KR102260639B1 - 반도체 발광소자의 자가조립 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 발광소자의 자가조립 장치는, 조립 챔버 내 구비되며, 기판을 지지하여 상기 기판을 조립 위치에 배치시키는 기판 척을 포함하고, 기판 척은 기판 로딩 및 언로딩 시 기판과 유체 사이에 존재하는 기체를 흡입하거나 기체를 주입하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 발광소자의 자가조립 장치{SELF ASSEMBLY DEVICE FOR SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 디스플레이 장치의 제조방법 중 자가조립에 관한 것으로, 특히, 마이크로 LED의 자가조립 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 대면적 디스플레이를 구현하기 위하여, 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광소자(OLED) 디스플레이, 그리고 마이크로 LED 디스플레이 등이 경쟁하고 있다.
삭제
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 등이 있다. 이 중에서, 자가조립 방식은 유체 내에서 반도체 발광소자가 스스로 위치를 찾아가는 방식으로서, 대화면의 디스플레이 장치의 구현에 가장 유리한 방식이다.
최근에는 미국등록특허 제9,825,202에서 자가조립에 적합한 마이크로 LED 구조를 제시한 바 있으나, 여전히 마이크로 LED의 자가조립을 통해 디스플레이 장치를 제조하는 기술에 대한 연구는 미비한 실정이다.
이에, 본 발명에서는 마이크로 LED의 자가조립을 위한 새로운 형태의 자가조립 장치를 제시한다.
본 발명의 일 목적은 마이크로 크기의 반도체 발광소자를 사용한 대화면 디스플레이에서 높은 신뢰성을 가지는 제조공정 및 상기 제조공정에 사용되는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 조립 챔버 내 기판 로딩 또는 언로딩 시 조립 수율을 저하시키는 원인을 제거하여, 자가조립 수율을 향상시킬 수 있는 기판 척 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기장 및 자기장을 이용하여 유체가 수용된 조립 챔버 내 담긴 기판 상의 기 설정된 위치에 반도체 발광소자들을 안착시키는 반도체 발광소자의 자가조립 장치에 있어서, 조립 전극이 형성된 기판을 지지하는 기판 지지부, 상기 기판 지지부를 회전시키는 회전부, 상기 기판 지지부에 의해 지지된 상기 기판을 상하로 이동시켜 상기 유체에 대한 상기 기판의 위치를 조절하는 수직 이동부, 상기 기판에 형성된 상기 조립 전극과 연결되어 전기장을 발생시키는 전극 연결부 및 상기 기판 척의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 기판 지지부는, 상기 유체와 상기 기판 사이에 존재하는 기체를 흡입하거나 상기 유체와 기판 사이에 기체를 주입하는 미세홀들을 포함하며, 상기 제어부는, 상기 기판의 상승 또는 하강 여부에 따라 상기 미세홀들을 통한 상기 기체의 흡입 또는 주입 여부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 기판이 상기 유체와 접촉하도록 하강할 때는, 상기 미세홀들을 통해 상기 유체와 상기 기판 사이에 존재하는 기체가 흡입되고, 상기 기판이 상기 유체로부터 분리되도록 상승할 때는, 상기 미세홀들을 통해 상기 유체와 상기 기판 사이에 기체가 주입되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 기판 지지부는, 상기 조립 전극이 형성된 상기 기판의 일면을 지지하는 제1 프레임 및 상기 기판의 타면을 지지하는 제2 프레임을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 프레임은, 중앙부가 개구된 바닥부; 및 상기 바닥부의 외측 둘레를 따라 소정 높이로 형성된 측벽부를 포함하며, 상기 미세홀들은, 상기 제1 프레임의 내측 둘레의 적어도 일부를 따라 소정 간격으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 미세홀들은, 적어도 상기 바닥부의 내측 둘레를 형성하는 변들 중 마주보는 두 변의 길이 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 마주보는 두 변 중 어느 하나의 변을 따라 형성된 미세홀들은, 상기 유체와 상기 기판 사이에 존재하는 기체를 흡입하고, 상기 마주보는 두 변 중 나머지 변을 따라 형성된 미세홀들은, 상기 유체와 상기 기판 사이로 기체를 주입하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 미세홀들을 통해 주입되는 기체의 주입량 및 주입 속도를 제어하는 기체 유량 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 회전부는, 상기 기판이 상승 또는 하강할 때, 상기 기판의 일측이 상기 유체와 먼저 접촉하거나 상기 기판으로부터 분리되도록 상기 기판을 기울이는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 미세홀들은, 적어도 상기 기판의 일측을 지지하는 상기 기판 지지부의 일측 및 상기 기판의 일측과 마주하는 상기 기판의 타측을 지지하는 상기 기판 지지부의 타측에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 회전부는, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임의 상하 위치가 전환되도록 상기 기판의 폭 또는 길이 방향을 축으로 하여 상기 기판 지지부를 회전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 자가조립 장치에 의하면 기판과 유체 표면에 가두어진 기체(기포 포함) 및 유체를 제거하여 조립 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 개선된 조립 수율로 자가조립 공정의 신뢰성을 확보할 수 있으며, 대면적 기판에 자가조립 공정을 적용할 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 자가조립 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 기판 척의 제1 상태를 나타내는 개념도이다.
도 12는 기판 척의 제2 상태를 나타내는 개념도이다.
도 13은 기판 척에 구비된 제1 프레임의 평면도이다.
도 14는 기판 척에 조립 기판이 로딩된 상태를 나타내는 개념도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 형성부의 사시도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 형성부의 일측면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 형성부의 하측면도이다.
도 18은 본 발명에 따른 자기장 형성부에 구비된 자석들의 궤적을 나타내는 개념도이다.
도 19는 반도체 발광소자를 공급하는 모습을 나타내는 개념도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 조립 챔버의 평면도이다.
도 21은 도 20의 라인 A-A'을 따라 취한 단면도이다.
도 22 및 도23은 본 발명의 일 실시예에 따른 조립 챔버에 구비된 게이트의 움직임을 나타내는 개념도이다.
도24는 자가조립 시 발생되는 기판의 휨 현상을 나타내는 개념도이다.
도 25는 기판의 휨 현상을 보정하기 위한 방법을 나타내는 개념도이다.
도 26은 기판의 휨 현상을 보정하기 위한 방법을 나타내는 순서도이다.
도 27은 기판 로딩/언로딩시 발생하는 기판 휨 현상을 나타낸 도면이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 기판 척에 있어서, 미세홀들이 형성된 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 29는 기판 로딩 시 기판 및 유체 사이의 기체를 흡입하는 과정이다.
도 30은 기판 언로딩 시 기판 및 유체 사이에 기체를 주입하는 과정이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 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 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
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 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명되는 디스플레이 장치에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 피씨(Slate PC), Tablet PC, Ultra Book, 디지털 TV, 디지털 사이니지, 헤드 마운팅 디스플레이(HMD), 데스크탑 컴퓨터 등이 포함될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태이라도, 디스플레이가 가능한 장치에는 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
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(150')는 p형 전극(156'), p형 전극(156')이 형성되는 p형 반도체층(155'), p형 반도체층(155') 상에 형성된 활성층(154'), 활성층(154') 상에 형성된 n형 반도체층(153'), 및 n형 반도체층(153') 상에서 p형 전극(156')과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(152')을 포함한다. 이 경우, p형 전극(156')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 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다. 또한, 수평형 반도체 발광소자를 자가조립하는 방식에 대하여 예시하나, 이는 수직형 반도체 발광소자를 자가조립하는 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 제2도전형 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 GaN 이고, 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(161)에 스스로 조립되도록 한다. 이 경우에, 상기 기판은 조립기판(161)이 될 수 있다.
다른 예로서, 상기 조립기판(161) 대신에 배선기판을 조립 챔버내에 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 조립기판(161)에 안착하는 것이 용이하도록, 상기 조립기판(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 기설정된 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 8d는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 자가조립하는 공정을 나타내는 개념도이며, 도 9는 도 8a 내지 도 8d의 반도체 발광소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6 및 도 7의 도시에 의하면, 본 발명의 자가조립 장치(160)는 조립 챔버(162), 자석(163) 및 위치 제어부(164)를 포함할 수 있다.
상기 조립 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 조립 챔버(162)는 수조가 될 수 있으며, 오픈형으로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 조립 챔버(162)는 상기 공간이 닫힌 공간으로 이루어지는 클로즈형이 될 수 있다.
상기 조립 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 조립 챔버(150)의 바닥을 향하게 된다. 도시에 의하면, 상기 기판(161)의 조립면은 상기 조립 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 조립 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)은 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)은 자성체가 아닌 금속소재를 포함할 수 있다.
도시와 같이, 본 예시에서는 자성체를 포함하는 제1층(1056a)이, 제2도전형 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 조립 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 조립 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 조립 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 조립 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 조립 챔버(162)에 배치되는 위치가 될 수 있다.
이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050) 중 일부는 조립 챔버(162)의 바닥에 가라앉고 일부는 유체 내에 부유할 수 있다. 상기 조립 챔버(162)에 광투과성의 바닥판(166)이 구비되는 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050) 중 일부는 바닥판(166)에 가라앉을 수 있다.
다음으로, 상기 조립 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 조립 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 조립 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 조립기판인 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 조립 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(1050)이 상기 조립 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 조립 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(1050)이 상기 조립 챔버(162)의 바닥으로 떨어지게 된다.
이후에, 상기 조립 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.
상술한 자가조립 공정을 수행할 때, 몇 가지 문제들이 발생된다.
첫 번째, 디스플레이의 면적이 커짐에 따라 조립 기판의 면적이 증가하는데, 조립 기판의 면적이 증가할수록 기판의 휨 현상이 커지는 문제가 발생된다. 조립 기판이 휘어진 상태로 자가조립을 수행할 경우, 조립 기판 표면에 자기장이 균일하게 형성되지 않게 되기 때문에, 자가조립이 안정적으로 수행되기 어렵다.
두 번째, 반도체 발광소자가 유체 내에서 완전히 균일하게 분산될 수 없으며, 조립 기판 표면에 형성되는 자기장이 완벽하게 균일할 수 없기 때문에, 반도체 발광소자가 조립 기판의 일부 영역에만 집중되는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점들뿐 아니라, 자가조립 수율을 높일 수 있는 자가조립 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 자가조립 장치는 기판 표면 처리부, 기판 척(200), 자기장 형성부(300), 칩 공급부(400) 및 조립 챔버(500)를 구비할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 본 발명에 따른 자가조립 장치는 상술한 구성요소보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자가 조립 장치에 대하여 설명하기에 앞서, 본 발명에 따른 자가조립 장치를 이용한 자가조립 방법에 대하여 간략하게 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 자가조립 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 조립 기판의 표면 처리 단계(S110)가 수행된다. 상기 단계는 필수적인 것은 아니나, 기판 표면이 친수화 될 경우, 기판 표면에 기포가 생기는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 조립 기판을 기판 척에 로딩하는 단계(S120)가 진행된다. 기판 척(200)에 로딩된 조립 기판은 조립 챔버의 조립 위치로 이송된다. 이후, 자기장 형성부가 수직 및 수평 이동을 통해 조립 기판에 근접한다.
이 상태에서, 칩 공급을 하는 단계(S130)가 진행된다. 구체적으로, 조립 기판의 조립면에 반도체 발광소자를 분산시키는 단계가 진행된다. 자기장 형성부(300)가 조립 기판에 충분히 근접한 상태에서 반도체 발광소자를 조립면 근처에 분산시키는 경우, 상기 자기장 형성부에 의해 반도체 발광소자들이 조립면에 달라붙게 된다. 반도체 발광소자는들은 적절한 분산도로 조립면에 분산된다.
다만, 이에 한정되지 않고, 반도체 발광소자는 기판이 조립 위치로 이송되기 전 조립 챔버 내 유체에 분산될 수 있다. 즉, 칩 공급 단계(S130)를 수행하는 시점은 조립 기판이 조립 위치로 이송된 후로 한정하지 않는다.
반도체 발광소자의 공급 방식은 조립 기판의 면적, 조립되는 반도체 발광소자의 종류, 자가 조립 속도 등에 따라 달라질 수 있다.
이후, 자가조립을 수행하고, 반도체 발광소자를 회수하는 단계(S140)가 진행된다. 자가조립에 대하여는 본 발명에 따른 자가조립 장치에 대한 설명과 함께 후술한다. 한편, 자가조립 후 반도체 발광소자는 반드시 회수될 필요는 없다. 자가조립이 종료된 후, 조립 챔버 내 반도체 발광소자를 보충 한 후 새로운 기판에 대한 자가조립이 수행될 수 있다.
마지막으로, 자가조립이 완료된 후, 조립 기판을 검사, 건조하고 기판을 기판 척으로부터 분리하는 단계(S150)가 수행될 수 있다. 조립 기판의 검사는 자가조립이 수행된 위치에서 수행될 수 있으며, 조립 기판을 다른 위치로 이송한 후 수행될 수 있다.
한편, 조립 기판의 건조는 조립 기판을 유체로부터 이탈시킨 후 수행될 수 있다. 조립 기판의 건조 후 자가조립 후공정이 수행될 수 있다.
자가조립의 기본 원리, 기판(또는 조립 기판)의 구조, 반도체 발광소자에 관한 내용은 도 1 내지 9에서 설명된 내용으로 갈음한다. 한편, 이하 설명하는 수직 이동부, 수평 이동부, 회전부 및 기타 이동 수단은 모터와 볼 스크류, 랙 기어와 피니언 기어, 풀리와 타이밍벨트 등의 공지된 여러 수단을 통하여 구현될 수 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 도 7에서 설명한 제어부(172)는 상술한 구성요소들에 구비된 수직 이동부, 수평 이동부, 회전부 및 기타 이동 수단의 움직임을 제어한다. 즉, 상기 제어부(172)는 각 구성요소들의 x, y, z축의 움직임 및 회전 움직임을 제어하도록 이루어진다. 본 명세서에서 별도로 언급되지 않더라도, 수직 이동부, 수평 이동부, 회전부 및 기타 이동 수단의 움직임은 제어부(172)의 제어에 의해 발생된다.
한편, 도 6 내지 9에서 설명한 기판(또는 조립 기판, 161)에 구비된 전극(161c)은 조립 전극이라 칭하며, 상기 조립 전극(161c)은 기판 척(200)을 통해 도 7에서 설명한 전원공급부(171)와 전기적으로 연결되며, 제어부(172)의 제어에 의해 전원공급부(171)가 상기 조립 전극(161c)에 전원을 공급한다. 이에 대한 구체적 설명은 후술한다.
이하, 상술한 구성 요소들에 대하여 설명한다.
먼저, 기판 표면 처리부는 기판 표면을 친수화 하는 역할을 한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 자가조립 장치는 조립 기판을 유체 표면에 접촉시킨 상태에서 자가조립을 수행한다. 상기 조립 기판의 조립면이 유체 표면과 이질적인 성질을 가질 경우, 조립면에서 기포 등이 발생할 수 있으며, 반도체 발광소자와 조립면 간에 비특이적 결합이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 자가 조립 전 기판 표면은 유체와 친화적인 성질로 처리될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 유체가 물과 같은 극성 물질인 경우, 상기 기판 표면 처리부는 기판의 조립면을 친수화시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 기판 표면 처리부는 플라즈마 발생기를 구비할 수 있다. 기판 표면에 대한 플라즈마 처리를 통해, 기판 표면에 친수성 작용기들이 형성되도록 할 수 있다. 구체적으로, 플라즈마 처리를 통해, 기판에 구비된 격벽 및 유전체층 중 적어도 하나에 친수성 작용기들이 형성될 수 있다.
한편, 반도체 발광소자의 비특이적 결합을 방지하도록, 격벽 표면과 셀에 의해 외부로 드러난 유전체층의 표면에는 서로 다른 표면처리가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 셀에 의해 외부로 드러난 유전체층의 표면에는 친수 처리가 이루어질 수 있고, 격벽의 표면에는 소수성 작용기가 형성되도록 표면 처리가 수행될 수 있다. 이를 통해, 격벽 표면에 대한 반도체 발광소자의 비특이적 결합을 막고, 반도체 발광소자가 셀 내부에 강하게 고정되도록 할 수 있다.
하지만, 상기 기판 표면 처리부는 본 발명에 따른 자가조립 장치에 있어서 필수적인 구성요소는 아니다. 상기 기판 표면 처리부는 기판을 이루는 구성물질에 따라, 필요하지 않을 수 있다.
상기 기판 표면 처리부에 의해 표면 처리가 완료된 기판은 기판 척(200)으로 로딩된다.
다음으로, 기판 척(200)에 대하여 설명한다.
도 11은 기판 척의 제1상태를 나타내는 개념도이고, 도 12는 기판 척의 제2상태를 나타내는 개념도이고, 도 13은 기판 척에 구비된 제1프레임의 평면도이고, 도 14는 기판 척에 조립 기판이 로딩된 상태를 나타내는 개념도이다.
첨부된 도면을 참조하면, 기판 척(200)은 기판 지지부를 구비한다. 일 실시 예에 있어서, 상기 기판 지지부는 제1 및 제2프레임(210 및 220), 고정부(230)를 구비한다. 상기 제1 및 제2프레임(210 및 220)은 로딩된 기판을 사이에 두고 상하로 배치되고, 상기 고정부(230)는 상기 제1 및 제2프레임(210 및 220)을 지지한다. 기판 척(200)은 회전부(240), 수직 이동부 및 수평 이동부(250)를 모두 구비할 수 있다. 도 11과 같이, 수직 이동부 및 수평 이동부(250)는 하나의 장치로 이루어질 수 있다. 한편, 후술하는 도면에 한정하지 않고, 기판 척에 구비된 회전부, 수직 및 수평 이동부는 하나의 장치로 이루어질 수 있다.
본 명세서에서 제1프레임(210)은 기판(S)의 조립면이 유체를 향한 상태에서 기판 하측에 배치되는 프레임으로 정의하고, 제2프레임(220)은 기판의 조립면이 유체를 향한 상태에서 기판 상측에 배치되는 프레임으로 정의한다. 상기 회전부(240)으로 인하여, 상기 제1프레임(210) 및 제2프레임(220)의 상하 관계는 서로 전환될 수 있다. 본 명세서에서 상기 제1프레임(210)이 상기 제2프레임(220)보다 아래 있는 상태를 제1상태(도 11 참조)라 정의하고, 상기 제1프레임(210)이 상기 제2프레임(220)보다 위에 있는 상태를 제2상태(도 12 참조)라 정의한다. 상기 회전부(240)는 상기 제1 및 제2프레임(210 및 220), 고정부(230) 중 적어도 하나를 회전시켜 제1 및 제2상태 중 어느 하나에서 다른 하나로 전환한다. 상기 회전부(240)에 대하여는 후술한다.
상기 제1프레임(210)은 자가 조립 시 조립 챔버 내에서 충전된 유체에 접촉하는 프레임이다. 도 14를 참조하면, 상기 제1프레임(210)은 바닥부(210') 및 측벽부(210'')를 구비한다.
상기 바닥부(210')는 기판(S)이 로딩되었을 때, 기판(S)의 하측 또는 상측에서 기판을 지지하는 역할을 한다. 상기 바닥부(210')는 하나의 판 형상으로 이루어지거나, 판 형상을 이루는 복수의 부재들이 결합된 형태로 이루어질 수 있다. 도 13을 참조하면, 상기 바닥부(210')는 중앙부를 관통하는 홀(210''')을 구비한다. 상기 홀(210''')은 후술할 기판을 외부로 노출시켜 유체에 접촉시킬 수 있도록 한다. 즉, 상기 홀(210''')은 기판의 조립면을 정의한다. 기판은 4각형 기판의 네 개의 모서리가 제1프레임(210)의 홀(210''') 테두리에 걸쳐지도록 로딩된다. 이에 따라, 기판의 테두리를 제외한 나머지 영역은 제1프레임(210)에 구비된 홀(210''')과 오버랩된다. 상기 홀(210''')과 오버랩되는 기판의 영역이 조립면이 된다.
한편, 상기 홀(210''')의 테두리에는 실링부(212) 및 전극 연결부(213)가 배치될 수 있다.
상기 실링부(212)는 기판에 밀착되어 자가 조립 시 조립 챔버에 충전된 유체가 제1 및 제2프레임(210 및 220)으로 침투하는 것을 방지한다. 또한, 상기 실링부(212)는 유체가 상기 조립 전극(161c) 및 전극 연결부(213)로 침투하는 것을 방지한다. 이를 위해, 상기 실링부(212)는 상기 전극 연결부(213)보다 홀(210''')에 가까운 위치에 배치되어야 한다.
상기 실링부(212)는 링(ring) 형상으로 이루어지며, 실링부(212)의 재질은 별도로 한정하지 않는다. 실링부(212)를 이루는 재료는 기 공지된 실링 재료일 수 있다.
상기 전극 연결부(213)는 기판에 형성된 조립 전극과 연결되어 상기 조립 전극에 전원을 공급한다. 일 실시 예에 있어서, 상기 전극 연결부(213)는 도 7에서 설명된 전원공급부(171)로부터 공급되는 전원을 조립 전극(161c)에 인가하여 기판 상에 전기장이 형성될 수 있도록 한다.
한편, 상기 측벽부(210'')는 상기 바닥부(210') 테두리에 형성된다. 상기 측벽부(210'')는 자가조립 시 기판의 조립면 반대면으로 유체가 침투하는 것을 방지한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 자가 조립 장치는 기판이 유체에 잠긴 상태에서 자가 조립을 수행한다. 상기 측벽부(210'')는 기판을 유체에 담갔을 때 유체가 기판의 조립면 반대면으로 침투하는 것을 방지한다.
이를 위해, 상기 측벽부(210'')는 기판의 테두리 전체를 에워싸도록 형성된다. 상기 측벽부(210'')의 높이는 기판이 유체에 잠기는 깊이보다는 크게 형성되야 한다. 상기 측벽부(210'')는 유체가 기판의 조립면 반대면으로 침투하지 않도록 함으로써, 기판이 손상되는 것을 방지하고, 유체의 부력이 기판의 일면에만 작용되도록 한다. 이에 대하여는 후술한다.
한편, 제2프레임(220)은 자가조립 시 상기 제1프레임(210) 반대편에서 기판을 가압하는 역할을 한다. 상기 제1프레임(210)과 마찬가지로, 상기 제2프레임(220)은 중앙부를 관통하는 홀을 구비한다. 상기 제2프레임(220)에 형성되는 홀은 상기 제1프레임(210)에 형성되는 홀(210''')보다 크거나 같은 크기로 형성된다.
상기 제2프레임(220)에 형성되는 홀은 기판의 조립면의 반대면이 외부로 노출되도록 한다. 상기 기판의 조립면의 반대면은 조립면과 동일한 면적 또는 조립면보다 큰 면적으로 외부로 노출되어야 한다. 이는 자기장 형성부(300)가 기판의 조립면 반대편에서 자기장을 형성하기 때문이다. 상기 자기장 형성부(300)가 기판에 충분이 가깝게 근접할 수 있도록, 상기 기판의 조립면의 반대면은 외부로 노출되어야 한다.
한편, 상기 기판(S)은 제2상태에서 상기 제1 및 제2프레임(210 및 220) 사이로 로딩된다. 이에 따라, 상기 기판(S)은 상기 제2프레임(220)의 일면에서 슬라이딩 되며 로딩된다. 상기 기판이 올바른 위치에 얼라인되도록, 상기 제1 및 2프레임 중 적어도 하나에는 기판의 얼라인 위치를 가이드하는 돌출부가 형성될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 도 13을 참조하면, 제1프레임(210)에는 기판(S)의 얼라인 위치를 가이드하는 돌출부(211)가 형성될 수 있다.
한편, 상기 기판(S)이 상기 제2프레임(220) 상에 로딩되면, 상기 제1 및 제2프레임(210 및 220) 중 적어도 하나가 수직 이동을 수행하여 제1 및 제2프레임(210 및 220)이 기판을 가압하도록 한다. 이를 위해, 상기 기판 척(200)은 상기 고정부(230), 제1프레임 및 제2프레임(210 및 220) 중 적어도 하나에 배치되는 프레임 이동부를 구비할 수 있다. 이때, 실링부(212)는 상기 기판(S)을 가압하게 된다.
일 실시 예에 있어서, 상기 고정부(230)에는 상기 제2프레임(220)을 수직 이동시키는 프레임 이동부이 배치될 수 있다. 기판 척이 제2상태에서, 상기 기판(S)이 상기 제2프레임(220) 상에 로딩되면, 상기 수직 이동부은 상기 제2프레임(220)을 상측으로 이동시켜, 상기 기판(S)이 상기 제1 및 제2프레임(210 및 220) 사이에 강하게 고정될 수 있도록 한다. 이 때에, 제1프레임(210)에 구비된 전극 연결부(213)가 기판(S)의 조립 전극에 연결되며, 제1프레임(210)에 구비된 실링부(212)가 기판(S)의 테두리를 가압하게 된다. 이 상태에서 기판 척이 제1상태로 전환할 경우, 도 14와 같은 형상이 된다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 프레임 이동부은 제1 및 제2프레임(210 및 220) 중 어느 하나를 다른 하나에 대하여 수평적으로 이동시킬 수 있도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 프레임 이동부는 상기 제1 및 제2프레임(210 및 220) 중 어느 하나를 다른 하나에 대하여 수직 및 수평적으로 이동시킬 수 있도록 이루어진다. 제1 및 제2프레임(210 및 220) 중 어느 하나를 다른 하나에 대하여 수평적으로 이동시킬 수 있을 경우, 전극 연결부(213)와 조립 전극 간의 연결 부위를 변경할 수 있게 된다. 이는 조립 전극의 불량여부를 검출하는 데 활용될 수 있다.
한편, 상술한 기판 척(200)에 구비된 고정부(230)의 일측에는 회전부 (240)가 배치된다. 상기 회전부(240)는 상기 고정부(230)를 회전시켜 제1 및 제2프레임(210 및 220)이 상하 관계가 전환될 수 있도록 한다. 상기 회전부(240)의 회전 운동에 의해 기판 척(200)은 제1 및 제2상태 중 어느 하나에서 다른 하나로 전환된다. 상기 회전부(240)의 회전 속도, 회전 정도, 회전 방향 등은 도 7에서 설명한 제어부(172)에 의해 제어될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 기판(S) 로딩 전 상기 기판 척(200)은 제2상태이며, 제어부(172)는 기판(S)이 로딩된 후 회전부(240)가 고정부(230)를 180도로 회전시켜 상기 기판 척(200)이 제1상태로 전환되도록 한다.
한편, 상기 고정부(230)의 일측에는 수직 이동부 및 수평 이동부가 배치된다.
상기 수평 이동부는 기판 로딩 후 기판의 조립 면이 조립 챔버의 개방된 위치에 얼라인될 수 있도록 고정부(230), 제1 및 제2프레임(210 및 220) 중 적어도 하나를 이동시킨다.
상기 수직 이동부는 기판과 조립 챔버 간의 수직 거리가 조절되도록 상기 고정부(230), 제1 및 제2프레임(210 및 220) 중 적어도 하나를 이동시킨다. 상기 수직 이동부를 통해 기판(S)의 휨 현상을 보정할 수 있다. 이에 대하여는 후술한다.
정리하면, 기판(S)은 기판 척(200)이 제2상태(도 12 참조)에서 로딩된다. 이후, 기판 척(200)이 제1상태(도 11 참조)로 전환된 후, 조립 챔버와 얼라인된다. 이 과정에서, 기판(S)의 조립면이 조립 챔버에 채워진 유체와 접촉하도록, 기판 척(200)은 수직 및 수평 이동한다. 이후, 제어부(172)는 자기장 형성부(300)를 제어한다.
다음으로, 자기장 형성부(300)에 대하여 설명한다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기장 형성부의 사시도이고, 도 16는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기장 형성부의 일측면도이고, 도 17은 본 발명의 일 실시 예에 있다른 자기장 형성부의 하측면도이고, 도 18은 본 발명에 따른 자기장 형성부에 구비된 자석들의 궤적을 나타내는 개념도이다.
도면을 참조하면, 자기장 형성부(300)는 자석 어레이(310), 수직 이동부, 수평 이동부 및 회전부(320)를 구비한다. 상기 자기장 형성부(300)는 조립 전극 상측에 배치되어 자기장을 형성하는 역할을 한다.
구체적으로, 자석 어레이(310)는 복수의 자석(313)을 구비한다. 상기 자석 어레이(310)에 구비된 자석(313)은 영구 자석이거나, 전자석일 수 있다. 상기 자석들(313)은 자기장을 형성하여 반도체 발광소자들이 기판의 조립면으로 유도되도록 하는 역할을 한다.
상기 자석 어레이(310)는 지지부(311) 및 자석 이동부(312)를 구비할 수 있다. 상기 지지부(311)는 상기 수직 및 수평 이동부(320)와 연결된다.
한편, 자석 이동부(312)의 일단은 지지부(311)에 고정되며, 자석 이동부(312)의 타단에는 자석(313)이 고정된다. 자석 이동부(312)는 그 길이가 신축가능하도록 이루어지는데, 상기 자석 이동부(312)가 신축함에 따라, 자석(313)과 지지부(311) 간의 거리가 변화한다.
첨부된 도면과 같이, 상기 자석 이동부(312)는 하나의 열에 배치된 자석들(313)을 한 번에 수직 이동시키도록 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 자석 이동부(312)는 자석 어레이의 열 별로 배치될 수 있다.
이와 달리, 상기 자석 이동부(312)는 자석 어레이에 구비된 자석 개수만큼 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 자석들 각각과 지지부 간의 거리는 다르게 조정될 수 있다.
복수의 자석 이동부는 자석(313)과 기판(S) 간의 간격을 미세조정하는 역할을 하며, 기판의 굽어질 경우, 자석(313)들과 기판(S) 간의 간격을 균일하게 조정하는 역할을 한다. 자가조립은 상기 자석(313)이 기판(S)에 접촉한 상태로 수행되거나, 상기 자석(313)이 기판(S)으로부터 소정 거리 이격된 상태로 수행될 수 있다.
한편, 상기 수평 이동부는 회전부를 구비할 수 있다. 자가조립이 수행될 때, 자기장 형성부(300)에 구비된 수평 이동부는 자석을 일방향으로 이동시킴과 동시에 회전시킨다. 이에 따라, 자석 어레이(310)는 소정 회전 축에 대하여 회전함과 동시에 일방향을 따라 이동한다. 예를 들어, 도 18을 참조하면, 자석 어레이(310)에 구비된 자석(313)은 곡선 및 직선이 혼합된 궤적(P)을 그리며 이동할 수 있다.
상기 자기장 형성부(300)가 기판(S)에 일정 거리 이내로 근접한 상태에서 반도체 발광소자가 공급될 수 있다.
도 19는 반도체 발광소자를 공급하는 모습을 나타내는 개념도이다.
도 19를 참조하면, 후술할 조립 챔버(500)에는 칩 공급부(400)가 배치될 수 있다. 상기 칩 공급부(400)는 조립 챔버(500)에 기판(S)을 얼라인시킨 후, 기판(S)의 조립면 상에 반도체 발광소자를 공급하는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 칩 공급부(400)는 상부에 칩을 수용할 수 있는 칩 수용부, 수직 이동부 및 수평 이동부를 구비할 수 있다. 상기 수직 및 수평 이동부는 상기 칩 수용부가 상기 조립 챔버 내에 충전된 유체 내에서 이동할 수 있도록 한다.
상기 칩 수용부에는 복수의 반도체 발광소자들이 로딩될 수 있다. 상기 기판이 조립 챔버와 얼라인 된 후, 자기장 형성부(300)를 상기 기판에 일정 거리 이상 근접시키는 경우, 조립면에는 일정 세기 이상의 자기장이 형성된다. 이 상태에서 상기 칩 수용부를 상기 조립면에 일정 거리 이내로 접근시키면, 상기 칩 수용부에 로딩된 반도체 발광소자들이 기판에 접촉된다. 상기 칩 공급부에 구비된 수직 이동부는 수직 이동을 통해 칩 수용부를 기판의 조립면의 일부 영역과 일정 거리 이내로 근접시킨다.
소정 시간이 지난 후, 상기 칩 공급부에 구비된 수직 이동부는 수직 이동을 통해 칩 수용부가 기판의 조립면의 일부 영역과 일정 거리 이상으로 멀어지도록 한다. 이후, 상기 칩 공급부에 구비된 수평 이동부는 상기 칩 수용부가 상기 조립면의 일부 영역과 다른 영역과 오버랩되도록, 상기 칩 수용부를 수평이동 시킨다. 이후, 상기 칩 공급부에 구비된 수직 이동부는 수직 이동을 통해 칩 수용부를 상기 다른 영역과 일정 거리 이내로 근접시킨다. 이러한 과정을 반복하여, 상기 칩 공급부는 기판의 조립면 전체 영역에 복수의 반도체 발광소자를 접촉시킨다. 자가조립은 복수의 반도체 발광소자들이 기판의 조립면 전체 영역에 일정하게 분산 및 접촉된 상태로 수행될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 자가조립 시에는 크게 두 가지 문제가 발생된다. 두 번째 문제점으로, 반도체 발광소자가 유체 내에서 완전히 균일하게 분산될 수 없으며, 조립 기판 표면에 형성되는 자기장이 완벽하게 균일할 수 없기 때문에, 반도체 발광소자가 조립 기판의 일부 영역에만 집중되는 문제가 있다. 상술한, 칩 공급부(400)를 이용하면, 상술한 두 번째 문제점을 해결할 수 있게 된다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 칩 공급부는 본 발명의 필수적인 구성요소는 아니다. 자가조립은 반도체 발광소자가 유체에 분산된 상태로 수행되거나, 상기 칩 공급부가 아닌 다른부에 의해 복수의 반도체 발광소자들을 기판의 조립면에 분산 및 접촉시킨 상태로 수행될 수 있다.
다음으로, 조립 챔버(500)에 대하여 설명한다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조립 챔버의 평면도이고, 도 21은 도 20의 라인 A-A'를 따라 취한 단면도이고, 도 22 및 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조립 챔버에 구비된 게이트의 움직임을 나타내는 개념도이다.
조립 챔버(500)는 복수의 반도체 발광소자들을 수용하는 공간을 구비한다. 상기 공간에는 유체가 채워질 수 있으며, 상기 유체는 조립용액으로서 물 등을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 조립 챔버(500)는 수조가 될 수 있으며, 오픈형으로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 조립 챔버(500)는 상기 공간이 닫힌 공간으로 이루어지는 클로즈형이 될 수 있다.
상기 조립 챔버(500)에는 기판(S)이 상기 반도체 발광소자들(150)이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 배치된다. 예를 들어, 상기 기판(S)은 기판 척(200)에 의하여 조립위치로 이송된다.
이 때에, 상기 조립위치에서 상기 기판(S)의 조립면이 상기 조립 챔버(500)의 바닥을 향하게 된다. 이에 따라, 상기 조립면은 중력 방향을 향하게 된다. 상기 기판(S)의 조립면은 상기 조립 챔버(500)내의 유체에 잠기도록 배치된다.
일 실시 예에 있어서, 조립 챔버(500)는 두 개의 영역으로 구분될 수 있다. 구체적으로, 상기 조립 챔버(500)는 조립 영역(510) 및 검사 영역(520)으로 구분될 수 있다. 상기 조립 영역(510)에서는 기판(S)이 유체에 잠긴 상태에서 유체내에 배치된 반도체 발광소자가 기판(S)으로 조립된다.
한편, 상기 검사 영역(520)에서는 자가 조립이 완료된 기판(S)의 검사가 이루어진다. 구체적으로, 상기 기판(S)은 상기 조립 영역에서 조립이 이루어진 후, 기판 척을 통해 상기 검사 영역으로 이송된다.
상기 조립 영역(510) 및 검사 영역(520)에는 모두 같은 유체가 채워질 수 있다. 상기 기판은 유체에 잠긴 상태로 조립 영역에서 검사 영역으로 이송될 수 있다. 조립 영역(510)에 배치된 기판(S)을 유체에서 꺼낼 경우, 유체와 반도체 발광소자 간의 표면 에너지로 인하여 기 조립된 반도체 발광소자가 기판으로부터 이탈될 수 있다. 이 때문에, 상기 기판은 유체 내에 잠긴 상태로 이송되는 것이 바람직하다.
상기 기판을 유체 내에 잠긴 상태로 이송될 수 있도록, 조립 챔버(500)는 상하 이동 가능하도록 이루어지는 게이트(530)를 구비할 수 있다. 도 22와 같이, 자가 조립이 진행되는 중 또는 기판 검사가 진행되는 중에 상기 게이트(530)는 상승된 상태(제1상태)를 유지함으로써, 조립 챔버(500)의 조립 영역(510)과 검사 영역(520)에 수용된 유체를 서로 격리시킨다. 상기 게이트(530)는 조립 영역과 검사 영역을 분리시킴으로써, 자가 조립 중 반도체 발광소자가 검사 영역으로 이동하여 기판 검사에 지장을 주는 것을 방지한다.
상기 기판(S)이 이송되는 경우, 도 23과 같이, 상기 게이트(530)는 하강(제2상태)하여 조립 영역(510)과 검사 영역(520)의 경계를 없앤다. 이를 통해, 기판 척(200)은 별도의 수직 없이 수평 이동만으로 기판을 조립 영역(510)에서 검사 영역(520)으로 이송시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 조립 영역(510)에는 반도체 발광소자의 응집 방지를 위한 Sonic Generator가 배치될 수 있다. 상기 Sonic Generator는 진동을 통해 복수의 반도체 발광소자들이 서로 뭉치는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 조립 영역(510) 및 검사 영역(520)의 바닥면은 광투과성 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 도 20을 참조하면, 상기 조립 영역(510) 및 검사 영역(520) 각각의 바닥면에는 광투과 영역(511 및 512)이 구비될 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 자가조립 시 기판을 모니터링 하거나, 기판에 대한 검사를 수행할 수 있도록 한다. 상기 광투과 영역의 면적은 기판의 조립면의 면적보다 큰 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 조립 챔버는 자가 조립 및 검사가 동일한 위치에서 수행되도록 이루어질 수 있다.
앞서 설명한 기판 척(200), 자기장 형성부(300) 및 조립 챔버(500)를 활용하면, 도 8a 내지 8e에서 설명한 자가조립을 실시할 수 있게 된다. 이하에서는, 자가조립 시 발생되는 문제점들을 해결하기 위한, 세부적인 구조 및 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 자가조립 시 발생되는 가장 핵심적인 문제를 해결하기 위한 구조 및 방법에 대하여 설명한다. 문제점에 대하여 구체적으로 설명하면, 디스플레이의 면적이 커짐에 따라 조립 기판의 면적이 증가하는데, 조립 기판의 면적이 증가할수록 기판의 휨 현상이 커지는 문제가 발생된다. 조립 기판이 휘어진 상태로 자가조립을 수행할 경우, 조립 기판 표면에 자기장이 균일하게 형성되지 않게 되기 때문에, 자가조립이 안정적으로 수행되기 어렵다.
도 24는 자가조립시 발생되는 기판 휨 현상을 나타내는 개념도이다.
도 24를 참조하면, 자가조립 중 기판(S)이 평평한 상태를 유지하는 경우, 복수의 자석(313)과 기판(S)간의 간격이 균일하게 된다. 이 경우, 기판의 조립면에 자기장이 균일하게 형성될 수 있다. 하지만, 실제로 기판 척(200)에 기판을 로딩하는 경우, 기판은 중력으로 인하여 휘어지게 된다. 휘어진 상태의 기판(S')은 복수의 자석(313)들과 기판(S')간의 간격이 일정치 않아 균일한 자가조립이 어려워진다. 기판의 상측에는 자기장 형성부가 배치되기 때문에, 기판의 휨현상을 보정하기 위한 별도의 기구물이 기판 상측에 배치되기 어려운 실정이다. 또한, 기판의 휨현상을 보정하기 위한 별도의 기구물이 기판 하측에 배치될 경우, 반도체 발광소자들의 움직임을 제한할 수 있으며, 기구물이 조립면의 일부를 가리는 문제가 발생된다. 이 때문에, 기판의 휨현상을 보정하기 위한 기구물을 기판 상측 및 하측 어디에도 배치하기 어려운 실정이다.
본 발명은 기판의 휨현상을 보정하기 위한 기판 척의 구조 및 방법을 제공한다.
도 25는 기판의 휨 현상을 보정하기 위한 방법을 나타내는 개념도이다.
도 25를 참조하면, 기판 척(200)에 기판(S')을 로딩한 후, 기판의 조립면이 중력 방향을 향하게 하는 경우, 기판(S')은 휘어지게 된다. 기판 로딩 시 기판의 휘어짐을 최소화하기 위해, 기판 척에 구비된 제1 및 제2프레임(210 및 220) 중 적어도 하나는 사각형 기판의 네 개의 모서리 모두에 압력을 가한다. 그럼에도 불구하고, 기판(S')의 면적이 커지는 경우 중력으로 인하여 기판은 휘어질 수밖에 없다.
도 25의 두 번째 그림과 같이, 기판 척(200)이 조립 위치로 이동한 후, 일정 거리 하강하면 기판(S')은 유체(F)에 접촉하게 된다. 기판(S')이 유체(F)와 단순히 접촉한 상태에서는 기판(S')의 휘어짐이 보정되지 않는다. 도 25의 두 번째 그림과 같은 상태로 자가조립이 이루어질 수는 있지만, 균일한 자가조립이 이루어지기 어렵다.
본 발명은 기판의 휨 현상을 보정하기 위해, 기판(S')이 유체(F)와 접촉한 상태에서, 기판 척(200)을 추가적으로 하강시킨다. 이때, 제1프레임 (210)에 구비된 실링부(212)는 제1프레임의 윈도우로 유체(F)가 침입하는 것을 방지한다. 또한, 제1프레임(210)에 구비된 측벽부(210'')는 유체(F)가 제1프레임을 넘어 기판(S')의 조립면 반대면으로 흘러넘치는 것을 방지한다.
여기서, 실링부(212)는 기판의 모든 모서리를 에워싸도록 형성되어야 한다. 또한, 측벽부(210'')의 높이는 제1프레임(210)이 유체(F)와 접촉한 상태를 기준으로 최대로 하강하는 깊이보다 커야한다. 즉, 기판 척(200)의 하강 시, 제1프레임(210)의 윈도우 및 측벽부(210'')를 넘어서 유체가 침입해서는 안된다.
상술한 실링부(212) 및 측벽부(210'')로 인하여, 기판 척(200)이 하강할 때, 유체(F)의 표면이 상승하게 된다. 이때, 기판(S')에는 유체(F)에 의한 부력이 작용하게 된다. 유체(F)의 표면 상승폭이 커질수록, 기판(S')에 작용하는 부력이 커지게된다.
본 발명은 기판(S')의 휘어진 정도를 측정하고, 기판의 휘어진 정도에 따라 기판 척(200)의 하강 폭을 조절함으로써, 기판에 작용하는 부력이 달라지도록 한다. 기판에 적절한 부력이 가해질 경우, 도 25의 세 번째 그림과 같이, 기판은 평평한 상태(S)를 유지하게 된다.
상기 자기장 형성부(300)는 상기 기판(S)에 부력이 가해지는 상태에서 상기 기판(S)의 상측으로 이송된 후, 상기 기판(S)을 따라 수평이동을 수행한다. 이때, 상기 전극연결부(213)를 통해 전원공급부(171)의 전원이 조립 전극(161c)에 인가된다. 즉, 자가조립은 기판(S)의 조립면에 부력이 인가되는 상태로 진행된다.
상술한 바에 따르면, 기판의 상하측에 별도의 구조물을 배치할 필요없이 기판의 휨 현상을 보정할 수 있게 된다. 이를 통해, 본 발명은 조립 기판의 면적이 커지는 경우에도 높은 자가조립 수율을 달성할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명은 조립 기판이 최대한 평면에 가까운 상태에서 자가조립이 이루어질 수 있도록 한다. 또한, 본 발명은 기판 척의 움직임 제어를 통해 자가조립에 방해가 되는 요인을 최소화하고, 자가조립이 종료된 후 반도체 발광소자가 조립 기판으로부터 이탈되지 않도록 한다.
이를 위해, 도 7에서 설명한 제어부(172)는 기판 척의 움직임을 제어한다. 구체적으로, 제어부(172)는 기판 척(200)에 구비된 수직 및 수평 이동부 및 회전부의 움직임을 제어하도록 이루어진다. 한편, 상기 수직 이동부는 상기 기판 척 전체를 수직 이동시키도록 이루어질 수 있을 뿐 아니라, 제1 및 제2프레임(210 및 220), 고정부(230) 중 적어도 하나가 나머지 구성들에 대하여 상대적으로 수직이동 하도록 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 제어부(172)가 기판이 수직 이동하도록 기판 척을 제어한다함은 기판 척 전체를 수직 이동시킨다는 의미를 포함할 뿐 아니라, 제1 및 제2프레임(210 및 220), 고정부(230) 중 적어도 하나가 나머지 구성들에 대하여 상대적으로 수직이동 한다는 의미를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어부(172)가 기판이 하강되도록 기판 척을 제어한다는 것은 기판 척 전체를 하강시킨다는 의미를 포함할 뿐 아니라, 제1 및 제2프레임(210 및 220), 고정부(230) 중 적어도 하나를 하강시킨다는 의미를 포함한다. 이는 기판 척의 구조에 따라 달라질 수 있으므로 별도로 한정하지 않는다.
이하에서는, 도 25에서 설명한 기판에 부력을 인가하기 위한 제어부의 기판 척 제어 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
상기 제어부(172)는 상기 기판의 휨 정도에 근거하여, 상기 기판이 상기 유체에 잠기는 깊이를 제어한다. 이를 위해, 본 발명은 상기 기판의 휨 정도를 센싱하는 변위 센서를 더 포함한다. 구체적으로, 상기 변위 센서는 센서와 측정 대상 지점 간의 거리를 센싱하도록 이루어진다. 상기 변위 센서는 기 공지된 장비를 활용하므로 구체적인 설명은 생략한다.
상기 변위 센서는 상기 기판 척에 구비된 제1 및 제2프레임(210 및 220), 고정부(230) 중 어느 하나에 배치될 수 있으며, 별도의 이동 수단에 의해 그 위치가 변경되도록 이루어질 수 있다.
상기 변위 센서는 기판 상측에서 기판의 일 지점과 변위 센서 간의 수직 거리를 센싱한다. 구체적으로, 상기 변위 센서는 기판의 일 지점 상으로 이동한 후, 변위 센서와 기판 간의 거리를 센싱한다. 이후, 상기 변위 센서는 기판의 다른 지점 상으로 이동한 후, 상기 다른 지점과 변위 센서 간의 거리를 측정한다. 이때, 변위 센서는 기준 평면에 대하여 수평하게 이동하며 거리를 센싱해야 한다. 변위 센서가 이동하는 기준 평면이 고정되어 있기 때문에, 기판 상의 복수의 지점 각각과 변위 센서 간의 거리를 측정하면 기판의 휨 정도를 알 수 있게 된다.
예를 들어, 기판 상측에 배치된 변위 센서가 기판의 테두리 및 중앙부 각각과의 거리를 측정한다. 기판이 중력 방향으로 휘어진 경우, 기판 테두리의 일지점과 변위 센서 간의 수직거리는 기판 중앙부의 일지점과 변위 센서 간의 수직거리보다 작게된다.
한편, 사용자에 의해 기준 높이가 설정될 수 있으며, 상기 변위 센서에 의해 측정된 거리는 상기 기준 값 기준으로 변환될 수 있다. 예를 들어, 상기 기준 값은 조립면 테두리와 변위 센서 간의 거리로 정의될 수 있다. 상기 기준 값 산출을 위한 측정 지점은 사용자에 의해 설정될 수 있다.
상기 기준 값을 활용하여 변위 센서로부터 측정된 거리 값을 변환하면 기판의 절대적인 휨 정도를 나타내는 척도(이하, 휨 값이라 함)로 활용될 수 있다. 상기 휨 값은 아래 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
[수학식 1]
휨 값 = 기준 값 - 변위 센서에서 측정된 거리 값
상기 수학식 1에 따르면, 휨 값이 양의 값을 가지는 경우, 기판이 중력과 반대 방향으로 휘어져있음을 알 수 있다. 또한, 휨 값이 음의 값을 가지는 경우, 기판이 중력 방향으로 휘어져 있음을 알 수 있다. 제어부(172)는 상기 휨 값의 부호에 따라 기판의 상승 또는 하강 여부를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 변위 센서는 기판의 25개의 지점 각각과 변위 센서 간의 거리를 센싱한다. 이후, 제어부(172)는 상기 센싱된 값들을 휨 값으로 변환하고, 25개의 휨 값 중 최대값 및 최소값에 근거하여 기판의 수직 이동 거리 및 수직 이동 방향을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(172)는 25개의 휨 값 중 최대값의 절대 값이 최소값의 절대 값보다 큰 경우, 기판이 전체적으로 중력 반대 방향으로 휘어져 있다고 판단하고, 기판이 상승되도록 기판 척을 제어한다. 이와 달리, 제어부(172)는 25개의 휨 값 중 최소값의 절대 값이 최대값의 절대 값보다 큰 경우, 기판이 전체적으로 중력 방향으로 휘어져 있다고 판단하고, 기판이 하강되도록 기판 척을 제어한다.
기판이 유체에 잠긴 깊이가 클수록 기판에 작용하는 부력의 크기가 커지기 때문에, 제어부(172)는 기판의 휨 값이 클수록 기판의 수직 이동 거리를 크게할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제어부(172)는 25개의 휨 값 중 최대값의 절대 값이 최소값의 절대 값보다 큰 경우, 최대값의 절대 값에 비례하여 기판의 상승 거리를 결정한다. 이와 달리, 제어부(172)는 25개의 휨 값 중 최소값의 절대 값이 최대값의 절대 값보다 큰 경우, 최소값의 절대 값에 비례하여 기판의 하강 거리를 결정한다.
제어부(172)는 기판을 일정 깊이만큼 유체에 잠기게 한 후, 상기 변위 센서로 기판의 휘어진 정도를 재측정할 수 있다. 이후, 제어부(172)는 재측정 결과에 따라 기판을 상승시킬 지, 아니면 추가적으로 하강시킬 지 여부를 결정한다. 일 실시 예에 있어서, 제어부(172)는 휨 값의 최대값 및 최소값 중 적어도 하나가 기설정된 값 이내가 될 때까지 상술한 과정을 반복할 수 있다.
다른 일 실시 예에 있어서, 제어부(172)는 기판에 대한 실험 데이터에 근거하여 기판이 잠기는 깊이를 결정할 수 있다. 구체적으로, 기판이 유체에 잠기기 전부터, 기판을 소정 거리씩 하강시키면서 변위 센서로 기판의 휨 정도를 센싱한다. 기판이 유체에 잠긴 후에도 기판을 소정 거리씩 하강시키면서 변위 센서로 기판의 휨 정도를 센싱한다. 이러한 센싱을 반복하면 기판의 잠긴 깊이와 기판의 휨 변화량 간의 상관 관계를 산출할 수 있게 된다. 이러한 실험은 기판의 종류별로 실시될 수 있다.
제어부(172)는 특정 종류의 기판이 자가조립에 사용될 경우, 상기 특정 종류의 기판의 휨 정도를 센싱한 후, 상기 센싱 결과와 상기 특정 종류의 기판에 대한 실험 데이터에 근거하여 기판의 유체에 잠기는 깊이를 산출한다. 이후, 제어부(172)는 산출된 깊이만큼 기판이 유체에 잠기도록 기판 척을 제어한다. 상술한 방식에 따르면, 기판의 휨 정도를 반복적으로 센싱할 필요가 없기 때문에, 공정시간이 단축될 수 있다.
한편, 기판의 휨 보정 결과는 다른 기판의 휨 보정에 활용될 수 있다. 구체적으로, 도 26을 참조하면, 본 발명은 상술한 실험 데이터에 따라 기판을 소정 깊이로 잠기게 한 후, 기판의 휨 정도를 재 측정한다.
이때, 본 발명은 제어부(172)에 별도로 구비된 입력부를 통해 사용자로부터 기판 전체의 휨정도를 측정할 지, 일부분만 측정할지 선택 받는다 (S201).
이후, 변위 측정 대상이 되는 타겟 위치 및 기판의 휨 정도의 기준이 되는 기준 위치(기준 값 산출 대상 위치)를 각각 입력 받는다(S202 내지 S204).
이후, 제어부(172)는 변위 센서를 기 설정된 측정 위치로 이동시킨다 (S205). 변위 센서는 변위 센서와 기판 간의 거리를 센싱한다(S206). 이후, 제어부(172)는 변위 센서를 다음 측정 위치로 이동시킨다(S207). 제어부(172)는 변위 센서의 측정이 종료될 때마다 사용자가 지정한 모든 타겟 위치에 대한 센싱이 종료되었는지 판단(S208)하고, 센싱이 종료되지 않은 경우, 변위 센서를 다음 측정 위치로 이송시킨다.
모든 타겟 위치에 대한 센싱이 종료된 경우, 제어부(172)는 센싱 값을 휨 값을 환산하고, 휨 값의 최대값 및 최소값 중 적어도 하나가 기 설정된 범위 내인지 판단한다.
상기 휨 값들이 기설정된 범위내인 경우, 제어부(172)는 별도로 구비된 출력부에 측정 결과를 표시(S211)하고, 해당 기판의 휨 보정시 기판 척을 제어한 상기 실험 데이터에 업데이트(S212)하여, 타 기판의 휨 보정시 활용한다.
한편, 상기 차이 값들이 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 제어부(172)는 센싱 결과에 따라 기판을 상승 또는 하강(S210) 시킨 후, S205를 반복한다.
한편, 제어부(172)는 기판을 유체에 접촉시키는 단계와 기판이 유체에 잠기도록 하는 단계가 단계적으로 수행되도록 기판 척을 제어할 수 있다. 상기 기판과 상기 유체가 접촉하는 과정에서 상기 기판 표면에 기포가 남을 수 있다. 제어부(172)는 상기 기판이 유체와 접촉할 때까지는 상기 기포를 최소화시키는 제어를 수행하고, 상기 기판이 유체와 완전히 접촉한 후에는 기판에 부력을 인가하기 위한 제어를 수행한다.
구체적으로, 제어부(172)는 상기 기판의 조립면이 상기 유체와 접촉하도록, 상기 기판 척을 하강시킨 후, 상기 기판의 조립면이 상기 유체와 접촉한 상태에서 상기 기판 척을 추가적으로 하강시킬 수 있다.
제어부(172)는 상기 기판의 조립면 전체가 상기 유체와 접촉할 때까지 기판을 하강시키는 속도와 상기 기판을 추가적으로 하강시킬 때 기판을 하강시키는 속도를 다르게할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부(172)는 상기 기판의 조립면 전체가 상기 유체와 접촉할 때까지 기판을 하강시키는 속도가 상기 기판을 추가적으로 하강시킬 때 기판 척을 하강시키는 속도보다 작도록 기판 척을 제어할 수 있다. 이를 통해, 제어부(172)는 기판이 유체와 접촉하는 과정에서 기포가 기판 테두리로 빠져나갈 수 있는 충분한 시간을 확보한다.
추가적으로, 본 발명은 기판과 유체 사이에 형성되는 기포를 최소화하기 위해, 유체에 기판을 접촉시킬 때, 기판을 유체에 비스듬하게 접촉시킨다. 이를 위해, 제어부(172)는 기판을 유체에 접촉시키는 과정에서 기판 척에 구비된 수직 이동부와 회전부를 제어한다.
구체적으로, 상기 제어부(172)는 상기 기판의 조립면이 상기 유체의 표면과 비스듬하게 배치된 상태에서, 상기 조립면의 일단이 상기 유체와 접촉할 때까지, 상기 수직 이동부를 제어하여 상기 기판을 하강시키고, 상기 조립면의 일단이 상기 유체와 접촉한 후, 상기 조립면이 일방향을 따라 상기 유체에 순차적으로 접촉하도록 상기 회전부를 제어한다. 이에 따라, 기판의 조립면은 비스듬하게 유체와 접촉하게 된다. 이 과정에서 기판과 유체 사이에 형성되는 기포가 기판 테두리로 밀려나게되며, 최종적으로 기판 바깥쪽으로 밀려나게 된다. 이를 통해, 본 발명은 기판과 유체 사이에 형성되는 기포를 최소화한다.
이후, 제어부(172)는 상기 수직 이동부를 제어하여 상기 기판을 추가적으로 하강시킨다.
상술한 바와 같이, 제어부(172)는 기판을 유체로 하강시키는 과정에서 기판을 유체에 비스듬하게 접촉시킴으로써, 기판과 유체사이에 형성되는 기포를 최소화한다.
한편, 제어부(172)는 기판 척의 움직임을 제어하여, 자가조립 종료 후 반도체 발광소자들이 기판으로부터 이탈하는 것을 방지한다. 구체적으로, 자가조립이 종료된 후 기판은 유체로부터 이탈되어야 하는데, 기판이 유체로부터 이탈하는 과정에서 유체와 반도체 발광소자들 간의 표면 에너지로 인하여 반도체 발광소자가 기판으로부터 이탈하는 문제가 발생될 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 제어부(172) 자가조립이 종료된 후, 유체에 잠긴 상태의 기판 척을 소정 높이까지 상승시킨 후, 상기 기판의 조립면이 상기 유체로부터 이탈되도록, 상기 기판 척을 추가적으로 상승시킬 수 있다. 여기서, 상기 소정 높이는 유체의 표면 높이까지인 것이 바람직하다.
제어부(172)는 기판을 상기 소정 높이까지 상승시키는 속도와 기판을 추가적으로 상승시키는 속도를 다르게 제어할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제어부(172)는 상기 기판을 유체의 표면 높이까지 빠른 속도로 상승시킨 후, 상대적으로 느린 속도로 기판을 유체로부터 이탈시킨다. 이를 통해, 본 발명은 기판이 유체로부터 이탈하는 과정에서 기 조립된 반도체 발광소자가 기판으로부터 이탈하는 것을 방지한다.
추가적으로, 제어부(172)는 상기 기판을 소정 높이까지 상승시킨 후, 상기 기판의 조립면이 상기 유체로부터 비스듬하게 이탈되도록, 상기 수직 이동부 및 상기 회전부를 구동시킨다. 구체적으로, 제어부(172)는 기판을 소정 높이까지 상승시킨 후, 상기 조립면이 일방향을 따라 상기 유체로부터 순차적으로 이탈하도록 상기 회전부를 제어한다.
이 때, 제어부(172)는 상기 회전부의 회전 속도가 시간에 따라 달라지도록 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(172)는 시간이 지날수록 상기 회전부의 회전 속도를 증가시켜 기판이 유체로부터 빠르게 분리되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 자가조립이 종료된 후 기판을 유체로부터 이탈시키는 과정에서 기조립된 반도체 발광소자가 기판으로부터 이탈되는 것을 방지한다.
본 발명은 전술한 반도체 발광소자의 자가조립 장치의 구성들 중 기판 (s)을 조립 위치로 배치시키는 기판 척(1000)에 관한 것이다.
도 27은 기판 로딩/언로딩시 발생하는 기판 휨 현상을 나타낸 도면이다.
전술한 바와 같이 자가조립 공정은 조립 챔버(500) 내 수용된 유체 중에서 진행될 수 있다. 이에 기판(s)은 조립 챔버(500)의 상측에서 유체와 접촉하도록 배치될 수 있으며, 특히, 반도체 발광소자들이 안착되는 조립면이 조립 챔버 (500)의 바닥면을 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 기판(s)의 휨을 최소화하기 위해 사각형 형태 기판(s)의 모든 변들은 가압 고정될 수 있다.
도 27을 참조하면, 기판(s)의 둘레에 기판(s)을 가압하기 위해 구비된 고정 부재에 의해 기판(s)의 로딩 및 언로딩 시 기판(s)과 유체 표면 사이에 기체 및 액체가 가두어질 수 있는 공간(pocket)이 형성될 수 있다.
상기 공간에 존재하는 기체 및 액체는 기판(s)에 반도체 발광소자들(c)이 조립되는 것을 방해하며, 조립이 완료된 후 유체로부터 기판(s)을 분리할 때, 외부에서 유입되는 기체와 함께 순간적으로 강압을 발생시켜 기판(s)에 조립된 반도체 발광소자들(c)을 이탈시킬 수 있는 문제가 있다. 이에 자가조립 수율은 저하되고, 후공정인 리페어 공정에 많은 시간이 소요되었다.
본 발명에 따른 자가조립 장치는 조립 위치로 기판(s)을 로딩 및 언로딩 시킬 때, 기판(s)과 유체 표면에 존재하는 기체 및/또는 액체를 흡입하거나 기판(s)과 유체 표면으로 기체를 주입하는 미세홀들(hs, hp)이 형성된 기판 척 (1000)을 포함한다. 이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 자가조립 장치의 일 구성인 기판 척(1000)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 기판 척에 있어서, 미세홀들이 형성된 부분을 확대하여 나타낸 도면이고, 도 29는 기판 로딩(loading) 시 기판 및 유체 사이의 기체를 흡입하는 과정이고, 도 30은 기판 언로딩(unloading) 시 기판 및 유체 사이에 기체를 주입하는 과정이다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자의 자가조립 장치는 전기장 및 자기장을 이용하여 유체가 수용된 조립 챔버(500) 내 담긴 기판 상(S)의 기 설정된 위치에 반도체 발광소자들(C)을 안착시키기 위한 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 자가조립 장치는 기판 지지부(1010), 수직 이동부 (1020), 회전부(1030) 및 제어부(1040)를 포함하며, 기판(s)을 조립 챔버 (500)의 조립 위치로 배치시키는 기판 척(1000)을 포함할 수 있다.
한편, 기판 척(1000)은 일체화 된 수직 및 수평 이동부(도 11 참조)를 포함할 수 있으나, 이하에서는 기판(s)의 수직 이동에 대하여 주로 설명하므로, 수직 및 수평 이동부를 수직 이동부로 명명한다.
기판 지지부(1010)는 조립 전극이 형성된 기판(s)을 지지할 수 있으며, 사각형 형태의 기판(s)의 4개의 변을 가압하여 고정할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 또한, 기판 지지부(1010)는 기판(s)에 형성된 조립 전극과 연결되어 기판(s)의 일면에 전기장을 발생시키는 전극 연결부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판 지지부(1010)는 기판(s)을 조립 위치로 로딩할 때(기판(s)의 하강 이동) 및 언로딩할 때(기판(s)의 상승 이동) 기판 (s)의 가압 고정 구조에 의해 형성되는 공간에 가두어진 유체(특히, 기체)를 흡입하거나, 상기 공간으로 기체를 주입하는 미세홀(hs, hp)들을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 기판 지지부(1010)의 상세한 구조는 후술한다.
수직 이동부(1020)는 기판(s)을 수직 방향, 즉, 상하로 이동시킬 수 있다. 기판(s)은 수직 이동을 통해 유체에 대한 기판(s)의 위치가 조절될 수 있다. 즉, 기판(s)은 수직 이동하여 유체와 접촉하거나, 유체로부터 분리될 수 있다. 기판 (s)은 기판 지지부(1010)에 의해 지지된 상태에서 이동하므로, 실질적으로 수직 이동부(1020)는 기판 지지부(1010)를 수직 방향으로 이동시키는 것일 수 있다.
회전부(1030)는 기판(s)을 회전시킬 수 있다. 구체적으로, 회전부(1030)는 기판(s)의 폭 방향 또는 길이 방향을 축으로 하여 기판(s)을 회전시킬 수 있으며, 회전을 통해 조립 챔버(500)와 오버랩 되지 않는 상태의 기판(s)을 조립 챔버 (500)와 오버랩 되도록 조립 챔버(500)의 상측에 배치할 수 있다. 기판(s)은 기판 지지부(1010)에 의해 지지된 상태에서 회전되므로, 실질적으로 회전부 (1030)는 기판 지지부(1010)를 회전시키는 것일 수 있다.
제어부(1040)는 전술한 구성들을 제어하여 기판 척(1000)의 구동을 제어할 수 있다. 특히, 본 발명에 따르면, 제어부(1040)는 기판(s)의 상승 및 하강 여부에 따라 미세홀들(hs, hp)을 통해 기체의 흡입 또는 주입 여부를 제어할 수 있다. 이러한 과정은 자가조립 수율 향상을 위해 강제적으로 진행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(1040)는 기판(s)이 유체와 접촉하도록 하강할 때는, 미세홀들(hs, hp) 중 흡입홀(hs)을 통해 기판(s)과 유체 사이에 존재하는 기체가 흡입되고, 기판 (s)이 유체로부터 분리되도록 상승할 때는, 주입홀(hp)을 통해 기판(s)과 유체 사이에 기체가 주입되도록 제어할 수 있다.
또한, 기판(s)이 유체와 접촉하도록 하강할 때, 기판(s)과 유체 사이에 존재하는 액체(예를 들어, 조립 챔버(500) 내 액체)가 기체와 함께 흡입되어 제거될 수 있다. 따라서 기판 지지부(1010) 상에는 액체 흡입을 위한 별도의 구성이 구비되거나, 또는 기체와 함께 흡입홀(hs)을 통해 흡입될 수 있다.
나아가, 제어부(1040)는 기판(s)이 유체와 접촉하도록 하강할 때 흡입홀 (hs)을 통해 흡입된 기체 및 액체의 역류를 방지할 수 있도록 제어할 수 있으며, 기판 척(1000)은 역류 방지부로서 밸브와 같은 구성을 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 미세홀들(hs, hp)을 포함하는 기판 지지부(1010)의 구조에 대하여 설명한다.
기판 지지부(1010)는 조립 전극이 형성된 기판(s)의 일면, 즉, 기판(s)의 조립면을 지지하는 제1 프레임(1011)과 기판(s)의 타면을 지지하는 제2 프레임을 포함할 수 있다. 제1 프레임(1011)과 제2 프레임은 상하로 배치될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 기판(s)은 조립 챔버(500)와 오버랩 되지 않는 위치에서, 제1 프레임(1011)이 제2 프레임 상측에 위치하도록 배치된 상태에서 기판 지지부(1010)에 안착될 수 있다. 이 후, 회전부(1030)는 제1 프레임(1011) 및 제2 프레임의 상하 위치가 전환되도록 기판(s)의 폭 방향 또는 길이 방향을 축으로 하여 기판 지지부(1010)를 회전시켜 기판(s)과 조립 챔버(500)가 오버랩 되는 조립 위치에 배치시킬 수 있다. 즉, 회전에 의해 기판(s)의 조립면은 조립 챔버(500)를 향하도록 배치될 수 있다.
기판(s)의 조립면을 지지하는 제1 프레임(1011)은 중앙부가 개구된 바닥부 (1011')와 바닥부(1011')의 외측 둘레를 따라 소정 높이로 형성된 측벽부 (1011'')를 포함할 수 있다.
기판(s)의 조립면 중 조립 전극이 형성된 영역은 기판(s)이 로딩되었을 때 바닥부(1011')의 개구된 부분을 통해 유체와 접촉할 수 있다. 한편, 측벽부 (1011'')는 기판(s)에 전원이 인가된 상태에서 조립 챔버(500) 내 유체가 기판 (s)의 타면으로 넘치지 않도록 하기 위한 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 미세홀들(hs, hp)은 조립면과 인접한 제1 프레임 (1011)의 내측 둘레 상에 형성될 수 있으며, 제1 프레임(1011)의 내측 둘레의 적어도 일부를 따라 소정 간격으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 미세홀들(hs, hp)은 제1 프레임(1011)의 내측 둘레를 이루는 4개의 변에 모두 형성되거나, 일부 변에 형성될 수도 있다. 미세홀들(hs, hp)이 내측 둘레의 일부에 형성되는 경우, 적어도 내측 둘레를 형성하는 변들 중 마주보는 두 변 (1011a, 1011b)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다.
미세홀들(hs, hp)이 마주보는 두 변(1011a, 1011b)에 형성된 경우, 두 변 중 어느 하나의 변(1011a)을 따라 형성된 미세홀들(hs, hp)은 기판(s)과 유체 사이에 존재하는 기체 및/또는 액체를 흡입하는 흡입홀(hs)일 수 있고, 나머지 변(1011b)을 따라 형성된 미세홀들(hp)은 기판(s)과 유체 사이로 기체를 주입하는 주입홀(hp)일 수 있다.
즉, 본 실시예에 따르면, 미세홀들(hs, hp)은 형성 위치에 따라 상이한 기능(기체의 흡입 또는 주입)을 수행할 수 있다. 미세홀들(hs, hp)의 기능은 기판(s)의 로딩 및 언로딩 방식에 의해 결정될 수 있으며, 이와 관련한 실시예는 후술한다.
한편, 미세홀들(hs, hp)은 정밀 가공을 통해 형성된 중공 형태의 구조 (일측 및 타측이 연통된 구조)일 수 있으며, 제1 프레임(1011)의 내측 둘레 상에 형성되는 것을 예시하였으나, 기판 척(1000)의 다양한 위치에 형성될 수 있다. 또한, 미세홀들(hs, hp)은 미세홀들(hs, hp)이 형성되는 위치, 자가조립 공정의 특성, 예를 들어, 기판(s)의 잠김 깊이, 기판(s)의 재질 등을 고려하여 적절한 크기로 가공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판 척(1000)은 미세홀들(hs, hp) 중 주입홀 (hp)을 통해 주입되는 기체의 주입량 및 주입 속도를 제어하는 기체 유량 제어부 (Mass Flow Control)를 더 포함할 수 있다. 기체 유량 제어부(미도시)는 또한 제어부(1040)에 의해 제어될 수 있으며, 예를 들어, 기체 유량 제어부에 의한 기체의 주입량 및 주입 속도는 기판(s)의 로딩 및 언로딩 속도에 따라 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판(s)은 비스듬한 상태로 기울어져 로딩 및 언로딩 될 수 있다. 예를 들어, 제어부(1040)는 기판(s)의 일측이 유체와 먼저 접촉하도록 비스듬하게 정렬한 후 기판(s)을 하강 이동시키며, 상기 일측과 마주하는 타측이 조립 챔버(500) 내 유체와 최후에 접촉하도록 로딩될 수 있다. 언로딩 과정의 경우, 상기 기판(s)의 일측이 유체와 먼저 분리되도록 기판을 기울여 상승 이동시키며, 상기 기판(s)의 일측과 마주하는 타측이 조립 챔버 (500) 내 유체로부터 최후에 분리될 수 있다.
즉, 제어부(1040)는 기판(s)이 비스듬하게 기울어진 상태에서 기판(s)을 유체에 접촉시키거나 유체로부터 분리할 수 있다. 이러한 방식으로 기판(s)을 로딩 및 언로딩 시키는 경우, 기판(s)과 유체가 완전히 접촉하거나 분리되는데 소요되는 시간이 극대화될 수 있다. 이로써, 기판(s)과 유체 사이 공간의 잔여 기체 및 액체가 상기 공간으로부터 서서히 빠져나갈 수 있도록 하여, 기판(s)의 조립면에 형성되는 기포를 효율적으로 제거할 수 있으며, 외부로부터 한꺼번에 많은 양의 기체가 유입되는 것을 방지하여 언로딩 시 기판(s)에 가해질 수 있는 충격을 완화시킬 수 있다.
또한, 본 실시예와 같이 전술한 기판(s)의 로딩 및 언로딩 과정에서 미세홀들(hs, hp)을 통한 강제적인 유체의 주입 및 흡입이 진행되는 경우, 기포 형성 억제 및 충격 완화 효과는 극대화될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세홀들(hs, hp)은 적어도 상기 기판(s)의 일측 및 타측을 지지하는 기판 지지부(1010)의 영역 또는 제1 프레임(1011)의 영역에 형성될 수 있다. 여기서, 기판 지지부(1010) 또는 제1 프레임(1011)의 영역은 기판(s)의 일측 및 타측과 오버랩 되는 기판 지지부(1010) 또는 제1 프레임(1011)의 변을 의미할 수 있다.
이 때, 유체와 최후에 접촉하거나 유체로부터 최후에 분리되는 기판(s)의 타측을 지지하는 기판 지지부(1010)의 영역에 형성된 미세홀들(hs, hp)은 흡입홀 (hs)의 기능을 수행할 수 있다.
도 29에는 흡입홀(hs)과 연결된 제어부(1040s)의 구조(A: DI 배수부, B: 배기 라인, C: 진공 발생 장치, D: 솔레노이드 밸브, E: 기체 공급부)와 함께 기체 흡입 과정이 도시되어 있다.
제어부(1040s)는 진공 발생 장치(C)에 의해 진공 상태를 형성하여 기판 (s)과 유체 사이에 존재하는 기체가 배기 라인(B)을 통해 흡입되도록 제어할 수 있다. 이 때, 기판(s)과 유체 사이에 존재하는 유체(DI)는 DI 배수부(A)을 통해 제거될 수 있다. 이러한 흡입 과정을 통해, 기판(s) 및 유체 사이에 존재하는 기체 등은 기판(s) 표면에 존재하는 기포들과 함께 제거될 수 있다.
한편, 유체와 먼저 접촉하거나 유체로부터 먼저 분리되는 기판(s)의 일측을 지지하는 기판 지지부(1010)의 영역에 형성된 미세홀들(hs, hp)은 주입홀 (hp)의 기능을 수행할 수 있다.
도 30에는 주입홀(hp)과 연결된 제어부(1040p)의 구조(A: 기체 공급부, B: 솔레노이드 밸브, C: 기체 유량 제어부(MFC))와 함께 기체 주입 과정이 도시되어 있다.
제어부(1040p)는 기체 공급부(A)를 통해 공급되는 기체를 기판(s)과 유체 사이의 공간에 주입할 수 있으며, 주입되는 기체의 양 및 속도는 기체 유량 제어부에 의해 제어될 수 있다. 이러한 주입 과정을 통해, 기판(s) 언로딩 시 기판(s)에 강압이 가해지는 것을 방지하여 조립된 반도체 발광소자들이 기판 (s)으로부터 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 주입홀(hp)을 통해 주입되는 기체는 유체에 담겨있던 기판(s)의 표면을 건조시킬 수 있다.
한편, 전술한 제어부(1040)에 의한 기체 흡입 및 주입 제어는 독립적으로 진행될 수 있으며, 도면에 나타난 제어부(1040)의 구성은 예시일 뿐 동일한 기능을 수행할 수 있는 다른 구성들로 이루어지는 것이 가능함은 물론이다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자가조립 장치는 자가조립 공정 진행에 방해가 되는 요인을 제거하여 조립 수율을 향상시킬 수 있으며, 자가조립 공정의 신뢰성을 확보할 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.
1000: 기판 척
1010: 기판 지지부
1011: 제1 프레임
1020: 수직 이동부
1030: 회전부
1040: 제어부
hs, hp: 미세홀

Claims (10)

  1. 전기장 및 자기장을 이용하여 유체가 수용된 조립 챔버 내 담긴 기판 상의 기 설정된 위치에 반도체 발광소자들을 안착시키는 반도체 발광소자의 자가조립 장치에 있어서,
    상기 기판을 조립 위치로 배치시키는 기판 척을 포함하고,
    상기 기판 척은, 조립 전극이 형성된 기판을 지지하는 기판 지지부, 상기 기판 지지부를 회전시키는 회전부, 상기 기판 지지부에 의해 지지된 상기 기판을 상하로 이동시켜 상기 유체에 대한 상기 기판의 위치를 조절하는 수직 이동부, 상기 기판에 형성된 상기 조립 전극과 연결되어 전기장을 발생시키는 전극 연결부 및 상기 기판 척의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 기판 지지부는, 상기 유체와 상기 기판 사이에 존재하는 기체를 흡입하거나 상기 유체와 기판 사이에 기체를 주입하는 미세홀들을 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 기판의 상승 또는 하강 여부에 따라 상기 미세홀들을 통한 상기 기체의 흡입 또는 주입 여부를 제어하는 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기판이 상기 유체와 접촉하도록 하강할 때는, 상기 미세홀들을 통해 상기 유체와 상기 기판 사이에 존재하는 기체가 흡입되고,
    상기 기판이 상기 유체로부터 분리되도록 상승할 때는, 상기 미세홀들을 통해 상기 유체와 상기 기판 사이에 기체가 주입되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판 지지부는,
    상기 조립 전극이 형성된 상기 기판의 일면을 지지하는 제1 프레임 및 상기 기판의 타면을 지지하는 제2 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 프레임은, 중앙부가 개구된 바닥부; 및
    상기 바닥부의 외측 둘레를 따라 소정 높이로 형성된 측벽부를 포함하며,
    상기 미세홀들은, 상기 제1 프레임의 내측 둘레의 적어도 일부를 따라 소정 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미세홀들은,
    적어도 상기 바닥부의 내측 둘레를 형성하는 변들 중 마주보는 두 변의 길이 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마주보는 두 변 중 어느 하나의 변을 따라 형성된 미세홀들은, 상기 유체와 상기 기판 사이에 존재하는 기체를 흡입하고,
    상기 마주보는 두 변 중 나머지 변을 따라 형성된 미세홀들은, 상기 유체와 상기 기판 사이로 기체를 주입하는 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세홀들을 통해 주입되는 기체의 주입량 및 주입 속도를 제어하는 기체 유량 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전부는,
    상기 기판이 상승 또는 하강할 때, 상기 기판의 일측이 상기 유체와 먼저 접촉하거나 상기 기판으로부터 분리되도록 상기 기판을 기울이는 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 미세홀들은,
    적어도 상기 기판의 일측을 지지하는 상기 기판 지지부의 일측 및 상기 기판의 일측과 마주하는 상기 기판의 타측을 지지하는 상기 기판 지지부의 타측에 형성된 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 회전부는,
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임의 상하 위치가 전환되도록 상기 기판의 폭 또는 길이 방향을 축으로 하여 상기 기판 지지부를 회전시키는 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
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