KR20210039321A - 수직 정렬된 버티컬 타입 초소형 엘이디를 구비한 엘이디 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직 정렬된 버티컬 타입 초소형 엘이디를 구비한 엘이디 어셈블리에 관한 것으로, 나노 크기 또는 마이크로 크기를 갖는 버티컬 타입 초소형 엘이디의 최적화된 정렬을 통해 광효율, 광량 및 집적도를 비약적으로 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명은, 두께방향으로 형성된 다수의 관통홀을 구비한 기판, 상하 폭이 좌우 폭보다 큰 버티컬 타입으로 이루어지고 기판의 관통홀에 대하여 적어도 일부 삽입되어 세워진 상태로 정렬된 초소형 엘이디 및 기판의 하면에 증착되어 제1전도성층과 연결된 제1전극 및 기판의 하면에 증착되어 제2전도성층과 연결된 제2전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수직 정렬된 버티컬 타입 초소형 엘이디를 구비한 엘이디 어셈블리{LED assembly with vertically aligned vertical type micro LED}
본 발명은 엘이디 어셈블리에 관한 것으로, 특히 나노 크기 또는 마이크로 크기를 갖는 버티컬 타입 초소형 엘이디의 최적화된 정렬을 통해 광효율, 광량 및 집적도를 비약적으로 향상시킬 수 있도록 한 엘이디 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로 엘이디는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서 광 변환 효율이 높기에 에너지 소비량이 매우 적으며 수명이 반영구적이고 환경 친화적인 그린 소재로서 빛의 혁명이라 불리며, 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 널리 이용되어 왔다.
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 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 정렬방법, 전극 배치, 배치된 전극에 초소형 LED의 실장방법 등에 관한 것들이다.
초소형 LED의 경우 크기적 제약으로 인해 목적한 대로 자유롭게 정렬하기가 매우 어렵다는 난점이 상존하고 있다. 이는 초소형 LED가 나노 스케일 또는 마이크로 스케일임에 따라 사람의 손으로 일일이 정렬하여 전극영역에 배치 및 실장하지 못하기 때문이다. 그러나 위와 같은 제약에도 불구하고 도 1에 도시된 것처럼 전극(20a,20b) 형성된 기판(10)에 제1전극(31), 제2전극(32) 및 활성층(33)을 갖는 엘이디(30)를 수평방향으로 눕혀 정렬하는 방식의 기술이 개시된 바 있다.
하지만, 이같이 엘이디(30)를 수평방향으로 정렬하게 되면 출광방향이 전면이나 후면이 아닌 측면으로 향하면서 광효율 및 광량이 낮아지고, 눕혀져 있는 엘이디(30) 하나가 차지하는 면적이 커지면서 집적도가 떨어져 고해상도 디스플레이에 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 엘이디(30)의 제1전도성층(31), 제2전도성층(32)이 다른 열에 속한 엘이디(30)의 제1전도성층(31), 제2전도성층(32)과 서로 뒤섞이기 때문에 전극(20a,20b)의 연결이 쉽지 않았다.
더욱이 엘이디(30)가 기판(10) 및 전극(20a,20b)에 대하여 구조적인 기반 없이 유전체 전기영동력(dielectrophoreic force)과 같은 힘에 의존하여 자가정렬되기 때문에 정확한 정렬이 이루어지지 못하는데다가 그 정렬된 상태를 안정적으로 유지하는데도 어려움이 있었다.
한국공개특허공보 제2016-0059576호(2016.05.27.)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 나노 크기 또는 마이크로 크기를 갖는 버티컬 타입 초소형 엘이디의 최적화된 정렬을 통해 광효율, 광량 및 집적도를 비약적으로 향상시킬 수 있도록 한 엘이디 어셈블리를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 엘이디 어셈블리는, 두께방향으로 형성된 다수의 관통홀을 구비한 기판; 상하 폭이 좌우 폭보다 큰 버티컬 타입으로 이루어지고 상기 기판의 관통홀에 대하여 적어도 일부 삽입되어 세워진 상태로 정렬된 초소형 엘이디; 및 상기 기판의 하면에 증착되어 상기 제1전도성층과 연결된 제1전극 및 상기 기판의 상면에 증착되어 상기 제2전도성층과 연결된 제2전극;을 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판에 대한 초소형 엘이디의 정렬은, 두께방향으로 형성된 다수의 관통홀을 구비한 기판을 마련하는 단계; 정렬하려는 초소형 엘이디를 부유액에 포함된 상태로 상기 기판의 상측에 위치시키는 단계; 및 상기 기판의 상측과 하측에 압력차를 발생시켜 상기 부유액을 상기 기판의 관통홀을 통해 하측으로 이동시킴으로써 상기 부유액에 포함된 초소형 엘이디가 상기 관통홀에 적어도 일부 삽입되어 세워진 상태로 정렬되도록 유도하는 단계;를 포함하는 초소형 엘이디 정렬방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초소형 엘이디는 상부에 비해 하부가 높은 밀도를 갖도록 하여 상기 초소형 엘이디의 정렬 시 하향 이동하는 부유액 속에서 상대적으로 높은 밀도를 갖는 초소형 엘이디의 하부가 하향하도록 유도하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초소형 엘이디는 하층에서 상층까지 제1전도성층, 활성층, 제2전도성층을 포함하며, 상기 제1전도성층과 제2전도성층 중 어느 하나는 n-형 질화물 반도체층이고 나머지 하나는 p-형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초소형 엘이디는 상하 폭이 100nm ~ 10㎛인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판의 관통홀은 상측에서 하측에 이르기까지 동일한 내경으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판의 관통홀은 상측에서 하측으로 갈수록 점진적으로 내경이 작아지는 경사구간을 포함하며, 상기 초소형 엘이디는 상기 기판의 관통홀에 삽입된 상태에서 경사구간 일지점에 걸쳐져 고정된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판의 관통홀은 서로 다른 크기의 내경을 갖는 복수 종류로 구비되고, 상기 초소형 엘이디는 상기 복수 종류의 관통홀에 각각 대응하는 크기의 직경을 갖는 복수 종류로 구비되어, 상기 초소형 엘이디 정렬방법에 의해 상기 초소형 엘이디를 정렬할 때 직경이 큰 것으로부터 작은 것까지 크기별로 구분하여 그에 대응하는 크기의 직경을 갖는 관통홀에 순차적으로 삽입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판에는 서로 다른 크기의 내경을 갖는 세 종류의 관통홀이 하나의 군을 형성하여, 하나의 군을 형성하는 세 중류의 관통홀에는 각각 빨간색 발광을 위한 R 엘이디, 초록색 발광을 위한 G 엘이디, 파란색 발광을 위한 B 엘이디가 삽입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초소형 엘이디는 하단부에서 상단부에 이르기까지 일정한 직경으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초소형 엘이디는 상단부에서 하단부로 갈수록 점진적으로 큰 직경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초소형 엘이디는 하단부에서 상단부로 갈수록 점진적으로 큰 직경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초소형 엘이디는 상기 기판의 관통홀 상부 입구에 걸쳐져 고정된 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술된 엘이디 어셈블리를 구비하는 엘이디 발광기기를 포함한다.
본 발명에 의한 엘이디 어셈블리는, 초소형 엘이디를 포함하는 부유액을 기판의 관통홀로 이동시키는 독특한 수직 정렬방법에 의해 기판의 관통홀을 기반으로 다수의 초소형 엘이디가 일률적으로 수직하게 정렬된 구조를 가지며, 그 정렬된 상태를 매우 안정적으로 유지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 초소형 엘이디의 수직 정렬을 통해 제1전도성층과 제2전도성층의 방향이 서로 혼재되지 않기 때문에 그에 대응하는 제1전극 및 제2전극의 형성이 매우 간결하게 이루어지며, 출광방향을 분산되지 않게 한 방향으로 집중시킬 수 있으므로 광효율의 향상 및 풍부한 광량을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 수평 정렬방식에 비해 동일 면적당 초소형 엘이디의 집적도가 비약적으로 향상되므로 고해상도 디스플레이를 비롯하여 풍부한 광량과 함께 고품질의 영상을 요하는 다양한 발광기기에 적용하기 유리하다.
도 1은 종래기술에 의한 엘이디 어셈블리를 설명하기 위한 참조도
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리에 사용되는 버티컬 타입 초소형 엘이디를 설명하기 위한 사시도
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리 제조방법의 흐름도
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 제조 시 초소형 엘이디를 정렬하기 위해 사용되는 정렬장치를 설명하기 위한 구성도
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제1변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리를 설명하기 위한 일련의 참조도
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 제2변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리 및 그의 초소형 엘이디 정렬방법을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 9는 본 발명의 제3변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도
도 10은 본 발명의 제4변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도
도 11은 본 발명의 제5변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도
도 12는 본 발명의 제6변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도
도 13 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리 제조 시 초소형 엘이디의 정렬 전 제1전극의 형성이 가능함을 설명하기 위한 참조도
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 엘이디 어셈블리에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
<실시예>
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리에 사용되는 버티컬 타입 초소형 엘이디를 설명하기 위한 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리는 두께방향으로 형성된 다수의 관통홀(121)을 구비한 기판(120)과, 관통홀(121)에 삽입된 상태로 세워져 정렬된 초소형 엘이디(110), 상기 기판(120)의 하면과 상면에 각각 증착되어 상기 초소형 엘이디(110)와 연결된 제1전극(130a) 및 제2전극(130b)을 포함하여 이루어진다.
상기 기판(120)은 초소형 엘이디(110)의 상하 폭보다 두꺼운 것으로 구비되며, 기판(120)에 형성된 관통홀(121)은 초소형 엘이디(110)가 적어도 부분적으로 삽입한 상태에서 고정되도록 해주는 역할을 한다. 기판(120)에 관통홀(121)을 마련하기 위해서는 그 직경 크기에 따라 슈퍼드릴, 레이저 천공, 에칭을 포함하여 공지되어 있는 다양 방법 중 하나를 취사선택하여 활용할 수 있다. 상기 기판(120)의 관통홀(121) 내경은 초소형 엘이디(110)의 좌우 폭에 따라 좌우되는데, 상기 초소형 엘이디(110)의 좌우 폭이 100nm ~ 5㎛인 점을 감안하여 100nm ~ 5㎛의 직경으로 형성될 수 있다. 상기 기판(120)의 관통홀(121)은 초소형 엘이디(110)를 삽입한 상태로 지지 및 고정할 수 있도록 초소형 엘이디(110)의 형상 및 크기에 대응하는 형태로 형성될 수 있는데 본 발명의 실시예에 따른 기판(120)은 도 2에 도시된 것처럼 초소형 엘이디(110)를 완전히 삽입한 상태에서 안정적으로 지지할 수 있도록 초소형 엘이디(110)의 상하 폭보다 두꺼운 두께를 갖는 것으로 구비된다. 단, 상기 기판(120)의 두께는 초소형 엘이디(110)의 상하 폭과 비교하여 같거나 얇게 변형될 수도 있으며 이에 대해서는 차후에 자세히 설명하기로 한다.
여기서, 상기 기판(120)은 사파이어 (Al203) 및 유리와 같은 투과성 소재의 기판으로 구비될 수 있으며, GaN, SiC, ZnO, Si, GaP 및 GaAs 등으로 이루어진 소재 군에서 선택될 수 있다.
상기 초소형 엘이디(110)는 도 3에서 볼 수 있는 것처럼 상하 폭이 좌우 폭보다 큰 버티컬 타입으로 이루어지되, 상하 폭은 100nm ~ 10㎛이고, 좌우 폭은 100nm ~ 5㎛인 것으로 사용할 수 있으며 이에 제한되지 않는다. 상기 초소형 엘이디(110)는 하층에서 상층까지 제1전도성층(111), 활성층(112), 제2전도성층(113)이 순차적으로 형성된 것으로 구비되며, 상기 제1전도성층(111)은 n-형 질화물 반도체층인 n-GaN으로, 활성층(112)은 MQW((Multi Quantum Wells)으로, 제2전도성층(113)은 p-형 질화물 반도체층인 p-GaN으로 이루어진 것이 바람직하다.
나아가 상기 제1전도성층(111)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제1전도성 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑될 수 있다. 상기 제1전도성층(111)의 두께는 1.5 ~ 5㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 제2전도성층(113)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제2전도성 도펀트(예: Mg)가 도핑될 수 있다. 상기 제2전도성층(113)의 두께는 0.08 ~ 0.25㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
한편, 상기 활성층(112)의 경우 조명, 디스플레이 등에 사용되는 통상의 초소형 엘이디(110)에 포함되는 활성층(112)인 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 활성층(112)의 위, 아래 중 적어도 한 곳에는 전도성 도펀트가 도핑된 클래드층이 형성될 수도 있으며, 상기 전도성 도펀트가 도핑된 클래드층은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 활성층(112)으로 이용될 수 있다. 이러한 활성층(112)에서는 전계를 인가하였을 때, 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다. 상기 활성층(112) 두께는 0.05 ~ 0.25㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 전술된 제1전도성층(111), 활성층(112) 및 제2전도성층(113)은 발광 구조물의 최소 구성 요소로 포함될 수 있고, 각 층에 인접하여 다른 형광체층, 활성층(112), 반도체층 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수도 있다.
단, 이같은 초소형 엘이디(110)의 경우 어느 하나에 제한되는 것이 아니며 최신의 기술동향에 부합되는 것들을 취사선택하여 사용할 수 있다.
상기 제1전극(130a)은 상기 기판(120)의 하면에 증착되어 초소형 엘이디(110)의 제1전극(130a)과 물리적/전기적으로 연결된다. 제2전극(130b)의 경우에도 상기 기판(120)의 상면에 증착되어 초소형 엘이디(110)의 제2전극(130b)과 물리적/전기적으로 연결되도록 한다.
이처럼 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리는 두께방향으로 형성된 기판(120)의 관통홀(121) 내에 초소형 엘이디(110)가 삽입되어 고정되도록 한 완전히 새로운 구조에 의해 초소형 엘이디(110)가 수직하게 정렬되도록 하였으며 그 정렬된 상태를 매우 안정적으로 유지할 수 있도록 한 것이다. 이로써 종래 수평 정렬방식과 달리 제1전도성층과 제2전도성층이 혼재하면서 전극 연결이 어려웠던 문제가 해소되고 출광방향이 초소형 엘이디(110)가 정렬된 수직방향과 일치하게 형성되기 때문에 광효율의 향상을 기대할 수 있다. 뿐만 아니라 종래 수평 정렬방식에 비해 동일 면적당 초소형 엘이디(110)의 집적도가 비약적으로 높아지면서 고해상도 디스플레이에 적용하는데도 매우 유리해지는 등 다양한 장점들을 기대할 수 있다.
아래에서는 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리 제조방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리 제조방법의 흐름도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 제조 시 초소형 엘이디를 정렬하기 위해 사용되는 정렬장치를 설명하기 위한 구성도이며, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리 제조방법을 설명하기 위한 일련의 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리 제조방법은 기판 마련단계(S110), 부유액 도포단계(S120), 초소형 엘이디 정렬단계(S130), 전극 형성단계(S140)를 포함하여 이루어진다.
상기 기판 마련단계(S110)에서는 두께방향으로 형성된 다수의 관통홀(121)을 구비한 기판(120)을 마련한다. 이처럼 기판(120)에 관통홀(121)을 마련하기 위해서는 그 직경 크기에 따라 슈퍼드릴, 레이저 천공, 에칭을 포함하여 공지되어 있는 다양 방법 중 하나를 취사선택하여 활용하면 된다.
상기 부유액 도포단계(S120)에서는 도 6a에 도시된 것처럼 정렬하려는 초소형 엘이디(110)를 포함하고 있는 부유액(140)을 기판(120)의 상면에 도포함으로써 초소형 엘이디(110)를 기판(120) 상측에 위치시킨다. 여기서 부유액(140)을 도포한다는 표현은 부유액(140)을 기판(140) 표면에 접촉시킨 상태로 위치시킨다는 의미로 이해하는 것이 바람직하며, 이때 사용되는 부유액(140)은 초소형 엘이디(110) 및 기판(120)에 대한 부식문제가 없고 앞서 초소형 엘이디(110)에 부력과 분산성을 적정 수준으로 제공하는 것이라면 어느 한 종류에만 제한되지 않고 사용될 수 있다.
상기 초소형 엘이디 정렬단계(S130)에서는 전 단계에서 기판(120)의 상면에 초소형 엘이디(110)를 포함하는 부유액(140)이 도포된 상태에서 도 6b에 도시된 것처럼 상기 기판(120)의 상측과 하측에 압력차를 발생시켜 부유액(140)을 기판(120)의 관통홀(121)을 통해 하측으로 이동시켜준다. 즉, 기판(120) 상측의 압력(P1)보다 기판(120) 하측의 압력(P2)을 작게 형성시켜주면 관통홀(121)을 통하여 기판(120) 상측에 위치한 부유액(140)이 기판(120) 하측으로 이동하려는 경향이 발생하면서 부유액(140)이 관통홀을 통과하게 되며, 부유액(140)에 포함된 초소형 엘이디(110)도 부유액(140)과 함께 이동하다가 관통홀(121)에 삽입된 상태가 된다.
이를 위해 도 5에 도시된 것처럼 기판(120)을 중심으로 상측과 하측에 압력차를 줄 수 있는 정렬장치(150)가 필요하다. 이같은 정렬장치(150)로는 진공펌프와 연결되어 지원을 받으면서 기판(120)의 하측에서 관통홀(121)을 통해 부유액(140)을 흡입할 수 있도록 챔버(151)를 구비한 압력패드를 비롯하여 기판(120)의 상측과 하측에 압력차를 형성할 수 있으면서 정밀 제어가 가능한 것이라면 어느 것이든 활용할 수 있다.
이때 기판(120)의 하면에는 도 5에 도시된 것처럼 배출홀(122a)을 갖는 스토퍼 플레이트(122)를 미리 설치하여 배출홀(122a)을 통해 부유액(140)만을 하측으로 통과시키고 초소형 엘이디(110)는 기판(120)의 관통홀(121) 내에 그대로 머무르도록 차단할 수 있다. 또는 관통홀(121)의 하단부나 인근 내주면에 스토퍼 역할을 하도록 살짝 돌출된 걸림돌기를 형성시켜 줄 수도 있는데, 후자의 경우 미세한 관통홀(121) 내에 걸림돌기를 형성하기가 난해할 수도 있다. 이처럼 부유액(140)과 함께 기판(120)의 관통홀(121)을 이동하던 초소형 엘이디(110)가 관통홀(121)을 완전히 통과하지 않고 도중에 정지하여 고정되도록 하기 위해서는 스토퍼 플레이트(122)와 같은 추가 부재를 사용할 수도 있고 초소형 엘이디(110) 형태에 변화를 주거나 관통홀(121) 형태에 변화를 주는 등 다양한 방법들을 이용할 수 있다. 이들 중 일부 구성에 대해서는 차후에 설명하기로 한다.
상기 초소형 엘이디 정렬단계(S130)에서는 초소형 엘이디(110)가 부유액(140)과 함께 하측으로 이동하여 기판(120)의 관통홀(121)에 삽입될 때 올바른 방향성을 갖는 것이 중요한데 이를 위해 초소형 엘이디(110)의 하부가 상부에 비해 높은 밀도를 갖도록 구성한다. 즉, 초소형 엘이디(110)의 단위 면적당 하부 중량이 단위 면적당 상부 중량보다 크게 하여 도 6a와 같이 부유액(140)의 정지 상태에서는 초소형 엘이디(110)가 분산된 상태에서 방향성을 나타내지 않고 있지만 도 6b와 같이 부유액(140)을 따라 하측으로 이동하는 상태가 되면 초소형 엘이디(110)는 다른 부위에 비해 밀도가 하부가 하방을 향한 상태로 이동하게 된다. 초소형 엘이디(110)가 부유액(140)의 이동과 함께 얼마나 신속하게 또는 얼마나 정확하게 방향성을 갖는지 여부는 초소형 엘이디(110)의 하부와 상부의 밀도차, 크기, 부유액(140)의 밀도 및 점성이 주로 영향을 미치게 되므로 이들 제원을 정밀하게 조절할 수 있다.
이같은 초소형 엘이디 정렬단계(S130)와 관련하여 몇 가지 부면에 대해 설명하였으나 무엇보다 중요한 핵심은 초소형 엘이디(110)를 포함하는 부유액(140)을 기판(120)의 관통홀(121)을 통해 이동시킴으로써 다수의 초소형 엘이디(110)를 관통홀(121) 내부에 위치하도록 한 독특한 발상의 구현에 있다. 그것도 다수의 초소형 엘이디(110)가 다수의 관통홀(121)에 일대일 대응하여 동시다발적으로 이동하여 올바른 방향성을 갖고 관통홀(121)에 삽입되어 수직하게 정렬되며, 그 정렬된 상태를 안정적으로 유지하는 것이 구조적으로 가능하게 되었다는 점도 주목할 수 있다. 이로써 종래 수평 정렬방식에서 초소형 엘이디(110)가 두 전극 사이의 전기장에 의해 자가정렬하던 것과 비교하면 안정성 측면에서 비약적인 향상이 가능하다. 이에 더해 초소형 엘이디(110)에 전원 인가를 위한 후속 공정들이 진행되면 엘이디 어셈블리를 제조할 수 있게 된다.
상기 전극 형성단계(S140)에서는 도 6d에 도시된 것처럼 상기 기판(120)의 하면과 상면에 제1전극(130a) 및 제2전극(130b)을 증착하여 기판(120)의 관통홀(121)에 삽입되어 정렬된 초소형 엘이디(110)의 제1전도성층(111) 및 제2전도성층(113)과 연결되도록 한다. 이로써 전원을 전극에 인가하면 초소형 엘이디(110)가 발광할 수 있는 상태가 된다. 상기 전극 형성단계(S140)에서는 이미 이전 단계를 통해 다수의 초소형 엘이디(110)가 기판(120)의 관통홀(121)에서 올바른 방향성을 갖고 정렬되어 있으므로 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 각각 기판(120)의 하면과 상면에 증착하기만 해도 초소형 엘이디(110)의 제1전도성층(111) 및 제2전도성층(113)에 대하여 간단히 연결된다는 점에 주목할 수 있다.
한편, 도 13 내지 도 16의 경우 초소형 엘이디(110)의 정렬 전에도 전극을 형성할 수 있음을 보여준다. 특히 도시된 것처럼 기판(120)의 관통홀(121)이 하측에서 상측으로 갈수록 점진적으로 넓어지는 경사홀의 형태로 형성된 경우(이같이 변형된 형태는 차후에 설명됨) 초소형 엘이디(110) 정렬 시 스토퍼 플레이트(122)와 같은 별도의 스토퍼 부재를 필요로 하지 않으며 전체 공정을 단순화하는데 도움이 된다.
본 발명의 실시예에 의한 엘이디 어셈블리는 초소형 엘이디(110)의 상하 폭에 대한 기판(120)의 두께(혹은 관통홀(121)의 길이), 초소형 엘이디(110)와 관통홀(121) 서로의 형태를 변화시키는 방법으로 다양한 변형실시예가 가능하다. 계속해서 아래에서는 이에 대해 설명하기로 한다.
<제1변형실시예>
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제1변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리를 설명하기 위한 일련의 참조도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제1변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리는 변형 전과 비교하여 기판(120)의 관통홀(121)이 상측에서 하측에 이르기까지 동일한 내경으로 형성되지 않고 상측에서 하측으로 갈수록 점진적으로 내경이 작아지는 경사구간을 갖도록 형성되며, 초소형 엘이디(110)는 상단부에서 하단부로 갈수록 점진적으로 큰 직경을 갖는 형태의 구비된 것을 특징으로 한다. 이처럼 상부보다 하부가 큰 폭으로 형성된 초소형 엘이디(110)의 경우 제조 시 정렬과정에서 부유액(140)을 따라 하측으로 이동할 때 자연스럽게 큰 폭의 하부가 하향하려는 경향을 갖게 되어 올바로 세워져 정렬되는데 상대적으로 유리하다.
이같은 제1변형실시예의 구성에 따르면 도 7b에서 볼 수 있는 것처럼 별도의 스토퍼 부재가 구비되지 않더라도 기판(120) 관통홀(121)의 경사구간에서 초소형 엘이디(110)의 하단부가 걸쳐져 고정된다는 장점이 있다.
<제2변형실시예>
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 제2변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리 및 그의 초소형 엘이디 정렬방법을 설명하기 위한 일련의 참조도이다.
도 8c에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리는 제1변형실시예에서 한 단계 더 나아간 것으로, 기판(120)이 서로 다른 크기의 내경을 갖는 복수 종류의 관통홀을 갖는 것으로 구비되고, 초소형 엘이디는 복수 종류의 관통홀에 각각 대응하는 크기의 직경을 갖는 복수 종류의 것으로 구비된 것을 특징으로 한다. 이같은 형태의 엘이디 어셈블리를 제조하기 위해서는 초소형 엘이디의 정렬과정에서 직경이 큰 엘이디로부터 작은 엘이디까지 크기별로 구분하여 각각 부유액(140)에 포함시킨 상태로 그에 대응하는 크기를 갖는 관통홀에 순차적으로 삽입시키는 독특한 방법이 이용된다.
도 8a 내지 도 8c는 그 중 한 가지를 예시한 것으로, 도 8a에 도시된 것처럼 파란색 발광을 위한 B 엘이디(110-1)가 직경이 가장 큰 것이라 할 때 가장 먼저 부유액(140)에 포함된 상태로 기판(120)의 상측에 위치시킨 다음 기판(120)의 상측과 하측에 압력차를 발생시켜 부유액(140)을 기판(120)의 관통홀을 통해 하측으로 이동시킴으로써 부유액(140)에 포함된 B 엘이디(110-1)가 가장 큰 내경을 갖는 제1관통홀(121-1)에 삽입되어 세워지도록 한다. 부유액(140)에 포함된 B 엘이디(110-1) 중 제1관통홀(121-1)에 더 이상 자리가 없어 삽입되지 못한 것은 그보다 더 작은 내경을 갖는 제2관통홀(121-2)이나 제3관통홀(121-3)에도 삽입되지 못하고 남게 된다. 이렇게 제1관통홀(121-1)에 삽입되지 못한 채로 남아 있는 B 엘이디(110-1)는 제거하여 준다.
이후 도 8b에 도시된 것처럼 B 엘이디(110-1) 다음으로 큰 직경을 갖는 빨간색 발광을 위한 R 엘이디(110-2)를 위와 동일한 방법으로 R 엘이디(110-2)에 대응하는 제2관통홀(121-2)에 삽입하여 세워지도록 한다. 그리고 제2관통홀(121-2)에 삽입되지 않고 남아 있는 R 엘이디(110-2)를 제거한 후, 마지막으로 도 8c에 도시된 것처럼 가장 작은 직경을 갖는 초록색 발광을 위한 G 엘이디(110-3)를 제3관통홀(121-3)에 삽입하여 세워지도록 함으로써 초소형 엘이디의 정렬을 완료한다.
여기서 서로 다른 크기의 내경을 갖는 세 종류의 관통홀(121-3)이 서로 인접한 하나의 군으로 형성되어 있으므로 R 엘이디(110-2), G 엘이디(110-3), B 엘이디(110-1)가 정렬이 완료된 후에 하나의 군을 이루게 된다. 단, 위에서 언급된 상기 R 엘이디(110-2), G 엘이디(110-3), B 엘이디(110-1)의 상대적인 크기는 하나의 예시일 뿐이며 다르게 형성될 수 있다.
위에서 언급된 방법을 그대로 응용한다면 다양한 크기를 갖는 초소형 엘이디들을 다양한 형태로 배치하는 것이 가능하다.
<제3변형실시예>
도 9는 본 발명의 제3변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제3변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리는 변형 전 실시예와 마찬가지로 기판(120)이 초소형 엘이디(110)의 상하 폭보다 큰 두께를 갖는 것으로 구비되어 상기 초소형 엘이디(110) 전체가 상기 기판(120)의 관통홀(121)에 삽입 가능하도록 한다. 하지만 변형 전과 비교하여 기판(120)의 관통홀(121)이 상측에서 하측에 이르기까지 동일한 내경으로 형성되지 않고 상측에서 하측으로 갈수록 점진적으로 내경이 작아지는 경사구간을 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다. 그리고 초소형 엘이디(110)는 하단부에서 상단부에 이르기까지 일정한 직경을 갖는 것으로 구비된다.
이같은 제3변형실시예의 구성에 따르면 도면에서 볼 수 있는 것처럼 별도의 스토퍼 부재가 구비되지 않더라도 기판(120) 관통홀(121)의 경사구간에서 초소형 엘이디(110)의 하단부가 걸쳐져 고정된다는 장점이 있다.
<제4변형실시예>
도 10은 본 발명의 제4변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제4변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리는 변형 전 실시예와 마찬가지로 기판(120)이 초소형 엘이디(110)의 상하 폭보다 큰 두께를 갖는 것으로 구비되어 상기 초소형 엘이디(110) 전체가 상기 기판(120)의 관통홀(121)에 삽입 가능하도록 한다. 하지만 변형 전과 비교하여 기판(120)의 관통홀(121)이 상측에서 하측에 이르기까지 동일한 내경으로 형성되지 않고 상측에서 하측으로 갈수록 점진적으로 내경이 작아지는 경사구간을 갖도록 형성되며, 이에 더해 초소형 엘이디(110)는 하단부에서 상단부로 갈수록 점진적으로 큰 직경을 갖는 것으로 구비된다.
이같은 제4변형실시예의 구성에 따르면 도면에서 볼 수 있는 것처럼 별도의 스토퍼 부재가 구비되지 않더라도 기판(120) 관통홀(121)의 경사구간에서 초소형 엘이디(110)의 상단부가 걸쳐져 고정된다는 장점이 있다. 이같은 제4변형실시예의 경우 제3변형실시예와 비교하더라도 경사구간에 걸쳐지는 부위가 초소형 엘이디(110)의 하단부가 아닌 상단부라는 점에서 보다 안정적인 지지 및 고정이 가능함을 알 수 있다. 다만, 이처럼 초소형 엘이디(110)가 하부보다 상부가 더 큰 직경을 갖도록 형성된 경우 유전체 전기영동력(dielectrophoreic force)과 같은 부가적인 힘을 걸어주어 올바로 세워져 정렬될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
<제5변형실시예>
도 11은 본 발명의 제5변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제5변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리는 변형 전 실시예와 비교하여 초소형 엘이디(110)가 하단부에서 상단부로 갈수록 점진적으로 큰 직경을 갖는 형태의 것으로 구비되어 기판(120)의 관통홀(121) 상부 입구에 걸쳐져 고정된 것을 특징으로 한다.
이같은 제5변형실시예의 구성에 따르면 변형 전 실시예와는 다르게 초소형 엘이디(110)가 기판(120)의 관통홀(121)에 완전히 삽입되지 않는다는 점에서 수직 정렬된 상태를 유지하는데 안정감이 일부 낮아질 수 있지만 별도의 스토퍼 부재가 구비되지 않더라도 기판(120)의 관통홀(121)에 의해 걸쳐져 고정된다는 장점이 있다. 또한, 변형 전 실시예와 비교하면 초소형 엘이디(110)의 제2전도성층(113)과 활성층(112)이 관통홀(121) 상측으로 노출되어 있기 때문에 기판(120)의 상측으로 보다 풍부한 광량으로 발광하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 그러므로 이같은 제3변형실시예의 경우 이전 실시예들과 비교하여 풍부한 광량을 필요로 하는 발광기기에 적용하는데 더 적합하다고 할 수 있다.
<제6변형실시예>
도 12는 본 발명의 제6변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리의 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제6변형실시예에 의한 엘이디 어셈블리는 변형 전 실시예와 비교하여 기판(120)이 초소형 엘이디(110)의 상하 폭보다 작은 두께의 것으로 구비되어 초소형 엘이디(110)의 상부와 하부 중 적어도 어느 한 부위가 기판(120)의 관통홀(121)로부터 부분 돌출되도록 한 것을 특징으로 한다. 도 12의 경우 초소형 엘이디(110)의 제1전도성층(111)과 제2전도성층(113)이 기판(120)의 하측과 상측으로 돌출된 경우를 예시하는 것으로 이처럼 초소형 엘이디(110)가 기판(120)의 관통홀(121) 내부로 삽입되지 않고 상측과 하측으로 돌출된 경우에는 이전 실시예들과 비교하여 기판(120)의 상측과 하측에서 모두 풍부한 광량을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
도 12의 경우 기판(120)의 상측과 하측으로 모두 초소형 엘이디(110)가 돌출된 경우를 예시하고 있으나 초소형 엘이디(110)가 기판(120)의 상측으로만 치우쳐 돌출되거나 하측으로만 치우쳐 돌출되도록 할 수도 있다. 이 경우에는 초소형 엘이디(110)가 치우친 방향으로만 보다 풍부한 광량을 얻을 수 있으므로 엘이디 어셈블리를 적용하고자 하는 발광기기에 맞춰 취사선택할 수 있다.
단, 여기서 초소형 엘이디(110)가 기판(120)의 하측으로 돌출되는 경우 부유액(140)의 흐름을 이용한 초소형 엘이디(110)의 정렬과정에서 초소형 엘이디(110)가 기판(120)의 관통홀(121)을 완전히 관통하여 이탈하지 않도록 어떻게 정지시켜 고정할 수 있는가 하는 문제에 직면하게 된다. 이 경우 앞서 언급된 스토퍼 플레이트(122)를 기판(120)의 하면에 덧대어 접촉시키지 않고 이격을 두고 대면하도록 함으로써 문제를 간단히 해결할 수 있으며, 앞선 제1변형실시예 내지 제5변형실시예와 같이 기판(120)의 관통홀(121)과 초소형 엘이디(110)의 형태를 변형시켜줌으로써 해결할 수도 있다.
전술된 변형실시예들은 변형 전 실시예로부터 초소형 엘이디(110)의 상하 폭에 대한 기판(120)의 두께(혹은 관통홀(121)의 길이), 초소형 엘이디(110)와 관통홀(121) 서로의 형태를 변화시키는 방법으로 변형시킨 것들이며, 같은 방식으로 혹은 앞서 설명된 다양한 실시예들의 부분 변경 및 조합을 통해 더욱 다양한 변형도 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
110 : 초소형 엘이디 111 : 제1전도성층
112 : 활성층 113 : 제2전도성층
120 : 기판 121 : 관통홀
130a : 제1전극 130b : 제2전극
140 : 부유액 150 : 정렬장치

Claims (13)

  1. 두께방향으로 형성된 다수의 관통홀을 구비한 기판;
    상하 폭이 좌우 폭보다 큰 버티컬 타입으로 이루어지고, 하층과 상층에 각각 제1전도성층과 제2전도성층을 구비하며, 상기 기판의 관통홀에 대하여 적어도 일부 삽입되어 세워진 상태로 정렬된 초소형 엘이디; 및
    상기 기판의 하면에 증착되어 상기 초소형 엘이디의 하층에 구비된 제1전도성층과 연결되는 제1전극 및 상기 기판의 상면에 증착되어 상기 초소형 엘이디의 상층에 구비된 제2전도성층과 연결되는 제2전극;을 포함하되
    상기 기판이 상기 초소형 엘이디의 상하 폭보다 작은 두께의 것으로 구비되어 초소형 엘이디의 상부와 하부 중 적어도 어느 한 부위가 기판의 관통홀로부터 부분 돌출된 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판에 대한 초소형 엘이디의 정렬은,
    두께방향으로 형성된 다수의 관통홀을 구비한 기판을 마련하는 단계;
    정렬하려는 초소형 엘이디를 부유액에 포함된 상태로 상기 기판의 상측에 위치시키는 단계; 및
    상기 기판의 상측과 하측에 압력차를 발생시켜 상기 부유액을 상기 기판의 관통홀을 통해 하측으로 이동시킴으로써 상기 부유액에 포함된 초소형 엘이디가 상기 관통홀에 적어도 일부 삽입되어 세워진 상태로 정렬되도록 유도하는 단계;를 포함하는 초소형 엘이디 정렬방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초소형 엘이디는 상부에 비해 하부가 높은 밀도를 갖도록 하여 상기 초소형 엘이디의 정렬 시 하향 이동하는 부유액 속에서 상대적으로 높은 밀도를 갖는 초소형 엘이디의 하부가 하향하도록 유도하는 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초소형 엘이디는 하층에서 상층까지 제1전도성층, 활성층, 제2전도성층을 포함하며, 상기 제1전도성층과 제2전도성층 중 어느 하나는 n-형 질화물 반도체층이고 나머지 하나는 p-형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 초소형 엘이디는 상하 폭이 100nm ~ 10㎛인 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 관통홀은 상측에서 하측에 이르기까지 동일한 내경으로 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 관통홀은 상측에서 하측으로 갈수록 점진적으로 내경이 작아지는 경사구간을 포함하며, 상기 초소형 엘이디는 상기 기판의 관통홀에 삽입된 상태에서 경사구간 일지점에 걸쳐져 고정된 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 기판의 관통홀은 서로 다른 크기의 내경을 갖는 복수 종류로 구비되고, 상기 초소형 엘이디는 상기 복수 종류의 관통홀에 각각 대응하는 크기의 직경을 갖는 복수 종류로 구비되어, 상기 초소형 엘이디 정렬방법에 의해 상기 초소형 엘이디를 정렬할 때 직경이 큰 것으로부터 작은 것까지 크기별로 구분하여 그에 대응하는 크기의 직경을 갖는 관통홀에 순차적으로 삽입하는 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기판에는 서로 다른 크기의 내경을 갖는 세 종류의 관통홀이 하나의 군을 형성하여, 하나의 군을 형성하는 세 중류의 관통홀에는 각각 빨간색 발광을 위한 R 엘이디, 초록색 발광을 위한 G 엘이디, 파란색 발광을 위한 B 엘이디가 삽입되는 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 초소형 엘이디는 하단부에서 상단부에 이르기까지 일정한 직경으로 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 초소형 엘이디는 상단부에서 하단부로 갈수록 점진적으로 큰 직경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 초소형 엘이디는 하단부에서 상단부로 갈수록 점진적으로 큰 직경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 초소형 엘이디는 상기 기판의 관통홀 상부 입구에 걸쳐져 고정된 것을 특징으로 하는 엘이디 어셈블리.
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