KR20230002597A - 마이크로-led용 마이크로-광가이드 - Google Patents

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Abstract

마이크로-LED에서 방출되는 광의 시준을 위한 절두 원추형 마이크로-광가이드를 제조하는 방법이 개시된다. 본 방법은 기판 상에 UV-경화성 재료의 층을 기판 상으로 증착시키는 것을 포함한다. 층의 제1 부분은 원추형 조사 프로파일을 갖는 UV 광을 사용하여 선택적으로 경화되어 절두 원추형 마이크로-광가이드의 형상을 규정한다. UV-경화성 재료가 현상되어 층의 제1 부분과 층의 제2 부분 중 하나가 제거되며, 여기서 층의 제2 부분은 경화되지 않는다.

Description

마이크로-LED용 마이크로-광가이드
본 발명은 발광 다이오드(LED) 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 LED의 발광 효율을 개선하는 방법에 관한 것이다.
LED는 전기 에너지를 광학 에너지로 변환시킨다. 반도체 LED에서, 이는 일반적으로 n-도핑된 반도체 층으로부터의 전자와 p-도핑된 반도체 층의 정공의 재결합이 발생할 때 전자-정공 전이를 통해 발생한다. 주 광 방출이 일어나는 영역은 활성 영역으로 지칭될 할 수 있다. LED의 양자 우물(quantum well)에서 생성된 광은 모든 방향으로 방출될 수 있지만, LED 재료의 경계에서의 굴절률의 변화는 임계각 범위 (탈출 범위(escape range)) 이내의 입사각을 갖는 방출 광선만이 방출될 수 있다는 것을 의미한다. 탈출 범위 내의 일부 광조차도 각도 변화에 따른 작은 프레넬 손실(Fresnel loss)로 인해 손실될 수 있다. 입사각이 탈출 범위 밖에 있다면, 내부 전반사가 발생할 수 있다. LED 생산의 주요 과제 중 하나는 추출 효율을 개선하고 방출된 광을 가능한 한 많이 캡처하는 것이다.
일부 LED는 공기 중으로 직접 방출한다. 발광 효율은 생성된 총 광자 수에 대한 공기 내로 LED를 빠져나간 광자의 수라고 할 수 있다. 기판 재료의 굴절률은 일반적으로 공기의 굴절률보다 훨씬 높으며, 따라서 출사 표면의 법선에 가까운 각도로 입사하는 광만이 빠져나갈 수 있다. 종종 LED는 공기에 직접 연결되는 대신 투영 렌즈와 같은 집광 디바이스에 연결된다. 이러한 경우, LED에 의해 방출된 일부 광이 집광 디바이스와의 경계면에 도달하도록 어떤 각도로 발산하기 때문에 LED와 집광 디바이스 사이의 경계면에서 추가 손실이 있을 수 있다. 그러면 발광 효율은 LED를 빠져나가는 광자의 비율 및 집광 디바이스에 의해 캡처되는 빠져나간 광자의 비율 모두에 좌우된다.
탈출된 광자를 캡처하는 효율은 집광 각도 (입체각으로서, 사용 가능한 광자의 적어도 절반은 이 각도를 통하여 집광 디바이스에 의해 캡처된다)와 비교하여 발산광 각도(방출된 광의 반전력 빔 폭에 의해 형성된 입체각)의 크기에 의존할 수 있다. LED는 120도의 반치전폭(FWHM)을 갖는 랑베르(Lambertian) 방출에 가까운 각도 분포로 광을 방출한다. 렌즈의 수광각(acceptance angle)은 그의 F 값(F number)에 의해 결정될 수 있으며, 이는 전형적인 투영 렌즈에 대하여, 수광각 11.3° 및 9.5°를 각각 제공하는 F/2.5 또는 F/3일 수 있다. 랑베르(Lambertian) LED에 의하여 방출되는 광의 2.7%만이 ±9.5° 이내이며, 따라서 97.3%의 광이 렌즈를 통과하지 못함에 의해 손실된다. 따라서, LED로부터의 방출의 효율을 증가시키고 방출된 광을 시준할 필요가 있다.
기존 해결책은 LED 반도체 재료의 정확한 에칭 또는 LED 디바이스의 칩 메사(chip mesa)의 성형에 의존할 수 있다. 더 많은 광자가 투과되는 것을 허용하는 입사각을 갖고 또한 빔을 집속하도록 선택될 수 있는 방식으로 활성 영역에서 방출된 광이 방출 표면을 향하여 반사되도록 메사의 형상은 설계될 수 있다. 예를 들어, 통합된 투명 전도층은 제조 동안 LED 구조체와 일체로 형성될 수 있으며, 또한 에칭되어 광 추출을 향상시키는 캡을 형성할 수 있다(US2015/008392 A1). 볼록한 광학 구조체는 또한 발광 영역의 반대쪽 기판 면에서의 레이저 삭마(laser ablation)에 의해 형성될 수 있으며, 이는 광이 투과되고 시준되도록 광을 발광 표면을 향하여 반사시킨다 (US2018/083170 A1). LED 재료 자체를 성형하는 것보다는, 칩 메사가 활성층이 안착되는 포물선 구조체로 성형될 수 있으며, 따라서 측벽에 입사한 광은 메사와 반대되는 발광 표면을 향하여 반사된다 (US2015/236201 A1 및 US2017/271557 A1). 메사를 식각하는 것은 활성층을 손상시킬 위험이 있으며, 높은 수준의 시준을 위해 매끄러운 충분한 마무리를 달성하기 어려울 수 있다.
마이크로-LED는 고-분해능 디스플레이를 위하여 사용되며, 치수가 계속 감소함에 따라 광을 효과적으로 시준하기 위해 충분한 정밀도로 피처(feature)를 에칭하는 것이 점점 더 어려워질 수 있다. 방출된 광을 시준하기 위해 사용되는 반도체 재료의 본질적으로 작은 치수는 또한 열악한 수준의 휘도 균일도를 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 높은 수준의 각도 및 밝기 균일성뿐만 아니라 정확한 방출 각도를 제공하는 확장 가능한 디자인을 제공하는 것이다.
이러한 배경에 대하여, 마이크로-LED로부터 방출된 광의 시준을 위한 절두 원추형 마이크로-광가이드를 제조하는 방법이 제공되며, 본 방법은:
UV-경화성 재료의 층을 기판 상으로 증착시키는 것;
절두 원추형 마이크로-광가이드의 형상을 규정하기 위해 원추형 조사 프로파일을 갖는 UV 광을 이용하여 층의 제1 부분을 선택적으로 경화시키는 것;
층의 제1 부분 및 층의 제2 부분 중 하나를 제거하기 위해 UV-경화성 재료를 현상하는 것-층의 제2 부분은 경화되지 않음-을 포함한다.
이렇게 하여, 마이크로-LED에서 방출되는 광을 시준하여 추출된 광의 비율을 증가시키기 위하여 정밀한 마이크로-광가이드를 소규모로 제조할 수 있다.
층의 제2 부분은 제거될 수 있으며, 층의 제1 부분은 절두 원추형 마이크로-광가이드를 포함할 수 있다.
유리하게는, 절두 원추형 마이크로-광가이드로서 UV-경화성 재료의 제1 부분을 사용하는 것은 비교적 적은 처리 단계를 필요로 하며 확장 가능한 공정이다.
층의 제1 부분은 제거될 수 있으며, 층의 제2 부분은 절두 원추형 마이크로-광가이드의 형상을 규정하는 절두 원추형 리세스를 포함할 수 있다.
유리하게는, 포지티브 레지스트 대신 네거티브 레지스트가 사용될 수 있으며 따라서 공정이 유연하다.
본 방법은 절두 원추형 리세스에 광가이드 재료를 증착하는 것 및 층의 제2 부분을 제거하는 것을 더 포함할 수 있으며, 따라서 광가이드 재료는 절두 원추형 마이크로-광가이드를 포함한다.
이렇게 하여, 광가이드 재료가 반드시 UV-경화성인 것이 아니기 때문에 절두 원추형 마이크로-광가이드를 위하여 더 넓은 범위의 재료가 사용될 수 있다.
절두 원추형 마이크로-광가이드는 제1 평면형 표면 및 제2 평면형 표면을 포함할 수 있으며, 여기서 제1 평면형 표면은 제2 평면형 표면보다 작은 면적을 갖는다.
이렇게 하여, 절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축에 대한 반사 광선의 각도가 절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축에 대한 입사 광선의 각도보다 작을 수 있도록 제1 평면형 표면을 투과한 광은 절두 원추형 마이크로-광가이드의 측벽에 입사될 수 있으며 그리고 반사될 수 있다. 따라서, 제1 평면형 표면을 투과한 광 빔은 시준되며 더 좁은 광 빔은 제2 평면형 표면으로부터 방출된다.
본 방법은 마이크로-광가이드들의 어레이를 제조하는 것을 더 포함할 수 있다.
이렇게 하여, 마이크로-LED들의 어레이의 각 마이크로-LED로부터의 광은 시준될 수 있다.
원추형 조사 프로파일은 실질적으로 반전된 원추의 형태를 취할 수 있고 원형 궤적으로 이동하는 마스크를 통해 UV 광을 투과시킴으로써 달성될 수 있으며, 따라서 절두 원추형 마이크로-광가이드의 제1 평면형 표면이 기판에 근접한다.
이렇게 하여, 절두 원추형 형상인 UV-경화성 재료의 일부는 경화될 수 있다.
기판은 복수의 마이크로-LED를 포함하는 처리된 웨이퍼일 수 있다.
유리하게는, 절두 원추형 마이크로-광가이드는 마이크로-LED 상으로 직접 제조되며, 따라서 절두 원추형 마이크로-광가이드는 제조 후에 마이크로-LED와 정렬될 필요가 없다.
마스크는 하나 이상의 원형 애퍼처를 포함할 수 있다.
이렇게 하여, 마스크를 투과한 광의 조사 프로파일은 마스크가 원형 궤적으로 이동될 때 원추형 프로파일을 가질 수 있다.
절두 원추형 마이크로-광가이드의 제2 평면형 표면이 기판에 근접하도록 원추형 조사 프로파일은 UV 광의 시준에 의해 달성될 수 있다.
이렇게 하여, 절두 원추형 마이크로-광가이드는 마이크로-LED와 별도로 제조될 수 있다.
시준은 하나 이상의 마이크로-렌즈를 이용하여 달성될 수 있다.
이렇게 하여, 마이크로-렌즈를 투과한 UV 광은 원추형 프로파일을 갖는다.
기판은 글라스 또는 사파이어와 같은 투명한 재료일 수 있다.
유리하게는, 절두 원추형 마이크로-광가이드는 그후 마이크로-LED에 연결될 수 있으며, 기판은 제거될 필요가 없다.
마이크로-광가이드는 마이크로-LED들의 어레이에 연결될 수 있다.
이렇게 하여, 마이크로-LED들의 어레이 내의 각 마이크로-LED로부터의 광은 시준될 수 있다.
절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축에 대한 절두 원추형 마이크로-광가이드의 측벽의 각도는 바람직하게는 10°와 18° 사이일 수 있으며, 여기서 절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축은 제1 평면형 표면의 중심점과 제2 평면형 표면의 중심점을 통과한다.
이렇게 하여, 절두 원추형 마이크로-광가이드를 투과한 광은 시준될 수 있다.
절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축은 마이크로-LED의 중심 축과 정렬될 수 있다.
이렇게 하여, 절두 원추형 마이크로-광가이드에 의한 집광의 효율이 증가된다.
마이크로-광가이드는 반사 코팅부를 더 포함할 수 있다.
이렇게 하여, 인접한 절두 원추형 마이크로-광가이드들 간의 광 크로스-토크가 감소된다.
UV-경화성 레지스트 재료는 스핀 코팅에 의하여 증착될 수 있다.
유리하게는, 이 공정은 확장 가능하며 균일한 층을 달성한다.
제1 평면형 표면은 제2 평면형 표면의 특성 치수의 50%일 수 있는 특성 치수를 갖는다.
이렇게 하여, 절두 원추형 마이크로-광가이드의 측벽의 적절한 각도가 달성된다.
제2 평면형 표면의 특성 치수는 절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축과 평행한 절두 원추형 마이크로-광가이드의 특성 치수와 동일할 수 있다.
이렇게 하여, 적절한 레벨의 광 빔의 시준이 달성된다.
제1 평면형 표면의 특성 치수는 마이크로-LED의 특성 치수보다 60% 더 클 수 있다.
제1 평면형 표면의 특성 치수는 마이크로-LED의 특성 치수보다 70% 더 클 수 있다.
이렇게 하여, 절두 원추형 마이크로-광가이드에 의한 집광의 효율이 증가된다.
본 발명의 특정 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이며, 도면에서:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 예시적인 광선과 함께 절두 원추형 마이크로-광가이드의 개략도를 보여주고 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 예시적인 광선과 함께 광원들의 어레이에 연결된 절두 원추형 마이크로-광가이드들의 어레이의 개략적인 횡단면을 보여주고 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 광원들의 어레이에 연결된 절두 원추형 마이크로-광가이드들의 어레이의 사시도를 보여주고 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 예시적인 광선과 함께 마이크로-LED에 연결된 절두 원추형 마이크로-광가이드의 횡단면을 보여주고 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 마이크로-LED들의 어레이에 연결된 절두 원추형 마이크로-광가이드들의 어레이의 횡단면을 보여주고 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 마이크로-LED들의 어레이에 연결된 절두 원추형 마이크로-광가이드들의 어레이의 평면도를 보여주고 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-광가이드로부터 방출된 광의 각도 프로파일의 시뮬레이션으로부터 유도된 데이터를 보여주고 있다.
도 7a는 극도표(polar plot)로서의 각도의 함수로서 세기를 보여주고 있으며, 도 7b는 선형 스케일에서 각도의 함수로서의 세기를 보여주고 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 반사 재료로 코팅되고 마이크로-LED들의 어레이에 연결된 절두 원추형 마이크로-광가이드들의 어레이의 횡단면을 보여주고 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 절두 원추형 마이크로-광가이드의 제조 공정 동안 UV-경화성 재료의 경화된 부분과 경화되지 않은 부분을 나타내는 간단한 개략도를 보여주고 있다. 도 9a는 기판 상의 UV-경화성 재료의 층을 보여주고 있다. 도 9b와 도 9d는 UV-경화성 재료의 경화된 부분과 경화되지 않은 부분을 보여주고 있다. 도 9c 및 도 9e는 UV-경화성 재료의 경화되지 않은 부분을 제거하기 위해 UV-경화성 재료를 현상한 후 기판 상의 UV-경화성 재료의 절두 원추형 경화된 부분을 보여주고 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, 이동 마스크를 사용하여 절두 원추형 마이크로-광가이드들의 어레이를 제조하는 단계를 보여주고 있다. 도 10a는 마이크로-LED들의 어레이 상의 UV-경화성 재료의 층을 보여주고 있다. 도 10b는 UV-경화성 재료에 대한 이동 마스크 및 입사 UV 광을 보여주고 있다. 도 10c는 UV-경화성 재료의 경화되지 않은 부분을 제거하기 위한 UV-경화성 재료의 현상 후 마이크로-LED에 남겨진 원추형 마이크로-광가이드를 보여주고 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 마이크로-렌즈를 통해 시준된 UV 광을 이용하여 절두 원추형 마이크로-광가이드를 제조하는 단계를 보여주고 있다. 도 11a는 마이크로 렌즈를 사용하여 원추형 조사 프로파일로 시준된 UV 광을 보여주고 있으며, 여기서 UV 광은 기판 상의 UV-경화성 재료에 입사된다. 도 11b는 UV-경화성 재료의 경화되지 않은 부분을 제거하기 위한 UV-경화성 재료의 현상 후 마이크로-LED에 남겨진 원추형 마이크로-광가이드를 보여주고 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 기판 상의 절두 원추형 마이크로-광가이드들의 어레이의 사시도를 보여주고 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른, 마이크로-LED들의 어레이에 연결된 기판 상의 절두 원추형 마이크로-광가이드들의 어레이의 횡단면을 보여주고 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로-발광 다이오드(micro-LED)에 의하여 방출되는 광의 시준을 위한 마이크로-광가이드(micro-lightguide)(100)가 제공된다. 마이크로-광가이드(100)를 제조하는 방법 또한 제공된다.
도 1을 참조하면, 마이크로-광가이드(100)는 제1 평면형 표면(110) 및 제1 평면형 표면(110)에 대향하는 제2 평면형 표면(120)을 포함하며, 여기서 제1 평면형 표면(110)은 제2 평면형 표면(120)보다 작은 면적을 갖는다. 제1 평면형 표면(110)과 제2 평면형 표면(120)은 모두 원형일 수 있다. 마이크로-광가이드(100)는 제1 평면형 표면(110)과 제2 평면형 표면(120) 사이에서 연장되는 측벽(130)을 포함할 수 있다. 측벽(130)은 만곡될 수 있다. 따라서, 마이크로-광가이드(100)는 절두 원추형(frusto-conical) 형상을 가질 수 있다. 마이크로-광가이드(100)는 가시광선 스펙트럼의 광에 투명한 재료로 제조될 수 있다. 제1 평면형 표면(110)에 입사된 입사 광선은 제1 평면형 표면(110)을 투과할 수 있다. 제1 평면형 표면(110) 상의 입사 광선의 입사각에 따라, 투과 광선은 마이크로-광가이드를 투과하여 제2 평면형 표면(120)에 입사될 수 있다. 마이크로-광가이드(100)를 통한 투과는 측벽(130)의 임의의 부분에 반사되지 않고 직접적일 수 있거나 내부 전반사에 의한 측벽(130)에서의 하나 이상의 반사를 포함할 수 있다.
제1, 제2 및 제3 예시적인 투과 광선(141, 151 및 161)이 도 1에서 보여지고 있다. 제1 투과 광선(141)은 측벽(130)에 반사되지 않고 제2 평면형 표면(120)에 입사되고 제2 평면형 표면(120)을 투과하며, 따라서 마이크로-광가이드(100)를 빠져나간다. 제2 및 제3 투과 광선(151 및 161)은 내부 전반사를 통해 측벽(130)에서 반사된다. 제2 투과 광선(151)은 제1 반사 광선(152)으로서 측벽(130)에 반사될 수 있다. 제1 반사 광선(152)은 제2 평면형 표면(120)에 입사될 수 있으며 또한 투과되고 마이크로-광가이드(100)를 빠져나갈 수 있다. 마이크로-광가이드(100)의 중심 축에 대한 제1 반사 광선(152)의 각도는 마이크로-광가이드(100)의 중심 축에 대한 제2 입사 광선(151)의 각도보다 작을 수 있으며, 여기서 마이크로-광가이드(100)의 중심 축은 제1 평면형 표면(110)의 중심을 그리고 제2 평면형 표면(120)의 중심을 통과한다. 제3 투과 광선(161)은 측벽(130)에 입사될 수 있으며 제2 반사 광선(162)으로서 측벽(130)에 반사될 수 있다. 제2 반사 광선(162)은 그후 측벽(130)에 입사될 수 있으며 제3 반사 광선(163)으로서 다시 반사될 수 있다. 제3 반사광(163)은 그후 제2 평면형 표면(120)에 입사될 수 있으며 제2 평면형 표면(120)을 투과하여 마이크로-광가이드(100)를 빠져나갈 수 있다. 마이크로-광가이드(100)의 중심 축에 대한 제3 반사 광선(163)의 각도는 마이크로-광가이드(100)의 중심 축에 대한 제3 입사 광선(161)의 각도보다 작을 수 있다.
도 2를 참조하면, 마이크로-광가이드(100)는 광원(210)에 연결될 수 있다. 광원(210)은 광원에 의하여 방출된 광이 제1 평면형 표면(110)에 입사되도록 제1 평면형 표면(110)에 근접할 수 있다. 광원은 임의의 방향으로 광을 방출할 수 있고 또한 광원 상의 임의의 지점으로부터 광을 방출할 수 있지만, 도 2에서는 설명의 명확성을 위하여 단일 지점에서만 방출되는 2개의 예시적인 광선(221)만이 보여지고 있다. 광선(221)은 제1 평면형 표면(110)을 투과하며 측벽(130)에 입사된다. 광선(221)은 측벽(130)에서 내부 전반사에 의해 반사되며 제2 평면형 표면(120)에 입사되고, 그리고 제2 평면형 표면(120)을 투과하여 마이크로-광가이드(100)를 빠져나간다. 마이크로-광가이드(100)의 중심 축에 대한 반사 광선(222)의 각도는 마이크로-광가이드(100)의 중심 축에 대한 입사 광선(221)의 각도보다 작을 수 있다. 각 마이크로-광가이드(100)가 별도의 광원(210)에 연결되도록 어레이(200)로 배열된 복수의 마이크로-광가이드(100)가 있을 수 있다. 광원(210)은 마이크로-LED일 수 있다.
도 3을 참조하면, 마이크로-광가이드(100)들의 어레이(200)는 광원(210)들의 어레이를 포함하는 기판(310)에 연결될 수 있다. 각 마이크로-광가이드(100)의 중심 축은 각 광원(210)의 중심 축과 정렬될 수 있다. 마이크로-광가이드(100)들은 일정한 피치로 배열될 수 있다.
도 4를 참조하면, 광원(210)은 마이크로-LED를 포함하는 픽셀(400)을 포함할 수 있다. 마이크로-LED는 기판(410), 기판(410) 상에 제공된 반도체 재료(420) 및 반도체 재료(420) 상에 제공된 캡핑 재료(capping material)(430)를 포함할 수 있다. 반도체 재료(420)는 전류에 응답하여 광을 방출하도록 구성되며, 전류는 전극(440 및 450)을 사용하여 인가될 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(410)은 상보성 금속-산화물-반도체(CMOS)를 포함할 수 있으며 반도체 재료(420)는 모놀리식(monolithic) InGaN LED를 포함할 수 있다. 모놀리식 InGaN LED는 청색 광을 방출할 수 있으며, 이 경우에 캡핑 재료(430)는 청색 픽셀에 대해 명확하게 투명한 재료, 그리고 적색 및 녹색 픽셀에 대해서는 양자점(quantum dots) 또는 형광체(phosphor)와 같은 색 변환 재료일 수 있다. 또한 도 5를 참조하면, 복수의 픽셀(400)이 어레이로 제공 및 배열될 수 있으며, 복수의 픽셀(400)의 각 픽셀(400)은 마이크로-광가이드(100)에 연결될 수 있다. 각 캡핑 재료(430) 사이에는 차광 재료(460)가 있어 픽셀들 간의 광 크로스-토크(light cross-talk)를 방지할 수 있다. 차광 재료(460)는 가시광선을 흡수할 수 있으며 하고 감광성(photo-definable)일 수 있다. 이러한 어레이의 예의 단순화한 표현이 도 6의 평면도에서 보여지고 있다.
특정 실시예에서, 중심 축을 따른 마이크로-광가이드(100)의 특성 치수는 5㎛일 수 있으며, 제1 평면형 표면(110)의 특성 치수는 2.5㎛일 수 있고, 제2 평면형 표면(120)의 특성 치수는 5㎛일 수 있다. 마이크로-광가이드의 중심 축에 대한 측벽(130)의 각도는 14°이다. 제1 평면형 표면(110) 및 제2 평면형 표면(120)은 원형일 수 있으며, 따라서 제1 및 제2 평면형 표면의 특성 치수는 직경일 수 있다. 제1 평면형 표면(110)의 특성 치수는 바람직하게는 광원(210)의 특성 치수보다 60% 더 클 수 있다. 보다 바람직하게는, 제1 평면형 표면(110)의 특성 치수는 광원(210)의 특성 치수보다 70% 더 클 수 있다. 마이크로-광가이드(100)들의 어레이(200)의 피치는 8㎛일 수 있으며, 광원(210)들의 어레이의 피치는 8㎛일 수 있다.
도 7을 참조하면, 마이크로-광가이드(100)의 제2 평면형 표면(120)으로부터 방출된 광의 프로파일이 보여지고 있다. 도 7에 플로팅된 데이터는 5㎛의, 중심 축을 따른 특성 치수, 2.5㎛의 원형의 제1 평면형 표면(110)의 직경 및 5㎛의 원형의 제2 평면형 표면(120)의 직경을 갖는 마이크로-광가이드(100)에 대한 시뮬레이션 결과로부터 유도된다. 제1 평면형 표면(110)에 입사되는 광원(210)의 광은 120°의 반치전폭(FWHM)을 갖는 랑베르(Lambertian) 분포를 가지며, 제2 평면형 표면(120)에서 방출된 광은 57°의 반치전폭을 갖는다. 도 7a는 극성 그래프(polar graph)에 각도로 플로팅된 광의 세기를 보여주고 있으며, 도 7b는 선형 눈금 상에 각도에 대해 표시된 세기를 보여주고 있다.
도 8을 참조하면, 마이크로-광가이드(100)는 반사 재료(810)로 코팅되어 마이크로-광가이드(100) 들 간의 광 크로스-토크를 방지할 수 있다. 특정 실시예에서, 반사 재료(810)는 알루미늄 또는 은(silver)일 수 있다.
도 9를 참조하면, 마이크로-광가이드(100)는 UV-경화성 재료(910)의 층을 기판(920)(도 9a) 상으로 증착함으로써 제조될 수 있다. UV 광(930, 940)이 UV-경화성 재료(910)의 제1 부분(912 또는 914)을 선택적으로 경화시키도록 원추형 조사 프로파일을 갖는 UV 광(930 또는 940)은 UV-경화성 재료(910)의 제1 표면(950)에 입사된다. UV-경화성 재료(910)는 그후 현상되어 나머지 부분이 절두 원추형 마이크로-광가이드의 형상을 규정하도록 층의 제1 경화된 부분(912 또는 914)과 제2 경화되지 않은 부분(911 또는 913) 중 하나를 제거한다. 도 9에서 보여지는 예에서, UV-경화성 재료(910)의 제1 부분(912 또는 914)이 절두 원추형 마이크로-광가이드(100)로서 남아 있도록 UV-경화성 재료(910)의 제2 경화되지 않은 부분(911 또는 913)이 제거된다. 절두 원추형 마이크로-광가이드는 기판(920)의 평면에 수직인 그의 중심 축을 가질 수 있지만, (반전된 원추와 유사한 원추형 조사 프로파일에 기인하는) 기판(920)에 인접한 그의 제1 평면형 표면(110) 또는 (원추와 유사한 원추형 조사 프로파일에 기인하는) 기판(920)에 인접한 그의 제2 평면형 표면(120)을 가질 수 있다. 도 9b 및 도 9c는 조사 프로파일이 UV-경화성 재료(910)의 제1 표면(950)에서보다 기판(920)에서 더 좁도록 UV 광(930)이 원추형 조사 프로파일을 가지며 따라서 제조 후에 제1 평면형 표면(110)이 기판(920)에 인접한 공정을 보여주고 있다. 도 9d 및 도 9e는 조사 프로파일이 UV-경화성 재료(910)의 제1 표면(950)에서보다 기판(920)에서 더 넓도록 UV 광(940)이 원추형 조사 프로파일을 가지며 따라서 제조 후에 제2 평면형 표면(120)이 기판(920)에 인접한 공정을 보여주고 있다. 특정의 다른 실시예에서, 나머지 경화되지 않은 부분(911 또는 913)이 절두 원추형 마이크로-광가이드의 형상을 규정하는 리세스를 포함하도록 UV-경화성 재료(910)의 경화된 부분(912 또는 914)은 제거될 수 있다. 광가이드 재료가 리세스에 증착될 수 있고 UV-경화성 재료(910)의 경화되지 않은 부분(911 또는 913)이 제거될 수 있으며, 따라서 나머지 광가이드 재료는 절두 원추형 마이크로-광가이드(100)를 포함한다.
제1 실시예에서, 기판(920)은 광원(210)들의 어레이(310)를 포함할 수 있다. UV-경화성 재료(910)는 광원(210)들의 어레이 상으로 직접 증착될 수 있다. 도 10a를 참조하면, 광원(210)은 도 4에 도시된 바와 같이 마이크로-LED를 포함하는 픽셀(400)로서 보여지고 있다. UV-경화성 재료(910)는 스핀 코팅에 의해 증착될 수 있다. 도 10b를 참조하면, UV 광(1011)은 마스크(1020)의 평면에 수직으로 마스크(1020)에 입사되며, 여기서 마스크(1020)의 평면은 기판(920)과 그리고 UV-경화성 재료(910)와 평행하다. 마스크는 복수의 애퍼처(aperture)(1021)를 가질 수 있으며, 각 애퍼처(1021)의 중심 축은 픽셀(400)의 중심 축과 정렬된다. 각 애퍼처(1021)는 원형일 수 있다. 마스크(1020)는 마스크(1020)의 평면에 있는 원형 궤적(1030)을 갖고 이동되며, 따라서 마스크를 투과한 UV 광(1011)은 반전된 원추형 조사 프로파일을 갖는다. UV 광(1011)은 UV-경화성 재료(910)의 제1 표면(950)에 입사된다. 반전된 원추형 조사 프로파일은 프로파일의 중심에서 가장 높은 세기를 그리고 프로파일의 에지에서 가장 낮은 세기를 갖는다. 가장 높은 세기는 제1 평면형 표면의 면적과 동일한 면적에 걸쳐 일정하며, 원추형 조사 프로파일의 중심 축은 픽셀(400)의 중심 축과 정렬된다. 조사 프로파일의 가장 넓은 부분은 제2 평면형 표면(120)과 동일한 면적을 갖는다. UV-경화성 재료(910)의 경화의 침투 깊이는 복사 프로파일의 세기의 함수이며, 따라서 UV-경화성 재료의 경화된 부분(912)은 절두 원추형 형상을 갖는다. UV-경화성 재료의 경화된 부분(912)은 제1 평면형 표면(110)의 면적과 동일한 기판(920)에 인접한 횡단면적 및 제2 평면형 표면의 면적과 동일한 제1 표면(950)에서의 횡단면적을 갖는다. 특정 실시예에서, UV-경화성 재료(910)의 경화되지 않은 부분(911)은 제거되며, UV-경화성 재료의 경화된 부분(912)은 도 10c에 도시된 바와 같이, 기판(920) 상에 남겨진 절두 원추형 마이크로-광가이드를 포함한다. 특정 실시예에서, UV-경화성 재료(910)의 경화된 부분(912)이 제거되어, 경화되지 않은 부분(911)에 절두 원추형 리세스를 남기며, 광가이드 재료는 절두 원추형 리세스 내에 증착된다. UV-경화성 재료(910)의 경화되지 않은 부분(911)은 그 후 제거되며 나머지 광가이드 재료는 절두 원추형 마이크로-광가이드를 포함한다.
제2 실시예에서, 기판(920)은 가시 스펙트럼의 파장을 갖는 전자기 방사선에 투명한 투명 재료를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 투명 재료는 글라스 또는 사파이어일 수 있다. 도 11a를 참조하면, UV 광은 마이크로-렌즈(1110)를 사용하여 시준되며, 따라서 UV-경화성 재료(910)의 제1 표면(950)에 입사되는 UV 광(1120)은 UV-경화성 재료(910) 내에서 원추형 프로파일을 갖는다. 원추형 프로파일은 UV-경화성 재료(910)의 제1 표면(950)에서 제1 평면형 표면(110)과 동일한 면적을 가지며 또한 기판(920)에서 제2 평면형 표면과 동일한 면적을 갖는다. 원추형 프로파일 내에 있는 UV-경화성 재료(910)는 경화되며, 경화되지 않은 부분(913)은 제거될 수 있다. 경화된 부분(914)은 절두 원추형 형상을 가지며 그리고 기판에 남겨질 수 있다. 실시예에서, 경화된 부분(914)들의 어레이가 있도록 마이크로-렌즈(1110)들의 어레이가 있을 수 있다. 도 12를 참조하면, 기판(920) 상의 경화된 부분(914)들 어레이의 개략적인 사시도가 보여지고 있으며, 여기서 경화된 부분(914)은 마이크로-광가이드(100)이다. 도 13을 참조하면, 각 마이크로-광가이드(100)가 광원(210)에 연결되도록 기판(920)은 광원(210)들의 어레이 상에 배치될 수 있다. 마이크로-광가이드(10)의 중심 축은 광원(210)의 중심 축과 정렬된다. 제1 평면형 표면(110)은 광원(210)에 근접한다. 실시예에서, 광원(210)은 마이크로-LED를 포함하는 픽셀(400)일 수 있다. 특정 실시예에서, 제1 평면형 표면(110)과 광원(210) 사이의 거리는 광원(210)의 발광 영역의 면적의 20%보다 작을 수 있다.
특정 실시예에서, UV-경화성 재료(910)는 UV 영역의 파장을 갖는 전자기 방사선을 흡수할 수 있으며, 가시 스펙트럼의 파장을 갖는 전자기 방사선에 투명할 수 있다. 특정 실시예에서, 마이크로-광가이드(100)의 표면의 거칠기 프로파일의 산술 평균은 20㎚ 미만일 수 있다. 특정 실시예에서, UV-경화성 재료는 589㎚의 파장을 갖는 광에 대해 1.555의 굴절률을 가질 수 있다. UV-경화성 재료는 OrmoClear®FX를 포함할 수 있거나 이로 구성될 수 있다.
UV-경화성 재료(910)는 기판(920) 상으로 스핀-코팅될 수 있다. UV-경화성 재료(910)의 두께는 스핀 코팅의 지속시간에 의존할 수 있다.
기판(920)이 광원(201)들의 어레이(310)를 포함할 수 있는 특정 실시예에서, 기판(920)은 UV-경화성 재료(910)로 스핀-코팅될 수 있으며, 그후 80℃에서 2분 동안 베이킹되어 기판(920)에 대한 접착력을 개선할 수 있다. UV-경화성 재료(910)는 이동 마스크를 투과한 UV 광에 노출될 수 있으며, 여기서 방사 프로파일이 반전된 원추와 유사하도록 마스크는 원형 궤적으로 이동한다. 적절한 분해능을 달성하기 위해 IV 노광의 선량은 1000mJ/㎠ 미만일 수 있다. UV-경화성 재료(910)는 현상되어 경화되지 않은 부분(911)을 제거한다. 기판(920)에 대한 마이크로-광가이드(100)의 접착력을 증가시키기 위하여 기판(920) 및 경화된 부분(912)은 120℃에서 10분 동안 베이킹될 수 있다.
기판(920)이 투명한 재료일 수 있는 특정 실시예에서, 기판(920)은 아세톤/2-프로판올로 스핀-세정될 수 있으며 그후 UV-경화성 재료(910)로 스핀 코팅하기 전에 200℃에서 5분 동안 베이킹될 수 있고 실온으로 냉각될 수 있다. 대안적으로, 기판(920)은 산소 또는 오존으로 플라즈마 세정을 통해 세정될 수 있다. 기판(920) 상에 UV-경화성 재료(910)를 스핀 코팅한 후, 기판(920)은 80℃에서 2분간 베이크되어 접착력을 향상시킬 수 있다. UV-경화성 재료(910)는 그후 원추형 조사 프로파일로 UV 광에 노출될 수 있다. 특정 실시예에서, UV-경화성 재료에 입사하는 UV 광이 원추형 조사 프로파일을 갖도록 UV 광은 마이크로-렌즈(1110)들의 어레이를 사용하여 시준된다. 적절한 분해능을 달성하기 위해 IV 노광의 선량은 1000mJ/㎠ 미만일 수 있다. 노광 후 UV-경화성 재료(910)는 현상되어 경화되지 않은 부분(913)을 제거한다. 기판(920)에 대한 마이크로-광가이드(100)의 접착력을 증가시키기 위하여 기판(920) 및 경화된 부분(914)은 120℃에서 10분 동안 베이킹될 수 있다.

Claims (21)

  1. 마이크로-LED로부터 방출된 광의 시준을 위한 절두 원추형 마이크로-광가이드를 제조하는 방법에 있어서,
    UV-경화성 재료의 층을 기판 상으로 증착시키는 것;
    절두 원추형 마이크로-광가이드의 형상을 규정하기 위해 원추형 조사 프로파일을 갖는 UV 광을 이용하여 층의 제1 부분을 선택적으로 경화시키는 것;
    층의 제1 부분 및 층의 제2 부분 중 하나를 제거하기 위해 UV-경화성 재료를 현상하는 것-층의 제2 부분은 경화되지 않음-을 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 층의 제2 부분은 제거되며, 층의 제1 부분은 절두 원추형 마이크로-광가이드를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 층의 제1 부분은 제거되며, 층의 제2 부분은 절두 원추형 마이크로-광가이드의 형상을 규정하는 절두 원추형 리세스를 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 방법은 절두 원추형 리세스에 광가이드 재료를 증착하는 것 및 층의 제2 부분을 제거하는 것을 더 포함하며, 따라서 광가이드 재료는 절두 원추형 마이크로-광가이드를 포함하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 절두 원추형 마이크로-광가이드는 제1 평면형 표면 및 제2 평면형 표면을 포함하며, 제1 평면형 표면은 제2 평면형 표면보다 작은 면적을 갖는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 마이크로-광가이드들의 어레이를 제조하는 것을 더 포함하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 원추형 조사 프로파일은 실질적으로 반전된 원추의 형태를 취하고 원형 궤적으로 이동하는 마스크를 통해 UV 광을 투과시킴으로써 달성되며, 따라서 절두 원추형 마이크로-광가이드의 제1 평면형 표면이 기판에 근접하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 기판은 복수의 마이크로-LED를 포함하는 처리된 웨이퍼인 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 마스크는 하나 이상의 애퍼처를 포함하는 방법.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 원추형 조사 프로파일은 절두 원추형 마이크로-광가이드의 제2 평면형 표면이 기판에 근접하도록 UV 광의 시준에 의해 달성되는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 시준은 하나 이상의 마이크로-렌즈에 의하여 달성되는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 기판은 글라스 또는 사파이어와 같은 투명한 재료인 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로-광가이드는 마이크로-LED들의 어레이에 연결된 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축에 대한 절두 원추형 마이크로-광가이드의 측벽의 각도는 바람직하게는 10°와 18° 사이이며, 절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축은 제1 평면형 표면의 중심점과 제2 평면형 표면의 중심점을 통과하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축은 마이크로-LED의 중심 축과 정렬된 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로-광가이드는 반사 코팅부를 더 포함하는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, UV-경화성 레지스트 재료는 스핀 코팅에 의하여 증착된 방법.
  18. 제5항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 평면형 표면은 제2 평면형 표면의 특성 치수의 50%인 특성 치수를 갖는 방법.
  19. 제5항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 평면형 표면의 특성 치수는 절두 원추형 마이크로-광가이드의 중심 축과 평행한 절두 원추형 마이크로-광가이드의 특성 치수와 동일한 방법.
  20. 제5항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 평면형 표면의 특성 치수는 마이크로-LED의 특성 치수보다 60% 더 큰 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 평면형 표면의 특성 치수는 바람직하게는 상기 마이크로-LED의 특성 치수보다 70% 더 큰 방법.
KR1020227039072A 2020-04-08 2021-04-06 마이크로-led용 마이크로-광가이드 KR20230002597A (ko)

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