(1040)은 각각 복수의 전극 라인들을 포함할 수 있다.
기판(1010)은 제1전극(1020)이 배치되는 배선기판이 될 수 있으며, 따라서 상기 제1전극(1020)은 기판(1010) 상에 위치할 수 있다. 이 경우에 상기 기판(1010)은 절연성은 있으나, 플렉서블이 아닌 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(1010)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질 어느 것이나 될 수 있다.
도시에 의하면, 절연층(1060)은 제1전극(1020)이 위치한 기판(1010) 상에 배치될 수 있으며, 상기 절연층(1060)에는 보조전극(1070)이 위치할 수 있다. 이 경우에, 상기 기판(1010)에 절연층(1060)이 적층된 상태가 하나의 배선기판이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연층(1060)은 폴리이미드(PI, Polyimide), PET, PEN 등과 같이 절연성 있는 재질로, 상기 기판(1010)과 일체로 이루어져 하나의 기판을 형성할 수 있다.
보조전극(1070)은 제1전극(1020)과 반도체 발광 소자(1050)를 전기적으로 연결하는 전극으로서, 절연층(1060) 상에 위치하고, 제1전극(1020)의 위치에 대응하여 배치된다. 예를 들어, 보조전극(1070)은 닷(dot) 형태이며, 절연층(1060)을 관통하는 전극홀(1071)에 의하여 제1전극(1020)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극홀(1071)은 비아 홀에 도전물질이 채워짐에 의하여 형성될 수 있다.
본 도면들을 참조하면, 절연층(1060)의 일면에는 전도성 접착층(1030)이 형성되나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 반도체 발광소자의 전극이 솔더링 등에 의하여 배선전극에 결합되는 것도 가능하다. 이 경우에는 본 예시에서 상기 전도성 접착층은 배제될 수 있다.
본 예시에서, 상기 전도성 접착층(1030)은 제1전극(1020)이 위치하는 기판(1010)상에 형성된다. 전술한 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치와 같이, 전도성 접착층은 이방성 전도성 필름(1030, anistropy conductive film, ACF)이 될 수 있다.
다시 도면을 참조하면, 제2전극(1040)은 보조전극(1070)과 이격하여 절연층(1060)에 위치한다. 즉, 상기 전도성 접착층(1030)은 보조전극(1070) 및 제2전극(1040)이 위치하는 절연층(1060) 상에 배치된다.
절연층(1060)에 보조전극(1070)과 제2전극(1040)이 위치된 상태에서 전도성 접착층(1030)을 형성한 후에, 반도체 발광 소자(1050)를 열 및 압력을 가하여 플립 칩 형태로 접속시키면, 상기 반도체 발광 소자(1050)는 제1전극(1020) 및 제2전극(1040)과 전기적으로 연결된다.
상기 복수의 반도체 발광 소자(1050)는, 도 4를 참조하여 전술한 구조를 가질 수 있으며, 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색의 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 복수의 반도체 발광 소자(1050)는 n-Gan, p-Gan, AlGaN, InGan 등 다양한 계층으로 형성되는 질화갈륨 박막이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 복수의 반도체 발광소자는 녹색의 빛을 발광하는 발광소자로 구현될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 반도체 발광 소자는 p형 전극(1156), p형 전극(1156)이 형성되는 p형 반도체층(1155), p형 반도체층(1155) 상에 형성된 활성층(1154), 활성층(1154) 상에 형성된 n형 반도체층(1153) 및 n형 반도체층(1153) 상에서 p형 전극(1156)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(1152)을 포함한다.
이 경우, p형 전극(1156)은 보조전극(1070)과 전도성 접착층(1030)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, n형 전극(1152)은 제2전극(1040)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 전도성 접착층(1030)의 상측에는 보호층(1059)이 적층될 수 있다. 상기 보호층(1059)은 상기 반도체 발광소자의 사이를 충전하도록 이루어지며, 성장기판(1090)의 일면에 형성되어 상부 보호층을 이룬다.
상기 보호층(1059)은 개별 소자간의 광 간섭을 제거하고 광 추출을 향상하기 위하여 광 반사도가 높은 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 보호층(1059)은 수지와 반사입자를 구비할 수 있다. 상기 수지는 상기 전도성 접착층(1030)에 적층되어 상기 복수의 반도체 발광소자들의 사이를 채우도록 이루어지고, 상기 반사입자는 상기 수지에 혼합될 수 있다.
이 경우에, 상기 수지는 아크릴, 에폭시, 폴리이미드, 폴리머가 혼합된 코팅제, 또는 포토레지스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 상기 수지는 상기 전도성 접착층(1030)의 절연성 베이스 부재와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 수지와 상기 전도성 접착층(1030)은 합착에 의하여 일체화될 수 있다.
상기 반사입자는 산화티탄, 알루미나, 산화마그네슘, 산화안티몬, 산화지르코늄 및 실리카 중 적어도 하나를 구비할 수 있다. 한편, 상기 반사입자는 백색안료가 될 수 있다.
한편, 상기 반도체 발광소자의 전극과 전기적으로 연결되는 배선기판(1010)은 상기 반도체 발광소자를 사이에 두고 성장기판(1090)의 반대측에 배치된다.
상기 성장기판(1090)은 상기 반도체 발광소자가 성장하는 기판으로서, 질화갈륨이 성장가능하도록 이루어진다. 예를 들어, 성장기판(1090)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하여 예를 들어, 사파이어(Al2O3) 기판에 비해 열전도성이 큰 SiC 기판 또는 Si, GaAs, GaP, InP, Ga2O3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
본 예시에서, 상기 성장기판(1090)은 실리콘 재질을 구비하는 실리콘 기판이 될 수 있다. 이와 같이, 사파이어 기판이 아니라 실리콘 기판을 베이스로 하기에, 상기 기판은 격벽 구조로 이용될 수 있다.
구체적으로, 본 예시에서는 상기 반도체 발광소자가 성장하도록 상기 성장기판(1090)의 일면에 상기 반도체 발광소자의 n형 반도체층(1153)이 배치되며, 개별 소자들의 사이를 채우도록 보호층(1059)이 상기 일면상에 도포될 수 있다.
또한, 상기 성장기판(1090)은 식각이 가능한 실리콘 기판이므로, 상기 식각에 의하여 관통홀(1091)이 형성될 수 있다. 상기 관통홀(1091)은 상기 반도체 발광소자와 오버랩되는 위치에서 상기 성장기판(1090)을 관통한다.
상기 관통홀(1091)은 각각의 반도체 발광소자에 대응하도록 복수로 구비될 수 있다. 서브픽셀을 기준으로 상기 반도체 발광소자는 청색을 발광하는 제1반도체 발광소자, 제2반도체 발광소자 및 제3반도체 발광소자가 기설정된 간격으로 차례로 배치되고, 이에 대응하도록 제1관통홀(1091a), 제2관통홀(1091b) 및 제3관통홀(1091c)이 상기 기설정된 간격과 동일한 간격으로 차례로 배치될 수 있다. 이러한 배열은 수평 방향 및 수직 방향으로 각각 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 관통홀(1091)은 수평 방향과 수직 방향으로 각각 순차적으로 배열되어 격자 구조를 형성할 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 관통홀(1091)이 일방향으로 긴 슬릿으로 형성되며, 상기 슬릿이 수평 방향 또는 수직 방향으로 순차적으로 배열되는 것도 가능하다.
한편, 도시에 의하면 상기 관통홀(1091)에는 상기 반도체 발광소자에서 발생한 빛의 파장을 변환하는 파장변환물질(1080)이 충전될 수 있다. 이 경우에, 상기 파장변환물질(1080)은 상기 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키거나, 황색이나 백색의 색상으로 변환하는 기능을 수행한다. 이러한 예로서, 상기 파장변환물질(1080)은 녹색 형광체(1081) 및 적색 형광체(1082)를 구비할 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 형광체 대신에 퀀텀닷(QD)이 상기 관통홀들에 충전되어, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)을 발광하는 단위 화소를 구현할 수 있다.
적색의 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(1081)가 적층 될 수 있고, 녹색의 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(1082)가 적층될 수 있다. 도시에 의하면, 제1관통홀(1091a)에는 적색 형광체(1081)가 충전되고, 제2관통홀(1091b)에는 녹색 형광체(1082)가 충전될 수 있다. 이 경우에 청색의 화소를 이루는 위치로서, 제3관통홀(1091c)에는 광투과성 물질(1083)이 충전될 수 있다. 상기 광투과성 물질(1083)은 가시광선 영역에서 투과율이 높은 물질로서, 예를 들어 에폭시 계열의 PR(포토 레지스트), PDMS(polydimethylsiloxane), 레진 등이 이용될 수 있다.
이 경우에, 상기 형광체나 광투과성 물질이 반도체 발광소자를 완전히 덮도록, 상기 관통홀(1091)은 상기 성장기판(1090)의 두께 방향으로 상기 보호층(1059)과 적어도 일부가 오버랩될 수 있다. 상기 보호층(1059)은 상기 관통홀(1091)이 생성되어도 상기 반도체 발광소자가 고정될 수 있도록 접착성을 가지는 재질로 형성될 수 있다.
이러한 구조에 의하면, 적색 형광체(1081)와 녹색 형광체(1082)의 사이에는 상기 성장기판(1090)이 격벽을 형성하게 된다. 또한, 광투과성 물질(1083)의 양측에서도 상기 성장기판(1090)이 격벽을 형성하게 된다. 이 때에, 상기 관통홀(1091)이 격자 구조로 형성되므로, 상기 성장기판(1090)은 수직 방향 및 수평 방향을 따라 각각 상기 형광체들의 사이에서 격벽을 형성할 수 있다.
한편, 도시에 의하면, 컬러 필터(CL10)가 상기 파장 변환물질을 덮도록 배치된다.
예를 들어, 상기 성장기판(1090)의 타면에는 상기 파장변환물질에서 방출되는 빛을 필터링하는 컬러 필터(CL10)가 상기 관통홀과 오버랩되게 배치될 수 있다.
이 경우에, 상기 컬러 필터(CL10)는 빛을 선택적으로 투과하여 적색, 녹색 및 청색을 구현하도록 이루어진다. 이 경우에, 형광체과 컬러 필터(CL10)와 조합되어 적색, 녹색, 및 청색의 단위화소를 구현하게 된다.
컬러 필터(CL10)는 적색 파장, 녹색 파장 및 청색 파장을 필터링하는 복수의 필터링부들(CL11, CL12, CL13)을 구비하며, 상기 복수의 필터링부들(CL11, CL12, CL13)이 반복 배치되는 구조를 가질 수 있다. 이 경우에, 상기 복수의 필터링부들은(CL11, CL12, CL13)는 일 방향으로 긴 라인으로 형성되며, 상기 일방향과 수직한 타방향으로 기설정된 간격을 따라 차례로 배치될 수 있다. 즉, 관통홀에 충전된 형광체가 격자 형태로 배열됨에 반해, 상기 컬러필터(CL10)는 라인 형태로 배열될 수 있다.
이 때에, 적색 형광체와 녹색 형광체의 상측에는 적색 및 녹색을 필터링하는 적색 필터링부(CL11) 및 녹색 필터링부(CL12)가 각각 배치되고, 청색의 화소를 이루는 부분의 광투과성 물질을 덮도록 청색 필터링부(CL13)가 배치될 수 있다.
상기 컬러 필터의 사이에는 상기 성장기판의 타면을 덮는 블랙 매트릭스(BM10)가 배치된다. 예를 들어, 상기 복수의 필터링부들의 사이에는 상기 블랙 매트릭스(BM10)가 배치될 수 있다.
다른 예로서, 모든 관통홀에는 적색이나 녹색이 아니라, 황색 형광체가 충전되고, 적색, 녹색, 및 청색이 반복되는 컬러 필터가 상기 황색 형광체를 덮도록 배치될 수 있다.
또한, 도시에 의하면, 하부 보호층(1056)이 컬러 필터 및 블랙 매트릭스를 덮도록 도포되어 소자를 보호해 줄 수 있다. 상기 하부 보호층(1056)은 광투과성 재질로 이루어진다.
한편, 도시에 의하면, 상기 관통홀(1091)의 내측벽에는 반사막(1058)이 형성된다. 이 경우에, 상기 형광체(1080)는 상기 반사막(1058)에 의하여 감싸질 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 상기 반사막(1058)의 사이 공간에는 광투과성 물질(1083)이나, 형광체(1081, 1082)가 채워지도록 형성된다. 이 경우에, 상기 반사막(1058)은 상기 관통홀(1091)의 내측벽을 완전히 덮도록 이루어진다.
또한, 상기 관통홀(1091)에 가장 가까운 상기 반도체 발광소자의 일면은 텍스처링된 면으로 이루어질 수 있다. 이를 위하여, 상기 반도체 발광소자의 상기 n형 반도체층(1153)의 일면에는 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)은 상기 p형 전극(1156)으로부터 가장 먼 일면에 형성되는 홈들(1157)을 구비할 수 있다. 상기 홈들(1157)은 상기 p형 전극(1156)으로부터 가장 먼 일면에서 텍스트를 형성(textured)하도록 식각될 수 있다. 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)에 홈을 식각함에 따라, 본 발명에 의하면 상기 반도체 발광소자의 면상에 텍스처링이 가능하게 된다.
상기에서 설명된 구조에 의하면, 성장기판의 제거 과정이 필요없는 새로운 구조의 디스플레이 장치가 구현된다. 한편, 상기 디스플레이 장치는 새로운 방법에 의하여 제조될 수 있다.
이하, 본 발명에 적용되는 제조방법에 대하여, 도면을 참조하여 예시한다.
도 13a 내지 도 13d 및 도 14a 내지 도 14f는 도 10의 디스플레이 장치의 제조방법을 나타내는 개념도들이다.
먼저, 제조방법에 의하면, 성장기판(1090)에 n형 반도체층(1153), 활성층(1154), p형 반도체층(1155)을 각각 성장시킨다(도 13a).
성장기판(1090)(웨이퍼)은 상기 반도체 발광소자가 성장하는 기판으로서, 상기 성장기판은 상기 질화갈륨이 성장가능하고, 상기 관통홀을 위한 식각이 가능한 실리콘 기판이 될 수 있다. 이와 같이, 사파이어 기판이 아니라 실리콘 기판을 베이스로 하기에, 상기 기판은 격벽 구조로 이용될 수 있다. 다른 예로서, 성장기판(1090)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로서, 열전도성이 큰 SiC 기판 또는 GaAs, GaP, InP, Ga2O3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
이 경우, 상기 실리콘 기판은 적합한 질화갈륨 박막을 성장시키기 위한 것으로, 결정성이나 크기나 두께 등은 질화갈륨 박막 성장에 적합하다면 제한되지 않는다.
n형 반도체층(1153)이 성장하면, 다음은, 상기 n형 반도체층(1153) 상에 활성층(1154)을 성장시키고, 다음으로 상기 활성층(1154) 상에 p형 반도체층(1155)을 성장시킨다. 각각의 반도체층은 질화갈륨을 구비할 수 있다. 이 때에, 상기 n형 반도체층(1153)의 성장전에, 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)을 먼저 성장시킬 수 있다.
이와 같이, 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a), n형 반도체층(1153), 활성층(1154) 및 p형 반도체층(1155)을 순차적으로 성장시키면, 도 13a에 도시된 것과 같이, 마이크로 반도체 발광소자의 적층 구조가 형성된다. 본 예시에서는, 청색 반도체 발광 소자의 적층구조로서 반도체가 성장될 수 있다.
상기 마이크로 반도체 발광소자의 적층 구조는 질화갈륨 박막으로서, n-GaN, p-GaN, AlGaN, InGaN등 다양한 계층으로 구성된다. 이 경우에, 광원으로 구동 하는데 문제가 없이 성장된다면 박막의 구성성분, 소재, 두께 등은 목적에 적합하게 선택하여 진행한다.
다음으로, 상기 n형 반도체층(1153)의 적어도 일부가 노출되도록 활성층(1154) 및 p형 반도체층(1155)의 적어도 일부를 제거한다(도 13b).
보다 구체적으로, 형성된 질화 갈륨 박막을 식각, 페시배이션(passivation) 등을 진행하여 수~수백 마이크로미터 크기의 단위 발광 다이오드의 구조를 형성한다. 단위 구조는 1개의 픽셀 혹은 1개의 서브픽셀을 구성할 수 있다. 본 실시예는 1개의 픽셀 구조를 예시하였으며, 3개의 서브픽셀이 1개의 픽셀을 구성한다.
이 경우에, 상기 활성층(1154) 및 p형 반도체층(1155)은 수직방향으로 일부가 제거되어, 상기 n형 반도체층(1153)이 외부로 노출된다. 이를 통하여, 복수의 발광소자들의 메사 공정이 수행된다. 이후에, 복수의 발광소자들이 발광 소자 어레이를 형성하도록 상기 n형 반도체층(1153)과 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)을 식각하여 아이솔레이션(isolation)이 수행된다. 이와 같이, p형 반도체층(1155), 활성층(1154), n형 반도체층(1153) 및 언도프된(Undoped) 반도체층(1153a)을 식각하여 복수의 마이크로 반도체 발광소자를 형성한다.
다음으로, 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 구현되도록, 상기 복수의 반도체 발광소자에 전극을 형성한다. 예를 들어, 상기 n형 반도체층(1153)과 상기 p형 반도체층(1155)에 n형 전극(1152) 및 p형 전극(1156, 도 11 참조)를 각각 형성한다(도 13c).
상기 n형 전극(1152) 및 p형 전극(1156)은 스퍼터링 등의 증착 방법으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이 때에, 상기 n형 전극(1152)은 전술한 제2도전형 전극이 되고, 상기 p형 전극(1156)은 제1도전형 전극이 될 수 있다.
다음으로, 성장기판의 일면에 상기 반도체 발광소자의 사이를 충전하는 보호층(1059)을 형성한다(도 13d).
상기 보호층(1059)은 상기 성장기판(1090)의 일면에 형성되어 상부 보호층을 이룬다. 상기 보호층(1059)은 개별 소자간의 광 간섭을 제거하고 광 추출을 향상하기 위하여 광 반사도가 높은 소재로 형성될 수 있다.
상기 보호층(1059)은 개별 소자간의 광 간섭을 제거하고 광 추출을 향상하기 위하여 광 반사도가 높은 소재를 사용하여야 하나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 보호층(1059)은 수지와 반사입자를 구비할 수 있다. 또한, 상부 보호층의 형성 공정도 사용자가 적합한 공정을 선택하여 진행하면 된다.
상기와 같은 공정에 의하여, 상부 제작이 완료되면 하부 가공을 수행한다. 먼저, 상기 반도체 발광소자와 오버랩되는 위치에서 상기 성장기판을 관통하는 관통홀을 형성하도록 상기 성장기판을 식각한다(도 14a).
실리콘 기판에 식각을 통하여 파장변환물질이 충전될 수 있는 실리콘 식각 공동을 형성한다. 이러한 예로서, 실리콘 식각에 의한 관통홀(1091)이 구비되며, 상기 관통홀(1091)은 상기 반도체 발광소자와 오버랩되는 위치에서 상기 성장기판(1090)을 관통한다.
이때, 공동의 측벽 등과 같이, 광 반사가 예상 되는 부분에는 광 반사율이 높은 금속이 적당한 두께로 코팅될 수 있다. 즉, 상기 파장변환물질을 충전하기 전에, 상기 관통홀의 내측벽에 반사막을 코팅하는 단계가 진행될 수 있다(도 14b).
다음으로, 상기 관통홀(1091)에 상기 반도체 발광소자에서 발생한 빛의 파장을 변환하는 파장변환물질(1080)을 충전한다(도 14c).
예를 들어, 상기 관통홀(1091)의 내부에 색 구현을 위하여 형광체가 충전될 수 있다. 형광체는 통상 투명한 베이스 물질에 형광체 입자를 무게비로 혼합하여 충전한다. 형광체의 종류, 크기, 무게비 등이 색상에 영향을 미치게 되는데, 이러한 요소는 사용자가 선택적으로 설정할 수 있다.
예를 들어, 적색의 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(1081)가 적층 될 수 있고, 녹색의 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(1082)가 적층될 수 있다. 도시에 의하면, 제1관통홀(1091a)에는 적색 형광체(1081)가 충전되고, 제2관통홀(1091b)에는 녹색 형광체(1082)가 충전될 수 있다. 이 경우에 청색의 화소를 이루는 위치로서, 제3관통홀(1091c)에는 광투과성 물질(1083)이 충전될 수 있다.
다음으로, 상기 성장기판의 타면에 상기 파장변환물질에서 방출되는 빛을 필터링하는 컬러 필터(CL10)가 상기 관통홀과 오버랩되게 부착한다(도 14d).
상기 컬러 필터(CL10)의 부착을 위하여 별도의 접착층이 구비될 수 있으며, 상기 접착층은 OCA 나 OCR 등을 구비할 수 있다.
이 경우에, 상기 컬러 필터(CL10)는 빛을 선택적으로 투과하여 적색, 녹색 및 청색을 구현하도록 이루어진다. 이 경우에, 파장변환물질(1080)과 컬러 필터(CL10)와 조합되어 적색, 녹색, 및 청색의 단위화소를 구현하게 된다.
상기 컬러 필터(CL10)는 디스플레이의 색 품질을 향상하고 잔여 청색광을 제거하기 위해서 적용될 수 있다. 이 경우에, 형광체 변환 이후의 색상이 충분히 정확하다면 컬러 필터(CL10)는 선택적으로 적용할 수 있다. 또한, 컬러 필터(CL10)가 형성된 이외의 부분에는 블랙 매트릭스(BM)가 덮여질 수 있다. 상기 블랙 매트릭스에 의하여 보다 고품질의 디스플레이가 높은 명암비를 가질 수 있게 된다.
마지막으로, 하부 보호층(1056)이 도포되며, 이를 통하여 소자를 보호해 준다(도 14e).
상기에서 설명한 방법으로 제조된 구조물은, 통상 웨이퍼에 배열 형태로 존재하게 된다. 이하, 이러한 구조물에 대하여 반도체 발광소자 패키지라 지칭한다.
상기 반도체 발광소자 패키지는 웨이퍼 상의 일부를 면취하거나, 또는 전부를 배선기판(1010)에 연결하여 디스플레이로 구현될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 반도체 발광소자 패키지를 전도성 접착층(1030)을 이용하여 배선기판(1010)에 결합한다(도 14f).
상기 전도성 접착층(1030)은 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 의하여 구현될 수 있으며, 이를 위하여 절연층(1060)이 위치된 배선기판에 이방성 전도성 필름이 도포될 수 있다. 그 다음에, 배선기판(1010)과 반도체 발광소자 패키지를 열압착한다. 상기 열압착에 의하여 배선기판(1010)과 반도체 발광소자 구조물은 본딩(bonding)된다. 열압착에 의하여 전도성을 갖는 이방성 전도성 필름의 특성에 의해 반도체 발광 소자(1050)와 보조전극(1070, 도 11 참조) 및 제2전극(1040)의 사이의 부분만 전도성을 가지게 되며, 이를 통하여 전극들과 반도체 발광소자(1050)는 전기적으로 연결될 수 있다.
이상에서 설명된 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법이나 구조는 여러가지 형태로 변형될 수 있다.
그 예로서, 상기에서 설명된 디스플레이 장치에는 상기 전도성 접착층이 없이 금속 솔더링에 의하여 배선기판에 부착될 수 있다. 또한, 상기 반도체 발광소자 패키지는 웨이퍼 상의 일부를 면취하여 이용될 수 있다. 면취된 패키지에는 3개의 서브픽셀이 구비될 수 있으며, 3개의 서브픽셀이 1개의 RGB 픽셀을 구성한다. 이러한 구조에 의하면, 상기 제조방법은 상기 성장기판을 복수의 단위기판들로 구획하고, 상기 단위기판들을 배선기판에 기설정된 간격으로 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이하, 이러한 제조방법에 의하여 구현될 수 있는 단위기판의 결합구조에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예를 설명하기 위한 부분 사시도이고, 도 16은 도 10의 라인 G-G를 따라 취한 단면도이며, 도 17은 도 10의 라인 H-H를 따라 취한 단면도이다.
도 15, 도 16 및 도 17의 도시에 의하면, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(2000)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(2000)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다.
디스플레이 장치(2000)는 기판(2010) 및 복수의 반도체 발광소자 패키지(2050)를 포함한다.
기판(2010)은 제1전극(2020), 보조전극(2070) 및 제2전극(2040)이 배치되는 배선기판이 될 수 있으며, 도 10 내지 도 12를 참조하여 전술한 기판과 동일한 구조가 될 수 있다. 따라서, 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
상기 복수의 반도체 발광소자 패키지(2050)는 웨이퍼 상에서 단위기판들을 면취한 것으로서, 복수의 반도체 발광소자(2051, 2052, 2053), 성장기판(2090) 및 파장변환물질(2080)을 구비한다.
복수의 반도체 발광소자(2051, 2052, 2053)는 각각, 도 4를 참조하여 전술한 구조를 가질 수 있으며, 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색의 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 복수의 반도체 발광 소자(2050)는 n-Gan, p-Gan, AlGaN, InGan 등 다양한 계층으로 형성되는 질화갈륨 박막이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 복수의 반도체 발광소자는 녹색의 빛을 발광하는 발광소자로 구현될 수 있다.
복수의 반도체 발광소자(2051, 2052, 2053)은 3개의 서브픽셀이 되며, 이들이 조합되어 1개의 RGB 픽셀을 구성한다.
예를 들어, 상기 반도체 발광 소자는 p형 전극(2156), p형 전극(2156)이 형성되는 p형 반도체층(2155), p형 반도체층(2155) 상에 형성된 활성층(2154), 활성층(2154) 상에 형성된 n형 반도체층(2153) 및 n형 반도체층(2153) 상에서 p형 전극(2156)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(2152)을 포함한다.
이 경우에, 상기 복수의 반도체 발광소자(2051, 2052, 2053)의 n형 전극(2152)들은 일 방향으로 연장되어 다른 반도체 발광소자의 n형 전극과 일체로 이루어지는 것도 가능하다.
도시에 의하면, 상기 보호층(2059)은 상기 반도체 발광소자의 사이를 충전하도록 이루어지며, 성장기판(2090)의 일면에 형성되어 상부 보호층을 이룬다. 상기 보호층(2059)의 구조도 도 10 내지 도 12를 참조하여 전술한 보호층과 동일할 수 있으며, 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
한편, 상기 반도체 발광소자의 전극과 전기적으로 연결되는 배선기판은 상기 반도체 발광소자를 사이에 두고 성장기판의 반대측에 배치된다.
상기 성장기판(2090)은 상기 반도체 발광소자가 성장하는 기판으로서, 질화갈륨이 성장가능하도록 이루어진다. 예를 들어, 성장기판(2090)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하여 예를 들어, 사파이어(Al2O3) 기판에 비해 열전도성이 큰 SiC 기판 또는 Si, GaAs, GaP, InP, Ga2O3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
본 예시에서, 상기 성장기판(2090)은 실리콘 재질을 구비하는 실리콘 기판이 될 수 있다. 이와 같이, 사파이어 기판이 아니라 실리콘 기판을 베이스로 하기에, 상기 기판은 격벽 구조로 이용될 수 있다.
구체적으로, 본 예시에서는 상기 반도체 발광소자가 성장하도록 상기 성장기판(2090)의 일면에 상기 반도체 발광소자의 n형 반도체층(2153)이 배치되며, 개별 소자들의 사이를 채우도록 보호층이 상기 일면상에 도포될 수 있다.
또한, 상기 성장기판(2090)은 절단이 가능한 실리콘 기판이므로, 적색, 녹색 및 청색 화소에 해당하는 3개의 반도체 발광소자(2051, 2052, 2053)를 구비하여 단위기판을 형성한다.
상기 단위기판에는 전술한 3개의 반도체 발광소자(2051, 2052, 2053)가 배치되며, 식각에 의하여 관통홀(2091)이 형성될 수 있다. 상기 관통홀(2091)은 상기 반도체 발광소자와 오버랩되는 위치에서 상기 성장기판(2090)을 관통한다.
상기 관통홀(2091)은 각각의 반도체 발광소자에 대응하도록 복수로 구비될 수 있다. 한편, 도시에 의하면 상기 파장변환물질(2080)이 상기 관통홀(2091)에 충전되어 상기 반도체 발광소자에서 발생한 빛의 파장을 변환한다. 또한, 상기 관통홀의 내측벽에는 반사막(2058)이 코팅될 수 있다. 여기서, 관통홀(2091), 파장변환물질(2080) 및 반사막(2058)은 도 10 내지 도 12를 참조하여 전술한 관통홀, 파장변환물질 및 반사막과 동일한 구조로 이루어질 수 있으며, 따라서 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다. 따라서, 제1관통홀(2091a)에는 적색 형광체(2081)가 충전되고, 제2관통홀(2091b)에는 녹색 형광체(2082)가 충전될 수 있다. 이 경우에 청색의 화소를 이루는 위치로서, 제3관통홀(2091c)에는 광투과성 물질(2083)이 충전될 수 있다.
한편, 도시에 의하면, 컬러 필터(CL20)가 상기 파장 변환물질(2080)을 덮도록 배치된다. 예를 들어, 상기 성장기판(2090)의 타면에는 상기 파장변환물질(2080)에서 방출되는 빛을 필터링하는 컬러 필터(CL20)가 상기 관통홀(2091) 내에 배치될 수 있다. 이 경우에, 상기 파장 변환물질(2080)이 상기 관통홀(2091)의 일부를 채우고, 나머지를 상기 컬러 필터(CL20)가 채우게 된다. 따라서, 상기 관통홀(2091) 내에, 형광체층과 컬러필터층이 적층될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 컬러 필터(CL20)는 전술한 예시와 같이, 상기 관통홀(2091)과 오버랩되는 위치에서 상기 성장 기판의 면상에 배치될 수 있다.
이 경우에, 상기 컬러 필터(CL20)는 빛을 선택적으로 투과하여 적색, 녹색 및 청색을 구현하도록 이루어진다. 이 경우에, 형광체(2081, 2082)나 광투과성 물질(2083)이 컬러 필터(CL20)와 조합되어 적색, 녹색, 및 청색의 단위화소를 구현하게 된다. 이 때에, 상기 컬러 필터(CL20)는 적색 파장, 녹색 파장 및 청색 파장을 필터링하는 3개의 필터링부들(CL21, CL22, CL23)을 구비하여, 단위기판에 대응하는 단위 컬러필터가 될 수 있다. 상기 3개의 필터링부는 각각, 적색 필터링부(CL21), 녹색 필터링부(CL22) 및 청색 필터링부(CL23)가 될 수 있다.
또한, 도 10 내지 도 12를 참조하여 전술한 예시와 달리 이 경우에는, 블랙 매트릭스가 없이 상기 컬러 필터의 사이에는 상기 성장기판이 격벽을 형성하게 된다.
상기에서 설명된 구조를 가지는 반도체 발광소자 패키지는 상기 배선기판의 배선전극(2020, 2070))보다 저융점의 재질로 이루어지는 저융점부(2057)를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 저융점부(2057)는 상기 배선전극과 상기 복수의 반도체 발광소자의 도전형 전극을 각각 감싸도록 이루어질 수 있다.
이러한 예로서, 상기 저융점부(2057)는 솔더 물질로 상기 제1전극(2020)과 보조전극(2070)에 도금될 수 있다. 상기 솔더 물질은 예를 들어, Sb, Pd, Ag, Au 및 Bi 중 적어도 하나가 될 수 있다. 이 경우에, 배선기판의 상기 제1전극(2020)과 보조전극(2070)에 솔더가 증착되고, 열에너지를 이용하여 솔더링이 실시될 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 전도성 접착층에 의하여 반도체 발광소자가 배선전극에 결합되는 것도 가능하다.
도시에 의하면, 상기 배선기판(2010)은 상기 단위기판보다 넓은 면적으로 이루어질 수 있다. 복수의 단위기판이 상기 배선기판(2010) 상에 기설정된 간격으로 배치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치가 구현될 수 있다. 상기 단위기판의 사이는 도시된 바와 같이 빈 공간(G)으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 빈 공간(G)은 절연재질 등에 의하여 충전되거나, 상기 단위기판이 상기 빈 공간이 없도록 서로 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기에서 설명한 구조에 의하면, 본 예시와 같이 웨이퍼 상에서 개별 픽셀로 구별한 반도체 발광소자 패키지를 이용하여 대면적의 디스플레이 장치가 구현될 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 (18)

  1. 기판;
    상기 기판의 일면에 성장되어 배치되어 개별 단위 픽셀을 구성하는 반도체 발광소자;
    상기 반도체 발광소자와 오버랩되는 위치에서 상기 기판을 관통하는 관통홀; 및
    상기 관통홀에 위치하여 상기 반도체 발광소자에서 발생한 빛의 파장을 변환하는 파장변환물질; 및
    상기 반도체 발광소자의 사이에 위치하여 개별 발광소자 사이의 광 간섭을 제거하는 보호층을 포함하고,
    상기 관통홀은 상기 기판의 두께 방향으로 상기 보호층과 적어도 일부가 오버랩되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는 질화갈륨을 구비하며, 상기 기판은 상기 질화갈륨이 성장가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판은 상기 관통홀을 위한 식각이 가능하도록 실리콘 재질을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀의 내측벽에 형성되는 반사막을 더 구비하는 디스플레이 장치.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 반사막은 상기 관통홀의 내측벽을 완전히 덮는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 타면에는 상기 파장변환물질에서 방출되는 빛을 필터링하는 컬러 필터가 상기 관통홀과 오버랩되게 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컬러 필터의 사이에는 상기 기판의 타면을 덮는 블랙 매트릭스가 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 보호층에는 반사입자가 혼입되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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