KR20080010225A - 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20080010225A KR20060070461A KR20060070461A KR20080010225A KR 20080010225 A KR20080010225 A KR 20080010225A KR 20060070461 A KR20060070461 A KR 20060070461A KR 20060070461 A KR20060070461 A KR 20060070461A KR 20080010225 A KR20080010225 A KR 20080010225A
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Abstract

본 발명은 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히 발광 다이오드에 있어서, 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 마이크로렌즈를 채용하여 발광 다이오드의 광 출사 효율을 높인 발명이다. 이를 위한 본 발명은 기판의 일측에 형성된 발광 다이오드; 및 상기 기판의 타측에 형성되되, 상기 기판의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 곡면요철 형상의 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다. 또한, 본 발명은 기판의 일측에 발광 다이오드를 형성하는 단계; 상기 기판의 타측에 광 경화성 수지 또는 열 경화성 수지를 형성하는 단계; 및 형성될 마이크로렌즈와 반대의 형상을 갖는 형태틀을 이용하여, 상기 기판의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 곡면요철의 마이크로렌즈를 상기 광 경화성 수지 또는 열 경화성 수지에 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
발광다이오드, 마이크로렌즈, 필 팩터, 금형

Description

발광 소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND FABRICATING METHOD THEROF}
도1a는 마이크로렌즈가 구비된 통상의 발광다이오드를 도시한 평면도.
도1b는 도1a에 도시된 발광다이오드의 단면도.
도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드의 평면도.
도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드의 단면도.
도3a 내지 도3c는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자 제조공정을 도시한 도면.
도4a 내지 도4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자 제조공정을 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 금형 11 : 마이크로렌즈
12 : 투명수지 20 : 발광다이오드
21 : p형 접합 22 : n형 접합
23 : p형 화합물 반도체 24 : 다층 양자우물
25 : n형 화합물 반도체 26 : 완충층
27 : 기판
본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED)의 광 출사 효율을 향상시킨 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 마이크로렌즈를 채용하여 광 출사 효율을 증가시킨 발명이다.
발광다이오드는 저 전력 구동에 의한 발광, 빠른 응답 특성, 자연색에 가까운 출력, 넓은 색 대역(Color Gamut) 및 박막화(slim)와 소형화에 용이함 등 여러 가지 장점이 있어, 평판형 영상표시장치(Flat Panel Display, FPD)의 조명 장치, 휴대 전화기의 각종 조명, 카메라용 플래시(Flash), 개인 정보 단말기(Personal Data Assistant, PDA), 자동차, 교통신호 및 일반 조명 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
상기한 다양한 용도에 적용되는 발광 다이오드의 경우, 한정된 입력전력에 대해 보다 높은 광 출사 효율을 높이는 것이 바람직하다. 특히, 최근에는 액정 표시 장치(LCD; Liquid Crystal Display)의 발광원으로 많이 적용되고 있는 바, 적/청/녹 등 원색의 발광 다이오드를 여러 개 배열하여 적용하거나, 특정 파장의 빛을 출사하는 발광 다이오드와 인광(phosphor) 물질을 병용한 백색 발광 다이오드에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이 경우 기존의 발광 원에 대비하여 동일한 소모 전력하에서의 발광 효율의 개선이 실용화의 주요한 요건으로 대두되고 있다.
발광 다이오드의 발광 효율은 크게, 광이 발생하는 활성층에서의 입력전류에 대해 전자-정공 쌍(electron hole pair)의 재결합(Recombination)에 의해 광자가 생성되는 비율인 양자효율(Quantum Efficiency)과, 발생한 광자가 발광 다이오드로부터 외부공간으로 출사되는 효율인 출사 효율(Out-Coupling Efficiency)로 구분하여 생각할 수 있다.
이 중에서 출사효율을 높이기 위해 도1a 내지 도1b에 도시된 바와 같은 마이크로렌즈가 채용되었으나, 각각의 마이크로렌즈가 서로 분리됨에 따라 마이크로렌즈 사이로 기판의 평탄면이 노출되어 있어, 노출된 평탄면에서는 광 출사 효율의 향상을 기대할 수 없었다.
상기한 바와같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일실시예의 목적은, 기판표면이 노출되지 않도록 완전 채움율을 갖는 마이크로렌즈를 기판에 형성함으로로서 광 출사효율을 증가시킨 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 일실시예의 다른 목적은 생산공정이 용이하며 그 생산단가가 저렴하면서도 광 출사효율을 증가시킬 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 일실시예의 다른 목적은 기판과 동일한 재질의 물질을 이용하여 마이크로렌즈를 형성함으로서 광 출사효율을 더욱 향상시킨 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판의 일측에 형성된 발광 다이오 드; 및 상기 기판의 타측에 형성되되, 상기 기판의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full-Fill Factor)을 갖는 곡면요철 형상의 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일측은 평탄하며 그 타측은 완전채움율(Full-Fill Factor)을 갖는 곡면요철 형상의 기판; 및 상기 기판의 평탄한 일측에 형성된 발광 다이오드를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명은 기판의 일측에 발광 다이오드를 형성하는 단계; 상기 기판의 타측에 광 경화성 수지 또는 열 경화성 수지를 형성하는 단계; 및 형성될 마이크로렌즈와 반대의 형상을 갖는 형태틀을 이용하여, 상기 기판의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 곡면요철의 마이크로렌즈를 상기 광 경화성 수지 또는 열 경화성 수지에 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명은 기판의 일측에 발광 다이오드를 형성하는 단계; 상기 기판의 타측에 상기 기판의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 곡면요철 형상의 수지를 형성하는 단계; 및 상기 수지를 식각 마스크로 하여 상기 기판의 타측을 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 곡면요철 형상으로 식각하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED)의 광 광 출사효율을 향상시킨 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 발광 다이오드의 광 출사면에 다수 개의 반구형 마이크로렌즈(microlens)를 형성하되, 기판 표면이 노출되지 않을 정도로 빈틈 없이(closely packed) 배열된 완전채움율(Full Fill- Factor)을 갖는 마이크로렌즈를 형성하였다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 발광소자를 도시한 평면도로서 이를 참조하면 반도체 기판(27) 상에 곡면요철의 형상을 갖는 마이크로렌즈(11)가 형성되어 있되, 기판 표면이 노출되지 않을 정도로 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 마이크로렌즈가 형성되어 있음을 알 수 있다.
발광 다이오드의 발광영역에서 생성된 광자는 외부로 빠져나갈 때, 반도체 재료와 외부 공기간의 굴절률 차이로 인하여 내부 전반사되는 경우가 허다하다. 이러한 점을 방지하고자 마이크로렌즈가 채용되기도 했지만, 마이크로렌즈와 마이크로렌즈 사이의 공극부분에서는 기판의 평탄면이 노출되기 때문에, 상기 평탄면에서는 광 출사효율의 증가를 기대할 수 없었다.
본 발명에서는 발광 다이오드의 광 출사면 중 하나인 기판(27) 표면에 반구(hemispere) 형상을 갖는 마이크로렌즈 배열을 구비하되, 기판 표면의 전체 영역을 반구 형상의 마이크로렌즈(11)들이 빈틈없이 채우고 있는 완전채움률(Full Fill-Factor)을 갖도록 구성하여, 이로 인하여 기존 기술에 의한 마이크로렌즈 배열에 비해 발광 다이오드(20)의 광 출사효율을 한층 더 향상시킬 수 있다.
그리고 도2a에 도시된 마이크로렌즈(11)의 배열형태는 육각최밀집(hexagonal closely packed) 형태의 2차원 배열을 가지거나 또는 직교배열 또는 마름모 형태의 2차원 배열을 갖는 것이 바람직하다.
도2b는 도2a에 도시된 발광소자의 단면을 A-B 라인을 따라 도시한 단면도로서 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 반도체 기판 (27)의 일측면에는 완충층(26)이 형성되는데, 여기서 반도체 기판(27)은 사파이어(sapphire) 또는 n형 갈륨비소(n-GaAs), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 등의 화합물 반도체이며, 완충층(Buffer Layer)(26)은 에피택셜 성장(Epitaxial Growth) 또는 화학 기상 증착(Chemical Vvapor Deposition : CVD)의 방법으로 형성된다.
이어 완충층(26)의 상에는 n형 화합물 반도체층(25)이 형성되어 있으며, n형 화합물 반도체층(25) 상에는 양자우물 활성층이 형성된다. 그리고 그 상부에는 p형 화합물 반도체층(23)이 형성되어, p형 화합물 반도체층(23) 및 n형 화합물 반도체층(25) 사이에는 적층된 다층 양자우물(Multiple Quantum Well : MQW) 활성층(24)이 형성되어 있음을 알 수 있다.
그리고 상기 p형 화합물 반도체층(23)은 p형 접합(p-contact)(21)을 통해 외부 전원과 연결되며, n형 화합물 반도체층(25)는 n형 접합(p-contact)(22)을 통해 외부 전원과 연결되어, 발광에 필요한 전류 및 전압 바이어스(bias)가 인가된다.
도2b에 도시된 마이크로렌즈(11)는 광 경화성 수지 또는 열 경화성 수지일 수 있으며 또한, 발광 다이오드에서 발생한 광을 특정파장으로 천이시키는 기능을 하는 인광(Phosphor) 성분을 더 포함하여 구성될 수도 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는 반도체 기판 자체를 식각하여 마이크로렌즈를 형성하고 있는데, 이에 대 해서는 후술한다.
도2b에 도시된 바와같이 마이크로렌즈와 마이크로렌즈 사이에는 공극이 없도록 완전채움률을 갖게 마이크로렌즈를 형성하면, 기판의 평탄한 부분이 노출되지 않기 때문에 상기 평탄한 부분에서 전반사로 인해 손실되던 광량을 줄일 수 있어, 전체적인 외부 광 출사효율을 증가시킬 수 있다.
이와같이 구성되는 발광 다이오드 (20)의 광 출사 면에 집적된 마이크로렌즈 (11) 배열은 다음과 같은 특징을 갖는다. 먼저, 도2b에 도시된 바와같이 마이크로렌즈 (11)의 높이(height) h는, 수십 마이크로미터 이하의 범위값을 가지며, 개별 마이크로렌즈(11)의 직경 D는 발광 다이오드 (21)의 발광 영역에 비해 충분히 작도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 마이크로렌즈의 높이를 마이크로렌즈 (11)의 반경에 근접하도록 높임으로써 발광 다이오드의 광 출사 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
도3a 내지 도3c는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자 제조방법을 도시한 도면으로 이를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자 제조방법을 설명한다.
먼저, 도3a는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자 제조방법의 개념도로서, 마이크로렌즈(11)의 형상과 반대되는 형상을 갖는 형태틀(금형)을 이용하여 마이크로렌즈를 형성하는 방법을 도시하고 있다. 이를 도3b, 도3c를 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 도3b에 도시된 바와같이 반도체 기판(27)의 일측에 발광 다이오드(20) 를 형성한다.(발광다이오드를 형성하는 과정은 도2에 도시된 바와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.) 이어서, 반도체 기판의 타측에 투명 수지(resine)(12)를 도포한다. 여기서 투명수지(12)는 광 경화성 수지(Photo settable resine) 또는 열 경화성 수지(thermo settable resine)일 수 있으며 또한, 발광다이오드에서 생성된 광을 특정 파장대역으로 천이시키는 기능을 갖는 인광(phosphor)성분을 더 포함할 수 있다.
다음으로, 마이크로렌즈의 곡면요철과 반대되는 형상을 갖는 금형(10)을 이용하여 투명수지(12)에 마이크로렌즈(11)를 형성한다. 이때, 투명수지에 패터닝되는 곡면요철은 상기 기판의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full Fill-factor)을 갖는 곡면요철즉, 투명수지를 금형으로 압착하여 투명수지에 곡면요철을 형성한 후, 일련의 경화과정을 진행한다.
상기의 경화과정은 투명수지의 재질에 따라 달라지는데, 우선 투명수지가 광 경화성 수지인 경우, 광 경화성 수지는 자외선(Ultra Violet) 또는 일련의 파장대를 갖는 광에 노출되면 경화되는 성질을 가지므로, 광 경화성 수지를 압착하는 금형 역시 이러한 파장대의 빛을 투과시킬 수 있어야 한다.
즉, 도3b를 참조하면, 자외선(일례를 들어)을 투과시키는 금형(10)으로 광 경화성 수지(12)를 압착하여 곡면요철을 형성한 후, 자외선을 조사하여 곡면요철이 패터닝된 광 경화성 수지를 경화시켜 마이크로렌즈 배열을 형성하고 있다.
다음으로 투명수지가 열 경화성 수지인 경우에는, 금형(10)이 특정 파장대역의 빛에 대해 투과성을 가질 필요는 없으며, 이 경우에는 금형으로 열 경화성 수지 를 압착하여 곡면요철을 형성한 다음, 압착된 상태로 가열하여 경화된 패턴을 얻는다. 이후, 냉각과정을 거친 후에 금형을 떼어내는(de-molding) 공정을 진행하여 마이크로렌즈 배열을 완성한다. 전술한 열 압착사출(thermo-compression molding) 방법이외에도 엠보싱(embossing) 기법을 이용하여 마이크로렌즈를 형성할 수도 있다.
도3c는 기판의 일측에 일련의 경화과정을 거친 완성된 마이크로렌즈가 배열된 모습을 보인 도면이다.
전술한 바와같은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로렌즈 형성방법을 이용하면, 발광 다이오드의 광 출사면에 용이하면서도 저렴하게 마이크로렌즈 배열을 형성할 수 있다. 또한 상기 마이크로렌즈 배열은 발광 다이오드의 발광부와 어떠한 광학적 정렬도 불필요하며 복수개의 발광 다이오드가 배열된 웨이퍼 수준에서 일괄 가공되므로, 저렴하고 용이하며 신속한 대량 생산에 적합한 장점이 있다.
도4a 내지 도4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로렌즈 형성공정을 도시한 도면으로, 선택적 식각(Selective Etching)을 이용하여 반도체 기판 자체에 곡면요철 형태의 마이크로렌즈를 형성한다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에서는 기판(27) 자체에 마이크로렌즈(11) 배열을 전사(Transfer)함으로서 기판과 동일한 재질을 갖는 마이크로렌즈를 형성한다.
이를 도4a 내지 도4d를 참조하여 상세히 설명한다. 먼저, 도4a에 도시된 바와같이 반도체 기판(27)의 일측면에는 발광 다이오드(20)를 형성한다. 발광 다이오드를 형성하는 과정은 전술한 바와 같으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
다음으로, 반도체 기판의 타측에 수지(resine)(12)를 도포하고 이를 패터닝 하되, 상기 기판(27)의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full Fill-factor)을 갖는 곡면요철 형태로 상기 수지(12)를 패터닝한다.
도4a에는 광 경화성 수지를 도포하고 마이크로렌즈의 역 형상을 갖는 금형(10)을 이용하여 상기 광 경화성 수지에 곡면요철을 패터닝하는 공정이 도시되어 있지만, 광 경화성 수지 이외에도 전술한 열 경화성 수지를 이용할 수도 있다.
이와같이 반도체 기판 상에 곡면요철을 갖는 수지를 형성한 다음, 도4b에 도시된 바와같이, 상기 패터닝된 수지를 식각 마스크(Etch Mask)로 하여 식각공정을 진행한다. 이때의 식각공정은 상기 수지(12)와 기판(27) 간의 소정의 식각선택비(Etch Selectivity)를 이용한 선택적 식각(Selective Etching)공정이다.
이러한 선택적 식각공정의 결과로 도4c와 같이, 수지는 제거되며 기판 (27) 자체에 곡면요철을 갖는 마이크로렌즈(11) 배열이 전사(transfer)된다.
이와같이 기판 자체를 선택적 식각하여 기판과 동일한 재질의 마이크로렌즈를 형성하는 경우에는 다음과 같은 장점이 있다. 먼저, 기판과 상이한 재질을 사용할 수 없는 경우에는 본 발명의 일실시예가 적용될 수 있다. 그리고, 기판 자체를 선택식각하여 마이크로렌즈를 만들면, 기판과 동일물질이 마이크로렌즈가 되므로 이물질 간의 굴절률 차이로 인한 광 출사효율의 감소를 방지할 수 있다. 즉, 수지를 이용하여 마이크로렌즈를 만드는 경우, 기판과 수지는 서로 다른 물질이므로, 양 자간의 계면에서 굴절률 차이로 인한 광 효율의 감소가 있을 수 있다. 하지만 기판 자체를 선택 식각하여 마이크로렌즈를 만들면, 상기한 감소요인이 없으므로, 광 출사효율을 최대한으로 높일 수 있는 장점이 있다.
도4d는 본 발명의 일실시예에 따라, 기판 자체에 형성된, 평탄면을 갖지않는 곡면요철 형상의 마이크로렌즈 배열을 도시한 도면이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자 제조방법 및 장치는 투명수지 또는 기판 재질 형태로 구현되므로, 용이하게 집적될 수 있으며, 또한 그 생성공정이 용이해 지며 저렴하게 생산할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자 제조방법 및 장치에서 상기 마이크로렌즈 배열은 발광부와는 어떠한 광학적 정렬이 불필요하며, 복수개의 발광 다이오가 웨이퍼 레벨에서 일광 제조되기 때문에 발광 다이오드가 배열된 웨이퍼 수준에서 일괄 가공되므로, 기존 기술에 의한 제조 방법보다 저렴하고 용이하며 신속한 대량 생산에 적합한 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 제조방법 및 장치에서는 발광효율이 증가함에 따라 발광 다이오드의 소모전력을 낮출 수 있고 전원공급을 절감할 있으므로 발광 다이오의 수명을 증가시키고 신뢰성을 보다 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 기판의 일측에 형성된 발광 다이오드; 및
    상기 기판의 타측에 형성되되, 상기 기판의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 곡면요철 형상의 마이크로렌즈
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는,
    광 경화성 수지 또는 열 경화성 수지를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  3. 일 측은 평탄하며 그 타측은 평탄면을 갖지않도록 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 곡면요철 형상의 기판; 및
    상기 기판의 평탄한 일측에 형성된 발광 다이오드
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는,
    육각 최밀집 형태, 직교형태, 마름모 형태 중 어느 하나의 이차원 배열을 이루는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는 투명한 것을 특징으로 하는 발광소자.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는,
    상기 발광다이오드의 방사 파장을 특정 파장으로 천이시키는 인광물질을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  7. 기판의 일측에 발광 다이오드를 형성하는 단계;
    상기 기판의 타측에 광 경화성 수지 또는 열 경화성 수지를 형성하는 단계; 및
    형성될 마이크로렌즈와 반대의 형상을 갖는 형태틀을 이용하여, 상기 기판의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full Fill-Factor)을 갖는 곡면요철의 마이크로렌즈를 상기 광 경화성 수지 또는 열 경화성 수지에 형성하는 단계
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자 제조방법.
  8. 기판의 일측에 발광 다이오드를 형성하는 단계;
    상기 기판의 타측에 상기 기판의 표면을 노출시키지 않도록 완전채움율(Full Fill-factor)을 갖는 곡면요철 형상의 수지를 형성하는 단계; 및
    상기 수지를 식각 마스크로 하여 상기 기판의 타측을 평탄면이 없도록 완전채움율(Full Fill-factor)을 갖는 곡면요철 형상으로 식각하는 단계
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는,
    육각 최밀집 형태, 직교형태, 마름모 형태 중 어느 하나의 이차원 배열을 이루는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 수지를 형성하는 단계는,
    상기 발광다이오드의 방사 파장을 특정 파장으로 천이시키는 인광물질을 더 포함시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 발광소자는 플립 칩 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
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