KR101782889B1 - 휘도가 향상된 풀-컬러 led 디스플레이 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이가 제공된다. 더욱 상세하게는 전극에 가로막혀 추출되지 못하는 광을 최소화하며, 초소형 LED 소자가 초소형 전극에 전기적 단락 등 불량 없이 연결되되, 직류 구동전압에서 더욱 향상된 휘도를 발현하며, 직류 구동전압으로 구동시 픽셀마다 균일한 휘도를 발현할 수 있는 풀-컬러 LED 디스플레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 풀-컬러 LED 디스플레이에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 전극에 가로막혀 추출되지 못하는 광을 최소화하며, 초소형 LED 소자가 초소형 전극에 전기적 단락 등 불량 없이 연결되되, 직류 구동전압에서 더욱 향상된 휘도를 발현하며, 직류 구동전압으로 구동시 픽셀마다 균일한 휘도를 발현할 수 있는 풀-컬러 LED 디스플레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.
LED소자는 1992년 일본 니치아사의 나카무라 등이 저온의 GaN 화합물 완충층을 적용하여 양질의 단결정 GaN 질화물 반도체를 융합시키는데 성공함으로써 개발이 활발하게 이루어져 왔다. LED는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 다수의 캐리어가 전자인 n형 반도체 결정과 다수의 캐리어가 정공인 p형 반도체 결정이 서로 접합된 구조를 갖는 반도체로써, 전기신호를 원하는 영역의 파장대역을 가지는 빛으로 변환시켜 표출되는 반도체 소자이다. 이러한 LED와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0121743은 발광다이오드 제조방법 및 이에 의해 제조되는 발광다이오드를 개시하고 있다.
상기 LED는 광 변환 효율이 높기에 에너지 소비량이 매우 적으며 수명이 반영구적이고 환경 친화적이어서 그린 소재이고, 신호등, 핸드폰, 자동차 전조등, 옥외 전광판, LCD BLU(back light unit), 그리고 실내외 조명 등 많은 분야에서 응용되고 있으며 국내외에서 활발한 연구가 계속되고 있다.
최근 LED가 많이 사용되고 있는 분야 중 하나는 디스플레이분야이다. 그러나 현재 LED는 수광형 디스플레이 중 하나인 액정표시장치의 백라이트(Back light)유닛에 구비되는 광원으로써 디스플레이 분야에서 널리 사용될 뿐, LED를 통해 직접적으로 영상을 시현할 수 있는 풀-컬러 LED 디스플레이로는 상용화가 제대로 이루어지지 않고 있는 실정이다. 풀-컬러 LED 디스플레이가 쉽게 상용화되지 못하고 있는 이유는 패널 내 LED의 실장, 배치에 기술적 한계가 있기 때문이다. 구체적으로 고해상도의 화질을 구현하기 위해서는 많은 픽셀이 존재해야 하고, 단위픽셀 서로 상이한 컬러를 구현하는 다수개의 서브픽셀이 포함되어야 한다. 한정된 단위면적 내에 다수개의 픽셀이 존재하기 위해서는 단위픽셀의 크기가 동시에 작아져야 하고, 동시에 서브픽셀의 크기도 작아져야 한다. 이때, 각각의 서브픽셀에 구비되는 LED 역시 크기가 작아져야 하며, 만일 단일의 서브픽셀내 다수개의 LED를 구비시킬 경우 LED의 크기는 더욱 작아져야 한다. 그러나 크기가 소형화된 LED를 목적하는 전극라인의 위치에 실장시키는 것은 용이하지 않다. 특히, 사람이나 기계가 집을 수 없는 초소형의 LED인 경우 더욱 그러하다. 따라서, 개별 성장되어 낱개로 분리된 크기가 마이크로 단위나 나노 단위인 LED 소자들을 디스플레이 전극라인에 배치시키는 것은 불가능에 가깝고 이에 따라 풀-컬러 LED 디스플레이의 상용화가 계속 지연되고 있다.
이를 해결하기 위하여 본 발명의 발명자는 대한민국 등록특허공보 제1209449호에서 초소형의 LED 소자 일단에 결합링커를 부착하고, 초소형 LED 소자가 실장된 전극상에 상기 결합링커와 결합할 수 있는 다른 결합링커를 부착시켜 풀-칼라 LED 디스플레이를 구현하려 했으나, 실제 초소형 LED 소자를 결합링커만으로 전극상에 실장시키기 어려웠고, 특히 초소형 LED 소자를 상, 하 배치되는 전극라인 사이에 직립시켜 실장시키기는 더더욱 어려워 LED 디스플레이가 제조되더라도 상, 하 배치되는 전극사이에 직립하여 개재된 LED 소자의 개수가 현저히 적음에 따라 매우 낮은 수준의 휘도를 발현하는 디스플레이가 구현될 뿐이었다.
이에 본 발명자는 대한민국 등록특허공보 제1436123호에서 나노단위의 초소형 LED 소자를 초소형의 전극라인에 전원을 인가함을 통해 전극어셈블리로 구현함을 통해 제조된 LED 디스플레이를 구현하기에 이르렀으나, 이와 같은 기술로 구현된 초소형 LED 전극어셈블리를 포함하는 디스플레이는 구동전원으로 직류(DC)를 인가시에 발광하지 않는 초소형 LED 소자의 개수가 현저히 증가하여 목적하는 휘도를 얻기 어려웠고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 구동전원으로 교류(AC)를 인가해야 하는 전원선택의 제한이 있었다. 이와 같은 결과는 발광다이오드 자체가 가지고 있는 정류소자로써의 특성 때문이다. 소자내 전류의 방향은 소자내 반도체층 구조에 따라서 결정될 수 있다. 일예로, p형 반도체와 n형 반도체가 접합된 발광다이오드의 경우 p형 반도체 쪽에 (+) 전원을 연결하고, n형 반도체 쪽에 (-) 전원을 연결할 때, n형 반도체의 자유전자가 p형 반도체 쪽의 양공으로 이동하면서 발생한 전위차로 인해 발광다이오드를 통해 전류가 흐를 수 있고, 상기 자유전자가 양공과 재결합하면서 다이오드는 발광할 수 있다. 그러나 만일 p형 반도체 쪽에 (-) 전원을 연결하고, n형 반도체 쪽에 (+) 전원을 연결할 경우 다이오드 내에서는 전류가 흐르지 않기 때문에 발광하지 않는다. 따라서, 초소형 LED 소자의 반도체 방향성과 서로 다른 실장전극간의 배치경향성이 없도록 구현된 등록특호공보 제1436123호에 따른 초소형 LED 전극어셈블리를 포함하는 디스플레이는 직류 구동전원의 인가시에 일부 초소형 LED소자가 발광하지 못하여 휘도가 현저히 저하되는 문제가 있다.
이에 따라 초소형 LED 소자를 전기적 단락없이 연통시키고, 구동전원의 선택 제한을 없애는 동시에 휘도가 더욱 개선되고, 픽셀마다 휘도차이가 발생하지 않는 풀-컬러 디스플레이에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 전극에 가로막혀 추출되지 못하는 광을 최소화하며, 초소형 LED 소자가 초소형 전극에 전기적 단락 등 불량 없이 연결된 초소형 LED 전극어셈블리를 포함하는 풀-컬러 LED 디스플레이 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 풀-컬러 LED 디스플레이의 구동전원 선택 제한을 해소하여 직류 구동전원을 통해서도 동등 또는 그 이상의 향상된 휘도특성이 발현되는 풀-컬러 LED 디스플레이 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 직류 구동전압에 의해 픽셀 또는 서브픽셀에서 발광하는 광의 강도가 유사하여 디스플레이 전체에서 균일한 휘도특성, 색재현성이 발현되는 풀-컬러 LED 디스플레이 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 특정한 파장대로 발광하는 광의 강도가 현저히 향상됨에 따라서 더욱 우수한 색재현성을 가질 수 있는 풀-컬러 LED 디스플레이 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리가 구비되도록 서브픽셀들을 형성시키는 단계;를 포함하여 제조되되, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 (1) 제1실장전극 및 상기 제1 실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 실장전극라인 상에 초소형 LED 소자들을 포함하는 용액을 투입하는 단계 및 (2) 단일의 초소형 LED 소자 일단부를 상기 제1 실장전극에 접촉시키고, 타단부는 상기 제2 실장전극에 접촉시키기 위하여 상기 실장전극라인에 하기 수학식 1에 따른 비대칭조립전압이 10 V 이상인 전원을 인가시켜 초소형 LED 소자들을 자기실장(self-mounting)시키는 단계를 포함하여 제조되는 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이 제조방법을 제공한다.
[수학식 1]
상기 A, B는 각각 인가되는 전원의 상단피크 전압의 크기, 하단피크 전압의 크기를 의미함.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 서로 상이한 제1광색, 제2광색 및 제3광색을 포함하여 복수개의 광색군으로 구분되고, 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리가 구비되도록 서브픽셀들을 형성시키는 단계;를 포함하여 제조되되, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 (가) 제1실장전극 및 상기 제1 실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 실장전극라인 상에 초소형 LED 소자들을 포함하는 용액을 투입하는 단계 및 (나) 단일의 초소형 LED 소자 일단부를 상기 제1실장전극에 접촉시키고, 타단부는 상기 제2실장전극에 접촉시키기 위하여 상기 실장전극라인에 하기 수학식 1에 따른 비대칭조립전압이 10 V 이상인 전원을 인가시켜 복수개의 초소형 LED 소자들을 자기실장(self-mounting)시키는 단계를 포함하여 제조되는 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전원은 주파수가 50 kHz ~ 1GHz 인 교류전압일 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 실장전극라인을 둘러싸는 절연격벽을 형성시킨 후 상기 절연격벽 내부에 복수개의 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 투입시켜 제조될 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 소자들을 자기실장 시키는 단계를 수행한 후 초소형 LED 전극어셈블리를 300 ~ 1000℃에서 0.5 ~10분간 열처리시키는 단계;를 더 수행할 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 소자들을 자기실장 시키는 단계를 수행한 후 제1실장전극 및 제2실장전극과 초소형 LED 소자의 단부가 접촉하는 영역을 포함하여 오믹층을 형성시키는 단계;를 더 수행할 수 있다.
또한, 상기 광색은 청색, 백색 또는 UV일 수 있다.
또한, 형성된 서브픽셀들 상에 단파장투과필터를 형성시키는 단계; 상기 서브픽셀들 중 일부 선택된 서브픽셀들에 대응하는 단파장 투과필터 상에 녹색 색변환층을 패터닝하고, 나머지 서브픽셀들 중 일부 선택된 서브픽셀들에 대응하는 단파장 투과필터 상에 적색 색변환층을 패터닝하는 단계; 및 상기 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 포함한 상부에 장파장 투과필터를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 복수개의 광색군 중 상기 제1광색은 청색이고, 상기 제2광색은 녹색이며, 상기 제3광색은 적색일 수 있다. 이때, 상기 복수개의 광색군은 백색인 제4광색군을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전원은 상기 수학식 1에 따른 비대칭조립전압이 25 V 이상일 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 소자는 길이가 100nm ~ 10㎛일 수 있다.
또한, 본 발명은 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리를 구비하는 서브픽셀들을 포함하고, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 동일평면상에 상호 이격된 제1실장전극과 제2실장전극을 포함하는 실장전극라인, 및 단일소자의 일단부가 상기 제1실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2실장전극에 접촉되는 초소형 LED 소자들을 포함하고, 하기의 수학식 2에 따른 휘도이득이 1.1 이상인 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이를 제공한다.
[수학식 2]
또한, 본 발명은 서로 상이한 제1광색, 제2광색 및 제3광색을 포함하여 복수개의 광색군으로 구분되고, 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리가 구비되는 서브픽셀들;을 포함하며, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 동일평면상에 상호 이격된 제1실장전극과 제2실장전극을 포함하는 실장전극라인, 및 단일소자의 일단부가 상기 제1실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2실장전극에 접촉되는 초소형 LED 소자들을 포함하고, 하기의 수학식 2에 따른 휘도이득이 1.1 이상인 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이를 제공한다.
[수학식 2]
이때, 인가된 상기 직류전압의 크기(V)는 sine파형의 교류전원 실효전압(Vrms)과 동일하다.
또한, 본 발명은 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리를 구비하는 서브픽셀들을 포함하고, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 동일평면상에 상호 이격된 제1실장전극과 제2실장전극을 포함하는 실장전극라인, 및 제1반도체층 및 제2반도체층을 포함하는 단일소자의 일단부가 상기 제1실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2실장전극에 접촉된 초소형 LED 소자들;을 포함하고, 실장전극에 접촉된 전체 초소형 LED 소자 중 상기 제1실장전극에 상기 제1반도체층이 직접적 또는 간접적 접촉된 초소형 LED 소자의 개수가 70% 이상인 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이를 제공한다.
또한, 본 발명은 서로 상이한 제1광색, 제2광색 및 제3광색을 포함하여 복수개의 광색군으로 구분되고, 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리가 구비되는 서브픽셀들;을 포함하며, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 동일평면상에 상호 이격된 제1실장전극과 제2실장전극을 포함하는 실장전극라인, 및 제1반도체층 및 제2반도체층을 포함하는 단일소자의 일단부가 상기 제1실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2실장전극에 접촉된 초소형 LED 소자들;을 포함하고, 실장전극에 접촉된 전체 초소형 LED 소자 중 상기 제1실장전극에 상기 제1반도체층이 직접적 또는 간접적 접촉된 초소형 LED 소자의 개수가 70% 이상인 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 초소형 LED 소자의 종횡비(Aspect ratio)는 1.2 ~ 100일 수 있다. 또한, 상기 초소형 LED 소자는 길이가 100nm ~ 10㎛일 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 소자는 제1반도체층, 상기 제1반도체층상에 형성된 활성층, 상기 활성층상에 형성된 제2반도체층 및 소자의 외부면 중 적어도 활성층 부분의 외부면 전체를 덮는 절연피막을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1반도체층 및 제2반도체층 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함할 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 상기 수학식 2에 따른 휘도이득이 1.3 이상일 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 단위면적(㎟)당 초소형 LED 소자의 실장개수가 1000개 이상일 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 소자 전체 개수 중 상기 제1실장전극에 상기 제1반도체가 접촉된 초소형 LED 소자의 개수는 80% 이상일 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 제1실장전극 및 제2실장전극과 초소형 LED 소자의 단부가 접촉하는 영역을 포함하여 형성된 오믹층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광색은 청색, 백색 또는 UV일 수 있다.
또한, 상기 서브픽셀들 상에 형성된 단파장투과필터; 상기 서브픽셀들 중 일부 선택된 서브픽셀들에 대응하는 단파장 투과필터 상에 구비되는 녹색 색변환층, 나머지 서브픽셀들 중 일부 선택된 서브픽셀들에 대응하는 단파장 투과필터 상에 구비되는 적색 색변환층을 포함하는 색변환층; 및 상기 색변환층 상에 구비되는 장파장 투과필터;를 더 포함할 수 있다.
또는, 복수개의 광색군 중 상기 제1광색은 청색이고, 상기 제2광색은 녹색이며, 상기 제3광색은 적색일 수 있다. 이때, 상기 복수개의 광색군은 백색인 제4광색군을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에서 사용한 용어에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 구현예의 설명에 있어서, "실장전극라인"이란 초소형 LED 소자의 양단부와 직접적으로 접촉이 가능한, 즉 초소형 LED 소자가 실질적으로 실장될 수 있는 전극라인인 경우 모두 이에 포함될 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, "제1실장전극에 접촉된 제1반도체층"의 의미는 제1반도체층이 직접 제1실장전극에 구조적 연결된 경우 뿐만 아니라, 제1반도체층 상에 전극층이 형성되고, 상기 전극층과 제1실장전극이 직접 구조적 연결됨에 따라서 제1반도체층이 간접적으로 제1실장전극에 연결된 경우를 모두 포함한다. 한편, 상기 구조적 연결이란, 전극라인에 구동전원을 인가했을 때 초소형 LED 소자의 발광여부와 관련된 전기적 연결상태까지를 의미하지는 않고, 전기적 연결되지 않더라도 물리적 접촉된 상태를 모두 포함한다.
본 발명에 의하면, 상, 하로 배치되는 디스플레이의 전극라인에 의해 가로막혀 초소형LED 소자에서 발생한 광자가 가로막혀 추출되지 못하는 것을 최소화하며, 초소형 LED 소자가 초소형 전극에 전기적 단락 등 불량 없이 연결되어 우수한 휘도를 발현할 수 있다. 또한, 초소형 LED 전극어셈블리의 구동전원 선택 제한을 해소하여 직류 구동전원을 통해서도 충분한 휘도특성이 발현될 수 있고, 더불어 직류 구동전원을 통해서 휘도특성이 더욱 개선될 수 있다. 나아가 직류 구동전압으로 구동시 픽셀마다 균일한 휘도를 발현할 수 있어서 디스플레이 전체에서 균일한 휘도특성, 색재현성이 발현될 수 있다. 더불어 LED 자체에 내재된 특정의 파장에 해당하는 광의 강도가 더욱 향상됨에 따라서 풀-컬러를 구현하기 위하여 다른 파장의 색광으로 변환시에도 변환된 색상의 광의 강도가 현저히 증가하여 색재현성이 더욱 향상된 디스플레이를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이의 평면모식도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이의 평면모식도로써, 도 2a는 두 전극라인이 서로 다른 평면상에 이격 배치되어 격자형의 전극라인을 형성하는 도면이고, 도 2b는 두 전극라인이 동일 평면상에서 격자형을 형성하되, 두 전극이 중첩되는 부분에 절연층이 개재된 전극라인을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리의 실장전극라인에 대한 도면으로써, 도 3a는 두 실장전극이 상호 교호적으로 배치되는 실장전극라인을 나타내며, 도 3b는 두 실장전극이 소용돌이 형상으로 교호적으로 배치되는 실장전극라인을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리의 실장전극라인에 대한 도면으로써, 도 4b는 도 4a와 같은 실장전극라인의 테두리를 둘러싸는 절연격벽이 형성된 실장전극라인을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 방법에 대한 모식도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 방법에 대한 모식도,
도 7은 종래의 방법으로 제조된 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 도면으로써, 도 7a는 초소형 LED 전극어셈블리의 사시도이고, 도 7b는 구동전원으로 교류전압 인가시 발광사진이며, 도 7c는 구동전원으로 직류전압 인가시 발광사진,
도 8는 전기장 하에서 초소형 LED 소자와 실장전극 간 정전기적 인력을 나타낸 모식도로써, 도 8a는 실장전극에 전원이 인가되기 전의 모식도이고, 도 8b는 실장전극에 대칭조립전원이 인가된 경우의 모식도이며, 도 8c는 실장전극에 비대칭조립전원이 인가된 경우의 모식도,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이를 제조하는 방법에 대한 모식도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 도면으로써, 도 10a는 초소형 LED 전극어셈블리의 사시도이고, 도 10b는 구동전원으로 교류전압 인가시 발광사진이며, 도 10c는 구동전원으로 직류전압 인가시 발광사진이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리에서 실장전극과 초소형 LED 소자의 양단부가 접촉하는 여러 유형에 대한 모식도,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 도면으로써, 도 12a는 구동전원으로 교류전압 인가시 발광사진이며, 도 12b는 구동전원으로 직류전압 인가시 발광사진이고,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리에 오믹층이 형성된 것을 나타내는 도면, 그리고,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이에 대한 것으로써, 도 14a는 RGB LED 디스플레이를 나타내는 도면, 그리고 도 14b는 RGBW LED 디스플레이를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이의 평면모식도로써, 도 2a는 두 전극라인이 서로 다른 평면상에 이격 배치되어 격자형의 전극라인을 형성하는 도면이고, 도 2b는 두 전극라인이 동일 평면상에서 격자형을 형성하되, 두 전극이 중첩되는 부분에 절연층이 개재된 전극라인을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리의 실장전극라인에 대한 도면으로써, 도 3a는 두 실장전극이 상호 교호적으로 배치되는 실장전극라인을 나타내며, 도 3b는 두 실장전극이 소용돌이 형상으로 교호적으로 배치되는 실장전극라인을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리의 실장전극라인에 대한 도면으로써, 도 4b는 도 4a와 같은 실장전극라인의 테두리를 둘러싸는 절연격벽이 형성된 실장전극라인을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 방법에 대한 모식도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리를 제조하는 방법에 대한 모식도,
도 7은 종래의 방법으로 제조된 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 도면으로써, 도 7a는 초소형 LED 전극어셈블리의 사시도이고, 도 7b는 구동전원으로 교류전압 인가시 발광사진이며, 도 7c는 구동전원으로 직류전압 인가시 발광사진,
도 8는 전기장 하에서 초소형 LED 소자와 실장전극 간 정전기적 인력을 나타낸 모식도로써, 도 8a는 실장전극에 전원이 인가되기 전의 모식도이고, 도 8b는 실장전극에 대칭조립전원이 인가된 경우의 모식도이며, 도 8c는 실장전극에 비대칭조립전원이 인가된 경우의 모식도,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이를 제조하는 방법에 대한 모식도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 도면으로써, 도 10a는 초소형 LED 전극어셈블리의 사시도이고, 도 10b는 구동전원으로 교류전압 인가시 발광사진이며, 도 10c는 구동전원으로 직류전압 인가시 발광사진이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리에서 실장전극과 초소형 LED 소자의 양단부가 접촉하는 여러 유형에 대한 모식도,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리에 대한 도면으로써, 도 12a는 구동전원으로 교류전압 인가시 발광사진이며, 도 12b는 구동전원으로 직류전압 인가시 발광사진이고,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리에 오믹층이 형성된 것을 나타내는 도면, 그리고,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이에 대한 것으로써, 도 14a는 RGB LED 디스플레이를 나타내는 도면, 그리고 도 14b는 RGBW LED 디스플레이를 나타낸 도면이다.
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.
본 발명의 제1구현예에 의한 풀-컬러 LED 디스플레이는 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리가 구비되도록 서브픽셀들을 형성시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
도 1를 참고하여 설명하면, 디스플레이는 다수개의 서브픽셀(1001,1002,1003)를 형성하는 단계를 포함하여 제조될 수 있는데, 상기 서브픽셀(1001,1002,1003) 당 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리(100,201,202,301,302,303,304)가 구비되도록 서브픽셀이 형성될 수 있다. 일예로, 제1서브픽셀(1001)과 같이 1개의 초소형 LED 전극어셈블리(100)가 1개의 서브픽셀을 형성할 수 있다. 또는 제2서브픽셀(1002)과 같이 2개의 초소형 LED 전극어셈블리(201,202)가 1개의 서브픽셀을 형성할 수 있다. 또는 제3서브픽셀(1003)과 같이 4개의 초소형 LED 전극어셈블리(301,302,303,304)가 1개의 서브픽셀을 형성할 수도 있다. 서브픽셀당 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리의 개수는 구현되는 LED 디스플레이의 전체면적, 해상도, LED 소자의 광효율 등에 따라 변경되어 실시될 수 있다.
상기 서브픽셀당 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리 또는 초소형 LED 전극어셈블리들은 실질적으로 동일한 광색을 발광한다. 이때, 실질적으로 동일한 광색란 발광되는 광의 파장이 완전히 동일함을 의미하지는 않고, 통상적으로 동일한 광색이라고 칭할 수 있는 파장영역에 속하는 광을 의미한다. 일예로, 광색이 청색인 경우 420 ~ 470 ㎚의 파장영역에 속하는 광을 발광하는 초소형 LED 전극어셈블리들은 모두 실질적으로 동일한 광색을 발광한다고 볼 수 있다. 또한, 상기 광색은 초소형 LED 전극어셈블리 전체에서 발광되는 광의 색을 의미하며, 초소형 LED 전극어셈블리에 구비된 초소형 LED 소자가 발광되는 광의 색만을 의미하지는 않는다. 일예로, 초소형 LED 전극어셈블리가 백색의 광색을 발광한다고 할 경우 상기 초소형 LED 전극 어셈블리에는 백색을 발광하는 것처럼 보일 수 있을 정도로 초소형 적색 LED, 초소형 녹색 LED 및 초소형 청색 LED를 모두 구비하거나, 초소형 청색 LED 소자만 구비되고, 황색 형광체를 전극어셈블리에 더 구비한 초소형 LED 전극어셈블리일 수도 있다.
본 발명의 제1구현예에 따른 디스플레이에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리가 발광하는 광색은 일예로, 청색, 백색, 또는 UV일 수 있다.
한편, 도 1에는 통상적인 디스플레이에 구비되는 데이터전극, 게이트전극 등의 전극배치가 도시되지 않았으나 도시되지 않은 전극의 배치는 통상적인 디스플레이에서 사용되는 전극의 배치가 채용될 수 있다. 디스플레이의 전극배치에 따라 결정되는 서브픽셀이 형성되는 위치(서브픽셀위치(sub-pixel sites))에 제1실장전극 및 상기 제1실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제2실장전극을 포함하는 실장전극라인이 배치될 수 있다. 일예로, 도 2a와 같이 격자형의 전극배치에서 전극으로 둘러싸인 영역에 서브픽셀(1001,1002,1003)이 위치할 수 있다.
한편, 상기 초소형 LED 전극어셈블리에 구비되는 실장전극라인은 제1실장전극과 제2실장전극이 동일평면상에 이격되어 형성되어야 하는데, 도 2a에서 제1실장전극(미도시)이 연결되는 제Ⅰ전극(1100)이 양극(또는 음극)인 경우 제2실장전극(미도시)이 연결되는 제Ⅱ전극(1300)은 음극(또는 양극)이어야 함에 따라서 접촉을 피하기 위하여 제Ⅰ전극(1100)과 제Ⅱ전극(1300)은 도 2a의 A-A'경계선에 따른 부분단면확대도와 같이 제Ⅰ전극(1100) 상에 제Ⅱ전극(1300)이 이격하여 배치될 수 있다. 구체적으로 도 3a는 도 2a와 같은 전극배치에서 서브픽셀위치에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리의 실장전극라인의 일예로써, 제1실장전극(110)은 하부에 배설되는 제Ⅰ전극(1100)과 연결되고, 제2전극(130)은 상기 제1실장전극(110)과 동일평면상에 배치되며, 상기 제2실장전극(130)은 상기 제Ⅰ전극(1100)과 격자형으로 배치되되, 상호간의 접촉을 방지하기 위해 상부에 형성된 제Ⅱ전극(1300)에 연결될 수 있다. 이때, 제1실장전극(110)과 제2실장전극(130)은 서로 이격하여 배치되되 가능한 많은 수의 초소형 LED 소자가 실장될 수 있도록 교호적으로 배치되어 실장전극라인(P)을 형성할 수 있다. 한편, 상기 실장전극라인(P)의 제1실장전극(110) 및 제2실장전극(130)은 도 3a와 다르게 도 3b와 같이 제1실장전극(110')과 제2실장전극(130')이 소용돌이 모양으로 상호간에 이격하여 배치될 수도 있는 등 상기 실장전극라인의 구체적 형상은 목적에 따라 변경할 수 있고 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
또는, 도 2b와 같이 제Ⅰ전극(1100)과 제Ⅱ전극(1300) 격자로 배치되되, B-B' 경계선에 따른 부분단면확대도와 같이 제Ⅰ전극(1100)과 제Ⅱ전극(1300)의 중첩부분에 전기적 쇼트가 발생하지 않도록 절연층(1601)이 개재되도록 하여 전극배치가 될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 디스플레이에 포함되는 전극구조, 배치, 재질 등에 대해서는 본 발명자에 의한 대한민국 등록특허공보 제1436123호가 참조로 삽입될 수 있으며, 그 이외에 통상적인 디스플레이에 사용되는 전극구조, 배치, 재질 등을 채용할 수 있음에 따라서 본 발명에서는 구체적인 설명은 생략한다.
이하, 서브픽셀 위치에 형성된 실장전극라인에 초소형 LED 소자를 실장시켜초소형 LED 전극어셈블리를 구현하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다. 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 (1)단계로써, 제1 실장전극 및 상기 제1 실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 실장전극라인에 복수개의 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 투입하는 단계 및 (2) 단일의 초소형 LED 소자 일단부를 상기 제1 실장전극에 접촉시키고, 타단부는 상기 제2 실장전극에 접촉시키기 위하여 상기 실장전극라인에 하기 수학식 1에 따른 비대칭조립전압이 10 V 이상인 전원을 인가시켜 초소형 LED 소자들을 자기실장(self-mounting)시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
먼저, 상기 (1) 단계로써, 도 4a와 같이 제1실장전극(110) 및 상기 제1실장전극(110)과 동일평면상에 이격되어 형성된 제2실장전극(130)을 포함하는 실장전극라인(P1,P2,P3)을 준비한 후 상기 실장전극라인(P1,P1',P1")에 복수개의 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 투입하는 단계를 수행한다.
구체적으로 도 5a는 실장전극라인(P1) 상에 투입되는 복수개의 초소형 LED 소자(120)가 용매(140)에 분산된 용액(120,140)을 나타낸다. 이때, 실장전극라인(P1)의 하부에는 절연층(1600)이 개재됨으로써 상기 용액이 실장전극라인(P1)의 하부로 새어나가는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 5a와 같이 실장전극라인(P1)상에 초소형 LED 소자를 포함하는 용액(120,140)을 투입시, 상기 용액은 실장전극라인(P1) 상에 그대로 머무는 것이 아니라 투입과 동시에 실장전극라인(P1) 밖을 향해 퍼짐에 따라서 실장전극라인의 테두리 부분에 초소형 LED 소자가 집중하여 배치되거나 실장전극라인 밖으로 초소형 LED 소자가 이동해 결국 실장되지도 못하고 버려지는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 도 4b와 같이 상기 실장전극라인(P2)의 가장자리를 둘러싸는 절연격벽(1700)을 더 포함할 수 있고, 도 6a와 같이 초소형 LED 소자를 포함하는 용액(120',141)을 절연격벽(1700) 안에 투입하여 초소형 LED 소자가 불균일하게 퍼져 배치되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 절연격벽의 구체적인 제조방법, 구조 및 투입되는 용액에서의 용매, 초소형LED 소자의 용액내 함량 등에 대한 설명은 대한민국 특허출원 제2014-0085384호가 참조로 삽입될 수 있어서, 본 발명은 이에 대한 구체적 설명을 생략한다.
다음으로 본 발명에 따른 (2) 단계로써, 단일의 초소형 LED 소자 일단부를 상기 제1 실장전극에 접촉시키고, 타단부는 상기 제2 실장전극에 접촉시키기 위하여 도 5b와 같이 상기 실장전극라인에 본 발명에 따른 수학식 1의 비대칭조립전압이 10 V 이상인 전원을 인가시켜 복수개의 초소형 LED 소자들을 자기정렬 시키는 단계를 수행한다.
상기 (2) 단계는 실장전극라인에 전기장을 형성시켜 전기장 하에서 초소형 LED 소자에 발생하는 분극, 분극된 초소형 LED 소자와 인접한 실장전극간의 정전기적 인력 등의 여러 가지 물리적 힘을 통하여 소자가 스스로 전극으로 이동, 정렬을 통하여 자기실장될 수 있다. 다만, 소자가 스스로 전극으로 이동, 정렬할 뿐만 아니라 소자 내 제1반도체층이 제1실장전극에 접촉되도록 하여 실장되는 초소형 LED 소자들의 배향 경향성을 향상시키기 위해서는 하기 수학식 1에 따른 비대칭조립전압이 10V이상인 전원을 인가해야만 한다.
[수학식 1]
여기서, 상기 A, B는 각각 인가되는 전원의 상단피크 전압의 크기 및 하단피크 전압의 크기를 의미한다.
본 발명자에 의한 종래의 초소형 LED 전극어셈블리는 상기 (2) 단계에서 인가되는 전원이 상기 수학식 1에 따른 값이 0V가 되는 대칭조립전압을 사용했었다. 그러나 이와 같은 대칭조립전압은 초소형 LED 소자의 특정 일단이 특정한 실장전극으로 접촉될 수 있는 배향성을 랜덤하게 결정함에 따라서 배향성을 갖도록 초소형 LED 소자를 실장시킬 수 없어서 구동전압으로 교류전압을 사용할 수밖에 없었다. 구체적으로 도 7a는 수학식 2에 따른 값이 0V가 되는 대칭조립전압을 사용하여 구현된 초소형 LED 전극어셈블리의 모식도로써, 이와 같은 초소형 LED 전극어셈블리는 도 7b와 같이 교류전압인 구동전원으로 구동시켰을 때 발광 가능함을 확인할 수 있다. 그러나 대칭조립전압을 사용해 구현된 도 7b와 동일한 초소형 LED 전극어셈블리는 구동전원의 종류를 달리하여 직류전압을 인가시에 도 7c와 같이 도 7b와 다르게 발광효율이 현저히 감소함을 확인할 수 있다. 이는 도 7a와 같이 대칭조립전압을 통해 구현된 초소형 LED 전극어셈블리는 구동전원으로 직류전압을 사용하기에 문제가 있음을 의미한다.
상기 도 7c와 같이 직류 구동전원에서 휘도가 감소하는 문제는 전극어셈블리 내에 초소형 LED 소자의 서로 다른 반도체(Ex. p형 반도체, n형 반도체)와 각각 직접 또는 간접적 접촉되는 서로 다른 실장전극 간의 배향성에 경향성이 없기 때문이다. 구체적으로 도 7a에서 확인할 수 있듯이, 초소형 LED 전극어셈블리에 실장된 8개의 초소형LED 소자 중 제1초소형LED 소자(21)와 같이 제1실장전극(10)에 동일한 종류의 반도체가 접촉한 소자의 개수는 4개이며, 다른 4개의 초소형 LED 소자는 다른 종류의 반도체 소자가 제1실장전극(10)에 접촉해 있다. 따라서 도 7a와 같은 초소형 LED 전극어셈블리에 일방향의 직류 구동전원을 인가시 4개의 초소형 LED 소자만 발광하며, 나머지 4개의 초소형 LED 소자는 발광하지 못하는 문제가 있으며, 이는 휘도 저하와 직결된다.
결국 대칭조립전압 인가를 통해 초소형 LED 소자를 자기정렬 시키는 종래의 방법을 통해서는 초소형 LED 소자의 양단부 각각을 서로 다른 두 전극에 접촉시킬 수 있을 뿐, 초소형 LED 소자와 실장전극 간에 배향성을 의도한대로 조절하여 실장시킬 수 없기 때문에 모든 경우에서 직류의 구동전압으로 높은 휘도를 발현하는 초소형 LED 전극어셈블리가 제조될 수 없다.
그러나 대칭전압이 아닌 비대칭전압을 인가하고, 비대칭의 정도가 본 발명에 따른 수학식 1의 비대칭전압이 10V이상인 전원을 인가 할 경우 초소형 LED 소자와 실장전극 간에 배향성을 의도적으로 조절 가능하고, 이를 통해 직류의 구동전압으로 디스플레이를 구동시킬 수 있는 동시에 구동된 디스플레이가 현저히 우수한 휘도특성을 발현할 수 있다.
비대칭전압이 초소형 LED 소자와 실장전극 간의 배향성에 영향을 미친다는 것을 도 8을 참조하여 설명한다. 구체적으로 도 8a는 상기 (1) 단계 수행 직후에 해당하며, 실장전극라인(110,130) 상에 투입된 제1반도체층(120b) 및 제2반도체층(120d)을 구비한 초소형 LED 소자(120)를 나타낸다. 도 8a에 도시되지 않았지만 상기 초소형 LED 소자(120)는 용매와 혼합된 상태이다. 도 8a 상태의 초소형 LED 소자를 실장시키기 위하여 종래에는 도 8b와 같이 제1실장전극(110) 및 제2실장전극(130)에 인가되는 전압의 피크 크기가 서로 대칭(VAC = ±30V)이 되는 전압을 인가했는데, 이 경우 도 8b와 같이 두 전극 사이에서 초소형 LED 소자에 가해지는 정전기적 인력의 크기(a1,a2)는 초소형 LED 소자 내 제1반도체층(120b) 및 제2반도체층(120d)의 길이가 동일하고, 주변의 다른 영향을 모두 배제했을 때 서로 동일할 수 있다. 이때, 제1반도체층(120b)이 제1실장전극(110)에 접촉될 확률은 50%일 수 있다. 이를 확장해 볼 때 실장전극에 투입된 복수개의 초소형 LED 소자 각각은 약 50%의 확률로 제1반도체층(120b)이 제1실장전극(110)에 접촉될 수 있으며, 총 10개의 초소형 LED 소자가 제1실장전극(110)에 접촉되도록 실장될 확률은 (0.5)10에 불과하다.
그러나 도 8c와 같이 제1실장전극(110) 및 제2실장전극(130)에 전압을 비대칭적으로 인가시킬 경우 초소형 LED 소자의 표면에 분극상태는 도 8b와 다르게 형성됨에 따라서 제1반도체층(120b)을 제1실장전극(110)쪽으로, 제2반도체층(120d)을 제2실장전극(130)쪽으로 이동시키는 정전기적인력(b1,b2)이 더 강해지게 되어 제1반도체층(120b)이 제1실장전극(110)에 접촉될 확률이 훨씬 커지게 되며, 이를 확장해 볼 때 실장전극에 투입된 복수개의 초소형 LED 소자가 배향성을 가지고 제1실장전극과 더욱 용이하게 접촉할 수 있다.
다만, (1) 단계를 수행한 직후의 상태는 모든 초소형 LED 소자가 도 8a와 같이 두 전극 사이에 나란하게 배치되는 것은 아니며, 일부 초소형 LED 소자는 정도를 달리하며 비스듬하게 배치되거나, 다른 초소형 LED 소자는 어느 하나의 실장전극 상에 올려져 있을 수도 있다. 또한, 초소형 LED 소자 내 각 반도체층의 길이가 서로 상이하도록 비대칭적으로 형성될 수 있다. 따라서, 이와 같은 모든 상황을 고려하여 초소형 LED 소자의 특정 반도체층이 특정의 실장전극에 접촉되도록 하는 배향 경향성을 더욱 향상시키기 위하여 실장전극에 인가되는 조립전원의 비대칭 정도는 상기 수학식 1에 따라서 10V 이상이어야 하며, 바람직하게는 25V 이상일 수 있다. 만일 수학식 1에 따른 비대칭조립전압이 10V 미만일 경우 초소형 LED 소자의 특정 반도체층이 특정의 실장전극에 접촉되도록 하는 배향 경향성이 감소되어, 제조된 초소형 LED 전극어셈블리의 일부는 구동전원으로 직류를 인가시에 교류를 구동전원의 인가시보다 휘도가 현저히 저하되고, 이로 인해 서브픽셀 간에 휘도의 차이가 있을 수 있고, 종국적으로 영상의 해상도, 색재현성 등이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 전원은 주파수가 50kHz ~ 1 GHz일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 주파수가 90 kHZ ~ 100 MHz 인 싸인파의 파형을 갖는 교류전원일 수 있다. 만일 주파수가 50 kHz 미만일 경우 전압범위를 만족하더라도 실장되는 초소형 LED 소자의 개수가 현저히 저하되고, 소자 배향성도 매우 불규칙해짐에 따라 직류를 구동전원으로 사용하지 못할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 만일 주파수가 1 GHz를 초과하는 경우 초소형 LED 소자가 빠르게 변화하는 교류전원에 대해 적응하지 못하므로 소자의 실장성이 낮아지고, 배향 경향성도 감소하게 되며, 결국 주파수가 낮을 때와 마찬가지로 직류를 구동전원으로 사용하지 못할 수 있다.
한편, 상기 (2) 단계 수행 후 (3) 단계로써, 실장전극라인 및 상기 실장전극라인 상에 자기실장된 초소형 LED 소자를 300 ~ 1000℃에서 0.5 ~10분간 열처리시키는 단계를 더 수행할 수 있다. 이때, 보다 바람직하게는 상기 열처리 온도는 600 ~ 1000℃일 수 있다. 상기 열처리 공정은 초소형 LED 소자를 서로 다른 실장전극에 각각 접촉시킨 후 초소형 LED 소자의 이동, 정렬을 용이하게 하도록 투입되었던 용매를 제거하기 위한 공정이다. 용매가 완전제거가 되지 않은 상태에서 구동전원이 인가되거나, 실장전극과 초소형 LED 소자간에 접촉저항을 감소시키기 위한 오믹층을 형성할 경우 초소형 LED 전극어셈블리는 목적하는 수준의 발광효율을 발현하지 못할 수 있다. 또한, 제거되지 않은 용매는 오믹층 제조단계에서 공정상의 결함을 유발할 수 있고, 오믹층이 형성되더라도 형성되는 정도가 미약할 수 있으며, 많은 전류손실이 발생할 수 있다. 만일 300 미만 및/또는 0.5분 미만의 시간으로 열처리가 수행되면 불순물이 완전히 제거되지 않는 문제와 초소형 LED 소자와 실장전극 사이의 접촉반응이 완전히 일어나지 않을 수 있는 문제가 발생할 수 있고, 1000를 초과 및/또는 10분을 초과하여 수행되면 베이스 기판 및/또는 전극이 변형되거나 깨지는 문제가 발생할 수 있으며, 저항의 증가로 초소형 LED 소자에 전압이 제대로 인가되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 (3) 단계는 후술하는 오믹층의 형성 후 재실시됨이 바람직하며, 이를 통해 보다 향상된 발광효율을 발현하는 초소형 LED 전극어셈블리를 구현할 수 있고, 구현되는 LED 디스플레이의 휘도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 LED 디스플레이에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리 제조방법은 상술한 (2) 단계에 이후에 제1실장전극 및 제2실장전극과 초소형 LED 소자의 접촉부분을 포함하여 오믹층을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 오믹층의 형성단계는 상술한 (3) 단계 이후에 수행되는 것이 바람직하다.
도 13에 도시된 것과 같이 상기 접촉부분(S)을 포함하여 오믹층(1800)을 형성하는 이유는 구동전원의 인가 시에 실장전극과 초소형 LED 소자 간에 발생할 수 있는 접촉저항을 줄여 발광효율을 더욱 높이기 위함이다. 상기 오믹층은 당업계에 공지된 통상의 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있어 본 발명은 이에 대한 구체적인 방법에 대해 한정되지 않으며, 이에 대한 설명도 생략한다. 또한, 속오믹층의 재질도 공지된 재질을 사용할 수 있고, 일예로, 금(Au)일 수 있다.
한편, 본 발명의 제1구현예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이는 서브픽셀에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리가 청색, 백색 또는 UV인 광색을 출사할 수 있는데, 이 경우 컬러영상을 시현하기 위하여 출사되는 광색과 다른 광색의 광으로 변환시킬 수 있는 색변환층을 서브픽셀들 상부에 구비시키는 단계를 더 수행할 수 있다.
바람직하게는 색순도를 더욱 높여 색재현성을 향상시키고, 색변환층에서의 후면발광을 전면으로 되도록 색변환된 광, 일예로 녹색/적색의 전면발광효율을 향상시키기 위하여 서브픽셀 상부에 단파장투과필터를 형성시키고, 상기 단파장투과필터 상부 중 일영역에 색변환층을 형성시킬 수 있다.
이를 청색의 광색을 발광하는 초소형 LED 전극어셈블리가 구비된 서브픽셀들로 구현되는 디스플레이를 기준으로 설명하며, 구체적으로 도 9a와 같이 금속오믹층이 형성된 서브픽셀들의 상부를 평탄화 시키는 동시에 절연시키기 위하여 부동화층(1910)을 도 9b와 같이 형성시킨 후, 도 9c와 같이 상기 부동화층(1910)의 상부에 단파장투과필터(1920)를 형성시킬 수 있다. 상기 단파장 투과필터(402)는 고굴절/저굴절 재료의 박막을 반복시킨 다층막일 수 있으며, 상기 다층막의 구성은 청색을 투과시키고, 청색보다 긴 파장의 광색은 반사시키기 위하여 [(0.125)SiO2/(0.25)TiO2/(0125)SiO2]m(m =반복층수, m은 5이상) 일 수 있다. 또한 단파장 투과필터(402)의 두께는 0.5 내지 10 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 단파장 투과필터(1920)의 형성방법은 e-빔(e-beam), 스퍼터링, 및 원자증착법 중 어느 하나의 방법일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 도 9d와 같이 상기 단파장투과필터(1920)에 색변환층(1930,1940)을 형성시키는 단계를 수행할 수 있다. 상기 색변환층(1930,1940)은 구체적으로 서브픽셀들 중 일부 선택된 서브픽셀들에 대응하는 단파장 투과필터 상에 녹색 색변환층(1930)을 패터닝하고, 나머지 서브픽셀들 중 일부 선택된 서브픽셀들에 대응하는 단파장 투과필터 상에 적색 색변환층(1940)을 패터닝하여 형성시킬 수 있다. 상기 패터닝을 형성하는 방법은 스크린 프린팅 공법, 포토리소그래피(photolithography) 및 디스펜싱으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 방법에 의할 수 있다. 한편, 상기 녹색 변환층과 적색 변환층의 패터닝 순서는 제한이 없으며 동시에 형성되거나 역순으로 형성되는 것도 가능하다. 또한, 생기 적색 색변환층(1940) 및 녹색 색변환층(1930)은 조명, 디스플레이 분야에서 공지된 색변환층, 일예로 컬러필터 또는 초소형 LED 전극어셈블리에서 발광하는 광색에 의해 여기되어 목적하는 광색으로 변환시킬 수 있는 형광체 등의 색변환물질을 포함할 수 있으며, 공지된 색변환물질을 사용할 수 있다. 일예로, 상기 녹색 색변환층(1930)은 녹색 형광물질을 포함하는 형광층일 수 있고 구체적으로는 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, (Ca,Sr,Ba)Si2O2N2:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, γ-AlON:Mn 및 γ-AlON:Mn,Mg 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 형광체를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 적색 색변환층(1940)은 적색 형광물질을 포함하는 형광층일 수 있고, 구체적으로 (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.
도 9d와 같이 제조된 LED 디스플레이 기판을 수직 상부에서 관찰하면, 일부 서브픽셀 영역은 단파장투과필터만이 최상층에 배치되고 수직상부에 녹색 색변환층 및 적색 색변환층이 형성되지 않아 이러한 영역에서는 청색광이 조사될 수 있다. 반면에 단파장투과필터 상부에 녹색 색변환층(1930)이 형성된 일부 서브픽셀 영역은 녹색 변환층을 통해 녹색광이 조사될 수 있다. 또한 나머지 서브픽셀 영역은 단파장투과필터 상부에 적색 변환층(1940)이 형성됨에 따라 적색광이 조사될 수 있고, 이를 통해 컬러-바이-블루 LED 디스플레이를 구현할 수 있다.
바람직하게는 도 9e와 같이 상기 녹색 및 적색 색변환층(1930,1940)을 포함한 상부에 장파장 투과필터(1950)를 형성할 수 있다.
바람직하게는 상기 장파장 투과필터(1950)를 형성하기 전에 상기 패터닝된 색변환층(1930,1940)을 포함하는 단파장 투과필터(1920) 상부에 절연체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이는 도 9d와 같이 녹색 또는 적색 색변환층이 형성돤 부분과 형성되지 않는 부분간에는 층이 생겨 굴곡이 발생하므로 절연체층을 코팅하여 평탄화 시킬 수 있다. 상기 절연체층은 SOG(spin-on-glass), 투명 polymer 및 투명 유전물질 페이스트 중 어느 하나의 물질을 스핀코팅 또는 스크린프린팅 하여 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 형성되는 절연체층의 두께는 10 내지 100 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
이후 도 9e와 같이 절연체층의 상부에서 초소형 청색 LED에서 방출된 청색 빛과 녹색/적색 색변환층에서 발광하는 녹색/적색 빛이 혼합되어서 색순도가 떨어지는 것을 방지하기 위하여 장파장 투과필터(1950)를 형성할 수 있다. 상기 장파장 투과필터(1950)는 상기 녹색 색변환층(1930) 및 적색 색변환층(1940)의 일부 또는 전부의 상부에 형성될 수 있고, 바람직하게는 녹색/적색 색변환층 상에만 형성될 수 있다. 이때 사용 가능한 장파장 투과필터(1950)는 청색을 반사시키는 장파장 투과 및 단파장 반사의 목적을 달성할 수 있는 고굴절/저굴절 재료의 박막을 반복시킨 다층막일 수 있으며, 구성은 [(0.125)SiO2/(0.25)TiO2/(0125)SiO2]m(m =반복층수, m은 5이상)일 수 있다. 또한 장파장 투과필터(1950)의 두께는 0.5 내지 10 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 장파장 투과필터(1950)의 형성방법은 전자빔(e-beam), 스퍼터링 및 원자증착법 중 어느 하나의 방법일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 녹색/적색 색변환층 상부에만 장파장투과 필터를 형성시키기 위해서는 녹색/적색 색변환층을 노출시키고 그 이외는 마스킹할 수 있는 메탈 마스크를 사용하여 목적하는 영역에만 장파장 투과 필터를 형성시킬 수 있다.
이상으로 상술한 제조방법을 통해 구현될 수 있는 본 발명의 제1구현예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이는 초소형 LED 소자의 특정 일단과 특정의 실장전극라인 간의 배향 경향성이 향상됨에 따라서 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리를 구비하는 서브픽셀들을 포함하고, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 동일평면상에 상호 이격된 제1실장전극과 제2실장전극을 포함하는 실장전극라인, 및 제1반도체층 및 제2반도체층을 포함하는 단일소자의 일단부가 상기 제1실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2실장전극에 접촉된 초소형 LED 소자들;을 포함하고, 실장전극에 접촉된 전체 초소형 LED 소자 중 상기 제1실장전극에 상기 제1반도체층이 직접적 또는 간접적 접촉된 초소형 LED 소자의 개수가 70% 이상을 만족한다.
구체적으로 도 10a는 서브픽셀에 구비되는 일초소형 LED 전극어셈블리에 대한 모식도로써, 동일평면상에 상호 이격된 제1실장전극(110)과 제2실장전극(130)을 포함하는 전극라인 및 일단부가 상기 제1실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2실장전극에 접촉된 복수개의 초소형 LED 소자(121,122)를 포함하여 구현된다.
도 10a와 같은 초소형 LED 전극어셈블리는 제1 실장전극(110)과 제2 실장전극(130)을 동일평면상에 위치시킴으로써 초소형 LED 소자(121,122)를 상기 전극들에 눕혀서 연결시킬 수 있고, 나노단위 크기의 초소형 LED 소자를 반드시 3차원적으로 직립시켜 전극에 결합시킬 필요가 없음에 따라서 전극과 전기적으로 연결되는 소자의 개수가 증가되는 있는 이점이 있다. 또한, 초소형 LED 소자의 내부에서 발생한 광자가 전극에 가로막혀 추출되지 못하고 내부에서 소멸되는 것을 최소화함에 따라서 초소형 LED 소자의 광추출 효율(extraction efficiency)을 현저히 향상시킬 수 있고, 향상된 휘도를 갖는 LED 디스플레이의 구현에 보다 적합하다.
도 10a는 두 실장전극(110,130) 상에 초소형 LED 소자(121,122)의 양단부가 각각 접촉하고 있으나, 도 11과 같이 여러가지 형태로 초소형 LED 소자의 양단부가 두 실장전극에 접촉할 수 있다. 구체적으로 제1초소형LED소자(123)는 제1실장전극(111) 및 제2실장전극(131) 상부에 양단부가 접촉되도록 실장되어 있고, 제2초소형LED소자(124)는 일단부는 제2실장전극(131)상에, 타단부는 제1실장전극(112)의 측면에 접촉되어 있다. 또한, 제3초소형LED소자(125)는 양단부가 제1실장전극(112) 및 제2실장전극(132)의 측면에 접촉되어 있다. 도 11과 같이 본 발명의 일 실시예에 포함되는 초소형 LED 전극어셈블리는 초소형LED소자가 두 실장전극 사이의 이격공간에 끼워져 접촉되거나, 두 실장전극 상에 올라타 접촉될 수 있는 등 단일의 초소형 LED 전극어셈블리내 여러 형태의 접촉유형이 존재할 수 있다. 한편, 두 실장전극 사이의 이격공간에 멀티레이어를 형성하여 초소형LED소자가 끼워져 접촉될 수도 있는 등 도 11의 접촉유형에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 포함되는 단일 초소형 LED 전극어셈블리에 실장된 초소형 LED 소자는 실장된 초소형 LED 소자 전체 개수 중 약 70 % 이상이 동일한 종류의 반도체, 일예로 제1 반도체층이 동일한 종류의 전극, 일예로 제1실장전극에 접촉되는 배향 경향성을 갖도록 구현되어 교류를 구동전원으로 사용하지 않고, 직류를 구동전원으로 사용해도 실장된 전체 초소형 LED 소자 중 70% 이상의 초소형 LED 소자를 발광시킬 수 있어서 충분한 휘도특성을 발현할 수 있다. 만일 실장된 초소형 LED 소자 전체 중 70% 개수 미만의 초소형 LED 소자만이 일방향의 배향성을 나타낼 경우 직류를 구동전원으로 사용했을 때 발현하는 휘도가 교류를 구동전원으로 사용했을 때 발현하는 휘도보다 현저히 저하하여, 직류 구동전원으로 LED 디스플레이를 구동시킬 수 없다. 바람직하게는 단일 초소형 LED 전극어셈블리에서 실장되는 전체 초소형 LED 소자 중 소자의 제1반도체층이 제1실장전극에 직접/간접 접촉되는 초소형 LED 소자의 개수가 80% 이상일 수 있고, 이를 통해 더욱 향상된 휘도특성을 발현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 디스플레이에 구비되는 초소형 LED 전극 어셈블리는 단위면적(㎟)당 초소형 LED 소자의 실장개수가 1,000개 이상일 수 있으며, 이를 통해 매우 뛰어난 휘도특성을 발현하는 디스플레이를 구현할 수 있다. 한편, 단위면적당 초소형 LED 소자의 평균 실장개수는 초소형 LED 소자가 실질적으로 실장될 수 없는 전극영역까지 포함한 전체 면적을 의미하지 않으며, 초소형 LED 소자가 실질적으로 실장될 수 있는 실장전극라인의 면적을 기준으로 실장된 초소형 LED 소자의 개수를 단위면적으로 환산한 개수를 의미한다.
한편, 상기 초소형 LED 전극어셈블리에 구비되는 상기 초소형 LED 소자는 일반적으로 LED 디스플레이에 사용되는 초소형 LED 소자이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 초소형 LED 소자의 길이는 100 nm 내지 10㎛ 일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 500 nm 내지 5㎛ 일 수 있다. 만일 초소형 LED 소자의 길이가 100 nm 미만인 경우 고효율의 LED 소자의 제조가 어려우며, 10 ㎛를 초과하는 경우 LED 소자의 발광 효율을 저하시킬 수 있다. 초소형 LED 소자의 형상은 원기둥, 직육면체 등 다양한 형상일 수 있고, 바람직하게는 원기둥 형상일 수 있으나 상기 기재에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 초소형 LED 소자의 종횡비는 1.2 ~ 100, 보다 바람직하게는 보다 바람직하게는 1.2 ~ 50일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 1.5 ~ 20, 특히 바람직하게는 1.5 ~ 10일 수 있다. 만일 초소형 LED 소자의 종횡비가 1.2 미만의 경우 전원을 전극라인에 인가해도 초소형 LED 소자가 자기정렬하지 않을 수 있는 문제점이 있고, 만일 종횡비가 100을 초과하면 자기정렬시키기 위해 필요한 전원의 전압은 낮아질 수 있으나 건식에칭 등에 의해 초소형 LED소자를 제조시 공정의 한계상 종횡비 100을 초과하는 소자를 제조하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 초소형 LED 소자는 제1반도체층 및 제2반도체층을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 제1반도체층 및 상기 제1반도체층상에 형성된 활성층, 상기 활성층상에 형성된 제2반도체층 및 소자의 외부면 중 적어도 활성층 부분의 외부면 전체를 덮는 절연피막을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1반도체층 및 제2반도체층 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함하는 소자일 수 있다. 일예로, 초소형 LED 소자가 청색 발광 소자일 경우 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, InN 등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제1 도전성 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑될 수 있다. 바람직하게 상기 n형 반도체층의 두께는 500 nm ~ 5㎛ 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 초소형 LED의 발광은 청색에 제한되지 않으므로, 발광색이 다른 경우 다른 종류의 III-V족 반도체 물질을 n형 반도체 층으로 사용하는데 제한이 없다. 또한, 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, InN 등에서 어느 하나 이상이 선택될 수 있으며, 제 2도전성 도펀트(예: Mg)가 도핑될 수 있다. 바람직하게 상기 p형 반도체층의 두께는 500 nm ~ 5㎛ 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 초소형 LED의 발광은 청색에 제한되지 않으므로, 발광색이 다른 경우 다른 종류의 III-V족 반도체 물질을 p형 반도체 층으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 활성층은 제1반도체층과 제2반도체층의 사이에 개재될 수 있고, 소자에 전계를 인가하였을 때, 활성층에서는 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다. 상기 활성층은 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층의 위 및/또는 아래에는 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층이 형성될 수도 있으며, 상기 도전성 도펀트가 도핑된 클래드층은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 활성층으로 이용될 수 있음은 물론이다. 바람직하게 상기 활성층의 두께는 10 ~ 200 nm 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 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 활성층으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 제1반도체층의 상부 및/또는 제2반도체층의 하부에는 각각 전극층이 더 형성될 수 있다. 반도체층이 전극층을 더 포함하는 경우 실장전극과 초소형 LED 소자의 접촉은 전극층과 실장전극 간 및/또는 전극층/반도체층 모두와 실장전극 간에 형성될 수 있다. 상기 전극층은 통상의 LED 소자의 전극으로 사용되는 금속 또는 금속산화물을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 니켈(Ni), ITO 및 이들의 산화물 또는 합금 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 바람직하게 전극층의 두께는 1 ~ 100 nm 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 전극층을 포함할 경우 반도체층과 실장전극의 접촉부위에 금속오믹층을 형성하는 공정에서 요구되는 온도보다 낮은 온도로 전극층과 실장전극을 접할 시킬 수 있는 이점이 있다.
상기 절연피막은 적어도 활성층을 포함하여 초소형 LED 소자의 외부면에 코팅될 수 있고, 보다 바람직하게는 반도체층의 외부 표면 손상을 통한 초소형 LED 소자의 내구성 저하를 방지하기 위해 제1반도체층 및 제2반도체층 중 어느 하나 이상에도 절연피막이 코팅될 수 있다. 상기 절연피막은 초소형 LED 소자에 포함된 활성층이 실장전극과 접촉 시에 초소형 LED 소자에 발생하는 전기적 단락을 방지하는 역할을 한다. 또한, 절연피막은 초소형 LED 소자의 활성층을 포함한 외부면을 보호함으로써 활성층의 표면 결함을 방지해 발광 효율 저하를 막을 수 있다. 상기 절연피막은 바람직하게는 질화규소(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 산화이트륨(Y2O3) 및 이산화티타늄(TiO2) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 성분으로 이루어지나 투명한 것일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않는다. 투명한 절연피막의 경우 상기의 절연피막의 역할을 하는 동시에 절연피막을 코팅함으로써 만일하나 발생할 수 있는 발광효율의 감소를 최소화할 수 있다.
또한, 상술한 제1구현예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리는 초소형 LED 소자의 특정 일단과 특정의 실장전극라인 간의 배향 경향성이 향상됨에 따라서 서브픽셀당 구비되는 단일 초소형 LED 전극어셈블리가 하기의 수학식 2에 따른 휘도이득이 1.1 이상을 만족하며, 바람직하게는 1.3 이상을 만족할 수 있다.
[수학식 2]
상기 수학식 2는 동일한 단일 초소형 LED 전극어셈블리에 대하여 구동전원을 각각 직류전압 또는 교류전압으로 하고, 직류전압의 크기(V)를 교류전압의 진폭크기(V)의 0.5배로 했을 때, 초소형 LED 전극어셈블리에서 측정된 휘도에 대한 상대적 비에 대한 파라미터이다. 상기 휘도이득이 1을 초과하여 큰 값을 가질수록 직류를 구동전원으로 하여 초소형 LED 전극어셈블리를 구동시킬 수 있는 동시에 향상된 휘도특성을 발현시킬 수 있고, 서브픽셀 간에 발현되는 휘도가 보다 균일할 수 있다.
구체적으로 하기 비교예1은 종래의 제조방법을 통해 제조된 초소형 LED 전극어셈블리로써, 구동전원으로 피크전압이 ±21.2V, 주파수가 60Hz인 싸인파형을 갖는 교류전압을 인가했을 때 파장별 측정되는 그래프의 면적 대비하여 21.2V의 직류전압을 구동전원으로 인가했을 때 파장별 측정되는 그래프의 면적이 0.51배에 불과하며, 초소형 LED 전극어셈블리가 발광하는 최대 광의 강도도 교류전압을 구동전원으로 인가했을 때 광의 강도에 비해 직류전압을 구동전원으로 인가했을 때 광의 강도가 약 0.52배에 불과하여 휘도 및 특정 파장대 광의 강도가 현저히 저하된 것을 확인할 수 있다(표 1 참조).
이에 비해 본 발명의 일 실시예를 통해 제조된 초소형 LED 전극어셈블리(실시예2 참조)의 경우 피크전압이 ±21.2V, 주파수가 60Hz인 싸인파형을 갖는 교류전압을 구동전원으로 인가했을 때 파장별 측정되는 그래프의 면적 대비하여 21.2V의 직류전압을 구동전원으로 인가했을 때 파장별 측정되는 그래프의 면적이 1.12배 현저히 증가했음을 확인할 수 있다. 또한, 초소형 LED 전극어셈블리가 발광하는 최대 광의 강도도 교류전압을 구동전원으로 인가했을 때 광의 강도에 비해 직류전압을 구동전원으로 인가했을 때 광의 강도가 약 1.19배로 현저히 증가했음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예를 통해 제조된 초소형 LED 전극어셈블리(실시예1)의 경우 피크전압이 ±21.2V, 주파수가 60Hz인 싸인파형을 갖는 교류전압을 구동전원으로 인가했을 때 파장별 측정되는 그래프의 면적 대비하여 21.2V의 직류전압을 구동전원으로 인가했을 때 파장별 측정되는 그래프의 면적이 1.43배 현저히 증가했음을 확인할 수 있다. 또한, 초소형 LED 전극어셈블리가 발광하는 최대 광의 강도도 교류전압을 구동전원으로 인가했을 때 광의 강도에 비해 직류전압을 구동전원으로 인가했을 때 광의 강도가 약 1.47배로 현저히 증가했음을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2구현예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이는 제1구현예와 다르게 색변환층을 구비하지 않고도 풀-컬러 영상을 시현할 수 있도록 서로 상이한 제1광색, 제2광색 및 제3광색을 포함하여 복수개의 광색군으로 구분되고, 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리가 구비되도록 서브픽셀들을 형성시키는 단계;를 포함하여 제조되며, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 (가) 제1실장전극 및 상기 제1 실장전극과 동일평면상에 이격되어 형성된 제2 실장전극을 포함하는 실장전극라인 상에 초소형 LED 소자들을 포함하는 용액을 투입하는 단계 및 (나) 단일의 초소형 LED 소자 일단부를 상기 제1실장전극에 접촉시키고, 타단부는 상기 제2실장전극에 접촉시키기 위하여 상기 실장전극라인에 하기 수학식 1에 따른 비대칭조립전압이 10 V 이상인 전원을 인가시켜 복수개의 초소형 LED 소자들을 자기실장(self-mounting)시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 제2구현예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이는 제1구현예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이와 색을 구현하는 방식에서 차이가 있으며, 구체적으로 서브픽셀들이 서로 상이한 제1광색, 제2광색 및 제3광색을 포함하여 복수개의 광색군으로 구분되도록 구현되며, 각각의 서브픽셀은 상기 제1광색, 제2광색 및 제3광색 중 어느 한가지 광색을 발현하는 1개의 초소형 LED 전극어셈블리 혹은 복수개의 초소형 LED 전극 어셈블리를 구비할 수 있다.
상기 제1광색, 제2광색 및 제3광색은 일예로, 도 14a와 같이 상기 제1광색은 청색(403)이고, 상기 제2광색은 녹색(402)이며, 상기 제3광색은 적색(401)일 수 있으며, 이를 통해 R-G-B LED 디스플레이를 구현할 수 있다. 또는 도 14b와 같이 상기 광색군에는 광색이 백색(504)인 제4광색군을 더 포함할 수 있고, 이를 통해 R-G-B-W LED 디스플레이를 구현할 수 있으며, 이를 통해 색재현성이 더욱 향상된 LED 디스플레이를 구현할 수 있다.
상기 제2구현예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이의 제조방법은 상술한 제1구현예에 따른 제조방법과 실질적으로 동일할 수 있으며, 다만, 서브픽셀과 인접한 서브픽셀에 각각 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리가 발광하는 광색이 서로 달라지도록 제조되는 점에서 차이가 있을 수 있다. 일예로, 청색을 발광하는 제1서브픽셀(403,503)은 청색을 발광하는 초소형 LED 전극어셈블리를 통해 구현될 수 있고, 이때, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 초소형 청색 LED소자를 포함하는 용액을 실장전극라인에 투입하여 제조될 수 있다. 또한, 적색을 발광하는 제2서브픽셀(401,501)은 적색을 발광하는 초소형 LED 전극어셈블리를 통해 구현될 수 있고, 이때, 상기 초소형 LED 전극어셈블리는 초소형 적색 LED소자를 포함하는 용액을 실장전극라인에 투입하여 제조될 수 있다. 이때, 각기 상이한 색상의 초소형 LED 소자를 포함하는 용액은 색상별로 순서를 가지고 해당 서브픽셀에 구비되는 실장전극라인 상에 투입되거나 색상별 순서없이 동시에 해당 서브픽셀에 구비되는 실장전극라인 상에 투입될 수 있는 등 투입 및 제조순서에는 제한이 없다.
이와 같은 제2구현예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이는 상술한 제1구현예에 따른 풀-컬러 LED 디스플레이와 마찬가지로 서브픽셀에 구비되는 초소형 LED 전극어셈블리가 상술한 수학식 2에 따른 휘도이득이 1.1 이상이고, 바람직하게는 1.3 이상일 수 있다. 또한, 실장전극에 접촉된 전체 초소형 LED 소자 중 상기 제1실장전극에 상기 제1반도체층이 직접적 또는 간접적 접촉된 초소형 LED 소자의 개수가 70% 이상이고, 바람직하게는 80% 이상일 수 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예 1>
석영(Quartz) 재질의 두께 800 ㎛ 베이스 기판상에 도2a, 도3a 및 도 4a와 같은 전극라인을 제조하였다. 이때 상기 전극라인에서 제1 실장전극의 폭은 3 ㎛, 제2 실장전극의 폭은 3 ㎛, 상기 제1 실장전극과 인접한 제2 실장전극간의 간격은 2.2 ㎛, 실장전극의 두께는 0.2㎛ 이었으며, 제1 실장전극 및 제2 실장전극의 재질은 골드이고, 상기 실장전극라인에서 초소형 LED 소자가 실장되는 영역의 면적은 4.2 ×107 ㎛2이었다. 이후 상기 베이스기판에서 실장전극라인 하부 사이의 이격공간에 이산화규소 절연층을 형성시켰다. 이후 실장전극라인을 둘러싸는 이산화규소 절연격벽을 형성시켰고, 상기 절연격벽은 상기 절연층 상부에서 격벽의 상단까지의 높이가 0.1 ㎛이었다.
이후 하기 표 1과 같은 구조를 갖는 초소형 LED 소자를 아세톤 100 중량부에 대해 0.7 중량부 혼합하여 초소형 LED 소자를 포함하는 용액을 제조하였다.
이후 상기 전극라인에 상기 용액을 9 ㎕씩 8번을 떨어뜨린 후 조립전원으로 0 ~ +30 V, 950 kHz의 주파수를 갖는 사인파의 교류 전원을 실장전극에 인가하여 초소형 LED 소자를 이동, 정렬시켜 자기실장시켰다.
이후 초소형 LED 소자와 전극라인의 컨택 향상을 위해 열처리를 수행하였다. 상기 열처리는 질소 분위기 5.0 x 10-1 torr의 압력에서 810 , 2 분간 처리를 진행하였으며 이어서 0.05 mM의 금 수용액과 구리 금속박을 이용한 무전해도금을 상온에서 10분씩 2회 반복 진행하였다. 무전해도금을 통하여 전극라인과 초소형 LED 소자 사이에 붙은 금 나노입자를 상기 열처리조건과 동일하게 하여 다시 열처리를 재진행하여 전기적 접촉성을 향상시켜 하기 표 2와 같은 초소형 LED 전극어셈블리를 포함하는 LED 디스플레이를 제조하였다.
| 재질 | 길이(㎛) | 직경(㎛) | |
| 제1 전극층 | 크롬 | 0.03 | 0.5 |
| 제1 반도체층 | n-GaN | 2.14 | 0.5 |
| 활성층 | InGaN | 0.1 | 0.5 |
| 제2 반도체층 | p-GaN | 0.2 | 0.5 |
| 제2 전극층 | 크롬 | 0.03 | 0.5 |
| 절연피막 | 산화알루미늄 | 두께 0.02 | |
| 초소형 LED 소자 | - | 2.5 | 0.52 |
<실시예 2>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실장전극에 인가되는 조립전원을 0 ~ +13V, 950 kHz의 주파수를 갖는 사인파의 교류 전원을 실장전극에 인가하여 초소형 LED 소자를 자기정렬시켜 하기 표 2와 같은 초소형 LED 전극어셈블리를 포함하는 LED 디스플레이를 제조하였다.
<비교예 1 ~ 2>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실장전극에 인가되는 조립전원을 각각 -30 ~ +30V, 950 kHz의 주파수를 갖는 사인파의 교류 전원(비교예1), 0 ~ +8V, 950 kHz의 주파수를 갖는 사인파의 교류 전원(비교예2)을 실장전극에 인가하여 초소형 LED 소자를 자기정렬시켜 하기 표 2와 같은 초소형 LED 전극어셈블리를 포함하는 LED 디스플레이를 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 LED 디스플레이에 구비된 단일의 초소형 LED 전극어셈블리에 대해 하기의 물성을 측정하여 물성평가결과는 하기 표 2에 나타내었다.
1. 초소형 LED 전극어셈블리에 실장된 전체 초소형 LED 소자의 개수측정
초소형 LED 전극어셈블리에 대해 광학현미경 사진을 촬영하여 소자의 양단부가 서로 다른 두 전극상에 접촉된 초소형 LED 소자의 개수를 카운팅하였다.
2. 일방향 배향성을 갖도록 실장된 초소형 LED 소자의 개수 및 비율
실장된 전체 초소형LED소자 중에서 제1실장전극에 초소형LED소자의 제1반도체층이 접촉되도록 실장된 초소형LED소자의 개수를 측정하기 위하여 초소형 LED 전극어셈블리를 +21.2V의 직류전압으로 구동시켜 발광되는 초소형 LED 소자의 개수를 카운팅하였다. 카운팅된 발광된 초소형 LED 소자의 개수를 상기 1번 물성평가결과 카운팅된 실장된 전체 초소형 LED 소자를 기준하여 백분율로 비율을 계산하였다.
3. 발광강도 육안평가
초소형 LED 전극어셈블리를 구동시키기 위해 각각의 초소형 LED 전극어셈블리에 대하여 1차로 21.2Vrms, 60 Hz 의 주파수를 갖는 사인파의 교류전압을 인가시켜 발광사진을 촬영하였고, 2차로 21.2V의 직류전압을 인가시켜 발광사진을 촬영하였다. 촬영결과 실시예 1에 대한 1차 구동시 발광사진을 도 10b, 2차 구동시 발광사진을 도 10c에 나타내었다. 또한, 실시예 2에 대한 1차 구동시 발광사진을 도 12a, 2차 구동시 발광사진을 도 12b에 나타내었다. 더불어 비교예 1에 대한 1차 구동시 발광사진을 도 7b, 2차구동시 발광사진을 도 7c에 나타내었다.
구체적으로 육안상 발광사진을 볼 때, 실시예 1 및 실시예 2의 경우 1차 구동시(교류)와 2차 구동시(직류) 발광의 정도가 비슷하거나 2차 구동시가 다소 밝게 발광하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 비교예1의 경우 1차 구동시(교류)가 2차 구동시(직류)에 비해 훨씬 밝게 발광하며, 2차 구동시(직류)시 휘도가 매우 좋지 않다는 것을 육안상 확인할 수 있다.
4. 휘도 및 피크강도 측정
초소형 LED 전극어셈블리를 구동시키기 위해 각각의 초소형 LED 전극어셈블리에 대하여 1차로 21.2Vrms, 60 Hz 의 주파수를 갖는 사인파의 교류전압을 인가시켜 스펙트로포토미터로 측정하였고, 2차로 21.2V의 직류전압을 인가시켜 스펙트로포토미터로 측정하였다. 각각의 실시예, 비교예에서의 전계발광스펙트럼 상에서의 면적값(Sum%) 및 최대 강도를 갖는 광의 강도비율(peak%)을 계산했고, 이때, 각각의 실시예 및 비교예에서의 2차구동시 면적값 및 강도비율은 1차 구동시의 면적값 및 강도비율을 기준으로 상대적으로 나타내었다.
| 실시예1 | 실시예2 | 비교예1 | 비교예2 | ||
| 초소형 LED 전극어셈블리 | 자기정렬 위한 인가전원 (조립전원) |
0V ~ 30V 950 kHz | 0V ~ 13V 950 kHz |
-30V~+30V 950kHz |
0V ~ 8V 950 kHz |
| 실장된 초소형 LED소자 전체 개수 |
88,150 | 59,011 | 166,517 | 20,615 | |
| 일방향 배향된 초소형LED소자 개수 | 78910 | 36189 | 81005 | 9615 | |
| 일방향 배향된 초소형LED소자 비율(%) | 89.5 | 61.3 | 48.6 | 46.6 | |
| 1차구동 (교류) |
Sum% | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
| Peak% | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| 2차구동 (직류) |
Sum% | 1.43 | 1.12 | 0.51 | 0.81 |
| Peak% | 1.47 | 1.19 | 0.52 | 0.83 | |
상기 표 2에서 확인할 수 있듯이,
비교예 1에 따른 초소형 LED 전극어셈블리는 구동전원으로 직류전원을 사용했을 때 전체 파장을 기준으로 발광하는 광의 강도가 교류전원을 사용했을 때에 비해 0.51배 수준에 지나지 않았고, 피크강도(peak%)는 0.52배에 불과한 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예2와 같이 본 발명에 따른 수학식 1의 비대칭 조립전원을 8V로 하여 제조된 초소형 LED 전극어셈블리의 경우 구동전원으로 직류전원을 사용했을 때 전체 파장을 기준으로 발광하는 광의 강도가 교류전원을 사용했을 때에 비해 0.81배로 비교예 1보다 약 59% 향상되었으나 실장된 초소형 LED 소자의 개수가 현저히 적은 것을 확인할 수 있어서 휘도의 현저한 저하가 우려된다. 나아가 비교예2가 비교예1보다 직류전원을 구동전원으로 사용했을 때 전체 파장을 기준하여 발광하는 광의 강도가 향상되었을지라도 여전히 실시예에 비해서는 현저히 좋지 않음을 확인할 수 있다.
그러나 실시예 1 및 실시예 2의 경우 교류전원을 구동전원으로 사용했을 때에 비하여 직류전원을 구동전원으로 사용시에 더욱 높은 휘도를 발현하는 것을 확인할 수 있고, 실시예 1의 경우 직류 구동전원의 사용으로 휘도가 1.43배 증가, 피크강도가 1.47배 증가한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10,110,111,112: 제1실장전극 30,130,131,132: 제2실장전극
21,22,120,120',121,122,123,124,125: 초소형LED소자
100,201,202,301,302,303,304: 초소형 LED 전극어셈블리
1001,1002,1003: 서브픽셀
1100,1101: 제Ⅰ전극 1300,1301: 제Ⅱ전극
1500,1501: 기판 1600,1601: 절연층
1700: 절연격벽 1800: 오믹층
1910: 부동화층 1920: 단파장투과필터
1930,1940: 색변환층 1950: 장파장투과필터
21,22,120,120',121,122,123,124,125: 초소형LED소자
100,201,202,301,302,303,304: 초소형 LED 전극어셈블리
1001,1002,1003: 서브픽셀
1100,1101: 제Ⅰ전극 1300,1301: 제Ⅱ전극
1500,1501: 기판 1600,1601: 절연층
1700: 절연격벽 1800: 오믹층
1910: 부동화층 1920: 단파장투과필터
1930,1940: 색변환층 1950: 장파장투과필터
Claims (25)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리를 구비하는 서브픽셀들을 포함하고,
상기 초소형 LED 전극어셈블리는 동일평면상에 상호 이격된 제1실장전극과 제2실장전극을 포함하는 실장전극라인, 및 제1반도체층 및 제2반도체층을 포함하는 단일소자의 일단부가 상기 제1실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2실장전극에 접촉된 초소형 LED 소자들;을 포함하고,
상기 단일소자의 길이는 100㎚ 내지 10㎛이고, 종횡비는 1.2 ~ 100이며,
실장전극에 접촉된 전체 초소형 LED 소자 중 상기 제1실장전극에 상기 제1반도체층이 직접적 또는 간접적 접촉된 초소형 LED 소자의 개수가 80% 이상이고, 하기의 수학식 2에 따른 휘도이득이 1.3이상인 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이.
[수학식 2]
이때, 인가된 상기 직류전압의 크기(V)는 싸인파형의 교류전원 실효전압(Vrms)과 동일하다. - 서로 상이한 제1광색, 제2광색 및 제3광색을 포함하여 복수개의 광색군으로 구분되고, 서브픽셀 당 실질적으로 동일한 광색을 발광하는 적어도 1개의 초소형 LED 전극어셈블리가 구비되는 서브픽셀들;을 포함하며,
상기 초소형 LED 전극어셈블리는 동일평면상에 상호 이격된 제1실장전극과 제2실장전극을 포함하는 실장전극라인, 및 제1반도체층 및 제2반도체층을 포함하는 단일소자의 일단부가 상기 제1실장전극과 접촉하고, 타단부가 상기 제2실장전극에 접촉된 초소형 LED 소자들;을 포함하고,
상기 단일소자의 길이는 100㎚ 내지 10㎛이고, 종횡비는 1.2 ~ 100이며, 실장전극에 접촉된 전체 초소형 LED 소자 중 상기 제1실장전극에 상기 제1반도체층이 직접적 또는 간접적 접촉된 초소형 LED 소자의 개수가 80% 이상이며, 하기의 수학식 2에 따른 휘도이득이 1.3이상인 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이.
[수학식 2]
이때, 인가된 상기 직류전압의 크기(V)는 싸인파형의 교류전원 실효전압
(Vrms)과 동일하다. - 제15항 또는 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초소형 LED 소자는
제1반도체층, 상기 제1반도체층상에 형성된 활성층, 상기 활성층상에 형성된 제2반도체층 및 소자의 외부면 중 적어도 활성층 부분의 외부면 전체를 덮는 절연피막을 포함하는 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이. - 제17항에 있어서,
상기 제1반도체층 및 제2반도체층 중 어느 하나의 반도체층은 n형 반도체층을 적어도 하나 포함하고, 다른 반도체층은 p형 반도체층을 적어도 하나 포함하는 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이. - 삭제
- 삭제
- 제15항 또는 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초소형 LED 전극어셈블리는 제1실장전극 및 제2실장전극과 초소형 LED 소자의 단부가 접촉하는 영역을 포함하여 형성된 오믹층을 더 포함하는 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이. - 제15항에 있어서,
상기 광색은 청색, 백색 또는 UV인 풀-컬러 LED 디스플레이. - 제15항에 있어서, 상기 풀-컬러 LED 디스플레이는
상기 서브픽셀들 상에 형성된 단파장투과필터;
상기 서브픽셀들 중 일부 선택된 서브픽셀들에 대응하는 단파장 투과필터 상에 구비되는 녹색 색변환층, 나머지 서브픽셀들 중 일부 선택된 서브픽셀들에 대응하는 단파장 투과필터 상에 구비되는 적색 색변환층을 포함하는 색변환층; 및
상기 색변환층 상에 구비되는 장파장 투과필터;를 더 포함하는 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이. - 제16항에 있어서,
복수개의 광색군 중 상기 제1광색은 청색이고, 상기 제2광색은 녹색이며, 상기 제3광색은 적색인 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이. - 제24항에 있어서,
상기 복수개의 광색군은 백색인 제4광색군을 더 포함하는 휘도가 향상된 풀-컬러 LED 디스플레이.
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