KR20160059576A - 수평배열 어셈블리용 초소형 led 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수평배열 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수평배열 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초소형 LED 소자가 길이방향으로 누워서 전극라인에 연결된 수평배열 어셈블리를 제조함에 있어 전극라인에 연결되는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시킬 수 있으며, 소자의 배열을 보다 용이하게 하고, 전극과 소자간의 전기적 연결이 매우 우수하여 현저히 우수한 광량을 발현하는 수평배열 어셈블리를 구현시킬 수 있는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수평배열 어셈블리에 관한 것이다.

Description

수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수평배열 어셈블리{Nano-scale LED for horizontal arrayed assembly, method for manufacturing thereof and horizontal arrayed assembly comprising the same}
본 발명은 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수평배열 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초소형 LED 소자가 길이방향으로 누워서 전극라인에 연결된 수평배열 어셈블리를 제조함에 있어 전극라인에 연결되는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시킬 수 있으며, 소자의 배열을 보다 용이하게 하고, 전극과 소자간의 전기적 연결이 매우 우수하여 현저히 우수한 광량을 발현하는 수평배열 어셈블리를 구현시킬 수 있는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수평배열 어셈블리에 관한 것이다.
LED는 1992년 일본 니치아사의 나카무라 등이 저온의 GaN 화합물 완층층을 적용하여 양질의 단결정 GaN 질화물 반도체를 융합시키는데 성공함으로써 개발이 활발하게 이루어져 왔다. LED는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 다수의 캐리어가 전자인 n형 반도체 결정과 다수의 캐리어가 정공인 p형 반도체 결정이 서로 접합된 구조를 갖는 반도체로써, 전기신호를 원하는 영역의 파장대역을 가지는 빛으로 변환시켜 표출되는 반도체 소자이다. 이러한 LED와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제2009-0121743은 발광다이오드 제조방법 및 이에 의해 제조되는 발광다이오드를 개시하고 있다.
이러한 LED 반도체는 광 변환 효율이 높기에 에너지 소비량이 매우 적으며 수명이 반영구적이고 환경 친화적이어서 그린 소재로서 빛의 혁명이라고 불린다. 최근에는 화합물 반도체 기술의 발달로 고휘도 적색, 주황, 녹색, 청색 및 백색 LED가 개발되었으며, 이를 활용하여 신호등, 핸드폰, 자동차 전조등, 옥외 전광판, LCD BLU(back light unit), 그리고 실내외 조명 등 많은 분야에서 응용되고 있으며 국내외에서 활발한 연구가 계속되고 있다. 특히 넓은 밴드갭을 갖는 GaN계 화합물 반도체는 녹색, 청색 그리고 자외선 영역의 빛을 방출하는 LED 반도체의 제조에 이용되는 물질이며, 청색 LED 소자를 이용하여 백색 LED 소자의 제작이 가능하므로 이에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 일련의 연구들 중 LED의 크기를 나노 또는 마이크로 단위로 제작한 초소형 LED 소자를 이용한 연구가 활발히 이루어지고 있고, 이러한 초소형 LED 소자를 조명, 디스플레이에 등에 활용하기 위한 연구가 계속되고 있다. 이러한 연구에서 지속적으로 주목 받고 있는 부분은 초소형 LED 소자에 전원을 인가할 수 있는 전극, 활용목적 및 전극이 차지하는 공간의 감소 등을 위한 전극 배치, 배치된 전극에 초소형 LED의 실장방법 등에 관한 것들이다.
이 중에서도 배치된 전극에 초소형 LED소자를 실장시키는 방법에 대한 부분은 초소형 LED 소자의 크기적 제약에 따라 전극상에 초소형 LED 소자를 목적한 대로 배치 및 실장시키기 매우 어려운 난점이 여전히 상존하고 있다. 이는 초소형 LED 소자가 나노 스케일 또는 마이크로 스케일임에 따라 사람의 손으로 일일이 목적한 전극영역에 배치시키고 실장시킬 수 없기 때문이다.
또한, 목적한 전극영역에 초소형 LED 소자를 실장시킨다 하여 단위전극 영역에 포함되는 초소형 LED 소자의 개수, 초소형 LED 소자와 전극간의 위치관계 등을 목적한 대로 조절하기 매우 곤란하고, 2차원 평면상 LED 소자를 배열할 경우 단위면적에 포함되는 LED 소자의 개수는 한계가 있어 우수한 광량을 수득하기 어렵다. 나아가, 서로 다른 두 전극에 연결된 초소형 LED 소자 모두가 전기적 단락 등의 불량 없이 발광할 수 있는 것은 아니므로 목적하는 광량을 수득하기는 더욱 어려운 문제점이 있다.
이에 목적한 전극영역에 보다 용이하게 초소형 LED 소자가 길이방향으로 누워서 실장될 수 있고, 실장되는 소자의 정렬성이 향상되어 전극라인의 단위면적당 포함되는 LED소자의 개수를 현저히 증가시킬 수 있으며, LED 소자와 전극 간의 전기적 연결성을 현저히 향상시킬 수 있는 초소형 LED 소자의 구현이 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하려는 첫 번째 과제는 목적한 전극영역에 보다 용이하게 초소형 LED 소자가 길이방향으로 누워서 실장될 수 있고, 실장되는 소자의 정렬성이 향상되어 전극라인의 단위면적당 포함되는 LED소자의 개수를 현저히 증가시킬 수 있으며, LED 소자와 전극 간의 전기적 연결성을 현저히 향상시킬 수 있는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 두 번째 과제는 본 발명에 따른 초소형 LED 소자를 통해 전극라인의 단위면적당 실장되는 초소형 LED 소자의 개수가 현저히 증가하고, 실장된 초소형 LED 소자의 전극과의 전기적 연결성이 우수하여 전극에 전원을 인가 시 불량 없이 발광하여 목적하는 광량을 발현시킬 수 있는 수평배열 어셈블리를 제공하는 것이다.
상술한 첫 번째 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 제1 도전성 반도체층, 상기 제1 도전성 반도체층 상부에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상부에 형성된 제2 도전성 반도체 층을 포함하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자에 있어서, 상기 초소형 LED 소자는 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층의 외부면 중 적어도 활성층의 외부면을 덮는 절연피막; 및 초소형 LED 소자의 적어도 하나의 단부측에 형성된 금속캡;을 포함하고, 상기 금속캡은 소자의 일단부로부터 연장되어 소자 측면부 일부를 덮으며, 상기 금속캡의 외부면은 적어도 일부 영역이 곡면인 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 초소형 LED 소자에 대한 반도체층에 수직한 방향의 단면형상은 아령 또는 면봉 형상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 초소형 LED 소자 일단부측의 단면적에 대하여 금속캡 표면적은 1: 1.1 ~ 10.0 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 초소형 LED 소자는 길이가 100nm ~ 10㎛이며, 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 LED 소자의 직경이 100nm ~ 5㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속캡은 초소형 LED 소자의 외부면에 형성된 절연피막의 외부면 일부를 덮을 수 있다.
또한, 상술한 첫 번째 과제를 해결하기 위해 본 발명은, (1) LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층된 적층체를 식각하는 단계; (2) 식각된 적층체에서 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 외부면에 절연피막을 형성시키는 단계; 및 (3) 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하고, 노출된 제2 도전성 반도체층 외부면에 금속캡을 형성시킨 후 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 (1) 단계는 1-1) 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층시켜 적층체를 제조하는 단계; 1-2) 제2 도전성 반도체층 상에 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계; 1-3) 상기 금속 마스크층 상에 폴리머층을 형성하고 상기 폴리머층에 나노 또는 마이크로 간격으로 패턴을 형성하는 단계; 및 1-4) 상기 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 식각하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 (1) 단계는 1-1) 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층하는 단계; 1-2) 제2 도전성 반도체층 상에 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계; 1-3) 상기 금속 마스크층 위에 나노스피어 또는 마이크로 스피어 단층막을 형성하고 자기조립을 수행하는 단계; 및 1-4) 상기 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 식각하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 (3) 단계는 3-1) 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 일부 외부면을 포함하는 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하는 단계; 3-2) 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제2 도전성 반도체층의 외부면에 금속캡을 도금시키는 단계; 및 3-3) 적층체에서 기판을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (3) 단계는 3-1) 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 일부 외부면을 포함하는 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하는 단계; 3-2) 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제2 도전성 반도체층의 외부면에 금속캡을 도금시키는 단계; 3-3) 상기 금속캡 상부에 지지필름을 형성 및 적층체의 기판을 제거하는 단계; 3-4) 기판이 제거된 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제1 반도체층의 하부면을 포함하는 일부 외부면에 금속캡을 도금시킨 후 지지필름을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함할 수 있다.
한편, 상술한 두 번째 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 베이스 기판; 상기 베이스 기판상에 형성된 제1 전극 및 상기 제1 전극과 이격하여 베이스기판상에 형성된 제2 전극을 포함하는 전극라인; 및 상기 제1 전극과 제2 전극에 동시에 연결된 본 발명에 따른 복수개의 초소형 LED 소자;를 포함하는 수평배열 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 수평배열 어셈블리는 소자의 일측이 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 한 전극의 상부면에 연결되고, 타측이 다른 전극의 상부면에 연결된 제1 초소형 LED 소자; 소자의 일측이 제1 전극의 일측면에 연결되고, 소자의 타측이 상기 제1 전극의 일측면과 마주보는 제2 전극의 일측면에 연결된 제2 초소형 LED 소자; 및 소자의 일측이 제1 전극 또는 제2 전극의 상부면에 연결되고, 타측이 다른 전극의 측면에 연결된 제3 초소형 LED 소자; 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 복수개의 초소형 LED 소자는 소자의 일측이 제1 전극의 일측면에 연결되고, 소자의 타측이 상기 제1 전극의 일측면과 마주보는 제2 전극의 일측면에 연결되어 서로 다른 두 전극 사이에 멀티레이어를 형성하여 개재될 수 있다.
이하, 본 발명에서 사용한 용어에 대해 정의한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, 각 층, 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층, 영역, 패턴들의 “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 있어 “제1 전극”과 “제2 전극”은 초소형 LED가 실질적으로 실장될 수 있는 전극 영역 또는 상기 영역과 더불어 베이스 기판상 전극을 배치하는 방법에 따라 더 포함될 수 있는 전극 영역까지를 모두 포함한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, “연결”이란 초소형 LED 소자의 일측이 제1 전극에 접하고, 타측이 제2 전극에 접하는 것을 의미한다. 또한, “전기적으로 연결”이란 초소형 LED 소자가 서로 다른 두 전극 사이에 끼워져 연결됨과 동시에 전원을 전극라인에 인가할 때 초소형 LED 소자가 발광할 수 있는 상태를 의미한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, “동일”, “수평” 또는 “수직”은 물리적으로 정확한 “동일”, “수평” 또는 “수직”에 제한되지 않고, 실질적으로 “동일”, “평행” 또는 “수직”이라 볼 수 있는 정도까지를 포함하는 의미이다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, 소자의 “단부측”이란 소자의 길이방향으로 일측의 끝단 및 끝단에 이어지는 소자의 외부면 일부를 포함하는 의미이다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, “수평배열 어셈블리”는 베이스 기판상에 형성된 서로 다른 두 전극에 연결되는 초소형 LED 소자가 소자의 길이방향으로 베이스기판에 대하여 수평하게 누워 있는 형상으로 전극에 연결되도록 구현된 어셈블리를 의미한다. 이에 대한 일예시는 도 1과 같고, 상기 소자의 길이방향이란 초소형 LED 소자에 포함되는 각 층에 수직한 방향을 의미한다.
본 발명은 목적한 전극영역에 보다 용이하게 초소형 LED 소자가 길이방향으로 누워서 실장될 수 있고, 실장되는 소자의 정렬성이 향상되어 전극라인의 단위면적당 포함되는 LED소자의 개수를 현저히 증가시킬 수 있으며, LED 소자와 전극 간의 전기적 연결성을 현저히 향상시킬 수 있는 초소형 LED 소자를 구현할 수 있다. 또한, 이러한 초소형 LED 소자를 사용하여 전극라인의 단위면적당 실장되는 초소형 LED 소자의 개수가 현저히 증가하고, 실장된 초소형 LED 소자의 전극과의 전기적 연결성이 우수하여 전극에 전원을 인가 시 불량 없이 높은 강도로 발광하여 목적하는 광량을 발현시킬 수 있고, 발열이 감소하여 LED 소자의 내구성이 증가함에 따라 사용주기가 연장되고, 발광되는 소자의 개수가 증가되어 발광효율이 우수한 수평배열 어셈블리를 구현시킬 수 있어 조명, 디스플레이 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
도 1은 종래의 초소형 LED 소자를 사용한 수평 어셈블리의 부분사시도이다.
도 2는 절연피막을 포함하는 초소형 LED 소자의 분해사시도이다.
도 3은 절연피막을 포함하는 초소형 LED 소자를 포함하는 수평어셈블리의 부분사시도이다.
도 4는 전기장이 형성된 두 전극 사이에 위치하는 초소형 LED 소자의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 면봉형상 초소형 LED 소자의 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 아령형상 초소형 LED 소자의 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평어셈블리에 대한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 제조공정을 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 제조공정을 나타내는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평어셈블리의 사시도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평어셈블리의 사시도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평배열 어셈블리의 제조공정을 나타내는 사시도이다.
도 15는 종래의 초소형 LED 소자가 전기장 하에서 자기정렬 하는 것을 나타내는 평면도이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자가 전기장 하에서 자기정렬 하는 것을 나타내는 평면도이다.
도 17은 종래의 수직구조 어셈블리의 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일구현예를 첨부되는 도면을 통해 보다 상세하게 설명한다.
상술한 바와 같이 초소형 LED 소자는 크기적 제약에 따라 사람의 손으로 일일이 목적한 전극영역에 배치시키고 실장시킬 수 없기 때문에 전극상에 목적한 대로 배치 및 실장시키기 매우 어려운 문제점이 있었다. 본 발명자는 이러한 문제점을 해결하기 위해 초소형 LED 소자를 포함하는 용액이 투입된 전극라인에 전원을 인가시 초소형 LED 소자가 전기장의 영향을 받아 자기정렬 되어 서로 다른 두 전극에 소자의 양단이 연결된 초소형 LED 수평배열 어셈블리를 구현할 수 있음을 알게 되었으나 종래의 초소형 LED 소자를 사용해서는 전원이 인가된 전극라인에 형성된 전기장에 의해 초소형 LED 소자의 자기정렬이 미진할 수 있고, 자기정렬이 미진한 LED 소자는 전극라인에 불량하게 배열되어 전극에 연결되는 초소형 LED 소자의 개수를 증가시킬 수 없는 문제점이 있을 수 있음을 인식했다. 즉, 목적한 전극영역에 초소형 LED 소자를 실장시킨다 하여 단위전극 영역에 포함되는 초소형 LED 소자의 개수, 초소형 LED 소자와 전극간의 위치관계 등을 목적한 대로 조절하기 매우 곤란하고, 초소형 LED 소자의 불량한 정렬은 2차원 평면상에 LED 소자를 배열 시 단위면적에 포함시킬 수 있는 LED 소자의 개수를 현저히 감소시켜 우수한 광량을 수득할 수 없는 다른 문제가 여전히 상존한다.
구체적으로 도 1은 종래의 초소형 LED 소자를 사용한 수평 어셈블리의 부분사시도로써, 도1은 베이스기판(1)상에 형성된 제1 전극(10), 상기 제1 전극(10)에 이격되어 베이스기판(1)상에 형상된 제2 전극(20) 및 상기 제1 전극(10)과 제2 전극(20)에 연결된 초소형 LED 소자(30)를 나타낸다. 상기 초소형 LED 소자(30)는 서로 다른 두 전극(10, 20)에 연결은 되어 있지만, 초소형 LED 소자(30)의 활성층(30b)까지 제1 전극(10)에 연결된 상태로 만일 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)에 전원을 인가 시에 전기적 단락이 발생함에 따라 이러한 초소형 LED 소자(30)는 발광하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명자는 이러한 문제점을 해결하여 초소형 LED 소자가 전극상에 불량 없이 수평 배열된 수평 어셈블리를 구현하기 위해 외부면에 절연피막이 코팅된 초소형 LED 소자(도 1의 31)를 사용하여 수평 어셈블리를 구현을 시도하였다. 구체적으로 도 2는 절연피막을 포함하는 초소형 LED 소자(30)의 분해사시도로써, 도 2a의 초소형 LED 소자는 제1 도전성 반도체층(30a) 상부에 형성된 활성층(30b), 상기 활성층(30b) 상부에 형성된 제2 도전성 반도체층(30c) 및 상기 활성층(30b)의 외부면 전체를 덮고, 제1 도전성 반도체층(30a)과 제2 도전성 반도체층(30c)의 일부만 덮는 절연피막(30f)을 나타낸다. 또한 도 2b의 초소형 LED 소자는 제1 도전성 반도체층(30a) 상부에 형성된 활성층(30b), 상기 활성층(30b) 상부에 형성된 제2 도전성 반도체층(30c), 상기 제1 도전성 반도체층(30a)과 제2 도전성 반도체층(30c)의 하부 및 상부에 각각 형성된 제1 전극층(30d)/제2 전극층(30e) 및 절연피막(30f)이 제1 도전성 반도체층(30a), 활성층(30b) 및 제2 도전성 반도체층(30c)의 외부면을 덮고 있다. 도 2a 또는 2b와 같이 외부면에 절연피막이 코팅된 초소형 LED 소자를 사용할 경우 소자의 활성층과 전극이 접촉하여 발생하는 전기적 단락의 불량은 막을 수 있었으나 오히려 절연피막으로 인해 초소형 LED 소자의 전극상 배열이 불량해져 단위전극 면적당 포함되는 초소형 LED 소자의 개수를 증가시킬 수 없었고, 초소형 LED 소자가 전극에 연결되더라도 전기적으로 연결되지 않은 경우가 빈번함에 따라 목적하는 광량을 수득하기 어려운 문제점은 여전히 존재하였다.
구체적으로 도 3 은 절연피막을 포함하는 초소형 LED 소자를 포함하는 수평배열 어셈블리의 부분사시도로써, 도 3은 베이스기판(1)상에 형성된 제1 전극(11, 12, 13), 상기 제1 전극(11, 12, 13)에 이격되어 베이스기판(1)상에 형상된 제2 전극(21, 22) 및 상기 제1 전극(10)과 제2 전극(20)에 연결된 초소형 LED 소자(32, 33, 34, 35)를 나타낸다. 도 3의 초소형 LED 소자 중 제A LED 소자(32), 제B LED 소자(33) 및 제D LED 소자(35)는 소자의 양 단부측의 전극층 또는 도전성 반도체층이 전극과 직접 접하여 전기적으로 연결된 초소형 LED 소자인데 반하여, 제C LED 소자(34)는 소자의 일측(32d)만 제1 전극(12)에 직접 접하고 있고, 타측(33e)은 제2 전극(22)과 직접 접하지 않아 전기적으로 연결되지 못함을 확인할 수 있다. 즉, 서로 다른 두 전극 사이의 거리, 초소형 LED 소자의 길이, 소자의 외부면에서 절연피막이 코팅되지 않은 양 단부측의 두께 조건 등이 정합(coordination)을 이루어야 전기적 연결까지 달성된 수평배열 어셈블리를 구현할 수 있는 반면에 상기 조건들은 나노 또는 마이크로 단위의 미세한 조절이 요구되는 것들로 실제로 목적한 수평배열 어셈블리를 구현시키기 매우 어려운 문제점이 있다.
또한, 초소형 LED 소자는 서로 다른 두 전극 사이의 전기장에 의해 자기정렬하여 두 전극에 동시에 연결되는데, 도 2와 같은 초소형 LED 소자는 절연피막으로 인해 전하가 하전될 수 있는 영역(절연피막이 코팅되지 않은 노출부분)의 표면적이 현저히 적음에 따라 자기정렬이 미진하여 정렬이 제대로 되지 못하는 문제점이 있을 수 있다. 구체적으로 도 4는 전기장이 형성된 두 전극 사이에 위치하는 초소형 LED 소자의 사시도로써, 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)에 의해 형성된 전기장에 의해 초소형 LED 소자의 제1 전극층(30d)은 음전하를, 제2 전극층(30e)은 양전하를 띠게 되며 정전기적 인력에 의해 제1 전극층(30d)은 제2 전극(20), 제2 전극층(30e)은 제1 전극(10) 쪽으로 자기정렬하여 초소형 LED 소자는 제1 전극 및 제2 전극에 연결될 수 있다. 그러나 절연피막이 코팅되지 않는 초소형 LED 소자의 노출부분의 표면적은 한정적임에 따라 전기장에 의한 초소형 LED 소자의 자기정렬이 매우 미진하여 목적하는 대로 초소형 LED 소자를 전극에 정렬 및 연결시킬 수 없는 문제점이 있다. 또한, 전기장에 의해 하전될 수 있는 영역의 표면적을 크게 하기 위해서는 전극층(또는 도전성 반도체층)의 두께 및 소자의 직경을 증가시켜야 되고 이는 단위전극 면적에 포함될 수 있는 초소형 LED 소자 개수를 감소시키는 문제점이 있다.
나아가, 초소형 LED 소자가 전극에 연결된 상태라도 전극과 전기적 연결이 미흡한 초소형 LED 소자가 다수 포함되어 발광되지 않아 불량이 발생하거나 전극과 초소형 LED 소자의 연결부분의 높은 저항에 따라 발열이 심해 소자의 내구성이 현저히 저하되는 문제점이 있다.
이에 본 발명에서는 제1 도전성 반도체층, 상기 제1 도전성 반도체층 상부에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상부에 형성된 제2 도전성 반도체 층을 포함하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자에 있어서, 상기 초소형 LED 소자는 소자의 일단부 및 상기 일단부로부터 연장되어 소자의 측면부 일부를 덮고 있는 금속캡;을 포함하며, 상기 금속캡의 외부면은 적어도 일부 영역이 곡면이고, 상기 금속캡은 초소형 LED 소자의 적어도 하나의 단부측에 형성되는 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자를 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해 목적한 전극영역에 보다 용이하게 초소형 LED 소자가 길이방향으로 누워서 실장될 수 있고, 실장되는 소자의 정렬성이 향상되어 전극라인의 단위면적당 포함되는 LED소자의 개수를 현저히 증가시킬 수 있으며, LED 소자와 전극 간의 전기적 연결성을 현저히 향상시킬 수 있다.
이하, 초소형 LED 소자의 설명에서 ‘위’, ‘아래’, ‘상’, ‘하’, ‘상부’ 및 ‘하부’는 초소형 LED 소자에 포함된 각 층을 기준으로 하여 수직의 상, 하 방향을 의미한다.
구체적으로 도 5는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 사시도로써, 도 5a는 제1 도전성 반도체층(50a) 상부에 형성된 활성층(50b), 상기 활성층(50b) 상부에 형성된 제2 도전성 반도체층(50c), 도전성 반도체층(50a, 50c) 및 활성층(50b)의 외부면을 덮는 절연피막(50f), 및 소자의 제2 도전성 반도체층(50c) 방향의 일단부측에 형성된 금속캡(50e)을 나타낸다. 또한, 도 5b은 제1 도전성 반도체층(50a) 상부에 형성된 활성층(50b), 상기 활성층(50b) 상부에 형성된 제2 도전성 반도체층(50c), 도전성 반도체층(50a, 50c) 및 활성층(50b)의 외부면을 덮는 절연피막(50f), 및 소자의 양 단부측에 형성된 금속캡(50d, 50e)을 나타낸다.
먼저, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 도전성 반도체층(50a, 50c)에 대해 설명한다.
상기 도전성 반도체층은 조명, 디스플레이 등에 사용되는 통상의 LED 소자에 포함하는 도전성 반도체층인 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 상기 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함할 수 있다.
상기 제1 도전성 반도체층(50a)이 n형 반도체층을 포함하는 경우 상기 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 반도체층의 두께는 1.5 ~ 5㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 제2 도전성 반도체층(50c)이 p형 반도체층을 포함하는 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 제2 도전성 반도체층의 두께는 0.08 ~ 0.25㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
다음으로 상기 활성층(50b)은 제1 도전성 반도체층(50a) 상부 및 제2 도전성 반도체층(50c) 하부에 형성되며, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층은 조명, 디스플레이 등에 사용되는 통상의 LED 소자에 포함되는 활성층인 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 활성층(50b)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 활성층(50b)으로 이용될 수 있음은 물론이다. 이러한 활성층(50b)에서는 전계를 인가하였을 때, 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 활성층의 두께는 0.05 ~ 0.25㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상술한 제1도전형 반도체층(50a), 활성층(50b) 및 제 2도전성 반도체층(50c)은 발광 구조물의 최소 구성 요소로 포함될 수 있고, 각 층의 위/아래에 다른 형광체층, 활성층, 반도체층 및/또는 전극층을 더 포함할 수도 있다.
다음으로 상기 절연피막(50f)은 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층의 외부면 중 적어도 활성층의 외부면을 덮도록 형성되고, 전원이 직접적으로 활성층(50f) 부분의 소자의 외부면에 인가(예를 들어 전극에 활성층이 접촉)되더라도 절연피막(50f)으로 인해 활성층(50f)이 보호됨으로써 초소형 LED 소자가 전기적 단락 되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 초소형 LED 소자가 서로 다른 두 전극 사이에 형성된 전기장에 의해 자기정렬 시 소자간의 부딪침 등으로 발생할 수 있는 반도체 외부 표면의 손상을 방지할 수 있어 초소형 LED 소자의 내구성 저하를 예방할 수 있다. 나아가, 절연피막은 후술하는 금속캡이 도전성 반도체층 및 활성층을 포함하는 소자의 외부면 전체에 형성되는 것을 방지하는 동시에 소자의 일단측 또는 양단측에 금속캡이 다양한 형상으로 넓은 표면적을 갖도록 형성되는 것을 도와주는 기능을 담당한다.
상기 절연피막(50f)은 바람직하게는 질화규소(Si3N4), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 산화이트륨(Y2O3) 및 이산화티타늄(TiO2) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 성분으로 이루어지나 투명한 것일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않는다. 투명한 절연피막의 경우 상술한 절연피막(50f)의 역할을 하는 동시에 절열피막을 코팅함으로써 만일하나 발생할 수 있는 소자의 발광효율 감소를 최소화할 수 있다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 절연피막의 두께는 5nm ~ 50nm 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
다음으로 초소형 LED 소자의 적어도 하나의 단부측에 형성되는 금속캡(50d, 50e)에 대해 설명한다.
상기 금속캡은 초소형 LED 소자의 일단부측의 끝단 뿐만 아니라 및 소자 끝단측의 표면적을 더욱 증가시키기 위해 금속캡이 상기 끝단에 이어지는 측면부의 일부를 덮으며, 이때, 금속캡의 외부면의 적어도 일부 영역이 곡면 형상을 갖는다.
구체적으로 도 6은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 종단면도로써, 소자의 일단부측에 형성된 금속캡(51e)을 나타낸다. 더 구체적으로 상기 금속캡(51e)은 소자의 일단부측 중 끝단(A1) 및 상기 끝단(A1)에 이어지는 측면부(A2)까지 연장하여 덮고 있으며, 상기 금속캡(51e)은 제2 반도체 층(51c)의 외부 측면을 덮으나 절연피막(51f)을 덮지 않게 형성되어 있다. 또한, 상기 금속캡(51e) 단면 외곽선은 곡선을 포함하며, 이에 따라 금속캡의 외부면은 곡면을 포함하고 있다.
한편, 상술한 절연피막(50f)이 활성층의 외부면을 포함하여 소장의 외부면을 덮도록 형성된 경우 절연피막의 외부면 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
구체적으로 도 7은 본 발명의 바람직한 다른 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 종단면도로써, 소자의 일단부측에 형성된 금속캡(52e, 53e, 54e, 55e)을 나타낸다. 도 7a 및 도7b 의 금속캡(52e, 53e)의 내부면은 절연피막(52f, 53f)에 대면하여 절연피막의 일부 외부면(S1, S2)을 덮으며, 제2 반도체층(52c, 53c)의 상부면(끝단)을 덮고 있다. 또한, 도 7a 및 도7b의 금속캡(52e, 53e) 단면 외곽선은 곡선을 포함하며, 이에 따라 금속캡의 외부면은 곡면을 포함하고 있다.
또한, 곡면이 도 7c의 초소형 LED 소자와 같이 금속캡(54e)의 전영역에 걸쳐 형성될 수 있고, 도 7d의 초소형 LED 소자와 같이 금속캡(55e)의 일부영역에 형성될 수 있다. 더 구체적으로 도 7d의 초소형 LED 소자는 종단면에서 소자의 대각선 방향쪽을 포함하는 일부영역이 곡면(R)임을 나타낸다.
본 발명에 따른 초소형 LED 소자는 금속캡의 외부면의 적어도 일부가 곡면인데, 바람직하게는 상기 일부영역은 초소형 LED 소자의 종단면에서 대각선 방향 가상의 연장선(도 7d의 l)이 통과하는 영역일 수 있고, 구체적으로 도7d에서 가상의 연장선(l)은 금속캡(55e)의 곡면(R)을 통과하고 있다. 금속캡의 외부면 중 적어도 일부영역, 특히 소자의 종단면에서 대각선 방향의 금속캡 외부면이 곡면일 경우 전기장 하에서 초소형 LED 소자가 자기 정렬하여 전극에 연결될 때 서로 다른 두 전극에 초소형 LED 소자가 수직하도록 배열되기 용이하여 전극영역을 차지하는 한 개의 LED 소자의 면적이 최소가 되도록 배열시키는데 매우 유리할 수 있고, 이를 통해 더 많은 LED 소자를 전극영역에 실장시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 다른 일구현예에 따르면, 상기 금속캡의 외부면은 도 7a 내지 7c와 같이 외부면의 전 영역이 곡면일 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 또 다른 일구현예에 따르면, 상기 금속캡은 초소형 LED 소자의 양 단부측에 형성될 수 있다. 구체적으로 도 8은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 종단면도로써, 도 8a는 초소형 LED 소자의 제1 도전성 반도체층(56a)의 하부면(끝단)과 상기 하부면에 이어지는 측면을 덮으나 절연피막(56f)의 외부면을 덮지 않으며, 금속캡 외부면의 적어도 일부영역이 곡면인 제1 금속캡(55d) 및 제2 반도체층(56c)의 상부면(끝단)과 상기 상부면에 이어지는 측면을 덮으나 절연피막(56f)의 외부면을 덮지 않으며, 금속캡 외부면의 적어도 일부영역이 곡면인 제2 금속캡(56e)을 나타낸다.
또한, 도 8b는 초소형 LED 소자의 제1 도전성 반도체층(57a)의 하부면에 대면하고, 절연피막(57f)의 일부를 덮으며, 외부면의 적어도 일부영역이 곡면인 제1 금속캡(57d) 및 제2 반도체층(57c)의 상부면에 대면하고, 절연피막(57f)의 일부를 덮으며, 외부면의 적어도 일부영역이 곡면인 제2 금속캡(57e)을 나타낸다.
이상으로 상술한 것과 같은 본 발명에 따른 초소형 LED 소자에 포함되는 금속캡은 적어도 일부영역이 곡면인 외부면을 가지므로 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 초소형 LED 소자는 도 5a(또는 도 6, 도 7)과 같이 반도체층에 수직한 방향의 단면형상이 면봉형상일 수 있고, 도 5b(또는 도 8)과 같이 반도체층에 수직한 방향의 단면형상이 아령형상일 수 있다.
초소형 LED 소자의 적어도 일단부측에 상술한 것과 같은 형상을 가지도록 형성된 금속캡으로 인해 종래의 LED 소자에 전기장 하에서 분극될 수 있는 영역의 표면적이 현저히 증가하여 보다 많은 양전하 또는 음전하가 금속캡 표면에 하전될 수 있어 초소형 LED 소자의 전극어셈블리상 자기정렬을 향상시킴과 동시에 보다 용이하게 위치정렬 시킬 수 있는 이점이 있다. 이에 따라 바람직하게는 상기 초소형 LED 소자 일단부측의 소자 끝단 단면적과 금속캡 표면적의 면적비는 1: 1.1 ~ 10.0일 수 있고, 바람직하게는 1.1 ~ 5일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 1.1 ~ 3일 수 있다. 만일 면적 비가 1: 1.1 미만인 경우 금속캡을 구비함으로써 발현시킬 수 있는 효과의 향상이 미미하고, 금속캡이 기능을 제대로 수행할 수 없을 수 있으며, 만일 면적 비가 1: 10을 초과하는 경우 금속캡이 소자의 장축방향 및/또는 단축방향으로 현저히 커져 초소형의 LED를 구현하기 어렵고 하나의 LED 소자가 차지하는 부피가 커져서 한정된 전극영역에 포함되는 초소형 LED 소자의 개수를 증가시킬 수 없는 문제점이 있을 수 있다.
또한, 상술한 형상의 금속캡을 구비한 초소형 LED 소자를 통해 수평배열 어셈블리를 구현할 경우 어셈블리의 전극의 폭, 전극 사이의 거리, 초소형 LED 소자의 길이, 소자에서 절연피막이 코팅되지 않은 노출부분의 두께 등의 조건들이 정확히 정합(coordination) 되도록 조건들을 미세하게 조절하지 않아도 목적하는 자기정렬을 통한 위치 정렬성 및 전기적 연결성을 충분히 달성된 수평배열 어셈블리를 구현할 수 있다. 구체적으로 도 9는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평배열 어셈블리에 대한 단면도로써, 베이스기판(1) 상에 형성된 제1 전극(14, 15), 상기 제1 전극(14, 15)와 이격되어 베이스기판(1) 상에 형성된 제2 전극(24)에 초소형 LED 소자들(36, 37)이 연결되어 있다. 초소형 LED 소자 중 금속캡이 없는 초소형 LED 소자(36)의 경우 일측의 전극층 또는 반도체층(36d)은 제1 전극(14)에 직접 접하고 있는데 반하여, 타측의 전극층 또는 반도체층(36e)은 제2 전극(24)에 직접 접하고 있지 않아 전기적으로 연결되지 못하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 서로 다른 두 전극(14, 24) 사이의 거리, 초소형 LED 소자(36)의 길이 및 절연피막이 코팅되지 않은 부분(36d)의 길이 등의 조건을 조절하여 정합시키는 과정이 필요하다. 그러나 나노 또는 마이크로 스케일의 수평배열 어셈블리에서 이러한 모든 조건들을 정합시키는 것은 매우 어려운 문제점이 있다. 이에 반하여 도 9의 초소형 LED 소자 중 본 발명에 따른 금속캡(37d. 37e)을 포함하는 소자(37)는 양단부측에 형성된 금속캡(37d, 37e)으로 인하여 모든 조건들의 정합 없이도 서로 다른 두 전극(15, 24)에 보다 용이하게 전기적으로 연결될 수 있음을 알 수 있다.
상기 금속캡(50d, 50e)은 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd) 중 어느 하나의 금속, 이들의 산화물 또는 2 이상 금속의 합금일 수 있다. 상기 초소형 LED 소자가 양 단부측에 금속캡을 포함하는 경우 각 단부측의 금속캡 재질은 동일하거나 상이할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 초소형 LED 소자의 용도에 대해 구체적으로 설명한다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 용도는 수평배열 어셈블리의 용도이다. 즉 초소형 LED 소자의 각 반도체층에 수직한 방향의 소자 길이방향을 기준으로 소자가 지면에 대해 누워 있는 형상으로 서로 다른 두 전극에 소자의 양 단부측이 각각 연결되는 어셈블리에 적합하며, 초소형 LED 소자가 길이방향으로 전극상에 3차원 직립하여 실장되는 수직구조의 어셈블리의 용도가 아닐 수 있다. 구체적으로 도 17은 종래의 수직구조 어셈블리의 사시도로써, 베이스기판(500) 상에 형상된 제1 전극(510), 상기 제1 전극의 수직 상부에 형성된 제2 전극(520) 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 소자의 길이방향으로 3차원 직립하여 개재된 초소형 LED 소자(530)를 나타낸다. 도 17과 같은 수직구조의 어셈블리를 구현하기 위해서는 제1 전극상에 초소형 LED 소자를 성장시키는 것 이외에 별도로 제조된 낱개의 초소형 LED 소자를 길이방향으로 일일이 세워서 연결시키는 것은 사실상 매우 어렵다. 또한, 지면에 대해 누워 있는 상태의 초소형 LED 소자에 대해 상하 방향으로 전기장을 형성시킨다고 하여 초소형 LED 소자가 길이방향으로 3차원 직립하여 자기정렬될 수 있는 것이 결코 아니다. 이에 따라 본 발명에 따른 초소형 LED 소자는 전기장의 영향에 따라 자기정렬 되어 지면에 대해 수평하게 서로 다른 두 전극에 연결되어 구현되는 수평어셈블리에 보다 적합할 수 있다.
이상으로 상술한 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자는 후술하는 제조방법으로 제조될 수 있다. 다만, 제조방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자는 (1) LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층된 적층체를 식각하는 단계; (2) 식각된 적층체에서 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 외부면에 절연피막을 형성시키는 단계; 및 (3) 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하고, 노출된 제2 도전성 반도체층 외부면에 금속캡을 형성시킨 후 기판을 제거하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
먼저, (1) 단계로써, LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층된 적층체를 식각하는 단계;를 수행한다.
우선 적층체를 제조하기 위해 기판위에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 형성한다. 구체적으로 도 10은 본 발명의 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 제조공정을 나타내는 사시도로써, 도 10a는 기판(200)상에 순차적으로 적층된 제1 도전성 반도체층(210), 활성층(220) 및 제2 도전성 반도체층(230)을 나타낸다. 상기 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함할 수 있다.
상기 기판(200)은 사파이어 기판(Al203) 및 유리와 같은 투과성 기판을 포함할 수 있다. 또한 상기 기판(200)은 GaN, SiC, ZnO, Si, GaP 및 GaAs, 도전성 기판 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 기판(200)의 상면은 요철 패턴이 형성될 수도 있다.
상기 기판(200) 위에는 질화물 반도체가 성장되는데, 그 성장 장비는 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등에 의해 형성할 수 있으며, 이러한 장비로 한정하지는 않는다.
상기 기판(200)상 위에는 버퍼층(미도시) 또는/및 언도프드 반도체층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 기판(200)과의 격자 상수 차이를 줄여주기 위한 층으로서, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 언도프드 반도체층은 언도프드(undoped) GaN층으로 구현될 수 있으며, 질화물 반도체가 성장되는 기판으로 기능하게 된다. 상기 버퍼층 및 언도프드 반도체층은 어느 한 층만 형성하거나, 두 층 모두 형성되거나 형성되지 않을 수도 있다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 기판의 두께는 400 ~ 1500㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 기판(200) 상에 순차적으로 포함되어 적층되는 제1 도전성 반도체층(210), 활성층(220) 및 제2 도전성 반도체층(230)에 대한 구체적인 설명은 상술한 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자에 대한 설명과 동일하여 생략한다.
다음으로 상술한 것과 같이 기판상에 순차적으로 적층된 적층체에 대해 LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 식각하는 단계를 수행한다.
이를 위해 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 1-1) 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층하는 단계; 1-2) 제2 도전성 반도체층 상에 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계; 1-3) 상기 금속 마스크층 위에 나노스피어 또는 마이크로 스피어 단층막을 형성하고 자기조립을 수행하는 단계; 및 1-4) 상기 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 식각하는 단계; 를 포함하여 수행될 수 있다.
제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 기판상에 적층(1-1) 단계) 후 상기 제2 도전성 반도체층 상에 절연층 및 금속마스크층을 형성(1-2) 단계)시킬 수 있다. 구체적으로 도 10b는 제2 도전성 반도체층(230) 상에 순차적으로 형성된 절연층(240) 및 금속마스크층(250)을 나타낸다.
상기 절연층(240)은 제2 도전성 반도체층, 활성층 및 제 1도전성 반도체층의 연속적인 에칭을 위한 마스크의 역할을 수행할 수 있으며, 산화물 또는 질화물을 이용할 수 있고, 이에 대한 비제한적인 예로 실리콘 산화물(SiO E 또 (SiOx) 및/또는 실리콘 질화물 (Si3N4 또는 SiNx)이 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 절연층의 두께는 0.5 ~ 1.5 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 절연층(240)의 상에 형성되는 금속 마스크층(250)은 에칭을 위한 마스크층 의 역할을 수행하는 것으로, 통상적으로 사용되는 금속을 이용할 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예로써, 크롬(Cr) 금속이 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 금속 마스크층의 두께는 30 ~ 150 nm일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
다음 1-3) 단계로 상기 금속 마스크층(250) 위에 나노스피어 또는 마이크로 스피어 단층막(260)을 형성하고 자기조립을 수행하는 단계를 수행할 수 있다.
구체적으로 도 10c는 본 발명의 금속 마스크층(250) 상에 형성된 나노 스피어 또는 마이크로 스피어 단층막(260)의 단면사시도를 나타낸다. 상기 나노 스피어 또는 마이크로 스피어 단층막(260)은 금속 마스크층(250)의 에칭을 위한 마스크 역할을 하기 위하여 형성하는 것으로서 스피어 입자의 형성방법은 스피어의 자기조립 특성을 이용할 수 있다. 스피어들의 자기조립에 의한 완전한 한층의 구조 배열 형성을 위하여 물 표면 위에 스피어를 일정한 속도로 띄어 보내어 서로 자기 조립되도록 만든다. 물에서 퍼지면서 형성된 스피어 영역은 작고 불규칙적이기 때문에 추가적인 에너지와 계면활성제를 가하여 크고 규칙적인 배열을 가진 스피어 한 층을 형성하고 상기 금속 마스크층(250) 위로 스피어 한층을 떠냄으로서 금속층 위에 규칙적으로 배열된 스피어 단층막을 형성할 수 있다. 스피어 입자의 직경은 최종 생산하려는 초소형 LED 소자의 원하는 직경에 따라 선택적으로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 50 ~ 3000㎚의 직경을 갖는 폴리스티렌 스피어, 실리카 스피어 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
다음 1-4) 단계로 상기 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 식각하는 단계를 포함하여 수행할 수 있다.
도 10 d 내지 10f는 나노 또는 마이크로 간격으로 식각하기 위한 패터닝 공정으로써, 도 10d는 금속마스크층 위에 형성된 나노스피어 또는 마이크로 스피어 단층막(260)이 애싱(ashing) 공정을 거친 후의 단면사시도로써, 애싱(ashing) 공정을 통해 스피어 입자의 간격이 목적하는 LED 소자의 직경이 구현될 수 있는 간격으로 이격될 수 있고 보다 바람직하게는 상기 간격은 50 ~ 3000㎚ 일 수 있다.
상기 애싱공정은 통상의 스피어 단층막의 애싱공정을 통해 달성될 수 있으며, 바람직하게는 산소(O2) 기반의 Reactive ion ashing (반응성 이온 애싱)과 plasma ashing(플라즈마 애싱)을 통해 수행될 수 있다.
도 10e는 스피어 입자를 마스크로 하여 금속마스크층이 식각(250’)된 단면사시도를 나타내고, 도 10f는 스피어 입자(260’)가 제거되고 식각된 금속마스크층(250’)을 마스크로 하여 식각된 절연층(240’)을 나타낸다. 이후에 도 10g와 같이 식각된 절연층(240’)을 마스크로 하여 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 원하는 깊이로 식각할 수 있고, 그 후 절연층(240’)을 제거하여 도 10h와 같은 식각된 적층체를 제조할 수 있다.
상기 도 10e 내지 10g의 식각공정 및 스피어 입자/금속 마스크층/절연층의 제거는 통상적인 식각공정에 의할 수 있으며, 건식식각법 또는 습식식각법을 단독 또는 병용 실시할 수 있다. 구체적으로 상기 식각공정은 RIE(reactive ion etching: 반응성 이온 에칭) 또는 ICP-RIE(inductively coupled plasma reactive ion etching: 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭)와 같은 건식 식각법이 이용될 수 있다. 이러한 건식 식각법은 습식 식각법과 달리, 일방성 식각이 가능하여 이러한 패턴을 형성하기에 적합하다. 즉, 습식 식각법은 등방성(isotropic) 식각이 이루어져, 모든 방향으로 식각이 이루어지나, 이와 달리 건식식각법은 홀을 형성하기 위한 깊이 방향이 식각이 가능하여, 홀의 크기 및 간격 등을 원하는 패턴으로 형성할 수 있다. 이때, 상기 RIE 또는 ICP-RIE법을 이용할 경우, 금속 마스크를 식각할 수 있는 에칭 가스로는 Cl2, O2 등이 이용될 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 다른 일구현예에 따르면, 상기 (1) 단계는 1-1) 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층시켜 적층체를 제조하는 단계; 1-2) 제2 도전성 반도체층 상에 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계; 1-3) 상기 금속 마스크층 상에 폴리머층을 형성하고 상기 폴리머층에 나노 또는 마이크로 간격으로 패턴을 형성하는 단계; 1-4) 상기 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 식각하는 단계; 및 1-5) 상기 절연층, 금속 마스크층 및 폴리머층을 제거하는 단계;를 포함하여 수행할 수 있다.
구체적으로 제2 도전성 반도체층의 위에 절연층 및 금속 마스크층을 형성한 후 상기 금속마스크층 위에 통상의 리소그래피 등에 사용될 수 있는 통상의 폴리머층을 형성하고 상기 폴리머층에 포토 리소그레피, e-빔 리소그래피, 또는 나노 임프린트 리소그래피 등의 방법을 통해 나노 또는 마이크로 간격으로 패턴을 형성한 후 이를 건식 또는 습식식각하고 폴리머층, 금속마스크층, 절연층을 제거하는 것을 통해 달성될수 있다.
다음으로 (2)단계로써, 식각된 적층체에서 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 외부면에 절연피막을 형성시키는 단계;를 수행한다.
구체적으로 도 10i는 식각된 적층체의 외부면이 절연피막(270)으로 코팅된 적층체를 나타낸다. 상기 절연피막의 코팅은 식각된 적층체의 외부면에 절연물질을 도포하거나 이를 침지하는 방법을 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 절연피막으로 사용될 수 있는 물질은 바람직하게는 SiO2, Si3N4, Al2O3 및 TiO2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 Al2O3일 수 있고, 이러한 절연물질은 ALD(atomic layer deposition : 원자 층 증착)방식을 통하여 식각된 적층체의 외부면에 절연피막을 형성시킬 수 있으며 TMA(trimethyl aluminum)와 H2O 소스를 펄스형태로 공급하여 화학적 흡착과 탈착을 이용하여 박막을 형성할 수 있다. 이때 형성되는 절연피막의 두께는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 5 ~ 50nm일 수 있다.
다음으로 (3) 단계로써 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하고, 노출된 제2 도전성 반도체층 외부면에 금속캡을 형성시킨 후 기판을 제거하는 단계를 수행한다.
상기 (3)단계에서 제2 도전성 반도체층 외부면에 금속캡을 형성시키는 방법은 통상의 금속증착방법을 사용할 수 있고, 바람직하게는 전기화학증착법을 이용할 수 있다. 이에 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 상기 (3) 단계는 3-1) 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 제2 도전성 반도체층의 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하는 단계; 3-2) 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제2 도전성 반도체층의 외부면에 금속캡을 도금시키는 단계; 및 3-3) 적층체에서 기판을 제거하는 단계를 수행할 수 있다.
먼저, 3-1) 단계로 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 제2 도전성 반도체층의 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 절연피막의 제거는 통상적인 식각방법을 통해 수행할 수 있으며, 바람직하게는 방향성 식각(directional etching)을 통해 수행될 수 있고, 이의 구체적 방법은 당업계에서 공지된 통상의 방법에 의할 수 있다. 이때, 목적하는 금속캡의 단면형상/표면적 등을 고려하여 절연피막이 식각되는 부분을 제2 도전성 반도체층의 상부면 또는 상부면과 이어지는 제2 도전성 반도체층의 일부 측면까지 식각할 수 있다. 다만, 전극과 활성층이 직접 접촉하여 발생하는 전기적 단락을 방지 위해 활성층에 인접하는 제2 도전성 반도체층의 일부측면까지 노출시키는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 구체적으로 도 10j는 제2 도전성 반도체층 상부면의 절연피막이 제거됨으로써, 제2 반도체층의 상부면을 제외하고 식각된 적층체의 외부면에만 절연피막(270')이 코팅된 것을 나타낸다.
이후 3-2)단계로써, 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제2 도전성 반도체층의 외부면에 금속캡을 도금시키는 단계를 수행할 수 있다.
상기 전해도금액은 목적하는 금속캡의 형성물질을 포함하는 용액으로써 금속캡의 재질에 따라 달리 구성될 수 있다. 대표적으로 금속캡을 금(Au)으로 형성시킬 경우 사용될 수 있는 전해도금액은 HAuCl4, HCl 및 DI water가 혼합된 도금액 또는 KAuCl4 도금액일 수 있고, 이때 Au의 농도는 전기도금 수행시간, 형성시키려는 금속캡의 크기를 고려하여 달리 설계될 수 있어 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으나 바람직하게는 0.005 ~ 50 중량% 일 수 있다.
상기와 같은 전해도금액에 제2 도전성 반도체층의 노출면을 포함하는 적층체를 침지시켜 금속캡 형성 물질을 노출된 제2 반도체층 외부면에 도금을 수행할 수 있다. 구체적으로 적층체의 기판에 전극을 부착하여 적층체에 전원을 인가시켜 전기도금을 수행할 수 있으며, 보다 용이한 금속캡의 형성을 위해 상기 기판은 도전성 기판인 것이 바람직할 수 있다. 구체적인 전기도금의 수행방법은 당업계의 통상의 방법을 사용할 수 있어 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다. 다만, -0.2 ~ -1.0 V의 직류로 10 ~ 55 분 동안 전원을 인가하여 금속캡을 형성시킴이 바람직하다. 만일 전원이 10 분 미만으로 인가될 경우 충분한 표면적을 가지고 목적하는 단면형상을 갖는 금속캡의 형성이 어려울 수 있고, 55분을 초과하면 전극에 단락이 발생할 수 있는 문제가 있다.
상술한 금속캡의 형성방법은 전기도금을 통한 방법이나 반드시 이에 제한되지 않고, Thermal Evaporation, E-Beam Evaporation, Sputter 등을 통해서도 형성시킬 수 있다.
구체적으로 도 10k는 상술한 방법에 의해 절연피막이 코팅되지 않는 제2 도전성 반도체층 상부면을 포함하여 소자 단부측 외부면의 일부에 형성된 금속캡(280)을 나타낸다.
이후 3-3) 단계로 도 10l과 같이 적층체에서 기판을 제거하는 단계를 수행하면 소자의 단면형상이 면봉형상인 초소형 LED 소자가 제조될 수 있다.
기판을 제거하는 과정에서 바람직하게는 지지필름을 금속캡 상부에 부착하고 기판을 laser lift off(LLO) 등의 통상의 방법을 통해 제거할 수 있고, 지지필름을 통해 복수개의 초소형 LED 소자가 분산되지 않고, 기판의 제거과정에서 발생할 수 있는 LED 소자의 크랙을 방지할 수 있다. 상기 지지필름은 폴리머 엑포시 또는 본딩 메탈일 수 있으며, 두께는 0.3 ~ 70 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
한편, 본 발명의 바람직한 다른 일구현예에 따르면, 금속캡이 LED 소자의 양단부측에 형성된 단면이 아령형상인 LED 소자를 제조하기 위해 상기 (3) 단계는 3-1) 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하는 단계; 3-2) 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제2 도전성 반도체층의 외부면에 금속캡을 도금시키는 단계; 3-3) 상기 금속캡 상부에 지지필름을 형성 및 적층체의 기판을 제거하는 단계; 3-4) 기판이 제거된 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제1 반도체층의 하부면을 포함하는 일부 외부면에 금속캡을 도금시킨 후 지지필름을 제거하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
상기 3-1) 내지 3-2) 단계까지의 설명은 면봉형상 LED 소자의 제조방법에서 상술한 것과 동일하여 생략한다.
제2 도전성 반도체층의 외부면에 금속캡을 형성시킨 후 3-3)단계로 상기 금속캡 상부에 지지필름을 형성 및 적층체의 기판을 제거하는 단계를 수행할 수 있다.
구체적으로 도 11은 본 발명의 일구현예에 따른 초소형 LED 소자의 제조공정을 나타내는 사시도로써, 도 11a는 3-2)를 통해 제조된 적층체에서 LED 소자의 일단부측에 형성된 금속캡(280a)의 하부에 지지필름(290)을 부착하는 것을 나타낸다. 이후 LED 소자의 지지력을 증가시키기 위해 도 11b와 같이 지지필름(290)과 적층체 사이 공간에 서포트폴리머(291)를 채울 수도 있다. 상기 서포트폴리머는 당업계에서 공지 관용으로 이용되는 것을 사용할 수 있으며, 이에 본 발명에서는 구체적 종류를 한정하지 않는다.
이후 도 11c와 같이 기판(200)을 제거하고, 기판(200)하부의 식각되지 않은 제1 도전성 반도체층(210)을 제거하여 도 11d와 같이 제1 반도체층의 하부를 노출시킬 수 있다. 상기 식각되지 않은 제1 도전성 반도체층(210)의 제거는 초음파 조사 또는 건식식각 등 당업계 공지된 방법을 사용할 수 있다.
다음 3-4) 단계로 기판이 제거된 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제1 반도체층의 하부면을 포함하는 일부 외부면에 금속캡을 도금시킨 후 지지필름을 제거하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 전해도금액 등 도금의 구체적이 설명은 상술한 바와 같아 생략하며, 절연피막이 코팅되지 않은 제1 반도체층의 노출면에 금속캡 형성물질을 도금시키면 도 11e와 같이 제1 도전성 반도체층 방향의 소자 일단부측에 금속캡(280b)을 형성시킬 수 있다. 이후 서포트폴리머, 지지필름을 제거하면 도 11f와 같이 소자의 양단부측에 금속캡(280a, 280b)을 포함하는, 소자의 단면형상이 아령형상인 초소형 LED 소자를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 이상으로 상술한 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자를 포함하는 수평배열 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평 배열된 초소형 LED 수평배열 어셈블리는 베이스 기판; 상기 베이스 기판상에 형성된 제1 전극 및 상기 제1 전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제2 전극을 포함하는 전극라인; 및 상기 제1 전극과 제2 전극에 동시에 연결된 본 발명에 따른 복수개의 초소형 LED 소자;를 포함한다.
구체적으로 도 12는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평배열 초소형 LED 수평배열 어셈블리의 사시도로써, 베이스기판(300) 상에 형성된 제1 전극(311), 상기 제1 전극(311)에 이격되어 베이스기판(300) 상에 형성된 제2 전극(312)을 포함하는 전극라인(310) 및 상기 제1 전극(311) 및 제2 전극(312)에 동시에 연결된 초소형 LED 소자(321, 322, 323, 324)를 나타낸다.
먼저, 베이스기판(300) 및 상기 베이스기판(300) 상에 형성된 제1 전극(311), 상기 제1 전극(311)에 이격되어 베이스기판(300) 상에 형성된 제2 전극(312)을 포함하는 전극라인(310)에 대해 설명한다.
상기 "베이스기판 상"의 의미는 제1 전극(311) 및 제2 전극(312)이 베이스기판 표면에 직접적으로 형성 또는 제1 전극(311) 및/또는 제2 전극(312)베이스기판 상부에 이격하여 형성될 수 있음을 의미한다. 상기 베이스기판은 수평배열 어셈블리의 지지체 역할을 수행한다. 본 발명에서 사용할 수 있는 베이스기판(300)은 통상적으로 전극이 형성될 수 있는 베이스 기판인 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 유리기판, 수정기판, 사파이어 기판, 플라스틱 기판 및 구부릴 수 있는 유연한 폴리머 필름 중 어느 하나일 수 있다. 보다 더 바람직하게는 상기 기판은 투명한 것일 수 있다. 상기 베이스기판의 면적은 제한이 없으며, 베이스 기판상에 형성될 제1 전극의 면적, 제2 전극의 면적, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 연결되는 초소형 LED 소자 사이즈 및 연결되는 초소형 LED 소자 개수를 고려하여 변경될 수 있다. 바람직하게 상기 베이스기판의 두께는 100㎛ 내지 1 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(311) 및 제2 전극(312)은 통상적으로 전극으로 사용되는 물질일 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 상기 제1 전극(311) 및 제2 전극(312)은 각각 독립적으로 알루미늄, 타이타늄, 인듐, 골드 및 실버로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 금속물질 또는 ITO(Indum Tin Oxide), ZnO:Al 및 CNT-전도성 폴리머(polmer) 복합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 투명물질일 수 있다. 이러한 전극물질이 2종 이상일 경우 제1 전극 및/또는 제2 전극은 바람직하게는 2종 이상의 물질이 적층된 구조일 수 있다. 보다 더 바람직하게는 제1 전극 및/또는 제2 전극은 타이타늄/골드로 2종 물질이 적층된 전극일 수 있다. 다만 제1 전극 및/또는 제2 전극의 재질은 상기 기재에 제한되는 것은 아니다. 또한, 제1 전극 및/또는 제2 전극의 재질은 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 제1 전극 및 제2 전극의 이격간격, 크기 및 구체적인 배치는 목적에 따라 달리 설계될 수 있으며, 서로 다른 두 전극이 소용돌이 배치되거나 상호 교번적으로 배치될 수 있는 등 상상 가능한 모든 구조의 배치로 목적에 따라 다양하게 변형하여 구현할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 상기 수평배열 어셈블리는 소자의 일측이 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 한 전극의 상부면에 연결되고, 타측이 다른 전극의 상부면에 연결된 제1 초소형 LED 소자; 소자의 일측이 제1 전극의 일측면에 연결되고, 소자의 타측이 상기 제1 전극의 일측면과 마주보는 제2 전극의 일측면에 연결된 제2 초소형 LED 소자; 및 소자의 일측이 제1 전극 또는 제2 전극의 상부면에 연결되고, 타측이 다른 전극의 측면에 연결된 제3 초소형 LED 소자; 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 도 12의 수평배열 어셈블리는 소자의 일측이 제1 전극(311) 및 제2 전극(312) 중 어느 한 전극의 상부면에 연결되고, 타측이 다른 전극의 상부면에 연결된 단면의 형상이 면봉형상(321) 및 아령형상(322)인 초소형 LED 소자를 포함하는 제1 초소형 LED 소자(321, 322);, 소자의 일측이 제1 전극(311)의 일측면에 연결되고, 소자의 타측이 상기 제1 전극의 일측면과 마주보는 제2 전극(312)의 일측면에 연결된 제2 초소형 LED 소자(323); 및 소자의 일측이 제1 전극(311)의 상부면에 연결되고, 타측이 제2 전극(312) 의 측면에 연결된 제3 초소형 LED 소자(324);를 나타낸다.
또한, 서로 다른 두 전극 사이에 끼워져 개재되는 상술한 제2 초소형 LED 소자는 멀티레이어를 형성하여 끼워져 개재될 수 있고 이를 통해 단위전극 면적 당 포함되는 초소형 LED 소자의 개수를 현저히 증가시킬 수 있으며, 소자의 일단부측 또는 양단부측에 본 발명에 따른 단면형상을 가지는 금속캡이 형성될 경우 전극 사이의 이격공간에서 초소형 LED 소자가 전기장에 의해 회전하여 양 전극의 측면에 결합할 때 소자의 길이방향이 전극의 측면과 수직에 가깝도록 결합되기 보다 용이한 이점이 있다. 또한, 이를 통해 한 개의 LED 소자가 차지하는 부피가 감소함에 따라 다른 초소형 LED 소자가 이격공간에 개재될 수 있는 공간이 늘어남에 따라 더 많은 초소형 LED 소자를 포함시킬 수 있고 이를 통해 광량이 우수한 수평배열 어셈블리를 구현할 수 있다. 이를 위해 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 수평배열 어셈블리에 포함되는 복수개의 초소형 LED 소자는 소자의 일측이 제1 전극의 일측면에 연결되고, 소자의 타측이 상기 제1 전극의 일측면과 마주보는 제2 전극의 일측면에 연결되어 서로 다른 두 전극 사이에 멀티레이어를 형성하여 개재될 수 있다.
구체적으로 도 13은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평배열 어셈블리의 단면도로써, 베이스기판(300) 상에 형성된 제1 전극(311), 상기 제1 전극(311)의 제Ⅰ 측면과 마주보는 제Ⅱ 측면을 가지도록 베이스기판(300)상에 제1 전극(311)과 이격되어 형성된 제2 전극(312) 및 소자의 일단이 제1 전극(311)의 제Ⅰ 측면에 접하고, 타단이 제2 전극(312)의 제Ⅱ 측면에 접하도록 두 전극 사이에 멀티레이어를 형성하여 개재된 복수개의 초소형 LED 소자(325, 326)를 나타낸다. 도 13과 같은 수평배열 어셈블리가 구현될 경우 한정된 전극영역에 많은 수의 초소형 LED 소자를 포함시킬 수 있음에 따라 현저히 우수한 광량을 발광하는 수평배열 어셈블리의 구현이 가능할 수 있다.
이상을 상술한 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평배열 어셈블리는 후술하는 제조방법으로 제조될 수 있다. 다만, 이러한 제조방법에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 바람직한 일구현예의 수평배열 어셈블리는 (a) 베이스기판상에 제1 전극을 형성시키고, 상기 제1 전극에 이격되도록 베이스기판 상에 제2 전극을 형성시키는 단계; (b) 제1 전극 및 제2 전극상에 본 발명에 따른 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자를 포함하는 복수개의 초소형 LED 소자 및 용매를 투입시키는 단계; 및 (c) 상기 복수개의 초소형 LED 소자들의 일단부측이 제1 전극에 접하고 타단부측이 제2 전극에 접하도록 초소형 LED 소자를 자기정렬 시키기 위해 제1 전극 및 제2 전극에 전원을 인가하는 단계; 를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 (a) 단계에서, 베이스기판, 전극에 대한 설명은 상술한 바와 같으며, 베이스기판에 전극을 형성하는 방법은 공지관용의 방법을 사용할 수 있고, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다.
다음으로 (b)단계로써, 제1 전극 및 제2 전극상에 초소형 LED 소자를 포함하는 복수개의 초소형 LED 소자 및 용매를 투입시키는 단계를 수행한다.
구체적으로 도 14는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수평배열 어셈블리의 제조공정을 나타내는 사시도로써, 도 14a는 베이스기판(100) 상에 형성된 제1 전극(110) 및 상기 제1 전극에 이격되어 베이스 기판(100)상에 형성된 제2 전극(120)에 투입된 초소형 LED 소자(130)와 용매(140)를 나타낸다.
초소형 LED 소자 및 용매를 제1 전극 및 제2 전극상에 투입하는 방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다. 상기 초소형 LED 소자는 용매와 동시에 또는 순서와 관계없이 순차적으로 투입될 수 있으나, 바람직하게는 초소형 LED 소자를 투입한 후 용매를 투입함이 목적하는 전극영역에 집중하여 초소형 LED 소자를 실장시킬 수 있는 이점이 있다.
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 초소형 LED 소자에 물리적, 화학적 영향을 미치지 않으면서 잘 증발할 수 있는 용매의 경우 어느 것이나 제한 없이 사용될 수 있다.
바람직하게 초소형 LED 소자는 용매 100 중량부에 대해 0.001 내지 100 중량부로 투입될 수 있다. 만일 0.001 중량부 미만으로 투입될 경우 전극에 연결되는 초소형 LED 소자의 수가 적어 초소형 LED 전극어셈블리의 정상적 기능발휘가 어려울 수 있고, 이를 극복하기 위하여 여러 번 용액을 적가해야 되는 문제점이 있을 수 있으며, 100 중량부를 초과하는 경우 초소형 LED 소자들 개개의 정렬이 방해를 받을 수 있는 문제점이 있을 수 있다.
다음으로 (c) 단계로써, 상기 복수개의 초소형 LED 소자들의 일단부측이 제1 전극에 접하고 타단부측이 제2 전극에 접하도록 초소형 LED 소자를 자기정렬 시키기 위해 제1 전극 및 제2 전극에 전원을 인가하는 단계를 수행한다.
구체적으로 도 14b와 같이 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)에 전원을 인가 시 초소형 LED 소자(130)는 회전 및 위치 변경 등 자기정렬 하여 도 13c와 같이 소자의 일단이 제1 전극(110)에 접하고 제2 전극(120) 에 소자의 타단이 접하여 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)에 복수개의 초소형 LED 소자(30a, 30b, 30c)가 연결된 수평 어셈블리를 구현할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자를 자기정렬 시킬 경우 위치정렬 및 전극과의 연결성이 향상될 수 있는데, 구체적으로 도 15는 종래의 초소형 LED 소자가 전기장 하에서 자기정렬 하는 것을 나타내는 평면도로써, 베이스 기판(100) 상에 이격되어 형성된 제1 전극(113) 및 제2 전극(123)에 전원을 인가하면 초소형 LED 소자(133)는 양 끝단이 각각 서로 다른 전극 방향으로 회전(α)하게 된다. 도 15와 같이 초소형 LED 소자(133)의 절연피막에 코팅되지 않은 양 단부측의 표면적이 매우 적어 전기장에 의한 영향이 미미할 수 있어 초소형 LED 소자의 이동, 회전 등 위치변경을 위해서는 더 큰 전기장을 형성시켜야 되는 문제점이 있을 수 있고, 절연피막이 코팅되지 않은 노출된 부분의 외부면, 특히 소자의 단면에서 대각선 방향의 외부면이 곡면이 아님에 따라 소자의 일단부측이 전극에 접했을 때 전극면에 수직이 되도록 배향되기 어려울 수 있다. 이에 반하여, 도 16은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 초소형 LED 소자가 자기정렬 하는 것을 나타내는 평면도로써, 베이스 기판(100) 상에 이격되어 형성된 제1 전극(114) 및 제2 전극(124)에 전원을 인가하면 초소형 LED 소자(134)는 양 끝단이 각각 서로 다른 전극 방향으로 회전(β)하게 된다. 이때 도 16와 같은 초소형 LED 소자(134)는 양 단부측에 표면적이 현저히 향상된 금속캡을 구비함으로써, 전기장에 의한 영향을 보다 더 잘 받을 수 있어 낮은 전기장 하에서도 초소형 LED 소자의 이동, 회전 등 위치변경을 보다 용이하게 시킬 수 있다. 또한, 상기 금속캡의 외부면 중 일부영역, 바람직하게는 소자의 단면에서 대각선 방향의 금속캡 외부면이 곡면을 포함하는 경우 보다 용이하게 서로 다른 두 전극면과 소자의 길이방향이 서로 수직이 되도록 위치정렬 시킬 수 있고 이를 통해 더 많은 초소형 LED 소자를 한정된 영역의 수평어셈블리 영역에 포함시킬 수 있는 이점이 있다.
상기 초소형 LED 소자의 자기정렬을 위해 필요한 전기장은 제1 전극 및 제2 전극에 전원을 인가시킴으로써 형성시킬 수 있다. 상기 전원은 직류 또는 교류일 수 있으며, 초소형 소자의 종횡비 등을 고려하여 전원을 달리 변경하여 실시할 수 있어 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.
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 (15)

  1. 제1 도전성 반도체층, 상기 제1 도전성 반도체층 상부에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상부에 형성된 제2 도전성 반도체 층을 포함하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자에 있어서, 상기 초소형 LED 소자는
    제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층의 외부면 중 적어도 활성층의 외부면을 덮는 절연피막; 및
    소자의 적어도 하나의 단부측에 형성된 금속캡;을 포함하고,
    상기 금속캡은 소자의 일단부로부터 연장되어 소자 측면부 일부를 덮으며, 상기 금속캡의 외부면은 적어도 일부 영역이 곡면인 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초소형 LED 소자에 대한 반도체층에 수직한 방향의 단면형상은 아령 또는 면봉 형상인 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초소형 LED 소자 일단부측의 단면적에 대하여 금속캡 표면적은 1: 1.1 ~ 10.0인 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초소형 LED 소자는 길이가 100nm ~ 10㎛이며, 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 LED 소자의 직경이 100nm ~ 5㎛ 인 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속캡은 초소형 LED 소자의 외부면에 형성된 절연피막의 외부면 일부를 덮는 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자.
  7. (1) LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층된 적층체를 식각하는 단계;
    (2) 식각된 적층체에서 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하는 외부면에 절연피막을 형성시키는 단계; 및
    (3) 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하고, 노출된 제2 도전성 반도체층 외부면에 금속캡을 형성시킨 후 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 (1) 단계는
    1-1) 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층시켜 적층체를 제조하는 단계;
    1-2) 제2 도전성 반도체층 상에 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계;
    1-3) 상기 금속 마스크층 상에 폴리머층을 형성하고 상기 폴리머층에 나노 또는 마이크로 간격으로 패턴을 형성하는 단계; 및
    1-4) 상기 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 (1) 단계는
    1-1) 기판상에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 적층하는 단계;
    1-2) 제2 도전성 반도체층 상에 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계;
    1-3) 상기 금속 마스크층 위에 나노스피어 또는 마이크로 스피어 단층막을 형성하고 자기조립을 수행하는 단계; 및
    1-4) 상기 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 (3) 단계는
    3-1) 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하는 단계;
    3-2) 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제2 도전성 반도체층의 외부면에 금속캡을 도금시키는 단계; 및
    3-3) 적층체에서 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 (3) 단계는
    3-1) 제2 도전성 반도체층의 상부면을 포함하는 일부 외부면이 노출되도록 절연피막을 제거하는 단계;
    3-2) 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제2 도전성 반도체층의 외부면에 금속캡을 도금시키는 단계;
    3-3) 상기 금속캡 상부에 지지필름을 형성 및 적층체의 기판을 제거하는 단계;
    3-4) 기판이 제거된 적층체를 전해도금액에 침지 및 적층체에 전원을 인가하여 노출된 제1 반도체층의 하부면을 포함하는 일부 외부면에 금속캡을 도금시킨 후 지지필름을 제거하는 단계;를 포함하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제1 도전성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 도전성 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리용 초소형 LED 소자 제조방법.
  13. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판상에 형성된 제1 전극 및 상기 제1 전극과 이격하여 베이스 기판상에 형성된 제2 전극을 포함하는 전극라인; 및
    상기 제1 전극과 제2 전극에 동시에 연결된 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 복수개의 초소형 LED 소자;를 포함하는 수평배열 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서, 상기 수평배열 어셈블리는
    소자의 일측이 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 한 전극의 상부면에 연결되고, 타측이 다른 전극의 상부면에 연결된 제1 초소형 LED 소자;
    소자의 일측이 제1 전극의 일측면에 연결되고, 소자의 타측이 상기 제1 전극의 일측면과 마주보는 제2 전극의 일측면에 연결된 제2 초소형 LED 소자; 및
    소자의 일측이 제1 전극 또는 제2 전극의 상부면에 연결되고, 타측이 다른 전극의 측면에 연결된 제3 초소형 LED 소자; 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수개의 초소형 LED 소자는 소자의 일측이 제1 전극의 일측면에 연결되고, 소자의 타측이 상기 제1 전극의 일측면과 마주보는 제2 전극의 일측면에 연결되어 서로 다른 두 전극 사이에 멀티레이어를 형성하여 개재된 것을 특징으로 하는 수평배열 어셈블리.
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