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KR102375861B1 - 백투백 구조의 초소형 이중 ｌｅｄ 소자 및 그 제조 방법과 백투백 구조의 초소형 이중 ｌｅｄ 의 전극 어셈블리 및 그 제조방법 - Google Patents

백투백 구조의 초소형 이중 ｌｅｄ 소자 및 그 제조 방법과 백투백 구조의 초소형 이중 ｌｅｄ 의 전극 어셈블리 및 그 제조방법 Download PDF

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KR102375861B1
KR102375861B1 KR1020200094078A KR20200094078A KR102375861B1 KR 102375861 B1 KR102375861 B1 KR 102375861B1 KR 1020200094078 A KR1020200094078 A KR 1020200094078A KR 20200094078 A KR20200094078 A KR 20200094078A KR 102375861 B1 KR102375861 B1 KR 102375861B1
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박병주
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Abstract

본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자 (back-to-back connected dual micro LEDs)는 종래의 초소형 단일형 LED 소자 (single micro LED)의 자가조립 전사 공정에서 발생하는 낮은 극성 배열성에 의한 다음의 문제점들을 해결할 수 있다. 첫째, 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 극성 배열성이 필요하지 않으므로, 자가조립 전압을 비대칭으로 인가하지 않아도 되며, 둘째, 기판 상에 소자가 뒤집혀 배치하여도 발광 할 수 있어서, 기존 소자의 낮은 발광 휘도 및 효율의 저하 문제를 해결할 수 있다. 셋째, 따라서 이러한 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 LED 디스플레이의 발광 휘도와 효율을 획기적으로 개선할 수 있다.

Description

백투백 구조의 초소형 이중 ＬＥＤ 소자 및 그 제조 방법과 백투백 구조의 초소형 이중 ＬＥＤ 의 전극 어셈블리 및 그 제조방법{Ultra-small double LED devices with back-to-back construction and their manufacturing methods and Electrode assembly and manufacturing method of ultra-small double LED with back-to-back structure}
본 발명은 새로운 구조의 초소형 LED 소자, 그 제조방법 및 그 초소형 LED 전극 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 또는 마이크로 사이즈의 백투백 구조의 (back-to-back-connected) 초소형 이중(dual) LED 소자를 효과적으로 생산하고, 생산되는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 직류 구동에서도 발광 휘도와 효율을 증대할 수 있는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 초소형 전극에 전기적 단락 등 불량 없이 연결되되, 극성 배열성(polar ordering)이 없어도 직류 구동에서 매우 뛰어난 발광 특성을 발현하는, 향상된 특성의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 큰 밴드갭을 가진 질화물계 반도체를 이용하여, 질화물계 반도체의 성장 구조와 성장된 박막의 제작공정을 개선하여, 광변환 효율이 높은 발광 소자(LED: light emitting diode)를 개발하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 이러한 LED 소자는 1992년 일본 니치아사의 나카무라 등이 저온의 GaN 화합물 완충층을 적용하여 양질의 단결정 GaN 질화물 반도체를 제조하는데 성공하여, 그 개발이 활발하게 이루어져 왔다. LED는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 다수의 캐리어가 전자(electron)인 n형 반도체 결정과 다수의 캐리어가 정공(hole)인 p형 반도체 결정이 서로 접합된 구조를 갖는 반도체 소자로써, 전기적인 신호를 특정 파장 대역의 빛으로 변환시킬 수 있는 광소자의 일종이다.
이러한 LED와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제2009-0121743은 발광다이오드 제조방법 및 이에 의해 제조되는 발광다이오드를 개시하고 있다. 기존 LED 소자는, 2~8인치 사이즈의 사파이어 기판 위에 metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) 방법으로 III-V족 물질의 p-반도체층, 양자우물층, n-반도체층들을 증착 형성시킨 후, 절단, 배선, 패키징 등 다양한 후공정을 거쳐서, 다양한 형태의 소자로 제조되고 있다. 이러한 LED 소자는 광 변환 효율이 매우 높기 때문에 에너지 소비량이 매우 적으며, 소자의 수명이 반영구적이고, 환경 친화적이고, 신호등, 핸드폰, 자동차 전조등, 옥외 전광판, LCD BLU(back light unit), 그리고 실내외 조명 등 많은 분야에서 응용되고 있으며, 이에 대한 활발한 연구가 국내외에서 계속되고 있다.
이러한 일련의 연구들 중에서, LED 소자의 크기를 나노 또는 마이크로 단위로 제작한 LED 소자를 이용한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 특히, 이러한 초소형의 LED 소자를 조명 또는 디스플레이 등에 활용하기 위한 연구가 계속되고 있다.
특히, 차세대 디스플레이로 예견되고 있는 LED 디스플레이를 실현하기 위해, bottom-up 방법, 2) top-down, 방법 및 3) 이들을 혼용하는 방법들이 연구 개발되고 있다.
먼저, bottom-up 방법은 실제 디스플레이용 대면적 유리기판의 패턴된 픽셀 위치에 III-V족 박막 및 나노로드 LED 소자를 직접 성장시키는 방법이다. 지금까지 많은 연구를 통해서 알려진 바에 의하면, III-V 족 박막을 성장시키는 MOCVD 방법으로는 TV용 디스플레이급 사이즈와 같은 대형기판에 직접 증착하는 공정은 설비상 불가능한 것으로 알려져 있다. 이뿐만 아니라 투명한 비결정질 유리기판에 패턴이 형성된 투명전극 위에 고결정성/고효율의 III-V 족 박막 및 나노로드 heterojunction LED 소자를 성장시키는 것 역시 결정학적으로도 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 이와 같은 기술적 한계 때문에 작은 소자를 제외하고는 대면적 유리기판에 LED 소자를 직접 성장시켜서 TV 나 모니터급 풀칼라 디스플레이를 구현하는 방법은 거의 시도되지 않고 있다.
LED 디스플레이를 실현하기 위해서 많은 연구자들에 의해서 추진되고 있는 또 다른 접근법은 나노기술을 기반으로 한 bottom-up 방식이다. 이 방법은 단결정 기판위에 나노로드형 LED를 성장시킨 후 일부를 떼어 내어서 픽셀로 패턴된 전극 위에 bottom-up 방식으로 재배열시켜 대면적 디스플레이를 구현하는 방법이다. 그러나, 이와 같이 bottom-up 방식으로 제조한 나노로드 LED는 기존에 웨이퍼에 성장시킨 박막형 LED에 비교하여 발광효율이 낮다는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 bottom-up 방식으로 성장시킨 나노로드 LED 소자를 bottom-up 방식의 자기조립법으로 전극 위에 배열하기 위해서는 크기가 균일한 나노로드 소자를 얻는 것이 필수적이다. 그러나, 잘 알려진 Vapor-Liquid-Solid (VLS) 방법과 같은 나노로드 성장법을 이용해서 자기조립에 용이한 균일한 사이즈와 특성을 갖는 나노로드 LED 소자를 대량으로 제조할 가능성은 매우 적다.
또 다른 방법으로는 고효율 LED 소자를 잘라서 LED 디스플레이를 구현하는 top-down 방법이 있다. 일반적으로 이 방법은 대면적 유리기판의 써브-픽셀 위치에 top-down 방식으로 제조한 마이크로 LED 소자 한 개씩 배열하는 일대일 대응 방식으로 디스플레이를 구현하는 방법이다. 구체적으로 마이크로 사이즈의 LED 디스플레이의 경우는 top-down 방식으로 제조한 개개의 마이크로 LED를 각각의 써브-픽셀로 제작하여 소형 마이크로 LED 디스플레이를 개발하였다. 이 경우 LED 소자를 사파이어 기판에 성장시킨 후 마이크로 사이즈로 패터닝하여 마이크로 LED 소자를 제조한 후 전극을 배선하므로, 웨이퍼 기판의 사이즈 보다는 작은 마이크로 LED 디스플레이를 구현한다. 이 방법을 이용할 경우 효율에는 문제가 없으나, 기판 사이즈 및 제조공정의 한계로 대면적의 LED 디스플레이를 구현하는 것은 불가능하다.
결국, 종래의 top-down 또는 bottom-up 방식으로 제조한 초소형 마이크로/나노 LED 소자로는 양산성 있는 고효율/대면적 LED 디스플레이 소자를 구현하는 데는 한계가 있다.
나아가, 종래의 방법으로 제조된 초소형 LED 소자를 LED 디스플레이 기판의 서브픽셀(픽셀위치)에 위치 시키는 경우, LED 소자의 크기가 너무 작으므로 LED 디스플레이의 서브픽셀상에 초소형 마이크로/나노 LED 소자를 목적한 전극 영역에 배치하고 실장 할 수 없다는 문제가 있었다.
상술한 과제를 해결하기 위한 기존 기술에 따른 초소형의 단일형 (single) LED 소자의 제조방법은, 1) 기판위에 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 형성하는 단계; 2) 상기 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 식각하는 단계; 및 3) 상기 제1 도전성 반도체층, 활성층 및 제2 도전성 반도체층의 외주면에 절연피막을 형성하고 상기 기판을 제거하는 단계를 포함한다. (공개특허 10-2012-0122159)
이러한 초소형 LED 소자의 제작 및 응용 연구에서 지속적으로 주목받고 있는 이슈로는, 초소형 LED 소자에 전원을 인가할 수 있는 전극 및 전극이 차지하는 공간의 최소화 등을 위한 전극의 배치, 배치된 전극에 초소형 LED를 적절하게 실장하는 방법 등에 관한 것들이 있다.
이들 중에서도, 배치된 전극에 초소형 단일형 LED 소자를 실장시키는 방법에 대한 이슈에는 초소형 LED 소자 크기의 제약으로 인하여, 배치 전극상에 초소형 LED 소자를 목적한 대로 배치 및 실장시키기 매우 어렵다는 난제가 여전히 상존하고 있다. 이는 초소형 LED 소자가 나노 스케일 또는 마이크로 스케일이므로, 사람이나 일반적인 장비로는 미세한 크기의 소자를 일일이 목적한 전극 영역에 배치하고 실장 할 수 없기 때문이다.
또한, 목적한 전극영역에 초소형 LED 소자를 실장한다 하여도, 단위전극 영역에 포함되는 초소형 LED 소자의 개수, 초소형 LED 소자의 위치 등을 목적한 대로 조절하기 매우 곤란하며, 목적한 광량을 얻기가 어려운 문제점이 있다.
이를 극복하기 위하여, 초소형의 전극 라인에 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 접촉시키고, 대칭성의 교류 전원을 인가하여 초소형 단일형 LED 소자의 양방향의 (bidirectional) 비극성 배열성 (axial ordering)이 증대한 어셈블리를 구현하는 제조방법 및 초소형 LED 전극 어셈블리를 구현하였다. (대한민국 등록특허공보 제10-1490758호) 그러나, 이와 같은 기술로 구현된 초소형 LED 전극 어셈블리는 구동전원으로 직류(DC)를 인가하는 경우, 발광하지 않는 초소형 LED 소자의 개수가 거의 절반 (50%)에 달하여, 목적하는 휘도를 얻기 어려웠다.
이는 초소형 단일형 LED 소자가 가지고 있는 정류 소자 특성 때문이다. 다이오드 소자 내의 전류 흐름은 소자의 구조에 따라서 결정되는데, 일예로, p형 반도체와 n형 반도체가 접합된 LED의 경우, p형 반도체에 (+) 전원을 연결하고, n형 반도체에 (-) 전원을 연결할 때, n형 반도체에 주입된 전자가 p형 반도체 쪽으로 이동하면서 전류가 흐를 수 있고, 상기 전자가 정공과 재결합하면서 발광할 수 있다. 그러나, 만일 p형 반도체에 (-) 전원을 연결하고, n형 반도체에 (+) 전원을 연결할 경우, LED 내에서는 전류가 흐르지 않으며 발광하지 않는다.
이 때문에, 직류 구동 전극 사이에 전류 흐름의 방향성이 반대되는 방향으로 초소형 단일형 LED 소자가 배열되는 경우, 배치된 초소형 LED 전극 어셈블리는 직류 구동 전원의 인가에 대해 초소형 단일형 LED 소자가 발광하지 못하여, 따라서 발광 휘도가 현저히 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 구동 전원으로 교류(AC)를 인가해야 하는 전원 선택의 제한이 있었다.
이에 대하여, 초소형의 전극 라인에 비대칭 파형을 갖으며, 상단피크 전압의 크기가 하단피크 전압의 크기와 서로 다른 비대칭 조립전압을 인가하여 초소형 단일형 LED 소자의 일방향의 (unidirectional) 극성 배열성(polar ordering)이 증대한 어셈블리를 구현하는 제조방법 및 초소형 LED 전극 어셈블리를 구현하였다. (대한민국 등록특허공보 제10-1730927호)
또한, 교류 전원을 인가하고 조립 홈을 설치하여 초소형 단일형 LED 소자들의 배열성이 증대한 어셈블리를 구현하는 제조방법 및 초소형 LED 전극 어셈블리를 제작하는 방안이 제시되었으나, (대한민국 등록특허공보 제10-2019-0131263호) 이 역시 높은 극성 배열성을 구현하기에는 부족하다.
이에 따라, 초소형의 마이크로/나노 LED 소자의 더욱 개선된 초소형 LED 전극 어셈블리에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로,
본 발명의 첫번째 해결하려는 과제는 기존의 초소형 단일형 LED 소자의 전사과정에서 LED 소자의 낮은 극성 배열성으로 인한 낮은 발광 휘도 및 효율 저하 문제를 해결할 수 있는 새로운 형태의 초소형 마이크로/나노 LED 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 해결하려는 과제는 LED 디스플레이의 서브픽셀(픽셀위치)상에 본 발명의 초소형 마이크로/나노 LED 소자가 뒤집혀 배치하여도 작동할 수 있는 새로운 초소형 마이크로/나노 LED 전극 어셈블리 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 직류 구동전원으로 충분한 발광 휘도 특성이 발현되는 새로운 초소형 마이크로/나노 LED의 전극 어셈블리 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 종래의 초소형 단독형 LED의 전극 어셈블리 보다 휘도 및 효율 특성이 더욱 개선된 초소형 마이크로/나노 LED의 전극 어셈블리 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 초소형 마이크로/나노 LED의 전극 어셈블리를 통해 우수한 휘도 특성을 발현할 수 있는 광원 및 이를 구비하는 디스플레이를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 초소형 마이크로/나노 LED의 전극 어셈블리를 통해 우수한 휘도 특성을 발현할 수 있고, 동시에 목적하는 특정의 색상에 대한 광이 강도가 향상된 디스플레이 및 균일한 휘도를 발현할 수 있는 풀-컬러 LED 디스플레이를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 마이크로/나노 LED 소자의 제조방법은, 1) 기판위에
제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 제 1 LED 층을 형성하고,
그 상부에 연이어서 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제 4 도전성 반도체층을 더욱 포함하여 역순차적으로 제 2 LED 층을 형성하여,
백투백 구조의 이중 LED 소자 층을 순차적으로 형성하는 단계;
2) 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전형 반도체층, 제2 활성층, 및 제4 도전성 반도체층을 포함하는 백투백 구조의 이중 LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 식각하는 단계; 및
3) 상기 기판을 제거하는 단계;를 포함하는
백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 제1 도전성 반도체층 및 제4 도전성 반도체층은 적어도 하나의 n형 반도체층을 포함하고, 상기 제2 도전성 반도체층 및 제3 도전성 반도체층은 적어도 하나의 p형 반도체층을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 제1 도전성 반도체층 및 제4 도전성 반도체층은 적어도 하나의 p형 반도체층을 포함하고, 상기 제2 도전성 반도체층 및 제3 도전성 반도체층은 적어도 하나의 n형 반도체층을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 2) 단계는;
2-1) 제4 도전성 반도체층의 위에 제2 전극층, 절연층 및 금속 마스크층을 순차적으로 형성하는 단계;
2-2) 상기 금속 마스크층 위에 폴리머층을 형성하고 상기 폴리머층에 나노 또는 마이크로 간격으로 패턴을 형성하는 단계;
2-3) 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제 4 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 건식 또는 습식 식각하는 단계;
및 2-4) 상기 절연층, 금속 마스크층 및 폴리머층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 2) 단계는;
2-5) 제4 도전성 반도체층의 위에 제2 전극층, 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계;
2-6) 상기 금속 마스크층 위에 나노스피어 또는 마이크로 스피어 단층막을 형성하고 자기조립을 수행하는 단계;
2-7) 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제 4 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 건식 또는 습식 식각하는 단계;
및 2-8) 상기 절연층, 금속 마스크층 및 나노스피어 또는 마이크로 스피어 단층막을 제거하여
백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 나노 스피어 또는 마이크로 스피어는 폴리스티렌 재질일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 3) 단계는;
3-1) 제2 전극층의 위에 지지필름을 형성하는 단계;
3-2) 상기 제1 활성층 및 제2 활성층을 포함하는 외주면에 절연피막을 형성하는 단계;
3-3) 상기 기판을 제거하는 단계;
3-4) 상기 제1 도전성 반도체층의 하부에 제1 전극층을 형성하는 단계;
및 3-5) 상기 지지필름을 제거하여 복수 개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 첫번째 과제를 달성하기 위하여, 제1 도전성 반도체층; 상기 제1 도전성 반도체층 위에 형성된 제1 활성층; 상기 제1 활성층 위에 형성된 제2 도전성 반도체층, 그리고 상기 제2 도전성 반도체층 상부에 형성된 제3 도전성 반도체층, 상기 제3 도전성 반도체층 상부에 형성된 제2 활성층, 상기 제2 활성층 상부에 형성된 제 4 도전성 반도체층;을 포함하는 마이크로 또는 나노 크기의 반도체 발광 소자를 포함하되; 상기 반도체 발광소자는 외주면의 일부에 코팅된 절연피막을 포함하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 절연피막 위에 코팅된 소수성 피막을 포함할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 제1 도전성 반도체층의 하부에 형성된 제1 전극층; 및 제4 도전성 반도체층의 상부에 형성된 제2 전극층을 포함할 수 있다.
본 발명의 두번째 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태인 백투백 구조의 초소형 이중 LED의 전극 어셈블리 제조방법은, (1) 제1 실장전극 및 상기 제1 실장전극과 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인의 상부에 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 포함하는 용액을 접촉하는 단계;
(2) 상기 전극 라인을 통해 조립전압이 1.0 V 이상인 전원을 인가하여, 상기의 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 전기력 및 토크 힘을 발생시켜 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 전기장 방향으로 비극성 배열하도록 이동 및 회전시켜서, 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 단부를 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 비극성의 배열성을 갖으며 접촉시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태인 백투백 구조의 초소형 이중 LED의 전극 어셈블리 제조방법은,
상기 조립전압은 대칭 전압이다.
또한, 상기 (1) 단계에서, 제1 실장전극 및 제2 실장전극 사이에 이격되어 형성된 제3 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 중심부, 즉 제 2 도전성 반도체층과 제3 도전성 반도체층의 일 부분이 제3 전극에 접촉될 수 있다.
또한, 상기 (2) 단계 수행 후,
(3) 상기 전극 라인 상에 배열된 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 300℃ 내지 1,000℃에서 0.5분 내지 10분간 열처리시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (1) 단계에서, 제1 실장전극 및 제2 실장전극 상부에 절연층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태인 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리는, 상호 이격된 제1 실장전극과 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인; 및 일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉하고, 조립전압 인가에 의해 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자;를 포함할 수 있다.
또한, 제1 실장전극 및 제2 실장전극 사이에 제3 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 중심부, 즉 제 2 도전성 반도체층과 제3 도전성 반도체층의 일 부분이 제3 전극에 접촉될 수 있다.
또한, 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는, 제1 활성층; 상기 제1 활성층 위에 형성된 제2 도전성 반도체층, 그리고 그 상부에 제3 도전성 반도체층, 그 상부에 형성된 제2 활성층, 그 상부에 형성된 제 4 도전성 반도체층을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 길이가 100 nm 내지 30 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
나아가, 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 단위 발광 화소 당 실장된 개수가 1개 이상인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태인 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리는,
상호 이격된 제1 실장전극과 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인; 및
제1 도전성 반도체 및 제4 도전성 반도체를 포함하여 일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉되고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉되고, 대칭 조립전압 인가에 의해 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자;를 포함하며,
상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자 전체 개수 중 상기 제1 실장전극에 상기 제1 도전성 반도체 또는 제4 도전성 반도체가 접촉하는 비극성 배열된 초소형 LED 소자의 개수가 80% 이상인 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자 전체 개수 중 상기 제1 실장전극에 상기 제1 도전성 반도체 또는 제4 도전성 반도체가 접촉되고, 대칭 조립전압 인가에 의해 비극성 배열된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 개수는 90% 이상인 것을 사용할 수 있다.
또한, 제1 실장전극 및 제2 실장전극 사이에 이격되어 형성된 제3 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 중심부, 즉 제 2 도전성 반도체층과 제3 도전성 반도체층의 일 부분이 제3 전극에 접촉될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태인 광원은 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태인 디스플레이는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리;를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에서 사용한 용어에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, "실장전극" 및 “제 3 전극”이란 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 양단부와 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하고 있는 전극을 의미하고, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리를 구동시키기 위하여 상기 실장전극 및 제 3 전극에 직접 전원부가 연결되거나, 추가적인 전극, 어드레스 전극이나 게이트 전극, 또는 절연막이 더 포함되어 전원에 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, 각 층, 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층, 영역, 패턴들의 “위(on)”, “상부”, “상”, “아래(under)”, “하부”, “하”에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, “위(on)”, “상부”, “상”, “아래(under)”, “하부”, “하”는 “directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, "접촉"의 의미는 구성1과 구성2가 직접 구조적 연결되거나 구성3을 포함하여 간접적으로 구조적 연결되는 경우를 모두 포함하는 의미이다. 예를 들어, "제1 실장전극에 접촉된 제1도전성반도체"의 의미는 제1 도전성반도체가 직접 제1 실장전극에 구조적 연결된 경우 뿐만 아니라, 제1도전성반도체 상에 전극층이 형성되고, 상기 전극층과 제1 실장전극이 구조적 연결됨에 따라서 제 1 도전성 반도체가 간접적으로 제1 실장전극에 구조적 연결된 경우를 모두 포함한다. 한편, 상기 구조적 연결이란, 전극 라인에 구동전원을 인가했을 때 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 발광여부와 관련된 전기적 연결 상태까지를 의미하지는 않고, 전기적 연결되지 않더라도 물리적 접촉된 상태를 모두 포함한다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래 (under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 (dual) LED 소자는 종래의 단일형 (single) 초소형 LED 소자의 자가 조립 과정에서 발생하는 낮은 극성 배열성의 문제로 인한 직류 구동시 낮은 발광 휘도 및 효율 저하 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 낮은 극성 배열성이 문제가 되지 않을 뿐 아니라, 극성 배열성을 유도하기 위한 비대칭 조립 전압의 인가가 필요하지 않으며, LED 디스플레이의 서브픽셀(픽셀위치)상에 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 뒤집혀 배열하여도 이와 관계없이 동작할 수 있으므로, LED 디스플레이의 직류 구동 휘도와 효율을 획기적으로 개선할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극 라인에 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 비극성 배열성이 증가됨에 따라서 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 초소형 전극에 뒤집혀서 배치되어도, 우수한 발광 휘도를 발현할 수 있다. 또한, 비극성 조립전압으로도 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 배치할 수 있어서 생산성, 생산단가의 측면에서 유리할 수 있다.
또한, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리의 구동전원 선택 제한을 해소하여 직류 구동전원을 통해서도 충분한 휘도 특성이 발현될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예를 통해 제조된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리의 경우, 구동전원으로 직류전압을 제1 실장전극과 제3 전극 사이 및 제2 실장전극과 제3 전극 사이에 인가했을 때 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 발광의 강도가 현저히 증가할 수 있다.
따라서, 구동전원으로 교류전원보다 직류전원이 효율적인 동시에 직류전원을 구동전원으로 사용하는 각종 전자부품, 장치에 더욱 적합한 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리일 수 있으며, 간단한 직류 구동회로를 이용할 수 있어서 생산성, 생산단가의 측면에서 더욱 유리할 수 있다.
나아가, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 고유의 발광 파장에 해당하는 광의 강도가 더욱 향상되어, 이를 이용하여 다른 파장의 색상으로 변환하는 경우에도 변환된 색상의 광의 강도가 향상된 각종 조명기구에 널리 사용될 수 있고, LED 소자가 사용되는 디스플레이 및 각종 부품 및 전자기기 등에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자층을 형성하는 단계(좌)와 기존 발명의 일실시예에 따른 초소형 단일형 LED 소자층을 형성하는 단계(우)를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제4 도전성 반도체층 위에 제2 전극층, 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 금속 마스크층 위에 나노 스피어 또는 마이크로 스피어 단층막을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 나노 스피어 또는 마이크로 스피어 단층막의 애싱(ashing) 단계를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 식각단계를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 스피어 단층막, 금속 마스크층 및 절연층을 제거하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 전극층 위에 지지필름을 부착하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 외주면을 절연피막으로 코팅하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 외주면에 형성된 절연피막을 소수성 피막으로 코팅하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제1 도전성 반도체층의 아래에 형성된 기판을 제거하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 기판이 제거된 제1 도전성 반도체층의 아래에 전극을 증착하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 지지필름이 제거하여 독립적인 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들을 제조하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 나타내는 사시도와 전기기호이다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리에 대한 도면으로써, 비극성 배열도가 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED의 전극 어셈블리의 사시도를 나타낸다.
도 15a는 종래의 방법으로 대칭성 조립전원을 인가하여 제조된 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리에 대한 도면으로써, 극성 배열도가 낮은 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리의 사시도와 전기기호를 나타낸다.
도 15b는 종래의 방법으로 비대칭성 조립전원을 인가하여 제조된 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리에 대한 도면으로써, 역시 극성 배열도가 낮은 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리의 사시도를 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리의 제조공정 모식도를 나타낸다.
도 17는 실장전극 간에 인가된 조립전압에 의한 전기장과 초소형 LED 소자 사이의 전기력 및 토크 힘을 나타낸 모식도로써,
도 17a는 기존 기술의 실장전극에 전원이 인가되기 전 경우의 모식도(좌) 및 실장전극간에 인가된 대칭 조립전원에 의한 전기장과 초소형 단일형 LED 소자 사이의 전기력 및 토크 힘을 나타낸 모식도(우)이고,
도 17b는 기존 기술의 실장전극간에 인가된 비대칭 조립전원에 의한 전기장과 초소형 단일형 LED 소자 사이의 전기력 및 토크 힘을 나타낸 모식도이며,
도 17c는 본 발명의 실장전극간에 인가된 대칭 조립전원에 의한 전기장과 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자 사이의 전기력 및 토크 힘을 나타낸 모식도이다.
도 17d는 본 발명의 실장전극간에 인가된 대칭 조립전원에 의한 전기장과 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자 사이의 전기력 및 토크 힘에 의해 비극성 비극성 배열성을 가지고 정렬하여 실장된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
상술한 바와 같이 기존의 조립전압 인가 방식으로 제조한 초소형 단일형 LED 소자의 전극 어셈블리는 낮은 극성 배열성에 의한 직류 전압 구동시 낮은 발광 휘도 및 효율 저하의 문제가 발생할 가능성이 매우 높다. 또한, 기존의 초소형 단일형 LED 소자의 경우, 초소형 소자 간의 극성에 의한 상호 응집력에 의해서 응집체를 형성하고 그에 따른 픽셀 패터닝 공정에서 다수의 불량을 초래할 수 있다. 따라서 기존의 초소형 단일형 LED 소자만으로는 양산성 있는 고효율/대면적 LED 디스플레이 소자를 구현하는 데는 한계가 있다.
나아가, 종래의 조립 전압 인가 방법으로 기존의 초소형 단일형 LED 소자를 LED 디스플레이 기판의 서브픽셀(픽셀위치)에 위치시키는 경우, 초소형 단일형 LED 소자의 극성 배향성이 너무 작으므로, LED 디스플레이의 서브픽셀상에 기존의 초소형 단일형 LED 소자가 뒤집혀서 배치하게 되는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하고 LED 디스플레이 기판의 서브픽셀에 정확하게 LED 소자를 위치시키며 독립적인 소자마다의 발광 휘도와 효율을 높이기 위해서는 새로운 구조의 마이크로/나노 LED 소자의 제조와 이를 배열하는 방법이 절실하게 요구되고 있다.
이에 본 발명에서는 1) 기판위에 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 제 1 LED 층을 형성하고,
그 상부에 연이어서 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제 4 도전성 반도체층을 더욱 포함하여 역순차적으로 제 2 LED 층을 형성하여,
백투백 구조의 이중 LED 소자 층을 순차적으로 형성하는 단계;
2) 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제4 도전성 반도체층을 포함하는 백투백 구조의 이중 LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 식각하는 단계; 및
3) 상기 기판을 제거하는 단계;를 포함하는
백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제조방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
먼저, 1) 단계로서 기판위에 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 제 1 LED 층을 형성하고 그 상부에 연이어서 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제 4 도전성 반도체층을 더욱 포함하여 역순차적으로 제 2 LED 층을 포함하여 순차적으로 형성한다.
구체적으로 도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도로서 기판(10)위에 제1 도전성 반도체층(11), 제1 활성층(12), 제2 도전성 반도체층(13), 제3 도전형 반도체층(242), 제2 활성층(241) 및 제4 도전성 반도체층(240)을 포함한다.
상기 기판(10)은 사파이어 기판(Al203) 및 유리와 같은 투과성 기판을 포함할 수 있다. 또한 상기 기판(10)은 GaN, SiC, ZnO, Si, GaP 및 GaAs, 도전성 기판 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이하, 실시예에서는 사파이어 기판의 예로 설명하기로 한다. 상기 기판(10)의 상면은 요철 패턴이 형성될 수도 있다.
상기 기판(10) 위에는 질화물 반도체가 성장되는데, 그 성장 장비는 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기 (dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등에 의해 형성할 수 있으며, 이러한 장비로 한정하지는 않는다.
상기 기판(10) 위에는 버퍼층(미도시) 또는/및 언도프드 도체층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 기판(10)과의 격자 상수 차이를 줄여주기 위한 층으로서, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 언도프드 반도체층은 undoped GaN층으로 구현될 수 있으며, 질화물 반도체가 성장되는 기판으로 기능하게 된다. 상기 버퍼층 및 언도프드 반도체층은 어느 한 층만 형성하거나, 두 층 모두 형성되거나 형성되지 않을 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 기판의 두께는 400 ~ 500 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 기판(10) 위에는 제1 도전성 반도체층(11)이 형성된다. 상기 제1 도전성 반도체층(11)은 예컨대, n 형 반도체층을 포함할 수 있는 데, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제1 도전성 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제1도전성 반도체층의 두께는 1.5 ~ 5 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 제1 활성층(12)은 상기 제1 도전성 반도체층(11) 위에 형성되며, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 제1 활성층(12)의 위 및/또는 아래에는 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층(미도시)이 형성될 수 도 있으며, 상기 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 제1 활성층(12)으로 이용될 수 있음은 물론이다. 이러한 제1 활성층(12)에서는 전계를 인가 하였을 때, 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제1 활성층의 두께는 0.05 ~ 0.25 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 제1 활성층(12) 위에는 제2 도전성 반도체층(13)이 형성되며, 상기 제 2도전성 반도체층(13)은 적어도 하나의 p형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 p형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y ≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제2 도전성 도펀트(예: Mg)가 도핑될 수 있다. 여기서, 발광 구조물은 상기 제1 도전형 반도체층(11), 상기 제1 활성층(12), 상기 제 2도전성 반도체층(13)을 최소 구성 요소로 포함하며, 각 층의 위/아래에 다른 형광체층, 활성층, 반도체층 및/또는 전극층을 더 포함할 수도 있다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제2 도전성 반도체층의 두께는 0.08 ~ 0.25 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 제2 도전성 반도체층(13) 위에는 제3 도전성 반도체층(242)이 형성되며, 상기 제3 도전성 반도체층(242)은 적어도 하나의 p형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 p형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y ≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제2 도전성 도펀트(예: Mg)가 도핑될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제3 도전성 반도체층의 두께는 0.08 ~ 0.25 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제3 도전성 반도체층은 상기 제2 도전성 반도체층(13)과 동일하게 구성될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제3 도전성 반도체층의 역할을 상기 제2 도전성 반도체층(13)이 대신하여 수행할 수도 있어서, 필요에 따라서는 상기 제3 도전성 반도체층의 형성은 생략 될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제3 도전성 반도체층과 상기 제2 도전성 반도체층(13) 사이에, 필요에 따라서는, 소자 길이를 조절하기 위한 추가의 도전성 반도체층이 형성 될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 제2 활성층(241)은 상기 제3 도전성 반도체층(242) 위에 형성되며, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 제2 활성층(241)의 위 및/또는 아래에는 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층(미도시)이 형성될 수 도 있으며, 상기 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 제2 활성층(241)으로 이용될 수 있음은 물론이다. 이러한 제2 활성층(241)에서는 전계를 인가 하였을 때, 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제2 활성층의 두께는 0.05 ~ 0.25 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제2 활성층은 상기 제1 활성층 (12)과 동일하게 구성될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 제2 활성층(241) 위에는 제4 도전성 반도체층(240)이 형성된다. 상기 제4 도전성 반도체층(240)은 예컨대, n 형 반도체층을 포함할 수 있는 데, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료 예컨대, InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제4 도전성 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제4도전성 반도체층의 두께는 1.5 ~ 5 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 제4 도전성 반도체층은 상기 제1 도전성 반도체층(11)과 동일하게 구성될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
여기서, 발광 구조물은 상기 제1 도전형 반도체층(11), 상기 제1 활성층(12), 상기 제 2 도전성 반도체층(13), 제3 도전형 반도체층(242), 상기 제2 활성층(241), 상기 제 4 도전성 반도체층(240)을 최소 구성 요소로 포함하며, 각 층의 위/아래에 다른 형광체층, 활성층, 반도체층 및/또는 전극층을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED의 발광은 청색에 제한되지 않으므로, 발광색이 다른 경우 다른 종류의 III-V족 반도체 물질을 상기 반도체 층으로 사용하는데 제한이 없다. 또한, 상기 제1 활성층과 제2 활성층의 위치는 LED 종류에 따라 다양하게 위치하여 형성될 수 있다. 상기 초소형 LED 소자의 광색은 청색에 제한되지 않으므로, 발광색이 다른 경우 다른 종류의 III-V족 반도체 물질을 제1 활성층과 제2 활성층으로 사용하는데 제한이 없다.
다음, 2) 단계는 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제4 도전성 반도체층을 포함하여 LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 식각한다. 이를 위하여 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면,
2-5) 제4 도전성 반도체층의 위에 제2 전극층, 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계;
2-6) 상기 금속 마스크층 위에 나노스피어 또는 마이크로 스피어 단층막을 형성하고 자기조립을 수행하는 단계;
2-7) 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제4 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 건식 또는 습식 식각하는 단계; 및
2-8) 상기 절연층, 금속 마스크층 및 단층막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로 도 2는 본 발명의 제4 도전성 반도체(240)층 위에 제2 전극층(20), 절연층(21) 및 금속 마스크층(22)을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다. 먼저 제2 전극층(20)은 통상의 LED 소자에 사용되는 금속 또는 금속산화물을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 Cr, Ti, Al, Au, Ni, ITO 및 이들의 산화물 또는 합금 등을
단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 금속 마스크층의 두께는 0.02 ~ 0.1 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 제2 전극층(20)의 위에 형성되는 절연층(21)은 제2 전극층, 제4 도전성 반도체층, 제2 활성층, 제3 도전성 반도체층, 제2 도전성 반도체층, 제1 활성층 및 제 1 도전성 반도체층의 연속적인 에칭을 위한 마스크의 역할을 수행할 수 있으며, 산화물 또는 질화물을 이용할 수 있으며, 대표적인 예로, 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)이 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 절연층의 두께는 0.5 ~ 1.5 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 절연층(21)의 위에 형성되는 금속 마스크층(22)는 에칭을 위한 마스크층의 역할을 수행하는 것으로, 통상적으로 사용되는 금속을 이용할 수 있으며, 대표적인 예로, 크롬(Cr) 금속이 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 금속 마스크층의 두께는 30 ~ 150 nm일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
도 3은 본 발명의 금속 마스크층(22) 위에 나노 스피어 또는 마이크로 스피어 단층막(30)을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다. 구체적으로 나노 스피어 또는 마이크로 스피어 단층막은 금속 마스크층(22)의 에칭을 위한 마스크 역할을 하기 위하여 형성하는 것으로서 스피어 입자의 형성 방법은 스피어의 단일층 (monolayer) 자기조립 특성을 이용할 수 있다. 스피어 입자의 직경은 최종 생산하려는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 원하는 직경에 따라 선택적으로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 50 ~ 3000 ㎚의 직경을 갖는 폴리스티렌 스피어, 실리카 스피어 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
도 4는 본 발명의 나노 스피어 또는 마이크로 스피어 단층막(30)의 애싱(ashing) 단계를 나타내는 단면도로서, 스피어 입자의 간격이 이격된다. 통상의 스피어 단층막의 애싱공정을 통해 달성될 수 있으며, 바람직하게는 산소(O2) 기반의 Reactive ion ashing (반응성 이온 애싱)과 plasma ashing(플라즈마 애싱)를 통해 애싱공정이 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명의 식각단계를 나타내는 단면도로서 구체적으로 도 4에서 애싱공정을 통해 이격된 스피어 입자 사이를 식각하여 홀을 형성하는 공정이다. 이 경우 스피어 입자(30)가 형성된 부분은 식각되지 않고 스피어 입자와 스피어 입자 사이의 이격된 공간 부분이 식각되어 홀을 형성한다. 상기 홀은 금속 마스크층(22)부터 기판(10)의 위까지 선택적으로 형성될 수 있다. 이러한 식각 공정은 RIE(reactive ion etching: 반응성 이온 에칭) 또는 ICP-RIE(inductively coupled plasma reactive ion etching: 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭)과 같은 건식 식각법이 이용될 수 있다.
이러한 건식 식각법은 습식 식각법과 달리, 일방성 식각이 가능하여 이러한 패턴을 형성하기에 적합하다. 즉, 습식 식각법은 등방성(isotropic) 식각이 이루어져, 모든 방향으로 식각이 이루어지나, 이와 달리 건식 식각법은 홀을 형성하기 위한 깊이 방향이 주로 식각되는 식각이 가능하여, 홀의 크기 및 간격 등을 원하는 패 턴으로 형성할 수 있다.
이때, 상기 RIE 또는 ICP-RIE법을 이용할 경우, 금속 마스크를 식각할 수 있는 에칭 가스로는 Cl2, O2 등이 이용될 수 있다.
상기 식각공정을 통해 제조된 LED 소자의 간격(A)은 스피어 입자(30) 의 직경과 일치하게 되고, 이 경우 LED 소자의 간격(A)은 나노미터 단위 또는 마이크로미터 단위일 수 있으며 보다 바람직하게는 50 ~ 3000 ㎚ 일수 있다.
도 6은 식각공정 이후 상기 스피어 입자(30), 금속 마스크층(22) 및 절연층(21)을 제거하는 단계로서 통상의 습식식각 또는 건식식각의 방법을 통해 제거 공정을 수행할 수 있으나 이에 제한되지 않으며 통상의 제거 방법을 통해 제거될 수 있다.
본 발명의 다른 일구현예에 따르면, 상기 2) 단계는;
2-1) 제2 도전성 반도체층의 위에 제2 전극층, 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계;
2-2) 상기 금속 마스크층 위에 폴리머층을 형성하고 상기 폴리머층에 나노 또는 마이크로 간격으로 패턴을 형성하는 단계;
2-3) 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제 4 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 건식 또는 습식 식각하는 단계; 및
2-4) 상기 절연층, 금속 마스크층 및 폴리머층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로 제4 도전성 반도체층의 위에 제2 전극층, 절연층 및 금속 마스크층을 형성한 후 상기 금속 마스크층 위에 통상의 리소그래피 등에 사용될 수 있는 통상의 폴리머층을 형성하고 상기 폴리머층에 포토 리소그레피, e-빔 리소그래피, 또는 나노 임프린트 리소그래피 등의 방법을 통해 나노 또는 마이크로 간격으로 패턴을 형성한 후 이를 건식 또는 습식식각하고 절연층, 금속 마스크층 및 폴리머층을 제거하는 것을 통해 달성될 수 있다.
다음, 3) 단계로서 상기 기판을 제거하는 단계를 포함하여 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 제조한다.
구체적으로, 본 발명의 바람직한 일구현에 따르면, 상기 3) 단계는
3-1) 제2 전극층의 위에 지지필름을 형성하는 단계;
3-2) 상기 제1 활성층 및 제2 활성층을 포함하는 외주면 입부에 절연피막을 형성하는 단계;
3-3) 상기 절연피막 위에 소수성 피막을 코팅하는 단계;
3-4) 상기 기판을 제거하는 단계;
3-5) 상기 제1 도전성 반도체층의 하부에 제1 전극층을 형성하는 단계; 및
3-6) 상기 지지필름을 제거하여 복수 개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 전극층(20) 위에 지지필름(70)을 부착하는 단계를 나타내는 단면도이다. 상기 지지필름(70)은 기판(10)을 laser lift-off (LLO) 방법을 통해 제거할 때 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 분산 되지 않도록 지지하며 또한 LED 소자의 크랙을 방지하기 위해 부착하는 것으로서 상기 지지필름의 재질은 폴리머 엑포시 또는 본딩 메탈일 수 있으며, 두께는 0.3 ~ 70 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
도 8은 본 발명의 지지필름이 형성된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들에 대하여 상기 제1 활성층 및 제2 활성층을 포함하는 외주면 일부에 절연피막(80)을 형성한다. 이를 통해 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자 표면의 결함을 최소화하여 수명과 효율을 향상시키는 효과를 달성할 수 있다. 상기 절연피막은 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 포함된 활성층들이 실장전극과 접촉 시에 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 발생하는 전기적 단락을 방지하는 역할을 한다. 또한, 절연피막은 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 활성층을 포함한 외부면을 보호함으로써 활성층의 표면 결함을 방지해 발광 효율 저하를 막을 수 있다.
상기 절연피막은 제1 활성층 (12) 및 제2 활성층 (241) 뿐만 아니라, 제1 도전성 반도체층(11), 제2 도전성 반도체층(13), 제3 도전성 반도체층 (242), 제 4 도전성 반도체층 (240), 제1 전극층 및/또는 제2 전극층 및 기타 다른 층의 외주면에도 형성될 수도 있다.
백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들의 외주면에 절연피막을 형성하는 방법은 상기 지지필름(70) 및 기판(10)이 부착된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들의 외주면에 절연 물질을 도포하거나 이를 침지 하는 방법을 이용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 절연피막으로 사용될 수 있는 물질은 바람직하게는 SiO2, Si3N4, Al2O3, 산화하프늄(HfO2), 산화이트륨(Y2O3) 및 TiO2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 투명한 것일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 투명한 절연피막의 경우 상기의 절연피막의 역할을 하는 동시에 절연피막을 코팅함으로써 발생할 수 있는 발광효율의 감소를 최소화할 수 있다. 바람직하게는. 대표적인 예로, Al2O3막은 ALD(atomic layer deposition: 원자 층 증착)방식을 통하여 형성할 수 있으며 TMA(trimethyl aluminum)와 H2O 소스를 펄스형태로 공급하여 화학적 흡착과 탈착을 이용하여 박막을 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 외주면에 형성된 절연피막(80)을 소수성 피막(90)으로 코팅하는 단계를 나타내는 단면도이다. 상기 소수성 피막(90)은 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 표면에 소수성 특성을 갖게 하여 소자들간에 응집현상을 방지하기 위한 것으로서 응집에 의한 독립된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 특성 저해 문제와 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 픽셀 패터닝 공정의 다수의 불량 문제를 없앨 수 있는 방법이며 상기 절연피막(80) 상에 형성될 수 있다. 이 경우 사용가능한 소수성 피막은 절연피막상에 형성되어 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들간에 응집현상을 방지할 수 있는 것이면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 옥타데실트리크로로실리란(octadecyltrichlorosilane, OTS)과 플루오로 알킬트리크로로실란(fluoroalkyltrichlorosilane), 퍼플루오로알킬트리에톡시실란 (perfluoroalkyltriethoxysilane) 등과 같은 SAMs(self-assembled monolayers : 자기조립 단분자막)와 테프론 (teflon), Cytop 등과 같은 플루오로 폴리머 (fluoropolymer) 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 10은 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제1 도전성 반도체층(11)의 아래에 형성된 기판(10)을 제거하는 단계를 나타내는 단면도이다. 상기 기판(10)을 제거하는 방법은 통상적으로 사용되는 방법을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 chemical lift-off(CLO)나 Laser lift-off(LLO) 방식을 이용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
도 11은 본 발명의 기판(10)이 제거된 제1 도전성 반도체층(11)의 아래에 제1 전극(110)을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다. 상기 제1 전극(110)은 통상적으로 LED 소자에 사용되는 재질이면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 Cr, Ti, Al, Au, Ni, ITO 및 이들의 산화물 또는 합금 등을 단독 또는 혼합한 재질이 사용될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한 전극의 두께는 0.02 ~ 1 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
도 12는 상기 지지필름(70)을 제거하여 독립된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들(121, 122)을 제조하는 것이다.
도 13은 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 나타내는 사시도로서 제1 도전성 반도체층(11) 위에 형성된 제1 활성층(12), 상기 제1 활성층(12) 위에 형성된 제2 도전성 반도체층(13), 그리고 상기 제2 도전성 반도체층(13) 상부에 형성된 제3 도전성 반도체층 (242), 상기 제3 도전성 반도체층 (242) 상부에 형성된 제 2 활성층 (241), 상기 제2 활성층 (241) 상부에 형성된 제 4 도전성 반도체층 (240)을 포함하며, 상기 제1 도전성 반도체층 (11)의 아래에는 제1 전극(110)이 형성되며, 상기 제4 도전성 반도체층(240)의 상부에는 제2 전극(20)이 형성될 수 있다. 물론, 상술한 바와 같이 별도의 버퍼층, 활성층, 형광체층 및/또는 반도체층 등이 더 포함되는 것도 가능하다. 한편 절연피막(80) 및/또는 소수성 피막(90)은 상기 제1 도전성 반도체층(11) 위에 형성된 제1 활성층(12), 상기 제1 활성층 (12) 위에 형성된 제2 도전성 반도체층(13), 그리고 상기 제2 도전성 반도체층(13) 상부에 형성된 제3 도전성 반도체층 (242), 상기 제3 도전성 반도체층 (242) 상부에 형성된 제2 활성층 (241), 상기 제2 활성층 (241) 상부에 형성된 제 4 도전성 반도체층 (240)의 일부 또는 전부의 외주면을 포함하여 감싸도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(10) 및/또는 제2 전극(20)의 일부 또는 전부의 외주면을 포함하여 감싸도록 형성될 수 있다.
본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 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, 높이(제1전극에서 제2 전극까지의 길이)는 1.5 ~ 30 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들을 포함하는 잉크, 페이스트 또는 용액으로서 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들을 디스플레이 기판의 서브픽셀에 직접 전사되거나 잉크 또는 페이스트의 형태로 전사될 수 있다.
이러한 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제작과 구조는 기존의 초소형 단일형의 LED 소자의 경우와 매우 다르며, 기존의 초소형 단일형의 LED 소자층에 기능층을 단순히 더욱 도입하여서는 구성할 수 없는 중요한 특징을 갖는다.
1) 기존의 초소형 단일형 LED은 그 구조상 고유의 비대칭성에서 기인한 고유 전기 쌍극자를 가질 수 있으나, 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 내부적으로 대칭 구조 (LED1 과 LED2)를 갖기 때문에 고유 전기쌍극자는 0 이다. 따라서, 추후 설명하겠지만, 이들을 실장 전극 사이에 배치하는 원리들이 기존과 완전히 다르다. 즉, 기존의 초소형 단일형의 LED 소자의 경우 전기영동(electrophoresis)을 근간으로 하는 반면, 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 경우는 유전영동(dielectrophoresis)을 기반으로 동작한다. 또한, 추후 설명하는, 이들의 구동 전극들도 서로 다르다, 즉, 기존의 초소형 단일형의 LED 소자의 경우 제1 실장전극과 제2 실장전극만으로도 소자의 발광이 가능한 반면, 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 경우는 제1 실장전극과 제2 실장전극 이외에도 제 3 전극이 필수적이다.
다음 단계로서, 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들을 디스플레이 등의 기판에 잉크, 페이스트 또는 용액의 형태로 전사하기 위한 본 발명의 바람직한 일구현에 따르면, 도 14에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED의 전극 어셈블리는 상호 이격된 제1 실장전극(610)과 제2 실장전극(630)을 포함하는 전극 라인 및 일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉된 비극성 배열성(axial ordering)이 향상된 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자(121,122)를 포함하여 구현된다.
또한, 제1 실장전극 및 제2 실장전극 사이에 제3 전극(150)을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 중심부, 즉 제 2 도전성 반도체층과 제3 도전성 반도체층의 일 부분이 제3 전극에 접촉될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예를 통해 제조된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리의 경우, 직류전압을 구동전원으로 제1 실장전극과 제3 전극 사이 및 제2 실장전극과 제3 전극 사이에 인가했을 때 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 발광의 강도가 현저히 증가할 수 있다.
도 14와 같이, 일예로, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리는 제1 실장전극(610)과 제2 실장전극(630) 및 제3 전극(150)을 동일평면상에 위치시키고, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자(121,122)를 상기 전극들에 연결하여, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 광추출 효율(extraction efficiency)도 향상시킬 수 있다.
한편, 도 14와 같은 백투백 구조의 초소형 이중 LED의 전극 어셈블리는 전극의 폭과 전극 간의 거리를 비롯하여 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 크기가 모두 마이크로 또는 나노 스케일임에 따라서 사람 또는 기계가 낱개로 분리된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 일일이 실장시켜 제조하기는 불가능하다.
이에 초기의 발명자들은 초소형의 전극 라인에 초소형 단일형 LED 소자를 포함하는 용액을 접하게 한 후, 조립전원을 인가하여 초소형 단일형 LED 소자 스스로 서로 다른 두 실장전극에 정렬 및 배치되는 방법으로 도 15a와 같은 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리를 제조하였다.
그러나, 도 15a와 같은 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리는 구동전원으로 교류전압이 아닌 직류전압을 사용시에 실제 발광하는 소자가 현저히 감소되는 문제가 있다. 구체적으로 동일한 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리에 대하여, 구동전원을 달리하여 직류전압에 따라 구동되어 발광하는 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리와 교류전압에 따라 구동되어 발광하는 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리의 발광정도를 비교하면, 직류전압을 구동전원으로 사용시에 발광 휘도가 현저히 감소한다.
이러한 직류 구동전원에서 휘도가 감소하는 문제는 전극 어셈블리 내에 초소형 단일형 LED 소자의 서로 다른 도전성 반도체(Ex. p형 반도체, n형 반도체)와 각각 접촉되는 서로 다른 실장전극 간의 극성 배향성이 없기 때문이다 (biaxial axial ordering, not polar ordering). 구체적으로 도 15a에서 확인할 수 있듯이, 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리에 실장된 10개의 초소형 단일형 LED 소자 중 제1 초소형 단일형 LED 소자(123)와 같이 제1 실장전극(510)에 동일한 종류의 반도체가 접촉한 소자의 개수는 5개이며, 다른 5개의 초소형 단일형 LED 소자(124)는 다른 종류의 반도체 소자가 제1 실장전극(510)에 접촉해 있다. 따라서 도 15a와 같은 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리에 일방향의 직류 구동전원을 인가하면, 5개의 초소형 단일형 LED 소자만 발광하며, 나머지 5개의 초소형 단일형 LED 소자는 발광하지 못하는 문제가 있으며, 이는 휘도 저하에 직결된다.
결국, 종래의 제조방법으로 초소형 단일형 LED 소자를 정렬시킬 경우, 초소형 단일형 LED 소자의 양단부는 각각 서로 다른 두 전극에 비극성 배열성(axial ordering, not polar ordering)을 갖고 접촉될 수는 있었으나, 제조된 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리를 살펴보면, 제1 실장전극에 접촉한 초소형 단일형 LED 소자들은 특정한 일단, 예를 들어 p형 반도체가 제1 실장전극에만 접촉하는 것이 아니라, 초소형 단일형 LED 소자들의 일부는 n형 반도체가 제1 실장전극에 접촉되고 있었다 즉, 초소형 단일형 LED 소자들은 배향성을 가지고 정렬되었으나, 이는 비극성 배향성(axial ordering, not polar ordering)이다. 또한, 어떠한 반도체층이 특정의 실장전극에 더 많이 접촉되는지는, 비극성 배향의 확률이 50%이므로, 이를 기준으로, 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리의 제조 시마다 조금씩 상이함에 따라서 경우에 따라 우연히 직류전압을 구동전원으로 하여 발광시킬 수 있는 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리가 제조될 수 있어도, 이와 같은 전극 어셈블리를 항상 제조할 수 있는 것은 아니다.
이에 일단의 발명자는 초소형의 전극 라인에 초소형 단일형 LED 소자를 포함하는 용액을 투입한 후, 비대칭 조립전원을 인가하여 초소형 단일형 LED 소자내 특정 반도체층이 특정의 실장전극에 접촉시켰다 (도 15b 참조). 구체적으로, 제1 도전성 반도체층 또는 제2 도전성 반도체층이 제1 실장전극 또는 제2 실장전극에 정렬될 수 있고, 이에 따라서 직류 구동전원을 통해서 구동이 가능한 특성이 발현됨을 확인하였다.
그러나, 종래의 제조방법으로 초소형 단일형 LED 소자를 정렬시킬 경우, 초소형 단일형 LED 소자의 양단부는 각각 서로 다른 두 전극에 접촉될 수 있었으나, 제조된 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리를 살펴보면, 제1 실장전극에 접촉한 제1 초소형 단일형 LED 소자들(123)은 특정한 일단, 예를 들어 제 1 도전성 반도체층이 제1 실장전극에만 접촉하는 것이 아니라 초소형 단일형 LED 소자들의 일부(124)는 제2 도전성 반도체층이 제1 실장전극에 접촉되고 있었다. 즉, 초소형 단일형 LED 소자들은 극성 배향성을 가지고 정렬되었으나, 이들의 극성 배향성은 아직 낮은 수준이다.
이에, 본 발명의 발명자는 하기의 정렬 조건을 발견하였다. 즉, 상술한 종래의 초소형 단일형 LED 소자의 극성 배향성의 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 포함하는 용액을 준비하여 실장전극이 형성된 기판에 접하고, 대칭성 조립 전압을 인가하여, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 정렬시킬 경우, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 양단 반도체층들이 실장전극들에 접촉할 수 있다. 예를 들어, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제 1 도전성 반도체층 및 제 4 도전성 반도체층들은 상기 제1 실장전극 및 제2 실장전극에 접촉함으로써, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 향상된 비극성 배열성을 가지고 정렬될 수 있다. 그리고, 제1 실장전극 및 제2 실장전극 사이에 미리 형성된 제3 전극은 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 중심부, 즉 제 2 도전성 반도체층과 제3 도전성 반도체층의 일 부분이 제3 전극에 접촉될 수 있다. 이에 따라서 직류 구동전원을 제1 실장전극과 제3 전극 사이 및 제2 실장전극과 제3 전극 사이에 인가했을 때, 직류 구동이 가능하여 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 발광의 강도가 현저히 증가할 수 있도록 하는 본 발명에 이르게 되었다.
이하, 위와 같은 직류 전압에 의한 구동을 가능하게 하는 본 발명에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리의 제조방법에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리는, (1) 제1 실장전극 및 상기 제1 실장전극과 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인의 상부에 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 포함하는 용액을 접촉하는 단계; (2) 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 상기 전극 라인을 통해 조립 전압이 1.0 V 이상인 전원을 인가하여, 상기의 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 전기력 및 토크 힘의 변화를 발생시켜 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 일 방향으로 비극성 배열하도록 이동 및 회전시켜서, 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 단부를 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 비극성의 배열성을 지니며 접촉시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
여기서, 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 단부를 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 비극성의 배열성을 갖으며 접촉시키는 단계는, 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제1 도전성 반도체층 및 제4 도전성 반도체층이 제1 실장전극 및 제2 실장전극에 접촉하여 비극성 배열성을 갖고 접촉하는 단계를 의미한다.
또한, 필요에 따라서는, 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극 사이에 이격되어 형성된 제3 전극에 비극성 배열성으로 배치된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 중심부, 즉 제2 도전성 반도체층 및 제3 도전성 반도체층이 접촉하는 단계를 의미한다.
이와 같은 동작에 의하여 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 비극성 배열성이 증대하는 것을 기대할 수 있고, 이에 따른 대칭 조립 전압의 인가나 공정 시간의 단축도 가능해진다.
본 발명의 전극 라인의 상부에 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 포함하는 용액에 접촉하는 단계는, 용액을 전극 라인의 상부에 접촉하는 단계를 의미하며, 용액을 전극 라인에 적하(滴下)하는 방법, 용액속에 침지 하는 방법 등을 사용할 수 있다.
먼저, (1) 단계로써, 상기 초소형 제1 실장전극 및 상기 제1 실장전극과 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인에 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자와 이들을 포함할 수 있는 용액을 접촉하는 단계를 수행한다.
구체적으로 도 16은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극어셈블리의 제조공정 모식도로써, 도 16a는 베이스기판(100) 상에 형성된 제1 실장전극(610), 상기 제1 실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제2 실장전극(630) 및 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 포함된 용액(백투백 구조의 초소형 이중 LED소자(121), 용매(140))을 나타낸다. 상기 도 16b에는 도시되지 않았지만, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 포함된 용액이 투입되는 전극 라인 중 실장가능영역 상에는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 포함하는 용액이 접촉된 후 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 실장될 전극 라인 영역 이내로 모이게 하기 위하여 절연격벽 또는 절연막이 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 도 16에는 도시되지 않았지만, 필요에 따라서는, 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극 사이에 이격되어 형성된 제3 전극이 더 구비될 수 있다.
또한, 전극 라인 영역 이내로 모이게 하기 위하여 외부 자기장이 더 구비될 수 있다.
상기 베이스기판, 제1 실장전극 및 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인, 상기 전극 라인 상에 형성될 수 있는 절연 격벽, 외부 자기장 등에 대한 구체적인 제조방법 등에 대한 설명은 대한민국 등록특허 제10-1429095호, 대한민국 공개특허 제 10-2019-0113695호가 참조로 삽입될 수 있어서, 본 발명은 이에 대한 구체적 설명을 생략한다.
다음으로 본 발명에 따른 (2) 단계로써, 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 초소형 LED 소자의 단부를 각각 접촉시키기 위하여, 상기 전극 라인에 전압이 1.0 V 이상인 조립전원을 인가시킬 수 있다.
상기 인가되는 조립전압은 대칭 전압이며, 대칭 전압의 주파수는 조절되어 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들을 실장시키는 단계를 수행한다 (도 16c).
상기 (2) 단계에서 대칭 전압의 인가로 실장전극 사이에 형성된 전기장과 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 전기장-유도된 쌍극자 (induced dipole)와 상호 작용(전기력 및 토크 힘 발생)을 통하여, 결국 소자가 스스로 이동 및 회전하여 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극 사이에 비극성 배열성을 가지고 정렬하여 실장될 수 있다. 즉, 대칭 조립전압을 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 인가할 수 있다.
다만, 소자가 전극으로 이동, 정렬할 뿐만 아니라 소자 내 제1 도전성 반도체층이나 제4 도전성 반도체층 제1 실장전극에 접촉되도록 하여 실장되는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들의 비극성 배향성을 향상시키기 위해서는 상기 대칭 조립전압은 전압의 세기가 1.0 V 이상인 전압을 인가해야만 한다.
일부 발명자에 의한 종래의 초소형 단일형 LED 전극 어셈블리는 상기 (2) 단계에서 대칭의 조립전압을 사용했었다 (대한민국 공개특허 10-2019-0113695). 그러면, 이러한 대칭 조립전압을 초소형 단일형 LED에 인가하면 무슨 일이 일어나는지 도 17a에 나타내었다. 초소형 LED를 구성하는 반도체에는 많은 전자가 존재하며, 이들 전자에 외부에서 전압 또는 전기장이 인가되면, 초소형 LED는 전기장 방향으로 회전 이동하는 경향이 있다. 이는 외부의 전압 또는 전기장에 의해서 초소형 LED 내의 전자가 이동하여서, 전기적인 분극이 발생하기 때문이다. 이러한 분극이 일어나기 쉬운 정도를 유전율이라고 하며, 초소형 LED는 구조적으로 구형이 아니기 때문에 소자의 방향에 따라 유전율은 달라지며, 이러한 특성을 유전율 이방성(dielectric anisotropy, Δε)이라고 한다. 그래서, 초소형 LED 용액에 전압(전기장)이 인가되면, 초소형 LED에는 장축 방향으로 유도 분극이 일어나고, 그 분극 방향이 외부 전기장 (E)의 방향과 나란하게 되어야만 안정하기 때문에 (포텐셜 에너지 Uinduced= -(1/2)ΔεE2), 초소형 LED는 자신의 방향을 외부전압의 방향으로 바꾸려고 한다. 이는, 마치 금속 바늘을 자석의 N 극과 S 극의 사이에 놓으면 바늘이 두 극사이의 방향을 향하여 회전하는 것과 매우 유사한 원리이다. (또한, 이러한 유전 이방성에 의한 비극성 배열성의 회전 현상은 액정 분자에서도 유사하게 일어난다.) 그러나, 마지막 그림에 나타내었듯이, 소자의 방향이 뒤집어 배치하여도, 유도 분극은 전기장 방향을 따르기 때문에 역시 안정한 상태가 되므로, 소자가 일 방향으로 극성 배치할 확률은 50%이고, 따라서, 초소형 단일형 LED 소자의 특정 실장전극으로의 극성 배향성을 극대화하기에 불충분 하며, 적정 수준의 극성 배향성을 갖도록 초소형 단일형 LED 소자를 실장시키기는 어렵다(도 17a 참조).
이에 대하여, 일부 발명자에 의해, 초소형의 전극 라인에 비대칭 파형을 갖으며, 상단피크 전압의 크기가 하단피크 전압의 크기와 서로 다른 비대칭 조립전압을 인가하여 초소형 LED 소자의 일방향의 (unidirectional) 극성 배열성(polar ordering)이 증대한 어셈블리를 구현하는 제조방법 및 초소형 LED 전극 어셈블리를 구현하였다. (대한민국 등록특허공보 제10-1730927호) 이는 초소형 단일형 LED은 그 구조상 고유의 비대칭성에서 기인한 초소형 LED에는 장축 방향의 고유 전기 쌍극자(intrinsic dipole, dipole p = charge (q) * distance (d))를 가질 수 있다. 초소형 LED 용액에 외부의 비대칭 조립전압이 인가되면 전기 영동(electrophoresis)과 더불어, 고유 전기 쌍극자는 외부 전기장의 방향과 반대로 정렬 되어야만 안정하기 때문에 (포텐셜 에너지 Udipole= -p·E), 초소형 LED는 자신의 방향을 바꾸려고 한다. 이는, 마치 작은 자석을 (예 나침반) 큰 자석의 N 극과 S 극의 사이에 놓으면 작은 자석이 큰 자석의 한쪽의 극 방향을 향하여 회전하는 것과 매우 유사한 원리이다. 그러나, 초소형 LED들 사이의 상호작용과 더불어 높은 전기장의 인가가 요구되기 때문에, 이 역시 높은 극성 배열성을 구현하기에는 부족하였다(도 17b 참조).
이에 대하여, 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 조립전압을 인가한 경우를 살펴보기 위해 도 17c 및 17d를 참고로 설명한다. 기존의 초소형 단일형 LED은 그 구조상 고유의 비대칭성에서 기인한 고유 전기 쌍극자를 가질 수도 있으나 (p ≠ 0), 본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 내부적으로 대칭 구조 (LED1 과 LED2)를 갖기 때문에 고유 전기쌍극자는 0 이다(p = 0). 따라서, 본 발명의 대칭 조립전압을 인가한 경우, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에는 앞서 설명한 소자의 유전 이방성에 의해 장축 방향으로 분극이 유도되어, 전기-유도 쌍극자가 발생하게 되고, 이 전기-유도 쌍극자와 실장전극 사이에 형성된 대칭 전기장의 상호 작용(전기력) 및 유전 영동(dielectrophoresis)의 영향으로 소자가 스스로 이동하고, 앞서 설명한 소자의 토크 힘 발생을 통하여 소자가 회전하여 전극 사이에서 향상된 비극성 배열성을 가지고 정렬하여 실장될 수 있다. 이를 확장해 볼 때 실장전극에 투입된 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 비극성 배향성을 가지고 제1 실장전극 또는 제2 실장전극과 더욱 용이하게 접촉할 수 있다(도 17c,d 참조).
이때, 실장전극에 인가되는 조립전원은 1.0 V 이상에서 가능하고, 25V 이상을 사용할 수도 있다.
만일 조립전압이 1.0 V 미만일 경우, 초소형 LED 소자의 특정 반도체층이 특정의 실장전극에 접촉되도록 하는 배향성이 감소되어, 제조된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리에 구동전원을 인가시에 휘도가 현저히 저하되는 문제가 있다.
한편, 조립전압이 500 V를 초과하는 경우 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 특정방향으로의 배향성은 문제가 없으나 실장전극을 포함한 여러 기재들이 손상될 수 있는 우려가 있으므로 조립전압이 낮은 크기에서 효과적인 일방향 비극성 배열성을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 조립 전원의 주파수는 0.1 Hz ~ 1 GHz일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 주파수가 10 kHZ ~ 100 MHz 인 전원일 수 있다. 또한 상기 전원은 싸인파나 사각파, 및 삼각파의 형태를 갖는 대칭 교류전원일 수 있다.
상기 (2) 단계 수행 후 다음 단계로써, 전극 라인 및 상기 전극 라인 상에 정렬된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 300 ~ 1000℃에서 0.5 ~ 10분간 열처리하는 단계를 더 수행할 수 있다. 이때, 상기 열처리 온도는 보다 바람직하게는 600℃ 이상에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 서로 다른 실장전극들에 각각 접촉시킨 후 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 이동, 정렬을 용이하게 하도록 투입되었던 용매를 제거하기 위한 공정이다. 용매가 완전히 제거되지 않은 상태에서 실장전극들과 제 3 전극 사이에 구동전원이 인가되는 경우, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리는 목적하는 수준의 발광 휘도 및 효율을 발현하지 못할 수 있다.
만일 300℃ 미만 및/또는 0.5분 미만의 시간으로 열처리가 수행되면 불순물이 완전히 제거되지 않는 문제와 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자와 전극 사이의 접촉 반응이 완전히 일어나지 않을 수 있는 문제가 발생할 수 있고, 1000℃를 초과 및/또는 10분을 초과하여 수행되면 베이스 기판 및/또는 전극이 변형되거나 깨지는 문제가 발생할 수 있으며, 저항의 증가로 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 전압이 제대로 인가되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리 제조방법은 상술한 (1) 단계 이전에 제1 실장전극 및 제2 실장전극 상부에 절연막을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다.
상기 절연막은 당업계에 공지된 통상의 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있어 본 발명은 이에 대한 구체적인 방법에 대해 한정되지 않으며, 이에 대한 설명도 생략한다. 또한, 절연층의 재질도 공지된 재질을 사용할 수 있다. 상기 절연막은, SiO2, SiNx, SiON, Al2O3, TiO2, HfO2 등의 무기 물질로 이루어질 있다. 이와 다르게, 절연막은, 유기 절연체로서 단일층이거나 멀티층으로 구성될 수 있다. 절연막의 두께는, 수십 nm 내지 수 μm의 두께로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리 제조방법은 상술한 (3) 단계 이후에 제1 실장전극, 제2 실장전극 및 제 3 전극과 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 접촉부분에 금속오믹층을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다.
상기 금속오믹층의 형성단계는 상술한 (3) 단계 이후에 수행되는 것이 바람직하다.
상기 접촉부분에 금속오믹층을 형성하는 이유는 구동전원의 인가 시에 전극과 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자 간에 발생할 수 있는 접촉저항을 줄여 발광효율을 더욱 높이기 위함이다. 상기 금속오믹층은 무전해도금 등 당업계에 공지된 통상의 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있어 본 발명은 이에 대한 구체적인 방법에 대해 한정되지 않으며, 이에 대한 설명도 생략한다. 또한, 금속오믹층의 재질도 공지된 재질을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리 제조방법은 상술한 상기 (2) 단계 수행 후 다음 단계로 전사 단계를 수행할 수도 있다. 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들을 디스플레이 장치에 활용하기 위해 필요에 따라서는 별도의 최종 기판에 조립 또는 전사될 수도 있다. 상기 최종 기판은 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 발광할 수 있도록 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 전압을 인가하는 배선 전극이 형성되는 공정이 수행되는 기판이다. 따라서 각 색상을 발광하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들은 일단 전사 기판 또는 조립 기판으로 이동 조립한 후 최종 기판으로 다시 전사될 수 있다. 경우에 따라 상기 전사 기판 또는 조립 기판에 바로 배선 공정을 수행하는 경우, 상기 전사 기판 또는 조립 기판은 최종 기판으로서 역할을 수행한다.
최종 기판에 개별 단위 화소를 구성하는 복수 개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들이 배치되면, 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들을 전기적으로 연결하는 배선 공정을 수행할 수 있다. 상기 배선 공정을 통해 형성된 배선 전극은 기판에 조립 또는 전사된 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자들을 상기 기판과 전기적으로 연결시킨다. 또한 상기 기판의 하부에는 액티브 매트릭스 구동을 위한 트랜지스터가 기 형성될 수 있다. 따라서 상기 배선 전극은 상기 트랜지스터와 전기적으로 연결될 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법을 통해 구현된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리는 도 14에 도시된 것과 같이 상호 이격된 제1 실장전극(610), 제2 실장전극(630) 및 제 3 전극(150)을 포함하는 전극 라인 및 일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉하고, 중앙부가 상기 제3 전극과 접촉된 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자(121,122)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리에 실장된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 전체 실장된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자 개수 중 약 80% 이상의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 발광시킬 수 있어서 충분한 휘도 특성을 발현할 수 있고, 직류를 구동전원으로 사용함에 따라서 회로구성이 보다 단순화되어 생산효율, 생산단가 측면에서 유리할 수 있다. 만일 전체 실장된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자 중 80% 미만의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자만이 비극성 배향성을 나타낼 경우, 발현하는 휘도가 현저히 저하할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리는 단위 발광 화소당 실장되는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 개수가 1개 이상일 수 있다. 한편, 단위면적당 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 평균 실장 개수는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 실질적으로 실장될 수 없는 전극영역까지 포함한 전체 면적을 의미하지 않으며, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 실질적으로 실장될 수 있는 전극 라인의 면적을 기준으로 실장된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 개수를 단위면적으로 환산한 개수를 의미한다.
한편, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리에 구비되는 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 일반적으로 광원, 디스플레이 등에 광범위하게 사용되는 LED 소자의 구조를 포함하면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 길이는 100 nm 내지 30 ㎛ 일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 500 nm 내지 15 ㎛ 일 수 있다. 만일 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 길이가 100 nm 미만인 경우 고효율의 LED 소자의 제조가 어려우며, 30 ㎛를 초과하는 경우 LED 소자의 발광 효율을 저하시킬 수 있다.
상기의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는, 초소형 LED 소자의 길이, 즉 제 1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전형 반도체층, 제2 활성층, 및 제4 도전성 반도체층 등을 포함하는 LED 소자의 두께 방향으로의 총 길이(L)에 대한 소자의 양 단면의 폭 방향의 길이 또는 직경(r)의 비(L/r)를 의미한다. 예를 들어, 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 원기둥 형상이면, 소자의 단면, 즉 원의 직경(r)이 10 ㎛ 인 경우, 종횡비 1.2 미만은 소자의 길이(L)가 12 ㎛ 미만의 범위를 의미한다.
또한, 한 변의 길이가 10 ㎛인 정사각형의 반도체 발광 소자를 단위 화소로 이용하여도 디스플레이 장치를 이루기 위한 충분한 밝기가 나타난다. 따라서, 단위 화소의 크기가 한 변이 600 ㎛, 나머지 한 변이 300 ㎛인 직사각형 화소인 경우를 예로 들면, 반도체 발광 소자의 거리가 상대적으로 충분히 크게 된다.
본 발명의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 형상은 직육면체, 정육면체, 타원체, 원기둥, 디스크 타입 등 다양한 형상일 수 있고, 바람직하게는 원기둥 형상일 수 있으나 상기 기재에 한정되는 것은 아니다.
상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 수평형 반도체 발광 소자 또는 수직형 반도체 발광 소자 모두 가능하다. 다만 수직형 반도체 발광 소자의 경우, 상기 제1도전형 전극과 상기 제2도전형 전극은 마주보는 구조이기 때문에, 성장 기판에서 반도체 발광 소자를 분리하고, 후속 공정에서 어느 일방향의 도전형 전극을 형성하는 공정을 추가한다. 또한 극성 배열 조립 공정을 위해서 상기 LED 소자에는 자성층이 포함될 수 있다
보다 구체적으로, 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자는 수직형 구조가 될 수 있다. 다른 예로서, 상기 초소형 LED 소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다. 또한, 상기 초소형 LED 소자의 종횡비는 봉상 타입의 경우 1.0 이상 200 이하, 보다 바람직하게는 1.2 ~ 100 일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 1.5 ~ 50, 특히 바람직하게는 1.5 ~ 30 일 수 있다. 또한, 본 발명의 초소형 LED 소자의 종횡비는 디스크 타입의 경우, 1.2 미만의 범위를 사용할 수 있고, 0.1 미만을 바람직하게 사용할 수 있고, 0.01 미만을 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 본 발명에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리를 포함하는 광원을 포함한다. 상기 광원은 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리를 수용 또는 지지하기 위한 지지체를 더 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 목적에 따라 지지체의 형상을 달리 설계할 수 있어 본 발명은 지지체 형상을 특별히 한정하지 않는다.
또한, 상기 광원은 지지체 내부에 구비되며 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자로부터 조사된 광에 여기되는 형광체를 더 포함할 수 있다. 일예로, 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED소자가 UV 초소형 LED소자인 경우 UV에 의해 여기 될 수 있는 상기 형광체는 청색, 황색, 녹색, 호박색 및 적색 중 어느 하나인 형광체가 바람직할 수 있고, 이때, 선택된 어느 한 색상을 발광하는 단색 LED 광원일 수 있다. 또한, 바람직하게는 UV에 의해 여기 되는 상기 형광체는 청색, 황색, 녹색, 호박색 및 적색 중 어느 하나 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 청색/황색, 청색/녹색/적색 및 청색/녹색/호박색/적색 중 어느 한 종류의 혼합 형광체 일 수 있고 이 경우 형광체에 의해 백색광이 조사될 수 있다.
구체적인 형광체는 선택되는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 발광하는 발광색을 고려하여 공지된 형광체를 선택하여 사용할 수 있음에 따라서 본 발명은 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리를 포함하는 조명, 백라이트유닛, 의료 및 바이오용 광원, 자용차용 광원, 통신 용 광원, 웨어러블 기기의 광원, 및 디스플레이일 수 있다.
구체적으로 LED 디스플레이는 상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리를 서브화소로 하는 발광부 유닛, 그 상부에 위치하는 Quantum dot 등을 포함하는 광변환층 및 상기 발광부 유닛 및 광변환층을 지지 및 수납하는 지지부재를 포함할 수 있다. 이때, 상기 지지부재 상부에 배치되고, 외부로부터 입사되는 광의 반사를 억제하는 광학시트를 더 구비할 수 있고, 상기 발광부 유닛 하부에는 방열부재를 더 구비할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리는 상기 발광부 유닛에 광원으로써 구비될 수 있다.
상기의 디스플레이는 플렉서블 디스플레이(flexible display)일 수 있다. 플렉서블 디스플레이는 외력에 의하여 휘어질 수 있는, 구부러질 수 있는, 비틀어질 수 있는, 접힐 수 있는, 말려질 수 있는 디스플레이를 포함한다. 예를 들어, 플렉서블 디스플레이는 기존의 평판 디스플레이의 디스플레이 특성을 유지하면서, 종이와 같이 휘어지거나, 구부리거나, 접을 수 있거나 말 수 있는 얇고 유연한 기판 위에 제작되는 디스플레이가 될 수 있다.
또한, 상기의 디스플레이 장치로서 패시브 매트릭스 (Passive Matrix, PM) 방식의 디스플레이 장치뿐만 아니라 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 디스플레이 장치도 포함한다.
상기 디스플레이의 각 구성은 디스플레이 분야의 공지된 구성을 채용할 수 있어서 본 발명은 이에 대해 구체적 설명을 생략한다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명의 실시 예를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 초소형 LED 소자는 디스플레이 산업에 폭넓게 활용될 수 있다.
10 : 기판 11 : 제1 도전성 반도체층
12 : 제1 활성층 13 : 제2 도전성 반도체층
242 : 제3 도전형 반도체층,
241 : 제2 활성층,
240 : 제4 도전성 반도체층
20 : 제2 전극층 21 : 절연층
22 : 금속 마스크층

Claims (20)

1) 기판 위에
제1 도전성 반도체층, 제1 활성층 및 제2 도전성 반도체층을 포함하여 순차적으로 제 1 LED 층을 형성하고,
그 상부에 연이어서 제3 도전성 반도체층, 제2 활성층 및 제 4 도전성 반도체층을 포함하여 역순차적으로 제 2 LED 층을 형성하여,
백투백 구조의 이중 LED 소자 층을 순차적으로 형성하는 단계;
2) 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전형 반도체층, 제2 활성층, 및 제4 도전성 반도체층을 포함하는 백투백 구조의 이중 LED 소자의 직경이 나노 또는 마이크로 크기를 가지도록 식각하는 단계; 및
3) 상기 기판을 제거하는 단계;
를 포함하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 도전성 반도체층 및 제4 도전성 반도체층은 적어도 하나의 n형 반도체층을 포함하고, 상기 제2 도전성 반도체층 및 제 3 도전성 반도체층은 적어도 하나의 p형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 도전성 반도체층 및 제4 도전성 반도체층은 적어도 하나의 p형 반도체층을 포함하고, 상기 제2 도전성 반도체층 및 제 3 도전성 반도체층은 적어도 하나의 n형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 2) 단계는;
2-1) 제4 도전성 반도체층의 위에 제2 전극층, 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계;
2-2) 상기 금속 마스크층 위에 폴리머층을 형성하고 상기 폴리머층에 나노 또는 마이크로 간격으로 패턴을 형성하는 단계;
2-3) 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전형 반도체층, 제2 활성층 및 제4 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 건식 또는 습식 식각하는 단계; 및
2-4) 상기 절연층, 금속 마스크층 및 폴리머층을 제거하는 단계를 포함하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 2) 단계는;
2-5) 제4 도전성 반도체층의 위에 제2 전극층, 절연층 및 금속 마스크층을 형성하는 단계;
2-6) 상기 금속 마스크층 위에 나노스피어 또는 마이크로 스피어 단층막을 형성하고 자기조립을 수행하는 단계;
2-7) 상기 제1 도전성 반도체층, 제1 활성층, 제2 도전성 반도체층, 제3 도전형 반도체층, 제2 활성층, 및 제4 도전성 반도체층을 포함하여 패턴에 따라 나노 또는 마이크로 간격으로 건식 또는 습식 식각하는 단계; 및
2-8) 상기 절연층, 금속 마스크층 및 단층막을 제거하는 단계를 포함하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 나노 스피어 또는 마이크로 스피어는 폴리스티렌 재질인 것을 특징으로 하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 3) 단계는;
3-1) 제2 전극층의 위에 지지필름을 형성하는 단계;
3-2) 상기 제1 활성층 및 제2 활성층을 포함하는 외주면에 절연피막을 형성하는 단계;
3-3) 상기 기판을 제거하는 단계;
3-4) 상기 제1 도전성 반도체층의 하부에 제1 전극층을 형성하는 단계; 및
3-5) 상기 지지필름을 제거하여 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 제조하는 단계를 포함하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 제조 방법.
제1 도전성 반도체층;
상기 제1 도전성 반도체층 위에 형성된 제1 활성층;
상기 제1 활성층 위에 형성된 제2 도전성 반도체층;
상기 제2 도전성 반도체층 위에 형성된 제3 도전성 반도체층;
상기 제3 도전성 반도체층 위에 형성된 제2 활성층; 및
상기 제2 활성층 위에 형성된 제 4 도전성 반도체층;을 포함하는,
직경이 마이크로 또는 나노 크기의 반도체 발광소자를 포함하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자.
제8항에 있어서,
상기 반도체 발광소자는 외주면 일부에 코팅된 절연피막 및
상기 절연피막 위에 코팅된 소수성 피막을 포함하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자.
제9항에 있어서,
상기 제1 도전성 반도체층의 하부에 형성된 제1 전극층; 및
제4 도전성 반도체층의 상부에 형성된 제2 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자.
제8항에 있어서,
상기 제1 도전성 반도체층 및 제4 도전성 반도체층은 적어도 하나의 n형 반도체층을 포함하고, 상기 제2 도전성 반도체층 및 제3 도전성 반도체층은 적어도 하나의 p형 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자.
제9항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연피막은 SiO2, Si3N4, Al2O3 및 TiO2로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하고; 상기 소수성 피막은 SAMs와 플루오로폴리머 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자.
(1) 제1 실장전극 및 상기 제1 실장전극과 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인의 상부에 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 포함하는 용액을 접촉하는 단계;
(2) 상기 제1 실장전극 및 제2 실장전극 라인을 통해 조립전압이 1.0 V 이상인 대칭 전원을 인가하여, 상기의 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자에 전기력 및 토크 힘을 발생시켜 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 일 방향으로 비극성 배열하도록 이동 및 회전시켜서, 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자의 단부를 상기 제1 실장전극과 제2 실장전극에 비극성의 배열성을 갖으며 접촉시키는 것을 특징으로 하는 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극어셈블리 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 (1) 단계에서, 제1 실장전극 및 제2 실장전극 사이에 이격되어 형성된 제3 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 (2) 단계에서, 상기 제1 실장전극 및 제2 실장전극 사이에 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자가 배열되어 소자 중심부의 제 2 도전성 반도체층 또는 제 3 도전성 반도체층이 상기 제3 전극과 접촉하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리 제조방법.
청구항 13 또는 14항에 있어서,
상기 (2) 단계 수행 후,
(3) 상기 전극 라인 상에 배열된 상기 복수개의 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자를 300℃ 내지 1,000℃에서 0.5분 내지 10분간 열처리시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 (1) 단계에서, 제1 실장전극 및 제2 실장전극 상부에 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리 제조방법.
상호 이격된 제1 실장전극 및 제2 실장전극을 포함하는 전극 라인; 및
일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉하는, 대칭 조립전압 인가에 의해 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리.
청구항 17에 있어서,
상기 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극어셈블리는
제1 실장전극 및 제2 실장전극 사이에 이격되어 형성된 제3 전극을 더 포함하는 전극 라인; 및
일단부가 상기 제1 실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2 실장전극에 접촉하고 중심부가 제 3 전극에 접촉하는, 대칭 조립전압 인가에 의해 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비극성 배열성이 향상된 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리.
청구항 18에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리;를 포함하는 광원.
청구항 18에 따른 백투백 구조의 초소형 이중 LED 전극 어셈블리;를 포함하는 디스플레이.
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