WO2012148234A2 - 풀컬러 led 디스플레이 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a full color LED display device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a full color LED display device and a method of manufacturing the same can implement a large area LED full color display.
  • the Light-Emitting Diode (LED) TV known to the market so far is an LCD TV employing a white or three primary LED backlight instead of the CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) backlight of the conventional LCD TV.
  • CCFL Cold Cathode Fluorescent Lamp
  • the commercial full-color LED display is known to be the only product that can be seen on the market is the ultra-large full-color outdoor billboard with tens of thousands of three-color LED elements inserted. Therefore, the full-color LED display of the correct concept is not currently employed as a monitor for home TV or computer.
  • the reason why the existing LED device cannot be used as a TV or monitor size display is due to the technical limitation of manufacturing the LED device and the method of implementing full color.
  • LED is grown by using MOCVD method on III-V group p-n light emitting diode on 2 ⁇ 8 inch class board, wired to electrode, and used as monochromatic or white LED device. If you want to make a display for a TV directly from a III-V wafer, simply count the 5-40 sheets of 2-8 inch wafers to make a 40-inch TV. In addition, in order to realize full color with LEDs, the red-green-blue three-color LED device must be driven together in one pixel, so it is impossible to realize a full-color LED display by simply connecting red-green-blue LED wafers together.
  • Another simple way to implement an LED TV is to grow a red-cyan thin film or nanorod-type LED device directly on each pixel of a large area glass substrate for an actual display.
  • this approach causes problems such as the problem of implementing LED by growing a high-quality III-V thin film on a glass substrate by MOCVD method.
  • MOCVD method for growing group III-V thin film is not only possible to directly deposit on TV display-grade substrate, but also high crystallinity and high efficiency group III-V thin film and nanorod on glass substrate. Deposition is impossible. Due to these technical limitations, no effective method for producing a 20-inch or larger TV or 14-inch or larger monitor-class full-color display using LED wafers has been proposed.
  • full-color TFT-LCDs which currently dominate the TV and monitor market, emit only about 5% of the light from the backlight.
  • two polarizers are used in the on / off process of transmitting / blocking light, a color filter is used to make the white light transmitted through the liquid crystal into three primary colors, and the light emitted from one backlight lamp is uniformly distributed.
  • many optical films are used, resulting in about 95% light loss.
  • the luminous efficiency of a full color LCD display is known to be 2-3 lm / W when a 60 lm / W class backlight lamp is used.
  • LED display manufacturing and device technology which has been developed so far, is a method of implementing a display by arranging one LED device per pixel.
  • micro sized LED display For example, recently developed micro sized LED display is reported to have developed a small micro LED display by making one pixel with one micro LED.
  • a technique for manufacturing a display in a desired size has been reported since a micro-size LED is manufactured on a flexible plastic substrate or a film, and then a substrate is increased to increase an area.
  • the technology of manufacturing a display by mapping one micro LED array to one pixel is easy to develop a small micro LED display, but the technical threshold to overcome the large area of TV or monitor display is very high.
  • the entire display may be defective. Therefore, in order to implement high efficiency LED display, a unique and simple structure and technology that can overcome the existing technology is required.
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, and the first problem to be solved by the present invention is suitable for manufacturing a large area color by blue LED full color display, and the subpixel (
  • the present invention provides a full color LED display device and a method of manufacturing the same, in which an ultra-small LED device can be accurately positioned without lying on its side or upside down.
  • a second object of the present invention is a full-color LED display device suitable for manufacturing RGB LED full-color display
  • the micro LED device can be accurately positioned on the sub-pixel (pixel position) of the LED display without lying on its side or upside down and its It is to provide a manufacturing method.
  • the small LED is located only in the pixel area of less than 20%, more preferably less than 10% of the total area of the display, there is provided a method for manufacturing a large area LED display using a relatively small size LED wafer. .
  • the present invention to solve the first technical problem
  • the present invention in another embodiment for achieving the first technical problem
  • the first electrodes and the second electrodes are formed to cross a stripe shape, and the unit pixel positions are formed at a portion corresponding to a portion where the first electrodes and the second electrodes cross. Can be.
  • an area of the unit pixel position is 1 ⁇ 10 4 ⁇ m 2 or less, more preferably 1 ⁇ 10 2 ⁇ m 2 or less, and grooves having a predetermined depth are formed in the unit pixel positions of the first electrodes.
  • the ultra-small LED elements have a diameter of 50 to 3000 nm, alone or bundled, and an insulating film may be formed on the outer circumferential surface of the LED elements.
  • the micro LED devices may be paste or ink type.
  • step 2 the step 2);
  • step 2 the step 2);
  • the method may further include forming a short wavelength transmission filter (SWPF) between steps 4) and 5) and forming a long wavelength transmission filter (LWPF) after step 5). can do.
  • SWPF short wavelength transmission filter
  • LWPF long wavelength transmission filter
  • the present invention to solve the second technical problem
  • 5) provides a full color LED display device including a green color conversion layer and a red color conversion layer formed on an upper portion of a second electrode corresponding to some selected unit pixel positions among the unit pixel positions.
  • the present invention in another embodiment for solving the second technical problem
  • It provides a full color LED display device including a plurality of second electrodes formed on the insulating layer.
  • the ultra-small blue, green and red LED elements have a diameter of 50 to 3000 nm, are singly or bundled, and an insulating film may be formed on the outer circumferential surface of the LED elements.
  • a metal ohmic layer may be formed between the unit pixel position and the micro LED device.
  • an area of the unit pixel position is 1 ⁇ 10 4 ⁇ m 2 or less, and a groove having a predetermined depth may be formed in the unit pixel positions of the first electrodes.
  • the first electrodes and the second electrodes are formed to cross the stripe shape, and the unit pixel positions are located at a portion corresponding to a portion where the first electrodes and the second electrodes cross. Can be formed.
  • a short wavelength transmission filter may be formed between the second electrode and the ultra small red or green LED elements, and a long wavelength transmission filter may be formed on the ultra small red or green LED elements.
  • pixel sites also referred to as “sub-pixels,” refers to a plurality of regions formed in the first electrode of the LED display, and refers to the positions where the ultra-small LED elements are attached.
  • the plurality of “pixel locations” may be formed along the first electrode, and may be formed at regular intervals when the first electrodes are aligned in a stripe shape.
  • the full-color LED display according to the present invention combines five or more ultra-small LED elements on each unit pixel position, thereby minimizing the defect rate and producing a large-scale high-efficiency full-color LED display.
  • the ultra-small LED device of the present invention can be freely assembled to the desired pixel pattern position by the coupling of the linkers by using the coupling linker, and the micro-LED device on the sub-pixel of the LED display can be accurately It can be positioned to significantly improve the efficiency of LED displays.
  • the full-color LED display of the present invention compared to the conventional LED backlight-based LCD display is reduced light loss problems due to polarizers, liquid crystals and color filters, etc., the limit of efficiency is relatively small and the energy loss problem can be greatly improved.
  • the ultra-small LED device of the present invention is a technology capable of overcoming the limitations of productivity and size that may occur in the conventional LED display concept, and can be expanded to a TV-class display with a small size LED wafer substrate. Enables the implementation of true LED displays.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a step of patterning a first electrode on a surface of an LED display substrate according to the present invention.
  • Figure 2a is a perspective view showing the step of forming a coupling linker on the surface of the pixel positions formed on the first electrode of the present invention
  • Figure 2b is a perspective view showing a step of applying a fine metal powder on the coupling linker formed on the surface of the pixel positions
  • 2C is a perspective view illustrating a step of attaching a plurality of ultra-small blue LED elements to pixel positions on which the metal fine powder is applied
  • FIG. 2D is formed on one surface of a coupling linker, a metal fine powder, and a micro LED device formed at a pixel position
  • FIG. 2E is a perspective view illustrating a metal ohmic layer formed between pixel positions and micro LED devices after a soldering process.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the step of forming a coupling linker on the surface of the pixel positions formed on the first electrode of the present invention
  • Figure 2b is a perspective view showing a step of applying a fine metal powder on the coupling link
  • FIG 3 is a perspective view illustrating the step of coupling the ultra-small LED device bundle to the subpixel of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view showing the step of forming an insulating layer on the ultra-small LED device of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a step of forming a second electrode on an insulating layer of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a step of forming a short wavelength transmission filter on the second electrode of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a step of forming a plurality of green conversion layers on an upper portion of a second electrode corresponding to selected pixel positions among selected pixel positions on the short wavelength transmission filter of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a step of forming a plurality of red conversion layers on an upper portion of a second electrode corresponding to selected pixel positions among selected pixel positions on the short wavelength transmission filter of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating a step of forming a long wavelength transmission filter on the red and / or green LED elements of the present invention.
  • FIG. 10A is a perspective view illustrating the step of coupling five or more red micro LED devices to some subpixels of the present invention
  • FIG. 10B is a perspective view illustrating the step of coupling five or more green micro LED devices to some subpixels
  • 10c is a perspective view illustrating the step of combining five or more blue micro LEDs to some subpixels.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the step of forming an insulating layer on the ultra small red, green and blue LED device of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating a step of forming a second electrode on an insulating layer of the present invention.
  • Figure 13 is an electron microscope observation picture of the cross-section of the LED basic device layer of the present invention.
  • FIG. 14 is an electron microscope photograph of a cross section in which an insulating layer and a metal mask layer are formed on a second conductive semiconductor layer of the present invention.
  • FIG. 15A is an electron microscope photograph of a cross section of a nanosphere monolayer film formed on a metal mask layer of the present invention
  • FIG. 15B is an electron microscope photograph of a plane thereof.
  • FIG. 16A is an electron microscope photograph of a cross section obtained by ashing the nanosphere monolayer film of the present invention under an O 2 gas atmosphere
  • FIG. 16B is an electron microscope photograph of the plane thereof.
  • FIG. 17A is an electron microscope photograph of a cross-sectional view of a metal mask layer etched in a Cl 2 gas atmosphere using a nanosphere of which the size of the present invention is reduced
  • FIG. 17B is an electron microscope photograph of the plane thereof.
  • FIG. 18A is an electron microscope photograph of a cross section of a metal mask layer pattern transferred as it is in the shape of polystyrene by an etching process of the present invention
  • FIG. 18B is an electron microscope photograph of the plane thereof.
  • FIG. 19A is an electron microscope photograph of a cross section of SiO 2 (insulating layer) etched under CF 4 and O 2 gas atmospheres using a metal mask layer pattern of the present invention
  • FIG. 19B is an electron microscope photograph of the plane thereof; to be.
  • FIG. 20A is an electron microscope photograph of a section etched by the ICP method under an SiCl 4 and Ar gas atmosphere using the etched insulating layer of the present invention
  • FIG. 20B is an electron microscope photograph of the plane.
  • FIG. 21A is an electron micrograph of a cross-sectional view after removing an insulating layer used as a mask of the present invention
  • FIG. 21B is an electron micrograph of a plane thereof.
  • 22A and 22B show contact angles before (22a) and after (22b) of coating a hydrophobic film (octadecyltrichlorosilane) on the semiconductor layer coated with the insulating film (Al 2 O 3 ) of the present invention. ) Is a drawing measured.
  • a hydrophobic film octadecyltrichlorosilane
  • 23A and 23B are electron micrographs of cross-sections of laser-lift-off processes using a buffer layer or an undoped semiconductor layer to which a supporting film of the present invention is not attached, and a sapphire substrate.
  • 24A and 24B are electron micrographs of a cross section obtained by etching the buffer layer or the undoped semiconductor layer to some extent in order to expose the first conductive semiconductor layer of the present invention.
  • 25a and 25b are electron micrographs observed in cross section after further etching by the ICP method of the present invention.
  • FIG. 26A is an electron microscope photograph of a cross section etched to expose the first conductive semiconductor layer by the ICP method of the present invention
  • FIG. 26B is an electron microscope photograph of the plane thereof.
  • FIG. 27 is an electron microscope photograph of a cross section in which an electrode Ti is deposited on a first conductive semiconductor layer of a micro LED of the present invention by sputtering.
  • FIG. 28 is a photograph of an independent micro LED in a state where the supporting film of the present invention is removed with acetone using an electron microscope.
  • FIG. 29 is a photograph of one independent micro LED of FIG. 28 observed with an electron microscope.
  • FIG. 30 is an electron microscope photograph of the arrangement of the independent micro LED devices of FIG. 28 on an electrode substrate.
  • 31 is a spectrum measured after aligning the ultra-small LED elements of the present invention to the electrode substrate.
  • 32A to 32C are photographs visually observing a state in which the micro LED of the present invention emits blue light.
  • FIG. 33 shows blue emission peaks measured when 50 micro LEDs and 100 batteries of the present invention are attached
  • 34 is a diagram showing the transmittance of the short wavelength transmission filter of the present invention.
  • 35 is a view showing the luminescence peak of the green color conversion layer of the present invention.
  • 36 is a view showing the emission peak of the red color conversion layer of the present invention.
  • 37 is a diagram showing the transmittance of the long wavelength transmission filter of the present invention.
  • FIG. 38 is a diagram showing the blue light emission peaks of the transmittance of the short wavelength transmission filter of the present invention, and the light emission peaks of the green and red color conversion layers, respectively.
  • FIG. 40 is a view showing a change in emission peak intensity of the green color conversion layer by the short wavelength transmission filter and the long wavelength transmission filter of the present invention.
  • FIG. 41 is a view showing a change in the emission peak intensity of the red color conversion layer by the short wavelength transmission filter and the long wavelength transmission filter of the present invention.
  • FIG. 42 is a graph showing the emission ratio and spectrum of the ultra-small blue LED and the green and red color conversion layer of the present invention at a color temperature of 1,2000K.
  • the conventional full color LED display not only has a limitation in realizing a large area, but also has a problem that the defect rate is very high.
  • the present invention to solve this problem, 1) forming a plurality of first electrodes on the substrate; 2) attaching five or more micro blue LED elements to each unit pixel site formed on said first electrode; 3) forming an insulating layer on the substrate; 4) forming a plurality of second electrodes on the insulating layer; And 5) sequentially patterning a green color conversion layer and a red color conversion layer on an upper portion of a second electrode corresponding to selected unit pixel positions among the unit pixel positions.
  • the full-color LED display of the present invention combines five or more ultra-small LED elements on a unit pixel position (subpixel), thereby minimizing a defect rate, thereby manufacturing a high-efficiency full-color LED display having a large area.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a step of patterning a first electrode on a surface of an LED display substrate according to one embodiment of the present invention, wherein the first electrodes 11 and 12 are disposed in a horizontal direction on one surface of the substrate 10.
  • an area of the substrate 10 may be a large area of 10 inches or more, but is not limited thereto, and may be applied to a smaller area.
  • the substrate 10 that can be used in the present invention is not limited in kind as long as it can be used in a conventional LED display, but preferably a transparent glass substrate or a plastic substrate can be used.
  • a plurality of first electrodes 11 and 12 are formed on the substrate 10.
  • the first electrodes 11 and 12 may be manufactured by a conventional method.
  • the first electrodes 11 and 12 may be formed by applying a conductive material on the substrate 10 and then patterning the conductive material.
  • the first electrodes 11 and 12 may be formed in a stripe shape.
  • the first electrodes 202 may be made of a metal electrode such as Al or a transparent conductive material such as indium tin oxide (ITO). Diameters of the first electrodes 11 and 12 may be 10 to 50 ⁇ m, but are not limited thereto.
  • a plurality of ultra-small blue LED elements are attached to unit pixel positions formed on the first electrode.
  • the area of each of the unit pixel positions is preferably 1 ⁇ 10 4 ⁇ m 2 or less, more preferably 1 ⁇ 10 2 ⁇ m 2 or less, which is 10% or less of the unit pixel area of a conventional LED display.
  • the size of a unit pixel in which the ultra-small LED of the present invention is located may be 10 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m, and thus the area ratio occupied by the actual ultra-small LED is determined. Minimization can be achieved by minimizing.
  • the area of each unit pixel positions may be the same or different from each other.
  • the surface of the unit pixel positions may be separately treated or a groove may be formed.
  • one ultra-small blue LED element is attached to the unit pixel position.
  • the micro LED attached is defective, the problem of the efficiency of the whole LED display will fall remarkably.
  • five or more micro LED devices are attached on the unit pixel position to solve the above problems. If four or less micro LEDs are used, one defect causes 25% or more optical characteristic change, so the probability of failure increases. However, if at least five or more, one defect causes 20% or less characteristic change. In this case, even if some of the five or more micro LED elements attached to the unit pixel position are defective, other micro LED elements are normal, and thus, the micro LED is normally in each unit pixel position. It is possible to minimize the defective rate of the LED display as a whole can be emitted by the device can maximize the luminous efficiency.
  • the shape of the ultra-small LED device that can be used in the present invention may be formed without limitation, such as cylindrical, rectangular parallelepiped, etc., preferably may be cylindrical, in the case of the cylindrical diameter (circle diameter) may be 50 ⁇ 3000nm, The height may be 1.5 to 7 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • the micro LED device that can be used in the present invention may be a micro LED device disclosed in Korean Patent Application No. 2011-40174 or a micro LED device bundle disclosed in Korean Patent Application No. 2011-40175, but is not limited thereto.
  • the small LED device in the case of using a small LED device bundle in which five or more small LED devices are bonded by a binder, the small LED device not only facilitates the handling of the very small size LED device, but also the small LED device is located on the pixel position of the LED display. It is very advantageous compared to attaching each of the smallest LED elements in the accurate positioning without lying down or upside down.
  • a coupling linker may be formed on one surface of the ultra-small LED elements used in the present invention.
  • the ultra-compact LED device is so small that attaching it to the pixel position of the LED display substrate may cause the micro-LED device to lie down or flip over.
  • a coating linker for self-assembly is coated on the electrode surface of the ultra-small LED device, and a second linker capable of combining with the coupling linker is formed at a pixel position of the corresponding LED display substrate, the micro-LED device Even when transferring or adding to the subpixel in the form of ink or paste, the surface of the electrode can be attached to the subpixel at a desired position without the micro LED device lying or flipping over.
  • the second linker is not formed, if the functional group remaining in the coupling linker is bonded to the surface of the subpixel of the LED display substrate, it is possible to solve the problem that the micro LED device does not stand upright or is inverted.
  • the coupling linker may have two or more functional groups for this purpose because the coupling linker needs to be coupled to the electrode surface of the micro LED device and the second linker formed at the pixel position and / or the pixel position of the display substrate.
  • a thiol-based aminoethanethiol and an oxide reacting with a metal and an aminopropyltrirthoxysilane reacting with the metal may be used, but are not limited thereto.
  • the second linker formed on the surface of the pixel position of the display substrate may be used without limitation as long as it can be complementarily coupled to the coupling linker of the present invention, and preferably the same series as the coupling linker may be used. It is not limited. Subsequently, adding an adhesive to the mating surface of the micro LED elements and the pixel positions allows the micro LED elements to be attached to the pixel position without flipping or lying on its side.
  • FIG. 2A through 2E are perspective views showing stepwise methods of coupling ultra-small blue LED elements to pixel positions.
  • FIG. 2A illustrates a method of forming a first coupling linker on a surface of pixel positions formed on a first electrode of the present invention.
  • the first coupling linker 22 is attached to the pixel position 13 formed on the first electrode 11 of the substrate 10.
  • the first coupling linker 22 may include at least two or more bondable functional groups, one of which is bonded to the pixel position 13, and the remaining functional groups may be coupled to the metal fine powder described below.
  • the first binding linker that can be used is not limited as long as it can be bonded to the pixel position 13, and thiol-based dithiol reacting with a metal may be used, but is not limited thereto. .
  • Figure 2b is a perspective view showing the step of applying a fine metal powder on the coupling linker formed on the surface of the pixel positions.
  • the fine metal powder 23 is added to the plurality of first coupling linkers 22 formed on the pixel position 13 through FIG. 2A, the unreacted functional groups of the first coupling linker 22 are fine metal powders.
  • a plurality of first coupling linkers 22 may be bonded to one metal fine powder 23.
  • the diameter of the metal fine powder 23 may be 5 to 100 nm, but is not limited thereto.
  • the shape of the metal fine powder 23 may be spherical, elliptical, rod type, wire type, nanotube type, or the like. have.
  • the metal fine powder 23 can be combined with a linker, and there is no limitation in material as long as it can easily form a metal ohmic layer in a soldering process.
  • the metal fine powder 23 is formed of Ag, Au, or the like. It can be used alone or in combination.
  • FIG. 2C is a perspective view illustrating attaching five or more ultra-small blue LED elements to pixel positions coated with the fine metal powder.
  • the ultra-small blue LED device 30 has a second coupling linker 26 is formed on one surface that can be coupled to the surface of the metal fine powder 23, in this case, the usable second coupling linker is a metal fine powder (23)
  • one ultra-small blue LED device 30 may be combined with the plurality of metal fine powders 23.
  • FIG. 2E is a perspective view illustrating a metal ohmic layer formed between a pixel position and an ultra-small blue LED device after a soldering process. Specifically, after the first coupling linker formed on the pixel position and the second coupling linker formed on one surface of the fine metal powder and the ultra-small blue LED device are sequentially coupled, the first coupling linker and the second coupling linker are subjected to a soldering process. Burn out, and the metal fine powder 23 is melted to form a metal ohmic layer 28 to fix the ultra-small blue LED elements 30 to the pixel position 13. do. At this time, the thickness of the metal ohmic layer 28 may be preferably 5 to 100 nm, but is not limited thereto.
  • the soldering method may be performed by a conventional method, and preferably, the pixel position 13 at a temperature at which only the metal fine powder 23 can be selectively melted without impact on the substrate and the ultra-small blue LED device. ) May be partially heated. More preferably, when the material of the fine metal powder 23 is Ag, the metal fine powder 23 may be melted by applying heat, in whole or locally, to 200 to 500 ° C. to form the metal ohmic layer 28.
  • the present invention is not limited thereto, and the metal ohmic layer 28 may be formed by various methods.
  • FIG 3 is a perspective view illustrating a step in which the ultra-small blue LED device bundle 30 in which a bundle is formed by a binder 32 at a pixel position 13 is coupled according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating the step of forming an insulating layer, wherein the insulating layer 40 is disposed on a portion or the entire region of the micro blue LED elements coupled to the substrate 10, the first electrodes 11 and 12, and the pixel position. ) Is formed.
  • the insulating layer 40 serves to prevent the first electrode and the second electrode layer from contacting or short-circuit the micro-LED.
  • the thickness of the insulating layer may be 1.5 to 7 ⁇ m to match the height of the micro-LED. This is not restrictive.
  • an oxide or a nitride may be used, and as a representative example, silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) may be used, but is not limited thereto.
  • a plurality of second electrodes are formed on the insulating layer.
  • the second electrodes 50 and 51 are formed on the vertical portion of the ultra-small blue LED elements 30, where the second electrodes 50 and 51 are the first electrodes. It may be formed to intersect with (11, 12).
  • the second electrodes 50 and 51 may be formed in a stripe shape like the first electrodes 11 and 12.
  • the second electrodes 50 and 51 may be made of, for example, a metal electrode such as Al or a transparent conductive material such as indium tin oxide (ITO).
  • step 5 the blue LED light is transmitted on the second electrodes 50 and 51 and the light emission efficiency is increased by returning the back light emission to the front surface of the green / red light conversion material in the color-by-blue display.
  • It may include the step of forming the short wavelength transmission filter (60).
  • the thickness of the short wavelength transmission filter 60 may be 1 to 5 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • step 6 the green color conversion layer is patterned on the second electrode corresponding to the selected some pixel positions among the pixel positions, and the second electrode corresponding to the selected some pixel positions among the pixel positions is formed. Patterning a red color conversion layer thereon.
  • 7 is a perspective view illustrating a step of forming a plurality of green conversion layers on an upper portion of a second electrode corresponding to selected pixel positions among selected pixel positions on the short wavelength transmission filter of the present invention. Specifically, the green conversion layers 70 and 71 are formed at a portion of the vertical upper portion of the micro blue LED elements 30 formed at the pixel positions 13 and irradiated from the micro blue LED elements 30 at the bottom thereof.
  • the blue light is irradiated to the green conversion layers 70 and 71, and the green conversion layers 70 and 71 emit light to emit green light.
  • the green conversion layers 70 and 71 that can be used may be used without limitation as long as they can be used in the color-by-blue method, preferably, a fluorescent layer including a green fluorescent substance, and preferably SrGa 2 S 4 : Eu, (Sr, Ca) 3 SiO 5 : Eu, (Sr, Ba, Ca) SiO 4 : Eu, Li 2 SrSiO 4 : Eu, Sr 3 SiO 4 : Ce, Li, ⁇ -SiALON: Eu, CaSc 2 O 4 : Ce, Ca 3 Sc 2 Si 3 O 12 : Ce, Ca ⁇ -SiALON: Yb, Ca ⁇ -SiALON: Eu, Li ⁇ -SiALON: Eu, Ta 3 Al 5 O 12 : Ce, Sr 2 Si 5 N 8 : Ce, SrSi 2 O 2 N 2 : Eu, BaSi
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a step of forming a plurality of red conversion layers on an upper portion of a second electrode corresponding to some selected pixel positions among selected pixel positions on the short wavelength transmission filter of the present invention.
  • the red conversion layers 80 and 81 are formed at a portion of the vertical upper portion of the ultra-small blue LED elements 30 formed at the pixel positions 13, and in the ultra-small blue LED elements 30 at the bottom thereof.
  • the irradiated blue light is irradiated to the red conversion layers 80 and 81, through which the red conversion layers 80 and 81 emit light to emit red light.
  • the red conversion layers 80 and 81 may be formed in some regions except for the regions where the green conversion layers 70 and 71 are formed among the vertical upper regions of the pixel positions.
  • the patterning order of the green conversion layer and the red conversion layer is not limited and may be formed at the same time or in the reverse order.
  • step 7 the blue light emitted from the ultra-small LED and the light emitted from the green / red conversion layer are mixed at the top of the green conversion layer and the red conversion layer to further form a long wavelength transmission filter to prevent color purity from dropping. It may be. 9 is a perspective view illustrating a step of forming the long wavelength transmission filters 90 and 91, and the long wavelength transmission filters 90 and 91 may be formed on a part or all of the green conversion layer and the red conversion layer.
  • the thickness of the long wavelength transmission filter (90, 91) may be 1 to 5 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • An LED display according to the present invention manufactured according to the above method comprises: 1) a plurality of first electrodes formed on a substrate; 2) five or more ultra-small blue LED elements attached to respective unit pixel sites formed on the first electrode; 3) an insulating layer formed on the substrate and the blue LED element; 4) a plurality of second electrodes formed on the insulating layer; And 5) a green color conversion layer and a red color conversion layer formed on the second electrode corresponding to the selected unit pixel positions among the unit pixel positions. It is also possible to further form a short wavelength transmission filter and / or a long wavelength transmission filter.
  • the present invention in another embodiment for solving the first technical problem, 1) forming a plurality of first electrodes on the substrate; 2) attaching at least one LED element of at least five micro blue, green and red LED elements to each unit pixel position formed on the first electrode; 3) forming an insulating layer on the substrate; And 4) forming a plurality of second electrodes on the insulating layer.
  • step 1) a plurality of first electrodes are formed on a substrate, which is the same as described above.
  • step 2) at least one LED element of a plurality of ultra-small blue, green, and red LED elements is attached to unit pixel positions formed on the first electrode, and five units are formed for each unit pixel position.
  • the micro LEDs described above are attached.
  • tiny blue LED devices attached to a substrate 10 a plurality of first electrodes 11 and 12 formed on the substrate, and some pixel positions among the pixel positions formed on the first electrodes. 100 is shown. In this case, as described above, five or more micro blue LED elements are attached to one unit pixel position.
  • the micro green LED elements 101 are attached to some pixel position regions among the pixel positions of other regions where the micro blue LED elements are not attached. In this case, as described above, five or more micro green LED elements are attached to one unit pixel position, and micro green LED elements having the same size as micro blue LED elements may be used.
  • the micro red LED elements 102 are attached to pixel positions where the micro blue LED elements 100 and the micro green LED elements 101 are not attached. In this case, as described above, five or more micro green LED elements are attached to one unit pixel position, and micro green LED elements having the same size as micro blue LED elements may be used.
  • micro blue, green and red LED elements may be attached at the same time or in reverse order.
  • a first coupling linker is formed at the pixel positions, and a second coupling linker is formed on one surface of the ultra-small blue, green, and red LED elements to be directly bonded, or a metal ohmic layer is formed after soldering after adding fine metal powder. It is also possible to form As a result, for each of the pixel positions, some of the pixel positions can be attached with tiny blue LED elements, at other pixel positions with tiny green LED elements, and for other pixel positions, tiny red LED elements can be attached. will be.
  • an insulating layer 110 may be formed on the substrate.
  • a plurality of second electrodes 120 and 121 may be formed on the insulating layer 110.
  • step 4 it may be further included after the step 4) to form a short wavelength transmission filter and a long wavelength transmission filter.
  • An LED display according to the present invention manufactured according to the above method comprises: 1) a plurality of first electrodes formed on a substrate; 2) one or more LED elements of at least five micro blue, green and red LED elements attached to respective unit pixel positions formed on the first electrode; 3) an insulating layer formed on the substrate; And 4) a plurality of second electrodes formed on the insulating layer.
  • Buffered or undoped semiconductor layer (undoped GaN, 2.4-2.8 ⁇ m thick), first conductive semiconductor layer (n ⁇ ) on a sapphire substrate (2 inch wafer size, 430 ⁇ 25 ⁇ m) to manufacture an LED basic device layer (GaN) Type GaN, 2.0-2.4 ⁇ m thick), active layer (InGaN / GaN multi-quantum well, 100-140 ⁇ m), and second conductive semiconductor layer (p-type GaN, 200 nm thick) were formed using MOCVD method (FIG. 13). Reference).
  • the LED basic device layer manufactured as described above was manufactured as a micro LED device by the following method.
  • SiO 2 800 nm to 1 ⁇ m thick
  • a chromium layer 100 to 120 nm thick
  • PECVD thermal evaporation, respectively
  • thermal deposition 130 ⁇ 140A, 9.0x10 -6 torr , 20 ⁇ 30 minutes) (see FIG. 14).
  • polystyrene nanospheres were prepared as monolayer films (960-1000 nm thick) well aligned in hexagonal form and formed on the metal mask layer (see FIGS. 15A and 15B).
  • the monolayer film was reduced to a size of 500 to 800 nm through an ashing process (50 W, 0.05 tor, O 2 100 sccm) in an O 2 gas atmosphere (see FIGS. 16A and 16B).
  • the metal mask layer was etched under a Cl 2 gas atmosphere by a dry etching method RIE method (50W, 0.08torr, Cl 2 40sccm) (see FIGS. 17A and 17B).
  • the semiconductor layer (GaN) was etched by ICP method under SiCl 4 and Ar gas atmosphere using the insulating layer etched by the rod pattern (RF 50W, ICP 300W, 3 torr, SiCl 4 2sccm, Ar 20sccm)
  • the pattern was prepared (see FIGS. 20A and 20B).
  • the insulating layer which was used as a mask to manufacture the semiconductor layer rod pattern, was removed by etching under a CF 4 and O 2 gas atmosphere (see FIGS. 21A and 21B).
  • Atomic layer deposition (ALD) method trimethylaluminum (TMA) as metal reactant, water vapor as oxygen source, TMA vapor pressure of 0.04 torr
  • TMA trimethylaluminum
  • Ar was used as the carrier gas and the purging gas
  • an insulating film Al 2 O 3
  • OTS octadecyltrichlorosilane
  • a supporting film was attached on the second electrode layer by using an epoxy resin (cyanoacrylate adhesive metal-type, purchased from Sigma Aldrich) (thickness: 3.5-5 ⁇ m). Subsequently, the sapphire substrate was removed by performing a lift-off process using a laser toward the buffer layer or the undoped semiconductor layer and the sapphire substrate to which the support film was not attached (see FIGS. 23A and 23B).
  • an epoxy resin cyanoacrylate adhesive metal-type, purchased from Sigma Aldrich
  • the buffer layer or the undoped semiconductor layer was removed by etching by the ICP method under SiCl 4 and Ar gas atmosphere (RF 50W, ICP 300W, 3 torr, SiCl 4 2sccm, Ar 20sccm), Through this process, it was possible to obtain an independent ultra-small LED rod form to which the support film was attached (see FIGS. 24A and 24B, FIGS. 25A and 25B, and FIGS. 26A and 26B).
  • a Ti electrode was deposited on the first conductive semiconductor layer of the micro LED using a sputtering equipment (DC-sputtering system) (300 V, 0.17 A, Ar 100 sccm) (see FIG. 27).
  • DC-sputtering system 300 V, 0.17 A, Ar 100 sccm
  • dithiol was coated on the surface of the electrode as a bonding linker by liquid or gas phase self-assembly.
  • the coating process was performed in the liquid phase, 1mM nonanedithiol solution was prepared by mixing ethanol anhydride (10ml) and nonanedithiol (20 ⁇ l), and the ultra-small LED rod form on which the electrode was deposited was added to the nonanedithiol solution. After soaking for one day, the micro LED rod was taken out and washed.
  • the support film was removed using acetone to prepare independent micro LEDs in ink or paste form (see FIGS. 28 and 29).
  • the ink or paste was aligned by dropping onto an electrode substrate having a linker (fine metal powder: silver nanoparticles) reacting with the bonding linker.
  • a pattern was formed by patterning on the electrode using silver nanoparticles, which are fine metal powders that can react with the dithiol linker reacting with the electrode substrate and the coupling linker of the micro LED.
  • the nonanedithiol linker was first reacted with the electrode substrate, and then coated with silver nanoparticles on the opposite side of the nonanedithiol linker, which is not attached to the electrode substrate.
  • the coating was carried out by taking an electrode substrate having a nonanedithiol linker in a toluene solution in which silver nanoparticles were dispersed, and then removing the electrode substrate.
  • a micro LED device according to the present invention was manufactured by forming a metal ohmic layer through a soldering process (annealing at 100-200 ° C.) ( 30).
  • FIG. 31 illustrates a spectrum measured after aligning the ultra-small LED devices manufactured as described above to an electrode substrate
  • FIG. 32A to FIG. 32C show visually observed photographs of the micro LED devices manufactured.
  • the blue light is emitted from the manufactured ultra-small LED device.
  • the LED device used in the full-color LED display device according to the present invention may be used to manufacture a single-type ultra-small LED device as described above, it can also be used to manufacture a micro-LED bundle bundle.
  • a plurality of blue LED elements (manufactured in two forms of 50 attachments and 100 attachments) at unit pixel positions formed on the first electrode used as the lower electrode by using the manufactured micro LED or micro LED bundle. (Paste or ink type) were attached (pixel arrangement: 4 ⁇ 4 square array, 20 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m). 33 shows blue emission peaks measured when 50 micro LEDs are attached and 100 are attached. Referring to FIG. 33, it can be seen that blue light of higher intensity is emitted when 100 micro LEDs are attached than when 50 micro LEDs are attached. A dithiol bond linker was formed on the surface at every unit pixel position.
  • ethanol anhydride (10 ml) and nonanedithiol (20 ⁇ l) were mixed to prepare a 1 mM nonanedithiol solution, and then the first electrode phase was immersed in the prepared nonanedithiol solution for one day. Subsequently, the first electrode phase was taken out and washed, and then the pixels were patterned using photolithography to react nonanedithiol only at the unit pixel position on the first electrode.
  • Photolithography is coated on the first electrode by spin coating using AZ1512 photoresist (AZ Electronic Materials), softbaking (95 ° C., 1 minute), UV exposure (90 seconds using a unit pixel patterned mask). Exposure) and development (AZ300 developer, AZ Electronic Materials, Inc.
  • the pixel patterning is performed on the first electrode, and the nonanedithiol is reacted, and then, by removing the patterned photoresist using acetone (liftoff method), the nonanedithiol coupling linker is applied only to the unit pixel positions formed on the first electrode. Formed.
  • Silver nanoparticles (7-20 nm) were applied to the formed linking linker as metal fine powder and attached to the linking linker formed on the plurality of ultra-small blue LED devices.
  • the metal fine powder between the attached LED elements and the first electrode was formed through the soldering process (annealing process at 100-200 ° C.) to form a metal ohmic layer between the ultra-small LED elements and the pixel position.
  • Subminiature LED elements were aligned over the electrodes.
  • an insulating layer (2.5-3.0 ⁇ m thick) made of SU-8 (Microchem) is formed through a spin process (500 rpm 5 seconds, 2000 rpm 30 seconds), and an ITO electrode is formed on the micro LED device as a second electrode.
  • the insulating layer was removed to expose the LED device by using an ashing process (power 50W, working pressure 0.05torr, O 2 100sccm).
  • a second electrode is formed thereon by using a sputtering method (rf-magnetron sputtering system, rf-power 30W, working pressure 7.8 ⁇ 10 -3 torr, Ar 70sccm, 100 ° C.).
  • the two electrodes are cross-shaped in a stripe shape).
  • Dielectric multilayer of terminal eighth-wave thick 0.5 SiO 2 (56 nm) and quarterwave thick TiO 2 / SiO 2 (73 nm / 112 nm) were formed on the second electrode manufactured as described above. Formed using a beam evaporator (base pressure 4.0 x 10 -5 torr, acceleration voltage 7 kV, oxygen partial pressure 1.9 x 10 -4 torr), and a green color conversion layer (50 ⁇ m) corresponding to some pixel positions selected thereon; The red color conversion layer (50 ⁇ m) was patterned by the screen printing method.
  • SrGa 2 S 4 Eu green powder phosphor is manufactured in the form of a paste, a silicon binder (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. KER-2500A, KER-2500B) and a hydrophobic silica ( Degussa, hydrophobic aerosol R202) was used in the form of paste by dispersing the green color conversion material.
  • CaAlSiN 3 Eu red powder phosphor is prepared in the form of paste, and a red color conversion material dispersed in the silicon binder and hydrophobic silica in the form of paste Used.
  • Patterning was performed by printing green and red color conversion materials using a 50 ⁇ m spacer, followed by drying and curing at 150 ° C. for 1 hour.
  • 34, 35 and 36 show the transmittance of the short wavelength transmission filter, the emission peak of the green color conversion layer and the emission peak of the red color conversion layer, respectively.
  • a two-wavelength permeable filter (dielectric multilayer) is used on the green and red color conversion layers by using an e-beam evaporator (base pressure 4.0 x 10 -5 torr, acceleration voltage 7kV, oxygen partial pressure 1.9 x 10 -4 torr).
  • Fig. 37 is a graph showing the permeability of the long wavelength transmission filter.
  • 38 shows the blue light emission peak of the short wavelength transmission filter and the blue light emission peak of the standardized micro LED device, and the light emission peak of the green and red color conversion layer, respectively, from which the blue light emission of the micro LED device is affected by the short wavelength transmission filter. It can be seen that green and red light emission is reflected, but similarly, Fig. 39 shows a blue light emission peak of a long wavelength transmission filter transmittance and a standardized micro LED device, and a green and red color conversion layer.
  • the emission peaks are respectively shown, and it can be seen that the blue light emission of the small LED element is reflected by the long wavelength transmission filter, but the green and red light emission are not affected.
  • the emission peak intensity of the green color conversion layer is shown in Fig. 40. From Fig. 40, although the emission peak of the green color change layer is increased even when only the short wavelength transmission filter is applied, the short wavelength transmission is higher than when the short wavelength transmission filter is employed alone. It can be seen that the emission peaks of the green color conversion layer are further increased when the filter and the long wavelength transmission filter are simultaneously employed, and similarly, Fig. 41 shows the emission peak intensity of the red color conversion layer by the short wavelength transmission filter and the long wavelength transmission filter. intensity) is shown .. Fig.
  • the long wavelength transmission filter was patterned using the lift-off method of the photoresist. Specifically, coating on the color conversion layer using a AZ1512 photoresist (AZ Electronic Materials) by spin coating method, soft baking (95 °C, 1 minute), UV exposure (90 seconds using a mask) and development ( AZ300 developer, AZ Electronic Materials, Inc. for 1 minute, then taken out and washed with water) was patterned.
  • AZ1512 photoresist AZ Electronic Materials
  • the full color LED display device and its manufacturing method according to the present invention can be widely used throughout the display industry.

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Abstract

본 발명은 풀컬러 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 1) 기판 위에 형성된 복수개의 제1 전극; 2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치들(pixel sites)에 부착된 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자; 3) 상기 기판 및 상기 청색 LED 소자의 상부에 형성된 절연층; 4) 상기 절연층 위에 형성된 복수개의 제2 전극; 및 5) 상기 단위 픽셀위치들 중 선택된 일부 단위 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 형성된 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치 및, 1) 기판 위에 복수개의 제1 전극을 형성하는 단계; 2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치 (pixel sites)에 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자들을 부착시키는 단계; 3) 상기 기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계; 4) 상기 절연층 위에 복수개의 제2 전극을 형성하는 단계; 및 5) 상기 단위 픽셀위치들 중 선택된 일부 단위 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 순차적으로 패터닝하는 단계를 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 대면적 구현이 용이하고, 불량률이 낮은 풀컬러 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

풀컬러 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법
본 발명은 풀컬러 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 대면적 LED 풀컬러 디스플레이를 구현할 수 있는 풀컬러 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지금까지 시장에 알려진 Light-Emitting Diode (LED) TV는 기존의 LCD TV의 CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) 백라이트를 대신해 백색 또는 삼원색 LED 백라이트를 채용한 LCD TV로서, 정확하게 말하면 LED 백라이트를 사용한 LCD TV이다. 현재 상용화된 LED 풀컬러 디스플레이로는, 3원색 LED소자를 수 만개를 삽입한 초대형 풀컬러 옥외전광판이 시장에서 접할 수 있는 유일한 제품으로 알려져 있다. 따라서, 정확한 개념의 LED 풀컬러 디스플레이는 현재 가정용 TV 나 컴퓨터용 모니터로는 채용하지 못하고 있다. 기존의 LED 소자를 TV나 모니터 사이즈의 디스플레이로 사용하지 못하는 이유는 LED 소자를 제조하는 기술적 한계와 풀컬러를 구현하는 방법 때문이다. 현재 LED는 2~8인치 급 기판에 III-V 족 p-n 발광 다이오드를 MOCVD 방법으로 성장시킨 후, 적합한 사이즈로 잘라서 전극에 배선한 다음, 단색 또는 백색 LED 소자로 사용한다. 만약에 III-V 족 웨이퍼로 직접 TV용 디스플레이를 만들기 위해서는, 단순하게 계산해보면 2~8인치 웨이퍼를 5~40장 붙여야만 40인치 TV를 제작할 수 있다. 더불어, LED로 풀컬러를 구현하기 위해서는 적녹청 3원색 LED소자를 한 개의 픽셀 (pixel)에 같이 박아 넣어야 하므로, 단순하게 적녹청 LED 웨이퍼를 이어 붙여서는 LED 풀컬러 디스플레이를 구현할 수 없다. LED TV를 구현하기 위한 또 다른 단순한 방법으로, 실제 디스플레이용 대면적 유리 기판의 각 픽셀 위에 적녹청 박막 또는 나노로드형 LED 소자를 직접 성장시키는 방법을 생각해 볼 수 있다. 하지만, 이러한 접근법은 MOCVD 방법으로 유리기판에 고품질의 III-V족 박막을 키워서 LED를 구현할 때 발생하는 문제와 같은 문제가 발생한다. 현재까지 알려진 바에 의하면, III-V 족 박막을 성장시키는 MOCVD 방법으로서, TV용 디스플레이급 사이즈의 기판에 직접 증착하는 것이 불가능할 뿐만 아니라, 유리기판 위에 고결정성 및 고효율의 III-V족 박막 및 나노로드의 증착이 불가능하다. 이와 같은 기술적 한계를 이유로 LED 웨이퍼를 사용해서 직접 20인치 이상의 TV 또는 14인치 이상의 모니터급 풀컬러 디스플레이를 제작하기 위한 효과적인 제조법은 현재까지 제안된 기술이 없다.
제조기술 및 실현 가능성의 한계에도 불구하고 LED TV를 꼭 개발해야 하는 이유는 기존의 LCD 디스플레이의 저 발광효율에 있다. 알려진 바와 같이, 현재 TV 와 모니터 시장을 석권하고 있는 풀컬러 TFT-LCD는 백라이트에서 발생한 빛 중에서 약 5% 정도만 전면으로 방출하고 있다. LCD의 경우 빛을 투과/차단시키는 on/off 과정에서 2장의 편광자를 사용하고 액정을 투과한 백색 빛을 삼원색으로 만들기 위해서 컬러필터를 사용하고, 또한 한개의 백라이트 램프에서 발생한 빛을 균일하게 분산시키는 과정에서 다수의 광학 필름을 사용하기 때문에 95 % 정도의 광 손실이 생긴다. 구체적으로, 60 lm/W급 백라이트 램프를 사용할 경우 풀컬러 LCD 디스플레이의 발광 효율은 2~3 lm/W 알려져 있다. 따라서, LED를 백라이트로 사용한 LED-LCD TV의 경우 LED의 효율이 크게 향상되더라도 실제 디스플레이의 효율 향상에는 한계가 있게 된다. 최근에 개발된 백색 LED의 경우 이미 효율이 100 lm/W 이상으로 보고되고 있고, 향후 몇 년 내에 200 lm/W 도달할 예정이다. 따라서, LCD 백라이트 램프로 고효율 LED를 사용하여 디스플레이를 제작하는 것보다 고효율 LED를 직접 사용해서 직접 풀컬러 디스플레이를 제작하는 것이 발광 효율의 관점에서 가장 적합한 방법임을 쉽게 주목할 수 있다.
따라서, 고효율 LED 디스플레이를 실현하기 위해서는 어떤 기술을 개발할 것인가 라는 질문이 본 연구에 핵심적인 주제가 된다. 기술적 또는 물질적 한계를 고려하지 않을 경우, 대면적 디스플레이 유리기판 위에 LED 픽셀을 직접 제조하는 방법을 개발하는 것이 누구나 생각할 수 있는 가장 쉬운 답이 될 수 있다. 그러나, 위에서 언급한 것처럼 IIV-V 성장에 대한 기술을 조금이라도 이해한다면 직접 성장시키는 방법을 현재의 기술로 실현 불가능하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 기존의 MOCVD로 성장시킨 고효율 III-V족 계열의 LED 웨이퍼를 이용해서 풀컬러 LED 디스플레이를 제조할 수 있는 새로운 구조와 제조기술을 개발하는 것이 발광 효율이라는 관점으로 볼때 타당성을 갖는다. 지금까지 개발이 진행된 LED 디스플레이 제조 및 소자기술은 픽셀 한 개에 LED 소자 한 개를 배열해서 디스플레이를 구현하는 방법이다. 일례로 최근에 개발된 마이크로 사이즈의 LED 디스플레이의 경우는, 한 개의 마이크로 LED로 한 개의 픽셀을 제작하여 소형 마이크로 LED 디스플레이를 개발하였다고 보고됐다. 또 다른 예로 신축성이 큰 플라스틱 기판이나 필름 위에 마이크로 사이즈 LED를 제조한 후에 기판을 늘려서 면적을 키우므로 원하는 사이즈로 디스플레이를 제조하는 기술도 보고된 바 있다. 한 개의 픽셀에 한 개의 마이크로 LED 배열을 대응시켜서 디스플레이를 제조하는 기술은 초소형 마이크로 LED 디스플레이를 개발하는 데는 용이하지만 TV나 모니터급 디스플레이로 대면적화 하는데 극복해야 할 기술적 문턱이 매우 높다. 이뿐만 아니라, 디스플레이를 구성하는 수십 만개의 LED 중에서 몇 개의 LED가 불량일 경우 전체 디스플레이가 불량이 될 수 있다. 따라서, 고효율 LED 디스플레이를 구현하기 위해서는 기존의 기술을 뛰어 넘을 수 있는 독창적이고 단순한 구조와 기술이 필요하다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 대면적 컬러 바이 블루 (Color by blue) LED 풀컬러 디스플레이를 제조하는데 적합하며, LED 디스플레이의 서브픽셀(픽셀위치)상에서 초소형 LED 소자가 옆으로 눕거나 뒤집히지 않고 정확하게 위치할 수 있는 풀컬러 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 과제는 RGB LED 풀컬러 디스플레이를 제조하는데 적합하며, LED 디스플레이의 서브픽셀(픽셀위치) 상에서 초소형 LED 소자가 옆으로 눕거나 뒤집히지 않고 정확하게 위치할 수 있는 풀컬러 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 이와 더불어, 초소형 LED를 디스플레이의 전체 면적 중 20% 미만, 더 바람직하게는 10% 미만의 픽셀 영역에만 위치시키므로, 상대적으로 작은 사이즈의 LED 웨이퍼를 이용해서 대면적 LED 디스플레이를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위해서,
1) 기판 위에 복수개의 제1 전극을 형성하는 단계;
2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치 (pixel sites)에 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자들을 부착시키는 단계;
3) 상기 기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계;
4) 상기 절연층 위에 복수개의 제2 전극을 형성하는 단계; 및
5) 상기 단위 픽셀위치들 중 선택된 일부 단위 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 순차적으로 패터닝하는 단계를 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 구현예에서,
1) 기판 위에 복수개의 제1 전극을 형성하는 단계;
2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치에 5개 이상의 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들 중 어느 하나 이상의 LED 소자들을 부착시키는 단계;
3) 상기 기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계; 및
4) 상기 절연층 위에 복수개의 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극들 및 제2 전극들은 스트라이프 형상으로 교차 형성되며, 상기 단위 픽셀위치들은 상기 제1 전극들과 제2 전극들이 교차 형성된 부위와 대응하는 부위에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 단위 픽셀위치의 면적은 1x104 μm2 이하이고, 보다 바람직하게는 1x102 μm2 이하이며, 상기 제1 전극들의 단위 픽셀위치들에 소정 깊이의 홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 초소형 LED 소자들의 직경은 50 ~ 3000 ㎚이며, 단독 또는 번들형이며, LED 소자들의 외주면에 절연피막이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 초소형 LED 소자들은 페이스트 또는 잉크타입일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 2) 단계는;
2-1) 상기 제1 전극 상에 형성된 단위 픽셀위치들 위에 상기 단위 픽셀위치와 결합할 수 있는 제1 결합링커들을 형성하는 단계;
2-2) 상기 제1 결합링커들에 결합할 수 있는 금속미분말을 첨가하는 단계;
2-3) 상기 금속미분말에 결합할 수 있는 제2 결합링커들이 부착된 초소형 청색 LED 소자들을 상기 각각의 단위 픽셀위치에 대하여 5개 이상 부착하는 단계; 및
2-4) 상기 금속미분말을 솔더링하여 상기 단위 픽셀위치와 상기 초소형 청색 LED 소자 사이에 금속오믹층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 2) 단계는;
2-5) 상기 제1 전극 상에 형성된 단위 픽셀위치들 위에 상기 단위 픽셀위치와 결합할 수 있는 제1 결합링커들을 형성하는 단계;
2-6) 상기 제1 결합링커들에 결합할 수 있는 금속미분말을 첨가하는 단계;
2-7) 상기 금속미분말에 결합할 수 있는 제2 결합링커들이 부착된 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들 중 어느 하나 이상의 LED 소자들을 상기 단위 픽셀위치 각각에 대하여 5개 이상 부착시키는 단계; 및
2-8) 상기 금속미분말을 솔더링하여 상기 단위 픽셀위치와 상기 초소형 청색 LED 소자 사이에 금속오믹층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 4) 단계와 상기 5) 단계 사이에 단파장 투과필터(SWPF)를 형성하는 단계 및 상기 5) 단계 이후 장파장 투과필터(LWPF)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위해서,
1) 기판 위에 형성된 복수개의 제1 전극;
2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치들(pixel sites)에 부착된 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자;
3) 상기 기판 및 상기 청색 LED 소자의 상부에 형성된 절연층;
4) 상기 절연층 위에 형성된 복수개의 제2 전극; 및
5) 상기 단위 픽셀위치들 중 선택된 일부 단위 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 형성된 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 구현예에서,
1) 기판 위에 형성된 복수개의 제1 전극;
2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치들에 부착된 5개 이상의 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들 중 어느 하나 이상의 LED 소자;
3) 상기 기판의 상부에 형성된 절연층; 및
4) 상기 절연층의 상부에 형성된 복수개의 제2 전극을 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들의 직경은 50 ~ 3000㎚이며, 단독 또는 번들형이며, LED 소자들의 외주면에 절연피막이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 단위 픽셀위치와 상기 초소형 LED 소자 사이에는 금속오믹층이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 단위 픽셀위치의 면적은 1x104 μm2 이하이고, 상기 제1 전극들의 단위 픽셀위치들에 소정 깊이의 홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전극들 및 제2 전극들은 스트라이프 형상으로 교차 형성되며, 상기 단위 픽셀위치들은 상기 제1 전극들과 제2 전극들이 교차 형성된 부위와 대응하는 부위에 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 전극과 상기 초소형 적색 또는 녹색 LED 소자들 사이에는 단파장 투과필터가 형성되고, 상기 초소형 적색 또는 녹색 LED 소자들 상부에는 장파장 투과필터가 형성될 수 있다.
이하, 본 발명에 사용된 용어를 설명한다.
용어 "픽셀위치들 (pixel sites)"란 "서브픽셀들 (sub-pixels)"이라고도 하며, LED 디스플레이의 제1 전극에 형성된 복수개의 영역을 나타내는 것으로서, 초소형 LED 소자가 부착되는 위치들을 의미한다. 상기 "픽셀위치들"은 제1 전극을 따라 복수개가 형성될 수 있으며, 제1 전극이 스트라이프 형상으로 정렬되는 경우 이를 따라 일정한 간격을 가지며 형성될 수 있다.
"단위 픽셀위치"라 함은 하나의 픽셀위치를 의미하는 것이다.
본 발명에 따른 풀컬러 LED 디스플레이는 각각의 단위 픽셀위치 상에 5개 이상의 초소형 LED 소자들을 결합시키므로, 불량률을 최소화하여 대면적의 고효율 풀컬러 LED 디스플레이를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 초소형 LED 소자는 결합링커를 사용함으로서 링커끼리의 결합에 의하여 원하는 픽셀 패턴 위치로 자유자재로 조립할 수 있으며, LED 디스플레이의 서브픽셀 상에서 초소형 LED 소자가 옆으로 눕거나 뒤집히지 않고 정확하게 위치할 수 있어 LED 디스플레이의 효율을 획기적으로 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 풀컬러 LED 디스플레이는 기존의 LED 백라이트 기반 LCD 디스플레이에 비교하여 편광자와 액정 및 컬러필터 등에 의한 광 손실 문제가 줄어들어 효율의 한계가 비교적 적으며 에너지 손실 문제 또한 크게 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 초소형 LED 소자는 기존의 LED 디스플레이 개념에서 발생할 수 있는 생산성 및 사이즈의 한계를 극복할 수 있는 기술로서, 작은 사이즈의 LED 웨이퍼 기판을 TV급 사이즈의 디스플레이로 확장시킬 수 있어서 TV 사이즈의 진정한 LED 디스플레이로의 구현을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 LED 디스플레이 기판의 표면에 제1 전극이 패터닝되는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 전극 위에 형성된 픽셀위치들의 표면에 결합링커를 형성하는 단계를 나타내는 사시도이고, 도 2b는 상기 픽셀위치들의 표면에 형성된 결합링커 상에 금속 미분말을 도포하는 단계를 나타내는 사시도이며, 도 2c는 상기 금속 미분말이 도포된 픽셀위치들에 복수개의 초소형 청색 LED 소자들을 부착하는 단계를 나타내는 사시도이며, 도 2d는 픽셀위치에 형성된 결합링커와 금속미분말 및 초소형 LED 소자의 일면에 형성된 결합링커 간에 형성된 결합관계를 도시한 사시도이며, 도 2e는 솔더링 공정이후 픽셀위치와 초소형 LED 소자들 사이에 형성된 금속오믹층을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 서브픽셀에 초소형 LED 소자 번들을 결합하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 초소형 LED 소자 위에 절연층을 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 절연층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 전극 위에 단파장 투과필터를 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 단파장 투과필터 위에 선택된 픽셀위치들 중 선택된 일부 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 복수개의 녹색 변환층들을 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 단파장 투과필터 위에 선택된 픽셀위치들 중 선택된 일부 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 복수개의 적색 변환층을 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 적색 및/또는 녹색 LED 소자들의 위에 장파장 투과필터를 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 10a는 본 발명의 일부 서브픽셀에 5개 이상의 적색 초소형 LED 소자를 결합하는 단계를 나타내는 사시도이고, 도 10b는 일부 서브픽셀에 5개 이상의 녹색 초소형 LED 소자를 결합하는 단계를 나타내는 사시도이며, 도 10c는 일부 서브픽셀에 5개 이상의 청색 초소형 LED 소자를 결합하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 초소형 적색, 녹색 및 청색 LED 소자위에 절연층을 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 절연층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 13은 본 발명의 LED 기본소자층 단면에 대한 전자현미경 관찰사진이다.
도 14는 본 발명의 제2 도전성 반도체층 위에 절연층과 금속 마스크층을 형성한 단면에 대한 전자현미경 관찰사진이다.
도 15a는 본 발명의 금속 마스크층 위에 나노스피어 단층막을 형성한 단면을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 15b는 그 평면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 16a는 본 발명의 나노스피어 단층막을 O2 가스 분위기 하에서 애싱 처리한 단면을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 16b는 그 평면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 17a는 본 발명의 크기가 축소된 나노스피어를 마스크로 하여 Cl2 가스 분위기 하에서 금속 마스크층을 에칭한 단면을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 17b는 그 평면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 18a는 본 발명의 에칭 공정에 의해서 폴리스티렌의 모양 그대로 전사 (transfer)된 금속 마스크층 패턴의 단면을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 18b는 그 평면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 19a는 본 발명의 금속 마스크층 패턴을 이용해서 CF4 및 O2 가스 분위기하에서 SiO2 (절연층)를 식각한 단면을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 19b는 그 평면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 20a는 본 발명의 식각된 절연층을 이용해서 SiCl4 및 Ar 가스 분위기 하에서 ICP 방법으로 식각한 단면을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 20b는 그 평면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 21a는 본 발명의 마스크로 사용된 절연층을 제거한 후 단면을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 21b는 그 평면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 22a 및 22b는 본 발명의 절연피막 (Al2O3)이 코팅된 반도체층에 소수성 피막 (옥타데실트리클로로실란)을 코팅하기 전 (22a) 및 코팅한 후 (22b)의 접촉각 (contact angle)을 측정한 도면이다.
도 23a 및 23b는 본 발명의 지지 필름이 부착되지 않은 버퍼층 또는 언도프드 반도체층과 사파이어 기판 쪽으로 레이저를 이용한 리프트-오프 공정을 수행한 단면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 24a 및 24b는 본 발명의 제1 도전성 반도체층이 노출되도록 하기 위해서 버퍼층 또는 언도프드 반도체층을 ICP 방법으로 어느 정도 식각한 단면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 25a 및 25b는 본 발명의 ICP 방법으로 더욱 식각을 진행한 후 단면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 26a는 본 발명의 ICP 방법으로 제1 도전성 반도체층이 노출되도록 식각된 단면을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 26b는 그 평면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 27은 본 발명의 초소형 LED의 제1 도전성 반도체 층에 스퍼터링 방벙으로 전극 (Ti)을 증착한 단면을 관찰한 전자현미경 사진이다.
도 28은 본 발명의 지지 필름을 아세톤으로 제거한 상태의 독립적인 초소형 LED를 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 29는 도 28의 독립적 초소형 LED 하나를 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 30은 도 28의 독립적 초소형 LED 소자들을 전극 기판에 정렬시킨 것을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 31은 본 발명의 초소형 LED 소자들을 전극 기판에 정렬시킨 후 측정한 스펙트럼이다.
도 32a 내지 32c는 본 발명의 초소형 LED가 청색 발광하는 모습을 육안으로 관찰한 사진이다.
도 33은 본 발명의 초소형 LED 소자를 50개 부착시킨 경우와 100개 부착시킨 경우에 측정된 청색 발광 피크를 도시한 도면이다.
도 34는 본 발명의 단파장 투과필터의 투과도를 도시한 도면이다.
도 35는 본 발명의 녹색 색변환층의 발광 피크를 도시한 도면이다.
도 36은 본 발명의 적색 색변환층의 발광 피크를 도시한 도면이다.
도 37은 본 발명의 장파장 투과필터의 투과도를 도시한 도면이다.
도 38은 본 발명의 단파장 투과 필터의 투과도와 표준화된 초소형 LED 소자의 청색 발광 피크, 및 녹색 및 적색 색변환층의 발광 피크를 각각 도시한 도면이다.
도 39는 본 발명의 장파장 투과 필터 투과도와 표준화된 초소형 LED 소자의 청색 발광 피크, 및 녹색 및 적색 색변환층의 발광 피크를 각각 도시한 도면이다
도 40은 본 발명의 단파장 투과필터 및 장파장 투과필터에 의한 녹색 색변환층의 발광 피크 세기(intensity)의 변화를 도시한 도면이다.
도 41은 본 발명의 단파장 투과필터 및 장파장 투과필터에 의한 적색 색변환층의 발광 피크 세기(intensity)의 변화를 도시한 도면이다.
도 42는 색온도 1,2000K에서 본 발명의 초소형 청색 LED와 녹색 및 적색 색변환층의 발광 비율 및 스펙트럼을 도시한 도면이다.
전술한 바와 같이, 종래의 풀컬러 LED 디스플레이는 대면적을 구현하는데 한계가 있을 뿐 아니라, 불량률이 매우 높은 문제가 있었다.
이에 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 1) 기판 위에 복수개의 제1 전극을 형성하는 단계; 2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치 (pixel sites)에 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자들을 부착시키는 단계; 3) 상기 기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계; 4) 상기 절연층 위에 복수개의 제2 전극을 형성하는 단계; 및 5) 상기 단위 픽셀위치들 중 선택된 일부 단위 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 순차적으로 패터닝하는 단계를 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 제공한다.
이를 통해 본 발명의 풀컬러 LED 디스플레이는 단위 픽셀위치(서브픽셀) 상에 5개 이상의 초소형 LED 소자들을 결합시키므로 불량률을 최소화하여, 대면적의 고효율 풀컬러 LED 디스플레이를 제조할 수 있다.
먼저, 1) 단계로서 기판 위에 복수개의 제1 전극을 형성한다. 구체적으로, 도 1은 본 발명의 일구현예에 따라서 LED 디스플레이 기판의 표면에 제1 전극을 패터닝하는 단계를 나타내는 사시도로서, 기판(10)의 일면에 제1 전극(11, 12)이 가로 방향으로 스트라이프 형상으로 패터닝될 수 있다. 이 경우, 상기 기판(10)의 면적은 10인치 이상의 대면적 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 이보다 작은 면적에도 적용될 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 기판(10)은 통상의 LED 디스플레이에 사용될 수 있는 것이면 종류의 제한이 없지만, 바람직하게는 투명한 유리기판 또는 플라스틱 기판이 사용될 수 있다.
상기 기판(10) 상에 다수의 제1 전극들(11, 12)을 형성한다. 상기 제1 전극들(11, 12)은 통상의 방법을 통해 제조될 수 있으며, 바람직하게는 상기 기판(10) 상에 전도성 물질을 도포한 다음, 이를 소정 형태로 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 전극들(11, 12)은 스트라이프(stripe) 형태로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극들(202)은 Al과 같은 금속 전극 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 전극들(11. 12)의 직경은 10 ~ 50㎛ 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
다음, 2) 단계로서, 상기 제1 전극 상에 형성된 단위 픽셀위치들에 복수개의 초소형 청색 LED 소자들을 부착시킨다. 상기 단위 픽셀위치들 개개의 면적은 바람직하게는 1x104 μm2 이하이고, 보다 바람직하게는 1x102 μm2 이하로서, 통상의 LED 디스플레이의 단위 픽셀 면적의 10% 이하이다. 예를 들어, 실제 디스플레이에서 픽셀 패턴 크기가 100㎛ x 100㎛일 때, 본 발명의 초소형 LED가 위치하는 단위 픽셀의 크기는 10㎛ x 10㎛일 수 있고, 이를 통해 실제 초소형 LED가 차지하는 면적비를 최소화하여 대면적화를 도모할 수 있다. 한편, 각각의 단위 픽셀위치들의 면적은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 상기 단위 픽셀위치들의 표면에 별도의 표면처리를 하거나, 홈을 형성할 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같이 종래의 LED 디스플레이는 단위 픽셀위치에 하나의 초소형 청색 LED 소자가 부착되었다. 그러나, 이 경우, 부착되는 초소형 LED 소자가 불량이면 전체 LED 디스플레이의 효율이 현저하게 떨어지는 문제가 발생하였다. 이에 본 발명에서는 단위 픽셀위치 상에 5개 이상의 초소형 LED 소자를 부착하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 만일, 4개 이하의 초소형 LED를 사용할 경우 한 개의 불량이 25% 이상의 광특성변화를 일으키므로 불량의 확률이 커지지만, 최소 5개 이상인 경우 한 개의 불량이 20% 이하의 특성변화를 일으키므로 불량률을 감소시킬 수 있으므로, 이를 통해 상기 단위 픽셀위치 상에 부착된 5개 이상의 초소형 LED 소자들 중 일부 초소형 LED 소자들이 불량인 경우에도 다른 초소형 LED 소자들이 정상이므로 전체적으로 각각의 단위 픽셀위치에서 정상적으로 초소형 LED 소자에 의한 발광이 가능하여 전체적으로 LED 디스플레이의 불량률을 최소화할 수 있어 발광효율을 극대화할 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 초소형 LED 소자의 형상은 원통형, 직육면체형 등 제한없이 형성될 수 있으나, 바람직하게는 원통형일 수 있으며, 원통형인 경우 직경(원의 직경)은 50 ~ 3000㎚일 수 있으며, 높이는 1.5 ~7㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 사용될 수 있는 초소형 LED 소자는 한국특허출원 제2011-40174호에 개시된 초소형 LED 소자이거나, 한국특허출원 제2011-40175호에 개시된 초소형 LED 소자번들일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 특히, 5개 이상의 초소형 LED 소자들이 바인더에 의해 결합된 초소형 LED 소자번들을 사용하는 경우에는 크기가 매우 작은 초소형 LED 소자의 취급을 용이하게 할 뿐 아니라, LED 디스플레이의 픽셀위치 상에서 초소형 LED 소자가 옆으로 눕거나 뒤집히지 않고 정확하게 위치시키는데 있어서 낱개의 초소형 LED 소자를 각각 부착하는 경우에 비하여 매우 유리하다.
한편, 본 발명에 사용되는 초소형 LED 소자들의 일면에 결합링커가 형성될 수 있다. 초소형 LED 소자는 크기가 너무 작기 때문에 이를 LED 디스플레이 기판의 픽셀위치에 부착하는 경우 초소형 LED 소자가 바로서지 못하고 누워있거나 뒤집히는 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 초소형 LED 소자의 전극표면에 자기조립을 위한 결합링커를 코팅하고, 이에 대응하는 LED 디스플레이 기판의 픽셀위치에 상기 결합링커와 결합할 수 있는 제2 링커를 형성한다면, 상기 초소형 LED 소자를 전사하거나 잉크 또는 페이스트 형태로 상기 서브픽셀에 부가하는 경우에도 초소형 LED 소자가 누워있거나 뒤집히지 않고 전극표면이 원하는 위치의 서브픽셀에 부착될 수 있는 것이다. 또한, 제2 링커를 형성하지 않더라도 결합링커에 남아있는 관능기가 LED 디스플레이 기판의 서브픽셀의 표면에 결합한다면 초소형 LED 소자가 바로서지 못하고 누워있거나 뒤집히는 문제를 해결할 수 있는 것이다.
결합링커는 초소형 LED 소자의 전극표면과 디스플레이 기판의 픽셀위치의 표면 및/또는 픽셀위치에 형성된 제2 링커와 결합하여야 하므로 이를 위하여 2개 이상의 관능기를 가질 수 있다. 구체적으로, 메탈과 반응하는 티올계열의 아미노에테인싸이올 (aminoethanethiol)과 산화물 및 이와 반응하는 아미노프로필트리에톡시실란 (aminopropyltrirthoxysilane) 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 디스플레이 기판의 픽셀위치의 표면에 형성되는 제2 링커는 본 발명의 결합링커에 상보적으로 결합할 수 있는 것이면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 결합링커와 동일한 계열을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이어서, 초소형 LED 소자들과 픽셀위치들의 결합면에 접착제를 부가하면 초소형 LED 소자들이 뒤집히거나 옆으로 눕지 않고 픽셀위치에 부착될 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 2) 단계는; 2-1) 상기 제1 전극 상에 형성된 단위 픽셀위치들 위에 상기 단위 픽셀위치와 결합할 수 있는 제1 결합링커들을 형성하는 단계; 2-2) 상기 제1 결합링커들에 결합할 수 있는 금속미분말을 첨가하는 단계; 2-3) 상기 금속미분말에 결합할 수 있는 제2 결합링커들이 부착된 초소형 청색 LED 소자들을 상기 각각의 단위 픽셀위치에 대하여 5개 이상 부착하는 단계; 및 2-4) 상기 금속미분말을 솔더링하여 상기 단위 픽셀위치와 상기 초소형 청색 LED 소자 사이에 금속오믹층을 형성하는 단계를 포함한다.
도 2a 내지 도 2e는 픽셀위치들에 초소형 청색 LED 소자들을 결합시키는 방법을 단계적으로 나타낸 사시도로서, 먼저, 도 2a는 본 발명의 제1 전극 위에 형성된 픽셀위치들의 표면에 제1 결합링커를 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다. 상기 기판(10)의 제1 전극(11)에 형성된 픽셀위치(13)에는 제1 결합링커(22)가 부착된다. 상기 제1 결합링커(22)는 적어도 2개 이상의 결합가능한 관능기를 포함할 수 있는데, 이 중 하나의 관능기가 픽셀위치(13)에 결합하고 남아있는 관능기는 후술하는 금속미분말 등과 결합할 수 있다. 이 때 사용가능한 제1 결합링커는 픽셀위치(13)에 결합할 수 있는 것이면 종류의 제한이 없으며, 메탈과 반응하는 티올계열의 다이싸이올(dithiol) 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음, 도 2b는 상기 픽셀위치들의 표면에 형성된 결합링커 상에 금속 미분말을 도포하는 단계를 나타내는 사시도이다. 구체적으로, 도 2a 단계를 거쳐 픽셀위치(13) 상에 형성된 복수개의 제1 결합링커(22)에 금속미분말(23)을 부가하면, 상기 제1 결합링커(22)의 미반응 관능기가 금속 미분말(23)의 표면에 결합하게 된다. 이 경우, 바람직하게는 하나의 금속 미분말(23)에 대하여 복수개의 제1 결합링커(22)가 결합할 수 있다. 또한, 상기 금속 미분말(23)의 직경은 5 ~ 100 ㎚일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 금속 미분말(23)의 형상은 구형, 타원형, 로드타입, 와이어 타입, 나노튜브 타입 등이 될 수 있다. 상기 금속 미분말(23)은 결합링커와 결합할 수 있으면서, 이후 솔더링 공정에서 쉽게 금속 오믹층을 형성할 수 있는 것이면 재질의 제한이 없으나, 바람직하게는 상기 금속 미분말(23)은 Ag, Au 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
다음, 도 2c는 상기 금속 미분말이 도포된 픽셀위치들에 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자들을 부착하는 단계를 나타내는 사시도이다. 상기 초소형 청색 LED 소자(30)들은 일면에 상기 금속미분말(23)의 표면과 결합할 수 있는 제2 결합링커(26)들이 형성되며, 이 경우, 사용가능한 제2 결합링커는 금속미분말(23)에 결합할 수 있는 것이면 종류의 제한이 없으며, 메탈과 반응하는 티올계열의 아미노에테인싸이올(aminoethanethiol), 다이싸이올(dithiol)과 산화물 및 이와 반응하는 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltrirthoxysilane) 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 도 2d와 같이 하나의 초소형 청색 LED 소자(30)가 복수개의 금속 미분말(23)과 결합하는 것도 가능하다.
다음, 도 2e는 솔더링 공정 이후 픽셀위치와 초소형 청색 LED 소자들 사이에 형성된 금속오믹층을 나타내는 사시도이다. 구체적으로, 상기 픽셀위치 상에 형성된 제1 결합링커와 금속미분말 및 초소형 청색 LED 소자의 일면에 형성된 제2 결합링커가 순차적으로 결합된 후, 솔더링 공정을 거치면 제1 결합링커 및 제2 결합링커는 모두 타서 소멸하게 되며 (burn out), 상기 금속미분말(23)은 용융되어 금속 오믹층(28)이 형성되어 상기 초소형 청색 LED 소자들(30)을 픽셀위치(13)에 고정하는 역할을 수행하게 된다. 이 때, 금속 오믹층(28)의 두께는 바람직하게는 5 ~ 100㎚일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 솔더링 방법은 통상의 방법에 의해 진행될 수 있으며, 바람직하게는 기판과 초소형 청색 LED 소자에는 충격이 가해지지 않으면서 금속미분말(23)만 선택적으로 용융될 수 있는 온도에서 상기 픽셀위치(13)를 부분적으로 가열하여 진행될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 금속미분말(23)의 재료가 Ag일 때, 200 ~ 500℃가 되도록 전체 또는 국부적으로 열을 가하여 상기 금속미분말(23)을 용융시켜 금속 오믹층(28)을 형성할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 다양한 방법에 의해 금속 오믹층(28)이 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 픽셀위치(13)에 바인더(32)에 의해 번들을 형성한 초소형 청색 LED 소자 번들(30)이 결합하는 단계를 나타내는 사시도이다.
이후, 3) 단계에서 상기 기판의 상부에 절연층을 형성한다. 도 4는 절연층을 형성하는 단계를 도시한 사시도로서, 상기 기판(10), 제1 전극(11, 12) 및 픽셀위치에 결합된 초소형 청색 LED 소자들의 일부 영역 또는 전체 영역 위에 절연층(40)이 형성된다. 상기 절연층(40)은 제1 전극과 제2 전극층이 접촉하거나 초소형 LED가 누전되는 것을 막아주는 역할을 수행하며, 상기 절연층의 두께는 초소형 LED의 높이와 일치되게 1.5 ~ 7㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 산화물 또는 질화물을 이용할 수 있으며, 대표적인 예로, 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음, 4) 단계에서 상기 절연층 위에 복수개의 제2 전극을 형성한다. 도 5를 참조하면 상기 제2 전극들(50, 51)은 상기 초소형 청색 LED 소자들(30)의 수직하는 상부에 형성되는데, 여기서, 상기 제2 전극들(50, 51)은 제1 전극들(11, 12)과 교차하도록 형성될 수 있다. 상기 제2 전극들(50, 51)은 제1 전극들(11, 12)과 마찬가지로 스트라이프(stripe) 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제2 전극들(50, 51)은 예를 들면 Al과 같은 금속전극 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
다음, 5) 단계로서 상기 제2 전극들(50, 51) 위에 청색 LED 광은 투과시키고, 컬러 바이 블루 형태의 디스플레이에서 녹색/적색 광변환 물질에서 후면 발광을 전면으로 되돌림으로써 발광 효율을 높이기 위한 단파장 투과필터(60)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 도 6은 상기 제2 전극들 위에 단파장 투과필터(60)를 형성하는 단계를 나타내는 사시도로서, 이 때 사용가능한 단파장 투과필터(60)의 재질은 고굴절/저굴절 재료의 박막을 반복시킨 다층막일 수 있으며, 구성은 [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]m (m =반복층수, m은 7이상)일 수 있다. 또한, 단파장 투과필터(60)의 두께는 1 ~ 5 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다음 6) 단계로서, 상기 픽셀위치들 중 선택된 일부 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 녹색 색변환층을 패터닝하고, 상기 픽셀위치들 중 선택된 일부 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 적색 색변환층을 패터닝하는 단계를 포함한다. 도 7은 본 발명의 단파장 투과필터 위에 선택된 픽셀위치들 중 선택된 일부 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 복수개의 녹색 변환층들을 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다. 구체적으로 상기 녹색 변환층(70, 71)은 픽셀위치들(13)에 형성된 초소형 청색 LED 소자들(30)의 수직하는 상부 중 일부분에 형성되며, 하단의 초소형 청색 LED 소자들(30)에서 조사된 청색광이 상기 녹색 변환층(70, 71)으로 조사되고, 이를 통해 상기 녹색 변환층(70, 71)이 발광하여 녹색광을 조사하게 되는 것이다. 이 때 사용가능한 녹색 변환층(70, 71)은 통상적으로 컬러 바이 블루 방식에 사용될 수 있는 것이면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 녹색 형광물질을 포함하는 형광층일 수 있고, 바람직하게는 SrGa2S4:Eu, (Sr,Ca)3SiO5:Eu, (Sr,Ba,Ca)SiO4:Eu, Li2SrSiO4:Eu, Sr3SiO4:Ce,Li, β-SiALON:Eu, CaSc2O4:Ce, Ca3Sc2Si3O12:Ce, Caα-SiALON:Yb, Caα-SiALON:Eu, Liα-SiALON:Eu, Ta3Al5O12:Ce, Sr2Si5N8:Ce, SrSi2O2N2:Eu, BaSi2O2N2:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, γ-AlON:Mn 및 γ-AlON:Mn,Mg로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 형광체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 8은 본 발명의 단파장 투과필터 위에 선택된 픽셀위치들 중 선택된 일부 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 복수개의 적색 변환층을 형성하는 단계를 나타내는 사시도이다. 구체적으로, 상기 적색 변환층(80, 81)은 픽셀위치들(13)에 형성된 초소형 청색 LED 소자들(30)의 수직하는 상부 중 일부분에 형성되며, 하단의 초소형 청색 LED 소자들(30)에서 조사된 청색광이 상기 적색 변환층(80, 81)로 조사되고, 이를 통해 상기 적색 변환층(80, 81)이 발광하여 적색광을 조사하게 되는 것이다. 이 경우, 상기 적색 변환층(80, 81)은 픽셀위치들의 수직상부 영역 중 상기 녹색 변환층(70, 71)들이 형성된 영역을 제외하고 일부 영역에 형성될 수 있다. 이 때 사용가능한 적색 변환층(80, 81)은 통상적으로 컬러 바이 블루 방식에 사용될 수 있는 것이면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 적색 형광물질을 포함하는 형광층일 수 있고, 보다 바람직하게는 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu, CaAlSiN3:Eu, (Sr,Ca)S:Eu, CaSiN2:Ce, SrSiN2:Eu, Ba2Si5N8:Eu, CaS:Eu, CaS:Eu,Ce, SrS:Eu, SrS:Eu,Ce 및 Sr2Si5N8:Eu로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 형광체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 녹색 변환층과 적색 변환층의 패터닝 순서는 제한이 없으며 동시에 형성되거나 역순으로 형성되는 것도 가능하다.
한편, 상기 LED 디스플레이 기판을 수직 상부에서 관찰하면, 일부 픽셀위치 영역은 초소형 청색 LED 소자들(30)만 형성되고 수직상부에 녹색변환층 및 적색변환층이 형성되지 않아 청색광이 조사되며, 일부 픽셀위치 영역은 초소형 청색 LED 소자들(30)의 수직상부에 녹색 변환층이 형성되어 녹색광이 조사된다. 또한 또 다른 픽셀위치 영역은 초소형 청색 LED 소자들(30)의 수직상부에 적색 변환층이 형성되어 적색광이 조사되는 것이다.
이후 7) 단계로서, 상기 녹색 변환층 및 적색 변환층의 상부에서 초소형 LED에서 방출된 청색 빛과 녹색/적색 변환층에서 발광하는 빛이 혼합되어서 색순도가 떨어지는 것을 막기 위하여 장파장 투과필터를 더 형성할 수도 있다. 도 9는 장파장 투과필터(90, 91)가 형성되는 단계를 나타내는 사시도로서, 상기 녹색 변환층 및 적색 변환층의 일부 또는 전부의 상부에 장파장 투과필터(90, 91)가 형성될 수 있다. 이 때 사용가능한 장파장 투과필터(90, 91)는 고굴절/저굴절 재료의 박막을 반복시킨 다층막일 수 있으며, 구성은 [0.5TiO2/SiO2/0.5TiO2]m (m =반복층수, m은 7이상)일 수 있다. 또한, 장파장 투과필터(90, 91)의 두께는 1 ~ 5 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
전술한 방법에 따라서 제조된 본 발명에 따른 LED 디스플레이는, 1) 기판 위에 형성된 복수개의 제1 전극; 2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치들(pixel sites)에 부착된 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자; 3) 상기 기판 및 상기 청색 LED 소자의 상부에 형성된 절연층; 4) 상기 절연층 위에 형성된 복수개의 제2 전극; 및 5) 상기 단위 픽셀위치들 중 선택된 일부 단위 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 형성된 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 포함한다. 또한, 단파장 투과필터 및/또는 장파장 투과필터가 더 형성되는 것도 가능하다.
한편, 본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 구현예에서, 1) 기판 위에 복수개의 제1 전극을 형성하는 단계; 2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치에 5개 이상의 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들 중 어느 하나 이상의 LED 소자들을 부착시키는 단계; 3) 상기 기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계; 및 4) 상기 절연층 위에 복수개의 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 다른 구현예에 따른 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 서술하기로 하되, 전술한 컬러 바이 블루 방법에 의한 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법과 중복되는 부분을 제외하고 설명한다.
먼저, 1) 단계로서, 기판 위에 다수의 제1 전극을 형성하며, 이는 전술한 내용과 동일하다.
다음, 2) 단계로서, 상기 제1 전극 상에 형성된 단위 픽셀위치들에 복수개의 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들 중 어느 하나 이상의 LED 소자들을 부착시키되, 상기 각각의 단위 픽셀위치에 대하여 5개 이상의 초소형 LED 소자들을 부착시킨다.
도 10a를 참조하면, 기판(10), 상기 기판에 형성된 복수개의 제1 전극들(11, 12), 상기 제1 전극들에 형성된 픽셀위치들 중 일부 픽셀위치들에 부착된 초소형 청색 LED 소자들(100)이 도시되어 있다. 이 경우, 전술한 바와 마찬가지로 하나의 단위 픽셀위치에 대하여 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자들이 부착된다.
도 10b에서 상기 초소형 청색 LED 소자들이 부착되지 않은 다른 영역의 픽셀위치들 중 일부 픽셀위치 영역에 초소형 녹색 LED 소자들(101)을 부착한다. 이 경우, 전술한 바와 마찬가지로, 하나의 단위 픽셀위치에 대하여 5개 이상의 초소형 녹색 LED 소자들이 부착되며, 초소형 청색 LED 소자들과 동일한 크기의 초소형 녹색 LED 소자들을 사용할 수 있다.
도 10c에서 상기 초소형 청색 LED 소자들(100) 및 초소형 녹색 LED 소자들(101)이 부착되지 않은 픽셀위치들에 초소형 적색 LED 소자들(102)을 부착한다. 이 경우, 전술한 바와 마찬가지로 하나의 단위 픽셀위치에 대하여 5개 이상의 초소형 녹색 LED 소자들이 부착된며, 초소형 청색 LED 소자들과 동일한 크기의 초소형 녹색 LED 소자들을 사용할 수 있다.
상기 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들은 동시에 부착되거나 순서를 바꾸어 부착될 수도 있다.
또한, 상기 픽셀위치들에 제1 결합링커가 형성되고 상기 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들의 일면에 제2 결합링커가 형성되어 직접 결합되거나, 금속미분말을 첨가한 후 솔더링 과정을 거쳐 금속 오믹층을 형성하는 것도 가능하다. 결국, 각각의 픽셀위치들에 대하여 일부 픽셀위치들에는 초소형 청색 LED 소자들이 부착되고, 다른 픽셀위치들에는 초소형 녹색 LED 소자들이 부착되며, 또 다른 픽셀위치들에는 초소형 적색 LED 소자들이 부착될 수 있는 것이다.
이후, 도 11과 같이, 상기 기판의 상부에 절연층(110)을 형성할 수 있다. 이어서, 도 12와 같이, 상기 절연층(110)의 상부에 복수개의 제2 전극들(120, 121)을 형성할 수 있다.
또한, 전술한 바와 마찬가지로, 상기 4) 단계 이후, 단파장 투과필터를 형성하는 단계 및 장파장 투과필터를 형성하는 단계를 더 포함하는 것도 가능하다.
전술한 방법에 따라서 제조된 본 발명에 따른 LED 디스플레이는, 1) 기판 위에 형성된 복수개의 제1 전극; 2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치들에 부착된 5개 이상의 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들 중 어느 하나 이상의 LED 소자; 3) 상기 기판의 상부에 형성된 절연층; 및 4) 상기 절연층의 상부에 형성된 복수개의 제2 전극을 포함한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
LED 기본 소자층 (GaN)을 제조하기 위해서 사파이어 기판 (2인치 웨이퍼 사이즈, 430±25㎛) 위에 버퍼층 또는 언도프드 반도체층 (undoped GaN, 2.4~2.8㎛ 두께), 제1 도전성 반도체층 (n-타입 GaN, 2.0~2.4㎛ 두께), 활성층 (InGaN/GaN 다중 양자 우물, 100~140㎛), 제2 도전성 반도체층 (p-타입 GaN, 200nm 두께)을 MOCVD 방법을 이용하여 형성하였다 (도 13 참조).
위와 같이 제조된 LED 기본 소자층을 하기와 같은 방법에 의해서 초소형 LED 소자로 제조하였다. 먼저, 제2 도전성 반도체층 위에 절연층으로서 SiO2 (800nm~1㎛ 두께)와 금속 마스크층으로서 크롬층 (100~120nm 두께)을 각각 PECVD 방법과 열증착 (thermal evaporation) 방법으로 형성하였다 (PECVD: 60W, 550mtorr, SiH4 160sccm, N2 240sccm, N2O 1500sccm, 35~40분; 열증착: 130~140A, 9.0x10-6torr, 20~30분) (도 14 참조). 이어서, 폴리스티렌 나노스피어를 헥사고날 형태로 잘 정렬된 단층막 (960~1000nm 두께)으로 제조하여 상기 금속 마스크층 위에 형성하였다 (도 15a 및 15b 참조). 상기 단층막을 O2 가스 분위기하에서 애싱공정 (50W, 0.05torr, O2 100sccm)을 통해 500~800nm의 크기로 줄여 주었다 (도 16a 및 16b 참조). 크기가 축소된 폴리스티렌 나노스피어를 마스크로 사용하여, 상기 금속 마스크층을 건식 식각 방법인 RIE 방법으로 Cl2 가스 분위기하에서 에칭하였다 (50W, 0.08torr, Cl2 40sccm) (도 17a 및 17b 참조). 상기 에칭공정에 의해서 폴리스티렌의 모양 그대로 전사(transfer)된 금속 마스크층 패턴을 제조하였으며 (도 18a 및 18b 참조), 제조된 금속 마스크층 패턴을 이용해서 하부에 존재하는 절연층 부분을 CF4와 O2 가스 분위기 하에서 다시 에칭하였다 (100W, 0.042torr, CF4 40sccm, O2 2sccm) (도 19a 및 19b 참조). 라드패턴으로 식각된 절연층을 이용하여 반도체층 (GaN)을 SiCl4와 Ar 가스 분위기 하에서 ICP 방법으로 에칭하여 (RF 50W, ICP 300W, 3 torr, SiCl4 2sccm, Ar 20sccm), 반도체층의 라드패턴을 제조하였다 (도 20a 및 20b 참조). 이어서, 반도체층 라드패턴을 제조하기 위해서 마스크로 사용되었던 절연층을 CF4와 O2 가스 분위기 하에서 에칭하여 제거하였다 (도 21a 및 21b 참조).
상기와 같이 제조된 반도체층의 외주면에 원자층 증착 (atomic layer deposition: ALD) 방법 (금속 반응물질로서 트리메틸알루미늄 (trimethylaluminum: TMA)를, 산소 소스로서 수증기를 사용하고, TMA 증기압은 0.04 torr로, 챔버 온도는 80℃로 유지, 캐리어 가스 및 퍼징 가스로는 Ar을 사용, 성장 속도: ~1.5Å)에 의해서 절연피막(Al2O3)을 코팅하였으며 (두께: 20nm), 액상의 자기조립공정을 통하여 소수성 피막으로서, 옥타데실트리클로로실란 (octadecyltrichlorosilane: OTS)을 수 nm의 두께로 코팅하였다. 도 22a 및 22b를 참조하면, 이러한 소수성 피막 코팅에 의해서 물과의 접촉각이 증가함을 알 수 있다. 절연피막과 소수성 피막을 코팅한 후, 제2 전극층 위에 에폭시 수지 (시아노아크릴레이트 접착제 금속-타입, Sigma Aldrich사로부터 구입)를 이용하여 지지필름을 부착하였다 (두께: 3.5~5㎛). 이어서, 지지필름이 부착되어 있지 않은 버퍼층 또는 언도프드 반도체층과 사파이어 기판 쪽으로 레이저를 이용한 리프트-오프 공정을 수행함으로써 사파이어 기판을 제거하였다 (도 23a 및 23b 참조). 제1 도전성 반도체층이 노출되도록 하기 위해서, 버퍼층 또는 언도프드 반도체층을 SiCl4와 Ar 가스 분위기 하에서 ICP 방법으로 식각하여 제거하였으며 (RF 50W, ICP 300W, 3 torr, SiCl4 2sccm, Ar 20sccm), 이러한 과정을 통해서 지지필름이 부착된 독립적인 초소형 LED 라드형태를 얻을 수 있었다 (도 24a 및 24b, 도 25a 및 25b, 도 26a 및 26b 참조).
이어서, 상기 초소형 LED의 제1 도전성 반도체 층에 스퍼터링 장비 (DC-스퍼터링 시스템)를 사용하여 Ti 전극을 증착하였다 (300V, 0.17A, Ar 100sccm) (도 27 참조). 다음으로, 전극 표면에 결합링커로서 디티올을 액상 또는 기상의 자기조립방법으로 코팅하였다. 코팅 공정은 액상으로 진행되었으며, 에탈올 무수물 (10ml)와 노네인디티올 (20㎕)을 혼합하여 1mM 노네인디티올 용액을 제조하고, 전극이 증착되어 있는 초소형 LED 라드형태를 상기 노네인디티올 용액에 하루 동안 담근 다음, 초소형 LED 라드를 꺼내어 세척하였다. 상기 지지필름은 아세톤을 이용해 제거함으로써 독립적인 초소형 LED들을 잉크 또는 페이스트 형태로 제조하였다 (도 28 및 29 참조). 상기 잉크 또는 페이스트를 그 결합링커와 반응하는 링커 (금속미분말: 은 나노입자)를 가지고 있는 전극 기판에 떨어뜨림으로써 정렬시켰다. 전극 기판의 경우, 전극 기판과 반응하는 디티올 링커와 초소형 LED의 결합링커와 반응할 수 있는 금속미분말인 은 나노입자를 이용해서 전극 위에 패턴함으로써 패턴을 형성하였다. 구체적으로, 노네인디티올 링커를 먼저 전극 기판에 반응시켜 붙인 후, 전극 기판과 붙어있지 않은 노네인디티올 링커 반대쪽으로 은 나노입자를 코팅하였다. 코팅은 노네인디티올 링커가 붙어 있는 전극 기판을 은 나노입자가 분산되어 있는 톨루엔 용액에 넣어 반응시킨 후 꺼냄으로써 수행하였다. 이러한 과정에 의해서 전극 기판의 금속 미분말과 초소형 LED의 결합링커를 반응시킨 다음, 솔더링 공정 (100~200℃의 어닐링 과정)을 통하여 금속 오믹층을 형성함으로써 본 발명에 따른 초소형 LED 소자를 제조하였다 (도 30 참조). 한편, 도 31에는 전술한 바와 같이 제조된 초소형 LED 소자들을 전극 기판에 정렬시킨 후 측정한 스펙트럼을 도시하였으며, 또한 도 32a 내지 32c에는 제조된 초소형 LED 소자에 대한 육안으로 관찰한 사진을 도시하였다. 상기 도면들로부터 알 수 있는 바와 같이, 제조된 초소형 LED 소자에서 청색광이 발광되는 것을 확인할 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 풀컬러 LED 디스플레이 장치에 사용되는 LED 소자로는 전술한 바와 같은 단독형의 초소형 LED 소자를 제조하여 사용할 수도 있으나, 이를 묶어서 초소형 LED 소자 번들을 제조하여 사용할 수도 있다.
상기 제조된 초소형 LED 소자 또는 초소형 LED 소자 번들을 이용하여 하부 전극으로 사용하는 제1 전극상에 형성된 단위 픽셀위치들에 복수개 (50개 부착 및 100개 부착의 2가지 형태로 제작)의 청색 LED 소자들 (페이스트 또는 잉크형)을 부착시켰다 (픽셀 배열 : 4 × 4 사각형 배열, 20㎛ × 20㎛). 도 33에는 초소형 LED 소자를 50개 부착시킨 경우와 100개 부착시킨 경우에 측정된 청색 발광 피크를 도시하였다. 도 33을 참조하면, 초소형 LED 소자를 50개 부착시킨 경우보다 100개 부착시킨 경우에, 더 높은 세기의 청색광이 발광되는 것을 알 수 있다. 단위 픽셀위치마다 표면에 디티올 결합링커를 형성하였다. 구체적으로, 에탄올 무수물 (10ml)와 노네인디티올 (20㎕)을 혼합하여 1mM 노네인디티올 용액을 제조한 다음, 제1 전극상을 제조된 노네인디티올 용액에 하루 동안 담갔다. 이어서, 제1 전극상을 꺼내어 세척한 다음, 제1 전극상의 단위 픽셀 위치에만 노네인디티올을 반응시키기 위하여 포토리쏘그래피 방벙을 이용해 픽셀을 패터닝하였다. 포토리쏘그래피는 AZ1512 포토레지스트 (AZ Electronic Materials)를 사용하여 스핀코팅 방법으로 제1 전극 위에 코팅하고, 소프트베이킹 (95℃, 1분), UV 노출 (단위픽셀 패턴된 마스크를 이용하여 90초 동안 노출) 및 현상 (AZ300 developer, AZ Electronic Materials사, 1분 동안 넣어둔 후, 꺼내서 물로 세척함) 과정을 거쳐서 픽셀을 패터닝하였다. 이렇게 제1 전극 위에 픽셀 패터닝 하고, 노네인디티올을 반응시킨 후, 아세톤을 이용해 패턴된 포토레지스트를 제거함으로써 (리프트오프 방법), 제1 전극상에 형성된 단위 픽셀위치들에만 노네인디티올 결합링커를 형성하였다.
형성된 결합링커에 금속 미분말로서 은 나노입자 (7~20 nm)를 도포하여 복수개의 초소형 청색 LED 소자들에 형성된 결합링커와 부착시켰다. 부착된 LED 소자들과 제1 전극 사이에서의 금속 미분말을 솔더링 공정 (100~200℃의 어닐링 과정)을 통하여 초소형 LED 소자들과 픽셀위치 사이에서 금속오믹층을 형성하였고, 이러한 과정을 통해서 복수개의 초소형 LED 소자들을 전극 위에 정렬시켰다.
초소형 LED 소자 위에는 SU-8 (Microchem사)로 이루어진 절연층 (2.5~3.0㎛ 두께)을 스핀공정 (500rpm 5초, 2000rpm 30초)을 통하여 형성시키고, 초소형 LED 소자 위에 제2 전극으로서 ITO 전극을 증착하기 위해서 에싱공정 (power 50W, working pressure 0.05torr, O2 100sccm)을 이용하여 절연층을 LED 소자가 노출될 정도로 제거하였다. LED 소자가 노출되면 그 위로 제2 전극을 스퍼터링법 (rf-magnetron sputtering system, rf-power 30W, working pressure 7.8 x 10-3torr, Ar 70sccm, 100℃)을 이용해서 형성하였다 (제1 전극과 2 전극들은 스트라이프 형상으로 교차 형성된다).
상기와 같이 제조된 제2 전극 위에 단파장 투과필터 (SWPF) (dielectric multilayer of terminal eighth-wave thick 0.5SiO2 (56 nm) and quarterwave thick TiO2/SiO2 (73 nm/112 nm))를 이-빔 증착기 (base pressure 4.0 x 10-5torr, acceleration voltage 7kV, oxygen partial pressure 1.9 x 10-4torr)를 사용하여 형성시키고, 그 위로 선택된 일부 픽셀 위치에 대응하는 녹색 색변환층 (50㎛)과 적색 색변환층 (50㎛)을 스크린프린팅 방법으로 패터닝하였다. 구체적으로, 녹색 색변환층으로는 SrGa2S4:Eu green powder phosphor를 페이스트 형태로 제조한 것으로서, 실리콘 바인더 (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. KER-2500A, KER-2500B) 및 소수성 실리카 (Degussa, hydrophobic aerosol R202)에 녹색 색변환물질을 분산시켜 페이스트 형태로 만든 것을 사용하였다. 또한, 적색 색변환층으로는, 상기 녹색 색변환층과 유사하게, CaAlSiN3:Eu red powder phosphor를 페이스트 형태로 제조한 것으로서, 실리콘 바인더와 소수성 실리카에 적색 색변환물질을 분산시켜 페이스트 형태로 만든 것을 사용하였다. 패터닝은 50㎛의 스페이서를 이용해서, 녹색 및 적색 색변환물질을 프린팅한 뒤, 150℃에서 1시간 동안 건조시키고 경화시킴으로써 수행하였다. 도 34, 35 및 36에는 각각 단파장 투과필터의 투과도, 녹색 색변환층의 발광 피크 및 적색 색변환층의 발광 피크를 도시하였다. 그 뒤 녹색 색변환층과 적색 색변환층 상부에는 이-빔 증착기 (base pressure 4.0 x 10-5torr, acceleration voltage 7kV, oxygen partial pressure 1.9 x 10-4torr)를 사용하여 장파장 투과필터 (dielectric multilayer of terminal eighth-wave thick 0.5TiO2 (25nm) and quarter-wave thick SiO2/0.5TiO2 (73 nm/50 nm)를 형성시켰다. 도 37에는 장파장 투과필터의 투과도를 나타낸 그래프를 도시하였다. 또한, 도 38에는 단파장 투과 필터의 투과도와 표준화된 초소형 LED 소자의 청색 발광 피크, 및 녹색 및 적색 색변환층의 발광 피크를 각각 도시하였으며, 이로부터 단파장 투과 필터에 의해서 초소형 LED 소자의 청색 발광은 영향을 받지 않지만, 녹색 및 적색 발광은 반사되는 것을 알 수 있다. 유사하게, 도 39에는 장파장 투과 필터 투과도와 표준화된 초소형 LED 소자의 청색 발광 피크, 및 녹색 및 적색 색변환층의 발광 피크를 각각 도시하였으며, 이로부터 장파장 투과 필터에 의해서 초소형 LED 소자의 청색 발광은 반사되지만, 녹색 및 적색 발광은 영향 받지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 도 40에는 단파장 투과필터 및 장파장 투과필터에 의한 녹색 색변환층의 발광 피크 세기(intensity)의 변화를 도시하였다. 도 40으로부터, 단파장 투과필터만 적용되더라도 녹색 색변화층의 발광 피크가 증가하지만, 단파장 투과필터 단독으로 채용된 경우보다 단파장 투과필터 및 장파장 투과필터가 동시에 채용될 때 녹색 색변환층의 발광 피크가 더욱 증가함을 알 수 있다. 유사하게, 도 41에는 단파장 투과필터 및 장파장 투과필터에 의한 적색 색변환층의 발광 피크 세기(intensity)의 변화를 도시하였다. 도 41로부터, 단파장 투과필터만 적용되더라도 적색 색변화층의 발광 피크가 증가하지만, 단파장 투과필터 단독으로 채용된 경우보다 단파장 투과필터 및 장파장 투과필터가 동시에 채용될 때 적색 색변환층의 발광 피크가 더욱 증가함을 알 수 있다.
이 과정에서, 색변환층에만 장파장 투과필터를 형성시키기 위해서 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝한 후, 포토레지스트의 리프트-오프 방법을 이용하여 장파장 투과필터를 패터닝하였다. 구체적으로, AZ1512 포토레지스트 (AZ Electronic Materials)를 사용하여 스핀코팅 방법으로 색변환층 위에 코팅하고, 소프트 베이킹 (95℃, 1분), UV 노출 (마스크를 이용하여 90초 동안 노출) 및 현상 (AZ300 developer, AZ Electronic Materials사, 1분 동안 넣어둔 후, 꺼내서 물로 세척함) 과정을 거쳐서 패터닝하였다.
도 42에는 색온도 1,2000K에서의 초소형 청색 LED와 녹색 및 적색 색변환층의 발광 비율 및 스펙트럼을 도시하였다. 도 42를 참조하면, 본 발명에 따른 초소형 청색 LED 기반 디스플레이를 제조한 결과, 전형적인 LED의 색온도인 12000K에서의 발광 비율은 청색 : 녹색 : 적색 = 1 : 1.15 : 1.04 로 측정되었다.
본 발명에 따른 풀컬러 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법은 디스플레이 산업 전반에 걸쳐서 폭넓게 활용될 수 있다.

Claims (15)

1) 기판 위에 복수개의 제1 전극을 형성하는 단계;
2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치 (pixel sites)에 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자들을 부착시키는 단계;
3) 상기 기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계;
4) 상기 절연층 위에 복수개의 제2 전극을 형성하는 단계; 및
5) 상기 단위 픽셀위치들 중 선택된 일부 단위 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 순차적으로 패터닝하는 단계를 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
1) 기판 위에 복수개의 제1 전극을 형성하는 단계;
2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치에 5개 이상의 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들 중 어느 하나 이상의 LED 소자들을 부착시키는 단계;
3) 상기 기판의 상부에 절연층을 형성하는 단계; 및
4) 상기 절연층 위에 복수개의 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 전극들 및 제2 전극들은 스트라이프 형상으로 교차 형성되며, 상기 단위 픽셀위치들은 상기 제1 전극들과 제2 전극들이 교차 형성된 부위와 대응하는 부위에 형성되는 것을 특징으로 하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 2) 단계는;
2-1) 상기 제1 전극 상에 형성된 단위 픽셀위치들 위에 상기 단위 픽셀위치와 결합할 수 있는 제1 결합링커들을 형성하는 단계;
2-2) 상기 제1 결합링커들에 결합할 수 있는 금속미분말을 첨가하는 단계;
2-3) 상기 금속미분말에 결합할 수 있는 제2 결합링커들이 부착된 초소형 청색 LED 소자들을 상기 각각의 단위 픽셀위치에 대하여 5개 이상 부착하는 단계; 및
2-4) 상기 금속미분말을 솔더링하여 상기 단위 픽셀위치와 상기 초소형 청색 LED 소자 사이에 금속오믹층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 2) 단계는;
2-5) 상기 제1 전극 상에 형성된 단위 픽셀위치들 위에 상기 단위 픽셀위치와 결합할 수 있는 제1 결합링커들을 형성하는 단계;
2-6) 상기 제1 결합링커들에 결합할 수 있는 금속미분말을 첨가하는 단계;
2-7) 상기 금속미분말에 결합할 수 있는 제2 결합링커들이 부착된 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들 중 어느 하나 이상의 LED 소자들을 상기 단위 픽셀위치 각각에 대하여 5개 이상 부착시키는 단계; 및
2-8) 상기 금속미분말을 솔더링하여 상기 단위 픽셀위치와 상기 초소형 청색 LED 소자 사이에 금속오믹층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들의 직경은 50 ~ 3000㎚이며, 단독 또는 번들형이며, 상기 LED 소자들의 외주면에 절연피막이 형성된 것을 특징으로 하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들은 페이스트 또는 잉크타입인 것을 특징으로 하는 풀-칼라 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 4) 단계와 상기 5) 단계 사이에 단파장 투과필터(SWPF)를 형성하는 단계 및 상기 5) 단계 이후 장파장 투과필터(LWPF)를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풀-칼라 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
1) 기판 위에 형성된 복수개의 제1 전극;
2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치들(pixel sites)에 부착된 5개 이상의 초소형 청색 LED 소자;
3) 상기 기판 및 상기 청색 LED 소자의 상부에 형성된 절연층;
4) 상기 절연층 위에 형성된 복수개의 제2 전극; 및
5) 상기 단위 픽셀위치들 중 선택된 일부 단위 픽셀위치들에 대응하는 제2 전극의 상부에 형성된 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치.
1) 기판 위에 형성된 복수개의 제1 전극;
2) 상기 제1 전극 상에 형성된 각각의 단위 픽셀위치들에 부착된 5개 이상의 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들 중 어느 하나 이상의 LED 소자;
3) 상기 기판의 상부에 형성된 절연층; 및
4) 상기 절연층의 상부에 형성된 복수개의 제2 전극을 포함하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 초소형 청색, 녹색 및 적색 LED 소자들의 직경은 50 ~ 3000㎚이며, 단독 또는 번들형이며, LED 소자들의 외주면에 절연피막이 형성된 것을 특징으로 하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 단위 픽셀위치와 상기 초소형 LED 소자 사이에는 금속오믹층이 형성된 것을 특징으로 하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 단위 픽셀위치의 면적은 1x104 μm2 이하이고, 상기 제1 전극들의 단위 픽셀위치들에 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 제1 전극들 및 제2 전극들은 스트라이프 형상으로 교차 형성되며, 상기 단위 픽셀위치들은 상기 제1 전극들과 제2 전극들이 교차 형성된 부위와 대응하는 부위에 형성된 것을 특징으로 하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치.
제9항에 있어서, 상기 제2 전극과 상기 초소형 적색 또는 녹색 LED 소자들 사이에는 단파장 투과필터가 형성되고, 상기 초소형 적색 또는 녹색 LED 소자들 상부에는 장파장 투과필터가 형성된 것을 특징으로 하는 풀컬러 LED 디스플레이 장치.
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