KR20160126779A - 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 디스플레이 장치에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디스플레이 장치에 있어서, 상기 반도체 발광소자들 중 적어도 하나는, 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극과, 상기 제1도전형 전극이 배치되는 제1도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극이 배치되는 제2도전형 반도체층, 및 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층의 측면들을 감싸도록 형성되는 패시베이션층을 포함하고, 상기 패시베이션층은 상기 측면들로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어를 구비한다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법{DISPLAY DEVICE USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 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 상기 반도체 발광 소자의 발광 효율을 향상시켜야 한다는 필요성이 존재할 수 있다. 반면에, 이러한 필요성의 해결에는 반도체 발광 소자의 제조를 복잡하게 하면 안된다는 제약이 존재한다. 이에, 본 발명에서는 간단한 구조임에도 디스플레이 장치에서 발광 효율을 향상하는 메커니즘에 대하여 제시한다.
본 발명의 일 목적은 디스플레이 장치에서 휘도를 향상하는 구조 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 반도체 발광소자들의 측면에서 빛의 손실이 발생하는 것을 완화 또는 방지하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 기판에 장착되는 복수의 반도체 발광소자들을 구비하는 디스플레이 장치에 있어서, 상기 반도체 발광소자들 중 적어도 하나는, 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극과, 상기 제1도전형 전극이 배치되는 제1도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극이 배치되는 제2도전형 반도체층, 및 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층의 측면들을 감싸도록 형성되는 패시베이션층을 포함하고, 상기 패시베이션층은 상기 측면들로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어를 구비한다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 레이어에서 상대적으로 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질이 반복하여 적층된다. 상기 굴절률이 높은 물질은 SiN, TiO2, Al2O3 및 ZrO2 중 적어도 하나를 구비하고, 상기 굴절률이 낮은 물질은 SiO2 를 구비할 수 있다. 상기 복수의 레이어 중 상대적으로 굴절률이 낮은 레이어가 상기 측면들과 직접 접촉할 수 있다. 상기 굴절률이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질의 굴절률 차이는 0.3 내지 0.9 가 될 수 있다. 상기 굴절률이 낮은 물질은 상기 제1도전형 반도체층보다 굴절률이 낮도록 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 반도체 발광소자는 가로 및 세로가 각각 10 내지 100 마이크로미터의 범위내의 크기가 될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층을 사이에 두고 상하에 각각 배치된다. 상기 복수의 레이어들 중 적어도 일부는 상기 제1도전형 전극의 적어도 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 패시베이션층은 상기 측면들을 덮는 바디부와, 상기 바디부의 일단에서 상기 바디부와 교차하는 방향으로 돌출되는 돌출부를 포함한다. 상기 돌출부는 상기 제2도전형 반도체층에서 상기 제2도전형 전극이 형성되는 면과 동일평면상에 형성되는 상면을 구비할 수 있다. 상기 돌출부는 상기 복수의 반도체 발광소자들을 덮도록 배치되는 형광체층과 오버랩되도록 배치될 수 있다. 상기 패시베이션층은 상기 바디의 타단에서 상기 돌출부와 반대방향으로 연장되는 연장부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 기판상에 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 성장시키는 단계와, 식각을 통하여 상기 기판상에서 반도체 발광소자들을 아이솔레이션하는 단계와, 상기 반도체 발광소자들의 측면을 감싸도록 형성되는 패시베이션층을 형성하는 단계, 및 상기 패시베이션층이 형성된 반도체 발광소자들을 배선기판과 연결하고 상기 기판을 제거하는 단계를 포함하며, 상기 패시베이션층은 상기 측면들로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법을 개시한다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치에서는, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어에 의하여, 반도체 발광소자들의 측면에서 반사를 유도할 수 있다. 상기 반사에 따라, 반도체 발광소자들의 측면 발광 빛을 상부로 유도하게 된다. 특히, 사이즈가 작은 반도체 발광소자에서는 측면으로 방출되는 빛의 비율이 증가되며, 따라서 상기 전반사를 통하여 디스플레이 장치의 휘도가 크게 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 패시베이션층에 전반사 기능을 부여함에 따라, 간단한 제법임에도 불구하고 디스플레이 장치의 휘도 향상이 구현될 수 있다.
또한, 패시베이션층이 복수의 레이어로 이루어짐에 따라, 유전막 증착시에 핀홀의 발생에 의한 반도체 발광소자의 도전형 전극간의 단락 문제도 해결될 수 있다.
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 11a는 도 10의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이다.
도 11b는 도 11의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이다.
도 12는 도 11a의 새로운 구조의 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이다.
도 13a는 패시베이션층의 물질에 따른 반사율을 나타내는 그래프이고, 도 13b는 복수의 레이어의 반복 적층수에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 14a, 도 14b, 도 14c, 도 14d, 도 15a, 도 15b 및 도 15c는 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분의 확대도이다.
도 17a는 도 15의 G-G를 따라 취한 단면도이며, 도 17b는 도 15의 H-H를 따라 취한 단면도이다.
도 18은 도 17a의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이다.
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 디스플레이 장치에는 반도체 발광소자의 크기가 작아, 디스플레이 장치의 휘도를 증가시키기 어려운 문제가 있다. 이는 반도체 발광소자에서 빛이 방출되는 상부면의 면적이 작기 때문에, 휘도 증가에 한계가 있기 때문이다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 구조의 반도체 발광소자를 제시한다. 이하, 새로운 구조의 반도체 발광소자가 적용된 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 10은 새로운 구조의 반도체 발광소자가 적용된 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분의 확대도이고, 도 11a는 도 10의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이며, 도 11b는 도 11의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이고, 도 12는 도 11a의 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이다.
도 10, 도 11a 및 도 11b의 도시에 의하면, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 수직형 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) 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 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(1020)은 기판(1010) 상에 위치하며, 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 상기 제1전극(1020)은 데이터 전극의 역할을 하도록 이루어질 수 있다.
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 접착층(1030)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 다만, 본 실시예에서 상기 전도성 접착층(1030)은 접착층으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1전극(1020)이 기판(1010)상에 위치하지 않고, 반도체 발광소자의 도전형 전극과 일체로 형성된다면, 접착층은 전도성이 필요없게 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자들의 사이에는, 제1전극(1020)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되고, 상기 반도체 발광 소자(1050)와 전기적으로 연결된 복수의 제2전극(1040)이 위치한다.
도시에 의하면, 상기 제2전극(1040)은 전도성 접착층(1030) 상에 위치될 수 있다. 즉, 전도성 접착층(1030)은 배선기판과 제2전극(1040)의 사이에 배치된다. 상기 제2전극(1040)은 상기 반도체 발광 소자(1050)와 접촉에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
상기에서 설명된 구조에 의하여, 복수의 반도체 발광 소자(1050)는 상기 전도성 접착층(1030)에 결합 되며, 제1전극(1020) 및 제2전극(1040)과 전기적으로 연결된다.
경우에 따라, 반도체 발광 소자(1050)가 형성된 기판(1010) 상에 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 포함하는 투명 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 투명 절연층이 형성된 후에 제2전극(1040)을 위치시킬 경우, 상기 제2전극(1040)은 투명 절연층 상에 위치하게 된다. 또한, 제2전극(1040)은 전도성 접착층(1030) 또는 투명 절연층에 이격 되어 형성될 수도 있다.
도시와 같이, 복수의 반도체 발광소자(1050)는 제1전극(1020)에 구비되는 복수의 전극 라인들과 나란한 방향으로 복수의 열들을 형성할 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 반도체 발광소자(1050)는 제2전극(1040)을 따라 복수의 열들을 형성할 수 있다.
나아가, 디스플레이 장치(1000)는, 복수의 반도체 발광소자(1050)의 일면에 형성되는 형광체층(1080)을 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(1050)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 형광체층(1080)은 상기 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키는 기능을 수행한다. 상기 형광체층(1080)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(1081) 또는 녹색 형광체(1082)가 될 수 있다. 즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(1051a) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(1081)가 적층 될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(1051b) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(1082)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(1051c)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(1020)의 각 라인을 따라 하나의 색상의 형광체가 적층 될 수 있다. 따라서, 제1전극(1020)에서 하나의 라인은 하나의 색상을 제어하는 전극이 될 수 있다. 즉, 제2전극(1040)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(1050)와 퀀텀닷(QD)이 조합되어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)을 발광하는 단위 화소를 구현할 수 있다.
한편, 이러한 형광체층(1080)의 대비비(Contrast) 향상을 위하여 디스플레이 장치는 각각의 형광체들의 사이에 배치되는 블랙 매트릭스(1091)를 더 포함할 수 있다. 상기 블랙 매트릭스(1091)는 형광체 도트 사이에 갭을 만들고, 흑색 물질이 상기 갭을 채우는 형태로 형성될 수 있다. 이를 통하여 블랙 매트릭스(1091)는 외광반사를 흡수함과 동시에 명암의 대조를 향상시킬 수 있다. 이러한 블랙 매트릭스(1091)는, 형광체층(1080)이 적층된 방향인 제1전극(1020)을 따라 각각의 형광체층들의 사이에 위치한다. 이 경우에, 청색 반도체 발광 소자(1051)에 해당하는 위치에는 형광체층이 형성되지 않으나, 블랙 매트릭스(1091)는 상기 형광체층이 없는 공간을 사이에 두고(또는 청색 반도체 발광 소자(1051c)를 사이에 두고) 양측에 각각 형성될 수 있다.
한편, 본 예시의 반도체 발광소자(1050)를 살펴보면, 본 예시에서 반도체 발광 소자(1050)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다. 다만, 전극이 상/하로 배치되므로, 상부에서 빛이 발광되는 면의 면적이 줄어들게 된다.
본 예시와 같이, 상기 반도체 발광소자는 가로 및 세로가 각각 10 내지 100 마이크로미터의 범위내의 크기인 경우에, 반도체 발광소자의 측면으로 손실되는 빛의 크기가 상부에서 발광되는 빛과 거의 1:1의 비율까지 증가하게 된다. 따라서, 본 예시의 반도체 발광소자는 반도체 발광소자의 측면에서 빛을 전반사하는 메커니즘을 구비하게 된다.
도 12를 참조하면, 예를 들어, 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.
상기 제1도전형 반도체층(1155)과 제2도전형 반도체층(1153)은 서로 오버랩되며, 제2도전형 반도체층(1153)의 상면에 제2도전형 전극(1152)이 배치되고, 상기 제1도전형 반도체층(1155)의 하면에 제1도전형 전극(1156)이 배치된다. 이 경우에, 제2도전형 반도체층(1153)의 상면은 상기 제1도전형 반도체층(1155)과 가장 먼 제2도전형 반도체층(1153)의 일면이며, 상기 제1도전형 반도체층(1155)의 하면은 상기 제2도전형 반도체층(1153)과 가장 먼 제1도전형 반도체층(1155)의 일면이 될 수 있다. 이와 같이, 상기 제1도전형 전극(1156) 및 제2도전형 전극(1152)은 상기 제1도전형 반도체층(1155)과 상기 제2도전형 반도체층(1153)을 사이에 두고 상하에 각각 배치된다.
도 12를 도 10 내지 도 11b와 함께 참조하면, 상기 제1도전형 반도체층(1155)의 하면은 상기 배선기판에 가장 가까운 면이 될 수 있고, 상기 제2도전형 반도체층의 상면은 상기 배선기판에 가장 먼 면이 될 수 있다.
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. 이 경우, 상부에 위치한 p형 전극은 제1전극(1020)과 전도성 접착층(1030)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, 하부에 위치한 n형 전극은 제2전극(1040)과 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 n형이 되고 제2도전형이 p형이 되는 예시도 가능하다.
이 때에, 상기 반도체 발광소자는 상기 제1도전형 반도체층(1155)과 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 측면들을 감싸도록 형성되는 패시베이션층(1160)을 포함한다.
상기 패시베이션층(1160)은 상기 반도체 발광소자의 측면을 감싸서, 상기 반도체 발광소자 특성의 안정화를 기하도록 이루어지며, 절연 재질로 형성된다. 이와 같이, 상기 제1도전형 반도체층(1155)과 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 사이가 상기 패시베이션층(1160)에 의해 전기적으로 단절되므로, 반도체 발광 소자의 P-type GaN 과 N-type GaN 은 서로 절연될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 패시베이션층(1160)은 상기 제1도전형 반도체층(1155)과 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 측면들로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어(1161, 1162)를 구비할 수 있다.
상기 복수의 레이어에서 상대적으로 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질이 반복하여 적층될 수 있다. 상기 굴절률이 높은 물질은 SiN, TiO2, Al2O3 및 ZrO2 중 적어도 하나를 구비하고, 상기 굴절률이 낮은 물질은 SiO2 를 구비하며, 상기 굴절률이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질의 굴절률 차이는 0.3 이상이 될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 굴절률이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질의 굴절률 차이는 0.3 내지 0.9 가 될 수 있다.
발광다이오드와 같은 반도체 발광소자의 광효율은 내부 양자 효율과 광 추출효율에 의해 결정되는데, 발광다이오드 내부의 다중양자우물에서 발생한 빛이 외부로 방출될 때, 질화갈륨(굴절률 2.4)과 공기(굴절률 1)와의 굴절률 차이로 인해 빛이 방출될 수 있는 임계각이 감소하여 빛의 손실이 발생하게 된다.
마이크로 단위의 반도체 발광소자에서는 소자 각각이 분리되어 있기 때문에 소자 측면에서 외부로 빠져나가는 빛을 소자 내부로 모아준다면 광추출 효율의 증가를 기대할 수 있다. 본 발명에서는 반도체 발광 소자의 패시베이션층(1160)에 굴절률 차이가 있는 유전막을 반복 적층하고, 이를 통하여 빛의 출사 각도를 조절하여 빛을 소자 내부로 모아준다. 구체적으로, 패시베이션층(1160)은 특정 파장대에서 굴절률이 낮은 물질(SiO2 등)과 굴절률이 높은 물질(SiN, TiO2, Al2O3, ZrO2등)이 차례로 반복 적층된 구조로서, 굴절률의 차이가 0.3 이상 되는 두 물질을 사용하여 소자 내부에서 발생한 빛의 경로를 바꿔주어, 소자 측면에서 외부로 빠져나가는 광손실을 억제한다.
도시에 의하면, 상기 복수의 레이어(1161, 1162) 중 상대적으로 굴절률이 낮은 레이어(1161, 제1레이어)가 상기 측면들과 직접 접촉하며, 제1레이어(1161)에 구비되는 굴절률이 낮은 물질은 상기 제1도전형 반도체층보다 굴절률이 낮도록 이루어진다. 한편, 굴절률이 높은 레이어(1162, 제2레이어)에 구비되는 물질은 상기 제1레이어보다 굴절률이 높은 물질이 될 수 있다.
이와 같이, Dielecric HR 다중막의 원리를 이용하여 높은 굴절률을 가지는 물질과 낮은 굴절률을 가지는 물질을 주기적으로 반복하여 증착하면 입사하는 빛의 간섭현상에 의해 특정 파장대에서 보강간섭이 일어나 HR(high reflection) 효과를 볼 수 있다.
이 경우에, 패시베이션층의 물질에 따른 반사율을 나타내는 그래프인 도 13a를 참조하면, 제1 및 제2레이어에서 굴절률의 차이가 클수록 반사율이 높아짐을 알 수 있다. 또한, 복수의 레이어의 반복 적층수에 따른 반사율을 나타내는 그래프인 도 13b를 참조하면, 증착 박막의 수가 많을수록 특정 파장대에서 박막의 반사율이 높아짐을 알 수 있다.
도 13a에서는 굴절률이 낮은 물질로 SiO2를(파장 450nm에서 굴절률 1.5) 사용하고, 굴절률이 높은 물질로 SiN(파장 450nm에서 굴절률 2)과 TiO2(파장 450nm에서 굴절률 2.3)를 사용하였을 경우 단일 박막 패시베이션의 경우와 비교하여 특정 파장대에서 반사율의 차이를 보여준다. SiO2 단일 박막을 사용하였을 경우 파장 450nm에서 반사가 거의 없는 반면, SiO2/SiN 박막을 사용하였을 경우 파장 450nm에서 약 90% 반사율을 나타내고, SiO2/TiO2 박막을 사용하였을 경우는 동일 파장에서 약 98%의 반사율을 나타낸다.
도 13b에서는 SiO2/SiN 박막을 사용하였을 경우, 적층박막 수에 따른 반사율의 차이를 볼 수 있으며, 박막수가 증가할수록 반사율이 증가함을 알 수 있다. 패시베이션층으로 사용되는 유전막 물질과 증착 박막수를 조절하면, 98% 이상의 측면 반사율을 얻을수 있어 이는 일반적으로 사용되는 Ag 또는 Al 같은 금속 반사막보다 더 좋은 반사특성을 얻을 수 있다.
다시 도 10, 도 11a 및 도 11b을 참조하면, 디스플레이 장치(1000)는 복수의 반도체 발광소자(1050)의 일면에 형성되는 형광체층(1080, 도 11b 참조)를 더 구비할 수 있다. 이 경우에, 반도체 발광소자들에서 출력된 빛은 형광체를 이용하여 여기시켜, 적색(R) 및 녹색(G)을 구현하게 된다. 또한, 전술한 블랙 매트릭스(191, 291, 1091, 도 3b, 도 8 및 도 11b 참조)가 형광체들의 사이에서 혼색을 방지하는 격벽의 역할을 하게 된다.
한편, 도 12를 도 10, 도 11a 및 도 11b과 함께 참조하면, 상기 패시베이션층(1160)의 적어도 일부는 상기 형광체층(1080)의 하부에서 빛을 반사하도록 이루어진다.
이러한 예로서, 패시베이션층(1160)은 바디부(1163)와 돌출부(1164)를 포함한다.
상기 바디부(1163)는 상기 제1도전형 반도체층(1155)과 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 측면들을 덮는 부분이며, 상기 디스플레이 장치의 두께방향을 따라 연장되도록 이루어진다. 상기 돌출부(1164)는 상기 바디부(1163)의 일단에서 상기 바디부(1163)와 교차하는 방향으로 돌출될 수 있다. 상기 돌출부는 상기 복수의 반도체 발광소자들을 덮도록 배치되는 형광체층(1080)과 오버랩되도록 배치된다. 또한, 상기 돌출부(1164)는 상기 제2도전형 반도체층에서 상기 제2도전형 전극이 형성되는 면(제2도전형 반도체층(1153)의 상면)과 동일평면상에 형성되는 상면을 구비할 수 있다. 제2도전형 반도체층(1153)의 상면에서 방출된 빛이 상기 형광체층(1080)의 내부에서 반사되어, 전도성 접착층(1030)으로 향하는 경우에 상기 돌출부(1164)에 의하여 상부로 반사될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 디스플레이 장치의 휘도가 더욱 증가될 수 있다.
또한, 상기 패시베이션층(1160)은 상기 바디부(1163)의 타단에서 상기 돌출부(1164)와 반대방향으로 연장되는 연장부(1165)를 포함할 수 있다. 상기 연장부(1165)는 상기 제1도전형 전극(1156)의 적어도 일부를 덮도록 형성될 수 있으며, 이를 통하여 반도체 발광소자의 하부에서 상기 제1도전형 전극(1156)과 함께 빛을 반사하는 반사 레이어를 형성할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 새로운 디스플레이 장치의 구조에 의하면, 휘도를 향상하는 구조가 구현될 수 있다.
새로운 디스플레이 장치의 구조로 실제 반도체 발광소자를 이용한 패널을 제작하여 광출력의 증가를 확인해 보았다. 굴절률이 낮은 물질로 SiO2를 사용하고, 굴절률이 높은 물질로 SiN을 사용하였으며, 소자 측면 반사율을 90%를 예상하였다. 소자의 크기는 가로 20um 세로 50um이며, 패널로 제작하여 절반은 일반 단일 패시베이션을 사용하고, 절반은 본 예시의 제안 구조를 적용하여 WPE(Wall plug efficiency)를 비교해 보았다. 패널의 휘도 측정 결과 WPE(Wall plug efficiency)가 약 12% 개선되었음을 확인할 수 있었다.
또한, 본 예시에서는, 패시베이션층이 복수의 레이어로 이루어짐에 따라, 유전막 증착시에 핀홀의 발생에 의한 반도체 발광소자의 도전형 전극간의 단락 문제도 해결될 수 있다. 단일 박막의 보호막을 사용하였을 경우에는 박막 증착 과정에서 Particle이 발생하여 박막에 작은 구멍이 생기는 경우가 발생하며 이 경우에 소자의 정상 작동이 불가능하나, 본 예시에서는 이러한 문제가 해결된다.
또한 디스플레이에서 화소수가 증가하면, 비활성화된 화소(또는 OFF 된 화소)에서도 부분적으로 발광하는 누화(crosstalk)가 문제될 수 있다. 본 예시에서 제안한 구조에 의하면, 주변 칩으로의 누설전류를 제한할 수 있어, 고해상도 디스플레이에서 선명한 화질의 구현이 가능하게 된다.
이하에서는, 위에서 살펴본 새로운 디스플레이 장치의 구조를 형성하는 제조하는 방법에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다. 도 14a, 도 14b, 도 14c, 도 14d, 도 15a, 도 15b 및 도 15c는 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
먼저, 제조방법에 의하면, 성장기판(W, 또는 반도체 웨이퍼에 제2도전형 반도체층(1153), 활성층(1154), 제1 도전형 반도체층(1155)을 각각 성장시킨다(도 14a).
제2도전형 반도체층(1153)이 성장하면, 다음은, 상기 제1도전형 반도체층(1152) 상에 활성층(1154)을 성장시키고, 다음으로 상기 활성층(1154) 상에 제1도전형 반도체층(1155)을 성장시킨다. 이와 같이, 제2도전형 반도체층(1153), 활성층(1154) 및 제1도전형 반도체층(1155)을 순차적으로 성장시키면, 도시된 것과 같이, 제2도전형 반도체층(1153), 활성층(1154) 및 제1도전형 반도체층(1155)이 적층 구조를 형성한다.
성장기판(W)은 광 투과적 성질을 가지는 재질, 예를 들어 사파이어(Al2O3), GaN, ZnO, AlO 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 성장기판(W)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.
상기 제2도전형 반도체층(1153)은 n형 반도체층으로서, n-Gan 과 같은 질화물 반도체층이 될 수 있다.
다음은, p형 반도체와 n형 반도체를 분리하고, 상기 기판상에서 서로 고립(isolation)된 복수의 반도체 발광소자를 형성하기 위한 식각 과정이 수행된다.
예를 들어, 도 14b를 참조하면, 상기 제1도전형 반도체층(1155), 활성층(1154) 및 제2도전형 반도체층(1153)의 적어도 일부를 식각하여, 상기 기판상에서 서로 고립(isolation)된 복수의 반도체 발광소자를 형성한다(도 14b 참조). 이 경우에, 상기 식각은 기판이 드러날때까지 진행될 수 있다. 다른 예로서, 반도체 발광소자의 사이에서 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 일부를 남겨놓은 상태까지 식각이 진행될 수 있다.
다음으로, 상기 반도체 발광소자들에 적어도 하나의 도전형 전극을 형성(도 14c)한다. 보다 구체적으로, 상기 제1도전형 반도체층(1155)의 일면에 상기 제1도전형 전극(1156)을 형성한다. 즉, 상기 기판상에서 반도체 발광소자들의 어레이를 형성한 후에, 상기 제1도전형 반도체층(1155)에는 제1도전형 전극(1156)이 적층된다.
이후에, 상기 반도체 발광소자들의 측면을 감싸도록 형성되는 패시베이션층(1160)을 형성한다(도 14d).
상기 패시베이션층(1160)은 상기 측면으로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어를 구비하며, 상기 복수의 레이어에서 상대적으로 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질이 반복하여 적층될 수 있다. 상기 패시베이션층(1160)에 대한 상세한 설명은 도 10 내지 도 12를 참조하여 전술한 내용으로 갈음한다. 이 경우에, 상기 패시베이션층(1160)의 돌출부(1164)는 상기 기판상에서 반도체 발광소자들의 사이 공간에 형성될 수 있다. 또한, 상기 패시베이션층(1160)의 연장부(1165)는 상기 제1도전형 전극(1156)의 적어도 일부를 덮도록 이루어질 수 있다.
이와 같은 공정에 의하면, 패시베이션층(1160)이 상기 반도체 발광소자들에서 발광되는 빛을 반사하는 구조가 구현될 수 있다.
이후에, 상기 패시베이션층이 형성된 반도체 발광소자들을 배선기판과 연결하고 상기 기판을 제거하는 단계가 진행된다.
예를 들어, 반도체 발광소자들을 전도성 접착층을 이용하여 배선기판에 결합하며, 성장기판을 제거한다(도 15a). 상기 배선기판은 제1전극(1020)이 형성된 상태이며, 상기 제1전극(1020)은 하부 배선으로서 상기 전도성 접착층(1030)내에서 도전볼 등에 의해 제1도전형 전극(1156)과 전기적으로 연결된다.
이후에, 각 발광소자마다 제2도전형 전극(1152)을 제2도전형 반도체층(1153)에 증착한 후에, 발광소자들의 제2도전형 전극(1152)을 연결하는 제2전극(1040)을 형성(도 15b)하고, 상기 반도체 발광소자를 덮도록 형광체층(1080)을 형성한다(도 15c). 상기 제2전극(1040)은 상부 배선으로서, 상기 제2도전형 전극(1152)과 직접 연결되며, 상기 패시베이션층(1160)의 돌출부(1164)가 상기 형광체층(1080)의 하부에 배치된다.
이상에서 설명된 제조방법에 의하면, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어에 의하여, 반도체 발광소자들의 측면에서 반사를 유도함에 따라, 간단한 제법임에도 불구하고 디스플레이 장치의 휘도 향상이 구현될 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치는 여러가지 형태로 변형될 수 있다. 이하, 이러한 변형예에 대하여 설명한다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분의 확대도이고, 도 17a는 도 15의 G-G를 따라 취한 단면도이며, 도 17b는 도 15의 H-H를 따라 취한 단면도이며, 도 18은 도 17a의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이다.
도 16, 도 17a, 도 17b 및 도 18의 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), 제1전극(2020), 전도성 접착층(2030), 제2전극(2040) 및 복수의 반도체 발광 소자(2050)를 포함한다. 여기에서, 제1 전극(2020) 및 제2 전극(2040)은 각각 복수의 전극 라인들을 포함할 수 있다.
기판(2010)은 제1전극(2020)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(2020)은 기판(2010) 상에 위치하며, 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 상기 제1전극(2020)은 데이터 전극의 역할을 하도록 이루어질 수 있다.
전도성 접착층(2030)은 제1전극(2020)이 위치하는 기판(2010)상에 형성된다. 전술한 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치와 같이, 전도성 접착층(2030)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 다만, 본 실시예에서 상기 전도성 접착층(2030)은 접착층으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1전극(2020)이 기판(2010)상에 위치하지 않고, 반도체 발광소자의 도전형 전극과 일체로 형성된다면, 접착층은 전도성이 필요없게 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자들의 사이에는, 제1전극(2020)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되고, 상기 반도체 발광 소자(2050)와 전기적으로 연결된 복수의 제2전극(2040)이 위치한다.
도시에 의하면, 상기 제2전극(2040)은 전도성 접착층(2030) 상에 위치될 수 있다. 즉, 전도성 접착층(2030)은 배선기판과 제2전극(2040)의 사이에 배치된다. 상기 제2전극(2040)은 상기 반도체 발광 소자(2050)와 접촉에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
상기에서 설명된 구조에 의하여, 복수의 반도체 발광 소자(2050)는 상기 전도성 접착층(2030)에 결합 되며, 제1전극(2020) 및 제2전극(2040)과 전기적으로 연결된다.
경우에 따라, 반도체 발광 소자(2050)가 형성된 기판(2010) 상에 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 포함하는 투명 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 투명 절연층이 형성된 후에 제2전극(2040)을 위치시킬 경우, 상기 제2전극(2040)은 투명 절연층 상에 위치하게 된다. 또한, 제2전극(2040)은 전도성 접착층(2030) 또는 투명 절연층에 이격 되어 형성될 수도 있다.
도시와 같이, 복수의 반도체 발광소자(2050)는 제1전극(2020)에 구비되는 복수의 전극 라인들과 나란한 방향으로 복수의 열들을 형성할 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 반도체 발광소자(2050)는 제2전극(2040)을 따라 복수의 열들을 형성할 수 있다.
나아가, 디스플레이 장치(2000)는, 복수의 반도체 발광소자(2050)의 일면에 형성되는 형광체층(2080)을 더 구비할 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. 즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(2051a) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(2081)가 적층 될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(2051b) 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(2051c)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(2020)의 각 라인을 따라 하나의 색상의 형광체가 적층 될 수 있다. 따라서, 제1전극(2020)에서 하나의 라인은 하나의 색상을 제어하는 전극이 될 수 있다. 즉, 제2전극(2040)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(2050)와 퀀텀닷(QD)이 조합되어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)을 발광하는 단위 화소를 구현할 수 있다.
한편, 이러한 형광체층(2080)의 대비비(Contrast) 향상을 위하여 디스플레이 장치는 각각의 형광체들의 사이에 배치되는 블랙 매트릭스(2091)를 더 포함할 수 있다. 상기 블랙 매트릭스(2091)는 형광체 도트 사이에 갭을 만들고, 흑색 물질이 상기 갭을 채우는 형태로 형성될 수 있다. 이를 통하여 블랙 매트릭스(2091)는 외광반사를 흡수함과 동시에 명암의 대조를 향상시킬 수 있다. 이러한 블랙 매트릭스(2091)는, 형광체층(2080)이 적층된 방향인 제1전극(2020)을 따라 각각의 형광체층들의 사이에 위치한다. 이 경우에, 청색 반도체 발광 소자(2051)에 해당하는 위치에는 형광체층이 형성되지 않으나, 블랙 매트릭스(2091)는 상기 형광체층이 없는 공간을 사이에 두고(또는 청색 반도체 발광 소자(2051c)를 사이에 두고) 양측에 각각 형성될 수 있다.
다시, 본 예시의 반도체 발광소자(2050)를 살펴보면, 본 예시에서 반도체 발광 소자(2050)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다. 다만, 전극이 상/하로 배치되나, 본 발명의 반도체 발광소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
도 18을 참조하면, 예를 들어, 상기 반도체 발광 소자(2050)는 제1도전형 전극(2156)과, 제1도전형 전극(2156)이 형성되는 제1도전형 반도체층(2155)과, 제1도전형 반도체층(2155) 상에 형성된 활성층(2154)과, 상기 활성층(2154) 상에 형성된 제2도전형 반도체층(2153) 및 제2도전형 반도체층(2153)에 형성되는 제2도전형 전극(2152)을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 제1도전형 전극(2156) 및 제1도전형 반도체층(2155)은 각각 p형 전극 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 전극(2152) 및 제2도전형 반도체층(2153)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.
보다 구체적으로, 상기 제1도전형 전극(2156)은 상기 제1도전형 반도체층(2155)의 일면에 형성되며, 상기 활성층(2154)은 상기 제1도전형 반도체층(2155)의 타면과 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 일면의 사이에 형성되고, 상기 제2도전형 전극(2152)은 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 일면에 형성된다.
이 경우에, 상기 제2도전형 전극은 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 일면에 배치되며, 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 타면에는 언도프된(Undoped) 반도체층(2153a)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1도전형 전극(2156) 및 제2도전형 전극(2152)은 반도체 발광소자의 폭방향을 따라 이격된 위치에서 각각 상기 폭방향과 수직방향(또는 두께방향)으로 서로 높이차를 가지도록 이루어진다.
상기 높이차를 이용하여 상기 제2도전형 전극(2152)은 상기 제2도전형 반도체층(2153)에 형성되나, 반도체 발광소자의 상측에 위치하는 상기 제2전극(2040)과 인접하게 배치된다. 예를 들어, 상기 제2도전형 전극(2152)은 적어도 일부가 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 측면(또는, 언도프된(Undoped) 반도체층(2153a)의 측면)으로부터 상기 폭방향을 따라 돌출된다. 이와 같이, 제2도전형 전극(2152)이 상기 측면에서 돌출되기에, 상기 제2도전형 전극(2152)은 반도체 발광소자의 상측으로 노출될 수 있다. 이를 통하여, 상기 제2도전형 전극(2152)은 전도성 접착층(2030)의 상측에 배치되는 상기 제2전극(2040)과 오버랩되는 위치에 배치된다.
보다 구체적으로, 반도체 발광 소자는 상기 제2도전형 전극(2152)에서 연장되며, 상기 복수의 반도체 발광 소자의 측면에서 돌출되는 돌출부(2152a)를 구비한다. 이 경우에, 상기 돌출부(2152a)를 기준으로 보면, 상기 제1도전형 전극(2156) 및 제2도전형 전극(2152)은 상기 돌출부(2152a)의 돌출방향을 따라 이격된 위치에서 배치되며, 상기 돌출방향과 수직한 방향으로 서로 높이차를 가지도록 형성되는 것으로 표현될 수 있다.
상기 돌출부(2152a)는 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 일면에서 측면으로 연장되며, 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 상면으로, 보다 구체적으로는 언도프된(Undoped) 반도체층(2153a)으로 연장된다. 상기 돌출부(2152a)는 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(2153a)의 측면에서 상기 폭방향을 따라 돌출된다. 따라서, 상기 돌출부(2152a)는 상기 제2도전형 반도체층을 기준으로 상기 제1도전형 전극의 반대측에서 상기 제2전극(2040)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 돌출부(2152a)를 구비하는 구조는, 전술한 수평형 반도체 발광소자와 수직형 반도체 발광소자의 장점을 이용할 수 있는 구조가 될 수 있다. 한편, 상기 언도프된(Undoped) 반도체층(2153a)에서 상기 제1도전형 전극(2156)으로부터 가장 먼 상면에는 roughing 에 의하여 미세홈들이 형성될 수 있다.
또한, 상기 반도체 발광소자(2050)는 상기 제1도전형 반도체층(2155)과 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 측면들을 감싸도록 형성되는 패시베이션층(2160)을 포함한다.
상기 패시베이션층(2160)은 상기 반도체 발광소자의 측면을 감싸서, 상기 반도체 발광소자 특성의 안정화를 기하도록 이루어지며, 절연 재질로 형성된다. 이와 같이, 상기 제1도전형 반도체층(2155)과 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 사이가 상기 패시베이션층(2160)에 의해 전기적으로 단절되므로, 반도체 발광 소자의 P-type GaN 과 N-type GaN 은 서로 절연될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 패시베이션층(2160)은 상기 제1도전형 반도체층(2155)과 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 측면들로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어(2161, 2162)를 구비할 수 있다.
상기 복수의 레이어에서 상대적으로 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질이 반복하여 적층될 수 있다. 상기 굴절률이 높은 물질은 SiN, TiO2, Al2O3 및 ZrO2 중 적어도 하나를 구비하고, 상기 굴절률이 낮은 물질은 SiO2 를 구비하며, 상기 굴절률이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질의 굴절률 차이는 0.3 이상이 될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 굴절률이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질의 굴절률 차이는 0.3 내지 0.9 가 될 수 있다.
상기 패시베이션층(2160)에 대한 상세한 설명은 도 10 내지 도 12를 참조하여 전술한 내용이 모두 적용될 수 있으며, 이에 대한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.
상기 패시베이션층(2160)은 상기 제2도전형 전극(2152)과 함께 상기 제1도전형 반도체층(2155)의 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
이 경우에, 상기 제2도전형 전극(2152) 및 상기 활성층(2154)은 상기 제2도전형 반도체층(2153)의 일면에 형성되며, 상기 패시베이션층(2160)을 사이에 두고 일방향으로 이격 배치된다. 여기에서, 일방향(또는 수평방향)은 상기 반도체 발광소자의 폭방향이 되며, 수직방향은 상기 반도체 발광소자의 두께방향이 될 수 있다.
또한, 상기 제1도전형 반도체층(2155)에서 상기 패시베이션층(2160)에 의하여 덮이지 않고 노출되는 부분에 상기 제1도전형 전극(2156)이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제1도전형 전극(2156)은 상기 패시베이션층(2160)을 관통하여 외부로 노출된다.
이와 같이, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극(2156, 2152)은, 상기 상기 패시베이션층(2160)에 의해 이격되므로, 반도체 발광 소자의 n형 전극 및 p형 전극은 절연될 수 있다.
이상에서 설명된 구조에 의하면, 전극이 상하로 배치되는 플립 칩 타입 반도체 발광 소자에서 측면 반사를 위한 패시베이션층(2160)이 구현될 수 있으며, 이를 통하여 디스플레이 장치의 휘도가 증가될 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. 기판에 장착되는 복수의 반도체 발광소자들을 구비하는 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 반도체 발광소자들 중 적어도 하나는,
    제1도전형 전극 및 제2도전형 전극;
    상기 제1도전형 전극이 배치되는 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극이 배치되는 제2도전형 반도체층; 및
    상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층의 측면들을 감싸도록 형성되는 패시베이션층을 포함하고,
    상기 패시베이션층은 상기 측면들로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 레이어에서 상대적으로 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질이 반복하여 적층되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 굴절률이 높은 물질은 SiN, TiO2, Al2O3 및 ZrO2 중 적어도 하나를 구비하고, 상기 굴절률이 낮은 물질은 SiO2 를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 레이어 중 상대적으로 굴절률이 낮은 레이어가 상기 측면들과 직접 접촉하는 것을 특징으로 디스플레이 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 굴절률이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질의 굴절률 차이는 0.3 내지 0.9 인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 굴절률이 낮은 물질은 상기 제1도전형 반도체층보다 굴절률이 낮은 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는 가로 및 세로가 각각 10 내지 100 마이크로미터의 범위내의 크기인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층을 사이에 두고 상하에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 레이어들 중 적어도 일부는 상기 제1도전형 전극의 적어도 일부를 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션층은
    상기 측면들을 덮는 바디부;
    상기 바디부의 일단에서 상기 바디부와 교차하는 방향으로 돌출되는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 제2도전형 반도체층에서 상기 제2도전형 전극이 형성되는 면과 동일평면상에 형성되는 상면을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 복수의 반도체 발광소자들을 덮도록 배치되는 형광체층과 오버랩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 바디의 타단에서 상기 돌출부와 반대방향으로 연장되는 연장부를 포함하는 디스플레이 장치.
  14. 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극;
    상기 제1도전형 전극이 배치되는 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극이 배치되는 제2도전형 반도체층; 및
    상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층의 측면들을 감싸도록 형성되는 패시베이션층을 포함하고,
    상기 패시베이션층은 상기 측면들로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 레이어에서 상대적으로 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질이 반복하여 적층되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 굴절률이 높은 물질은 SiN, TiO2, Al2O3 및 ZrO2 중 적어도 하나를 구비하고, 상기 굴절률이 낮은 물질은 SiO2 를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  17. 기판상에 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 성장시키는 단계;
    식각을 통하여 상기 기판상에서 반도체 발광소자들을 아이솔레이션하는 단계;
    상기 반도체 발광소자들의 측면을 감싸도록 형성되는 패시베이션층을 형성하는 단계; 및
    상기 패시베이션층이 형성된 반도체 발광소자들을 배선기판과 연결하고 상기 기판을 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 패시베이션층은 상기 측면들로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 패시베이션층을 형성하는 단계는,
    상대적으로 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질이 반복하여 적층되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
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