KR20210043977A - Led 표시장치 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 마이크로-LED 표시장치에 관한 것으로, 특히 광 효율이 보다 향상된 마이크로-LED 표시장치에 관한 것이다.
본 발명의 특징은 각 서브픽셀에 대응하여 다수의 나노기둥홀을 구비하고, 각각의 나노기둥홀 내에 색변환패턴이 채워져 위치하도록 하는 것이다.
이를 통해, 마이크로-LED와 색변환패턴 사이의 거리를 줄일 수 있으며, 또한, 패드전극에 나노기둥홀에 대응하여 구멍패턴을 형성함으로써 마이크로-LED의 광 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한, 각각의 나노기둥홀 내에 색변환패턴과 나노금속층이 투과층을 사이에 두고 서로 일정간격 이격하여 위치하도록 함으로써, 각각의 나노기둥홀 내에서 표면 플라즈몬 공명 효과를 구현할 수 있어, 이를 통해서도 마이크로-LED의 광 효율을 보다 향상시키게 된다.
본 발명의 특징은 각 서브픽셀에 대응하여 다수의 나노기둥홀을 구비하고, 각각의 나노기둥홀 내에 색변환패턴이 채워져 위치하도록 하는 것이다.
이를 통해, 마이크로-LED와 색변환패턴 사이의 거리를 줄일 수 있으며, 또한, 패드전극에 나노기둥홀에 대응하여 구멍패턴을 형성함으로써 마이크로-LED의 광 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한, 각각의 나노기둥홀 내에 색변환패턴과 나노금속층이 투과층을 사이에 두고 서로 일정간격 이격하여 위치하도록 함으로써, 각각의 나노기둥홀 내에서 표면 플라즈몬 공명 효과를 구현할 수 있어, 이를 통해서도 마이크로-LED의 광 효율을 보다 향상시키게 된다.
Description
본 출원은 마이크로-LED 표시장치에 관한 것으로, 특히 광 효율이 보다 향상된 마이크로-LED 표시장치에 관한 것이다.
최근 표시장치의 대형화에 따라 공간 점유가 적은 평면표시소자의 요구가 증대되고 있는 과정에서, 액정표시장치(liquid crystal display (LCD) device) 또는 유기발광다이오드(organic light emitting diode: OLED)를 포함하는 유기발광표시장치(organic electroluminescent display (OLED) device)의 기술이 빠른 속도로 발전하고 있다.
여기서, 액정표시장치는 배면과 전면에 편광판이 부착된 액정패널의 하부에 백라이트 유닛이 배치되며, 이에 따라 백라이트 유닛에 구비된 광원으로부터의 광의 5% 이하만이 액정패널을 통과하여 광효율에서 단점을 갖는다.
그리고, 유기발광표시장치의 경우 액정표시장치에 비해 개선된 광효율을 갖지만 여전히 광효율에 한계가 있고 표시장치의 내구성 및/또는 수명 등에서 여전히 단점을 갖는다.
따라서 최근에는 액정표시장치 및/또는 유기발광표시장치의 위와 같은 문제점들을 극복하기 위해, 마이크로-LED(micro-light emitting diode(LED)) 표시장치가 제안되었다.
마이크로-LED 표시장치는 크기가 100마이크로미터(㎛) 이하인 초소형 LED(μLED)를 각 서브픽셀에 배치시켜 영상을 구현하는 표시장치로서, 소비전력과 소형화 측면에서 큰 장점을 갖는다.
그러나 이와 같은 마이크로-LED 표시장치가 액정표시장치 및/또는 유기발광표시장치에 비해 보다 개선된 장점을 가짐에도, 최근 보다 광효율이 향상된 마이크로-LED 표시장치를 요구하고 있는 추세이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마이크로-LED 표시장치의 마이크로-LED 자체의 효율성을 향상시키는 것을 제 1 목적으로 하며, 이를 통해, 광효율 또한 보다 향상된 마이크로-LED 표시장치를 제공하는 것을 제 2 목적으로 한다.
전술한 바와 같이 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제 1 색을 표현하는 제 1 서브픽셀과, 상기 제 1 색 보다 큰 파장 대역을 갖는 제 2 색을 표현하고 상기 제 1 서브픽셀과 인접 배치된 제 2 서브픽셀이 정의된 기판과, 상기 제 1 및 제 2 서브픽셀의 발광영역에 각각 위치하며, 제 1 및 제 2 반도체층과 상기 제 1 및 제 2 반도체층 사이로 위치하는 활성층을 포함하는 발광다이오드와, 상기 활성층을 관통하여 형성되며, 내주면을 따라서는 나노금속층과 투과층이 순차적으로 위치하는 다수의 나노기둥홀과, 상기 제 2 서브픽셀의 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀에 채워져 위치하며, 상기 제 1 색을 상기 제 2 색으로 파장 변환시키는 제 1 색변환패턴을 포함하는 LED 표시장치를 제공한다.
여기서, 상기 나노금속층의 두께는 1nm ~ 100nm이며, 상기 투과층의 두께는 10 ~ 50nm이며, 상기 다수의 나노기둥홀 각각의 직경은 0.5 ~ 수십um이다.
그리고, 상기 다수의 나노기둥홀 각각의 높이는 2 ~ 3um이며, 상기 다수의 나노기둥홀은 상기 제 1 및 제 2 반도체층을 관통하며, 상기 제 2 색 보다 큰 파장 대역을 갖는 제 3 색을 표현하고, 상기 제 2 서브픽셀과 인접 배치된 제 3 서브픽셀을 포함하며, 상기 제 3 서브픽셀의 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀에 채워져 위치하며, 상기 제 1 색을 상기 제 3 색으로 파장 변환시키는 제 2 색변환패턴을 포함한다.
여기서, 상기 제 1 색은 청색광이며, 상기 제 2 색은 녹색광이며, 상기 제 3 색은 적색광이며, 상기 제 2 서브픽셀에 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀의 내주면을 따라 위치하는 상기 나노금속층은 Ag 또는 Au 중 하나로 이루어지며, 상기 제 3 서브픽셀에 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀의 내주면을 따라 위치하는 상기 나노금속층은 Cu로 이루어진다.
또한, 상기 제 2 색 보다 큰 파장 대역을 갖는 제 3 색을 표현하고, 상기 제 2 서브픽셀과 인접 배치된 제 3 서브픽셀을 포함하며, 상기 제 1 내지 제 3 서브픽셀의 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀에 채워져 위치하며, 상기 제 1 색을 상기 제 4 색으로 파장 변환시키는 제 3 색변환패턴을 포함하며, 상기 제 1 내지 제 3 서브픽셀에 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀의 내주면을 따라 위치하는 상기 나노금속층은 Au 또는 Cu 중 하나로 이루어진다.
이때, 상기 제 4 색은 백색으로, 상기 제 1 내지 제 3 서브픽셀에는 각각 청색, 녹색, 적색 컬러필터가 위치하며, 상기 발광다이오드는 상기 제 1 반도체층과 전기적으로 연결된 패드전극과, 상기 제 2 반도체층과 전기적으로 연결되는 공통전극을 포함하며, 상기 패드전극은 상기 기판 상에 위치하는 구동 박막트랜지스터와 전기적으로 연결되며, 상기 공통전극은 상기 기판 상에 위치하는 공통전압배선과 전기적으로 연결된다.
여기서, 상기 다수의 나노기둥홀은 상기 제 1 반도체층으로부터 상기 제 2 반도체층을 향할수록 직경이 커지거나, 상기 다수의 나노기둥홀은 상기 제 1 반도체층으로부터 상기 제 2 반도체층을 향할수록 직경이 작아지며, 상기 패드전극은 상기 다수의 나노기둥홀에 대응하는 구멍패턴을 포함한다.
위에 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 각 서브픽셀에 대응하여 다수의 나노기둥홀을 구비하고, 각각의 나노기둥홀 내에 색변환패턴이 채워져 위치하도록 함으로써, 마이크로-LED와 색변환패턴 사이의 거리를 줄일 수 있으며, 또한, 패드전극에 나노기둥홀에 대응하여 구멍패턴을 형성함으로써 마이크로-LED의 광 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 각각의 나노기둥홀 내에 색변환패턴과 나노금속층이 투과층을 사이에 두고 서로 일정간격 이격하여 위치하도록 함으로써, 각각의 나노기둥홀 내에서 표면 플라즈몬 공명 효과를 구현할 수 있어, 이를 통해서도 마이크로-LED의 광 효율을 보다 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치의 세 개의 서브픽셀들을 나타내는 단면도.
도 2는 도 1의 A영역을 확대 도시한 확대도.
도 3a ~ 3b는 색변환패턴과 나노금속층 간의 거리에 따른 표면 플라즈몬 결합 효율을 측정한 그래프.
도 4a ~ 4h는 본 발명의 실시예에 따른 색변환패턴이 채워진 나노기둥홀을 형성하는 공정을 공정 순서에 따라 도시한 공정 흐름도.
도 5a ~ 5b는 본 발명의 실시예에 따른 나노기둥홀의 또 다른 구성을 개략적으로 도시한 확대도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED의 또 다른 구성을 개략적으로 도시한 확대도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치의 또 다른 세개의 서브픽셀들을 나타내는 단면도.
도 2는 도 1의 A영역을 확대 도시한 확대도.
도 3a ~ 3b는 색변환패턴과 나노금속층 간의 거리에 따른 표면 플라즈몬 결합 효율을 측정한 그래프.
도 4a ~ 4h는 본 발명의 실시예에 따른 색변환패턴이 채워진 나노기둥홀을 형성하는 공정을 공정 순서에 따라 도시한 공정 흐름도.
도 5a ~ 5b는 본 발명의 실시예에 따른 나노기둥홀의 또 다른 구성을 개략적으로 도시한 확대도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED의 또 다른 구성을 개략적으로 도시한 확대도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치의 또 다른 세개의 서브픽셀들을 나타내는 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치의 세 개의 서브픽셀들을 나타내는 단면도이며, 도 2는 도 1의 A영역을 확대 도시한 확대도이다.
설명에 앞서, 기판(101) 상에 정의된 각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에는 각각 구동 및 스위칭 박막트랜지스터(DTr, 미도시)가 구비되나, 설명의 편의 및 도면의 간결함을 위하여 하나의 서프픽셀(R-SP)에만 구동 박막트랜지스터(DTr)를 도시하도록 한다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치(100)는 기판(101) 상에 다수의 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)이 정의되는데, 다수의 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)들 각각이 데이터라인들과 게이트라인들의 교차 구조에 의해 정의될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 서로 인접한 적어도 3개의 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)은 컬러 표시를 위한 하나의 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 단위 픽셀은 서로 인접한 적색 서브픽셀(R-SP), 녹색 서브픽셀(G-SP) 및 청색 서브픽셀(B-SP)를 포함하며, 휘도 향상을 위해 백색 서브픽셀을 더 포함할 수도 있다.
이러한 각각의 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)은 각각 청색광을 발광하는 마이크로-LED(120)를 포함하며, 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에는 각각 색변환패턴(200a, 200b)이 위치하여, 각각의 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)로부터는 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 광을 발광하게 된다.
좀 더 상세히 살펴보면, 각각의 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에는 마이크로-LED(120)의 활성층(125)에 대응하는 발광영역(EA)을 포함하며, 발광영역(EA)의 가장자리를 따라서는 비발광영역(NEA)을 이루게 된다.
비발광영역(NEA) 내에는 구동 박막트랜지스터(DTr)가 형성되는 스위칭영역(TrA)을 포함한다.
스위칭영역(TrA) 상에는 반도체층(103)이 위치하는데, 반도체층(103)은 실리콘으로 이루어지며 그 중앙부는 채널을 이루는 액티브영역(103a) 그리고 액티브영역(103a) 양측면으로 고농도의 불순물이 도핑된 소스 및 드레인영역(103b, 103c)으로 구성된다.
이러한 반도체층(103) 상부로는 게이트절연막(105)이 위치한다.
게이트절연막(105) 상부로는 반도체층(103)의 액티브영역(103a)에 대응하여 게이트전극(104)이 구비되는데, 게이트전극(104)은 게이트라인에 연결된다.
또한, 게이트전극(104)과 게이트라인 상부로는 제 1 층간절연막(106a)이 위치하며, 이때 제 1 층간절연막(106a)과 그 하부의 게이트절연막(105)은 액티브영역(103a) 양측면에 위치한 소스 및 드레인영역(103b, 103c)을 각각 노출시키는 제 1, 2 반도체층 콘택홀(107a, 107b)이 구비된다.
다음으로 제 1, 2 반도체층 콘택홀(107a, 107b)을 포함하는 제 1 층간절연막(106a) 상부로는 서로 이격하며 제 1, 2 반도체층 콘택홀(107a, 107b)을 통해 노출된 소스 및 드레인영역(103b, 103c)과 각각 접촉하는 소스 및 드레인 전극(109a, 109b)이 구비되어 있다.
소스 및 드레인전극(109a, 109b)과 그리고 두 전극(109a, 109b) 사이로 노출된 제 1 층간절연막(106a) 상부로는 제 2 층간절연막(106b)이 위치한다.
소스 및 드레인전극(109a, 109b)과 이들 전극(109a, 109b)과 접촉하는 소스 및 드레인영역(103b, 103c)을 포함하는 반도체층(103)과 반도체층(103) 상부에 위치하는 게이트절연막(105) 및 게이트전극(104)은 구동 박막트랜지스터(DTr)를 이루게 된다.
이때, 소스전극(109a)은 데이터라인과 연결되는데, 비발광영역(NEA)의 일측으로는 제 2 층간절연막(106b) 상부로 데이터라인과 연결되는 공통전압배선(108)이 더욱 형성된다.
여기서 선택적으로 공통전압배선(108)은 복수의 단위 픽셀 각각마다 하나씩 마련될 수 있는데, 이 경우 각 단위 픽셀을 구성하는 적어도 3개의 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)은 하나의 공통전압배선(108)을 공유하게 된다. 이에 따라, 각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)의 구동을 위한 공통전압배선(108)의 개수를 감소시킬 수 있고, 감소하는 공통전압배선(108)의 개수만큼 각 단위 픽셀의 개구율을 증가시키거나 각 단위 픽셀의 크기를 감소시킬 수 있다.
그리고, 스위칭 박막트랜지스터(미도시)는 구동 박막트랜지스터(DTr)와 동일한 구조로, 구동 박막트랜지스터(DTr)와 연결된다.
여기서, 도면에서는 스위칭 박막트랜지스터(미도시) 및 구동 박막트랜지스터(DTr)의 반도체층(103)이 폴리실리콘 반도체층 또는 산화물반도체층으로 이루어진 탑 게이트(top gate) 타입을 예로써 보이고 있으나, 이의 변형예로써 순수 및 불순물의 비정질실리콘으로 이루어진 보텀 게이트(bottom gate) 타입으로 구비될 수도 있다.
그리고 제 2 층간절연막(106b)에는 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인전극(109b)을 노출하는 드레인콘택홀(PH)이 구비되며, 이러한 제 2 층간절연막(106b) 상부로는 드레인콘택홀(PH)을 통해 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인전극(109b)과 연결되는 연결전극(111)이 위치한다.
연결전극(111)을 포함하는 기판(101) 상부로는 발광영역(EA)에 대응하여 마이크로-LED(120)가 위치하며, 마이크로-LED(120) 가장자리를 따라서는 비발광영역에 대응하여 사이드실링절연막(113)이 위치하게 된다.
따라서, 사이드실링절연막(113)은 각각의 마이크로-LED(120)의 외측면을 감싸 마이크로-LED(120)를 보호하게 되며, 또는 사이드실링절연막(113)이 광 반사 성질을 갖도록 형성하여, 각각의 마이크로-LED(120)로부터 발광된 광 중 마이크로-LED(120)의 측면으로 방출되는 광을 기판(101) 상부로 반사시켜, 각각의 마이크로-LED(120)의 광효율을 향상시키는 역할을 하도록 할 수도 있다.
이러한 사이드실링절연막(113)은 우수한 전기적 절연성을 갖는 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)로 형성될 수 있으며, 내구성 및 연성이 우수하면서도 절연특성까지 우수하고 두꺼운 박막의 제조가 가능한 유기절연체층으로 형성될 수 있다.
또는 사이드실링절연막(113)은 광 반사를 위한 미세 입자를 포함하는 절연 물질로 이루어질 수 있는데, 산화 티타늄(TiO2) 입자가 분산된 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)의 절연 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
그리고, 이러한 사이드실링절연막(113)은 공통전압배선(108)의 일부를 노출하도록 형성된다.
이러한 각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP) 별로 발광영역(EA)에 대응하여 위치하는 각각의 마이크로-LED(120)는 연결전극(111)과 연결되는 패드전극(121)과, 패드전극(121) 상부로 위치하며 패드전극(121)과 전기적으로 연결되는 제 1 반도체층(123) 그리고 제 1 반도체층(123) 상부로 순차적으로 위치하는 활성층(125)과 제 2 반도체층(127)을 포함하며, 제 2 반도체층(127) 상부로 위치하며 제 2 반도체층(127)과 전기적으로 연결되는 공통전극(129)을 포함한다.
제 1 반도체층(123)과 전기적으로 연결되는 패드전극(121)은 Ag, Al, Au, Cr, Ir, Mg, Nd, Ni, Pd, Pt, Rh, Ti, W 등의 반사도가 높은 금속을 이용하여 반사전극으로 형성될 수 있는데, 이러한 패드전극(121)은 활성층(125)에서 발광된 광 중 전방이 아닌 반대 방향으로 방사되는 광을 전방으로 반사시키는 역할을 할 수도 있다.
또한, 패드전극(121)은 반사도가 높은 금속 중 둘 이상의 합금으로 형성되거나 이종 금속의 적층구조로 형성될 수도 있고, ITO, IZO, ZnO 또는 In2O3막과 반사도가 높은 금속의 적층구조로 형성될 수도 있다.
그리고 제 1 반도체층(123)과의 접착력을 향상시키기 위한 접착층이나, 오믹접속이 가능하게 하는 오믹접속층 등이 더 적층될 수도 있다.
이러한 패드전극(121)은 제 1 반도체층(123)이 노출되지 않도록 제 1 반도체층(123)의 면적과 동일하게 형성될 수 있는데, 제 1 반도체층(123)이 노출되지 않도록 형성하는 이유는 반사면을 늘려 반사면에 의해 반사되는 광을 최대한 많게 하기 위함이다.
여기서, 제 1 반도체층(123)은 패드전극(121)과 접촉되어, 활성층(125)에 정공을 제공하게 되는데, 이러한 제 1 반도체층(123)은 p-GaN계 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, p-GaN계 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlInGaN 등이 될 수 있다. 여기서, 제 1 반도체층(123)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Mg, Zn, 또는 Be 등이 이용될 수 있다.
그리고 제 1 반도체층(123) 상부로 위치하는 활성층(125)은 우물층과 우물층보다 밴드 갭이 높은 장벽층을 갖는 다중 양자 우물(MQW; Multi Quantum Well) 구조를 가질 수 있다.
이러한 활성층(125)은 제 1 및 제 2 반도체층(123, 127)에 전압이 인가되거나 전류가 공급되는 경우에 발광할 수 있다.
제 2 반도체층(127)은 활성층(125) 상부로 위치하여, 활성층(125)에 전자를 제공하는 역할을 하게 되는데, 제 2 반도체층(127)은 n-GaN계 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, n-GaN계 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlInGaN 등이 될 수 있다. 여기서, 제 2 반도체층(127)의 도핑에 사용되는 불순물로는 Si, Ge, Se, Te, 또는 C 등이 사용될 수 있다.
이와 같은, 마이크로-LED(120)는 패드전극(121)과 공통전극(129) 사이에 흐르는 전류에 따른 전자와 정공의 재결합에 따라 발광하게 된다.
여기서, 제 2 반도체층(127) 상부로 위치하는 공통전극(129)은 광이 투과될 수 있는 투명한 재료로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 공통전극(129)은 활성층(125)에서 발광된 광을 투과 시키기 위해 ITO, IZO, ZnO로 이루어질 수 있다.
이때, 도면상으로는 공통전극(129)이 기판(101) 상에서 모두 연결되어 각각의 마이크로-LED(120)가 모두 공통전극(129)을 공유할 수 있도록 도시하였으나, 공통전극(129)은 각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP) 별로 분리된 형태로 이루어질 수도 있다.
이러한 공통전극(129)은 사이드실링절연막(113)에 의해 노출되는 공통전압배선(108)과 전기적으로 연결된다.
여기서, 각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP) 별로 위치하는 각각의 마이크로-LED(120)는 활성층(125)으로부터는 청색광을 발광하게 되며, 따라서 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)에서는 각각의 마이크로-LED(120)에 단파장의 광을 장파장의 광으로 변환하여 출사하는 색변환패턴(color conversion pattern)(200a, 200b)이 위치하게 된다.
이는 청색광이 적색광 및 녹색광 대비 단파장이며, 단파장의 광에 대해 색변환패턴(200a, 200b)의 형광효율이 조금 더 우수하며, 색변환패턴(200a, 200b)은 그 특성 상 상대적으로 장파장대인 적색광 및 녹색광으로 색변환시키는 것이 상대적으로 단파장인 청색광을 색변환시키는 것 대비 수명 등의 측면에서 조금 더 우수하기 때문이다.
여기서, 본 발명의 실시에에 따른 마이크로-LED 표시장치(100)는 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)에 위치하는 색변환패턴(200a, 200b)이 마이크로-LED(120)의 제 1 반도체층(123) 및 활성층(125) 그리고 제 2 반도체층(125)의 적어도 일부를 관통하여 형성되는 다수의 나노기둥홀(210) 내에 위치하는 것을 특징으로 한다.
즉, 도 2에 도시한 바와 같이 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)에 각각 위치하는 마이크로-LED(120)는 각 서브픽셀(R-SP, G-SP)의 발광영역(EA)에 대응하여 제 1 반도체층(123) 및 활성층(125) 그리고 제 2 반도체층(127)의 일부까지 관통되어 형성되는 다수의 나노기둥홀(210)을 포함하며, 각각의 나노기둥홀(210) 내에 색변환패턴(200a, 200b)이 채워져 형성되는 것이다.
여기서, 적색 서브픽셀(R-SP)에 형성되는 다수의 나노기둥홀(210)에 채워져 위치하는 제 1 색변환패턴(200a)은 광을 제공받아 제1 색상의 광을 방출하는 역할을 하게 되는데, 구체적으로, 제 1 색변환패턴(200a)은 제공받은 광을 제1 색의 파장으로 변환하게 된다.
제1 색은 파장이 약620nm 내지 750nm인 적색(red)광일 수 있다. 그러나, 적색광 파장이 위 예시에 제한되는 것은 아니며, 본 기술분야에서 적색광으로 인식될 수 있는 파장 범위를 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 녹색 서브픽셀(G-SP)에 형성되는 다수의 나노기둥홀(210)에 충진되는 제 2 색변환패턴(200b)도 제 1 색변환패턴(200a)과 마찬가지로 광을 제공받아 제2색상의 광을 방출하게 되는데, 구체적으로는 제공받은 광을 제2 색의 파장으로 변환하게 된다.
제2색은 파장이 약 495nm 내지 570nm인 녹색(green)일 수 있다. 그러나, 녹색광 파장이 위 예시에 제한되는 것은 아니며, 본 기술분야에서 녹색광으로 인식될 수 있는 파장 범위를 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이러한 제 1 및 제 2 색변환패턴(200a, 200b)에는 색변환물질이 포함되게 되는데, 색변환물질은, 예를 들어, 양자점(Quantum Dot), 형광염료 또는 이들의 조합일 수 있다. 형광염료는, 예를 들어, 유기 형광물질, 무기 형광물질 및 이들의 조합을 포함한다.
양자점은 II-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, IV족 원소, IV족 화합물 및 이들의 조합에서 선택될 수 있지만, 이들 만으로 제한되지 않는다.
II-VI족 화합물은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, MgSe, MgS 및 이들의 혼합물로 이루어 진 군에서 선택되는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, MgZnSe, MgZnS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물 및 HgZnTeS, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
III-V족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
IV-VI족화합물은 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
IV족 원소로 는 Si, Ge 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
IV족 화합물로는 SiC, SiGe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물일 수 있다.
이때, 이원소 화합물, 삼원소 화합물 또는 사원소 화합물은 균일한 농도로 입자 내에 존재하거나, 농도 분포가 부분적으로 다른 상태로 나누어져 동일 입자 내에 존재하는 것일 수 있다. 또한 하나의 양자점이 다른 양자점을 둘러싸는 코어/쉘 구조를 가질 수도 있다.
코어와 쉘의 계면은 쉘에 존재하는 원소의 농도가 중심으로 갈수록 낮아지는 농도 구배(gradient)를 가질 수 있다.
이러한 양자점은 약 45nm 이하, 바람직하게는 약 40nm 이하, 더욱 바람직하게는 약 30nm 이하의 발광 파장 스펙트럼의 반치폭(full width of half maximum, FWHM)을 가질 수 있으며, 이 범위에서 색순도나 색재현성을 향상시킬 수 있다.
또한, 양자점의 형태는 일반적으로 사용하는 형태의 것으로 특별히 한정하지 않지만, 보다 구체적으로 구형, 피라미드형, 다중 가지형(multi-arm), 또는 입방체(cubic)의 나노 입자, 나노 튜브, 나노와이어, 나노 섬유, 나노판상 입자 등의 형태의 것을 사용할 수 있다.
형광염료는 예를 들어, 적색 형광염료, 녹색 형광염료, 그 이외의 제3의 색상의 광을 발광하는 염료 또는 이들의 조합일 수 있다.
적색 형광염료는 청색 파장대의 광을 흡수하여 적색 파장대의 광을 발광하는 물질로, 예를 들어 (Ca, Sr, Ba)S, (Ca, Sr, Ba)2Si5N8, 카즌(CaAlSiN3), CaMoO4, Eu2Si5N8, K2SiF6, SrCaAlSiN3, CaS, SrLiAlN3 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 적색 형광염료는, 예를 들어, 617nm 내지 637nm 에서 최대 발광피크를 가지며, 반치폭(FWHM)이 10nm 내지 100nm인 물질일 수 있다.
녹색 형광염료는 청색 파장대의 광을 흡수하여 녹색 파장대의 광을 발광하는 물질로, 예를 들어, 이트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminum garnet, YAG), (Ca, Sr, Ba)2SiO4, SrGa2S4, 바리움마그네슘알루미네이트(BAM), 알파사이알론(α-SiAlON), 베타 사이알론(β-SiAlON), Ca3Sc2Si3O12, Tb3Al5O12, BaSiO4, CaAlSiON, Sr1-xBax)Si2O2N2, LuAG, (Ca, Sr, Ba)Si2O2N2, GaS 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 녹색 형광염료는 예를 들어, 510nm 내지 525nm 에서 최대 발광피크를 가지며, 반치폭(FWHM)이 60nm 내지 70nm인 물질일 수 있다. 구체 예에서, 녹색 형광염료로는, 520nm 에서 최대발광피크를 가지며, 반치폭(FWHM)이 62nm인 제1 녹색 형광염료와, 511nm 에서 최대 발광피크를 가지며, 반치폭(FWHM)이 64nm인 제2 녹색 형광염료가 사용될 수 있다. 다만, 녹색 형광염료가 전술한 예들 만으로 제한되지 않는다.
한편 지금까지 나열한 형광염료는 무기 형광물질로, 유기 형광물질로는 BODIPY 계열 형광체로 이루어질 수 있다.
또한, Perovskite 소재 또한 적용 가능하다.
이와 같이, 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)에 제 1 및 제 2 색변환패턴(200a, 200b)이 채워져 위치하는 다수의 나노기둥홀(210)이 구비됨으로써, 각각의 마이크로-LED(120)로부터 방출되는 청색광은 적색 서브픽셀(R-SP)에서는 적색 서브픽셀(R-SP)에 위치하는 제 1 색변환패턴(200a)에 의해 청색광이 적색광으로 파장 변환되게 되며, 녹색 서브픽셀(G-SP)에서는 녹색 서브픽셀(G-SP)에 위치하는 제 2 색변환패턴(200b)에 의해 청색광이 녹색광으로 파장 변환되게 된다.
따라서, 각각의 적색, 녹색, 청색 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에서는 적색광, 녹색광, 청색광을 발하게 되어, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치(100)는 고휘도의 풀컬러를 구현하게 된다.
이때, 청색 서브픽셀(B-SP)에서는 마이크로-LED(120)로부터 발광되는 청색광을 통해 화상의 청색광을 그대로 구현할 수 있으므로, 청색 서브픽셀(B-SP)에는 마이크로-LED(120)로부터 발광되는 청색광이 그대로 투과될 수 있도록, 아무것도 위치하지 않거나, 또는 투명한 레진이 위치할 수 있다.
또는 제 1 및 제 2 색변환패턴(200a, 200b)이 양자점으로 이루어지도록 하는 경우, 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)로부터 구현되는 적색광과 녹색광의 색 순도(color purity)가 향상되는 동시에 장시간 발광 후에도 색 순도를 처음과 같이 유지할 수 있는 효과를 갖게 되므로, 청색 서브픽셀(B-SP)에서도 양자점이 포함되도록 구성할 수 있다.
즉, 청색 서브픽셀(B-SP)에도 제 1 반도체층(123) 및 활성층(125) 그리고 제 2 반도체층(127)의 적어도 일부를 관통하여 형성되는 다수의 나노기둥홀(210)을 구비하고, 이의 내부로 마이크로-LED(120)로부터 발광되는 청색광이 반응하여, 보다 고순도의 청색 파장대의 광을 출광하는 청색 양자점들로 이루어지는 색변환패턴이 채워져 위치하도록 하는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치(100)는 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)에 다수의 나노기둥홀(210)을 구비하고, 나노기둥홀(210) 내부로 각각 제 1 및 제 2 색변환패턴(200a, 200b)이 채워져 위치하도록 함으로써, 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP) 별로 위치하는 마이크로-LED(120)와 색변환패턴(200a, 200b)과의 사이 거리가 줄어들게 되어, 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)로부터 구현되는 광의 효율이 향상되게 된다.
즉, 마이크로-LED(120)의 활성층(125)과 색변환패턴(200a, 200b) 사이의 거리가 멀수록, 마이크로-LED(120)의 활성층(125)으로부터 발광된 광이 색변환패턴(200a, 200b)까지 도달하는 사이에 일부 광의 손실이 발생하게 되는데, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치(100)는 마이크로-LED(120)와 색변환패턴(200a, 200b)과의 사이 거리를 줄임으로써, 마이크로-LED(120)의 광 효율을 향상시키게 되는 것이다.
한편, 각 마이크로-LED(120)에 구비되는 나노기둥홀(210)과 색변환패턴(200a, 200b) 사이로는 투과층(211)과 나노금속층(213)이 더욱 형성되는데, 이를 통해 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치(100)는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)에 의하여 마이크로-LED(120)의 광 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
이에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 마이크로-LED(120)에 구비되는 다수의 나노기둥홀(210)의 내주면을 따라서는 나노금속층(213)이 위치하며, 나노금속층(213)의 내주면을 따라서는 투과층(211)이 위치하게 되며, 투과층(211) 내부로 색변환패턴(200a, 200b)이 위치하게 된다.
여기서 나노금속층(213)은 나노 사이즈의 두께를 가지며, Al, Pt, Cu, Cr, Pd, Ag 또는 Au 중 어느 하나일 수 있으며, 그 두께는 1nm ~ 100nm일 수 있다.
투과층(211)은 Al2O3, AlON, AlN, SiO2, SiO3N4, SiON, MgO으로로 이루어질 수 있는데, 투과층(211)의 두께는 10 ~ 80nm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 10 ~ 50nm일 수 있다.
이와 같이, 마이크로-LED(120)의 제 1 및 제 2 반도체층(123, 127)과 활성층(125)에 다수의 나노기둥홀(210)을 구비하고, 이의 내주면을 따라 순차적으로 나노금속층(213)과 투과층(211)을 위치시킨 후 투과층(211) 내부로 색변환패턴(200a, 200b)을 위치시킴으로써, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치(100)는 다수의 나노기둥홀(210)이 구비된 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)에 위치하는 마이크로-LED(120) 각각이 표면 플라즈몬 공명 효과를 구현할 수 있게 된다.
여기서, 표면 플라즈몬 공명에 대해 좀 더 자세히 살펴보면, 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)은 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동(collective charge density oscillation)이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파(Surface Plasmon Wave)는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다.
특히, 금속과 색변환패턴(200a, 200b)의 계면에서 발생하는 표면 플라즈몬의 진동수가 색변환패턴(200a, 200b)으로부터 색변환되는 광의 파장에 따른 진동수와 일치할 경우, 광 추출 효율을 보다 높이는 결합(coupling)이 일어나게 된다.
예를 들어, 620nm 내지 750nm 의 적색 파장은 Cu와 플라즈몬 진동수가 거의 일치하게 되며, 495nm 내지 570nm인 녹색 파장은 Ag 또는 Au와 플라즈몬 진동수가 거의 일치하게 되며, 450 ~ 490nm인 청색 파장은 Ag과 플라즈몬 진동수가 거의 일치하게 되므로, 색변환패턴(200a, 200b)으로부터 색변환되는 광의 추출 효율이 보다 향상되게 되는 것이다.
따라서, 마이크로-LED(120)의 활성층(125)으로부터 발광되는 청색광을 공급받아 적색광으로 색변환시키는 제 1 색변환패턴(200a)이 위치하는 적색 서브픽셀(R-SP)에 대응하여 위치하는 다수의 나노기둥홀(210)에는 나노금속층(213)을 Cu로 이루어지도록 하며, 제 2 색변환패턴(200b)이 위치하는 녹색 서브픽셀(G-SP)에 대응하여 위치하는 다수의 나노기둥홀(210)에는 나노금속층(213)을 Ag 또는 Au으로 이루어지도록 하여, 색변환패턴(200a, 200b)으로부터 색변환되는 광 추출 효율이 보다 향상되도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 이러한 특성을 갖는 표면 플라즈몬 결합이 발생하기 위한 조건으로는 광의 파장, 금속층의 종류, 금속층과 접하는 물질의 굴절률 등이 있으며, 특히 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 간의 거리가 매우 중요하다. 다시 말해, 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 간의 거리가 일정거리 이하가 되어야 표면 플라즈몬 결합이 발생할 수 있다.
첨부한 도 3a의 그래프는 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 간의 거리에 따른 광의 세기를 측정한 그래프로, X축은 나노금속층의 두께를 나타내며, Y축은 표면 플라즈몬 결합 효율에 따른 광의 발생의 증가를 나타내는 그래프이다.
설명에 앞서, 투과층(211)은 MgO로 이루어지며, 나노금속층(213)은 Ag로 형성하였다.
그리고 B는 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 사이의 거리가 0nm일 때를 나타내며, C는 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 사이의 거리가 20nm일 때, D는 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 사이의 거리가 40nm일 때를 나타내며, E는 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 사이의 거리가 60nm일 때를 나타내며, F는 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 사이의 거리가 80nm일 때를 나타낸다.
첨부한 도 3a의 그래프를 살펴보면, C일때의 광의 발생 증가율이 가장 높은 것을 확인할 수 있는데, 즉, 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 사이의 거리가 20nm 일 때에 광의 발생 증가율이 가장 높게 나타나게 됨을 확인할 수 있다.
이에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 그래프를 참조하면 나노금속층(213)의 두께에 따라서도 광의 발생 증가율이 달라지는 것을 확인할 수 있는데, 이의 차이 보다 도 나노금속층(213)과 색변환패턴(200a, 200b) 사이의 거리를 20nm를 갖도록 형성하는 경우 광의 발생의 증가율이 가장 두드러지게 높게 측정되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 마이크로-LED 표시장치(100)는 나노금속층(213)과 색변환패턴(200a, 200b) 사이로 위치하는 투과층(211)이 20nm의 두께를 갖도록 하는 것이 바람직하다.
여기서, 첨부한 도 3b의 그래프는 색변환패턴(200a, 200b)과 나노금속층(213) 간의 거리에 따른 광의 세기를 또 다른 측면에서 측정한 그래프로, X축은 투과층(211)의 두께를 나타내며, Y축은 표면 플라즈몬 결합 효율에 따른 광의 발생의 증가를 나타낸다.
그리고 투과층(211)은 MgO로 이루어지며, 나노금속층(213)은 Ag로 형성하였다.
I는 나노금속층(213)의 두께가 0nm일 때를 나타내며, J는 나노금속층(213)의 두께가 0.5nm일 때, K는 나노금속층(213)의 두께가 1.5nm일 때를 나타내며, L는 나노금속층(213)의 두께가 2.5nm일 때를 나타내며, M은 나노금속층(213)의 두께가 3.5nm일 때를 나타낸다.
첨부한 도 3b를 살펴보면, 나노금속층(213)의 두께에 따라서도 광의 발생 증가율이 달라지는 것을 확인할 수 있으나, 이의 차이 보다 도 투과층(211)의 두께가 10 ~ 50nm 일때 광의 발생의 증가율이 높게 측정되는 것을 확인할 수 있으며, 보다 명확하게는 투과층(211)의 두께가 20nm 일때 광의 발생의 증가율이 가장 두드러지게 높게 측정되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 마이크로-LED 표시장치(100)는 나노금속층(213)과 색변환패턴(200a, 200b) 사이로 위치하는 투과층(211)이 10 ~ 50nm의 두께를 갖도록 하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 투과층(211)이 20nm의 두께를 갖도록 형성함으로써, 표면 플라즈몬 결합 효율이 극대화되도록 하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치(100)는 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)에 대응하여 다수의 나노기둥홀(210)을 구비하고, 각각의 나노기둥홀(210) 내에 제 1 및 제 2 색변환패턴(200a, 200b)이 채워져 위치하도록 함으로써, 마이크로-LED(120)와 제 1 및 제 2 색변환패턴(200a, 200b) 사이의 거리를 줄일 수 있어, 마이크로-LED(120)의 광 효율을 향상시키게 된다.
또한, 각각의 나노기둥홀(210) 내에 색변환패턴(200a, 200b)과 투과층(211)을 사이에 두고 나노금속층(213)이 위치하도록 함으로써, 각각의 나노기둥홀(210) 내에서 표면 플라즈몬 공명 효과를 구현할 수 있어, 이를 통해서도 마이크로-LED(120)의 광 효율을 보다 향상시키게 된다.
여기서, 적색 및 녹색 서브픽셀(R-SP, G-SP)에 구비되는 다수의 나노기둥홀(210)은 광의 방출면을 최대화하기 위해서 원기둥 형상으로 형성되도록 하는 것이 바람직한데, 물론, 원기둥 형상 외에 다각 기둥 모양으로 형성될 수도 있다.
또한, 나노기둥홀(210)의 직경(D)은 각 색변환패턴(200a, 200b)으로부터 파장 변환되는 발광파장과 비슷한 0.5㎛에서부터 수십nm까지 조절될 수 있는데, 나노기둥홀(210)의 직경(D)은 표면 플라즈몬 공명 효과를 최대화 할 수 있는 한도 내에서 자유롭게 설계 가능하다.
일예로 색변환물질 중 하나인 양자점의 입자가 수십nm 이므로, 나노기둥홀(210)의 직경(D)은 이 보다 크게 형성되도록 하는 것이다.
그리고 나노기둥홀(210)의 높이(h)는 나노기둥홀(210)이 마이크로-LED(120)의 제 1 및 제 2 반도체층(123, 127)과 활성층(125)을 모두 포함되도록 조절될 수 있는데, 나노기둥홀(210)은 활성층(125)을 관통하여 형성되도록 하는 것이 바람직하므로, 제 1 반도체층(123)과 활성층(125)까지의 두께 보다 깊게 형성되도록 하며, 보다 바람직하게는 활성층(125)의 두께 보다 큰 두께를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 나노기둥홀(210)은 제 2 반도체층(127)을 완전히 관통하여 형성할 수도 있다.
따라서, 통상적으로 제 1 반도체층(123)이 수 nm의 두께를 가지며, 활성층(125) 또한 수 nm의 두께를 가지기 때문에, 나노기둥홀(210)의 높이(h)는 수nm 이상이 될 수 있으며, 깊이의 제한은 제 2 반도체층(127)이 성장되는 두께에 따라 다를 수 있다.
또한 나노기둥홀(210)의 직경(D)에 따라 주입할 수 있는 색변환물질의 양이 달라질 수 있으며, 이에 필요로하는 색변환물질의 양에 따라 높이(h)를 정의할 수 있다.
한편, 통상적으로 색변환패턴(200a, 200b)은 파장 변환을 위하여 적어도 2 ~ 3um의 두께를 가져야 하므로, 나노기둥홀(210)의 높이(h) 또한 2 ~ 3um으로 이루어지도록 할 수도 있다.
이러한 나노기둥홀(210)은 나노 패터닝 기술을 이용한 선택적 식각 공정으로 형성될 수 있는데, 이러한 선택적 식각 공정을 위하여, 전자빔(electron-beam) 리소그래피(lithography), 집속이온빔(focused ion beam, FIB) 리소그래피, 나노 임프린트법(nano-imprint), 실리콘 산화막(SiO2) 나노 파티클을 이용한 마스크 형성법, 자기 응집성 금속 마스크법(self-assembled metal mask) 등의 마스크 패턴화 방법이 적용 가능하다.
또한, 마스크 형성 후 식각 방법으로는 건식 식각법, 예를 들면 반응성 이온 식각법(reactive ion etching; RIE), 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 식각(inductively coupled plasma reactive ion etching; ICP-RIE), 화학적 이온 빔 식각(chemically assisted ion beam etching; CAIBE) 등을 이용할 수 있다.
도 4a ~ 4h는 본 발명의 실시예에 따른 색변환패턴이 채워진 나노기둥홀을 형성하는 공정을 공정 순서에 따라 도시한 공정 흐름도이다.
도 4a에 도시한 바와 같이 하부로 활성층(125)과 제 2 반도체층(127)이 구비되는 제 1 반도체층(123) 상부로 패터닝층(301)을 형성한다. 패터닝층(301)은 하부층으로 영향을 주지 않고 나노마스크 패턴을 용이하게 형성하며, 그리고 추후 쉽게 제거할 수 있는 포토레지스트(Photo Resist: PR) 또는 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성할 수 있는데, 질화실리콘(SiN) 또는 통상의 절연막을 증착하여 형성할 수도 있다.
여기서, 제 1 반도체층(123)이 질화갈륨(GaN)으로 형성되는 경우, 질화갈륨(GaN) 보다는 실리콘 산화막(SiO2)이 표면에너지가 크고 젖음성(wetting) 특성(동그랗게 잘 뭉치도록 하는 특성; 소수성)이 좋으며, 또한 후속 식각공정에서 질화갈륨(GaN)으로 이루어지는 마이크로-LED(20)의 제 1 및 제 2 반도체층(123. 127)을 식각하는 과정에서 플라즈마에 잘 견디기 때문에 실리콘 산화막(SiO2)으로 패터닝층(301)을 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 마이크로-LED(120)은 n-GaN계 반도체 물질로 이루어지는 제 1 반도체층(123)과 p-GaN계 반도체 물질로 이루어지는 제 2 반도체층(127)의 적층순서가 공정에 따라 달라질 수 있는데, 즉, 마이크로-LED(120)는 p-GaN계 반도체 물질로 이루어지는 제 2 반도체층(127) 상부로 활성층(125)과 n-GaN계 반도체 물질로 이루어지는 제 1 반도체층(123)이 순차적으로 위치할 수도 있다.
다음으로 도 4b에 도시한 바와 같이 패터닝층(301)을 패터닝하여 나노(nano) 파티클 사이즈의 클러스터(cluster) 또는 도트(dot) 모양으로 변화도록 하여 나노마스크 패턴(303)을 형성한다.
이와 같이, 제 1 반도체층(123) 상부로 위치하는 패터닝층(301)을 나노마스크 패턴(303)으로 형성하게 되면, 나노마스크 패턴(303)이 클러스터 또는 도트 모양으로 이루어짐에 따라, 이웃하여 위치하는 나노마스크 패턴(303) 사이로 제 1 반도체층(123)의 일부가 노출되게 된다.
이때, 나노마스크 패턴(303)은 제 1 반도체층(123)이 이웃하여 위치하는 나노마스크 패턴(303) 사이로 10 ~ 100nm의 지름(d)으로 노출되도록 소정의 사이즈를 갖도록 형성하는 것이 바람직한데, 나노마스크 패턴(303)의 사이즈 조절은 패터닝층(301)의 코팅 및 증착시 패터닝층(301)의 두께 조절을 통해 가능하며, 또는 패터닝 시간에 따라서도 나노마스크 패턴(303)의 구형체의 크기 및 밀도의 조절이 가능할 것이다.
이후, 도 4c에 도시한 바와 같이 나노마스크 패턴(303)을 식각마스크로 이용하여 식각공정을 수행하여, 마이크로-LED(120)의 제 1 반도체층(123)과 활성층(125)을 완전히 관통하고, 제 2 반도체층(127)은 일부를 식각하여, 다수의 나노기둥홀(210)을 형성한다.
식각은 나노마스크 패턴(303)이 형성되지 않은 영역에서 수직으로 이루어지게 된다.
다음으로 다수의 나노기둥홀(210)이 형성되면, 식각마스크로 사용된 나노마스크 패턴(303)의 제거공정을 수행한다. 제거공정에는 BOE(Buffered Oxide Etchant) 용액이 사용될 수 있다. 제거공정 이후에는 어닐링(annealing) 공정이 수행될 수 있는데, 어닐링 공정은 식각공정에서 플라즈마 등에 의한 손상(damage) 등의 회복(relaxation)을 위한 것이다.
어닐링 공정은 300~900℃ 의 온도 및 질소(N2) 분위기에서 수행될 수 있다.
다음으로 도 4d에 도시한 바와 같이 다수의 나노기둥홀(210) 내부로 금속층(213a)을 증착한 후, 도 4e에 도시한 바와 같이 각각의 나노기둥홀(210) 내부로 위치하는 금속층(213a)을 식각하여 나노기둥홀(210)의 내주면을 따라 형성되는 나노금속층(213)을 형성한다.
금속층(213a)의 식각은 도시하지는 않았지만 나노기둥홀(210)의 직경(도 2의 D) 보다 작은 사이즈의 투과부를 갖는 마스크를 위치시켜 진행하게 되며, 이때 금속층(213a)의 식각 또한 나노기둥홀(210)의 길이방향을 따라 수직으로 이루어지게 된다.
다음으로, 도 4f에 도시한 바와 같이 내주면을 따라 나노금속층(213)이 형성된 다수의 나노기둥홀(210) 내에 각각 투과물질층(211a)을 증착한 후, 도 4g에 도시한 바와 같이 각각의 나노기둥홀(210) 내부로 위치하는 투과물질층(211a)을 식각하여 나노금속층(213) 내주면을 따라 형성되는 투과층(211)을 형성한다.
이후, 도 4h에 도시한 바와 같이, 나노금속층(213)과 투과층(211)이 형성된 나노기둥홀(210) 내부로 색변환물질을 충진하여, 색변환패턴(200a, 200b)이 채워져 위치하는 다수의 나노기둥홀(210)의 형성공정을 완료한다.
도 5a ~ 5b는 본 발명의 실시예에 따른 나노기둥홀의 또 다른 구성을 개략적으로 도시한 확대도이다.
마이크로-LED(120)의 제 1 반도체층(123) 및 활성층(125) 그리고 제 2 반도체층(127)의 적어도 일부를 관통하여 형성되는 나노기둥홀(210)은 제 1 반도체층(123) 및 활성층(125) 그리고 제 2 반도체층(127)의 적어도 일부를 식각하는 과정에서, 공정변수 변화로 나노기둥홀(210)의 측면의 기울기를 제어할 수 있다.
따라서, 도 5a에 도시한 바와 같이 각각의 나노기둥홀(210)은 제 1 반도체층(123)으로부터 제 2 반도체층(127)으로 향할수록 직경(D)이 작아지도록 형성할 수도 있으며, 또는 도 5b에 도시한 바와 같이 각각의 나노기둥홀(210)은 제 1 반도체층(123)으로부터 제 2 반도체층(127)으로 향할수록 직경(D)이 커지도록 형성할 수도 있다.
이와 같이, 나노기둥홀(210)의 측면에 기울기를 갖도록 형성하는 경우, 나노기둥홀(210)을 수직하게 식각하는 공정에 비해 공정의 편의성을 더욱 가져올 수 있으며, 특히 도 5b의 나노기둥홀(210)이 도 5a의 나노기둥홀(210)에 비해 나노기둥홀(210)을 형성하기 보다 수월할 수 있다.
그러나, 도 5a의 나노기둥홀(210)이 제 1 반도체층(123)으로부터 제 2 반도체층(127)으로 향할수록 직경(D)이 커지도록 형성하는 경우, 도 5b의 나노기둥홀(210)이 제 1 반도체층(123)으로부터 제 2 반도체층(127)으로 향할수록 직경(D)이 작아지도록 형성하는 경우에 비해 활성층(125)의 면적을 보다 넓게 형성할 수 있어, 활성층(125)의 면적에 따른 마이크로-LED(120)의 광효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 활성층(125)으로부터 발광된 광이 제 2 반도체층(127)을 투과하여 발광하게 됨에 따라, 제 2 반도체층(127)을 향할수록 직경(D)이 커지도록 형성되는 도 5a의 나노기둥홀(210)은 활성층(125)으로부터 발광된 광이 색변환되는 면적이 넓게 형성될 수 있어, 색변환효율 또한 높은 장점을 갖게 된다.
이에 반해, 활성층(125)으로부터 발광된 광이 제 1 반도체층(123)을 투과하여 발광하게 되는 경우에는, 도 5a와 같이 제 1 반도체층(123)을 향할수록 직경(D)이 커지도록 형성함으로써, 색변환효율 또한 높일 수 있게 된다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED의 또 다른 구성을 개략적으로 도시한 확대도이다.
도시한 바와 같이, 마이크로-LED(120)의 패드전극(121)을 다수의 나노기둥홀(210)과 중첩되지 않도록, 나노기둥홀(210)의 주변으로 위치하도록 형성할 수 있는데, 이를 통해, 패드전극(121)은 나노기둥홀(210)에 대응하여 구멍패턴(H)을 포함하게 된다.
따라서, 패드전극(121)에 대응하여 위치하는 활성층(125) 영역으로만 전류가 집중해서 흐르도록 함으로써, 활성층(125)에는 높은 전류밀도가 인가되게 된다.
통상적으로 마이크로-LED(120)의 휘도는 동작 전류가 증가하면 증가하지만, 발광효율은 전류 밀도(A/㎠)에 의존하여 전류밀도가 증가함에 따라 증가하게 된다.
따라서, 활성층(125)으로 높은 전류밀도가 집중해서 인가됨에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED(120)는 광 추출 효율이 향상되게 된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치의 또 다른 세개의 서브픽셀들을 나타내는 단면도이다.
도시한 바와 같이, 기판(101) 상에는 적색 서브픽셀(R-SP), 녹색 서브픽셀(G-SP) 및 청색 서브픽셀(B-SP)로 이루어지는 하나의 단위 픽셀이 정의되며, 각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에는 구동 박막트랜지스터(도 1의 DTr)와 연결되는 연결전극(111)과, 연결전극(111)과 전기적으로 연결되는 패드전극(121) 그리고, 패드전극(121) 상부로 위치하며 제 1 및 제 2 반도체층(123, 127)과 활성층(125) 그리고 공통전극(129)으로 이루어지는 마이크로-LED(120)가 위치한다.
여기서, 각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP) 별로 위치하는 각각의 마이크로-LED(120)의 활성층(125)으로부터는 청색광이 발광된다.
그리고 마이크로-LED(120)의 제 1 반도체층(123) 및 활성층(125) 그리고 제 2 반도체층(125)의 적어도 일부를 관통하여 다수의 나노기둥홀(210)이 구비되며, 각각의 나노기둥홀(210) 내에는 제 3 색변환패턴(200c)이 채워져 위치하게 된다.
각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에 형성되는 다수의 나노기둥홀(210)에 채워져 위치하는 제 3 색변환패턴(200c)은 광을 제공받아 제 3 색의 파장으로 변환하게 되는데, 구체적으로 제공받은 광을 제 3 색의 파장으로 변환하게 된다.
제 3 색은 백색(white)일 수 있으며, 제 3 색변환패턴(200c)이 포함하는 색변환물질은, 예를 들어, 양자점(Quantum Dot), 형광염료 또는 이들의 조합일 수 있다. 형광염료는, 예를 들어, 유기 형광물질, 무기 형광물질 및 이들의 조합을 포함한다.
형광염료는 옐로우 형광염료, 적색 및 녹색 형광염료, 그 이외의 제3의 색상의 광을 발광하는 염료 또는 이들의 조합일 수 있다.
양자점은 360nm 내지 780nm의 파장영역, 예컨대 400nm 내지 780nm의 파장영역의 광을 흡수하여, 450nm 내지 700nm의 파장영역에서 형광을 방출할 수 있다. 즉, 상기 양자점은 450nm 내지 700nm에서 최대 형광 발광 파장(fluorescence λem)을 가질 수 있다.
구체적으로, 양자점은 450nm 내지 580nm의 파장영역에서 최대 형광 발광 파장(fluorescence λem)을 가지는 양자점(예컨대 녹색 양자점), 580nm 내지 700nm의 파장영역에서 최대 형광 발광 파장(fluorescence λem)을 가지는 양자점(예컨대 적색 양자점) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 옐로우 형광염료는 청색 파장대의 광을 흡수하여 백색 파장대의 광을 발광하는 물질로, 300nm 내지 480nm에서 최대 발광피크를 갖는다.
이와 같이, 적색 및 녹색 그리고 청색 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에 제 3 색변환패턴(200c)이 채워져 위치하는 다수의 나노기둥홀(210)이 구비됨으로써, 각각의 마이크로-LED(120)로부터 방출되는 청색광은 적색 및 녹색 그리고 청색 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에서 모두 제 3 색변환패턴(200c)에 의해 청색광이 백색광으로 파장 변환되게 된다.
이와 같이, 백색광이 구현되는 적색 및 녹색 그리고 청색 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)의 마이크로-LED(120) 상부로는 각각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP) 별로 적색, 녹색, 청색 컬러필터(R-CF, G-CF, B-CF)가 위치하여, 각각의 적색, 녹색, 청색 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에서는 적색광, 녹색광, 청색광을 발하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치(100)는 고휘도의 풀컬러를 구현하게 된다.
여기서, 다수의 나노기둥홀(210)의 내주면을 따라 위치하는 나노금속층(213)은 540nm~590nm인 옐로우 파장과 플라즈몬 진동수가 거의 일치하는 Au 또는 Cu로 이루어지도록 하여, 제 3 색변환패턴(200c)으로부터 색변환되는 광 추출 효율이 보다 향상되도록 하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-LED 표시장치(도 1의 100)는 각 서브픽셀(R-SP, G-SP, B-SP)에 대응하여 다수의 나노기둥홀(210)을 구비하고, 각각의 나노기둥홀(210) 내에 색변환패턴(200c)이 채워져 위치하도록 함으로써, 마이크로-LED(120)와 색변환패턴(200c) 사이의 거리를 줄일 수 있으며, 또한, 패드전극(121)에 나노기둥홀(210)에 대응하여 구멍패턴(H)을 형성함으로써 마이크로-LED(120)의 광 효율을 향상시키게 된다.
또한, 각각의 나노기둥홀(210) 내에 색변환패턴(200c)과 투과층(211)을 사이에 두고 나노금속층(213)이 위치하도록 함으로써, 각각의 나노기둥홀(210) 내에서 표면 플라즈몬 공명 효과를 구현할 수 있어, 이를 통해서도 마이크로-LED(120)의 광 효율을 보다 향상시키게 된다.
본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
100 : 마이크로-LED 표시장치, 101 : 기판
103 : 반도체층(103a : 액티브영역, 103b, 103c : 소스 및 드레인영역)
105 : 게이트절연막, 106a, 106b : 제 1 및 제 2 층간절연막
107a, 107b : 제 1, 2 반도체콘택홀, 108 : 공통전압배선
109a, 109b : 소스 및 드레인전극, 111 : 연결전극
113 : 사이드실링절연막
120 : 마이크로-LED(121 : 패드전극, 123 : 제 1 반도체층, 125 : 활성층, 127 : 제 2 반도체층, 129 : 공통전극)
200a, 200b : 제 1 및 제 2 색변환패턴
210 : 나노기둥홀
103 : 반도체층(103a : 액티브영역, 103b, 103c : 소스 및 드레인영역)
105 : 게이트절연막, 106a, 106b : 제 1 및 제 2 층간절연막
107a, 107b : 제 1, 2 반도체콘택홀, 108 : 공통전압배선
109a, 109b : 소스 및 드레인전극, 111 : 연결전극
113 : 사이드실링절연막
120 : 마이크로-LED(121 : 패드전극, 123 : 제 1 반도체층, 125 : 활성층, 127 : 제 2 반도체층, 129 : 공통전극)
200a, 200b : 제 1 및 제 2 색변환패턴
210 : 나노기둥홀
Claims (13)
- 제 1 색을 표현하는 제 1 서브픽셀과, 상기 제 1 색 보다 큰 파장 대역을 갖는 제 2 색을 표현하고 상기 제 1 서브픽셀과 인접 배치된 제 2 서브픽셀이 정의된 기판과;
상기 제 1 및 제 2 서브픽셀의 발광영역에 각각 위치하며, 제 1 및 제 2 반도체층과 상기 제 1 및 제 2 반도체층 사이로 위치하는 활성층을 포함하는 발광다이오드와;
상기 활성층을 관통하여 형성되며, 내주면을 따라서는 나노금속층과 투과층이 순차적으로 위치하는 다수의 나노기둥홀과;
상기 제 2 서브픽셀의 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀에 채워져 위치하며, 상기 제 1 색을 상기 제 2 색으로 파장 변환시키는 제 1 색변환패턴
을 포함하는 LED 표시장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나노금속층의 두께는 1nm ~ 100nm이며, 상기 투과층의 두께는 10 ~ 50nm인 LED 표시장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 나노기둥홀 각각의 직경은 0.5 ~ 수십um인 LED 표시장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 나노기둥홀은 상기 제 1 및 제 2 반도체층의 적어도 일부를 관통하는 LED 표시장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 색 보다 큰 파장 대역을 갖는 제 3 색을 표현하고, 상기 제 2 서브픽셀과 인접 배치된 제 3 서브픽셀을 포함하며,
상기 제 3 서브픽셀의 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀에 채워져 위치하며, 상기 제 1 색을 상기 제 3 색으로 파장 변환시키는 제 2 색변환패턴을 포함하는 LED 표시장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 색은 청색광이며, 상기 제 2 색은 녹색광이며, 상기 제 3 색은 적색광인 LED 표시장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 서브픽셀에 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀의 내주면을 따라 위치하는 상기 나노금속층은 Ag 또는 Au 중 하나로 이루어지며,
상기 제 3 서브픽셀에 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀의 내주면을 따라 위치하는 상기 나노금속층은 Cu로 이루어지는 LED 표시장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 색 보다 큰 파장 대역을 갖는 제 3 색을 표현하고, 상기 제 2 서브픽셀과 인접 배치된 제 3 서브픽셀을 포함하며,
상기 제 1 내지 제 3 서브픽셀의 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀에 채워져 위치하며, 상기 제 1 색을 상기 제 4 색으로 파장 변환시키는 제 3 색변환패턴을 포함하는 LED 표시장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 서브픽셀에 대응하여 위치하는 상기 다수의 나노기둥홀의 내주면을 따라 위치하는 상기 나노금속층은 Au 또는 Cu 중 하나로 이루어지는 LED 표시장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 4 색은 백색으로, 상기 제 1 내지 제 3 서브픽셀에는 각각 청색, 녹색, 적색 컬러필터가 위치하는 LED 표시장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 발광다이오드는 상기 제 1 반도체층과 전기적으로 연결된 패드전극과, 상기 제 2 반도체층과 전기적으로 연결되는 공통전극을 포함하며,
상기 패드전극은 상기 기판 상에 위치하는 구동 박막트랜지스터와 전기적으로 연결되며, 상기 공통전극은 상기 기판 상에 위치하는 공통전압배선과 전기적으로 연결되는 LED 표시장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 다수의 나노기둥홀은 상기 제 1 반도체층으로부터 상기 제 2 반도체층을 향할수록 직경이 커지거나,
상기 다수의 나노기둥홀은 상기 제 1 반도체층으로부터 상기 제 2 반도체층을 향할수록 직경이 작아지는 LED 표시장치.
- 제 11 항에 있어서,
상기 패드전극은 상기 다수의 나노기둥홀에 대응하는 구멍패턴을 포함하는 LED 표시장치.
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