WO2017155175A1

WO2017155175A1 - 무전사 플렉서블 수직형 발광다이오드 및 이의 제작 방법

Info

Publication number: WO2017155175A1
Application number: PCT/KR2016/010907
Authority: WO
Inventors: 이건재; 이승현; 이한얼
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: KR101718652B1

Abstract

본 발명에 따른 무전사 플렉서블 수직 발광다이오드는 LED 소자층(200); 상기 LED 소자층(200)을 그 내부에 수용하는 제1 패턴 가능 폴리머층; 상기 제1 패턴 가능 폴리머층에 노출 형성된 제1 컨택 영역들을 통해 상기 LED 소자층(200)의 일측에 연결되는 제1 금속 라인; 상기 LED 소자층(200) 및 상기 제1 패턴 가능 폴리머층에 접하는 형태로 배치되는 제2 패턴 가능 폴리머층; 상기 제2 패턴 가능 폴리머층에 노출 형성된 제2 컨택 영역들을 통해 상기 LED 소자층(200)의 타측에 연결되는 제2 금속 라인을 포함하며, 플렉서블 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

무전사 플렉서블 수직형 발광다이오드 및 이의 제작 방법

본 발명은 무전사 플렉서블 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 플렉서블 기반 수평형 및 수직형 발광다이오드 제작 방식의 한계인 무기 박막의 전사 공정을 요하지 않는 플렉서블 수직형 발광다이오드의 제작 방법에 관한 것이다.

최근의 정보화 사회에서 디스플레이는 시각정보 전달매체로서 그 중요성이 더 한층 강조되고 있다. 특히 반도체 발광소자 중 하나인 LED는 액정(LCD), CRT와는 달리 자체 발광을 하므로, 낮은 전력에서 고휘도의 빛을 발광하는 장점이 있으며, 이러한 장점으로 인하여, 다양한 전자기기의 디스플레이로 각광받고 있다.

LED(Light Emitting Diode)는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환시켜 주는 발광 반도체 소자로서 정공을 다수 캐리어로 갖는 p형 반도체와 전자를 다수 캐리어로 갖는 n형 반도체의 이종접합 구조를 가진다.

하지만, 이와 같은 LED는 고온, 다양한 화학물질의 사용이 요구되는 반도체 공정에 의하여 제조되므로, 현재까지 LED는 제조 기판의 한계, 즉, 실리콘 등의 딱딱한(rigid) 기판의 한계를 극복할 수 없다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허 10-1077789호는 실리콘 기판에서 이미 제조된 LED 스택을 플렉서블한 BLU층에 직접 전사시켜, 기존의 실리콘 기판 상에서 제조된 것처럼 소자의 정렬구조가 우수한 플렉서블 발광다이오드 제조방법을 개시한다. 하지만, 상기 기술은 화학적 식각을 사용하므로, 제조공정상 경제성과 안전성이 떨어지는 문제가 있다. 더 나아가, 상기 공지기술에 의하여 제조된 발광다이오드는 사용시 열 방출이 어렵다는 문제가 있다.

또한, 플렉서블 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법과 관련한 종래의 문헌으로는 등록특허 제10-1362516호(2014.02.06)를 참조할 수 있는데, 효율과 방열특성이 뛰어나 성능 및 수명이 뛰어나고, 플렉서블 특성을 갖는 플렉서블 수직형 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하지만, 상기 문헌은 플렉서블 수직형 발광다이오드 제작에 있어서 플렉서블 기판에 형성된 회로와 무기소자를 연결하기 위해 열과 압력을 이용한 이방도전성 필름의 접착 또는 금속과 금속 간의 접착을 요구하게 된다. 이러한 방식으로 제작시에는 균일한 열과 압력을 줄 수 있는 고가의 장비가 필요하며 제작 후 수율 또한 접착 상태에 의하여 결정이 되는 문제점이 있다. 또한, 제작되는 플렉서블 기판의 두께가 이방 도전성 필름으로 인해 얇아지는데 한계가 있고, 발광다이오드의 크기가 작아질수록 수율이 떨어지며 플렉서블 기판에 형성된 회로와 발광다이오드가 연결됨에 있어서 공간적인 오차가 발생할 수 있다.

(특허문헌 1) KR 10-1362516 B

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 기존의 플렉서블 기반 수평형 및 수직형 발광다이오드 제작 방식의 한계인 무기 박막의 전사 공정을 요하지 않는 플렉서블 수직형 발광다이오드의 제작 방법을 제공하는 것이 목적이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 관점에 따른 무전사 플렉서블 수직 발광다이오드는 LED 소자층(200); 상기 LED 소자층(200)을 그 내부에 수용하는 폴리머층; 상기 폴리머층에 노출 형성된 제1 컨택 영역들을 통해 상기 LED 소자층(200)의 상부에 연결되는 제1 금속 라인; 상기 폴리머층에 형성된 제2 컨택 영역들을 통해 상기 LED 소자층(200)의 하부에 연결되는 제2 금속 라인을 포함하며, 상기 제1 금속 라인과 제2 금속 라인은 금속 물질만으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 관점에 따른 플렉서블 수직형 발광다이오드의 제작 방법은 희생 기판(100) 상에 LED 소자층(200)을 형성하는 단계; 상기 희생 기판(100) 상에 제조된 상기 LED 소자층(200)을 패터닝하여 LED 소자 어레이를 형성하는 단계; 상기 LED 소자층(200) 상에 제1 패턴 가능 폴리머층을 사용함으로써 상기 LED 소자층(200)의 n-type 또는 p-type 영역을 노출시켜 제1 컨택 영역들을 형성하는 단계; 상기 노출된 제1 컨택 영역들에 제1 금속 라인을 형성하는 단계; 상기 제1 패턴 가능 폴리머층 및 제1 금속 라인을 덮도록 제1 패시베이션 폴리머층을 형성하는 단계; 및 상기 희생 기판(100)을 제거하는 단계;를 포함한다.

상기 방법은, 상기 희생 기판(100)을 에칭으로 제거한 후에, 상기 LED 소자층(200)에서 상기 희생 기판(100)이 제거된 부분 상에 제2 패턴 가능 폴리머층을 사용하여 n-type 또는 p-type 영역을 노출시켜 제2 컨택 영역들을 형성하는 단계; 상기 노출된 제2 컨택 영역들에 제2 금속 라인을 증착 및 패터닝하는 단계; 및 증착된 상기 제2 금속 라인의 산화 또는 응력으로 인한 변성을 막기 위하여 제2 패시베이션 폴리머층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

상기 희생 기판(100)을 에칭으로 제거한 후, 상기 LED 소자층(200), 제1 패턴 가능 폴리머층, 제1 금속 라인 및 제1 패시베이션 폴리머층이 순서대로 증착된 상태의 소자를 뒤집어서 공정을 진행하는 플립 오버(Flip over) 공정을 포함한다.

상기 희생 기판(100)은 GaAs wafer 또는 구리 기판(Electroplated Cu substrate)이다.

상기 제1 패턴 가능 폴리머층, 제2 패턴 가능 폴리머층, 제1 패시베이션 폴리머층, 제2 패시베이션 폴리머층이 플렉서블 기판으로 작용한다.

상기 제1 패턴 가능 폴리머층, 제1 패시베이션 폴리머층, 제2 패턴 가능 폴리머층. 제2 패시베이션 폴리머층은 플렉서블 기판으로 작용한다.

상기 제2 패시베이션 폴리머층을 형성한 후, 상기 패시베이션 폴리머층(500) 상에 별도의 부가적인 특이 기판(600)을 부착하는 단계;를 포함한다.

상기 희생 기판(100) 상에 제조된 상기 LED 소자층(200)을 패터닝하는 단계에서는, 메사 에칭(Mesa etch)을 이용하여 상기 LED 소자층(200)를 LED chip 들로 구성한다.

상기 희생 기판(100) 상에 형성된 LED 소자층(200)은, 에피택셜 성장된 GaInP LED 또는 사파이어 기판에서 성장된 InGaN LED layer를 포함한다.

본 발명에 따른 플렉서블 수직형 발광다이오드의 제작 방법은 기존의 플렉서블 기반 수평형, 수직형 발광다이오드 제작방식의 한계인 무기 박막의 전사 공정을 필요 없게 한다.

본 발명은 GaAs 기판에 형성된 AlGaInP LED 또는 구리 기판에 옮겨진 GaN LED를 광 패턴가능한 폴리머를 이용하여 전극이 연결될 부분만 비워낸 후 전극 물질을 증착 및 패턴하고, 이를 보호층 및 기판이 될 폴리머를 도포하여 모기판인 GaAs 또는 구리를 식각하는 과정을 통해 제작한다.

이런 방식을 통해, 기존의 플렉서블 LED 제작 방식과 다르게 매우 공정이 단순하고 LED 간의 간격이 정확하게 제작이 가능하며 밀도를 마음대로 조절할 수 있다는 장점을 지닌다.

또한, 상기와 같이 제작된 플렉서블 수직형 발광다이오드는 총 두께 20㎛ 이하의 매우 얇은 두께를 가지므로 여러 층을 겹치거나, 또는 유리 기판 등 다양한 기판에 접착할 수 있다.

본 발명은 플렉서블 RGB display, 박형 LED 표시소자, 플렉서블 삽입형 뇌 신경 자극 소자(옵토제네틱스) 및 플렉서블 삽입형 바이오 광센서 등에 적용 및 응용할 수 있다.

또한, 본 발명은 오차 없는 플렉서블 디스플레이의 제작을 가능하게 하고, 무기 박막 LED의 전사 수율을 개선하며, 실험용 및 의료용 바이오 제품의 제작을 가능하게 한다.

본 발명은 기존의 반도체 공정을 이용하면서 열/압력 접착을 위한 장비가 필요 없는 공정을 가능하게 하므로 반도체 기업에서의 직접 제작 및 스타트업 기업에서의 진출이 용이하다. 또한, 무기 박막 LED를 얇은 상태에서 컨트롤할 수 있으므로, 기존의 전사방식에서의 한계인 열/압력 접착시의 부러짐 현상을 개선한다.

이를 통해, 전세계적으로 급성장하고 있는 고성능의 디스플레이 패널 제작 방식에서, 본 발명을 통한 초박형 고밀도 웨어러블 디스플레이의 제작이 가능하다.

도 1 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 수직형 발광다이오드의 제조방법을 설명하는 단계별 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따라 기존의 플렉서블 기반 수평형 내지 수직형 발광다이오드 제작 방식의 한계인 무기 박막의 전사 공정이 필요 없는 플렉서블 수직형 발광다이오드의 제작 방법을 단계별로 설명하는 도면이다.

본 발명은 GaAs 기판에 형성된 AlGaInP LED 또는 구리 기판에 옮겨진 GaN LED를 광 패턴가능한 폴리머(photopatternable polymer)를 이용하여 전극이 연결될 부분만 비워낸 후 전극 물질을 증착 및 패턴하고, 이를 보호층 및 기판이 될 폴리머를 도포하여 모기판인 GaAs 또는 구리를 식각하는 과정을 통해 제작한다.

이런 방식을 통해, 기존의 유연 LED 제작 방식과 다르게 매우 공정이 단순하고 LED 간의 간격이 정확하게 제작이 가능하며 밀도를 마음대로 조절할 수 있다는 장점을 지닌다. 또한, 이렇게 제작된 유연 수직형 LED는 총 두께 20um이하의 매우 얇은 두께를 가지므로 여러 층을 겹치거나, 유리기판 등 다양한 기판에 접착할 수 있다.

도 1을 참조하면, GaAs wafer 또는 구리 기판(Electroplated Cu substrate)과 같은 희생 기판(100)을 준비하고, 상기 희생 기판(100) 상에 GaInP LED 또는 LLO of InGaN LED from sapphire와 같은 LED 소자층(200)을 증착한다.

즉, GaAs wafer에서 에피택셜 성장(epitaxial growth)된 GaInP LED(적색LED) 또는 사파이어(Sapphire) 기판에서 성장된 InGaN LED layer를 전기 도금된 Electroplated Cu foil로 레이저 박리시킨 두 가지 경우를 채택할 수 있다.

LED 소자층(200)은 실시예로서 버퍼층(미도핑GaN)/n-GaN/양자우물층/p-GaN층을 포함하여 이루어질 수 있다.이 도시된다. 본 발명의 실시예에서 양자우물층은 GaN/InGaN로 이루어지며, 상기 기능층의 적층은 종래 기술에 따르므로, 이에 대한 상세한 설명은 이하 생략한다.

도 2를 참조하면, 상기 희생 기판(100) 상에 제조된 LED 소자층(200)은 포토리쏘그래피 및 에칭 공정을 통하여 패터닝된다. 이로써, 희생 기판(100) 상에 정렬된 복수 개의 단위 소자층의 어레이 구조가 완성된다. 메사 에칭(Mesa etch)을 이용하여 LED 소자층(200)를 LED chip 들로 구성하게 한다.

본 발명의 일 실시예에서 포토레지스트는 SU-8과 같은 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 패터닝 후 제거된다.

도 3을 참조하면, 패턴 가능한 폴리머층(300)을 사용하여 LED 소자층(200)의 n-type 또는 p-type 영역을 노출시켜 컨택 영역들을 형성한다. 또한, 향후에 배선을 연결할 영역도 노출시켜 컨택 영역들을 형성한다.

도 4를 참조하면, 도 3에서 노출된 컨택 영역들에 금속 라인(400)을 스퍼터링, e-beam 등의 방법을 이용하여 증착, 패턴하여 형성한다.

도 5를 참조하면, 패턴 가능한 폴리머층(300) 및 금속 라인(400)을 덮도록 패시베이션 폴리머층(500)를 전체적으로 코팅한다.

도 6을 참조하면, 모기판인 희생 기판(100)을 습식 에칭 또는 건식 에칭으로 제거한다. 즉, 희생 기판(100)만 선택적으로 제거할 수 있는 솔루션(solution) 또는 가스를 사용하여 제거한다.

도 7을 참조하면, LED 소자층(200), 패턴 가능한 폴리머층(300), 금속 라인(400) 및 패시베이션 폴리머층(500)이 순서대로 증착된 상태의 소자를 뒤집어서 공정을 진행한다. 즉, 플립 오버(Flip over) 공정을 진행한다.

도 8을 참조하면, 도 3에서와 같이 다시 패턴 가능한 폴리머층(300)을 사용하여 뒤집힌 상태의 소자 상부에 증착과정을 거친후, LED 소자층(200)의 n-type 또는 p-type 영역을 노출시켜 컨택 영역들을 형성한다. 또한, 금속 라인(400)도 노출시켜 컨택 영역들을 형성한다.

도 9를 참조하면, 도 8에서 노출된 컨택 영역들에 금속 라인(400)을 스퍼터링, e-beam 등의 방법을 이용하여 증착, 패턴하여 형성한다. 구체적으로는, 도 8에서 LED 소자층(200)의 노출된 컨택 영역들을 연결한다.

도 10을 참조하면, 증착된 금속 라인(400)의 산화 또는 응력으로 인한 변성을 막기 위하여 패시베이션 폴리머층(500)을 형성한다. 이를 통해 소자 제작을 완료한다. 여기에서는, 도 8 및 도 9에서 형성된 금속 라인(400) 중 일부분이 노출된 컨택 영역들을 형성한다.

도 11을 참조하면, 제작이 완료된 소자는 얇으면서도 다루기가 쉬워서 여러 가지 기판에 접착이 가능할 수 있다. 즉, 패시베이션 폴리머층(500) 상에 별도의 부가적인 특이 기판(600)이 부착된다.

도 12를 참조하면, 패턴 폴리머층, 패시베이션 폴리머층의 특성에 따라 플렉서블 수직 발광다이오드의 주변 투과 특성이 결정되며, 상기 방식으로 제작된 플렉서블 수직 발광 다이오드가 기존에 비하여 매우 얇고 유연하며 정상적으로 작동할 수 있음을 보여준다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플렉서블 수직형 발광다이오드의 제작 방법은 기존의 플렉서블 기반 수평형, 수직형 발광다이오드 제작방식의 한계인 무기 박막의 전사 공정을 필요 없게 한다.

본 발명에 따라 제조된 발광다이오드는 그 자체로 조명 등의 광학 소자에 사용될 수 있으며, 아울러 LCD 등과 같은 디스플레이 소자의 백라잇 유닛으로도 사용될 수 있다. 또한 광역학 치료 등의 목적으로도 다양하게 활용될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims

플렉서블 수직 발광다이오드로서,

LED 소자층(200);

상기 LED 소자층(200)을 그 내부에 수용하는 폴리머층;

상기 폴리머층에 노출 형성된 제1 컨택 영역들을 통해 상기 LED 소자층(200)의 상부에 연결되는 제1 금속 라인;

상기 폴리머층에 형성된 제2 컨택 영역들을 통해 상기 LED 소자층(200)의 하부에 연결되는 제2 금속 라인을 포함하며,

상기 제1 금속 라인과 제2 금속 라인은 금속 물질만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,

무전사 플렉서블 수직 발광다이오드.
플렉서블 수직 발광다이오드 제조 방법으로서,

상기 희생 기판(100) 상에 LED 소자층(200)을 형성하는 단계;

상기 희생 기판(100) 상에 제조된 상기 LED 소자층(200)을 패터닝하여 LED 소자 어레이를 형성하는 단계;

상기 LED 소자층(200) 상에 제1 패턴 가능 폴리머층을 사용함으로써 상기 LED 소자층(200)의 n-type 또는 p-type 영역을 노출시켜 제1 컨택 영역들을 형성하는 단계;

상기 노출된 제1 컨택 영역들에 제1 금속 라인을 형성하는 단계;

상기 제1 패턴 가능 폴리머층 및 제1 금속 라인을 덮도록 제1 패시베이션 폴리머층을 형성하는 단계; 및

상기 희생 기판(100)을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,

플렉서블 수직 발광다이오드 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 방법은,

상기 희생 기판(100)을 에칭으로 제거한 후에,

상기 LED 소자층(200)에서 상기 희생 기판(100)이 제거된 부분 상에 제2 패턴 가능 폴리머층을 사용하여 n-type 또는 p-type 영역을 노출시켜 제2 컨택 영역들을 형성하는 단계;

상기 노출된 제2 컨택 영역들에 제2 금속 라인을 증착 및 패터닝하는 단계; 및

증착된 상기 제2 금속 라인의 산화 또는 응력으로 인한 변성을 막기 위하여 제2 패시베이션 폴리머층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,

플렉서블 수직 발광다이오드 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 희생 기판(100)을 에칭으로 제거한 후,

상기 LED 소자층(200), 제1 패턴 가능 폴리머층, 제1 금속 라인 및 제1 패시베이션 폴리머층이 순서대로 증착된 상태의 소자를 뒤집어서 공정을 진행하는 플립 오버(Flip over) 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는,

플렉서블 수직 발광다이오드 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 희생 기판(100)은 GaAs wafer 또는 구리 기판(Electroplated Cu substrate)인 것을 특징으로 하는,

플렉서블 수직 발광다이오드 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 제1 패턴 가능 폴리머층, 제2 패턴 가능 폴리머층, 제1 패시베이션 폴리머층, 제2 패시베이션 폴리머층이 플렉서블 기판으로 작용하는,

플렉서블 수직 발광다이오드 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 제2 패시베이션 폴리머층을 형성한 후,

상기 패시베이션 폴리머층(500) 상에 별도의 부가적인 특이 기판(600)을 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,

플렉서블 수직 발광다이오드 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 희생 기판(100) 상에 제조된 상기 LED 소자층(200)을 패터닝하는 단계에서는,

메사 에칭(Mesa etch)을 이용하여 상기 LED 소자층(200)를 LED chip 들로 구성하는 것을 특징으로 하는,

플렉서블 수직 발광다이오드 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 희생 기판(100) 상에 형성된 LED 소자층(200)은, 에피택셜 성장된 GaInP LED 또는 사파이어 기판에서 성장된 InGaN LED layer를 포함하는,

플렉서블 수직 발광다이오드 제조 방법.