KR20200018521A - 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 기판 및 상기 기판에 안착된 반도체 발광소자들을 포함하는 디스플레이 장치에 있어서, 상기 반도체 발광소자들은, 보호층; 및 일면은 상기 보호층과 접촉하고, 타면은 상기 기판과 접촉하며, 상기 타면에 요철 구조를 포함하는 패턴층을 포함하는 것을 특징으로 하며, 이러한 구조를 통해 반도체 발광 소자가 셀 이외의 기판 표면에 흡착되는 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법{DISPLAY DEVICE USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODES AND METHOD THEREOF}
본 발명은 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 특히 수 내지 수십 ㎛ 크기의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 대면적 디스플레이를 구현하기 위하여, 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광소자(OLED) 디스플레이, 그리고 마이크로 LED 디스플레이 등이 경쟁하고 있다.
한편, 디스플레이에 100 ㎛ 이하의 직경 또는 단면적을 가지는 반도체 발광소자(마이크로 LED)를 사용하면 디스플레이가 편광판 등을 사용하여 빛을 흡수하지 않기 때문에 매우 높은 효율을 제공할 수 있다. 그러나 대형 디스플레이에는 수백만 개의 반도체 발광소자들을 필요로 하기 때문에 다른 기술에 비해 소자들을 전사하는 것이 어려운 단점이 있다.
전사공정으로 현재 개발되고 있는 기술은 픽앤플레이스(pick & place), 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 자가조립(Self-assembly) 등이 있다. 이 중에서 자가조립 방식은 유체 내에서 반도체 발광소자가 스스로 위치를 찾아가는 방식으로서, 대화면의 디스플레이 장치의 구현에 가장 유리한 방식이다.
자가조립 방식에는 반도체 발광소자를 제품에 사용될 최종 기판에 직접 조립하는 방식 및 반도체 발광소자를 조립 기판에 조립한 후 추가 전사 공정을 통해 최종 기판으로 전사하는 방식이 있다. 최종 기판에 직접 조립하는 방식은 공정 측면에서 효율적이며, 조립 기판을 이용하는 경우에는 자가조립을 위한 구조를 제한없이 추가할 수 있는 점에서 장점이 있어 두 방식이 선택적으로 사용되고 있다.
본 발명은 자가조립 시 반도체 발광소자가 셀 이외의 기판 표면에 흡착되는 현상을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 기판 및 상기 기판에 안착된 반도체 발광소자들을 포함하는 디스플레이 장치에 있어서, 상기 반도체 발광소자들은, 보호층; 및 일면은 상기 보호층과 접촉하고, 타면은 상기 기판과 접촉하며, 상기 타면에 요철 구조를 포함하는 패턴층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 반도체 발광소자들은, 상기 보호층 상에 형성된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 제1 도전형 전극; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 도전형 전극을 포함하며, 상기 패턴층은, 상기 보호층의 상기 제1 도전형 반도체층이 형성된 면과 다른 면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 패턴층은, 상기 보호층의 일면을 덮도록 형성된 제1층; 및 상기 제1층의 적어도 일부 영역 상에 형성된 제2층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 제2층은, 상기 제1층을 향하여 볼록하게 형성된 복수의 홀들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 제1층 및 제2층은, 금속, 2 이상의 금속이 혼합된 합금 및 유전 물질 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전술한 디스플레이 장치의 제조방법은 (a) 성장기판 상에 복수의 반도체 발광소자들을 형성하는 단계; (b) 상기 복수의 반도체 발광소자들을 덮도록 상기 성장기판 상에 패시베이션층 및 희생층을 차례로 형성하는 단계; (c) 상기 희생층 상에 상기 복수의 반도체 발광소자들을 전사시킬 전사 기판을 부착한 후, 상기 성장기판을 분리시키는 단계; 및 (d) 복수의 금속 비드를 이용하여 상기 복수의 반도체 발광소자들의 일면에 패턴층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 복수의 반도체 발광소자들은, 보호층을 포함하며, 상기 패턴층은, 상기 보호층의 일면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 (d) 단계는, 상기 복수의 반도체 발광소자들의 일면 및 상기 희생층의 일면에 제1층을 형성하는 단계; 상기 제1층 상에 상기 복수의 금속 비드를 코팅하는 단계; 상기 복수의 금속 비드가 코팅되지 않은 상기 제1층 상의 영역에 제2층을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 금속 비드를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 제1층 및 제2층은 증착 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 패턴층은, 상기 제1층 및 제2층을 포함하며, 상기 제2층은, 상기 제1층을 향하여 볼록하게 형성된 복수의 홀들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는 요철 구조의 패턴층을 포함하는 반도체 발광소자를 포함함으로써 자가조립 시 반도체 발광소자가 셀 이외의 기판 표면에 흡착되는 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는 요철 구조의 패턴층을 포함하는 반도체 발광소자를 포함함으로써 테일링(tailing) 현상을 최소화할 수 있고, 이에 자석을 보다 빠른 속도로 운용할 수 있으며, 궁극적으로 자가조립 속도 향상 및 택 타임(tact time) 저감에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 디스플레이 장치의 A부분의 부분 확대도이다.
도 3은 도 2의 반도체 발광소자의 확대도이다.
도 4는 도 2의 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타내는 확대도이다.
도 5a 내지 도 5e는 전술한 반도체 발광소자를 제작하는 새로운 공정을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 자가조립 장치의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 6의 자가조립 장치의 블록 다이어그램이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 자가조립 하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 9는 도 8a 내지 도 8e의 반도체 발광소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 본 발명에 따른 반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개념도이다.
도 11은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 개념도이다.
도 12a 내지 도 12h는 본 발명에 따른 디스플레이 장치에 포함되는 반도체 발광소자를 제작하는 공정을 나타내는 개념도들이다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명에 따른 디스플레이 장치에 포함되는 반도체 발광소자의 패턴층을 형성하는 공정을 나타내는 개념도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 “모듈” 및 “부”는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 “상(on)”에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명되는 디스플레이 장치에는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistant), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 테블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultra book), 디지털 TV(digital TV), 데스크톱 컴퓨터(desktop computer) 등이 포함될 수 있다. 그러나 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태라도 디스플레이를 포함할 수 있다면 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 디스플레이 장치의 A 부분의 부분 확대도이고, 도 3은 도 2의 반도체 발광소자의 확대도이며, 도 4는 도 2의 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타내는 확대도이다.
도시에 의하면, 디스플레이 장치(100)의 제어부에서 처리되는 정보는 디스플레이 모듈(140)에서 출력될 수 있다. 상기 디스플레이 모듈의 테두리를 감싸는 폐루프 형태의 케이스(101)가 상기 디스플레이 장치의 베젤을 형성할 수 있다.
상기 디스플레이 모듈(140)은 영상이 표시되는 패널(141)을 구비하고, 상기 패널(141)은 마이크로 크기의 반도체 발광소자(150)와 상기 반도체 발광소자(150)가 장착되는 배선기판(110)을 구비할 수 있다.
상기 배선기판(110)에는 배선이 형성되어, 상기 반도체 발광소자(150)의 n형 전극(152) 및 p형 전극(156)과 연결될 수 있다. 이를 통하여, 상기 반도체 발광소자(150)는 자발광하는 개별화소로서 상기 배선기판(110) 상에 구비될 수 있다.
상기 패널(141)에 표시되는 영상은 시각 정보로서, 매트릭스 형태로 배치되는 단위 화소(sub-pixel)의 발광이 상기 배선을 통하여 독자적으로 제어됨에 의하여 구현된다.
본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광소자(150)의 일 종류로서 마이크로 LED(Light Emitting Diode)를 예시한다. 상기 마이크로 LED는 100마이크로 이하의 작은 크기로 형성되는 발광 다이오드가 될 수 있다. 상기 반도체 발광소자(150)는 청색, 적색 및 녹색이 발광영역에 각각 구비되어 이들의 조합에 의하여 단위 화소가 구현될 수 있다. 즉, 상기 단위 화소는 하나의 색을 구현하기 위한 최소 단위를 의미하며, 상기 단위 화소 내에 적어도 3개의 마이크로 LED가 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(150)는 수직형 구조가 될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 발광 소자(150)는 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색을 비롯한 다양한 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다.
이러한 수직형 반도체 발광 소자는 p형 전극(156), p형 전극(156) 상에 형성된 p형 반도체층(155), p형 반도체층(155) 상에 형성된 활성층(154), 활성층(154)상에 형성된 n형 반도체층(153), 및 n형 반도체층(153) 상에 형성된 n형 전극(152)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(156)은 배선기판의 p전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(152)은 반도체 발광소자의 상측에서 n전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광 소자(150)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다른 예로서 도 4를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자는 플립 칩 타입 (flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
이러한 예로서, 상기 반도체 발광 소자(250)는 p형 전극(256), p형 전극 (256)이 형성되는 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층 (254), 활성층(254) 상에 형성된 n형 반도체층(253), 및 n형 반도체층(253) 상에서 p형 전극(256)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, p형 전극(256)과 n형 전극(152)은 모두 반도체 발광소자의 하부에서 배선기판의 p전극 및 n전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 수직형 반도체 발광소자와 수평형 반도체 발광소자는 각각 녹색 반도체 발광소자, 청색 반도체 발광소자 또는 적색 반도체 발광소자가 될 수 있다. 녹색 반도체 발광소자와 청색 반도체 발광소자의 경우에 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 녹색이나 청색의 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 반도체 발광소자는 n-Gan, p-Gan, AlGaN, InGan 등 다양한 계층으로 형성되는 질화갈륨 박막이 될 수 있으며, 구체적으로 상기 p형 반도체층은 P-type GaN이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaN 이 될 수 있다. 다만, 적색 반도체 발광소자의 경우에는, 상기 p형 반도체층은 P-type GaAs이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaAs 가 될 수 있다.
또한, 상기 p형 반도체층은 p 전극 쪽은 Mg가 도핑된 P-type GaN이고, n형 반도체층은 n 전극 쪽은 Si가 도핑된 N-type GaN 인 경우가 될 수 있다. 이 경우에, 전술한 반도체 발광소자들은 활성층이 없는 반도체 발광소자가 될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 발광 다이오드가 매우 작기 때문에 상기 디스플레이 패널은 자발광하는 단위화소가 고정세로 배열될 수 있으며, 이를 통하여 고화질의 디스플레이 장치가 구현될 수 있다.
상기에서 설명된 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에서는 웨이퍼 상에서 성장되어, 메사 및 아이솔레이션을 통하여 형성된 반도체 발광소자가 개별 화소로 이용된다. 이 경우에, 마이크로 크기의 반도체 발광소자(150)는 웨이퍼에 상기 디스플레이 패널의 기판 상의 기설정된 위치로 전사되어야 한다. 이러한 전사기술로 픽앤플레이스(pick and place)가 있으나, 성공률이 낮고 매우 많은 시간이 요구된다. 다른 예로서, 스탬프나 롤을 이용하여 한 번에 여러개의 소자를 전사하는 기술이 있으나, 수율에 한계가 있어 대화면의 디스플레이에는 적합하지 않다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 디스플레이 장치의 새로운 제조방법 및 제조장치를 제시한다.
이를 위하여, 이하, 먼저 디스플레이 장치의 새로운 제조방법에 대하여 살펴본다. 도 5a 내지 도 5e는 전술한 반도체 발광 소자를 제작하는 새로운 공정을 설명하기 위한 개념도들이다.
본 명세서에서는, 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광소자에도 적용 가능하다. 또한, 수평형 반도체 발광소자를 자가조립 하는 방식에 대하여 예시하나, 이는 수직형 반도체 발광소자를 자가조립 하는 방식에도 적용가능하다.
먼저, 제조방법에 의하면, 성장기판(159)에 제1도전형 반도체층(153), 활성층(154), 제2 도전형 반도체층(155)을 각각 성장시킨다(도 5a).
제1도전형 반도체층(153)이 성장하면, 다음은, 상기 제1도전형 반도체층 (153) 상에 활성층(154)을 성장시키고, 다음으로 상기 활성층(154) 상에 제2 도전형 반도체층(155)을 성장시킨다. 이와 같이, 제1도전형 반도체층(153), 활성층(154) 및 제2도전형 반도체층(155)을 순차적으로 성장시키면, 도 5a에 도시된 것과 같이, 제1도전형 반도체층(153), 활성층(154) 및 제2도전형 반도체층(155)이 적층 구조를 형성한다.
이 경우에, 상기 제1도전형 반도체층(153)은 p형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 반도체층(155)은 n형 반도체층이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 n형이 되고 제2도전형이 p형이 되는 예시도 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 상기 활성층이 존재하는 경우를 예시하나, 전술한 바와 같이 경우에 따라 상기 활성층이 없는 구조도 가능하다. 이러한 예로서, 상기 p형 반도체층은 Mg가 도핑된 P-type GaN이고, n형 반도체층은 n 전극 쪽은 Si가 도핑된 N-type GaN 인 경우가 될 수 있다.
성장기판(159)(웨이퍼)은 광 투과적 성질을 가지는 재질, 예를 들어 사파이어(Al2O3), GaN, ZnO, AlO 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 성장기판(1059)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하여 예를 들어, 사파이어(Al2O3) 기판에 비해 열전도성이 큰 SiC 기판 또는 Si, GaAs, GaP, InP, Ga2O3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
다음으로, 제1도전형 반도체층(153), 활성층(154) 및 제2 도전형 반도체층 (155)의 적어도 일부를 제거하여 복수의 반도체 발광소자를 형성한다(도 5b).
보다 구체적으로, 복수의 발광소자들이 발광 소자 어레이를 형성하도록, 아이솔레이션(isolation)을 수행한다. 즉, 제1도전형 반도체층(153), 활성층 (154) 및 제2 도전형 반도체층(155)을 수직방향으로 식각하여 복수의 반도체 발광소자를 형성한다.
만약, 수평형 반도체 발광소자를 형성하는 경우라면, 상기 활성층(154) 및 제2 도전형 반도체층(155)은 수직방향으로 일부가 제거되어, 상기 제1도전형 반도체층(153)이 외부로 노출되는 메사 공정과, 이후에 제1도전형 반도체층을 식각하여 복수의 반도체 발광소자 어레이를 형성하는 아이솔레이션(isolation)이 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 제2도전형 반도체층(155)의 일면 상에 제2도전형 전극(156, 또는 p형 전극)를 각각 형성한다(도 5c). 상기 제2도전형 전극(156)은 스퍼터링 등의 증착 방법으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 상기 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층이 각각 n형 반도체층과 p형 반도체층인 경우에는, 상기 제2도전형 전극(156)은 n형 전극이 되는 것도 가능하다.
그 다음에, 상기 성장기판(159)을 제거하여 복수의 반도체 발광소자를 구비한다. 예를 들어, 성장기판(1059)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다(도 5d).
이후에, 유체가 채워진 챔버에서 반도체 발광소자들(150)이 기판에 안착되는 단계가 진행된다(도 5e).
예를 들어, 유체가 채워진 챔버 속에 상기 반도체 발광소자들(150) 및 기판을 넣고 유동, 중력, 표면 장력 등을 이용하여 상기 반도체 발광소자들이 상기 기판(1061)에 스스로 조립되도록 한다. 이 경우에, 상기 기판은 조립기판(161)이 될 수 있다.
다른 예로서, 상기 조립기판(161) 대신에 배선기판을 유체 챔버 내에 넣어, 상기 반도체 발광소자들(150)이 배선기판에 바로 안착되는 것도 가능하다. 이 경우에, 상기 기판은 배선기판이 될 수 있다. 다만, 설명의 편의상, 본 발명에서는 기판이 조립기판(161)으로서 구비되어 반도체 발광소자들(1050)이 안착되는 것을 예시한다.
반도체 발광소자들(150)이 조립 기판(161)에 안착하는 것이 용이하도록, 상기 조립 기판(161)에는 상기 반도체 발광소자들(150)이 끼워지는 셀들 (미도시)이 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 조립기판(161)에는 상기 반도체 발광소자들(150)이 배선전극에 얼라인되는 위치에 상기 반도체 발광소자들 (150)이 안착되는 셀들이 형성된다. 상기 반도체 발광소자들(150)은 상기 유체 내에서 이동하다가, 상기 셀들에 조립된다.
상기 조립기판(161)에 복수의 반도체 발광소자들이 어레이된 후에, 상기 조립기판(161)의 반도체 발광소자들을 배선기판으로 전사하면, 대면적의 전사가 가능하게 된다. 따라서, 상기 조립기판(161)은 임시기판으로 지칭될 수 있다.
한편, 상기에서 설명된 자가조립 방법은 대화면 디스플레이의 제조에 적용하려면, 전사수율을 높여야만 한다. 본 발명에서는 전사수율을 높이기 위하여, 중력이나 마찰력의 영향을 최소화하고, 비특이적 결합을 막는 방법과 장치를 제안한다.
이 경우, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 반도체 발광소자에 자성체를 배치시켜 자기력을 이용하여 반도체 발광소자를 이동시키고, 이동과정에서 전기장을 이용하여 상기 반도체 발광소자를 기 설정된 위치에 안착시킨다. 이하에서는, 이러한 전사 방법과 장치에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 자가조립 장치의 일 예를 나타내는 개념도이고, 도 7은 도 6의 자가조립 장치의 블록 다이어그램이다. 또한, 도 8a 내지 도 8e는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 자가조립 하는 공정을 나타내는 개념도이며, 도 9는 도 8a 내지 도 8e의 반도체 발광소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6 및 도 7의 도시에 의하면, 본 발명의 자가조립 장치(160)는 유체 챔버(162), 자석(163) 및 위치 제어부(164)를 포함할 수 있다.
상기 유체 챔버(162)는 복수의 반도체 발광소자들을 수용하는 공간을 구비한다. 상기 공간에는 유체가 채워질 수 있으며, 상기 유체는 조립용액으로서 물 등을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 유체 챔버(162)는 수조가 될 수 있으며, 오픈형으로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 유체 챔버(162)는 상기 공간이 닫힌 공간으로 이루어지는 클로즈형이 될 수 있다.
상기 유체 챔버(162)에는 기판(161)이 상기 반도체 발광소자들(150)이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(161)은 이송부에 의하여 조립위치로 이송되며, 상기 이송부는 기판이 장착되는 스테이지(165)를 구비할 수 있다. 상기 스테이지(165)가 제어부에 의하여 위치 조절되며, 이를 통하여 상기 기판(161)은 상기 조립위치로 이송될 수 있다.
이 때에, 상기 조립위치에서 상기 기판(161)의 조립면이 상기 유체 챔버(150)의 바닥을 향하게 된다. 도시에 의하면, 상기 기판(161)의 조립면은 상기 유체 챔버(162)내의 유체에 잠기도록 배치된다. 따라서, 상기 반도체 발광소자(150)는 상기 유체내에서 상기 조립면으로 이동하게 된다.
상기 기판(161)은 전기장 형성이 가능한 조립기판으로서, 베이스부(161a), 유전체층(161b) 및 복수의 전극들(161c)을 포함할 수 있다.
상기 베이스부(161a)는 절연성 있는 재질로 이루어지며, 상기 복수의 전극들(161c)은 상기 베이스부(161a)의 일면에 패턴된 박막 또는 후막 bi-planar 전극이 될 수 있다. 상기 전극(161c)은 예를 들어, Ti/Cu/Ti의 적층, Ag 페이스트 및 ITO 등으로 형성될 수 있다.
상기 유전체층(161b)은, SiO2, SiNx, SiON, Al2O3, TiO2, HfO2 등의 무기 물질로 이루어질 있다. 이와 다르게, 유전체층(161b)은, 유기 절연체로서 단일층이거나 멀티층으로 구성될 수 있다. 유전체층(161b)의 두께는, 수십 nm~수μ￥μm의 두께로 이루어질 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 기판(161)은 격벽에 의하여 구획되는 복수의 셀들(161d)을 포함한다. 셀들(161d)은, 일방향을 따라 순차적으로 배치되며, 폴리머(polymer) 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 셀들(161d)을 이루는 격벽(161e)은, 이웃하는 셀들(161d)과 공유되도록 이루어진다. 상기 격벽 (161e)은 상기 베이스부(161a)에서 돌출되며, 상기 격벽(161e)에 의하여 상기 셀들(161d)이 일방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 셀들(161d)은 열과 행 방향으로 각각 순차적으로 배치되며, 매트릭스 구조를 가질 수 있다.
셀들(161d)의 내부는, 도시와 같이, 반도체 발광소자(150)를 수용하는 홈을 구비하며, 상기 홈은 상기 격벽(161e)에 의하여 한정되는 공간이 될 수 있다. 상기 홈의 형상은 반도체 발광소자의 형상과 동일 또는 유사할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광소자가 사각형상인 경우, 홈은 사각형상일 수 있다. 또한, 비록 도시되지는 않았지만, 반도체 발광소자가 원형인 경우, 셀들 내부에 형성된 홈은, 원형으로 이루어질 수 있다. 나아가, 셀들 각각은, 단일의 반도체 발광소자를 수용하도록 이루어진다. 즉, 하나의 셀에는, 하나의 반도체 발광소자가 수용된다.
한편, 복수의 전극들(161c)은 각각의 셀들(161d)의 바닥에 배치되는 복수의 전극라인을 구비하며, 상기 복수의 전극라인은 이웃한 셀로 연장되도록 이루어질 수 있다.
상기 복수의 전극들(161c)은 상기 셀들(161d)의 하측에 배치되며, 서로 다른 극성이 각각 인가되어 상기 셀들(161d) 내에 전기장을 생성한다. 상기 전기장 형성을 위하여, 상기 복수의 전극들(161c)을 상기 유전체층이 덮으면서, 상기 유전체층이 상기 셀들(161d)의 바닥을 형성할 수 있다. 이런 구조에서, 각 셀들(161d)의 하측에서 한 쌍의 전극(161c)에 서로 다른 극성이 인가되면 전기장이 형성되고, 상기 전기장에 의하여 상기 셀들(161d) 내부로 상기 반도체 발광소자가 삽입될 수 있다.
상기 조립위치에서 상기 기판(161)의 전극들은 전원공급부(171)와 전기적으로 연결된다. 상기 전원공급부(171)는 상기 복수의 전극에 전원을 인가하여 상기 전기장을 생성하는 기능을 수행한다.
도시에 의하면, 상기 자가조립 장치는 상기 반도체 발광소자들에 자기력을 가하기 위한 자석(163)을 구비할 수 있다. 상기 자석(163)은 상기 유체 챔버(162)와 이격 배치되어 상기 반도체 발광소자들(150)에 자기력을 가하도록 이루어진다. 상기 자석(163)은 상기 기판(161)의 조립면의 반대면을 마주보도록 배치될 수 있으며, 상기 자석(163)과 연결되는 위치 제어부(164)에 의하여 상기 자석의 위치가 제어된다.
상기 자석(163)의 자기장에 의하여 상기 유체내에서 이동하도록, 상기 반도체 발광소자(1050)는 자성체를 구비할 수 있다.
도 9를 참조하면, 자성체를 구비하는 반도체 발광 소자는 제1도전형 전극(1052) 및 제2도전형 전극(1056), 상기 제1도전형 전극(1052)이 배치되는 제1도전형 반도체층(1053), 상기 제1도전형 반도체층(1052)과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극(1056)이 배치되는 제2도전형 반도체층(1055), 그리고 상기 제1 및 제2도전형 반도체층(1053, 1055) 사이에 배치되는 활성층(1054)을 포함할 수 있다.
여기에서, 제1도전형은 p형이고, 제2도전형은 n형으로 구성될 수 있으며, 그 반대로도 구성될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 상기 활성층이 없는 반도체 발광소자가 될 수 있다.
한편, 본 발명에서, 상기 제1도전형 전극(1052)는 반도체 발광소자의 자가조립 등에 의하여, 반도체 발광소자가 배선기판에 조립된 이후에 생성될 수 있다. 또한, 본 발명에서, 상기 제2도전형 전극(1056)은 상기 자성체를 포함할 수 있다. 자성체는 자성을 띄는 금속을 의미할 수 있다. 상기 자성체는 Ni, SmCo 등이 될 수 있으며, 다른 예로서 Gd 계, La계 및 Mn계 중 적어도 하나에 대응되는 물질을 포함할 수 있다.
자성체는 입자 형태로 상기 제2도전형 전극(1056)에 구비될 수 있다. 또한, 이와 다르게, 자성체를 포함한 도전형 전극은, 도전형 전극의 일 레이어가 자성체로 이루어질 수 있다. 이러한 예로서, 도 9에 도시된 것과 같이, 반도체 발광소자(1050)의 제2도전형 전극(1056)은, 제1층(1056a) 및 제2층(1056b)을 포함할 수 있다. 여기에서, 제1층(1056a)은 자성체를 포함하도록 이루어질 수 있고, 제2층(1056b)는 자성체가 아닌 금속소재를 포함할 수 있다.
도시와 같이, 본 예시에서는 자성체를 포함하는 제1층(1056a)이, 제2 도전형 반도체층(1055)과 맞닿도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제1층(1056a)은, 제2층(1056b)과 제2도전형 반도체층(1055) 사이에 배치된다. 상기 제2층 (1056b)은 배선기판의 제2전극과 연결되는 컨택 메탈이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 자성체는 상기 제1도전형 반도체층의 일면에 배치될 수 있다.
다시 도 6 및 도 7을 참조하면, 보다 구체적으로, 상기 자가조립 장치는 상기 유체 챔버의 상부에 x,y,z 축으로 자동 또는 수동으로 움직일 수 있는 자석 핸들러를 구비하거나, 상기 자석(163)을 회전시킬 수 있는 모터를 구비할 수 있다. 상기 자석 핸들러 및 모터는 상기 위치 제어부(164)를 구성할 수 있다. 이를 통하여, 상기 자석(163)은 상기 기판(161)과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 된다.
한편, 상기 유체 챔버(162)에는 광투과성의 바닥판(166)이 형성되고, 상기 반도체 발광소자들은 상기 바닥판(166)과 상기 기판(161)의 사이에 배치될 수 있다. 상기 바닥판(166)을 통하여 상기 유체 챔버(162)의 내부를 모니터링하도록, 이미지 센서(167)가 상기 바닥판(166)을 바라보도록 배치될 수 있다. 상기 이미지 센서(167)는 제어부(172)에 의하여 제어되며, 기판(161)의 조립면을 관찰할 수 있도록 inverted type 렌즈 및 CCD 등을 구비할 수 있다.
상기에서 설명한 자가조립 장치는 자기장과 전기장을 조합하여 이용하도록 이루어지며, 이를 이용하면, 상기 반도체 발광소자들이 상기 자석의 위치변화에 의하여 이동하는 과정에서 전기장에 의하여 상기 기판의 기설정된 위치에 안착될 수 있다. 이하, 상기에서 설명한 자기조립 장치를 이용한 조립과정에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 5a 내지 도 5c에서 설명한 과정을 통하여 자성체를 구비하는 복수의 반도체 발광소자들(1050)을 형성한다. 이 경우에, 도 5c의 제2도전형 전극을 형성하는 과정에서, 자성체를 상기 반도체 발광소자에 증착할 수 있다.
다음으로, 기판(161)을 조립위치로 이송하고, 상기 반도체 발광소자들 (1050)을 유체 챔버(162)에 투입한다(도 8a).
전술한 바와 같이, 상기 기판(161)의 조립위치는 상기 기판(161)의 상기 반도체 발광소자들(1050)이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 상기 유체 챔버(162)에 배치되는 위치가 될 수 있다.
이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050) 중 일부는 유체 챔버(162)의 바닥에 가라앉고 일부는 유체 내에 부유할 수 있다. 상기 유체 챔버(162)에 광투과성의 바닥판(166)이 구비되는 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050) 중 일부는 바닥판(166)에 가라앉을 수 있다.
다음으로, 상기 유체 챔버(162) 내에서 상기 반도체 발광소자들(1050)이 수직방향으로 떠오르도록 상기 반도체 발광소자들(1050)에 자기력을 가한다(도 8b).
상기 자가조립 장치의 자석(163)이 원위치에서 상기 기판(161)의 조립면의 반대면으로 이동하면, 상기 반도체 발광소자들(1050)은 상기 기판(161)을 향하여 상기 유체 내에서 떠오르게 된다. 상기 원위치는 상기 유체 챔버(162)로부터 벗어난 위치가 될 수 있다. 다른 예로서, 상기 자석(163)이 전자석으로 구성될 수 있다. 이 경우에는 전자석에 전기를 공급하여 초기 자기력을 생성하게 된다.
한편, 본 예시에서, 상기 자기력의 크기를 조절하면 상기 기판(161)의 조립면과 상기 반도체 발광소자들(1050)의 이격거리가 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광소자들(1050)의 무게, 부력 및 자기력을 이용하여 상기 이격거리를 제어한다. 상기 이격거리는 상기 기판의 최외각으로부터 수 밀리미터 내지 수십 마이크로미터가 될 수 있다.
다음으로, 상기 유체 챔버(162) 내에서 상기 반도체 발광소자들(1050)이 일방향을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들(1050)에 자기력을 가한다. 예를 들어, 상기 자석(163)을 상기 기판과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동한다(도 8c). 이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050)은 상기 자기력에 의하여 상기 기판(161)과 이격된 위치에서 상기 기판(161)과 수평한 방향으로 따라 이동하게 된다.
다음으로, 상기 반도체 발광소자들(1050)이 이동하는 과정에서 상기 기판(161)의 기설정된 위치에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들(1050)을 상기 기설정된 위치로 유도하는 단계가 진행된다(도 8c). 예를 들어, 상기 반도체 발광소자들(1050)이 상기 기판(161)과 수평한 방향으로 따라 이동하는 도중에 상기 전기장에 의하여 상기 기판(161)과 수직한 방향으로 이동하여 상기 기판(161)의 기설정된 위치에 안착된다.
보다 구체적으로, 기판(161)의 bi-planar 전극에 전원을 공급하여 전기장을 생성하고, 이를 이용하여 기설정된 위치에서만 조립이 되도록 유도한게 된다. 즉 선택적으로 생성한 전기장을 이용하여, 반도체 발광소자들(1050)이 상기 기판(161)의 조립위치에 스스로 조립되도록 한다. 이를 위하여, 상기 기판(161)에는 상기 반도체 발광소자들(1050)이 끼워지는 셀들이 구비될 수 있다.
이후에, 상기 기판(161)의 언로딩 과정이 진행되며, 조립 공정이 완료된다. 상기 기판(161)이 조립 기판인 경우에, 전술한 바와 같이 어레인된 반도체 발광소자들을 배선기판으로 전사하여 디스플레이 장치를 구현하기 위한 후공정이 진행될 수 있다.
한편, 상기 반도체 발광소자들(1050)을 상기 기설정된 위치로 유도한 후에, 상기 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(1050)이 상기 유체 챔버(162)의 바닥으로 떨어지도록 상기 자석(163)을 상기 기판(161)과 멀어지는 방향으로 이동시킬 수 있다(도 8d). 다른 예로서, 상기 자석(163)이 전자석인 경우에 전원공급을 중단하면, 상기 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(1050)이 상기 유체 챔버(162)의 바닥으로 떨어지게 된다.
이후에, 상기 유체 챔버(162)의 바닥에 있는 반도체 발광소자들(1050)을 회수하면, 상기 회수된 반도체 발광소자들(1050)의 재사용이 가능하게 된다.
상기에서 설명된 자가조립 장치 및 방법은 fluidic assembly에서 조립 수율을 높이기 위해 자기장을 이용하여 먼거리의 부품들을 미리 정해진 조립 사이트 근처에 집중시키고, 조립 사이트에 별도 전기장을 인가하여 조립 사이트에만 선택적으로 부품이 조립되도록 한다. 이때 조립기판을 수조 상부에 위치시키고 조립면이 아래로 향하도록 하여 부품의 무게에 의한 중력 영향을 최소화하면서 비특이적 결합을 막아 불량을 제거한다. 즉, 전사수율을 높이기 위해 조립 기판을 상부에 위치시켜 중력이나 마찰력 영향을 최소화하며, 비특이적 결합을 막는다.
이상에서 살펴본 것과 같이, 상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 개별화소를 반도체 발광소자로 형성하는 디스플레이 장치에서, 다량의 반도체 발광소자를 한번에 조립할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 작은 크기의 웨이퍼 상에서 반도체 발광소자를 다량으로 화소화시킨 후 대면적 기판으로 전사시키는 것이 가능하게 된다. 이를 통하여, 저렴한 비용으로 대면적의 디스플레이 장치를 제작하는 것이 가능하게 된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치는 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식 또는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식으로 구현 가능하다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치(2000)는 기판 및 자가조립을 통해 기판에 안착될 수 있는 수 내지 수십 ㎛ 크기의 반도체 발광소자들(2060)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치(2000)는 청색 반도체 발광소자들만으로 이루어지거나 또는 청색, 녹색 및 적색 반도체 발광소자들 중 2 이상의 반도체 발광소자들을 포함할 수 있다. 즉, 이하에서 설명하는 반도체 발광소자(2060)의 구조는 청색, 녹색 및 적색 반도체 발광소자들에 모두 적용될 수 있으며, 특히, 적색 반도체 발광소자들에 적용될 수 있는 점에 의의가 있다.
먼저, 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치의 구조에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개념도이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치(2000)는 베이스부(2010) 상에 조립 전극 (2020), 유전체층(2030), 셀(2040)에 조립된 반도체 발광소자들(2060), 격벽부 (2050), 평탄화층(2070) 및 배선 전극(2080, 2090) 등이 형성된 것일 수 있다.
베이스부(2010)는 리지드 기판 또는 바람직하게 플랙서블 기판일 수 있다. 베이스부(2010)는 플랙서블 구현을 위해 유연성 및 절연성 있는 폴리머(polymer) 재질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, PI, PEN, PET 등을 포함할 수 있다.
베이스부(2010) 상에는 일 방향으로 연장되는 조립 전극(2020)이 복수의 열로 형성될 수 있다. 조립 전극(2020)에는 반도체 발광소자(2060)를 유도하는 전기장을 형성하기 위한 전압이 인가될 수 있다. 따라서 조립 전극(2020)은 Al, Mo, Cu, Ag, Ti 등과 같은 비저항 금속 또는 2 이상의 비저항 금속들로 이루어진 합금으로 형성될 수 있다. 또한, 조립 전극(2020)은 수십 내지 수백 nm의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 베이스부(2010) 상에는 조립 전극(2020)을 덮도록 유전체층(2030)이 형성될 수 있다. 유전체층(2030)은 SiO2, SiNx, SiON, Al2O3, TiO2, HfO2 등과 같은 무기 절연물질로 형성될 수 있다. 다만, 유전체층(2030)을 형성하는 물질은 나열된 물질들로 한정되지 않는다.
유전체층(2030) 상에는 격벽부(2060)가 셀(2040)을 형성하면서 적층될 수 있다. 셀(2040)은 매트릭스 배열로 형성될 수 있다. 셀(2040)의 내부에는 반도체 발광소자들(2060)이 안착될 수 있다. 격벽부(2050)는 무기 또는 유기 절연물질로 형성될 수 있다.
또한, 베이스부(2010) 상에는 격벽부(2050) 및 셀(2040)에 안착된 반도체 발광소자들(2060)을 덮도록 평탄화층(2070)이 형성될 수 있다. 평탄화층(2070) 또한 무기 또는 유기 절연물질로 형성될 수 있다.
평탄화층(2070) 상에는 반도체 발광소자들(2060)과 전기적으로 연결되는 배선 전극(2080, 2090)이 형성될 수 있다. 배선 전극(2080, 2090)은 반도체 발광 소자(2060)의 제1 도전형 전극(2065)과 연결되는 제1 배선 전극(2080) 및 제2 도전형 전극(2066)과 연결되는 제2 배선 전극(2090)을 포함할 수 있다.
반도체 발광소자들(2060)과 배선 전극(2080, 2090)의 전기적 연결을 위해 평탄화층(2070)은 반도체 발광소자(2060)의 제1 도전형 전극(2065) 및 제2 도전형 전극(2066)의 일부를 노출시키는 부분을 포함할 수 있다. 제1 배선 전극 (2080) 및 제2 배선 전극(2090)은 각각 반도체 발광소자(2060)의 제1 도전형 전극(2065) 및 제2 도전형 전극(2066)의 노출된 부분을 덮도록 형성될 수 있다.
다음으로는, 도 11을 참조하여, 본 발명에 따른 디스플레이 장치(2000)에 포함된 반도체 발광소자(2060)에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 개념도이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치(2000)는 도 11과 같은 구조의 수평형 반도체 발광소자(2060)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 발광소자(2060)는 보호층(2061), 보호층(2061) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(2062), 제1 도전형 반도체층(2062) 상에 형성된 제1 도전형 전극(2065), 제1 도전형 반도체층(2062) 상에 형성된 활성층 (2063), 활성층(2063) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(2064) 및 제2 도전형 반도체층(2064) 상에 형성된 제2 도전형 전극(2066)을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 발광소자(2060)는 보호층(2061)의 제1 도전형 반도체층(2062)이 형성된 면과 다른 면에 패턴층(2067)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(2062) 및 제1 도전형 전극(2065)은 각각 n형 반도체층 및 n형 전극이 될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(2064) 및 제2 도전형 전극(2066)은 각각 p형 반도체층 및 p형 전극이 될 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 도전형이 p형이 되고, 제2 도전형이 n형이 되는 예시도 가능하다.
도 11에서, 제1 도전형 전극(2065)은 오믹 컨택을 위한 전극일 수 있으며, 제2 도전형 전극(2066)은 활성층(2063)에서 생성된 광이 발광되는 영역으로 투명 전극으로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 활성층(2063)이 제1 도전형 전극(2065)과 오버랩 되도록 형성되는 경우, 반대의 실시예도 가능하다.
또한, 자가조립 시 반도체 발광소자(2060)가 자석에 의해 용이하게 유도될 수 있도록 제1 도전형 전극(2065) 및 제2 도전형 전극(2066) 중 적어도 어느 하나는 자성층(미도시)을 포함할 수 있다. 자성층(3012)은 자성체(예를 들어, Ni, Ti 등)를 포함하는 층일 수 있다.
또한, 반도체 발광소자(2060)는 반도체 발광소자(2060)의 측면 및 제1 및 제2 도전형 전극(2065, 2066)이 형성된 상면을 따라 형성된 패시베이션층 (2068)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 보호층(2061)은 반도체 발광소자(2060) 제작 시 성장 기판으로부터 반도체 발광소자(2060)를 분리시키는 과정에서 반도체 발광소자 (2060)가 손상되는 것을 방지하기 위한 층일 수 있다. 특히, 적색 반도체 발광 소자(2060)와 같이 습식 식각 방식으로 성장기판을 분리시킬 때 반도체 발광소자 (2060)의 에피층이 함께 식각되는 것을 방지하기 위한 층일 수 있다. 예를 들어, 보호층(2061)은 언도프드(undoped) 반도체층일 수 있다.
패턴층(2067)은 일면은 보호층(2061)과 접촉하고, 타면은 기판과 접촉할 수 있다. 구체적으로, 패턴층(2067)의 타면은 기판에서 셀(2040)의 바닥면을 형성하는 유전체층(2030)과 접촉할 수 있다.
패턴층(2067)은 기판과 접촉하는 타면에 요철 구조를 포함할 수 있다. 요철 구조는 기판과 접촉하는 반도체 발광소자(2060)의 면적을 줄여, 반도체 발광소자(2060)와 기판 표면 사이에 작용하는 반데르 발스(Van der vaals) 힘을 최소화하고, 자가조립 시 반도체 발광소자(2060)가 이동하는 과정에서 상기 힘에 의해 셀(2040) 이외의 기판 표면에 흡착되는 현상을 최소화할 수 있다.
본 명세서에 첨부된 도면들 중 일부는 패턴층(2067)이 규칙적인 요철 구조 (요철의 형상, 간격, 크기/직경 등이 동일하거나 거의 유사)를 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 후술할 제조방법에 의하면 패턴층(2067)은 도 11과 같이 불규칙적인 요철 구조를 포함할 수 있다.
패턴층(2067)은 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 패턴층 (2067)은 보호층(2061)의 일면을 덮도록 형성된 제1층(2067a) 및 제1층 (2067a)의 적어도 일부 영역 상에 형성된 제2층(2067b)을 포함할 수 있으며, 제2층(2067b)은 요철 구조를 포함하는 층일 수 있다.
제2층(2067b)은 도 11과 같이 제1층(2067a)을 향하여 볼록하게 형성된 리버스 서클(reverse circle) 형태의 복수의 홀들(예를 들어, H1, H2)을 포함할 수 있으며, 복수의 홀들에 의해 전체적으로 요철 구조를 가질 수 있다. 복수의 홀들은 형상 및 크기/직경이 상이할 수 있으며, 복수의 홀들 사이의 간격 또한 상이할 수 있다. 또한, 복수의 홀들 중 일부는 아일랜드 형태의 패턴을 포함할 수 있다.
제1층(2067a) 및 제2층(2067b)은 증착 공정이 가능한 소재로 형성될 수 있다. 제1층(2067a) 및 제2층(2067b)은 각각 금속(예를 들어, Al, Sn, W, Mo, Ti, Au, Zn, Ni, Fe, Cu 등), 2 이상의 금속이 혼합된 합금 및 유전 물질(예를 들어, SiO2, SiNx, ZnO, Al2O3, WOx, MoOx, TiO2, NiO, CuOx, HfOx) 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 서로 동일하거나 또는 상이한 소재로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치(2000)에 포함된 반도체 발광소자(2060)는 후면에 요철 구조의 패턴층(2067)을 포함함으로써 자가조립 시 반도체 발광소자 (2060)가 자기력 및 전기장의 영향에 의해서만 움직일 수 있도록 할 수 있으며, 이에 따라 반도체 발광소자(2060)가 셀(2040) 이외의 기판 표면에 흡착되는 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전술한 구조의 반도체 발광소자(2060)는 자가조립 과정에서 자석에 의한 이동 시 발생하는 tailing 현상을 최소화할 수 있어 자석의 이동 속도를 향상시킬 수 있으며 이에 자가조립 공정 속도를 향상시키고 택 타임(tact time)을 저감할 수 있는 효과가 있다.
다음으로는, 도 12 및 도 13을 참조하여 전술한 반도체 발광소자(2060)를 포함하는 디스플레이 장치(2000)의 제조방법에 대해 설명한다.
특히, 이하에서는 디스플레이 장치(2000)의 일 구성인 반도체 발광소자 (2060)의 제작방법을 중심으로 설명한다.
도 12a 내지 도 12h는 본 발명에 따른 디스플레이 장치에 포함되는 반도체 발광소자를 제작하는 공정을 나타내는 개념도들이다.
본 발명에 따르면, 반도체 발광소자(2060)를 제작하기 위해 먼저 (a) 성장기판(3000) 상에 복수의 반도체 발광소자들(2060)을 형성하는 단계가 수행될 수 있다(도 12a 및 도 12b).
자세하게는, 성장기판(3000) 상에 보호층(2061), 제1 도전형 반도체층 (2062), 활성층(2063), 제2 도전형 반도체층(2064) 및 제2 도전형 전극(2066)을 형성하고, 제1 도전형 반도체층(2062)의 일부까지 메사 식각하여 제1 도전형 반도체층(2062) 상에 제1 도전형 전극(2065)을 형성한 후, 성장기판(3000)의 바닥면이 드러날 때까지 아이솔레이션 식각 공정이 진행될 수 있다. 반도체 발광소자들(2060)은 아이솔레이션 식각을 통해 서로 고립될 수 있다.
본 단계에서, 성장기판(3000)은 사파이어 기판, Si 기판, SiC 기판, GaP 기판, InP 기판 또는 GaAs 기판 등일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
또한, 보호층(2061), 제1 도전형 반도체층(2062) 및 제2 도전형 반도체층 (2064)은 GaN을 주로 하여 In 및/또는 Al이 함께 첨가되어 형성될 수 있으며, 특히, 제1 도전형 반도체층(2062) 및 제2 도전형 반도체층(2064)은 각각 n형 또는 p형 도펀트(dopant)로 도핑될 수 있다. 이와 같이 반도체층이 GaN을 주로 하여 형성된 경우, 반도체 발광소자(2060)는 녹색 또는 청색 광을 발광할 수 있다.
또는, 보호층(2061), 제1 도전형 반도체층(2062) 및 제2 도전형 반도체층 (2064)은 GaInP를 주로 하여 Al이 함께 첨가되어 형성될 수 있으며, 이 경우 반도체 발광소자(3000)는 적색 광을 발광할 수 있다. 본 명세서에서는 GaAs 기판 상에 GaInP 계열의 반도체층을 성장시킨 제조방법에 대하여 설명한다.
전술한 메사 및 아이솔레이션 단계는 건식 식각에 의할 수 있으며, 예를 들어, PR 마스크 패턴을 형성한 후, BCl3/Cl2/Ar 가스를 이용하여 식각이 수행될 수 있다. 또한, 해당 단계에서, 복수의 반도체 발광소자들(2060)은 측면이 소정 기울기를 갖도록 식각될 수 있다.
다음으로, (b) 복수의 반도체 발광소자들(2060)을 덮도록 성장기판(3000) 상에 패시베이션층(2068) 및 희생층(3010)을 차례로 형성하는 단계가 수행될 수 있다(도 12b 및 도 12c). 예를 들어, 희생층(3010)은 메탈, 점착제, 유기 필름으로 이루어진 복수의 레이어 상에 PR이 도포된 층일 수 있다.
다음으로, (c) 희생층(3010) 상에 복수의 반도체 발광소자들(2060)을 전사시킬 전사기판(4000)을 부착한 후 성장기판(3000)을 분리시키는 단계가 수행될 수 있다(도 12d 내지 도 12f).
본 단계에서, 전사기판(4000)은 유리, 쿼츠 등과 같은 웨이퍼 타입의 리지드 기판이거나, 폴리머 재질을 포함하는 유연성 있는 필름 타입의 플랙서블 기판일 수 있다. 또한, 전사기판(4000)의 표면에는 점착제가 도포되어 있을 수 있으며, 점착제가 도포된 면을 희생층(3010)에 압착시켜 희생층(3010) 상에 전사 기판(4000)을 부착시킬 수 있다.
성장기판(3000)은 화학적 리프트 오프법(CLO, Chemical Lift-Off)에 의해 전사기판(4000) 및 반도체 발광소자들(2060)로부터 분리될 수 있다. 또한, 성장기판(3000)을 분리시킨 이후에 인접한 반도체 발광소자들(2060)을 서로 연결하는 패시베이션층(2068)을 제거하는 단계가 더 수행될 수 있다.
다음으로, (d) 복수의 금속 비드(b)를 이용하여 복수의 반도체 발광소자들 (2060)의 일면에 패턴층(2067)을 형성하는 단계가 수행될 수 있다(도 12g). 패턴층(2067)은 전술한 것과 같이 제1층(2067a) 및 제2층(2067b)으로 이루어질 수 있다. 이하에서는, 도 13을 참조하여 패턴층(2067)을 형성하는 공정에 대해 설명한다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명에 따른 디스플레이 장치에 포함되는 반도체 발광소자의 패턴층을 형성하는 공정을 나타내는 개념도들이다.
본 단계에서는 먼저 복수의 반도체 발광소자들(2060)의 일면 및 희생층 (3010)의 일면에 제1층(2067a)을 형성하는 단계가 수행될 수 있다(도 13a). 제1층(2067a)은 증착 공정(예를 들어, sputtering 또는 evaporation)에 의해 형성될 수 있다.
다음으로, 제1층(2067a) 상에 복수의 금속 비드(b)를 코팅 또는 도포하는 단계가 수행될 수 있다(도 13b). 복수의 금속 비드(b)는 수 nm의 입경을 갖는 것일 수 있다. 한편, 도면에는 코팅 공정을 통해 복수의 금속 비드(b)가 제1층(2067a) 상에 규칙적으로 분포하는 것으로 도시되었으나, 실제로는 스핀 코팅 등의 방식으로 도포되어 제1층(2067a) 상에 랜덤하게 분포할 수 있다. 본 단계에 의해 제1층(2067a)은 금속 비드(b)가 코팅된 영역과 금속 비드(b)가 코팅되지 않은 공극 영역을 포함할 수 있다.
다음으로, 복수의 금속 비드(b)가 코팅되지 않은 제1층(2067a) 상의 영역에 제2층(2067b)을 형성하는 단계가 수행될 수 있다(도 13c). 제2층 (2067b) 또한 증착 공정(예를 들어, sputtering 또는 evaporation)에 의해 형성될 수 있다.
제2층(2067b)은 제1층(2067a)의 전면에 대하여 증착되나, 제1층 (2067a)의 영역 중 복수의 금속 비드(b)가 코팅된 영역에는 증착되지 않으므로, 제2층(2067b)은 제1층(2067a)의 적어도 일부 영역 상에 형성될 수 있다.
한편, 제1층(2067a) 및 제2층(2067b)은 증착 공정에 의하므로 증착이 가능한 소재로 형성될 수 있다. 제1층(2067a) 및 제2층(2067b)은 각각 금속 (예를 들어, Al, Sn, W, Mo, Ti, Au, Zn, Ni, Fe, Cu 등), 2 이상의 금속이 혼합된 합금 및 유전 물질(예를 들어, SiO2, SiNx, ZnO, Al2O3, WOx, MoOx, TiO2, NiO, CuOx, HfOx) 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 서로 동일하거나 또는 상이한 소재로 형성될 수 있다.
다음으로, 복수의 금속 비드(b)를 제거하는 단계가 수행될 수 있으며, 이로써 반도체 발광소자(2060)의 일면에 패턴층(2067)이 형성될 수 있다(도 13d). 복수의 금속 비드(b)는 초음파를 이용하여 유체 중에서 제거될 수 있다. 일 실시예로, 후술할 복수의 금속 비드(b)를 제거하는 단계는 희생층(3010) 제거 단계와 함께 유체 중에서 수행될 수 있다.
마지막으로, 유기 용매를 이용하여 희생층(3010)을 제거함으로써 반도체 발광소자들(2060)을 전사기판(4000)으로부터 분리시킬 수 있다(도 12h). 한편, 희생층(3010)의 일면에 형성된 패턴층(2067)은 희생층(3010)과 함께 제거되거나 희생층(3010)과 별도로 제거될 수 있다. 전사기판(4000)으로부터 분리된 반도체 발광소자들(2060)은 유기 용매 세정 후 DI가 담긴 유체 챔버 내 투입되어 자가조립을 통해 기판에 조립될 수 있다.
한편, 녹색 또는 청색 광을 발광하는 반도체 발광소자들을 제작하는 방법의 실시예의 경우, 전술한 단계들은 일부 소재/재료의 변경 및 소재/재료의 변경에 따라 필수적으로 변경되는 단계를 제외하고 패턴층을 형성하는 공정 등은 동일하게 적용될 수 있다.
이와 같은 제조방법에 의해 제작된 반도체 발광소자들(2060)은 보호층 (2061) 및 보호층(2061)의 일면에 형성되며 불규칙한 요철 구조를 포함하는 패턴층(2067)을 포함할 수 있다. 특히, 패턴층(2067)을 형성하는 복수의 층들 중 제2층(2067b)이 요철 구조를 포함하는 층일 수 있으며, 요철 구조는 나노 비드(b)를 마스크(mask)로 하여 형성되므로 최종적으로 제1층(2067a)을 향하여 볼록하게 형성된 복수의 홀들에 의해 전체적으로 요철 구조를 가질 수 있다.
패턴층(2067)은 자가조립 시 반도체 발광소자(2060)와 기판의 표면 사이에 작용하는 힘을 약하게 하여 반도체 발광소자(2060)의 오조립 확률을 낮추고, 자가조립 과정에서 자석에 의한 이동 시 tailing 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
전술한 본 발명은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
2000: 디스플레이 장치
2010: 베이스부
2020: 조립 전극
2030: 유전체층
2040: 셀
2050: 격벽부
2060: 반도체 발광소자
2061: 보호층
2067: 패턴층
2070: 평탄화층
2080: 제1 배선 전극
2090: 제2 배선 전극

Claims (10)

  1. 기판 및 상기 기판에 안착된 반도체 발광소자들을 포함하는 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 반도체 발광소자들은, 보호층; 및
    일면은 상기 보호층과 접촉하고, 타면은 상기 기판과 접촉하며, 상기 타면에 요철 구조를 포함하는 패턴층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자들은,
    상기 보호층 상에 형성된 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 제1 도전형 전극;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 도전형 전극을 포함하며,
    상기 패턴층은, 상기 보호층의 상기 제1 도전형 반도체층이 형성된 면과 다른 면에 형성되는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패턴층은, 상기 보호층의 일면을 덮도록 형성된 제1층; 및
    상기 제1층의 적어도 일부 영역 상에 형성된 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2층은, 상기 제1층을 향하여 볼록하게 형성된 복수의 홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1층 및 제2층은, 금속, 2 이상의 금속이 혼합된 합금 및 유전 물질 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  6. (a) 성장기판 상에 복수의 반도체 발광소자들을 형성하는 단계;
    (b) 상기 복수의 반도체 발광소자들을 덮도록 상기 성장기판 상에 패시베이션층 및 희생층을 차례로 형성하는 단계;
    (c) 상기 희생층 상에 상기 복수의 반도체 발광소자들을 전사시킬 전사 기판을 부착한 후, 상기 성장기판을 분리시키는 단계; 및
    (d) 복수의 금속 비드를 이용하여 상기 복수의 반도체 발광소자들의 일면에 패턴층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 발광소자들은, 보호층을 포함하며,
    상기 패턴층은, 상기 보호층의 일면에 형성되는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 복수의 반도체 발광소자들의 일면 및 상기 희생층의 일면에 제1층을 형성하는 단계;
    상기 제1층 상에 상기 복수의 금속 비드를 코팅하는 단계;
    상기 복수의 금속 비드가 코팅되지 않은 상기 제1층 상의 영역에 제2층을 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 금속 비드를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1층 및 제2층은 증착 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 패턴층은, 상기 제1층 및 제2층을 포함하며,
    상기 제2층은, 상기 제1층을 향하여 볼록하게 형성된 복수의 홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
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