KR20200019501A - 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 기판, 상기 기판 상에 형성되며, 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 박막 트랜지스터 및 개별 화소를 형성하도록 빛을 방출하며, p형 전극 및 n형 전극을 구비하는 복수의 반도체 발광 소자들을 포함하고, 상기 반도체 발광소자들 각각은 p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나가 상기 박막 트랜지스터의 소스 전극과 오버랩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치를 제공한다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 그 제조 방법{DISPLAY DEVICE USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 플렉서블 디스플레이 장치 및 그 제조방법에 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.
종래 능공 구동 디스플레이 장치는 pixel내에 박막 트랜지스터 및 발광체로 구성되어 있으며, 그 영역에는 구분이 있다. 유기 발광소자의 경우, 유기 발광체 물질은 증착면의 표면 상태에 따라서 특성 및 수율에 대한 편차가 크기 때문에 유기 발광소자만을 위한 공간 확보가 중요하게 자리 잡는다. 마이크로 LED의 경우, N-pad, P-pad에 대한 본딩 공정을 포함함으로, 이때에 발생하는 물리적 압력 및 온도는 반도체에 직접적인 스트레스를 가하게 됨으로 동일하게 본딩 영역에 대한 구분이 필요하다.
한정된 픽셀 크기 내에 공간 분할을 위하여 박막 트랜지스터의 크기 또한 극소화 하기 위하여서는 널리 알려진 포토 리소그래피 공정이 아닌 E-beam과 같은 고가의 장비를 활용한 공정 방식이 필요하다는 단점이 있다. 일반적인 포토 리소그래피 공정을 통하여 제작 되는 TFT의 경우, 채널 길이를 짧게는 ~2μm까지 제작 가능하나, short channel 효과에 의한 TFT 문턱전압에 영향을 심각하게 주게 되고, 이는 활용하기 위해서는 보다 많은 숫자의 트랜지스터를 이용하여 문턱전압 보상을 해야 하는 단점이 발생하게 된다.
본 발명의 일 목적은, 한정된 픽셀 내에서 박막 트랜지스터와 반도체 발광소자를 효율적으로 배치할 수 있도록 하는 구조를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 기판, 상기 기판 상에 형성되며, 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 박막 트랜지스터 및 개별 화소를 형성하도록 빛을 방출하며, p형 전극 및 n형 전극을 구비하는 복수의 반도체 발광 소자들을 포함하고, 상기 반도체 발광소자들 각각은 p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나가 상기 박막 트랜지스터의 소스 전극과 오버랩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치를 제공한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는, 상기 기판 위에 배치되는 게이트 전극, 상기 게이트 전극 상에 위치하는 소스 전극, 환 형상 또는 환 형상에서 일부가 제거된 형상을 가지고, 상기 소스 전극을 에워싸는 드레인 전극을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는 상기 소스 및 드레인 전극 상에 배치되는 보호층 및 상기 보호층을 관통하여 상기 소스 전극과 상기 p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 연결전극을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나와 상기 소스 전극 및 상기 연결 전극은 서로 오버랩되도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는 상기 게이트 전극과 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 절연막 및 상기 게이트 절연막, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 위치하는 반도체층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 반도체층은 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 소스 전극은 상기 p형 전극과 오버랩되도록 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는 상기 반도체층과 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 위치하는 에치 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 에치 스토퍼의 형상은 환 형상이고, 상기 반도체층은 원형상일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 게이트 전극의 형상은 원형상일 수 있다.
또한, 본 발명은 박막트랜지스터 및 복수의 반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 기판 상에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 박막트랜지스터를 형성하는 단계, 상기 소스 전극과 오버랩되는 연결전극을 형성하는 단계, 상기 기판상에 배선 전극을 형성하는 단계, p형 전극 및 n형 전극을 포함하는 복수의 반도체 발광소자들을 상기 박막 트랜지스터가 형성된 기판 상에 전사하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 반도체 발광소자들 각각은 상기 p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나가 상기 소스 전극 및 연결 전극과 오버랩되도록 전사되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치에서는, 박막트랜지스터의 일부와 반도체 발광소자가 오버랩되어 배치되기 때문에, 픽셀 공간을 효율적으로 활용할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 내부 전극을 소스 전극으로 활용함으로써, 빠른 포화특성을 확보할 수 있게되며, 이는 대면적 디스플레이 등에서 발생될 수 있는 전압강하에 대하여 반도체 발광소자에 흐르는 전류를 일정하게 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 박막 트랜지스터와 반도체 발광소자 간의 영역 구분이 사라지기 때문에 고해상도 디스플레이 장치에 적합한 구조를 제공할 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 디스플레이 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 11은 새로운 구조의 디스플레이 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 평면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 회로도이다.
도 14는 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15 및 16은 본 발명에 다른 디스플레이 장치의 제조 방법을 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)과 대향하도록 배치한다.
이 경우에, 제2기판(112)은 반도체 발광 소자(150)를 성장시키는 성장 기판으로서, 사파이어(spire) 기판 또는 실리콘(silicon) 기판이 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자는 웨이퍼(wafer) 단위로 형성될 때, 디스플레이 장치를 이룰 수 있는 간격 및 크기를 가지도록 함으로써, 디스플레이 장치에 효과적으로 이용될 수 있다.
그 다음에, 배선기판과 제2기판(112)을 열압착한다. 예를 들어, 배선기판과 제2기판(112)은 ACF press head 를 적용하여 열압착될 수 있다. 상기 열압착에 의하여 배선기판과 제2기판(112)은 본딩(bonding)된다. 열압착에 의하여 전도성을 갖는 이방성 전도성 필름의 특성에 의해 반도체 발광 소자(150)와 보조전극(170) 및 제2전극(140)의 사이의 부분만 전도성을 가지게 되며, 이를 통하여 전극들과 반도체 발광소자(150)는 전기적으로 연결될 수 있다. 이때에, 반도체 발광 소자(150)가 상기 이방성 전도성 필름의 내부로 삽입되며, 이를 통하여 반도체 발광 소자(150) 사이에 격벽이 형성될 수 있다.
그 다음에, 상기 제2기판(112)을 제거한다. 예를 들어, 제2기판(112)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다.
마지막으로, 상기 제2기판(112)을 제거하여 반도체 발광 소자들(150)을 외부로 노출시킨다. 필요에 따라, 반도체 발광 소자(150)가 결합된 배선기판 상을 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 코팅하여 투명 절연층(미도시)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 반도체 발광 소자(150)의 일면에 형광체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 적색 형광체 또는 녹색 형광체가 상기 청색 반도체 발광 소자의 일면에 레이어를 형성할 수 있다.
이상에서 설명된 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법이나 구조는 여러가지 형태로 변형될 수 있다. 그 예로서, 상기에서 설명된 디스플레이 장치에는 수직형 반도체 발광 소자도 적용될 수 있다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 수직형 구조에 대하여 설명한다.
또한, 이하 설명되는 변형예 또는 실시예에서는 앞선 예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.
도 7은 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 일 실시예를 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7의 라인 D-D를 따라 취한 단면도이며, 도 9은 도 8의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
본 도면들을 참조하면, 디스플레이 장치는 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 수직형 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치가 될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 기판(210), 제1전극(220), 전도성 접착층(230), 제2전극(240) 및 복수의 반도체 발광 소자(250)를 포함한다.
기판(210)은 제1전극(220)이 배치되는 배선기판으로서, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능할 것이다.
제1전극(220)은 기판(210) 상에 위치하며, 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 상기 제1전극(220)은 데이터 전극의 역할을 하도록 이루어질 수 있다.
전도성 접착층(230)은 제1전극(220)이 위치하는 기판(210)상에 형성된다. 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치와 같이, 전도성 접착층(230)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 다만, 본 실시예에서도 이방성 전도성 필름에 의하여 전도성 접착층(230)이 구현되는 경우를 예시한다.
기판(210) 상에 제1전극(220)이 위치하는 상태에서 이방성 전도성 필름을 위치시킨 후에, 반도체 발광 소자(250)를 열 및 압력을 가하여 접속시키면, 상기 반도체 발광 소자(250)가 제1전극(220)과 전기적으로 연결된다. 이 때, 상기 반도체 발광 소자(250)는 제1전극(220) 상에 위치되도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 전기적 연결은 전술한 바와 같이, 이방성 전도성 필름에서 열 및 압력이 가해지면 부분적으로 두께방향으로 전도성을 가지기 때문에 생성된다. 따라서, 이방성 전도성 필름에서는 두께방향으로 전도성을 가지는 부분(231)과 전도성을 가지지 않는 부분(232)으로 구획된다.
또한, 이방성 전도성 필름은 접착 성분을 함유하기 때문에, 전도성 접착층(230)은 반도체 발광 소자(250)와 제1전극(220) 사이에서 전기적 연결뿐만 아니라 기계적 결합까지 구현한다.
이와 같이, 반도체 발광 소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광 소자(250)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 직사각형인 경우에는 20X80㎛ 이하의 크기가 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자(250)는 수직형 구조가 될 수 있다.
수직형 반도체 발광 소자들의 사이에는, 제1전극(220)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되고, 수직형 반도체 발광 소자(250)와 전기적으로 연결된 복수의 제2전극(240)이 위치한다.
도 9를 참조하면, 이러한 수직형 반도체 발광 소자는 p형 전극(256), p형 전극(256) 상에 형성된 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층(254), 활성층(254)상에 형성된 n형 반도체층(253) 및 n형 반도체층(253) 상에 형성된 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(256)은 제1전극(220)과 전도성 접착층(230)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(252)은 후술하는 제2전극(240)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광 소자(250)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다시 도 8을 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(250)의 일면에는 형광체층(280)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(250)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자(251)이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 형광체층(280)이 구비될 수 있다. 이 경우에, 형광체층(280)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(281) 및 녹색 형광체(282) 일 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(251) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(281)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(251) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(282)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(251)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치에서 전술한 바와 같이, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
다시 본 실시예를 살펴보면, 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250) 사이에 위치하고, 반도체 발광 소자들(250)과 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 반도체 발광 소자들(250)은 복수의 열로 배치되고, 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250)의 열들 사이에 위치할 수 있다.
개별 화소를 이루는 반도체 발광 소자(250) 사이의 거리가 충분히 크기 때문에 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250) 사이에 위치될 수 있다.
제2전극(240)은 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있으며, 제1전극과 상호 수직한 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 제2전극(240)과 반도체 발광 소자(250)는 제2전극(240)에서 돌출된 연결 전극에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 연결 전극이 반도체 발광 소자(250)의 n형 전극이 될 수 있다. 예를 들어, n형 전극은 오믹(ohmic) 접촉을 위한 오믹 전극으로 형성되며, 상기 제2전극은 인쇄 또는 증착에 의하여 오믹 전극의 적어도 일부를 덮게 된다. 이를 통하여 제2전극(240)과 반도체 발광 소자(250)의 n형 전극이 전기적으로 연결될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 상에 위치될 수 있다. 경우에 따라, 반도체 발광 소자(250)가 형성된 기판(210) 상에 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 포함하는 투명 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 투명 절연층이 형성된 후에 제2전극(240)을 위치시킬 경우, 상기 제2전극(240)은 투명 절연층 상에 위치하게 된다. 또한, 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 또는 투명 절연층에 이격되어 형성될 수도 있다.
만약 반도체 발광 소자(250) 상에 제2전극(240)을 위치시키기 위하여는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극을 사용한다면, ITO 물질은 n형 반도체층과는 접착성이 좋지 않은 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 반도체 발광 소자(250) 사이에 제2전극(240)을 위치시킴으로써, ITO와 같은 투명 전극을 사용하지 않아도 되는 이점이 있다. 따라서, 투명한 재료 선택에 구속되지 않고, n형 반도체층과 접착성이 좋은 전도성 물질을 수평 전극으로 사용하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광 소자(250) 사이에는 격벽(290)이 위치할 수 있다. 즉, 개별 화소를 이루는 반도체 발광 소자(250)를 격리시키기 위하여 수직형 반도체 발광 소자(250) 사이에는 격벽(290)이 배치될 수 있다. 이 경우, 격벽(290)은 개별 단위 화소를 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 상기 전도성 접착층(230)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 반도체 발광 소자(250)가 삽입됨에 의하여 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 상기 격벽을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도성 필름의 베이스 부재가 블랙이면, 별도의 블랙 절연체가 없어도 상기 격벽(290)이 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)가 증가될 수 있다.
다른 예로서, 상기 격벽(190)으로서, 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 격벽(290)은 디스플레이 장치의 목적에 따라 블랙(Black) 또는 화이트(White) 절연체를 포함할 수 있다.
만일 제2전극(240)이 반도체 발광 소자(250) 사이의 전도성 접착층(230) 상에 바로 위치된 경우, 격벽(290)은 수직형 반도체 발광 소자(250) 및 제2전극(240)의 사이사이에 위치될 수 있다. 따라서, 반도체 발광 소자(250)를 이용하여 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있고, 반도체 발광 소자(250)의 거리가 상대적으로 충분히 크게 되어 제2전극(240)을 반도체 발광 소자(250) 사이에 위치시킬 수 있고, HD 화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있는 효과가 있게 된다.
또한, 도시에 의하면, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체 사이에는 블랙 매트릭스(291)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(291)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
상기 설명과 같이, 반도체 발광 소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 따라서, 반도체 발광 소자에 의하여 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이루는 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다
상기에서 설명된 본 발명의 예시들은 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 구조를 가지고 있다. 전술한 예시들은 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하나, 액티브 매트릭스의 구현을 위해서는 픽셀 내에 박막 트랜지스터 및 반도체 발광소자가 함께 배치되어야 하므로, 효율적인 공간활용이 어렵다는 문제가 있다. 본 발명은 픽셀 공간을 효율적으로 사용 가능한 디스플레이 구조를 제공한다.
도 10은 새로운 구조의 디스플레이 장치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 11은 새로운 구조의 디스플레이 장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 12는 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 평면도이다.
도 10을 참조하면, 기판 상에는 박막 트랜지스터(320), 반도체 발광소자(350) 및 배선전극(340) 형성된다.
기판은 배선전극들이 배치되는 배선기판으로서, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능할 것이다.
반도체 발광 소자(350)는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 수직형 구조의 반도체 발광 소자가 이용될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자(350)는 제1도전형 전극과, 제1도전형 전극(356)이 형성되는 제1도전형 반도체층과, 제1도전형 반도체층 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 제2도전형 반도체층 및 제2도전형 반도체층에 형성되는 제2도전형 전극(352)을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 제1도전형 전극(356) 및 제1도전형 반도체층은 각각 p형 전극 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 전극(352) 및 제2도전형 반도체층은 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.
상기 반도체 발광소자(350) 상기 박막 트랜지스터(320)와 오버랩되도록 배치된다. 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 구조에 대하여 설명하기 앞서, 상기 박막 트랜지스터(320)의 구조에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 11을 참조하면, 박막 트랜지스터(320)는 게이트 전극(321), 게이트 절연막(328), 반도체층(326), 에치 스토퍼(324), 드레인 전극(322), 소스 전극(323), 보호층(329) 및 연결전극(327)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서는 n형 트랜지스터에 대하여 설명하지만, 본 발명은 p형 트랜지스터에 대하여도 적용될 수 있다. 다만, p형 트랜지스터를 이용하는 경우, n형 트랜지스터의 소스 전극 위치에 p형 트랜지스터의 드레인 전극이 배치되고, n형 트랜지스터의 드레인 전극 위치에 p형 트랜지스터의 소스 전극이 배치된다. 즉, p형 트랜지스터를 활용하는 경우, 소스 전극과 드레인 전극이 뒤바뀐다.
상기 게이트 전극(321)은 금속 재질일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 게이트 전극(321)은 몰리브덴(Mo)이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 게이트 전극(321)은 기판 위에 게이트 도전막을 증착하고, 게이트 도전막 상에 포토 레이스트 패턴을 형성한 후, 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 게이트 도전막을 선택적으로 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
상기 게이트 전극(321)의 적어도 일부의 평면도 상은 원 형상일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 게이트 전극(321)의 일부 형상은 원형상이고, 나머지 일부의 형상은 원형상과 연결된 막대 형상일 수 있다.
한편, 상기 게이트 절연막(328)은 상기 게이트 전극(321) 상에 증착되고, 상기 반도체층(326)은 게이트 절연막(328) 상에 증착된다. 상기 반도체층(326)의 평면도 상은 원 형상일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 게이트 절연막(328)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 반도체층(326)은 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 반도체층(326)은 a-IGZO(amorphous Indium Gallium Zinc Oxide)로 이루어질 수 있다. 상기 반도체층(326)은 게이트 전극(321)과 동일한 축 상에 형성될 수 있다.
한편, 상기 반도체층(326) 상부에는 에치 스토퍼(324)가 형성될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 에치 스토퍼(324)의 평면도 상의 형상은 환형일 수 있다. 상기 에치 스토퍼(324)는 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
상기 드레인 전극(322)은 상기 에치 스토퍼(324) 상에 형성된다. 드레인 전극(322)은 금속 재질일 수 있으며, 일 실시 예로 몰리브덴(Mo)이 사용될 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 드레인 전극(322)의 적어도 일부는 평면도 상의 형상이 환형 또는 환형에서 일부가 제거된 형상일 수 있다. 한편, 드레인 전극(322)은 평면도 상에서 막대 형태의 전극 부분을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 드레인 전극(322)은 일부가 평면도 상에서 환형 형상을 가지고, 나머지 일부가 평면도 상에서 막대 형상을 가지는 형상을 가질 수 있다.
상기 보호층(329)은 상기 드레인 전극(322) 상에 형성된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 보호층(329)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 소스 전극(323)은 상기 보호층(329)을 관통하는 컨택 홀 내부에 형성될 수 있다. 상기 소스 전극(323)은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 소스 전극(323)은 몰리브덴(Mo)으로 이루어질 수 있다.
한편, 도 12를 참조하면, 상기 소스 전극(323)은 평면도 상에서 원형 형상을 가질 수 있다.
상기 드레인 전극(322)의 환 형상의 내부 반지름 및 외부 반지름은 상기 에치 스토퍼(324)의 환 형상의 내부 반지름 및 외부 반지름보다 클 수 있다. 이에 따라, 상기 에치 스토퍼(324)의 일부는 단면도 상에서 드레인 전극(322)과 소스 전극(323) 사이에 배치된다.
연결 전극(327)은 상기 보호층 위에 형성되며, 상기 소스 전극(323)과 오버랩되도록 배치된다. 상기 연결 전극(327)은 상기 소스 전극(323)과 반도체 발광소자(350)의 p형 및 n형 전극 중 어느 하나를 전기적으로 연결시키는 역할을 한다.
상술한 박막 트랜지스터(320)는 기판 상에 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 디스플레이 장치는 상술한 박막 트랜지스터의 일부와 반도체 발광소자가 오버랩되는 구조를 제공한다.
다시 도 10을 참조하면, 상기 반도체 발광소자(350)들 각각은 p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나가 상기 박막 트랜지스터(320)의 소스 전극(323)과 오버랩되도록 배치된다. 상기 p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나는 상기 연결 전극(327) 및 소스 전극(323)과 오버랩되며, 상기 연결 전극(327)을 통해 소스 전극과 전기적으로 연결된다.
구체적으로, 상기 p형 전극 및 n형 전극 중 하나는 상기 드레인 전극(322)의 환 형상 내부에 배치된다. 이에 따라, 반도체 발광소자의 일부와 박막 트랜지스터의 일부는 서로 오버랩된다.
상술한 구조에 따르면, 상기 소스 전극(323)은 반도체 발광소자의 내부 전극으로 활용되며, 제한된 픽셀 내 공간은 효과적으로 활용할 수 있게 된다. 이를 통해, 본 발명은 픽셀의 면적을 소형화할 수 있게 된다.
한편, 상기 박막 트랜지스터의 종류에 따라 상기 소스 전극과 드레인 전극의 위치가 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 박막 트랜지스터(320) p형 트랜지스터인 경우, 소스 전극과 드레인 전극의 위치가 뒤바뀐다. 또한, 반도체 발광소자(350)는 드레인 전극과 오버랩되며, 소스 전극의 환 형상 내부에 배치될 수 있다.
한편, 상기 박막 트랜지스터의 종류에 따라 디스플레이 장치의 회로가 달라질 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 회로도이다.
도 13(a)를 참조하면, 박막 트랜지스터가 n 형 트랜지스터인 경우, driving TFT의 소스전극과 LED의 anode 전극이 본딩되어 구동된다.
이와 달리, 도 13(b)를 참조하면, 박막 트랜지스터가 p형 트랜지스터인 경우, 반도체 발광소자는 VDD의 신호를 받게 되고, 박막 트랜지스터의 게이트는 storage capacitor에 연결되어 있어, data signal에 해당되는 전압이 storage capacitor에 저장될 수 있다. 이로 인하여 driving TFT를 통하여 전달되는 data signal의 변동 폭은 감소되어 질 수 있게 되어 도 13(a)의 경우보다 안정적인 구동이 가능하여 진다. 그러므로, AMOLED를 위한 driving TFT와 LED의 연결 상태는, 전류 구동 기반일 경우 도 13(b)와 같은 연결 구조를 가지는 것이 보다 안정적인 구동이 될 수 있다.
한편, 도 14를 참조하면, 산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터의 경우, 전극의 구조에 따라 전기적 특성이 다르게 나타나며, 소스 전극이 외부 전극일 때(도 14 (a), (b))와 내부 전극으로 활용하였을 때(도 14 (c), (d)) 각각의 특성이 다르게 나타날 수 있다. 최종적으로 내부 전극을 소스 전극으로 사용하고, LED 전류를 결정하는 driving 박막 트랜지스터에 적용 되었을 때 가장 좋은 효과를 볼 수 있다. LED의 P 전극을 박막 트랜지스터의 소스 전극상에서 본딩하며, 이때 물리적인 공정에 영향을 받지 않도록 소스 전극 아래로는 절연막과 metal line만 구성이 될 수 있도록 하게 되고, LED와 박막 트랜지스터의 overlap 영역이 발생할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 내부 전극을 소스 전극으로 활용함으로써, 빠른 saturation 특성을 확보 할 수 있게 되며, 이는 large scale display 또는 물질적 요건으로 인하여 발생할 수 있는 전압강하에 대하여 LED 전류를 일정하게 확보할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 15 및 16은 본 발명에 다른 디스플레이 장치의 제조 방법을 나타내는 개념도이다.
도 15를 참조하면, 기판(310) 상에 박막 트랜지스터를 형성하는 단계가 진행된다. 이후, 보호층에 형성된 홀에 연결 전극(327)을 형성하는 단계가 진행된다. 한편, 상기 기판(310) 상에는 반도체 발광소자(350)의 p형 및 n형 전극 중 박막 트랜지스터와 오버랩되지 않는 전극과 전기적으로 연결되는 배선전극(340)이 형성된다. 박막 트랜지스터(320)와 배선전극(340)을 간략하게 나타내면 도 15의 세번째 그림과 같다.
다음으로, 웨이퍼(W) 상에 반도체 발광소자(350)를 형성하는 단계가 진행된다. 이후, 반도체 발광소자(350)를 기판(310) 상에 전사하는 단계가 진행된다. 구체적으로, 도 16을 참조하면, 웨이퍼(W) 상에 형성된 반도체 발광소자(350)의 제1도전형 전극(356)과 박막 트랜지스터(320), 제2도전형 전극(352)과 배선전극(340)이 서로 오버랩되도록, 웨이퍼(W)와 기판(310)을 얼라인 시킨 후, 웨이퍼(W)와 기판(310)을 압착시킨다. 마지막으로, 웨이퍼(W)를 제거하여 반도체 발과소자(350)가 기판(310) 상에 잔류하도록 한다.
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 (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 박막 트랜지스터; 및
    개별 화소를 형성하도록 빛을 방출하며, p형 전극 및 n형 전극을 구비하는 복수의 반도체 발광 소자들을 포함하고,
    상기 반도체 발광소자들 각각은,
    p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나가 상기 박막 트랜지스터의 소스 전극과 오버랩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터는,
    상기 기판 위에 배치되는 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에 위치하는 소스 전극;
    환 형상 또는 환 형상에서 일부가 제거된 형상을 가지고, 상기 소스 전극을 에워싸는 드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터는,
    상기 소스 및 드레인 전극 상에 배치되는 보호층; 및
    상기 보호층을 관통하여 상기 소스 전극과 상기 p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나를 전기적으로 연결하는 연결 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나와 상기 소스 전극 및 상기 연결 전극은 서로 오버랩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터는,
    상기 게이트 전극과 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 절연막; 및
    상기 게이트 절연막, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 위치하는 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반도체층은 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소스 전극은 상기 p형 전극과 오버랩되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터는,
    상기 반도체층과 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 위치하는 에치 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 에치 스토퍼의 형상은 환 형상이고, 상기 반도체층은 원형상인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 게이트 전극의 형상은 원형상인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  11. 박막트랜지스터 및 복수의 반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치의 제조방법에 있어서,
    기판 상에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 박막트랜지스터를 형성하는 단계;
    상기 소스 전극과 오버랩되는 연결 전극을 형성하는 단계;
    상기 기판상에 배선 전극을 형성하는 단계; 및
    p형 전극 및 n형 전극을 포함하는 복수의 반도체 발광소자들을 상기 박막 트랜지스터가 형성된 기판 상에 전사하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 반도체 발광소자들 각각은,
    상기 p형 전극 및 n형 전극 중 어느 하나가 상기 소스 전극 및 연결 전극과 오버랩되도록 전사되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터는,
    상기 기판 위에 배치되는 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에 위치하는 소스 전극; 및
    환 형상 또는 환형상에서 일부가 제거된 형상을 가지고, 상기 소스 전극을 에워싸는 드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터가 n형 트랜지스터인 경우,
    상기 반도체 발광소자의 p형 전극이 상기 소스 전극과 오버랩되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조 방법.
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