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WO2022010113A1 - 나노와이어 led, 디스플레이 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

나노와이어 led, 디스플레이 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2022010113A1
WO2022010113A1 PCT/KR2021/007210 KR2021007210W WO2022010113A1 WO 2022010113 A1 WO2022010113 A1 WO 2022010113A1 KR 2021007210 W KR2021007210 W KR 2021007210W WO 2022010113 A1 WO2022010113 A1 WO 2022010113A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
nanowire
type semiconductor
semiconductor layer
substrate
Prior art date
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PCT/KR2021/007210
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English (en)
French (fr)
Inventor
김명희
김성욱
남궁용
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Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
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Definitions

  • the present disclosure relates to a nanowire light emitting diode (LED), a method for manufacturing the same, and a display module and a method for manufacturing the same in which the nanowire LED is transferred by a fluidic self assembly (FSA) method.
  • LED nanowire light emitting diode
  • FSA fluidic self assembly
  • the display module expresses various colors while operating in units of pixels or sub-pixels.
  • one sub-pixel includes a plurality of nanowire LEDs.
  • Each pixel or sub-pixel is controlled by a plurality of thin film transistors (TFTs).
  • the TFT substrate is a flexible substrate on which a TFT circuit is formed, a glass substrate or a plastic substrate.
  • a plurality of TFTs connected to the TFT circuit are mounted on the TFT substrate.
  • a large format display (Large Format Display) having a large screen is manufactured by connecting a plurality of display modules.
  • An object of the present disclosure is to provide a three-dimensional nanowire LED having a magnetism to secure an n-type contact region without a separate etching process after epi-growth and to be aligned by a magnetic field.
  • Another object of the present disclosure is to provide a display module in which a nanowire LED is transferred through a hybrid fluid self-assembly process and a method for manufacturing the same.
  • the present disclosure for achieving the above object is a GaN-based n-type semiconductor layer having a columnar shape, an active layer stacked on one side of the n-type semiconductor layer, a GaN-based p-type semiconductor layer stacked on the active layer, and the Provided is a nanowire LED including a magnetic layer disposed on the other side of an n-type semiconductor layer.
  • the magnetic layer may be disposed at an end of the other portion of the n-type semiconductor layer.
  • the magnetic layer may include a diamagnetic material.
  • the diamagnetic material may be Ge.
  • the magnetic layer may include a material having magnetic properties.
  • the material having the magnetic properties may be any one of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu.
  • a first thin film layer made of a diamagnetic material or a material having magnetic properties and a second thin film layer made of an n-type semiconductor may be alternately and repeatedly stacked.
  • the present disclosure includes a TFT substrate having a plurality of anode and cathode electrodes formed on one surface, and a plurality of nanowire LEDs having one end connected to each anode electrode and the other end connected to each cathode electrode paired with each anode electrode
  • each nanowire LED can achieve the above object by providing a display module having magnetism and polarity.
  • the plurality of nanowire LEDs may be transferred to the TFT substrate in the form of a unit pixel including red, green, and blue sub-pixels, and the unit pixel may include a unit substrate on which the red, green, and blue sub-pixels are disposed. .
  • the present disclosure provides the steps of: forming a template layer including a magnetic layer on a buffer layer stacked on a silicon substrate; growing a plurality of nanowire LEDs on the template layer; Separating by ultrasonic waves from the template layer in an included state, forming a plurality of molded unit cells in which the plurality of nanowire LEDs are aligned to have a constant directionality, and the plurality of unit cells on a unit substrate transferring to form a plurality of unit pixels, arranging the plurality of unit pixels on a TFT substrate through fluid self-assembly, and bonding the plurality of unit pixels to connect with electrodes of the TFT substrate
  • the template layer is formed of a first GaN-based n-type semiconductor layer on the silicon substrate, an n-type semiconductor layer and a diamagnetic material or a material having magnetic properties on the first GaN-based n-type semiconductor layer. It may be formed by alternately repeatedly stacking the layers to form a magnetic layer, and forming a second GaN-based n-type semiconductor layer on the magnetic layer.
  • the diamagnetic material may be Ge, and the material having magnetic properties may be any one of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu.
  • a filling part may be patterned in the template layer and a filler having flexibility may be injected into the filling part.
  • the exposure length of the n-type semiconductor layer of the nanowire LED may be set through the depth at which the filling part is etched.
  • a hydrophilic surface treatment may be performed to impart hydrophilicity to the tip of the p-type semiconductor layer of a plurality of nanowire LEDs grown on the template layer.
  • the forming of the plurality of unit cells includes bonding a plurality of nanowire LEDs with a polymer compound, injecting a plurality of nanowire LEDs combined with the polymer compound into a plurality of molding grooves formed in a mold, the mold Aligning the plurality of nanowire LEDs in a certain direction by forming a magnetic field in a certain direction around it, and cooling the plurality of nanowire LEDs combined with the polymer compound injected into the plurality of molds to form a gel (Gel) It may include the step of forming a state.
  • the forming of the plurality of unit pixels includes arranging the unit cells in the gel state at a preset position on the unit substrate, forming a magnetic field in a predetermined direction around the unit substrate to align the unit cells in a predetermined direction and removing the polymer compound of the unit cell, and bonding both ends of the plurality of nanowire LEDs to the anode electrode and the cathode electrode of the unit substrate, respectively.
  • the plurality of unit pixels and the TFT substrate may be treated with a hydrophilic surface so that the plurality of unit pixels may be respectively arranged at predetermined positions on the TFT substrate.
  • FIG. 1 is a plan view schematically illustrating a display module according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a display module according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG 3 is a view showing an example of forming a GaN-based template layer on a substrate.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example in which a plurality of grooves are formed by etching a part of a GaN-based template layer.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of inserting a filler into a plurality of grooves formed in a GaN-based template layer.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example in which a plurality of nanowire LEDs are grown in a three-dimensional shape on a GaN-based template layer.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example in which a plurality of nanowire LEDs are separated from a substrate using ultrasonic waves.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a nanowire LED separated from a substrate.
  • FIG. 9 is a view showing an example of putting a plurality of nanowire LEDs into a tank containing a polymer compound.
  • FIG. 10 is a view showing an example in which a plurality of nanowire LEDs are coupled to correspond to a plurality of cyclic compounds provided in a polymer compound, respectively.
  • FIG. 11 is a view showing an example of injecting a nanowire LED combined with a polymer compound into a plurality of molding grooves formed in a mold and forming a magnetic field around the mold.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example in which a plurality of nanowire LEDs disposed in a unit cell are aligned in a predetermined direction by a magnetic field.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of transferring red/green/blue nanowire LEDs constituting one pixel on a unit substrate.
  • FIG. 14 is a view showing a state in which the nanowire LED in the form of a unit cell is transferred onto the unit substrate shown in FIG. 13 .
  • 15 is a diagram illustrating a plurality of nanowire LEDs connected to an anode electrode and a cathode electrode on a unit substrate.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of arranging a plurality of unit pixels on a TFT substrate through fluidic self assembly (FSA).
  • FSA fluidic self assembly
  • 17 is a view showing a state in which a plurality of unit pixels arranged on a TFT substrate are bonded to electrodes of the TFT substrate.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a display module according to another embodiment of the present disclosure.
  • the expression 'same as' means not only to completely match, but also includes differences in a degree taking into account the processing error range.
  • the display module may be a display panel on which a nanowire light emitting diode (Nanowire LED or NW LED) is mounted.
  • the display module is one of the flat panel display panels and is composed of a plurality of inorganic light emitting diodes (inorganic LEDs) each measuring less than 100 micrometers.
  • inorganic LEDs inorganic LEDs
  • LCD liquid crystal display
  • nanowire LED display modules provide better contrast, response time and energy efficiency.
  • Both organic light emitting diodes (OLEDs) and nanowire LEDs, which are inorganic light emitting devices, have good energy efficiency, but nanowire LEDs have longer brightness, luminous efficiency, and lifespan than OLEDs.
  • a nanowire LED may be a semiconductor chip that can emit light by itself when power is supplied.
  • Nanowire LEDs have fast response time, low power, and high brightness. Specifically, the nanowire LED has a higher efficiency of converting electricity into photons than a conventional liquid crystal display (LCD) or organic light emitting diode (OLED). In other words, it has a higher “brightness per watt” compared to traditional LCD or OLED displays. Accordingly, nanowire LEDs can produce the same brightness with about half the energy compared to conventional LEDs (each exceeding 100 ⁇ m in width, length, and height) or OLED. In addition, nanowire LEDs are capable of realizing high resolution, excellent color, contrast, and brightness, so that a wide range of colors can be accurately expressed, and a clear screen can be realized even outdoors in bright sunlight. In addition, nanowire LEDs are resistant to burn-in and have low heat generation, so a long lifespan is guaranteed without deformation.
  • a nanowire LED is a semiconductor self-luminous device grown in a three-dimensional shape on a silicon substrate, and different materials of a heterojunction diode structure are radially stacked on each other to form a so-called core/shell configuration.
  • the size of one nanowire LED may be tens of nm to tens of ⁇ m.
  • one 'nanowire LED' may be used synonymously with one sub-pixel.
  • a nanowire LED may include multiple nanowires.
  • Nanowire LED has a polarized hexagonal crystal structure III-Nitride GaN-based semiconductor layer (eg, general formula AlxGayIn1-x-yN) as a light emitting layer, and a diamagnetism (eg, For example, Ge) or a material having magnetic-field characteristics (eg, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) as a buffer layer may include a portion of the template layer for growth.
  • a polarized hexagonal crystal structure III-Nitride GaN-based semiconductor layer eg, general formula AlxGayIn1-x-yN
  • a diamagnetism eg, For example, Ge
  • a material having magnetic-field characteristics eg, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu
  • the nanowire LED may be epitaxially grown three-dimensionally in a bottom-up method to form a nano-sized column shape. Since the nanowire LED may include a magnetic material, it may be aligned in a predetermined direction by a magnetic field in a subsequent process.
  • the nanowire LED grown on the GaN-based template layer can be separated from the GaN-based template layer using ultrasound. Accordingly, it is possible to minimize damage to the nanowire LED during the separation process.
  • the nanowire LED emitting red light is epi-growth on the same GaN-based template layer as the nanowire LED emitting blue or green light, thereby unifying the epitaxial growth platform to improve manufacturing efficiency.
  • a plurality of nanowires are encapsulated by molding in a bonded state by an ultra-high molecular compound having a cross-linking characteristic in the form of a chain-polymer network.
  • the ultra-high molecular compound may be, for example, polyrotaxane.
  • a unit cell molded in this form may be manufactured.
  • n-type semiconductor layers may all be oriented in the same direction and the n-type semiconductor layers may all be oriented in the same direction.
  • the plurality of nanowires when a unit cell including a plurality of nanowires arranged in a directionality is transferred to a preset position (eg, a corresponding sub-pixel region) of a TFT substrate and then a magnetic field is applied, the plurality of nanowires is It may be arranged such that the p-type semiconductor layer faces the anode electrode and the n-type semiconductor layer faces the cathode electrode.
  • the polymer compound may be removed from the unit cells arranged in each sub-pixel region of the TFT substrate through a removing process.
  • the p-type semiconductor layer may be electrically and physically connected to the anode electrode and the n-type semiconductor layer may be electrically and physically connected to the cathode electrode through a bonding process of the plurality of nanowires.
  • one pixel may include at least three sub-pixels.
  • the three sub-pixels may be formed of a nanowire LED capable of expressing R/G/B full color.
  • the plurality of sub-pixels may be mounted on an ultra-small substrate (eg, a substrate having a size corresponding to a pixel area).
  • the ultra-small substrate and a plurality of sub-pixels mounted thereon may be referred to as a single pixel unit.
  • a plurality of pixel units may be transferred to another TFT substrate in a fluidic self assembly (FSA) method.
  • FSA fluidic self assembly
  • the glass substrate has a TFT layer having a TFT (Thin Film Transistor) circuit formed on the front surface thereof, and power is supplied to the TFT circuit on the rear surface and is electrically connected to a separate control substrate.
  • a circuit may be arranged.
  • the TFT circuit may drive a plurality of pixels disposed in the TFT layer.
  • the front surface of the glass substrate may be divided into an active area and an inactive area.
  • the active region may correspond to a region occupied by the TFT layer on the front surface of the glass substrate, and the inactive region may be a region excluding the region occupied by the TFT layer on the front surface of the glass substrate.
  • the edge region of the glass substrate may be the outermost portion of the glass substrate.
  • the edge region of the glass substrate may be a region remaining except for a region in which a circuit of the glass substrate is formed.
  • the edge region of the glass substrate may include a side surface of the glass substrate, a front portion of the glass substrate adjacent to the side surface, and a portion of the rear surface of the glass substrate.
  • the glass substrate may be formed in a quadrangle type. Specifically, the glass substrate may be formed in a rectangular shape or a square shape.
  • the edge region of the glass substrate may include at least one side of the four sides of the glass substrate.
  • a plurality of side wirings may be formed at regular intervals in the edge region of the glass substrate.
  • One end of the plurality of side wirings may be electrically connected to a plurality of first connection pads formed in an edge region included in the front surface of the glass substrate, and the other ends of the plurality of second connection pads are formed in an edge region included in the rear surface of the glass substrate. It may be electrically connected to the pad.
  • the plurality of first connection pads may be connected to the TFT circuit disposed on the front surface of the glass substrate through wirings, and the plurality of second connection pads may be connected to the driving circuit disposed on the rear surface of the glass substrate through wirings.
  • the display module can be bezel-less by minimizing the inactive area and maximizing the active area on the front surface of the TFT substrate by forming a plurality of side wirings, and the mounting density of micro LEDs for the display module can be increased.
  • the display module implementing the bezel-less reduction in this way can provide a large format display (LFD) device capable of maximizing an active area when a plurality of them are connected.
  • LFD large format display
  • each display module may be formed such that the pitch between the pixels of the adjacent display module is kept the same as the pitch between the pixels in the single display module by minimizing the non-active area. Accordingly, it is possible to prevent a seam from appearing in the connection portion between each display module.
  • a plurality of side wirings are formed at regular intervals in edge regions corresponding to two sides facing each other among edge regions corresponding to four sides of the glass substrate.
  • the present invention is not limited thereto, and a plurality of side wirings may be formed at regular intervals in edge regions corresponding to two adjacent sides.
  • a plurality of side wirings are formed at regular intervals in only an edge area corresponding to one of the edge areas corresponding to the four sides, but a plurality of side wirings are formed at regular intervals in the edge areas corresponding to the three sides. may be formed.
  • the display module includes a glass substrate on which a plurality of LEDs are mounted and side wiring is formed.
  • a display module can be installed and applied in electronic products or electric fields that require a wearable device, a portable device, a handheld device, and various displays as a single unit, and a plurality of them in a matrix type Through the assembly arrangement of the PC (personal computer) monitor, high-resolution TV and signage (or digital signage), it can be applied to display devices such as electronic display (electronic display).
  • FIG. 1A is a plan view schematically illustrating a display module according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1B is a cross-sectional view schematically illustrating a display module according to an embodiment of the present disclosure.
  • the display module 290 may include a plurality of pixel units 270 arranged on a TFT substrate 280 .
  • the plurality of unit pixels 270 may include a plurality of sub-pixels.
  • one sub-pixel may include a plurality of nanowire LEDs.
  • a nanowire LED is a semiconductor chip made of an inorganic light emitting material, and can emit light by itself when power is supplied. Nanowire LEDs can realize Real HDR (High Dynamic Range), improve luminance and black expression compared to OLED, and provide high contrast ratio.
  • the size of the nanowire LED may be tens of nm to tens of ⁇ m.
  • a plurality of unit pixels 270 may be arranged in a grid on the TFT substrate 280 .
  • the plurality of unit pixels 270 may be arranged at a first pitch P1 in the row direction and at a second pitch P2 in the column direction.
  • the first pitch P1 and the second pitch P2 may be set to be the same or different in consideration of the size of a display module to be manufactured.
  • the TFT substrate 280 includes a glass substrate (not shown), a TFT layer (not shown) including a TFT (Thin Film Transistor) circuit on the front surface of the glass substrate, a TFT circuit of the TFT layer, and a circuit disposed on the rear surface of the glass substrate It may include a plurality of side wirings (not shown) that electrically connect them (not shown).
  • the TFT substrate 280 may include an active area for expressing an image and a dummy area for expressing an image on the entire surface.
  • a pixel driving method of the display module 290 may be an AM (Active Matrix) driving method or a PM (Passive Matrix) driving method.
  • the display module 290 may form a wiring pattern to which each nanowire LED is electrically connected according to an AM driving method or a PM driving method.
  • the inactive area may be included in an edge area of the glass substrate, and a plurality of first connection pads (not shown) may be disposed at regular intervals. Each of the plurality of first connection pads may be electrically connected to each sub-pixel through a wiring (not shown).
  • the number of first connection pads formed in the non-active area may vary depending on the number of pixels implemented on the glass substrate, and may vary depending on a driving method of the TFT circuit disposed in the active area. For example, compared to a passive matrix (PM) driving method in which a TFT circuit disposed in an active region drives a plurality of pixels in horizontal and vertical lines, an active matrix (AM) driving method in which each pixel is individually driven is used. More wiring and connection pads may be needed.
  • PM passive matrix
  • AM active matrix
  • the display module 290 may include a transparent cover layer (not shown) to protect the entire surface of the TFT substrate 280 on which the plurality of unit pixels 270 are mounted.
  • a spacer (not shown) for supporting the transparent cover layer may be disposed on the front surface of the TFT substrate.
  • the spacer may have a black color to absorb light emitted from each unit pixel 270 and external light from the display module 290 .
  • the display module 290 may include a touch screen panel (not shown) laminated on the front surface of the transparent cover layer.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a display module according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of forming a GaN-based template layer on a substrate.
  • -GaN based templete layer) 40 is formed (S1).
  • the Ge buffer layer 30 grown on the silicon substrate 10 may minimize a lattice mismatch between the silicon substrate 10 and the n-type GaN-based template layer 40 .
  • the Ge buffer layer 30 may be stacked by alternately repeating a Ge layer and a GaN layer.
  • the dislocation density between the silicon substrate 10 and the n-type GaN-based template layer 40 is reduced to keep the mismatch rate below about 0.08%. have. Accordingly, since the threading dislocation density (TDD) of the n-type GaN-based template layer 40 becomes ⁇ E7/cm2, it is possible to establish a basis for growing the nanowire LED in the post-process.
  • TDD threading dislocation density
  • the n-type GaN-based template layer 40 includes a first GaN layer 50 closest to the Ge buffer layer 30 , a magnetic layer 70 stacked on the first GaN layer 50 , and the magnetic layer 70 . may include a second GaN layer 90 stacked thereon.
  • the magnetic layer 70 together with the second GaN layer 90 forms part of the nanowire LED.
  • the magnetic nanowire LED may align a plurality of nanowire LEDs included in a unit cell in one direction using a magnetic field in a post-process.
  • the magnetic layer 70 may be alternately and repeatedly laminated with an n-type GaN-based first thin film layer and a magnetic second thin film layer.
  • the second thin film layer may be a diamagnetic material, for example, Ge, or a material having magnetic properties, for example, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, or Cu.
  • the magnetic layer 70 may be a thin film superlattice (eg, strained-layer superlattice (SLS)) layer in which stress is accumulated while having magnetism.
  • SLS strained-layer superlattice
  • FIG. 4 is a view showing an example in which a plurality of grooves are formed by etching a part of the n-type GaN-based template layer
  • FIG. 5 is an example of inserting a filler into the plurality of grooves formed in the n-type GaN-based template layer
  • 6 is a view showing an example in which a plurality of nanowire LEDs are grown in a three-dimensional shape on a GaN-based template layer.
  • a nanowire LED 200 is grown on the n-type GaN-based template layer 40 (S2). The following process may be followed for growth of the nanowire LED 200 .
  • the filling part 100 is patterned in the n-type GaN-based template layer 40 through an etching process or a photolithography process.
  • the filling part 100 may be formed to a predetermined depth D in a top-down manner from the surface of the n-type GaN-based template layer 40 toward the Ge buffer layer 30 .
  • the portion exposed to the outside without being covered by the p-type semiconductor layer 170 (refer to FIG. 8 ) of the nanowire LED 200 by adjusting the depth D of the filling part 100 (hereinafter 'nanowire LED') It is possible to determine the length of the exposed portion ') of 200.
  • the exposed portion of the nanowire LED 200 is a part of the n-type GaN-based template layer 40 integrally formed with the n-type semiconductor layer 130 of the nanowire LED 200, and is attached to the cathode electrode through bonding in a post-process. electrically and physically connected.
  • the filler 110 is injected into the filling part 100 to form an n-type GaN-based template layer. Make the surface of (40) roughly flat.
  • the filler 110 supports the exposed portion of the nanowire LED 200 .
  • the nanowire LED 200 grown on the n-type GaN-based template layer 40 is separated from the n-type GaN-based template layer 40 by ultrasonic waves in a post-process. In this case, the part separated by the ultrasonic wave is the exposed part of the nanowire LED 200 .
  • the filler 110 may be made of, for example, polyimide (PI), a synthetic resin having flexibility so that ultrasonic waves can be stably transmitted to the exposed portion of the nanowire LED 200 .
  • PI polyimide
  • the exposed portion of the nanowire LED 200 may be easily separated from the n-type GaN-based template layer 40 by ultrasonic waves.
  • the nanowire LED 200 is grown in a three-dimensional shape on the n-type GaN-based template layer 40 .
  • the n-type semiconductor layer 130 is grown in a bottom-up method.
  • the n-type semiconductor layer 130 may be formed of n-GaN as a cladding layer.
  • the active layer 150 is formed on the surface of the n-type semiconductor layer 130 .
  • the active layer 150 is a multi-quantum wells (MQWs) in which a well structure in which a very thin light emitting layer and an insulating layer (or barrier layer) are alternately stacked in order to quantum-mechanically increase the electron-electron coupling efficiency. ) structure.
  • MQWs multi-quantum wells
  • a p-type semiconductor layer 170 is formed on the surface of the active layer 150 .
  • the p-type semiconductor layer 170 may be made of p-GaN as a cladding layer.
  • the hydrophilic surface treatment is a preceding measure for bonding a plurality of nanowire LEDs to the crosslinking point of the polymer compound (refer to the cyclic compound 335 in FIG. 10) in the post process.
  • the hydrophilic surface treatment method for modifying the ends of the plurality of nanowire LEDs 200 to be hydrophilic includes a chemical treatment method, an ultraviolet irradiation method, an oxygen plasma treatment method, and the like.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example in which a plurality of nanowire LEDs are separated from a substrate using ultrasonic waves
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a nanowire LED separated from the substrate.
  • a plurality of nanowire LEDs 200 grown on the n-type GaN-based template layer 40 are separated from the n-type GaN-based template layer 40 by using ultrasonic waves (S3).
  • a silicon substrate 10 on which a plurality of nanowire LEDs 200 are grown is placed in a predetermined tank 300 in which a solution is charged, and an ultrasonic generator 310 is driven.
  • the ultrasonic waves generated by the ultrasonic generator are transferred to the silicon substrate using a solution as a transfer medium.
  • a portion connecting the n-type GaN-based template layer 40 and the plurality of nanowire LEDs 200 is broken due to vibration by ultrasonic waves.
  • the cut portion is a portion C2 of the interface C1 between the first GaN layer 50 and the magnetic layer 70 or a portion C2 of the first GaN layer 50 corresponding to the bottom surface of the filling part 110 . ) and the interface C1.
  • the depth D of the filling part 110 may be a criterion for determining the length of the exposed part of the nanowire LED 200 as described above.
  • the plurality of nanowire LEDs 200 separated from the n-type GaN-based template layer 40 may have a pillar shape as a whole including the exposed portion of the nanowire LED 200 .
  • FIG. 9 is a view showing an example of putting a plurality of nanowire LEDs into a tank containing a polymer compound
  • FIG. 10 is an example in which a plurality of nanowire LEDs are combined corresponding to a plurality of cyclic compounds provided in the polymer compound
  • 11 is a view showing an example of injecting a nanowire LED combined with a polymer compound into a plurality of molding grooves formed in a mold and forming a magnetic field around the mold
  • FIG. 12 is a plurality of molding grooves disposed in the unit cell. It is a diagram showing an example in which nanowire LEDs are aligned in a certain direction by a magnetic field.
  • a unit cell 230 is formed through the following process using a plurality of nanowire LEDs (S4). The following process may be followed to manufacture the unit cell 230 .
  • a plurality of nanowire LEDs 200 are put into a predetermined tank 310 in which a compound solution 311 including a polymer compound and a binder is charged.
  • the polymer compound may be, for example, polyrotaxane, a compound in which a dumbbell shaped molecule and a macrocycle 335 are structurally interposed.
  • the dumbbell-shaped molecule includes a constant linear molecule 331 and a blocking group 333 coupled to both ends of the linear molecule 331, respectively.
  • the linear molecule 331 penetrates the inside of the cyclic compound 335 .
  • the cyclic compound 335 can move along the linear molecule 331 and is prevented from leaving the linear molecule 331 by the blocking group 333 .
  • a plurality of nanowire LEDs 200 injected into the compound solution 311 have each hydrophilic treated end (part 'E' shown in FIG. 6 ) bonded to the cyclic compound 335 .
  • One nanowire LED 200 is coupled to one cyclic compound 335 .
  • the nanowire LED 200 bound to the cyclic compound 335 does not leave the linear molecule 331 .
  • the nanowire LED 200 can freely change its posture in various directions. Accordingly, it is possible to align the plurality of nanowire LEDs 200 in a predetermined direction by the magnetic field in the post process.
  • a plurality of nanowire LEDs 200 are injected together with a solution 311 into a plurality of molding grooves 410 formed in the mold 400 .
  • the density of the nanowire LEDs 200 injected into each molding groove 410 can be uniform.
  • a magnetic field generator 430 disposed adjacent to the mold 400 is driven to form a magnetic field in a predetermined direction.
  • a plurality of nanowire LEDs 200 injected into each molding groove 410 are affected by the magnetic field generated by the magnetic field generator 430 because they are provided with a magnetic layer 70 in the same direction. are sorted
  • a plurality of nanowire LEDs 200 injected into each molding groove 410 are cooled to about 30° C. or less together with the solution 311 to prepare a gel-state unit cell 230 .
  • a plurality of nanowire LEDs 200 included in the unit cell 230 formed in a gel state may be protected from external impact applied during the process.
  • one unit cell 230 may correspond to one sub-pixel. Accordingly, the size of the unit cell 230 may be changed according to the size of the required sub-pixel through the above process. In this case, the number of some nanowire LEDs included in the unit cell 230 is also changed. As such, the present disclosure may provide a unit cell capable of flexibly responding to a required size of a sub-pixel.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of transferring a red/green/blue nanowire LED constituting one pixel on a unit substrate
  • FIG. 14 is a unit cell-type nanowire LED transferred on the unit substrate shown in FIG. 15 is a view showing a plurality of nanowire LEDs connected to the anode electrode and the cathode electrode on the unit substrate.
  • a plurality of unit cells 230 are transferred onto the unit substrate 250 to form unit pixels 270 ( S5 ). The following process may be followed to manufacture the unit pixel 270 .
  • the unit substrate 250 corresponds to a part of the unit pixel 270 constituting one pixel including a plurality of sub-pixels (nanowire LEDs).
  • the unit substrate 250 is loaded on the conveyor 500 moving in one direction.
  • the upper side of the conveyor 500 includes a first hopper 510 containing a unit cell (hereinafter, 'red unit cell') containing a plurality of nanowire LEDs emitting red light, and a plurality of nanowire LEDs emitting green light.
  • a second hopper 520 containing a unit cell (hereinafter, a 'green unit cell') and a third hopper containing a unit cell (hereinafter, a 'blue unit cell') containing a plurality of nanowire LEDs emitting blue light 530 may be disposed at regular intervals along the longitudinal direction of the conveyor 500 .
  • first to third mask devices 511 , 521 , and 531 may be disposed below the first to third hoppers 510 , 520 , and 530 , respectively.
  • first to third magnetic field generators 610 , 620 , and 630 may be disposed above the conveyor 500 .
  • the first magnetic field generator 610 is disposed between the first and second hoppers 510 and 520
  • the second magnetic field generator 620 is disposed between the second and third hoppers 520 and 530
  • the third magnetic field generator 630 may be disposed on one side of the third hopper 530 .
  • the unit substrate 250 loaded on the conveyor 500 and moving in one direction passes under the mask device 511 having a shutter disposed below the first hopper 510 .
  • the red unit cell R1 discharged from the first hopper 510 passes through the opening of the first mask device 511 as shown in FIG. 13 to the unit substrate. It may be seated at the position of the red sub-pixel at 250 .
  • the red unit cell R1 that is seated and moved on the unit substrate 250 passes under the first magnetic field generating device 610 and a plurality of nanowires by the magnetic field generated by the first magnetic field generating device 610 . Align the posture so that the p-type semiconductor layer 170 of the LED 200 faces the anode electrode 251 side of the unit substrate 250 and a part 90 of the n-type semiconductor layer 130 faces the cathode electrode 252 do.
  • the posture is aligned by the magnetic field generated by the second magnetic field generator 620 .
  • the posture is aligned by the magnetic field generated by the third magnetic field generator 630 .
  • the number of unit cells discharged once from the first to third hoppers 510, 520, and 530 to be discharged are all the same. For example, when one red unit cell is discharged from the first hopper 510, one green and red unit cell is sequentially discharged from the second and third hoppers 520 and 530, respectively.
  • the postures of the red, green, and blue unit cells R1 , G1 , and B1 are aligned on the unit substrate 250 to correspond to each electrode.
  • the unit substrate 250 passes through the section for removing the polymer compound by the conveyor 500 .
  • the polymer compound removal solution is sprayed onto the moving unit substrate 250 . Accordingly, as the polymer compounds constituting the red, green, and blue unit cells R1, G1, and B1 are removed, the unit substrate 250 has red, green, and blue nanowire LEDs 200R, 200G, and 200B as shown in FIG. 15 . is left
  • both ends of the red, green, and blue nanowire LEDs 200R, 200G, 200B are pre-bonded to the corresponding cathode electrodes 251, 253, 255 and anode electrodes 252, 254, and 256, respectively. ) make it
  • Pre-bonding bonds a contact metal eg, Ni/Au, In, ITO, etc.
  • a contact metal eg, Ni/Au, In, ITO, etc.
  • FIG. 16 is a view showing an example of arranging a plurality of unit pixels on a TFT substrate through Fluidic Self Assembly (FSA), and FIG. 17 is a view showing a plurality of unit pixels arranged on the TFT substrate to the electrodes of the TFT substrate It is a diagram showing the bonded state.
  • FSA Fluidic Self Assembly
  • a plurality of unit substrates 250 on which red, green, and blue nanowire LEDs 200R, 200G, and 200B are disposed are aligned to the TFT substrate 280 through a fluid self-assembly (FSA) process (S6), and the aligned multiple
  • the display module 290 may be manufactured by bonding the unit substrate 250 of the TFT substrate 280 to the electrode 281 of the TFT substrate 280 (S7).
  • each of the unit substrate 250 and the TFT substrate 280 is subjected to a hydrophilic surface treatment.
  • a hydrophilic surface treatment is applied to the anode electrode formed on the rear surface (the surface opposite to the surface to which the sub-pixels are bonded) of each unit substrate 250, and a column L1 in which a plurality of anode electrodes of the TFT substrate 280 are located.
  • a hydrophilic surface treatment is performed on the cathode electrode formed on the rear surface (the surface opposite to the surface to which the sub-pixels are bonded) of each unit substrate 250, and a plurality of cathode electrodes of the TFT substrate 280 are located along the column L2. Hydrophilic surface treatment.
  • hydrophilic treated TFT substrate 280 is put into a predetermined tank 700 in which a solution for fluid self-assembly (FSA) is charged, a plurality of hydrophilic-treated unit substrates 250 are placed in the tank. Put in (700).
  • FSA fluid self-assembly
  • the TFT substrate 280 is taken out from the tank and heat is applied to the TFT substrate 280 to apply heat to the plurality of substrate units 250 . ), an eutectic bonding process is performed so that the electrodes are electrically and physically connected to the electrodes 281 of the TFT substrate 280, respectively.
  • the contact metal used for bonding the p-type semiconductor layer of the nanowire LED may be Ni/Au, and the contact metal used for bonding the n-type semiconductor layer may be Ti/Au.
  • hydrophilic surface treatment was performed on each unit substrate 250 and TFT substrate 280 before the fluid self-assembly process, the present invention is not limited thereto, and a hydrophobic surface treatment may be performed instead of the hydrophilic surface treatment.
  • the display module 290 formed in this way may be manufactured as small as 7 inches to 10 inches.
  • a plurality of small-sized display modules 290 may be connected to manufacture a large-sized display device having a large screen size (eg, 100 inches or more).
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a display module according to another embodiment of the present disclosure.
  • red, green, and blue unit cells are directly formed on each of the TFT substrates 281 through the process shown in FIG. 13 without forming a unit substrate.
  • a magnetic field may be applied to align the posture in a certain direction on the TFT substrate 281 .
  • the red, green, and blue nanowire LEDs 200R, 200G, and 200B may be electrically and physically connected to the TFT substrate 281 through a eutectic bonding process.
  • the present disclosure relates to a nanowire LED, a display module to which the nanowire LED is applied, and a method for manufacturing the same.

Landscapes

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Abstract

나노와이어 LED, 디스플레이 모듈 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 디스플레이 모듈의 제조 방법은 실리콘 기판에 적층된 버퍼층 상에 자성층을 포함하는 템플리트층을 형성하는 단계와, 템플리트층 상에 다수의 나노와이어 LED를 성장시키는 단계와, 다수의 나노와이어 LED를 자성층을 포함한 상태로 템플리트층으로부터 초음파에 의해 분리하는 단계와, 다수의 나노와이어 LED가 일정한 방향성을 갖도록 정렬된 상태로 몰딩된 다수의 유닛 셀을 형성하는 단계와, 다수의 유닛 셀을 유닛 기판 상에 전사하여 다수의 유닛 픽셀을 형성하는 단계와, 다수의 유닛 픽셀을 TFT 기판 상에 유체 자가 조립을 통해 배열하는 단계와, 다수의 유닛 픽셀을 TFT 기판의 전극과 연결하도록 본딩하는 단계를 포함한다.

Description

나노와이어 LED, 디스플레이 모듈 및 그 제조 방법
본 개시는 나노와이어 LED(Nanowire light emitting diode)와 그 제조 방법, 그리고 나노와이어 LED를 유체 자가 조립(FSA: Fluidic self assembly) 방식으로 전사한 디스플레이 모듈 및　그 제조 방법에 관한 것이다.
디스플레이 모듈은 픽셀 단위 또는 서브 픽셀 단위로 동작이 되면서 다양한 색을 표현한다. 이 경우, 하나의 서브 픽셀은 다수의 나노와이어 LED를 포함한다.
각각의 픽셀 또는 서브 픽셀은 복수의 TFT(Thin Film Transistor)에 의해 동작이 제어된다. TFT 기판은 TFT 회로가 형성된 연성 가능한 기판, 글라스 기판 또는 플라스틱 기판이다. TFT 기판에는 TFT 회로와 연결된 복수의 TFT가 실장된다.
요즘에는 디스플레이 모듈을 다수 연결하여 큰 화면을 가지는 디스플레이 장치(Large Format Display)를 제작하고 있다.
본 개시는 에피 성장 후 별도 식각 공정 없이 n형 컨택 영역을 확보할 수 있고 자기장에 의해 정렬되도록 자성을 구비한 3차원 나노와이어 LED를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 개시는 하이브리드 유체 자가 조립 공정을 통해 나노와이어 LED를 전사한 디스플레이 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 개시는, 기둥 형상을 가지는 GaN 기반의 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층의 일측 부분에 적층된 활성층, 상기 활성층에 적층된 GaN 기반의 p형 반도체층, 및 상기 n형 반도체층의 타측 부분에 배치된 자성층을 포함하는 나노와이어 LED를 제공한다.
상기 자성층은 상기 n형 반도체층의 타측 부분의 단부에 배치될 수 있다.
상기 자성층은 반자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 반자성 물질은 Ge일 수 있다.
상기 자성층은 자기 특성을 가진 물질을 포함할 수 있다. 상기 자기 특성을 가진 물질은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 중 어느 하나일 수 있다.
상기 자성층은 반자성 물질 또는 자기 특성을 가지는 물질로 이루어진 제1 박막층과 n형 반도체로 이루어진 제2 박막층이 교대로 반복하여 적층될 수 있다.
또한, 본 개시는, 일면에 애노드 전극 및 캐소드 전극이 다수 형성된 TFT 기판, 및 각 애노드 전극에 일단부가 연결되고 상기 각 애노드 전극과 쌍을 이루는 각 캐소드 전극에 타단이 연결된 다수의 나노와이어 LED를 포함하며,　각 나노와이어 LED는 자성 및 극성을 가지는 디스플레이 모듈을 제공함으로써, 상기 목적을 달성할 수 있다.
상기 다수의 나노와이어 LED는, 기둥 형상을 가지는 GaN 기반의 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층의 일측 부분에 적층된 활성층, 상기 활성층에 적층된 GaN 기반의 p형 반도체층, 및 상기 n형 반도체층의 타측 부분에 배치된 자성층을 포함할 수 있다.
상기 다수의 나노와이어 LED는 적색, 녹색, 청색 서브 픽셀들로 이루어진 유닛 픽셀 형태로 상기 TFT 기판에 전사되고, 상기 유닛 픽셀은 상기 적색, 녹색, 청색 서브 픽셀들이 배치된 유닛 기판을 포함할 수 있다.
또한, 본 개시는, 실리콘 기판에 적층된 버퍼층 상에 자성층을 포함하는 템플리트층을 형성하는 단계, 상기 템플리트층 상에 다수의 나노와이어 LED를 성장시키는 단계, 상기 다수의 나노와이어 LED를 상기 자성층을 포함한 상태로 상기 템플리트층으로부터 초음파에 의해 분리하는 단계, 상기 다수의 나노와이어 LED가 일정한 방향성을 갖도록 정렬된 상태로 몰딩된 다수의 유닛 셀을 형성하는 단계, 상기 다수의 유닛 셀을 유닛 기판 상에 전사하여 다수의 유닛 픽셀을 형성하는 단계, 상기 다수의 유닛 픽셀을 TFT 기판 상에 유체 자가 조립을 통해 배열하는 단계, 및 상기 다수의 유닛 픽셀을 상기 TFT 기판의 전극과 연결하도록 본딩하는 단계를 포함하는 디스플레이 모듈의 제조 방법을 제공함으로써, 상기 목적을 달성할 수 있다.
상기 템플리트층은, 상기 실리콘 기판 상에 제1 GaN 기반의 n형 반도체층을 형성하는 단계, 상기 제1 GaN 기반의 n형 반도체층 상에 n형 반도체층과 반자성 물질 또는 자기 특성을 가진 물질로 이루어진 층을 교대로 반복 적층하여 자기층을 형성하는 단계, 및 상기 자기층 상에 제2 GaN 기반의 n형 반도체층을 형성하는 단계를 통해 형성할 수 있다.
상기 반자성 물질은 Ge이고, 상기 자기 특성을 가진 물질은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 중 어느 하나일 수 있다.
상기 다수의 나노와이어 LED를 성장시키기 전에, 상기 템플리트층에 충진부를 패터닝하고 상기 충진부에 연성을 가지는 충진재를 주입할 수 있다.
상기 충진부를 식각하는 깊이를 통해 상기 나노와이어 LED의 n형 반도체층의 노출 길이를 설정할 수 있다.
상기 템플리트층 상에 성장된 다수의 나노와이어 LED의 p형 반도체층의 선단부에 친수성을 부여하도록 친수성 표면 처리할 수 있다.
상기 다수의 유닛 셀을 형성하는 단계는, 다수의 나노와이어 LED를 고분자 화합물과 결합시키는 단계, 상기 고분자 화합물과 결합된 다수의 나노와이어 LED를 몰드에 형성된 다수의 성형홈에 주입하는 단계, 상기 몰드 주변에 일정한 방향으로 자기장을 형성하여 상기 다수의 나노와이어 LED를 일정한 방향으로 정렬하는 단계, 및 상기 다수의 성형틀에 주입된 상기 고분자 화합물과 결합된 다수의 나노와이어 LED를 냉각하여 겔(Gel) 상태로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다수의 유닛 픽셀을 형성하는 단계는, 상기 겔 상태의 유닛 셀을 상기 유닛 기판의 미리 설정된 위치에 배치하는 단계, 상기 유닛 기판 주변에서 일정한 방향으로 자기장을 형성하여 상기 유닛 셀을 일정한 방향으로 정렬하는 단계, 상기 유닛 셀의 고분자 화합물을 제거하는 단계, 및 상기 다수의 나노와이어 LED의 양단을 각각 상기 유닛 기판의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 본딩하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유체 자가 조립을 통해 배열하는 단계 전에, 상기 다수의 유닛 픽셀이 상기 TFT 기판의 일정한 위치에 각각 배열될 수 있도록 상기 다수의 유닛 픽셀과 상기 TFT 기판에 친수성 표면 처리할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 디스플레이 모듈을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 디스플레이 모듈의 제조 공정을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 기판 상에 GaN 기반의 템플리트층을 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 GaN 기반의 템플리트층의 일부를 식각하여 다수의 홈을 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 GaN 기반의 템플리트층에 형성된 다수의 홈에 충진재를 삽입한 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 GaN 기반의 템플리트층에 3차원 형상으로 다수의 나노와이어 LED를 성장시킨 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 초음파를 이용하여 기판으로부터 다수의 나노와이어 LED를 분리시킨 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 기판으로부터 분리된 나노와이어 LED를 나타낸 단면도이다.
도 9는 다수의 나노와이어 LED를 고분자 화합물이 포함된 탱크에 투입하는 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 다수의 나노와이어 LED가 고분자 화합물에 구비된 다수의 고리형 화합물에 각각 대응하여 결합된 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 몰드에 형성된 다수의 성형홈에 고분자 화합물과 결합된 나노와이어 LED를 주입하고 몰드 주변에서 자기장을 형성하는 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 유닛 셀 내에 배치된 다수의 나노와이어 LED가 자기장에 의해 일정한 방향으로 정렬된 예를 나타낸 도면이다.
도 13은 유닛 기판 상에 하나의 픽셀을 이루는 적색/녹색/청색 나노와이어 LED를 전사하는 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13에 도시된 유닛 기판 상에 유닛 셀 형태의 나노와이어 LED가 전사되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 15는 유닛 기판 상에 애노드 전극 및 캐소드 전극과 연결된 다수의 나노와이어 LED를 나타낸 도면이다.
도 16은 유체 자가 조립(FSA: Fluidic Self Assembly)을 통해 다수의 유닛 픽셀을 TFT 기판 상에 배열하는 예를 나타낸 도면이다.
도 17은 TFT 기판에 배열된 다수의 유닛 픽셀이 TFT 기판의 전극에 본딩된 상태를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 개시의 다른 실시 예에 따른 디스플레이 모듈을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시 예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 개시에서, '동일하다'는 표현은 완전하게 일치하는 것뿐만 아니라, 가공 오차 범위를 감안한 정도의 상이함을 포함한다는 것을 의미한다.
그 밖에도, 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
본 개시에서, 디스플레이 모듈은 나노와이어 발광다이오드(나노와이어(Nanowire) LED 또는 NW LED)가 실장된 디스플레이 패널일 수 있다. 디스플레이 모듈은 평판 디스플레이 패널 중 하나로 각각 100 마이크로미터 이하인 복수의 무기 발광 다이오드(inorganic LED)로 구성되어 있다. 백라이트가 필요한 액정 디스플레이(LCD) 패널에 비해 나노와이어 LED 디스플레이 모듈은 더 나은 대비, 응답 시간 및 에너지 효율을 제공한다. 유기발광 다이오드(organic LED)와 무기 발광 소자인 나노와이어 LED는 모두 에너지 효율이 좋지만 나노와이어 LED는 OLED보다 밝기, 발광효율, 수명이 길다. 나노와이어 LED는 전원이 공급되는 경우 스스로 광을 발산할 수 있는 반도체 칩일 수 있다. 나노와이어 LED는 빠른 반응속도, 낮은 전력, 높은 휘도를 가지고 있다. 구체적으로, 나노와이어 LED는 기존 LCD(liquid crystal display) 또는 OLED(Organic Light Emitting Diode)에 비해 전기를 광자로 변환시키는 효율이 더 높다. 즉, 기존 LCD 또는 OLED 디스플레이에 비해 "와트당 밝기"가 더 높다. 이에 따라 나노와이어 LED는 기존의 LED(가로, 세로, 높이가 각각 100㎛를 초과한다) 또는 OLED에 비해 약 절반 정도의 에너지로도 동일한 밝기를 낼 수 있게 된다. 이외에도 나노와이어 LED는 높은 해상도, 우수한 색상, 명암 및 밝기 구현이 가능하여, 넓은 범위의 색상을 정확하게 표현할 수 있으며, 햇빛이 밝은 야외에서도 선명한 화면을 구현할 수 있다. 그리고 나노와이어 LED는 번인(burn in) 현상에 강하고 발열이 적어 변형 없이 긴 수명이 보장된다.
본 개시에서, 나노와이어 LED는 실리콘 기판 상에 3차원 형상으로 성장시킨 반도체 자발광 소자로서 이종 접합 다이오드 구조의 다른 재료가 서로 방사형으로 적층되는 소위 코어(Core)/쉘(Shell) 구성을 이룰 수 있다. 하나의 나노와이어 LED의 크기는 수십㎚~수십㎛일 수 있다. 본 개시에서는 하나의 '나노와이어 LED'를 하나의 서브 픽셀과 같은 의미로 사용할 수 있다.　
본 개시에서, 나노와이어 LED는 다수의 나노와이어를 포함할 수 있다. 나노와이어 LED는 극성을 가진 육각형결정구조(Hexagonal Crystal structure)의 III-Nitride GaN 기반의 반도체층(예를 들면, 일반식은 AlxGayIn1-x-yN)을 발광층으로 하고, 반자성 물질(Diamagnetism)(예를 들면, Ge)이나 자기(magnetic-field)특성을 가진 물질(예를 들면, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu)을 버퍼층으로 이용한 성장용 템플리트층의 일부를 포함할 수 있다.
본 개시에서, 나노와이어 LED는 바텀 업(Bottom-up) 방식으로 3차원 에피 성장되어 나노크기의 기둥 형상을 이룰 수 있다. 나노와이어 LED는 자성 물질을 포함할 수 있으므로, 후공정에서 자기장에 의해 일정한 방향으로 정렬될 수 있다.
본 개시에서, GaN 기반의 템플리트층에서 성장된 나노와이어 LED를 초음파를 이용하여 GaN 기반의 템플리트층으로부터 분리할 수 있다. 이에 따라 분리 공정 중에 나노와이어 LED에 가해지는 데미지를 최소화할 수 있다.　
본 개시에서, 적색을 발광하는 나노와이어 LED는 청색 또는 녹색을 발광하는 나노와이어　LED와 동일한 GaN 기반의 템플리트층에서 에피 성장시킴에 따라, 에피 성장 플랫폼을 단일화하여 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
본 개시에서, 다수의 나노와이어는 체인 폴리머 네트워크(Chain-polymer network)형태의 크로스 연결(Cross-linking) 특성을 가지는 초고분자 화합물에 의해 결합된 상태로 몰딩 처리되어 봉지(encapsulation) 된다. 초고분자 화합물은 예를 들면, 폴리로타세인(polyrotaxane)일 수 있다. 본 개시에서는 이러한 형태로 몰딩된 유닛 셀(Unit cell)을 제작할 수 있다.　
본 개시에서, 다수의 나노와이어는 p형 반도체층과 n형 반도체층을 TFT 기판의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 본딩하기 전에 유닛 셀에 자기장을 흘리면, 유닛 셀에 포함된 다수의 나노와이어는 각각 p형 반도체층이 모두 동일한 방향으로 향하고 n형 반도체층이 모두 동일한 방향으로 향하는 방향성을 가지도록 배열될 수 있다.　
본 개시에서, 방향성을 가진 상태로 배열된 다수의 나노와이어가 포함된 유닛 셀을 TFT 기판의 미리 설정된 위치(예를 들면, 해당 서브 픽셀 영역)에 전사한 후 자기장을 흘리면, 다수의 나노와이어는 p형 반도체층이 애노드 전극을 향하고 n형 반도체층이 캐소드 전극을 향하도록 배열될 수 있다.　 TFT 기판의 각 서브 픽셀 영역에 배열된 유닛 셀은 리무빙 공정을 통해 고분자 화합물이 제거될 수 있다. 고분자 화합물이 제거된 상태에서 다수의 나노와이어는 본딩 공정을 통해 p형 반도체층이 애노드 전극에 전기적 및 물리적으로 연결되고 n형 반도체층이 캐소드 전극에 전기적 및 물리적으로 연결될 수 있다.　
본 개시에서, 하나의 픽셀은 적어도 3개 서브 픽셀을 포함할 수 있다. 3개의 서브 픽셀은 R/G/B 풀 컬러(full color)를 표현할 수 있는 나노와이어 LED로 이루어질 수 있다.
본 개시에서, 다수의 서브 픽셀은 초소형 기판(예를 들면, 픽셀 영역에 대응하는 정도의 크기를 가지는 기판)에 실장될 수 있다. 이 경우, 초소형 기판과 이에 실장된 다수의 서브 픽셀을 함께 단위 유닛으로 하는 하나의 픽셀 유닛으로 칭할 수 있다. 다수의 픽셀 유닛은 유체 자가 조립(FSA: Fluidic self assembly) 방식으로 다른 TFT 기판에 전사할 수 있다.
본 개시에서, 글라스 기판은 전면(front surface)에 TFT(Thin Film Transistor) 회로가 형성된 TFT층이 배치되고, 후면(rear surface)에 TFT 회로에 전원을 공급하고 별도의 제어 기판과 전기적으로 연결되는 회로가 배치될 수 있다. TFT 회로는 TFT층에 배치된 다수의 픽셀을 구동할 수 있다.　
본 개시에서, 글라스 기판의 전면은 활성 영역과 비활성 영역으로 구분될 수 있다. 활성 영역은 글라스 기판의 전면에서 TFT층이 점유하는 영역에 해당할 수 있고, 비활성 영역은 글라스 기판의 전면에서 TFT층이 점유하는 영역을 제외한 영역일 수 있다.
본 개시에서, 글라스 기판의 에지 영역은 글라스 기판의 최외곽일 수 있다. 또한 글라스 기판의 에지 영역은 글라스 기판의 회로가 형성된 영역을 제외한 나머지 영역일 수 있다. 또한 글라스 기판의 에지 영역은 글라스 기판의 측면과 이 측면에 인접한 글라스 기판의 전면 일부와 글라스 기판의 후면 일부를 포함할 수 있다. 글라스 기판은 사각형(quadrangle type)으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 글라스 기판은 직사각형(rectangle) 또는 정사각형(square)으로 형성될 수 있다. 글라스 기판의 에지 영역은 글라스 기판의 4변 중 적어도 하나의 변을 포함할 수 있다.　
본 개시에서, 글라스 기판의 에지 영역에는 다수의 측면 배선이 일정한 간격을 두고 형성될 수 있다. 다수의 측면 배선은 일단부가 글라스 기판의 전면에 포함되는 에지 영역에 형성된 다수의 제1 접속 패드와 전기적으로 연결될 수 있고, 타단부가 글라스 기판의 후면에 포함되는 에지 영역에 형성된 다수의 제2 접속 패드와 전기적으로 연결될 수 있다. 다수의 제1 접속 패드는 배선을 통해 글라스 기판의 전면에 배치된 TFT 회로와 연결될 수 있고, 다수의 제2 접속 패드는 배선을 통해 글라스 기판의 후면에 배치된 구동 회로와 연결될 수 있다.
본 개시에서, 디스플레이 모듈은 다수의 측면 배선을 형성함에 따라 TFT 기판의 전면에서 비활성 영역을 최소화하고 활성 영역을 최대화함으로써 베젤 리스화 할 수 있고 디스플레이 모듈에 대한 마이크로 LED의 실장 조밀도가 증가될 수 있다. 이와 같이 베젤 리스화를 구현하는 디스플레이 모듈은 다수를 연결하는 경우 활성 영역을 최대화할 수 있는 대형 디스플레이(LFD: Large Format Display) 장치를 제공할 수 있다. 이 경우 각 디스플레이 모듈은 비활성 영역을 최소화함에 따라 서로 인접한 디스플레이 모듈의 각 픽셀들 간의 피치를 단일 디스플레이 모듈 내의 각 픽셀들 간의 피치와 동일하게 유지하도록 형성할 수 있다. 이에 따라 각 디스플레이 모듈 사이의 연결부분에서 심(seam)이 나타나는 것을 방지할 수 있다.
본 개시에서, 글라스 기판의 4변에 해당하는 에지 영역들 중 서로 마주하는 2변에 해당하는 에지 영역들에 각각 측면 배선이 일정한 간격을 두고 다수가 형성되는 것을 예로 든다. 하지만 이에 제한되지 않고, 측면 배선은 서로 인접한 2변에 해당하는 에지 영역들에 일정한 간격을 두고 다수가 형성될 수도 있다. 또한, 본 개시에서 측면 배선은 필요에 따라 4변에 해당하는 에지 영역들 중 1변에 해당하는 에지 영역에만 일정한 간격을 두고 다수가 형성되나 3변에 해당하는 에지 영역들에 일정한 간격을 두고 다수가 형성될 수도 있다.
본 개시에서, 디스플레이 모듈은 다수의 LED가 실장되고 측면 배선이 형성된 글라스 기판을 포함한다. 이와 같은 디스플레이 모듈은 단일 단위로 웨어러블 기기(wearable device), 포터블 기기(portable device), 핸드헬드 기기(handheld device) 및 각종 디스플레이가 필요가 전자 제품이나 전장에 설치되어 적용될 수 있으며, 매트릭스 타입으로 복수의 조립 배치를 통해 PC(personal computer)용 모니터, 고해상도 TV 및 사이니지(signage)(또는, 디지털 사이니지(digital signage)), 전광판(electronic display) 등과 같은 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.
이하, 도면을 참고하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 디스플레이 모듈을 설명한다.
도 1a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 디스플레이 모듈을 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 1b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 디스플레이 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 디스플레이 모듈(290)은 TFT 기판(280) 상에 배열된 다수의 픽셀 유닛(270)을 포함할 수 있다. 다수의 유닛 픽셀(270)은 다수의 서브 픽셀을 포함할 수 있다. 여기서, 하나의 서브 픽셀은 다수의 나노와이어 LED를 포함할 수 있다.
나노와이어 LED는 무기 발광물질로 이루어진 반도체 칩으로, 전원이 공급되는 경우 스스로 광을 발산할 수 있다. 나노와이어 LED는 Real HDR(High Dynamic Range) 구현이 가능하고 OLED 대비 휘도 및 블랙 표현력 향상 및 높은 명암비를 제공할 수 있다. 나노와이어 LED의 크기는 수십㎚~수십㎛일 수 있다.
다수의 유닛 픽셀(270)은 TFT 기판(280) 상에서 격자 배열될 수 있다. 예를 들면, 다수의 유닛 픽셀(270)은 행 방향으로 제1 피치(P1)로 배열되고, 열 방향으로 제2 피치(P2)로 배열될 수 있다. 제1 피치(P1) 및 제2 피치(P2)는 제작하고자 하는 디스플레이 모듈의 크기 등을 고려하여 같거나 상이하게 설정할 수 있다.
TFT 기판(280)은 글라스 기판(미도시)과, 글라스 기판의 전면에 TFT(Thin Film Transistor) 회로가 포함된 TFT층(미도시)과, TFT층의 TFT 회로와 글라스 기판의 후면 배치된 회로들(미도시)을 전기적으로 연결하는 다수의 측면 배선(미도시)을 포함할 수 있다. TFT 기판(280)은 전면에 영상을 표현하는 활성 영역(active area)과 영상을 표현할 수 없는 비활성 영역(dummy area)을 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 디스플레이 모듈(290)의 픽셀 구동 방식은 AM(Active Matrix) 구동 방식 또는 PM(Passive Matrix) 구동 방식일 수 있다. 디스플레이 모듈(290)은 AM 구동 방식 또는 PM 구동 방식에 따라 각 나노와이어 LED가 전기적으로 접속되는 배선의 패턴을 형성할 수 있다.
비활성 영역은 글라스 기판의 에지 영역(edge area)에 포함될 수 있으며, 다수의 제1 접속 패드(미도시)가 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다. 다수의 제1 접속 패드는 각각 배선(미도시)을 통해 각 서브 픽셀과 전기적으로 연결될 수 있다.
비활성 영역에 형성되는 제1 접속 패드의 개수는 글라스 기판에 구현되는 픽셀의 개수에 따라 달라질 수 있고, 활성 영역에 배치된 TFT 회로의 구동 방식에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 활성 영역에 배치된 TFT 회로가 가로 라인 및 세로 라인으로 다수의 픽셀을 구동하는 PM(Passive Matrix) 구동 방식인 경우에 비해 각 픽셀을 개별적으로 구동하는 AM(Active Matrix) 구동 방식이 더 많은 배선과 접속 패드가 필요할 수 있다.
디스플레이 모듈(290)은 다수의 유닛 픽셀(270)이 실장된 TFT 기판(280)의 전면을 보호하기 위해 투명 커버층(미도시)을 구비할 수 있다. 이 경우, TFT 기판의 전면에는 투명 커버층을 지지하기 위한 스페이서(미도시)를 배치할 수 있다. 스페이서는 각 유닛 픽셀(270)에서 발산되는 광과 디스플레이 모듈(290)의 외부 광을 흡수할 수 있도록 블랙 계열 색상을 가질 수 있다. 또한, 디스플레이 모듈(290)은 투명 커버층의 전면에 적층되는 터치 스크린 패널(미도시)을 포함할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 나노와이어 LED 및 이를 적용한 디스플레이 모듈의 구조 및 제조 과정을 순차적으로 설명한다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 디스플레이 모듈의 제조 공정을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 기판 상에 GaN 기반의 템플리트층을 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 실리콘 기판(10) 상에 Ge 버퍼층(30)을 형성한 후, Ge 버퍼층(30) 상에 3차원 형상의 나노와이어 LED를 성장시키기 위한 n형 GaN 기반의 템플리트층(n-GaN based templete layer)(40)을 형성한다(S1).　
실리콘 기판(10) 상에 성장시킨 Ge 버퍼층(30)은 실리콘 기판(10)과 n형 GaN 기반의 템플리트층(40) 간 격자 불일치(Lattice mismatch)를 최소화할 수 있다. Ge 버퍼층(30)은 Ge 층과 GaN 층을 교대로 반복하여 적층 형성할 수 있다.
이와 같이 Ge 버퍼층(30)를 적용하는 경우, 실리콘 기판(10)과 n형 GaN 기반의 템플리트층(40) 간 전위 밀도(dislocation density)를 줄여 불일치(mismatch)율을 약 0.08% 이하로 유지할 수 있다. 이에 따라, n형 GaN 기반의 템플리트층(40)의 스레딩 전위 밀도(TDD: Threading Dislocation Density)는 ~E7/㎠가 되므로 후공정에서 진행되는 나노와이어 LED를 성장시킬 수 있는 기반을 갖출 수 있다.
n형 GaN 기반의 템플리트층(40)은 Ge 버퍼층(30)에 가장 인접한 제1 GaN 층(50)과, 제1 GaN 층(50) 상에 적층된 자성층(70)과, 자성층(70) 상에 적층된 제2 GaN 층(90)을 포함할 수 있다.
자성층(70)은 제2 GaN 층(90)과 함께 나노와이어 LED의 일부를 이룬다. 이와 같이 자성을 가지는 나노와이어 LED는 후공정에서 유닛 셀(Unit cell) 내에 포함된 다수의 나노와이어 LED를 자기장을 이용하여 일방향으로 정렬시킬 수 있다.
자성층(70)은 n형 GaN 기반의 제1 박막층과 자성을 띠는 제2 박막층이 교대로 반복적으로 적층 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 박막층은 반자성 물질 예를 들면, Ge이거나, 자기 특성을 가지는 물질 예를 들면, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 중 하나일 수 있다. 한편, 자성층(70)은 자성을 가지면서 응력이 축적된 박막의 초격자(예를 들면, SLS: strained-layer superlattice)층일 수 있다.
도 4는 n형 GaN 기반의 템플리트층의 일부를 식각하여 다수의 홈을 형성한 예를 나타낸 도면이고, 도 5는 n형 GaN 기반의 템플리트층에 형성된 다수의 홈에 충진재를 삽입한 예를 나타낸 도면이고, 도 6은 GaN 기반의 템플리트층에 3차원 형상으로 다수의 나노와이어 LED를 성장시킨 예를 나타낸 도면이다.
이어서, n형 GaN 기반의 템플리트층(40) 상에 나노와이어 LED(200)를 성장시킨다(S2). 나노와이어 LED(200) 성장을 위해 하기의 공정을 따를 수 있다.
도 4를 참조하면, n형 GaN 기반의 템플리트층(40)에 충진부(100)를 식각 공정 또는 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝한다.
충진부(100)는 n형 GaN 기반의 템플리트층(40)의 표면으로부터 Ge 버퍼층(30)을 향해 탑 다운(Top-down) 방식으로 일정한 깊이(D)로 형성될 수 있다.　
이 경우, 충진부(100)의 깊이(D)를 조절하여 나노와이어 LED(200)의 p형 반도체층(170, 도 8 참조)에 의해 덮이지 않고 외부로 노출되는 부분(이하 '나노와이어 LED(200)의 노출부')의 길이를 결정할 수 있다.
나노와이어 LED(200)의 노출부는 나노와이어 LED(200)의 n형 반도체층(130)에 일체로 형성된 n형 GaN 기반의 템플리트층(40)의 일부이며, 후공정에서 본딩을 통해 캐소드 전극에 전기적 및 물리적으로 연결된다.
도 5를 참조하면, n형 GaN 기반의 템플리트층(40) 상에 나노와이어 LED(200)를 안정적으로 성장시키기 위해 충진부(100)에 충진재(110)를 주입하여 n형 GaN 기반의 템플리트층(40)의 표면을 대략적으로 편평하게 만든다.
충진재(110)는 나노와이어 LED(200)의 노출부를 지지한다. n형 GaN 기반의 템플리트층(40) 상에 성장한 나노와이어 LED(200)는 후공정에서 초음파에 의해 n형 GaN 기반의 템플리트층(40)으로부터 분리된다. 이 경우, 초음파에 의해 분리되는 부분은 나노와이어 LED(200)의 노출부이다.
충진재(110)는 나노와이어 LED(200)의 노출부에 초음파가 안정적으로 전달될 수 있도록 연성을 가지는 합성수지 예를 들면, 폴리이미드(PI)로 이루어질 수 있다.
나노와이어 LED(200)의 노출부는 초음파에 의해 n형 GaN 기반의 템플리트층(40)으로부터 쉽게 끊어져 분리될 수 있다.　
도 6을 참조하면, n형 GaN 기반의 템플리트층(40)에 3차원 형상으로 나노와이어 LED(200)를 성장시킨다.
n형 반도체층(130)을 버텀 업(Bottom-up) 방식으로 성장시킨다. n형 반도체층(130)은 클래딩층으로서 n-GaN 으로 이루어질 수 있다.　
이어서, n형 반도체층(130)의 표면에 활성층(150)을 형성한다. 활성층(150)은 양자역학적으로 전자와 전공의 결합효율을 증대시키기 위해 매우 얇은 발광층(active layer)과 절연층(또는 배리어층)을 교대로 적층한 우물구조를 다층으로 형성한 MQWs(Multi Quantum Wells) 구조로 이루어질 수 있다.
이어서, 활성층(150)의 표면에 p형 반도체층(170)을 형성한다. p형 반도체층(170)은 클래딩층으로서 p-GaN 으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, n형 GaN 기반의 템플리트층(40) 상에 다수의 나노와이어 LED(200)를 성장시킨 후, 다수의 나노와이어 LED(200)의 단부(도 6에 표시된 'E'부분 참조)에 해당하는 p형 반도체층(170)의 표면에 친수성 표면 처리를 한다.
친수성 표면 처리는 후공정에서 다수의 나노와이어 LED를 고분자 화합물의 가교점(도 10의 고리형 화합물(335) 참조)에 결합시키기 위한 선행하는 조치이다.
다수의 나노와이어 LED(200)의 단부를 친수성으로 개질하기 위한 친수성 표면 처리 방법은 화학적 처리 방식, 자외선 조사 방식, 산소플라즈마 처리 방식 등이 있다.
도 7은 초음파를 이용하여 기판으로부터 다수의 나노와이어 LED를 분리시킨 예를 나타낸 도면이고, 도 8은 기판으로부터 분리된 나노와이어 LED를 나타낸 단면도이다.
n형 GaN 기반의 템플리트층(40) 상에 성장된 다수의 나노와이어 LED(200)를 초음파를 이용하여 n형 GaN 기반의 템플리트층(40)으로부터 분리한다(S3).
도 7을 참조하면, 다수의 나노와이어 LED(200)가 성장된 실리콘 기판(10)을 용액이 장입된 소정의 탱크(300)에 넣고 초음파 발생기(310)를 구동한다. 초음파 발생기에서 생성된 초음파는 용액을 전달 매질로 하여 실리콘 기판으로 전달된다.
초음파에 의한 진동으로 n형 GaN 기반의 템플리트층(40)과 다수의 나노와이어 LED(200)를 연결하는 부분이 끊어진다. 끊어지는 부분은 도 6을 참조하면 제1 GaN 층(50)과 자성층(70)의 경계면(C1)이나, 충진부(110)의 바닥면에 대응하는 제1 GaN 층(50)의 일부분(C2)과 경계면(C1) 사이일 수 있다.
이 경우, 충진부(110)의 깊이(D)는 전술한 바와 같이 나노와이어 LED(200)의 노출부의 길이를 결정할 수 있는 기준이 될 수 있다.
도 8을 참조하면, n형 GaN 기반의 템플리트층(40)으로부터 분리된 다수의 나노와이어 LED(200)는 나노와이어 LED(200)의 노출부를 포함하여 전체적으로 기둥(Pillar) 형상으로 이루어질 수 있다.
본 개시에서는, 다수의 나노와이어 LED(200)의 n형 반도체층의 일부인 노출부(자성층(50)에 인접한 부분)를 형성하기 위해 종래와 같이 식각을 통해 형성할 필요가 없으므로 나노와이어 LED(200)에 데미지를 주지 않으므로 분리 공정에서 발생할 수 있는 나노와이어 LED(200)의 성능 저하를 근본적으로 방지할 수 있다. 또한, 종래의 식각 공정에 비해 단순한 초음파 공정을 진행함에 따라 공정에 소요되는 시간을 단축시키고 비용을 절감할 수 있다.　
도 9는 다수의 나노와이어 LED를 고분자 화합물이 포함된 탱크에 투입하는 예를 나타낸 도면이고, 도 10은 다수의 나노와이어 LED가 고분자 화합물에 구비된 다수의 고리형 화합물에 각각 대응하여 결합된 예를 나타낸 도면이고, 도 11은 몰드에 형성된 다수의 성형홈에 고분자 화합물과 결합된 나노와이어 LED를 주입하고 몰드 주변에서 자기장을 형성하는 예를 나타낸 도면이고, 도 12는 유닛 셀 내에 배치된 다수의 나노와이어 LED가 자기장에 의해 일정한 방향으로 정렬된 예를 나타낸 도면이다.
이어서, 다수의 나노와이어 LED를 사용하여 하기 공정을 통해 유닛 셀(230)을 형성한다(S4). 유닛 셀(230)을 제작하기 위해 하기의 공정을 따를 수 있다.
도 9를 참조하면, 다수의 나노와이어 LED(200)를 고분자 화합물 및 바인더를 포함한 화합물 용액(311)이 장입된 소정의 탱크(310)에 투입한다.
도 10을 참조하면, 고분자 화합물은 예를 들면, 덤벨 모양의 분자(dumbbell shaped molecule)와 고리형 화합물(macrocycle)(335)이 구조적으로 끼워져 있는 화합물인 폴리로타세인(polyrotaxane)일 수 있다.
덤벨 모양의 분자는 일정한 선형 분자(linear molecule)(331) 및 선형 분자(331)의 양단에 각각 결합된 봉쇄기(Blocking group)(333)를 포함한다. 선형 분자(331)는 고리형 화합물(335)의 내부를 관통한다. 고리형 화합물(335)은 선형 분자(331)를 따라서 이동할 수 있으며 봉쇄기(333)에 의하여 선형 분자(331)로부터 이탈이 방지된다.
화합물 용액(311)에 투입된 다수의 나노와이어 LED(200)는 각각 친수성 처리된 단부(도 6에 표시된 'E' 부분)가 고리형 화합물(335)에 결합한다. 하나의 고리형 화합물(335)에는 하나의 나노와이어 LED(200)가 결합된다.
고리형 화합물(335)에 결합된 나노와이어 LED(200)는 선형 분자(331)를 이탈하지 못한다. 나노와이어 LED(200)는 다양한 방향으로 자세를 자유롭게 바꿀 수 있다. 이에 따라, 후공정에서 자기장에 의해 다수의 나노와이어 LED(200)를 일정한 방향으로 정렬시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 다수의 나노와이어 LED(200)를 용액(311)과 함께　 몰드(400)에 형성된 다수의 성형홈(410)에 주입한다.
이 경우, 다수의 나노와이어 LED(200)가 각 고리형 화합물(335)에 연결된 상태이므로, 각 성형홈(410)에 주입하는 나노와이어 LED(200)의 밀도를 균일화할 수 있다.
다수의 성형홈(410)에 다수의 나노와이어 LED(200)를 주입한 상태에서 몰드(400)에 인접하게 배치된 자기장 발생장치(430)를 구동하여 일정한 방향으로 자기장을 형성한다.
도 12를 참조하면, 각 성형홈(410)에 주입된 다수의 나노와이어 LED(200)는 자성층(70)을 구비하고 있으므로 자기장 발생장치(430)에서 생성된 자기장에 영향을 받아 모두 동일한 방향으로 정렬된다.
이어서, 각 성형홈(410)에 주입된 다수의 나노와이어 LED(200)를 용액(311)과 함께 대략 30℃이하로 냉각시켜 겔(Gel) 상태의 유닛 셀(230)을 제작한다. 겔 상태로 형성된 유닛 셀(230)에 포함된 다수의 나노와이어 LED(200)는 공정 중에 가해지는 외부 충격으로부터 보호될 수 있다.
본 개시에서, 하나의 유닛 셀(230)은 하나의 서브 픽셀에 대응될 수 있다. 따라서 상기 공정을 통해 요구되는 서브 픽셀의 크기에 따라 유닛 셀(230)의 크기를 변경할 수 있다. 이 경우, 유닛 셀(230) 내에 포함되는 다소의 나노와이어 LED의 개수 역시 변경된다. 이처럼 본 개시는 요구되는 서브 픽셀의 크기에 유연하게 대응할 수 있는 유닛 셀을 제공할 수 있다.
도 13은 유닛 기판 상에 하나의 픽셀을 이루는 적색/녹색/청색 나노와이어 LED를 전사하는 예를 나타낸 도면이고, 도 14는 도 13에 도시된 유닛 기판 상에 유닛 셀 형태의 나노와이어 LED가 전사되는 상태를 나타낸 도면이고, 도 15는 유닛 기판 상에 애노드 전극 및 캐소드 전극과 연결된 다수의 나노와이어 LED를 나타낸 도면이다.
다수의 유닛 셀(230)을 유닛 기판(250) 상에 전사하여 유닛 픽셀(270)을 형성한다(S5). 유닛 픽셀(270)을 제작하기 위해 하기의 공정을 따를 수 있다.
본 개시에서 유닛 기판(250)은 다수의 서브 픽셀(나노와이어 LED)을 포함하여 하나의 픽셀을 이루는 유닛 픽셀(270)의 일부 구성에 해당한다.
도 13을 참조하면, 일 방향으로 이동하는 컨베이어(500) 위에 유닛 기판(250)을 로딩시킨다. 컨베이어(500) 상측에는 적색을 발광하는 다수의 나노와이어 LED가 포함된 유닛 셀(이하, '적색 유닛 셀')이 담긴 제1 호퍼(510)와, 녹색을 발광하는 다수의 나노와이어 LED가 포함된 유닛 셀(이하, '녹색 유닛 셀')이 담긴 제2 호퍼(520)와, 청색을 발광하는 다수의 나노와이어 LED가 포함된 유닛 셀(이하, '청색 유닛 셀')이 담긴 제3 호퍼(530)가 컨베이어(500)의 길이 방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 호퍼(510, 520, 530)의 하측에는 각각 제1 내지 제3 마스크 장치(511, 521, 531)가 배치될 수 있다.　
또한, 컨베이어(500) 상측에는 제1 내지 제3 자기장 발생장치(610, 620, 630)가 배치될 수 있다. 제1 자기장 발생장치(610)는 제1 및 제2 호퍼(510, 520) 사이에 배치되고, 제2 자기장 발생장치(620)는 제2 및 제3 호퍼(520, 530) 사이에 배치되고, 제3 자기장 발생장치(630)는 제3 호퍼(530)의 일측에 배치될 수 있다.
컨베이어(500)에 로딩되어 일방향으로 이동하는 유닛 기판(250)은 제1 호퍼(510)의 하측에 배치된 셔터를 구비한 마스크 장치(511)의 하측을 지난다. 이때, 센서(미도시)에 의해 유닛 기판(250)이 감지되면 제1 호퍼(510)로부터 배출된 적색 유닛 셀(R1)이 도 13과 같이 제1 마스크 장치(511)의 개구를 통해 유닛 기판(250)의 적색 서브 픽셀의 위치에 안착될 수 있다.
이어서, 유닛 기판(250)에 안착되어 이동하는 적색 유닛 셀(R1)은 제1 자기장 발생장치(610)의 하측을 지나면서 제1 자기장 발생장치(610)에서 생성된 자기장에 의해 다수의 나노와이어 LED(200)의 p형 반도체층(170)이 유닛 기판(250)의 애노드 전극(251) 측으로 향하고 n형 반도체층(130)의 일부(90)가 캐소드 전극(252)을 향하도록 자세를 정렬한다.
이어서, 유닛 기판(250)에는 녹색 유닛 셀(G1)이 유닛 기판(250)의 녹색 서브 픽셀의 위치에 안착된 후, 제2 자기장 발생장치(620)에서 생성된 자기장에 의해 자세가 정렬된다.
이어서, 유닛 기판(250)에는 청색 유닛 셀(B1)이 유닛 기판(250)의 청색 서브 픽셀의 위치에 안착된 후 제3 자기장 발생장치(630)에서 생성된 자기장에 의해 자세가 정렬된다.
이 경우, 배출되는 제1 내지 제3 호퍼(510, 520, 530)로부터 1회 배출되는 유닛 셀의 개수는 모두 동일하다. 예를 들면, 제1 호퍼(510)에서 1개의 적색 유닛 셀을 배출하면 순차적으로 제2 및 제3 호퍼(520, 530)에서 각각 1개의 녹색 및 적색 유닛 셀을 배출한다.
한편, 유닛 기판(250) 상에는 적색, 녹색, 청색 유닛 셀(R1, G1, B1)이 각 전극에 대응하도록 자세가 정렬된다. 이 상태로 유닛 기판(250)은 컨베이어(500)에 의해 고분자 화합물을 제거하기 위한 구간을 통과한다.
고분자 화합물 제거 구간에서는 이동하는 유닛 기판(250)으로 고분자 화합물 제거액을 분사한다. 이에 따라, 적색, 녹색, 청색 유닛 셀(R1, G1, B1)을 이루는 고분자 화합물이 제거되면서, 도 15와 같이 유닛 기판(250)에는 적색, 녹색, 청색 나노와이어 LED(200R, 200G, 200B)가 남는다.
이 상태에서 적색, 녹색, 청색 나노와이어 LED(200R, 200G, 200B)의 양단부를 각각 대응하는 캐소드 전극(251, 253, 255) 및 애노드 전극(252, 254, 256)에 프리 본딩(Pre-bonding) 시킨다.
프리 본딩은 컨텍 메탈(Contact metal)(예를 들면, Ni/Au, In, ITO 등)을 나노와이어 LED의 p형 반도체층에 접합한다.
도 16은 유체 자가 조립(FSA: Fluidic Self Assembly)을 통해 다수의 유닛 픽셀을 TFT 기판 상에 배열하는 예를 나타낸 도면이고, 도 17은 TFT 기판에 배열된 다수의 유닛 픽셀이 TFT 기판의 전극에 본딩된 상태를 나타낸 도면이다.
적색, 녹색, 청색 나노와이어 LED(200R, 200G, 200B)가 배치된 다수의 유닛 기판(250)을 유체 자가 조립(FSA) 공정을 통해 TFT 기판(280)에 정렬하고(S6), 정렬된 다수의 유닛 기판(250)을 TFT 기판(280)의 전극(281)에 본딩함으로써(S7) 디스플레이 모듈(290)을 제작할 수 있다.　　
유체 자가 조립 고정 전에, 각 유닛 기판(250)과 TFT 기판(280)에 각각 친수성 표면 처리를 한다.
예를 들면, 각 유닛 기판(250)의 후면(서브 픽셀이 본딩된 면의 반대 면)에 형성된 애노드 전극에 친수성 표면 처리를 하고, TFT 기판(280)의 다수의 애노드 전극이 위치한 열(L1)을 따라 친수성 표면 처리를 한다. 또는, 각 유닛 기판(250)의 후면(서브 픽셀이 본딩된 면의 반대 면)에 형성된 캐소드 전극에 친수성 표면 처리를 하고, TFT 기판(280)의 다수의 캐소드 전극이 위치한 열(L2)을 따라 친수성 표면 처리를 한다.
도 16을 참조하면, 친수성 처리된 TFT 기판(280)을 유체 자가 조립(FSA)을 위한 용액이 장입된 소정의 탱크(700)에 투입한 후, 친수성 처리된 다수의 유닛 기판(250)을 탱크(700)에 투입한다.
탱크(700) 내의 용액을 순환시켜 용액 내에 부유하는 다수의 기판 유닛(250)은 탱크(700) 내부에서 유동하다가 TFT 기판(280)의 친수성 표면 처리된 부분에 달라 붙는다. 이러한 유체 자가 조립 공정을 통해 다수의 기판 유닛(250)은 TFT 기판(280)에 각 위치에 정렬된다.
도 17과 같이, 다수의 기판 유닛(250)이 TFT 기판(280)에 각 위치에 정렬되면 탱크에서 TFT 기판(280)을 인출한 후 TFT 기판(280)에 열을 가하여 다수의 기판 유닛(250)의 전극이 TFT 기판(280)의 전극(281)에 각각 전기적 및 물리적으로 연결되도록 유테틱 본딩(Eutectic bonding) 공정을 진행한다.
유테틱 본딩 공정에서 나노와이어 LED의 p형 반도체층 접합에 사용되는 컨텍 메탈은 Ni/Au이고, n형 반도체층 접합에 사용되는 컨텍 메탈은 Ti/Au일 수 있다.
한편, 유체 자가 조립 공정 전에 각 유닛 기판(250)과 TFT 기판(280)에 각각 친수성 표면 처리를 하였으나, 이에 한정하지 되지 않고 친수성 표면 처리 대신에 소수성 표면 처리를 할 수도 있다.
이와 같이 형성된 디스플레이 모듈(290)은 7인치~10인치 정도의 소형으로 제작될 수 있다. 소형으로 제작된 디스플레이 모듈(290)은 다수를 연결하여 큰 스크린 사이즈(예를 들면, 100인치 이상)를 가지는 대형 디스플레이 장치를 제작할 수 있다.
도 18은 본 개시의 다른 실시 예에 따른 디스플레이 모듈을 나타낸 도면이다.
도 18을 참조하면, 본 개시의 다른 실시 예에 따른 디스플레이 모듈(291)은 유닛 기판을 형성하지 않고 도 13에 도시된 공정을 통해 적색, 녹색, 청색 유닛 셀을 직접 TFT 기판(281)의 각 위치에 안착시킨 후 자기장을 전가하여 TFT 기판(281) 상에서 일정한 방향으로 자세를 정렬할 수 있다.
이어서, 유닛 셀의 일부를 이루는 고분자 화합물을 제거한 후, 적색, 녹색, 청색 나노와이어 LED(200R, 200G, 200B)를 유테틱 본딩 공정을 통해 TFT 기판(281)에 전기적 및 물리적으로 연결할 수 있다.　
이상에서는 본 개시의 다양한 실시예를 각각 개별적으로 설명하였으나, 각 실시예들은 반드시 단독으로 구현되어야만 하는 것은 아니며, 각 실시예들의 구성 및 동작은 적어도 하나의 다른 실시예들과 조합되어 구현될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 개시의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위상에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
본 개시는 나노와이어 LED와, 나노와이어 LED가 적용된 디스플레이 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Claims (15)

  1. 기둥 형상을 가지는 GaN 기반의 n형 반도체층;
    상기 n형 반도체층의 일측 부분에 적층된 활성층;
    상기 활성층에 적층된 GaN 기반의 p형 반도체층; 및
    상기 n형 반도체층의 타측 부분에 배치된 자성층;을 포함하는, 나노와이어 LED.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자성층은 상기 n형 반도체층의 타측 부분의 단부에 배치된, 나노와이어 LED.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성층은 반자성 물질을 포함하는, 나노와이어 LED.
  4. 　제3항에 있어서,
    상기 반자성 물질은 Ge인, 나노와이어 LED.
  5. 　제1항에 있어서,
    상기 자성층은 자기 특성을 가진 물질을 포함하는, 나노와이어 LED.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자기 특성을 가진 물질은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 중 어느 하나인, 나노와이어 LED.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자성층은 반자성 물질 또는 자기 특성을 가지는 물질로 이루어진 제1 박막층과 n형 반도체로 이루어진 제2 박막층이 교대로 반복하여 적층된, 나노와이어 LED.
  8. 일면에 애노드 전극 및 캐소드 전극이 다수 형성된 TFT 기판; 및
    각 애노드 전극에 일단부가 연결되고 상기 각 애노드 전극과 쌍을 이루는 각 캐소드 전극에 타단이 연결된 다수의 나노와이어 LED;를 포함하며,
    각 나노와이어 LED는 자성 및 극성을 가지는, 디스플레이 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 나노와이어 LED는,　
    기둥 형상을 가지는 GaN 기반의 n형 반도체층;
    상기 n형 반도체층의 일측 부분에 적층된 활성층;
    상기 활성층에 적층된 GaN 기반의 p형 반도체층; 및
    상기 n형 반도체층의 타측 부분에 배치된 자성층;을 포함하는, 디스플레이 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 나노와이어 LED는 적색, 녹색, 청색 서브 픽셀들로 이루어진 유닛 픽셀 형태로 상기 TFT 기판에 전사되고,
    상기 유닛 픽셀은 상기 적색, 녹색, 청색 서브 픽셀들이 배치된 유닛 기판을 포함하는, 디스플레이 모듈.
  11. 실리콘 기판에 적층된 버퍼층 상에 자성층을 포함하는 템플리트층을 형성하는 단계;
    상기 템플리트층 상에 다수의 나노와이어 LED를 성장시키는 단계;
    상기 다수의 나노와이어 LED를 상기 자성층을 포함한 상태로 상기 템플리트층으로부터 초음파에 의해 분리하는 단계;
    상기 다수의 나노와이어 LED가 일정한 방향성을 갖도록 정렬된 상태로 몰딩된 다수의 유닛 셀을 형성하는 단계;
    상기 다수의 유닛 셀을 유닛 기판 상에 전사하여 다수의 유닛 픽셀을 형성하는 단계;
    상기 다수의 유닛 픽셀을 TFT 기판 상에 유체 자가 조립을 통해 배열하는 단계; 및
    상기 다수의 유닛 픽셀을 상기 TFT 기판의 전극과 연결하도록 본딩하는 단계;를 포함하는, 디스플레이 모듈의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 템플리트층은,
    상기 실리콘 기판 상에 제1 GaN 기반의 n형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 GaN 기반의 n형 반도체층 상에 n형 반도체층과 반자성 물질 또는 자기 특성을 가진 물질로 이루어진 층을 교대로 반복 적층하여 자기층을 형성하는 단계; 및
    상기 자기층 상에 제2 GaN 기반의 n형 반도체층을 형성하는 단계;를 통해 형성하는, 디스플레이 모듈의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반자성 물질은 Ge이고,
    상기 자기 특성을 가진 물질은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 중 어느 하나인, 디스플레이 모듈의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 다수의 나노와이어 LED를 성장시키기 전에,
    상기 템플리트층에 충진부를 패터닝하고 상기 충진부에 연성을 가지는 충진재를 주입하는, 디스플레이 모듈의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 충진부를 식각하는 깊이를 통해 상기 나노와이어 LED의 n형 반도체층의 노출 길이를 설정하는, 디스플레이 모듈의 제조 방법.
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