KR102158975B1 - 마이크로 소자 어레이 기판 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자 및 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자와 대응되는 음각 패턴이 배열된 기판; 을 포함하며, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭된 형태이며, 전면 및 후면이 서로 구분되는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 어레이 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 마이크로 소자 어레이 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
집적 및 패키징 문제는 마이크로 소자들의 상업화에 대한 주요 장애물 중 하나이다. 마이크로 소자는 무선 주파수(RF) 마이크로전기기계 시스템(MEMS), 마이크로 스위치, 마이크로 센서, 발광 다이오드(LED) 디스플레이 및 조명 시스템 또는 석영-기반 오실레이터 등을 포함한다.
소자들을 이송하기 위한 전통적인 기술은 이송 웨이퍼로부터 수용 웨이퍼로의 웨이퍼 접합에 의한 이송을 포함한다. 그러한 구현예들은 소자를 수용 웨이퍼에 접합한 후 이송 웨이퍼가 소자로부터 접합해제되는 웨이퍼 접합/접합해제 단계를 수반하는 직접 인쇄 및 전사 인쇄를 포함한다. 게다가, 소자들의 어레이를 갖는 전체 이송 웨이퍼가 이송 공정에 수반된다.
소자들을 이송하기 위한 다른 기술로는 탄성중합체 스탬프(stamp)를 이용한 전사 인쇄가 포함된다. 그러한 일 구현예에서는, 소스 웨이퍼 상의 소자들의 피치를 일치시키는 포스트들을 갖는 탄성중합체 스탬프들의 어레이가 소스 웨이퍼 상의 소자들의 표면과 치밀한 접촉을 이루게 되고 반데르 발스 상호작용에 의해 접합된다. 이어서, 소자들의 어레이는 소스 웨이퍼로부터 픽업(pick up)되고, 수용기판으로 이송되고, 그리고 수용기판 상으로 릴리즈(release)될 수 있다.
또한, 소자들을 이송하기 위한 또 다른 기술로는 정전기 이송 헤드들의 어레이를 지지하는 정전기 이송 헤드 어셈블리를 사용하여 마이크로 소자들의 어레이를 수용기판으로 이송하는 기술도 있다.
본 발명은 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여 마이크로 소자를 기판에 전사할 수 있는 마이크로 소자 어레이 기판 및 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자; 및
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자와 대응되는 음각 패턴이 배열된 기판; 을 포함하며,
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭된 형태이며, 전면 및 후면이 서로 구분되는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 어레이 기판을 제공한다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 상기 입체적 독립성을 가지는 소자와 대응되는 음각 패턴이 형성된 기판과 접촉하여 상기 기판에 배열되는 것을 포함하며,
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭된 형태이며, 전면 및 후면이 서로 구분되는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로 소자 어레이 기판은 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여 용매 내에 발생하는 특정 흐름에 의해 상기 마이크로 소자가 자발적으로 기판에 대응되는 위치를 찾아가게 하는 자가 배열(self-align) 방식에 의해 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
특히, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭되어 상기 마이크로 소자의 전면 및 후면이 구분될 수 있도록 방향성이 부여되는 이점이 있다.
본 발명에 따른 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법은 용매에 마이크로 소자를 분산시켜 배열하는 셀프 어셈블리 기술을 활용함으로써 마이크로 소자에 손상을 가하지 않고 기판에 배열할 수 있다.
아울러, 2 종류 이상의 마이크로 소자를 사용자가 원하는 대로 배치 및 이송할 수 있으며, 또는 동시다발적인 마이크로 소자의 전사를 통해 단시간에 다수의 마이크로 소자를 정확한 위치에 배치할 수 있다.
도 1의 (a)는 마이크로 소자의 나타낸 도면이며, 도 1의 (b)는 상기 (a)의 마이크로 소자가 배열된 기판의 모식도이다.
도 2의 (a) 내지 (c) 는 각각 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자를 전면(상단부, 앞면), 후면(하단부, 뒷면), 측면에서 바라본 입체 구조를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a) 내지 (c) 는 각각 상이한 가로 및 세로의 비율을 갖는 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자를 전면(상단부, 앞면), 후면(하단부, 뒷면), 측면에서 바라본 입체 구조를 나타낸 도면이다.
도 4의 (a) 내지 (c) 는 각각 모서리의 일부가 에칭된 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자를 전면(상단부, 앞면), 후면(하단부, 뒷면), 측면에서 바라본 입체 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 마이크로 소자 어레이 기판 제조 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 6a 내지 도 6s는 일부분이 에칭된 마이크로 소자(2종류 이상의 마이크로 소자의 형태가 동일함)가 배열된 기판에서 상기 마이크로 소자를 디스플레이 패널(수용기판)로 전사하는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 7a 내지 도 7f는 일부분이 에칭된 마이크로 소자(2종류 이상의 마이크로 소자의 형태가 서로 상이함)가 배열된 기판에서 상기 마이크로 소자를 디스플레이 패널(수용기판)로 전사하는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 2의 (a) 내지 (c) 는 각각 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자를 전면(상단부, 앞면), 후면(하단부, 뒷면), 측면에서 바라본 입체 구조를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a) 내지 (c) 는 각각 상이한 가로 및 세로의 비율을 갖는 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자를 전면(상단부, 앞면), 후면(하단부, 뒷면), 측면에서 바라본 입체 구조를 나타낸 도면이다.
도 4의 (a) 내지 (c) 는 각각 모서리의 일부가 에칭된 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자를 전면(상단부, 앞면), 후면(하단부, 뒷면), 측면에서 바라본 입체 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 마이크로 소자 어레이 기판 제조 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 6a 내지 도 6s는 일부분이 에칭된 마이크로 소자(2종류 이상의 마이크로 소자의 형태가 동일함)가 배열된 기판에서 상기 마이크로 소자를 디스플레이 패널(수용기판)로 전사하는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 7a 내지 도 7f는 일부분이 에칭된 마이크로 소자(2종류 이상의 마이크로 소자의 형태가 서로 상이함)가 배열된 기판에서 상기 마이크로 소자를 디스플레이 패널(수용기판)로 전사하는 공정을 나타낸 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "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.
본 발명에서 "입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자" 란, 삼차원 공간적 부피를 가진 마이크로 소자를 의미하는 것으로, 다른 종류의 소자에 의해 영향을 받지 않는 성질을 갖는 마이크로 소자를 의미한다.
특히, 본 발명에 따른 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭된 형태로, 상기 마이크로 소자의 전면 및 후면이 서로 구분될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 마이크로 소자 어레이 기판은 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여 용매 내에 발생하는 특정 흐름에 의해 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 자발적으로 기판에 대응되는 위치를 찾아가게 하는 자가 배열(self-align) 방식에 의해 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 마이크로 소자 어레이 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
종래 마이크로 소자들을 이송하기 위한 기술로서, 이송 웨이퍼로부터 수용 웨이퍼로의 웨이퍼 접합에 의한 이송, 탄성중합체 스탬프를 이용한 전사 인쇄, 또는 정전기 이송 헤드들의 어레이를 지지하는 정전기 이송 헤드 어셈블리를 사용하여 마이크로 소자들의 어레이를 수용기판으로 이송하는 기술이 있다.
그러나, 상기 종래기술들은 개발에 착수한 기간이 2 내지 5 년 이상이 지났음에도 불구하고 상용화에 도달하지 못했다. 예상되는 이유는 배열에 적합한 마이크로미터 크기의 소자의 입체 설계가 부족했고, 수백만 개 이상의 마이크로 소자를 디스플레이용 패널에 단시간에 이동 및 접합시키는데 문제점이 발생했기 때문으로 예상된다.
특히, 정전기 헤드(head)를 이용할 경우 LED 소자에 전류병목현상과 같은 정전 방전(electro static discharge, ESD)에 의한 소자 파괴를 야기할 수 있고, 탄성과 접착력을 가진 고분자 물질을 사용하여 전사할 경우 접착력을 지속적으로 확보하는데 어려움이 있거나, 마이크로 크기의 LED 소자를 등간격을 유지하면서 고정밀 얼라인(align)하는 기술의 개발이 난관에 봉착한 것으로 사료된다.
생산 비용을 획기적으로 낮추기 위해서는 마이크로 LED 소자의 전사 공정 혁신 기술이 반드시 필수적이다. 다시 말해, 제품을 1 개 완성하는데 소요되는 시간(TAC: time at completion), 다량의 픽셀(pixel) 소자들을 정해진 위치에 전사하는데 드는 시간을 급격하게 줄여 생산성을 확보하게 되며, 이는 필연적으로 생산 단가의 매우 큰 감소로 이어지게 된다는 의미이다.
그러므로, 전사 시간을 줄임으로써 생산 단가의 감소 및 생산성을 확보하고, 마이크로 소자 배열의 정밀성을 동시에 만족하는 전사 방법이 요구된다.
이에, 본 발명은 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여 마이크로 소자를 기판에 전사할 수 있는 마이크로 소자 어레이 기판 및 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로 소자 어레이 기판은 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여 용매 내에 발생하는 특정 흐름에 의해 상기 마이크로 소자가 자발적으로 기판에 대응되는 위치를 찾아가게 하는 자가 배열(self-align) 방식에 의해 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
특히, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭되어 상기 마이크로 소자의 전면 및 후면이 구분될 수 있도록 방향성이 부여되는 이점이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 일 실시예에서,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자; 및
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자와 대응되는 음각 패턴이 배열된 기판; 을 포함하며,
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭된 형태이며, 전면 및 후면이 서로 구분되는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 어레이 기판을 제공한다.
본 발명에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101) 및 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101)와 대응되는 음각 패턴이 배열된 기판(201)을 제공한다. 한편, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101)는 일부분이 에칭된 형태이며, 이에 따라 마이크로 소자(101)의 전면 및 후면이 서로 구분되는 것을 특징으로 한다. 아울러, 상기 마이크로 소자의 어레이 기판(201)은 2 종류 이상의 마이크로 소자(101)들을 기판(201)에 배열할 수 있고, 상기 기판의 마이크로 소자(101)의 배열을 동시에 또는 순차적으로 디스플레이 장치의 패널에 전사할 수 있다.
본 발명에서 "마이크로 소자"는 마이크로미터의 사이즈 또는 나노미터의 사이즈를 가지는 전자 소자로 발광 다이오드 등의 광소자, 열전 소자 또는 트랜지스터 등을 지칭할 수 있다. 구체적으로는, 발광 다이오드를 마이크로 소자로 이용하여 이를 특정 기판 상에 도입하고, 발광 다이오드를 화소로 이용하는 기술에 적용되는 소자를 의미할 수 있다.
아울러, 본 발명에서, "입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자" 란, 삼차원 공간적 부피를 가진 마이크로 소자를 의미하는 것으로, 다른 종류의 소자에 의해 영향을 받지 않는 성질을 갖는 마이크로 소자를 의미한다. 특히, 본 발명에 따른 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭된 형태로, 상기 마이크로 소자의 전면 및 후면이 서로 구분될 수 있다.
이와 관련하여, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 종류가 서로 상이한 마이크로 소자이며, 예를 들어, 각각 R/G/B 소자일 수 있다. 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 전면 및 후면이 사각형의 판상 형상일 수 있다. 아울러, 상기 마이크로 소자는 육면체이며, 전면과 후면을 제외한 나머지 측면의 높이가 낮은 판상 형태일 수 있다.
본 발명에서, 마이크로 소자의 전면(앞면)은 음각 패턴이 배열된 기판과 접촉되는 부분일 수 있으며, 마이크로 소자의 후면(뒷면)은 디스플레이 패널에 접촉되는 부분일 수 있다. 특히, 디스플레이 패널에 전사 시 접촉되는 부분은 전극을 형성하는 금속층(후면의 빗금 부분)을 포함할 수 있다.
아울러, 상기 기판은 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)를 배열하기 전, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자의 성장을 위한 기판으로서, 사파이어, 유리, GaN, MgO, Si, 또는 GaAs 기판을 포함할 수 있다.
한편, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 크기는 일면의 폭이 1 내지 100 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 크기는 1 내지 100 ㎛, 1 내지 80 ㎛, 1 내지 60 ㎛, 1 내지 40 ㎛, 1 내지 20 ㎛, 1 내지 10 ㎛, 10 내지 100 ㎛, 20 내지 100 ㎛, 40 내지 100 ㎛, 60 내지 100 ㎛, 또는 80 내지 100 ㎛ 일 수 있다.
아울러, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 측면의 일부분이 에칭되어 전면 및 후면이 구분될 수 있으며, 일 예로, 일부분이 에칭된 마이크로 소자는 앞면과 뒷면의 형태가 비대칭일 수 있다.
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 일부분이 에칭된 형태는, 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 제조 시 초기 설계 자체를 측면의 일부분이 제거된 형태로 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)를 성장시키는 방법, 드라이 에칭 방법, 또는 스퍼터 방식 등의 반도체 공정을 이용하여 형성하는 것일 수 있다.
도 2의 (a) 내지 (c) 는 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자의 전면(상단부, 앞면), 후면(하단부, 뒷면), 측면에서 바라본 입체 구조를 나타낸 도면이다.
도 2(a) 내지 (c) 에 도시된 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 네 개의 꼭지점 중 하나의 꼭지점이 사선으로 절단된 형태를 나타낸다.
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 전면 및 후면이 사각형의 판상 형상이다. 상기 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 육면체이며, 전면과 후면을 제외한 나머지 측면의 높이가 낮은 판상 형태일 수 있다.
이때, 상기 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 상술한 바와 같이 일부분이 에칭된 형태일 수 있다. 구체적으로, 사각형의 네 개의 꼭지점 중 적어도 하나의 꼭지점 또는 상기 사각형의 네 개의 모서리 중 적어도 하나의 모서리의 일부분이 절단된 형태일 수 있으며, 또는 사각형의 네 개의 꼭지점 중 적어도 하나의 꼭지점 및 상기 사각형의 네 개의 모서리 중 적어도 하나의 모서리가 일부분 절단된 형태일 수 있다.
특히, 상기 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 일 부분이 에칭된 형태에 의해 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 전면과 뒷면이 구분될 수 있고, 이에 상기 측면의 일부분이 에칭된 마이크로 소자는 전면과 후면의 형태가 비대칭일 수 있다. 예를 들면, 기판에 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 배열될 때, 도면상 상기 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 후면은 상기 기판의 음각 패턴부에 접촉하도록 배치되지 아니하며, 상기 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 전면이 상기 기판에 접촉하도록 배치될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 상기 에칭된 형태에 의해서 방향성이 부여될 수 있다.
다만, 상기 에칭된 형태와 접촉하고 있는 두 모서리, 특히, 상기 에칭된 형태를 제외한 모서리의 길이 비율은 서로 상이할 수 있다.
한편, 도 2(a) 내지 (c) 에 도시된 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 종류가 서로 상이한 마이크로 소자일 수 있으며, 이때, 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 형태는 동일할 수 있다. 이러한 경우, 마이크로 소자 어레이 기판을 제조할 때, 상기 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)를 기판에 순차적으로 배열할 수 있다. 보다 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
도 3의 (a) 내지 (c) 는 각각 상이한 가로 및 세로의 비율을 갖는 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자를 전면(상단부, 앞면), 후면(하단부, 뒷면), 측면에서 바라본 입체 구조를 나타낸 도면이다.
구체적으로, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 종류에 따라 가로축 길이와 세로축 길이의 비율이 상이한 형태일 수 있다. 예를 들어, 사각형인 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)를 배열하는 경우, 상기 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 동일 평면상에서의 가로축 길이와 세로축 길이의 비율이 서로 상이할 수 있고, 상기 3 종류의 마이크로 소자는 상기 3 종류의 마이크로 소자와 각각 대응되는 패턴이 형성된 기판에 배열될 수 있고, 상기 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)들이 입체적 독립성을 가짐으로써 원하는 배열로 패턴을 형성하여 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)를 선택적으로 배열할 수 있다.
상기 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 동일 평면상에서의 가로축 길이와 세로축 길이의 비율이 서로 상이할 수 있고, 예를 들어, 상기 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)의 가로축 길이와 세로축 길이의 비율은 각각 2:1, 7:3, 및 11:4일 수 있다. 또한, 상기 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 상기 3 종류의 마이크로 소자와 각각 대응되는 패턴이 형성된 기판에 배열될 수 있고, 상기 마이크로 소자들이 입체적 독립성을 가짐으로써 원하는 배열로 패턴을 형성하여 마이크로 소자를 선택적으로 배열할 수 있다.
도 4의 (a) 내지 (c) 는 각각 모서리의 일부가 에칭된 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자를 전면(상단부, 앞면), 후면(하단부, 뒷면), 측면에서 바라본 입체 구조를 나타낸 도면이다.
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 2 종류 이상이며, 종류에 따라 상기 마이크로 소자의 에칭된 위치 또는 에칭된 형태가 상이한 형태일 수 있다.
상술한 바와 같이, 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 전면 및 후면이 사각형의 판상 형상일 수 있으며, 사각형의 네 개의 꼭지점 중 적어도 하나의 꼭지점 또는 상기 사각형의 네 개의 모서리 중 적어도 하나의 모서리, 또는 사각형의 네 개의 꼭지점 중 적어도 하나의 꼭지점 및 상기 사각형의 네 개의 모서리 중 적어도 하나의 모서리가 일부분 절단된 형태일 수 있다.
상기 에칭된 형태는 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)에 방향성을 부여하기 위한 것으로, 상기 마이크로 소자에 방향성을 부여하기 위한 형태라면 어떠한 형태라도 무관하다.
상기 형태가 서로 상이한 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 상기 3 종류의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)와 각각 대응되는 패턴이 형성된 기판에 배열될 수 있고, 상기 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)들이 입체적 독립성을 가짐으로써 원하는 배열로 패턴을 형성하여 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)를 선택적으로 배열할 수 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 상기 입체적 독립성을 가지는 소자와 대응되는 음각 패턴이 형성된 기판과 접촉하여 상기 기판에 배열되는 것을 포함하며,
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭된 형태이며, 전면 및 후면이 서로 구분되는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로 소자 어레이 기판은 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여 용매 내에 발생하는 특정 흐름에 의해 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 자발적으로 기판에 대응되는 위치를 찾아가게 하는 자가 배열(self-align) 방식에 의해 제조하는 방법을 제공할 수 있다. 특히, 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 2 종류 이상이며, 상기 2 종류 이상의 마이크로 소자는 상기 기판에 순차적으로 또는 동시에 배열할 수 있다.
또한, 상기 마이크로 소자 어레이 기판은 용매에 마이크로 소자를 분산시켜 배열함으로써 마이크로 소자에 손상을 가하지 않고 기판에 배열할 수 있다.
상기 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법은 배열의 정확도를 ±1.5 μm 이내로 확보할 수 있으며, 이는 일반적인 전사 장비인 다이 본더(die bonder)의 정확도 ±34 μm보다 현저히 높은 정확도를 나타낸다. 또한, 동시다발적인 마이크로 소자의 전사를 통해 단시간에 다수의 마이크로 소자를 정확한 위치에 배열할 수 있다.
상기 특정 에너지를 가지는 진동에 의해 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 흐름을 형성하여, 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 상기 특정 흐름을 따라 이동하여 기판에 접촉하는 것일 수 있다. 특정 에너지를 가지는 진동을 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 인가하는 것은, 무작위로 퍼져있는 상기 마이크로 소자들을 특정 흐름에 의해 분산 및 특정 위치에 밀집시킴을 유도함으로써, 마이크로 소자들이 의도된 배열 방식에 의해 음각 패턴이 형성된 기판의 대응되는 위치에 접촉하는 빈도수를 증가시킬 수 있다. 또한, 진동수와 진동수를 인가하는 패턴을 조절하여 특정 흐름을 조절함으로써, 다수의 마이크로 소자들의 위치를 미세하게 조정할 수 있다.
상기 특정 에너지를 가지는 진동을 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 인가하면, 용매의 움직임은 난류 형태를 나타내지만, 파동의 특성상 동일한 파형으로 중첩되는 부분은 진폭이 증가하며, 반대의 파형으로 중첩되는 부분은 진폭이 0이 되는 원리에 의해 마이크로 소자가 유동성을 가진채로 일정한 특정 흐름을 형성할 수 있다.
상기 특정 에너지를 가지는 진동의 진동수는 28 내지 40 kHz 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 진동수는 28 내지 38 kHz, 28 내지 35 kHz, 28 내지 30 kHz, 30 내지 40 kHz, 32 내지 40 kHz, 34 내지 40 kHz, 36 내지 40 kHz, 또는 38 내지 40 kHz 범위일 수 있다.
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 마이크로 소자의 종류에 상관 없이 동일한 형태의 마이크로 소자일 수 있으며, 마이크로 소자의 종류에 따라 상이한 형태의 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자일 수 있다. 아울러, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자의 형태에 따라 대응되는 기판의 패턴이 형성되는 것일 수 있다.
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자의 측면의 일부분이 에칭되어 앞/뒤가 구분되는 것일 수 있다. 상기 마이크로 소자의 측면의 일부분이 에칭된 형태에 의해 마이크로 소자의 앞면과 뒷면이 구분될 수 있고, 상기 측면의 일부분이 에칭된 마이크로 소자는 앞면과 뒷면의 형태가 비대칭일 수 있다.
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자의 측면의 일부분이 에칭된 형태는, 마이크로 소자의 제조 시 초기 설계 자체를 측면의 일부분이 제거된 형태로 마이크로 소자를 성장시키는 방법, 드라이 에칭 방법, 또는 스퍼터 방식 등의 반도체 공정을 이용하여 형성하는 것일 수 있다.
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자의 크기는 그 폭이 1 내지 100 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자의 폭은 1 내지 100 μm, 1 내지 80 μm, 1 내지 60 μm, 1 내지 40 μm, 1 내지 20 μm, 1 내지 10 μm, 10 내지 100 μm, 20 내지 100 μm, 40 내지 100 μm, 60 내지 100 μm, 또는 80 내지 100 μm일 수 있다.
상기 용매는 이산화탄소, 아세톤, 이소프로필 알코올, 벤젠, 액화 기체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있다. 또한, 상기 용매는 계면활성제 또는 금속 분산제를 추가 포함할 수 있다. 상기 용매는 특정 에너지를 가지는 진동을 마이크로 소자에 전달하기 위한 액체 매질의 역할을 할 수 있고, 마이크로 소자에 손상을 가하지 않으면서, 휘발성이 높거나 끓는점이 낮은 단일 또는 혼합 용매일 수 있다.
예를 들어, 상기 계면활성제는 마이크로 소자의 표면 장력을 해소할 수 있는 물질을 포함할 수 있고, 상기 분산제는 상용 금속의 분산을 위한 분산제라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법은 용매에 마이크로 소자를 분산시켜 배열함으로써 마이크로 소자에 손상을 가하지 않고 전사할 수 있다.
본 발명에서는 기존에 제시된 방식과 차별화된 방식으로 마이크로 소자, 예를 들어, 디스플레이 소자를 독립적을 분리해내, 매질 선정과 주파수 제어를 통한 물리적 진동을 가해, 마이크로미터 크기의 소자들이 기판의 특정 위치에 자리잡고, 접합하고 배선되어 디스플레이와 기타 제품에 활용될 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법은 마이크로 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 소자를 포함한 마이크로미터 수준의 단위 크기를 갖는 미소 전자 기계 시스템(micro electro mechanical systems, MEMS) 소자 구조체를 효율적으로 기판에 배치할 수 있으며, 예를 들어, 입체적 독립성을 가지는 3 종류의 소자를 활용하면, 풀칼라(full-color)를 구현하는 마이크로 LED 디스플레이를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 소자 어레이 기판의 제조를 위해, 도 5에 나타낸 마이크로 소자 어레이 기판의 제조 장치를 이용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 마이크로 소자 어레이 기판의 제조 장치는 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)가 분산된 용매(106)를 수용하는 격벽 구조체(104); 격벽 구조체(104)의 하부에 설치되어 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하는 진동부(105); 및 진동부(105)의 상부에 위치하고 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)와 대응되는 음각 패턴이 형성된 기판(102)의 고정 및 이동을 제어하는 이송 기판(103)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 격벽 구조체(104)는, 기판(102)을 침지시킬 수 있는 충분한 양의 용매(106)를 수용할 수 있는 형태의 용기라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 격벽 구조체(104)는 상부는 개방되고 하부는 밀폐된 사각기둥, 원기둥 등의 형태를 갖는 것일 수 있다.
상기 진동부(105)는 상기 격벽 구조체(104)의 하부에 위치하거나, 별도의 진동부 없이 상기 용매(106)에 진동을 가할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.
상기 진동부(105)는 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)가 분산된 용매(106)에 특정 흐름을 형성하는 것일 수 있다. 상기 특정 에너지를 가지는 진동을 용매(106)에 인가하여 무작위로 퍼져있는 상기 마이크로 소자들(101a, 101b, 101c)을 특정 흐름에 의해 분산 및 특정 위치에 밀집시킴을 유도함으로써, 마이크로 소자들(101a, 101b, 101c)이 의도된 배열 방식에 의해 음각 패턴이 형성된 기판(102)의 대응되는 위치에 접촉하는 빈도수를 증가시킬 수 있다. 또한, 진동수와 진동수를 인가하는 패턴을 조절하여 특정 흐름을 조절함으로써, 다수의 마이크로 소자들(101a, 101b, 101c)의 위치를 미세하게 조정할 수 있다.
나아가, 본 발명에서는, R/G/B 소자가 배열된 패널을 포함하는 디스플레이 장치로서, 상기 R/G/B 소자는 마이크로 소자이고, R, G, B 소자 각각은 상호간 입체적 독립성을 가지는 형태인 디스플레이 장치를 제공한다.
상기 R/G/B 소자가 배열된 패널은, 각각 상호간 입체적 독립성을 가지는 R, G, B 소자가 상기 입체적 독립성을 가지는 R, G, B 소자와 대응되는 음각 패턴이 형성된 기판에 배열되고, R, G, B 소자가 배열된 기판에서 디스플레이 패널(수용기판)로 R, G, B 소자를 전사함으로써 형성하는 것일 수 있다.
상기 R, G, B 소자가 상기 입체적 독립성을 가지는 R, G, B 소자와 대응되는 음각 패턴이 형성된 기판에 배열되는 것은, 디스플레이 패널과 반전된 배열로 상기 R, G, B 소자가 배열되고, 상기 전사 단계에서 상기 기판을 상기 디스플레이 패널에 올려 R, G, B 소자들을 전사하는 것일 수 있다.
이때, 상기 마이크로 소자는 측면의 일부분이 에칭된 형태일 수 있다. 상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자의 측면의 일부분이 에칭되어 전면 및 후면이 구분되는 것일 수 있다. 상기 마이크로 소자의 일부분이 에칭된 형태에 의해 마이크로 소자의 전면과 후면이 구분될 수 있고, 상기 일부분이 에칭된 마이크로 소자는 앞면과 뒷면의 형태가 비대칭일 수 있다.
도 6a 내지 도 6s는 일부분이 에칭된 마이크로 소자(2종류 이상의 마이크로 소자의 형태가 동일함)가 배열된 기판에서 상기 마이크로 소자를 디스플레이 패널(수용기판)로 전사하는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 6a 내지 도 6s를 참조하면, 마이크로 소자(101a)가 용매에 진동을 가하는 마이크로 소자 어레이 기판의 제조 장치에 의해 음각 패턴이 형성된 기판(102)에 마이크로 소자(101a)에 대응하는 음각 패턴에 전면 및 후면이 구분되어 배열된다(도 6a). 정해진 음각 패턴에 배치되지 않은 여분의 마이크로 소자들은 회수되고, 다음 음각 패턴이 형성된 기판의 제조 시 재활용될 수 있다.
음각 패턴이 형성된 기판(102)의 정해진 위치에 배열된 마이크로 소자(101a)는 이송기판(103)에 의해 이동하여 수용기판(201)에 전사되는 과정을 거치게 된다(도 6b 내지 도 6e). 이 과정에서 반도체 웨이퍼의 정렬상태를 확인하는 과정을 거친다. 이를 통해 마이크로 소자의 배열 정도의 정확성을 확보하고, 추후 진행되는 다른 종류의 소자들의 배치를 방해하지 않는다. 다른 종류의 소자가 위치할 공간은 마이크로 소자의 높이보다 큰 높이를 가진 공간을 갖는다. 이는 기존에 배치되어있는 마이크로 소자나 이미 배치되어있는 소자의 물리적인 영향을 끼치지 않기 위함이다. 이송기판(103)에서 수용기판(201)으로 이송하는 과정에서는 진동이나 물리 에너지를 가함으로써 수용기판(201)의 정해진 위치에 안착하게 유도한다(도 6f).
이후 열처리, 전자기력 등과 같은 에너지를 가함으로써 수용기판에 이미 형성되어 있는 전극재료와 마이크로 소자 형성 시 포함한 전극재료 사이의 반응을 유도하여 소자의 기능을 구현할 수 있도록 전기적 신호가 통할 수 있게 배선을 형성한다.
그리고, 상술한 과정을 마이크로 소자(101b, 101c) 로 반복 실행한다(도 6e 내지 도 6s).
도 7a 내지 도 7f는 일부분이 에칭된 마이크로 소자(2종류 이상의 마이크로 소자의 형태가 서로 상이함)가 배열된 기판에서 상기 마이크로 소자를 디스플레이 패널(수용기판)로 전사하는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 7a 내지 도 7f를 참조하면, 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)가 용매에 진동을 가하는 마이크로 소자 어레이 기판의 제조 장치에 의해 음각 패턴이 형성된 기판(102)에 각각의 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)에 대응하는 음각 패턴에 앞/뒤가 구분되어 배열된다(도 7a). 정해진 음각 패턴에 배치되지 않은 여분의 마이크로 소자들은 회수되고, 다음 음각 패턴이 형성된 기판의 제조 시 재활용될 수 있다.
음각 패턴이 형성된 기판(102)의 정해진 위치에 배열된 마이크로 소자(101a, 101b, 101c)는 이송기판(103)에 의해 이동하여 수용기판(201)에 전사되는 과정을 거치게 된다(도 7b 내지 도 7e). 이 과정에서 반도체 웨이퍼의 정렬상태를 확인하는 과정을 거친다. 이를 통해 마이크로 소자의 배열 정도의 정확성을 확보하고, 추후 진행되는 다른 종류의 소자들의 배치를 방해하지 않는다. 다른 종류의 소자가 위치할 공간은 마이크로 소자의 높이보다 큰 높이를 가진 공간을 갖는다. 이는 기존에 배치되어있는 마이크로 소자나 이미 배치되어있는 소자의 물리적인 영향을 끼치지 않기 위함이다. 이송기판(103)에서 수용기판(201)으로 이송하는 과정에서는 진동이나 물리 에너지를 가함으로써 수용기판(201)의 정해진 위치에 안착하게 유도한다(도 7f).
이후 열처리, 전자기력 등과 같은 에너지를 가함으로써 수용기판에 이미 형성되어 있는 전극재료와 마이크로 소자 형성 시 포함한 전극재료 사이의 반응을 유도하여 소자의 기능을 구현할 수 있도록 전기적 신호가 통할 수 있게 배선을 형성한다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
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실시예
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일부분이 에칭된 입체적 독립성이 부여된 마이크로 소자의 성장 기판으로서 사파이어 기판이 이용하였다. 상기 성장 기판은 LED 소자 제작 시 요구되는 내열성, 팽창률이 고려되어야 하며, 반도체층의 성장이 용이하게 도와주는 기판을 의미한다. 마이크로 LED 소자 성장 과정에서 전면에서 보거나 후면에서 보았을 때의 모양이 비대칭 형태가 되도록 에칭 공정을 거치며 성장시켰다.
추가로, LED 소자와 배선과의 접촉을 위해 금속 또는 투명 전도산화물을 형성시켰다. 제조된 마이크로 LED 소자를 사파이어 기판에서 Laser-Lift off 방식을 통해 분리해내고, 이를 이송 기판에 배치하였다. 마이크로 LED 소자를 포함한 이송기판에 외부에너지를 가하기 위해 전사 장치에 투입하였고, 마이크로 LED 소자들의 원활한 배치를 위해 용매를 장치에 주입하였다. 이때 상기 용매는 이소프로필알콜, 아세톤, 벤젠, 액화기체 등이 활용가능하다.
전사 장치에 외부에너지로서 진동에너지 또는 초음파를 특정 패턴으로 입력하여, 마이크로 소자들이 이송 기판의 정해진 위치에 매설 되게끔 유도하였다. 매설 완료된 소자 이외의 소자들은 다른 이송 기판에 활용될 수 있도록, 나일론 mesh를 활용해 다시 수거하였다. 그리고, 소자들이 매설 완료된 이송 기판은 배선이 형성되어 있는 수용 기판과 접촉을 시도하였다.
이때, 배열의 정확성을 위해 미리 표시해둔 2 개 이상의 표식의 일치함을 확인한 후, 이송 기판과 수용 기판을 접촉 후 외부에너지 또는 열에너지를 가하여 마이크로 LED 소자가 발광할 수 있도록 배선전극을 형성하였다.
101a, 101b, 101c: 마이크로 소자
102: 음각 패턴이 형성된 기판
103: 이송기판
104: 격벽 구조체
105: 진동부
106: 용매
201: 수용기판
102: 음각 패턴이 형성된 기판
103: 이송기판
104: 격벽 구조체
105: 진동부
106: 용매
201: 수용기판
Claims (6)
- 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자; 및
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자와 대응되는 음각 패턴이 배열된 기판; 을 포함하며,
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭된 형태이며, 전면 및 후면이 서로 구분되고,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 전면 및 후면이 사각형의 판상 형상이며,
상기 사각형의 네 개의 꼭지점 중 적어도 하나의 꼭지점 또는 상기 사각형의 네 개의 모서리 중 적어도 하나의 모서리, 또는 사각형의 네 개의 꼭지점 중 적어도 하나의 꼭지점 및 상기 사각형의 네 개의 모서리 중 적어도 하나의 모서리가 일부분 절단된 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 어레이 기판.
- 제 1 항에 있어서,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 2 종류 이상이며, 종류에 따라 상기 마이크로 소자의 에칭된 위치 또는 에칭된 형태가 상이한 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 어레이 기판.
- 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 분산된 용매에 특정 에너지를 가지는 진동을 인가하여,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자가 상기 입체적 독립성을 가지는 소자와 대응되는 음각 패턴이 형성된 기판과 접촉하여 상기 기판에 배열되는 것을 포함하며,
상기 입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 일부분이 에칭된 형태이며, 전면 및 후면이 서로 구분되는 것을 특징으로 하는 제1항의 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,
입체적 독립성을 가지는 마이크로 소자는 2 종류 이상이며,
상기 2 종류 이상의 마이크로 소자는 상기 기판에 순차적으로 또는 동시에 배열하는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 마이크로 소자가 배열된 기판에서 수용기판으로 마이크로 소자를 전사하는 것을 더 포함하는 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 용매는 아세톤이고,
상기 특정 에너지의 진동수는 28 내지 40KHz인 마이크로 소자 어레이 기판의 제조방법.
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