KR20200065658A - Led 이송 장치 및 이송 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 발광 다이오드(LED) 이송 장치를 개시한다. 상기 LED 이송 장치는. 일 기판 상의 LED를 들어올리고, 상기 LED를 타 기판에 내리도록 구비된 헤드; 상기 헤드를 이동시키는 운반 암(arm); 상기 헤드와, 상기 일 기판 또는 상기 타 기판을 수용하는 밀폐 공간을 마련하도록 구비된 커버; 및 상기 커버에 의해 마련된 상기 밀폐 공간의 기압을 조절하는 제어 유닛을 포함한다.

Description

LED 이송 장치 및 이송 방법{APPARATUS AND METHOD OF TRANSFERING LED}
본 명세서는 LED 이송 장치 및 상기 장치를 이용한 LED 이송 방법에 관한 것이다.
액정 표시장치와 유기발광 표시장치는 일상적인 전자기기, 예를 들어, 핸드폰, 노트북 등의 화면에 많이 적용되고 있고, 그 범위도 점차 확대되고 있다. 다만, 상기 표시장치들은 베젤(bezel) 영역의 크기를 감소시키는데 한계가 있다. 예를 들어, 액정 표시장치의 경우, 액정을 밀봉하고 상부 기판과 하부 기판을 합착하기 위해 실런트(sealant)가 사용되어야 하므로, 베젤 영역의 크기를 감소시키는데 한계가 있다. 또한, 유기발광 표시장치의 경우, 유기발광 소자가 유기 물질로 이루어져 수분 또는 산소에 매우 취약하여 유기발광 소자를 보호하기 위한 봉지부(encapsulation)가 배치되어야 하므로, 베젤 영역의 크기를 감소시키는데 한계가 있다. 이에, 복수 개의 액정 표시장치 또는 유기발광 표시장치를 타일(tile) 형태로 배치하여 초대형 화면을 구현하는 경우, 서로 인접하는 패널 간의 베젤 영역이 사용자에게 쉽게 시인되는 문제가 있다.
이에 대한 대안으로 소형 LED를 발광소자로 사용하는 표시장치가 연구되고 있다. LED는 유기 물질이 아닌 무기 물질로 이루어지므로, 신뢰성이 우수하여 액정 표시장치나 유기발광 표시장치에 비해 수명이 길다. 또한, LED는 점등 속도가 빠를 뿐만 아니라, 소비 전력이 적고, 내충격성이 강해 안정성이 뛰어나며, 고휘도의 영상을 표시할 수 있기 때문에 초대형 화면에 적용되기에 적합한 소자이다. 무엇보다도 소형 LED를 발광소자로 사용하는 표시장치는, 베젤없이 구현될 수 있어서 다수 개의 표시장치를 이어서 제작하는 초대형 표시장치에 적용되기에 유리하다.
이러한 소형 LED 표시장치의 상용화에는 생산성 확보가 필수적이기 때문에, 생산 속도와 효율을 높이기 위하여 여러 연구가 이루어지고 있다.
본 명세서는 소형 LED 표시장치의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 방법 및 장비를 제안하는 것을 목적으로 한다. 더 구체적으로는 종래 기술에 비해 더 빠르고 안전한 LED 이송 장치를 제공하고자 한다. 본 명세서의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 이송 장치는, 일 기판 상의 LED를 들어올리고, 상기 LED를 타 기판에 내리도록 구비된 헤드; 상기 헤드를 이동시키는 운반 암(arm); 상기 헤드와, 상기 일 기판 또는 상기 타 기판을 수용하는 밀폐 공간을 마련하도록 구비된 커버; 및 상기 커버에 의해 마련된 상기 밀폐 공간의 기압을 조절하는 제어 유닛을 포함한다.
상기 LED 이송 장치는 상기 일 기판 또는 상기 타 기판을 그 상부에 놓고, 상기 커버와 함께 상기 밀폐 공간을 마련하도록 구비된, 지지대를 더 포함할 수 있다.
상기 헤드는, 상기 운반 암과 연결된 플레이트; 일 면은 상기 플레이트에 접합되고, 상기 LED와 접촉하도록 구비된 타 면에는 미세 홈이 마련된 스탬프를 포함할 수 있다. 상기 스탬프는 소정의 탄성을 갖는 탄성 중합체일 수 있고, 상기 미세 홈은 10 마이크로미터(μm) 이하의 직경을 가질 수 있다.
상기 제어 유닛은, 상기 밀폐 공간의 압력을 대기압, 상기 대기압보다 낮은 제1 기압 및 상기 제1 기압보다 낮은 제2 기압 상태 중 어느 한 상태로 만들도록 구비될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른, 일 기판 상의 발광 다이오드(LED)를 타 기판으로 이송하는 LED 이송 방법은, 기준 기압에서, 상기 일 기판 상에 있는 LED의 상면에 미세 홈을 갖는 헤드의 일 면을 위치시키는 단계; 상기 일 기판 및 상기 헤드를 포함한 제1 밀폐 공간을 마련하고, 상기 제1 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 기준 기압보다 낮은 제1 기압으로 낮추고, 상기 헤드를 상기 LED의 상면과 접촉시키는 단계; 상기 제1 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 기준 기압으로 올리고, 상기 헤드를 들어올려 상기 LED를 상기 일 기판에서 분리하는 단계; 상기 분리된 LED 및 상기 LED를 집고 있는 헤드를 타 기판의 상부에 위치시키는 단계; 상기 헤드를 내려 상기 LED를 상기 타 기판과 접촉시키는 단계; 상기 타 기판 및 상기 LED를 집고 있는 헤드를 포함한 제2 밀폐 공간을 마련하고, 상기 제2 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 제1 기압보다 낮은 제2 기압으로 낮추어 상기 헤드와 상기 LED 사이의 부착을 해제하는 단계; 상기 헤드를 들어올리고 상기 제2 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 기준 기압으로 올리는 단계를 포함할 수 있다.
타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 LED 이송 장치 및 이송 방법은, 해당 공정에서의 LED 손상을 줄이고, 전사 속도 역시 높일 수 있다. 이는 LED 표시장치의 생산성 증대로 연결될 수 있다. 본 명세서의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 표시장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 표시장치의 표시 영역을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 4b는 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 이송 장치를 간략히 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 5i는 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 이송 방법을 나타낸 도면이다.
본 명세서의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 명세서가 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다. 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다. 소자 또는 층이 다른 소자 또는 층 "위 (on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 표시장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
상기 LED 표시장치(100)는 기판(110)에 배치된 복수의 화소(P)들로 구성될 수 있다. 상기 화소(P)는 적색 서브화소(140R), 녹색 서브화소(140G) 및 청색 서브화소(140B)를 포함할 수 있다.
상기 서브 화소(140R, 140G, 140B) 각각에는 박막 트랜지스터(TFT) 및 LED(140)가 구동 소자 및 발광 소자로서 구비될 수 있다. 상기 LED(140) 및 박막 트랜지스터는 게이트 라인 데이터 라인 등과 같은 배선을 통해 게이트 제어 회로, 데이터 제어 회로 등과 같은 구동부와 연결될 수 있다. 상기 LED(140)의 칩 크기(너비)가 100 마이크로미터(μm) 이하이면 마이크로 엘이디(micro LED) 표시장치라고 호칭되기도 한다. 한편, 상기 LED(140)의 칩 크기가 수 백 마이크로미터 정도이면 미니 엘이디(mini LED) 표시장치라고 호칭되기도 한다.
상기 LED(140)는 기판(110)의 어레이 공정과는 별도로 제작될 수 있다. 유기발광 표시장치에서는 TFT와 발광소자가 모두 포토공정에 의해 형성되는 반면에, LED 표시장치의 경우 TFT는 포토공정에 의해 형성되지만, LED(140)는 별도의 공정에 의해 제작된 후 기판(110) 상에 옮겨질 수 있다. 일 예로서, 상기 LED(140)는 Al, Ga, N, P, As In 등의 무기물 재료가 성장 기판(사파이어 기판 또는 실리콘 기판) 위에서 성장한 후, 상기 성장 기판으로부터 분리됨으로써 획득될 수 있다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 표시장치의 표시 영역을 나타낸 단면도이다.
상기 LED 표시장치(100)에는 영상이 표시되는 표시 영역(Active Area) 및 표시 영역을 둘러싸는 비표시 영역(Inactive Area)이 정의될 수 있다. 표시 영역에는 발광 소자(예: LED) 및 발광 소자를 구동하기 위한 구동 소자(예: 박막 트랜지스터) 등이 배치될 수 있다. 비표시 영역은 영상이 표시되지 않는 영역으로, 표시 영역에 배치되는 소자들과 연결된 다양한 배선과 제어 회로 등이 배치될 수 있다. 도 2를 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 표시장치는 기판(110) 위에 다양한 기능 요소들이 적층된 구조로 형성되었음을 알 수 있다. 상기 기판(110)은 구성요소들을 지지하는 기판으로, 절연 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 유리, 또는 수지 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 기판(110)은 고분자 또는 플라스틱으로 이루어질 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 기판(110)은 플렉서빌리티(flexibility) 또는 폴더빌리티(foldability)를 갖는 물질로 이루어질 수도 있다.
상기 박막 트랜지스터(TFT)는 기판(110) 상에 형성된 게이트 전극(101); 상기 게이트 전극(101)을 덮는 게이트 절연 층(112); 상기 게이트 절연 층(112) 위에 형성된 반도체 층(103); 상기 반도체 층(103) 위의 소스 전극(105) 및 드레인 전극(107)으로 구성될 수 있다.
상기 게이트 전극(101)은 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있으며, 게이트 절연 층(112)은 SiOx 또는 SiNx와 같은 무기 절연물질로 이루어진 단일 층 또는 SiOx 및 SiNx으로 이루어진 복수의 층으로 이루어질 수 있다.
반도체 층(103)은 비정질 실리콘과 같은 비정질 반도체로 구성될 수도 있고, IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), TiO2, ZnO, WO3, SnO2와 같은 산화물 반도체로 구성될 수 있다. 물론, 박막 트랜지스터의 반도체 층이 특정 물질에 한정되는 것이 아니라, 현재 박막 트랜지스터에 사용되는 모든 종류의 반도체 물질이 사용될 수 있다.
상기 소스 전극(105) 및 드레인 전극(107)은 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al, 등과 같은 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 드레인 전극(107)은 LED에 신호를 인가하는 제1 전극으로 작용한다.
한편, 도시된 박막 트랜지스터(TFT)는 바텀 게이트(bottom gate) 방식의 박막 트랜지스터이지만, 탑 게이트(top gate) 방식의 박막 트랜지스터 등과 같이 다른 구조의 박막트랜지터도 본 발명의 실시예로서 적용될 수 있다.
표시 영역의 게이트 절연 층(112) 위에는 제2 전극(109)이 형성된다. 이때, 상기 제2 전극(109)은 Cr, Mo, Ta, Cu, Ti, Al 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있으며, 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 동일한 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 소스 전극(105), 드레인 전극(107), 제2 전극(109) 위에는 제1 절연 층(114)이 형성되며, 상기 제1 절연 층(114) 위에 LED(140)가 배치된다. 도 2의 실시예에서는 상기 제1 절연 층(114)의 일부가 제거되고 해당 영역에 LED(140)가 배치되지만, 상기 제1 절연 층(114)이 제거되지 않을 수도 있다. 상기 제1 절연 층(114)은 포토아크릴과 같은 유기층으로 구성될 수도 있고, 무기층/유기층으로 구성될 수도 있으며 무기층/유기층/무기층으로 구성될 수도 있다.
상기 제1 절연 층(114) 위에는 제2 절연 층(116)이 위치한다. 이때, 상기 제2 절연 층(116)은 포토아크릴과 같은 유기층으로 구성될 수도 있고, 무기층/유기층으로 구성될 수도 있으며 무기층/유기층/무기층으로 구성될 수도 있으며, LED(140)의 상부 영역을 덮는다.
상기 박막 트랜지스터(TFT)와 제2 전극(119) 상부의 제1 절연 층(114) 및 제2 절연 층(116)에는, 각각 제1컨택홀(114a) 및 제2컨택홀(114b)이 형성되어 박막 트랜지스터(TFT)의 드레인 전극(107)과 제2 전극(119)이 각각 외부로 노출된다. 또한, 상기 LED(140)의 p-형 전극(141)과 n-형 전극(143) 상부의 제2 절연 층(116)에는 각각 제3 컨택홀(116a) 및 제4 컨택홀(116b)이 형성되어 상기 p-형 전극(141)과 n-형 전극(143)이 외부로 노출된다.
상기 제2 절연 층(116)의 상부에는 ITO, IGZO나 IGO와 같은 투명한 금속 산화물로 구성된 제1 연결전극(117a) 및 제2 연결전극(117b)이 형성되어, 상기 제1 컨택홀(114a) 및 제3 컨택홀(116a)을 통해 박막 트랜지스터(TFT)의 드레인 전극(107)과 LED(140)의 p-형 전극(141)이 상기 제1 연결전극(117a)에 전기적으로 접속되며, 제2 컨택홀(114b) 및 제4 컨택홀(116b)을 통해 제2전극(109)과 LED(140)의 n-형 전극(143)이 상기 제2 연결전극(117b)에 전기적으로 접속된다.
상기 기판(110) 상면에는 무기물질 또/및 유기물질로 이루어진 버퍼 층(118)이 상기 LED(140)를 덮어 보호할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED의 구조를 나타낸 도면이다.
상기 LED(140)는 10 내지 100㎛ 크기의 마이크로 LED일 수 있다. 상기 LED(140)는 도핑되지 않은 GaN 층(144), 상기 GaN 층(144) 위에 배치된 n-형 GaN 층(145), 상기 n-형 GaN 층(145) 위에 배치된 다중 양자 우물(Multi-Quantum-Well: MQW) 구조를 가진 활성 층(146), 상기 활성 층(145) 위에 배치된 p-형 GaN 층(147), 투명 도전성 물질로 형성되어 상기 p-형 GaN 층(147) 위에 배치되는 오믹 접촉 층(148), 상기 오믹 접촉 층(148)의 일부와 접촉되는 p-형 전극(141), 상기 활성 층(146), p-형 GaN 층(147) 및 오믹 접촉 층(148)의 일부를 식각하여 노출되는 n-형 GaN 층(145)의 일부와 접촉되는 n-형 전극(143)으로 구성된다.
상기 n-형 GaN 층(145)은 활성 층(146)에 전자를 공급하기 위한 층으로, GaN 반도체 층에 Si와 같은 n-형 불순물을 도핑함으로써 형성된다.
상기 활성 층(146)은 주입되는 전자와 정공이 결합되어 광을 발산하는 층이다. 상기 활성 층(146)의 다중양자우물구조는 복수의 장벽 층과 우물 층이 교대로 배치되며, 상기 우물 층은 InGaN 층으로 구성되고 장벽 층은 GaN으로 구성될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 p-형 GaN 층(147)은 활성 층(146)에 정공을 주입하는 층으로, GaN 반도체 층에 Mg, Zn 및 Be와 같은 p-형 불순물이 도핑되어 형성된다.
상기 오믹 접촉 층(148)은 p-형 GaN 층(147)과 p-형 전극(141)을 오믹 접촉(ohmic contact)시키기 위한 것으로, ITO(Indium Tin Oxide), IGZO(Indium Galium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명한 금속 산화물이 사용될 수 있다.
상기 p-형 전극(141)과 n-형 전극(143)은 Ni, Au, Pt, Ti, Al, Cr 중 적어도 하나의 금속 또는 이들의 합금으로 이루어진 단일 층 또는 복수의 층으로 구성될 수 있다.
이러한 구조의 LED(140)에서 p-형 전극(141) 및 n-형 전극(143)에 전압이 인가됨에 따라 n-형 GaN 층(145) 및 p-형 GaN 층(147)으로부터 활성 층(145)으로 각각 전자 및 정공이 주입되면, 상기 활성 층(146) 내에는 여기자(exciton)가 생성되며, 이 여기자가 소멸(decay)함에 따라 발광 층의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)와 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)의 에너지 차이에 해당하는 광이 발생되어 외부로 발산된다. 이때, LED(140)에서 발광하는 광의 파장은, 활성 층(146)의 다중 양자 우물 구조의 장벽 층의 두께를 조절함으로써 조절될 수 있다.
상기 LED(140)는 기판 위에 버퍼 층을 형성하고 상기 버퍼 층 위에 GaN 박막을 성장시킴으로써 제작된다. 이때, GaN 박막의 성장을 위한 기판으로는 사파이어(sapphire), 실리콘(si), GaN, 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs), 산화아연(ZnO) 등이 사용될 수 있다.
상기 버퍼 층은 GaN 박막성장용 기판이 GaN기판이 아닌 다른 물질로 이루어진 경우에, 기판상에 에피(Epi) 층인 n-GaN 층(120)을 직접 성장시킬 때 발생하는 격자 부정합에 의한 품질 저하를 방지하기 위한 것으로, AlN 또는 GaN 등이 사용될 수 있다.
상기 n-형 GaN 층(145)은 불순물이 도핑되지 않은 GaN 층(144)을 성장시킨 후, 상기 도핑되지 않은 박막의 상부에 Si와 같은 n형 불순물을 도핑함으로써 형성될 수 있다. 또한, p-형 GaN 층(147)은 도핑되지 않은 GaN 박막을 성장시킨 후 Mg, Zn, Be 등의 p-형 불순물을 도핑함으로써 형성할 수 있다.
이상과 같은 과정으로 만들어진 LED(140)는, 도 2와 같은 기판(110)으로 옮겨져 표시장치에 사용된다. 이때 상기 LED(140)를 이송하는 과정을 전사(transfer)라 부르기도 한다. 상기 전사 공정의 대표적인 예는 직접 전사와 인쇄 전사이다.
상기 직접 전사는 이송하고자 하는 재료 또는 박막을 목표 기판(target substrate)에 직접 접합하는 기술이다. 상기 직접 전사의 일 예로서, p-type의 GaN를 식각 공정으로 수 마이크로 크기로 분리시킨 후에 스위칭 소자가 형성된 기판에 직접 접합하는 방법이 사용될 수 있다.
한편, 인쇄 전사는 정전 스탬프 또는 접합 스탬프와 같은 중간 매개체를 활용하는 기술이다. 상기 인쇄 전사 방법에 사용되는 이송 장비로는, LED를 집어 올리는 픽업(pickup) 장치로 ⅰ) 정전 헤드(electrostatic head)를 이용하는 것과 ⅱ) 탄성 스탬프(elastomer stamp)를 이용하는 것이 알려져 있다. 상기 ⅰ)은 헤드 부분에 전압을 인가하여 대전현상에 의한 LED와의 밀착력이 발생하게끔 한다. 이 방법은 원하는 영역 또는 단일 소자를 선택적으로 이송할 수 있는 장점이 있으나, 정전 유도 시에 헤드에 인가된 전압에 의해 LED가 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 상기 ⅱ)는 전사 헤드로 탄성이 있는 고분자 물질을 사용하여 LED를 원하는 기판에 이송시키는 방법이다. 이 방법은 정전 헤드 방식에 비해 LED 손상에 대한 문제점은 없으나, 전사 속도가 느리고, 다른 결합력보다는 약한 반데르발스(Wan der Waals) 힘을 기반으로 하므로 픽업 강도 및/또는 지속력을 조절하기 어렵다는 단점이 있다.
본 명세서의 발명자들은 상기와 같은 LED 이송 방법들이 가지는 장단점을 인지하고, LED의 손상 문제와 이송 안정성 문제를 해결할 수 있는 해결안을 고안하였다.
도 4a 및 4b는 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 이송 장치를 간략히 나타낸 도면이다.
전술한 LED를 한 기판에서 다른 기판으로 이송하는 LED 이송 장치는 여러 기능 유닛(unit)으로 구성될 수 있으며, 이하에서는 LED(140)를 기판에서 집어 올리고 다른 기판에 내리는 픽업 유닛(pickup unit)을 중심으로 상기 LED 이송 장치를 설명한다. 상기 LED 이송 장치는 제어 유닛(control unit)을 구비하여 상기 픽업 유닛을 비롯한 여러 기능 유닛을 제어할 수 있다. 도 4a에 도시된 기판(10)은 LED 이송이 완료되기 전의 일 기판으로서, LED(140)가 생성되는 성장 기판일 수도 있고, 최종적으로 LED가 실장되기 전 단계의 운반 기판일 수도 있다.
상기 픽업 유닛은 일 기판 상의 LED(140)를 들어올리고, 상기 LED(140)를 타 기판에 내리도록 구비된 헤드(230); 상기 헤드(230)을 이동시키는 운반 암(arm, 220); 상기 헤드(230)와 상기 일 기판 또는 상기 타 기판을 수용하는 특정 공간을 마련하도록 구비된 커버(250)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 제어 유닛은, 상기 커버(250)에 의해 마련된 밀폐 공간의 기압을 조절하여, 상기 LED(140)가 상기 헤드(230)에 부착 또는 분리되도록 제어한다.
또한 상기 LED 이송 장치는, 상기 일 기판 또는 상기 타 기판을 그 상부에 놓고, 상기 커버(250)와 함께 밀폐 공간을 마련하도록 구비된 지지대(210)를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서 상기 지지대(210)는 상기 LED 이송 장치와는 별도로 구성될 수도 있다.
상기 헤드(230)는, 상기 운반 암(220)과 연결된 플레이트(231); 일 면은 상기 플레이트(231)에 접합되고, 상기 LED(140)와 접촉하도록 구비된 타 면에는 미세 홈이 마련된 스탬프(232)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 4b에는 상기 스탬프(232)의 일 예가 도시되었다. 상기 스탬프(232)는 LED와의 접촉 시에 충격을 가하지 않도록, 소정의 탄성을 지닌 탄성 중합체(elastomer)로 만들어 질 수 있다. 예를 들어 상기 스탬프(232)는 고무, PDMS 등의 유기규소 중합물(polymeric organosilicon) 등으로 만들어질 수 있다. 상기 스탬프(232)는 일 면에 하나 이상의 미세 홈을 가지고 있다. 상기 미세 홈은 원기둥, 원추 기동, 다각 기둥 형상일 수 있으며, LED(140) 상면에 여러 개가 놓이게 된다. 이에 상기 미세 홈 내부의 압력과 그 외부의 압력 차이에 따라 LED(140)를 붙잡거나 놓을 수 있다. 이때 상기 스탬프(232)는 접촉 시에 LED(140)의 상면에서 밀리지 않을 정도의 탄성(약 10-3 내지 10- 1 GPa의 층 밀림 탄성 계수)을 갖는 것이 적절하다. 상기 미세 홈은 10 마이크로미터(μm) 이하의 직경을 갖고, 총 스탬프 면적의 40~80%를 차지하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 미세 홈의 깊이는 직경의 2배 내지 5배일 수 있다.
도면에는 플레이트(231)와 스탬프(232)를 분리하여 표현하였으나, 상기 두 부분은 하나의 일체형일 수도 있다. 즉, 일면에 미세 홈을 갖는 스탬프가 직접 운반 암(220)에 연결될 수도 있다.
상기 운반 암(220)은 헤드와 연결되고, 제어 유닛의 제어에 따라 상기 헤드(230)을 3차원적으로 이동시킨다. 상기 커버(250)는, 상기 지지대(210)의 상부에 안착하여 소정의 밀폐 공간(chamber)을 형성할 수 있다. 이와 같이 생긴 밀폐 공간은 매우 소형이어서, 10-1 atm 이하 수준의 진공 레벨을 쉽게 만들 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 밀폐 공간의 압력을 대기압, 상기 대기압보다 낮은 제1 기압 및 상기 제1 기압보다 낮은 제2 기압 상태 중 어느 한 상태로 만들도록 구비된다. 여기서 상기 제1 기압은 10-1 atm이고, 상기 제2 기압은 10-2 atm일 수 있다. 이때 상기 기압 변경을 위해 상기 커버(250) 및/또는 상기 지지대(210)에는 공기 입출을 위한 통로가 마련될 수 있다. 또한 상기 밀폐 공간 내부의 압력 조절을 위해 알려진 진공 펌프 등의 설비가 사용될 수 있다.
도 5a 내지 5i는 본 명세서의 일 실시예에 따른 LED 이송 방법을 나타낸 도면이다.
본 명세서의 일 실시예에 따라, 일 기판 상의 발광 다이오드(LED)를 타 기판으로 이송하는 방법은 도 4a 및 4b에서 설명된 LED 이송 장치에 의해서 수행될 수 있다. 상기 방법은 이하와 같이 수행될 수 있다.
먼저, 일 기판(10) 상에 있는 LED(140)의 상면에 미세 홈을 갖는 헤드(230)의 일 면을 위치시킨다. 이때 상기 헤드(230)는, 일면에 고분자 물질로 만들어진 탄성 스탬프를 구비하고, 상기 탄성 스탬프는 상기 미세 홈을 적어도 하나 이상 갖는다. 상기 헤드(230)는, 상기 일 기판 상(10)의 전체 LED 중 픽업하고자 하는 일부의 LED와만 접촉할 수 있다. 이는 이송 대상 기판에서 요구되는 LED 배열 조건에 맞추기 위함이다. 상기 과정은 기준 기압(예: 0 atm)에서 진행될 수 있다.
다음으로 도 5a와 같이, 상기 일 기판(10) 및 상기 헤드(230)를 포함한 제1 밀폐 공간을 마련하고, 상기 제1 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 기준 기압보다 낮은 제1 기압(L1)으로 낮춘다. 상기 제1 기압(L1)은 약 10-1 atm일 수 있다. 상기 제1 밀폐 공간은 커버(250)가 지지대(210)에 밀착되어 형성될 수 있다. 그 후, 도 5b와 같이, 밀폐 공간 내부가 상기 제1 기압(L1)인 상태에서 상기 헤드(230)를 상기 LED(140)의 상면과 접촉시킨다.
다음으로 도 5c와 같이, 상기 제1 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 기준 기압(L0)으로 올린다. 이때에 상기 미세 홈 내부는 상기 제1 기압(L1)으로 유지된다. 그 후, 도 5b와 같이, 상기 헤드(230)를 들어올려 상기 LED(140)를 상기 일 기판(10)에서 분리한다. 이때 상기 미세 홈 내부의 진공에 의해 LED(140)는 기판(10)에서 분리되어 헤드(230)와 함께 올려진다.
다음으로 도 5e와 같이, 상기 분리된 LED(140) 및 상기 LED(140)를 집고 있는 헤드(230)를 타 기판(20)의 상부에 위치시킨다. 여기서 상기 타 기판(20)은 최종 기판일 수도 있고, 중간 단계의 운반 기판일 수도 있다. 상기 과정은 기준 기압(L0)에서 진행될 수 있다. 이때 상기 미세 홈 내부는 여전히 상기 제1 기압(L1)으로 유지된다.
다음으로 도 5f와 같이, 상기 헤드(230)를 내려 상기 LED(140)를 상기 타 기판(20)과 접촉시킨다. 상기 접촉 이전 또는 이후에 상기 타 기판(20) 및 상기 LED(140)를 집고 있는 헤드(230)를 포함한 제2 밀폐 공간을 마련한다. 그 후, 도 5g와 같이, 상기 제2 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 제1 기압(L1)보다 낮은 제2 기압(L2)으로 낮춘다. 상기 제2 기압(L2)은 약 10-2 atm일 수 있다. 이러한 기압 변동으로 미세 홈에 의한 진공 부착력은 소실되어 상기 헤드(230)와 상기 LED(140) 사이의 부착이 해제된다.
다음으로 도 5h와 같이, 상기 헤드(230)를 들어올리고, 도 5i와 같이, 상기 제2 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 기준 기압(L0)으로 올린다. 그리고, 커버(250) 및 헤드(230)를 들어 올리면, 이송 과정은 마무리된다.
이상에서 설명된 LED 이송 장치 및 이송 방법은, 종래의 이송 방식과 대비했을 때 LED 손상이 감소하고, 전사 속도 역시 수 분(min)에서 수 초(s)로 단축될 수 있다. 이는 LED 표시장치의 생산성 증대로 연결될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 명세서는 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 그 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 당업자에 의해 기술적으로 다양하게 연동 및 구동될 수 있으며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시되거나 연관 관계로 함께 실시될 수도 있다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 발광 다이오드(LED) 이송 장치로서,
    일 기판 상의 LED를 들어올리고, 상기 LED를 타 기판에 내리도록 구비된 헤드;
    상기 헤드를 이동시키는 운반 암(arm);
    상기 헤드와, 상기 일 기판 또는 상기 타 기판을 수용하는 밀폐 공간을 마련하도록 구비된 커버;
    상기 커버에 의해 마련된 상기 밀폐 공간의 기압을 조절하는 제어 유닛을 포함하는 LED 이송 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 일 기판 또는 상기 타 기판을 그 상부에 놓고, 상기 커버와 함께 상기 밀폐 공간을 마련하도록 구비된, 지지대를 더 포함하는 LED 이송 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 헤드는,
    상기 운반 암과 연결된 플레이트; 및
    일 면은 상기 플레이트에 접합되고, 상기 LED와 접촉하도록 구비된 타 면에는 미세 홈이 마련된 스탬프를 포함하는 LED 이송 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 스탬프는 소정의 탄성을 갖는 탄성 중합체인, LED 이송 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 미세 홈은 10 마이크로미터(μm) 이하의 직경을 갖는, LED 이송 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 밀폐 공간의 압력을 대기압, 상기 대기압보다 낮은 제1 기압 및 상기 제1 기압보다 낮은 제2 기압 상태 중 어느 한 상태로 만들도록 구비된, LED 이송 장치.
  7. 일 기판 상의 발광 다이오드(LED)를 타 기판으로 이송하는 방법에 있어서,
    기준 기압에서, 상기 일 기판 상에 있는 LED의 상면에 미세 홈을 갖는 헤드의 일 면을 위치시키는 단계;
    상기 일 기판 및 상기 헤드를 포함한 제1 밀폐 공간을 마련하고, 상기 제1 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 기준 기압보다 낮은 제1 기압으로 낮추고, 상기 헤드를 상기 LED의 상면과 접촉시키는 단계;
    상기 제1 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 기준 기압으로 올리고, 상기 헤드를 들어올려 상기 LED를 상기 일 기판에서 분리하는 단계;
    상기 분리된 LED 및 상기 LED를 집고 있는 헤드를 타 기판의 상부에 위치시키는 단계;
    상기 헤드를 내려 상기 LED를 상기 타 기판과 접촉시키는 단계;
    상기 타 기판 및 상기 LED를 집고 있는 헤드를 포함한 제2 밀폐 공간을 마련하고, 상기 제2 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 제1 기압보다 낮은 제2 기압으로 낮추어 상기 헤드와 상기 LED 사이의 부착을 해제하는 단계;
    상기 헤드를 들어올리고 상기 제2 밀폐 공간 내부의 압력을 상기 기준 기압으로 올리는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 LED를 상기 일 기판에서 분리하는 단계에서, 상기 미세 홈 내부는 상기 제1 기압으로 유지되는, 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 헤드는 상기 일 기판 상의 전체 LED 중 일부 만의 LED와 접촉하는, 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 기준 기압은 0 atm이고, 상기 제1 기압은 10-1 atm이고, 상기 제2 기압은 10-2 atm인, 방법.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 LED는 너비가 100 마이크로미터(μm) 이하인 표시장치.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 헤드는 일면에 고분자 물질로 만들어진 탄성 스탬프를 구비하고, 상기 탄성 스탬프는 상기 미세 홈을 적어도 하나 이상 갖는, 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 미세 홈은 10 마이크로미터(μm) 이하의 직경과, 상기 직경의 2 내지 5배의 깊이를 갖는, 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 미세 홈은 상기 스탬프 면적의 40 내지 80%을 차지하는, 방법
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