KR20240105307A - 마이크로 led 어레이 전자 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20240105307A
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홍용택
윤형수
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에서 제안하는 마이크로 LED 어레이 전자 소자는, 열과 행을 이루며 배열된 복수 개의 발광소자를 포함하는 마이크로 LED 어레이에 있어서, 기판 상에 일 방향으로 연장 형성된 된 두 전극; 상기 전극과 수직 방향 이격된 전자 소자 사이를 메우며 강자성체 입자를 포함하는 경화된 폴리머를 포함하고, 상기 복수 개의 전자 소자 간의 간격은 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이다.

Description

마이크로 LED 어레이 전자 소자 및 그 제조 방법{MICRO LED ARRAY ELECTRONIC DEVICE AND ITS TRANSFER METHOD}
본 발명은 마이크로 LED를 포함하는 전자 소자 및 그 전사 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 스탬핑 및 자기장 정렬 기술을 이용하여 전사된 마이크로 LED와 그 제조방법에 관한 것이다.
전사 공정은 전자 소자를 캐리어에서 다른 구성들이 배치된 기판으로 이동시키는 공정으로, 마이크로 LED 디스 플레이 등을 구현하기 위한 핵심 기술이다. 종래, 개별 전사 소자를 캐리어에서 집어 원하는 기판의 위치에 놓 는 방식인 픽-앤-플레이스 전사 공정이 주로 적용되었다.
다만, 이와 같은 픽-앤-플레이스 전사 공정은 바탕으로 4K 해상도를 구현하기 위해서는 2400만개의 LED 소자가 회로에 배열되어야 하는 만큼, 고해상도, 대면적 응용으로 갈수록 비효율적이고 비생산적이게 된다. 또한, 개별 전자 소자의 크기와 소자 간격이 작아질수록 픽-앤-플레이스 머신의 정밀도는 높아져야 하나, 머신의 기계적 정 밀도가 소자의 소형화, 회로의 집적도를 따라가지 못하여, 픽-앤 플레이스 전사 공정으로 마이크로 사이즈의 전 자 소자를 전사하는 데에는 한계가 발생하게 된다.
따라서, 고해상도, 대면적 응용에 부합할 수 있는 마이크로 사이즈의 전자 소자를 보다 효율적으로 전사할 수 있는 방법, 공정이 요구되고 있는 실정이다. 유체를 이용한 방식을 비롯하여 다양한 방식으로 마이크로 사이즈의 전자 소자를 전사하고 정렬시키는 방법들이 연구되고 있으나, 어느 하나의 방식도 표준화되지 못하여 상용화의 장벽이 되고 있는 상황이다.
본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 기존의 픽-앤-플레이스 전사 공정이 아닌, 어레이 단위로 마이크로 LED와 같은 전자 소자를 효율적으로 전사하는 기술을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 마이크로 LED 어레이 전자 소자는, 열과 행을 이루며 배열된 복수 개의 발광소자를 포함하는 마이크로 LED 어레이에 있어서, 기판 상에 일 방향으로 연장 형성된 된 두 전극; 상기 전극과 수직 방향 이격된 전자 소자 사이를 메우며 강자성체 입자를 포함하는 경화된 폴리머를 포함하고, 상기 복수 개의 전자 소자 간의 간격은 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이다.
일 실시예에 따르면, 상기 전자 소자 간의 간격은 35 ㎛ 이하인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 발광소자의 상기 전극 방향 표면에 형성된 두 개의 컨택 패드를 더 포함하고, 상기 폴리머는 분산된 스캐터링 나노입자를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 스캐터링 나노입자는, 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 스캐터링 나노입자는, TiO2, SiO2, ZnO, Al2O3, BaSO4, CaCO3 및 ZrO2로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 강자성체 입자는 방향성을 가지고 배열되어 상기 전극과 상기 발광소자 사이를 전기적으로 연결하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판부터 전자 소자까지의 두께는 1 mm 이하인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전자 소자의 폴리머 경화는, 기판 하부에 위치한 단일 자석에 의해 수행되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전자 소자의 횡 방향 표면적은 상기 두 개의 전극의 횡 방향 표면적의 합보다 작은 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에서 제안하는 마이크로 LED 전자 소자의 제조방법은, 일면에 전자 소자 어레이가 복수 개 배열된 제1 기판 및 강자성체 입자를 포함하는 폴리머가 일면에 형성된 제2 기판을 각각 준비하는 단계; 접근 속도를 제어하며 상기 제1 기판의 상기 전자 소자 어레이와 상기 제2 기판의 폴리머를 접촉시켜 상기 전자 소자 어레이에 상기 폴리머를 코팅하는 단계; 적어도 일면에 상기 전자 소자 어레이와 대응하는 전극이 형성된 제3 기판을 준비하는 단계; 상기 제1 기판의 전자 소자 어레이에 코팅된 폴리머와 상기 제3 기판의 전극을 접촉시키는 단계; 상기 제1 기판과 상기 제3 기판 사이에 자기장을 형성하여 상기 전자 소자 어레이와 상기 전극이 전기적으로 연결되도록 상기 폴리머 내의 상기 강자성체 입자를 배열시키는 단계; 및 상기 배열된 강자성체 입자의 상태가 고정되도록 상기 폴리머를 경화시키는 단계;를 포함하고, 상기 복수 개의 전자 소자 간의 간격은 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 접근 속도는, 10 mm/min 내지 1500 mm/min 인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 접근 속도는, 50 mm/min 이상인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 폴리머를 코팅하는 단계 이전에 상기 폴리머에 스캐터링 입자를 혼합하는 단계;를 더 포함하고, 상기 발광소자는 하부에 컨택 패드를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 강자성체 입자를 배열시키는 단계는 상기 제3 기판 하부 또는 제1 기판 상부 중 하나에만 배치한 자석을 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 강자성체 입자를 배열시키는 단계는 상기 제1 기판 상부에는 자석을 배치하지 않고 수행되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판부터 전자 소자까지의 두께는 1 mm 이하인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 폴리머를 경화시키는 단계는, 상기 복수 개의 전자 소자 중 일부의 전자 소자에 대응하는 전극에만 전원을 공급하여 선택된 일부의 전자 소자의 폴리머 만을 경화시키는 것일 수 있다.
본 발명은 스탬핑 공정을 활용하여 한 번의 공정으로 다수의 전자 소자 위에 폴리머를 동시에 코팅할 수 있으며, 전자 소자 크기, 소자 간격과 같은 공정 변수에 제약 없이 능동적으로 전자 소자 위에 폴리머를 코팅할 수 있는 장점이 있다. 또한, 스탬핑 하고 남은 폴리머를 다시 재활용할 수 있는 장점도 가지고 있어 대량생산, 반복 공정에 유리하다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따르면 불량 전자 소자의 기판 접착을 특별한 수단 없이도 방지할 수 있어 불량 전자 소자의 자동 식별이 가능하며, 선택적인 발광을 통하여 어레이 중 선택적인 기판 접합이 가능해진다.
또한, 어레이 간격이 미세 피치를 가진 경우에도 각각의 어레이 간에 분리된 폴리머 접합이 가능한 스탬핑 공정이 가능해질 수 있다.
또한, 전자 소자에 컨택 패드를 도입한 경우에도 컨택 패드 하부의 폴리머를 충분히 경화시켜 전극과 전자 소자 간의 전기적 연결 및 물리적 접합이 가능하게 할 수 있다.
또한, 일 측에만 배치된 자석을 이용하며 전자 소자를 제조하여 전자 소자 별 발광 여부를 공정 중에 쉽게 확인할 수 있는 장점도 있다.
뿐만 아니라, 자기 정렬된 강자성체 입자는 정렬된 방향으로의 전류만 흐르는 이방성 전류 흐름을 가진다. 따라서, 전자 소자와 전극 사이에 상하 전류 흐름만 가능하며, 주변 LED 소자 사이 및 전극 사이에는 전기적 단락이 일어나지 않아 미세 패터닝에도 대응 가능하다.
본 발명은 효율적인 전자 소자 전사 기술은 소형 디스플레이부터 초대형 디스플레이까지 크기 제약 없이 적용될 수 있기 때문에 부가가치가 높은 기술이다. 이에 따라, 전자 장치는 고도의 집적화를 통해 높은 해상도 구현이 가능하여 AR, VR 및 차량용 디스플레이, 플렉서블, 스트레처블 디스플레이 등 미래 디스플레이로의 응용 가능성이 높다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자의 전사 방법의 순서도이다.
도 2 및 도 3은 준비된 제1 기판 및 준비된 제2 기판을 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 4 및 도 5는 제1 기판과 제2 기판을 접촉시키는 과정을 예시적으로 도시한다.
도 6는 전자 소자 어레이에 폴리머를 코팅된 상태를 예시적으로 도시한다.
도 7는 준비된 제3 기판을 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 8은 접촉된 제1 기판의 전자 소자 어레이에 코팅된 폴리머와 상기 제3 기판의 전극의 전기적 연결을 위해 자기장을 형성하는 상태를 도시한다.
도 9 및 도 10은 상술한 전사 방법에 따라 제3 기판으로 전자 소자가 전사된 상태를 도시한다.
도 11 및 도 12는 어레이의 전자 소자 간 피치(d) 간격을 가진 경우에 스탬핑 공정 중에 각각의 전자 소자에 폴리머(레진)이 분리되어 형성될 수 있는지 여부를 실험하기 위한 실험 설계 및 그 결과를 나타내는 실험 사진이다.
도 13 및 도 14는 전자 소자 간 피치 간격과 폴리머와 전자 소자 간의 접근 속도에 따라서 폴리머가 어떠한 형태로 코팅되는지를 도시한 그림과 실제 실험 사진이다.
도 15는 도 11 내지 도 14에서 실험한 결과를 그래프로 나타낸 것으로서, 어레이의 전자 소자 간 피치 간격과 접근 속도에 따라서 전자 소자 간 분리된 폴리머 코팅이 성공하였는지 여부를 표시하고 있다.
도 16은 도 11 내지 도 14에서 실험한 결과를 사진으로 나타낸 것으로서, 어레이의 전자 소자 간 피치 간격과 접근 속도에 따라서 전자 소자 간 분리된 폴리머 코팅이 성공한 결과를 나타내고 있다.
도 17과 도 18은 선택적으로 전극에 전류를 흘려서 선택적인 발광과 폴리머 경화를 통한 선택적 전사 공정이 이루어지도록 한 결과를 나타내고 있다.
도 19 내지 도 21은 상부의 자석을 없애고 하부의 자석만 도입하였을 때의 형성된 자기장과 자속의 감소 경향을 나타낸 그래프이다.
도 22는 하부의 자석만 도입하였을 때에도 적절한 두께와 적절한 전류의 제어 하에 전자 소자의 발광과 폴리머 경화가 가능하게 됨을 확인한 실험 이미지이다.
도 23 및 도 24는 컨택 패드 하부에 위치한 폴리머의 경화와 관련하여 스캐터링 입자를 포함하지 않은 경우와 스캐터링 입자를 포함한 경우에 일어나는 현상을 도식화한 그림과 실제의 실험 사진이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 발명에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 발명에 사용되는 모든 용어들은 본 발명을 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 발명에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.
본 발명에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
본 발명에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 설명한다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자의 전사 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자의 전사 방법은 일면에 전자 소자 어레이가 배열된 제1 기판 및 강자성체 입자를 포함하는 폴리머가 일면에 형성된 제2 기판을 각각 준비하는 단계(S100); 상기 제1 기판의 상기 전자 소자 어레이와 상기 제2 기판의 폴리머를 접촉시켜 상기 전자 소자 어레이에 상기 폴리머를 코팅하는 단계(S110); 일면에 상기 전자 소자 어레이와 대응하는 전극이 형성된 제3 기판을 준비하는 단계(S120); 상기 제1 기판의 전자 소자 어레이에 코팅된 폴리머와 상기 제3 기판의 전극을 접촉시키는 단계(S130); 상기 제1 기판과 상기 제3 기판 사이에 자기장을 형성하여 상기 전자 소자 어레이와 상기 전극이 도전되도록 상기 폴리머 내의 상기 강자성체 입자를 배열시키는 단계(S140); 및 상기 배열된 강자성체 입자의 상태가 고정되도록 상기 폴리머를 경화시키는 단계(S150)를 포함한다.
먼저, 일면에 전자 소자 어레이가 배열된 제1 기판 및 강자성체 입자를 포함하는 폴리머가 일면에 형성된 제2 기판을 각각 준비한다(S100).
도 2 및 도 3은 준비된 제1 기판 및 준비된 제2 기판을 개략적으로 도시한 예시도이다. 구체적으로, 도 2는 제1 기판 및 제2 기판의 전체적인 구성을 확인할 수 있는 사시도이며, 도 3는 하나의 전자 소자(110)를 기준으로 구성들을 관계를 설명하기 단면도이다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 일면에 전자 소자 어레이(110)가 배열된 제1 기판(100)이 준비된다. 제1 기판(100)에는 복수의 전자 소자(110)가 어레이 형태로 배열된 상태이다. 도 2 및 도 3에 도시된 복수의 전자 소자(110)는 일 예시에 해당하며, 복수의 전자 소자(110)의 개수 및 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 기판(100)에 배열된 전자 소자 어레이(110)는 전자 장치의 제작을 위해 다른 구성들이 형성된 기판으로 한번에 전사(transfer)될 수 있다. 전자 소자 어레이(110)는 마이크로 LED 소자일 수 있다. 여기서, 마이크로 LED 소자는 일반적으로 100 μm x 100 μm (가로 x 세로)보다 작은 소자를 의미한다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자의 전사 방법은 다양한 크기 및 종류의 마이크로 LED 소자(수평형, 수직형)뿐만 아니라 다른 미세 전자 소자에 대해서도 적용될 수 있다.
제1 기판(100)은 유리 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 기판(100)은 전자 소자 어레이(110)를 다른 기판에 전달하기 위한 캐리어 기판일 수 있으며, 후술하는 공정이 끝난 이후 제거될 수 있다. 제1 기판(100)과 전자 소자 어레이(110)는 접착층(120)을 통해 임시적으로 연결된 상태일 수 있다. 또한, 각 전자 소자(110)는 전기적 연결을 위한 컨택 패드(111)를 포함할 수 있다.
강자성체 입자(220)를 포함하는 폴리머(210)가 일면에 형성된 제2 기판(200)이 준비된다. 제2 기판(200)은 유리 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 블레이드 코팅 등을 통해 폴리머(210)는 제2 기판(200)의 일면에 도포될 수 있다. 폴리머(210)은 전자 소자 어레이(110)의 전체 면적에 대응되는 면적을 가지도록 제2 기판(200)의 일면에 형성된 상태일 수 있다. 예시적으로, 폴리머(210)의 전체 면적은 전자 소자 어레이(110)의 전체 면적보다 넓을 수 있다.
제2 기판(200)의 일면에 코팅된 폴리머(210)는 이방성 도전 접착제(Anisotropic conductive adhesive, ACA)일 수 있다. 즉, 폴리머(210)는 고분자 바인더에 급속 입자를 혼합해 금속의 전기적, 자기적, 광학적 특성과 함께 고분자의 기계적 특성 및 가공성을 동시에 제공할 수 있는 물질에 해당한다. 폴리머(210)는 경화성 폴리머일 수 있으며, 일정 온도 조건 또는 특정 파장에 의해 경화되어 현재 형상이 고정될 수 있다. 폴리머(210)를 통해 다른 구성들간의 물리적 연결, 결합이 가능할 수 있다. 즉, 폴리머(210)는 전자 소자(110)를 다른 구성에 고정하는 접착 기능을 제공할 수 있다.
폴리머(210) 내부에 분포된 강자성체 입자(220)는 금속 입자로 금속의 전기적, 자기적, 광학적 특성을 제공할 수 있다. 즉, 강자성체 입자(220)를 통해 다른 구성들간의 전기적 연결이 가능할 수 있다. 또한, 강자성체 입자(220)는 외부 자기장에 영향을 크게 받는 입자로, 외부 자기장의 방향에 따라 폴리머(210) 내부의 위치가 변경될 수 있다. 즉, 외부 자기장에 의해 강자성체 입자(220)의 폴리머(210) 내부에서의 배열 방향이 결정될 수 있다.
다음으로, 제1 기판의 전자 소자 어레이와 제2 기판의 폴리머를 접촉시켜 상기 전자 소자 어레이에 상기 폴리머를 코팅한다(S110).
도 4 및 도 5는 제1 기판과 제2 기판을 접촉시키는 과정을 예시적으로 도시하며, 도 6는 전자 소자 어레이에 폴리머를 코팅된 상태를 예시적으로 도시한다. 구체적으로, 도 4는 제1 기판 및 제2 기판의 전체적인 구성을 확인할 수 있는 사시도이며, 도 5는 하나의 전자 소자(110)를 기준으로 구성들을 관계를 설명하기 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 기판(100)의 일면과 제2 기판(200)의 일면이 대항되도록 위치될 수 있다. 즉, 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)와 제2 기판(200)의 폴리머(210)가 마주 보도록 제1 기판(100)과 제2 기판(200)이 위치될 수 있다. 서로 대향되도록 위치된 상태에서 제1 기판(100) 및 제2 기판(200) 중 적어도 하나가 서로 간의 거리가 가까워 지도록 수직 이동될 수 있다. 제1 기판(100)과 제2 기판(200)의 거리가 가까워 짐에 따라, 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)와 제2 기판(200)의 폴리머(210)가 접촉될 수 있다. 상기 접촉에 따라 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)에 폴리머(210)가 코팅되게 된다. 즉, 제2 기판(200)의 폴리머(210) 중 일부가 전자 소자 어레이(110)와 결합되어 이동되게 된다. 일정 시간 또는 충분한 양의 폴리머(210)가 전자 소자 어레이(110)의 표면으로 이동된 이후, 제1 기판(100)과 제2 기판(200) 중 적어도 하나가 수직 이동되어 제1 기판(100)과 제2 기판(200)의 거리가 멀어지게 된다.
상술한 과정과 같은 스탬핑 공정을 통해, 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)와 제2 기판(200)의 폴리머(210)가 접촉되며, 제2 기판(200)의 폴리머(210)가 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)로 선택적으로 이동하게 된다.
도 6를 참조하면, 폴리머(210)가 전자 소자 어레이(110)의 컨택 패드(111) 전체를 커버하도록 전자 소자 어레이(110)에 폴리머(210)가 코팅된 것을 확인할 수 있다. 또한, 폴리머(210)는 전자 소자 어레이(110)의 전체 면적에 대응하는 면적 또는 전자 소자 어레이(110)의 전체 면적을 커버할 수 있는 면적을 가지므로, 전자 소자 어레이(110)에 포함된 모든 전자 소자는 한 번의 스탬핑 공정으로 폴리머(210)가 코팅되게 된다. 즉, 전자 소자 어레이(110)에 포함된 미세한 크기의 전자 소자에 대한 개별적인 코팅 공정이 불필요하며, 한번의 스탬핑 공정으로 전자 소자의 물리적, 전기적 결합을 위한 폴리머(210)의 코팅 및 도포가 가능하다.
여기서, 제2 기판(200)은 제1 기판(100)과의 접촉 거리를 제한하는 스페이서(230)를 더 포함할 수 있다. 스페이서(230)는 제2 기판(200)의 일면에 형성될 수 있으며, 폴리머(210)의 외부에 해당하는 영역에 형성될 수 있다. 예시적으로, 스페이서(230)는 제2 기판(200)의 테두리 영역 또는 모서리 영역에 대응하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 스페이서(230)는 일정 높이를 가지도록 형성될 수 있다. 이러한 스페이서(230)에 의해, 제1 기판(100)과 제2 기판(200)의 스탬핑 공정이 수행되는 조건이 제한될 수 있다. 스페이서(230)에 높이에 의해 제1 기판(100)과 제2 기판(200)이 가까워지는 거리, 접촉을 위한 거리가 제한될 수 있다. 즉, 스페이서(230)에 의해 전자 소자 어레이(110)와 폴리머(210)가 접촉되는 정도, 폴리머(210)가 코팅되는 정도가 결정될 수 있다. 또한, 제1 기판(100)과 제2 기판(200)이 밀접하게 가까워지는 것이 스페이서(230)에 의해 방지될 수 있어, 전자 소자 어레이(110)가 상기 스탬핑 공정에 의해 파손되는 것이 방지될 수 있다.
다음으로, 일면에 상기 전자 소자 어레이와 대응하는 전극이 형성된 제3 기판을 준비한다(S120).
도 7는 준비된 제3 기판을 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 7를 참조하면, 적어도 전자 소자 어레이(110)에 대응하는 전극(310)이 형성된 제3 기판(300)을 준비한다. 제3 기판(300)은 전자 소자의 동작에 필요한 구성을 더 포함하는 기판일 수 있다. 즉, 제3 기판(300)은 캐리어 기판인 제1 기판(100)으로부터 전자 소자를 전달받는 기판에 해당한다. 제3 기판(300)은 유리 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제3 기판(300)은 플렉서블 기판일 수 있다. 예를 들어, 제3 기판(300)은 플라스틱 또는 실리콘 고무로 구성될 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 전사 방법을 통해 플렉서블 기판 상에 전자 소자를 전사시켜, 유연 디스플레이(flexible display)나 신축성 디스플레이(stretchable display)의 구현이 보다 용이해질 수 있다.
전극(310)은 잉크젯 프린팅 기술을 이용하여 원하는 패턴 사이즈, 간격을 최적화할 수 있으며, 마스크를 이용한 포토공정 또한 적용 가능하다.
다음으로, 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)를 제3 기판(300)으로 전사할 수 있다. 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)는 제3 기판(300)으로 전사되어 대응하는 제3 기판(300)의 전극과 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 전사 과정은 상기 제1 기판의 전자 소자 어레이에 코팅된 폴리머와 상기 제3 기판의 전극을 접촉시키는 단계(S130); 상기 제1 기판과 상기 제3 기판 사이에 자기장을 형성하여 상기 전자 소자 어레이와 상기 전극이 도전되도록 상기 폴리머 내의 상기 강자성체 입자를 배열시키는 단계(S140); 및 상기 배열된 강자성체 입자의 상태가 고정되도록 상기 폴리머를 경화시키는 단계(S150)를 통해 수행된다.
도 8은 접촉된 제1 기판의 전자 소자 어레이에 코팅된 폴리머와 상기 제3 기판의 전극의 전기적 연결을 위해 자기장을 형성하는 상태를 도시한다. 도 8은 예시적으로, 하나의 전자 소자(110)와 대응하는 한 쌍의 전극(310)을 도시하였으나, 후술하는 공정은 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)와 대응하는 제3 기판(300)의 전극(310) 사이에 동시에 발생하게 된다. 즉, 한 번의 공정을 진행함에 따라, 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)가 제3 기판(300)으로 용이하게 전사되며, 이들 사이의 물리적, 전기적 연결도 수행되게 된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)는 대응하는 제3 기판(300)의 전극(310)과 대향되도록 위치될 수 있다. 도 9 및 8는 상술한 전사 방법에 따라 제3 기판으로 전자 소자가 전사된 상태를 도시한다.
제1 기판(100)의 전자 소자 어레이(110)에 코팅된 폴리머(210)와 제3 기판(300)의 전극(310)은 서로 마주보도록 위치할 수 있으며, 제1 기판(100) 및 제3 기판(300) 중 적어도 하나가 이동됨에 따라 코팅된 폴리머(210)와 전극(310)은 접촉하게 된다. 폴리머(210)가 전극(310)으로 충분히 이동되도록 제1 기판(100)과 제3 기판(300)은 가까워질 수 있다. 이러한, 제1 기판(100)과 제3 기판(300) 사이의 거리를 제한, 제1 기판(100)과 제3 기판(300) 사이의 일정한 간격을 유지하는 스페이서(320)를 제3 기판(300)은 더 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 두 기판 사이에 특정 높이의 물질을 끼워 넣는 방식 외에, 미세하게 움직임이 조절 가능한 기계 장비를 통해서도 두 기판 사이에 적절한 간격을 만들 수도 있다.
폴리머(210)가 전극(310)으로 충분히 이동된 상태에서, 제1 기판(100)과 제3 기판(300) 사이에 자기장을 형성하여 전자 소자 어레이(110)와 전극(310)이 도전되도록 폴리머(210) 내의 강자성체 입자(220)를 배열시킨다. 제1 기판(100)의 하부, 제3 기판(300)의 상부에 각각 자기장을 형성하기 위한 전극이 배치될 수 있으며, 수직 방향으로 자기장이 형성될 수 있다. 형성된 자기장 방향에 대응하도록 강자성체 입자(220)는 폴리머(210) 내에서 위치가 재배열된다. 즉, 자기장에 따라 강자성체 입자(220)는 폴리머(210) 내에서 자기 정렬되게 된다. 예를 들어, 수직 방향으로 형성된 자기장에 따라 강자성체 입자(220)는 폴리머(210) 내에서 수직 방향으로 자기 정렬된다. 수직 방향으로 재배열된 강자성체 입자는 기둥 형상을 가지게 되며, 재배열된 강자성체 입자에 의해 전자 소자 어레이(110)의 컨택 패드(111)와 전극(310)의 서로 전기적으로 연결되게 된다.
재배열된 강자성체 입자의 상태, 형상이 고정되도록 폴리머(210)는 경화될 수 있다. 형성된 자기장이 제거되는 경우, 강자성체 입자(220)는 폴리머(210) 내에서 다시 위치가 변화될 수 있다. 이러한, 폴리머(210) 내에서의 강자성체 입자(220)의 이동을 막기 위해, 폴리머(210)가 경화된다. 폴리머(210)의 경화를 통해 재배열된 강자성체 입자(220)의 상태가 계속 유지되기에, 전자 소자 어레이(110)와 전극(310)의 전기적 연결이 계속 유지될 수 있다. 즉, 수직 방향으로의 전기적 흐름이 가능해진 상태가 고정되며, 자기장 방향으로 정렬된 강자성체 기둥은 이방성 전도특성을 지니기 때문에, 전극 사이 및 소자 사이에 전기적 단락이 일어나지 않는다.
또한, 폴리머(210)의 경화를 통해 전자 소자 어레이(110)와 전극(310)는 물리적으로도 연결될 수 있다. 즉, 폴리머(210)를 통해 전자 소자 어레이(110)는 제3 기판(300)에 물리적으로 고정될 수 있다. 폴리머(210)는 일정 온도 조건에 따라 경화되는 열 경화성 폴리머일 수 있으며, 상기 단계(S150)는 자기장이 형성된 상태에서 일정 온도를 일정 시간 유지하여 폴리머(210)를 경화하는 것을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 폴리머(210)는 특정 파장에 의해 경화되는 광 경화성 폴리머일 수 있으며, 상기 단계(S150)는 자기장이 형성된 상태에서 경화를 위한 파장 대역을 빛을 일정 시간 동안 조사하여 폴리머(210)를 경화하는 것을 포함할 수도 있다.
또한, 상기 단계(S150)는 제1 기판(100) 및 제3 기판(300)에 상하 방향으로 압력을 전달하여, 제1 기판(100) 및 제3 기판(300) 사이의 수직 거리가 더 가까워지도록 압착하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 압착을 통해 폴리머(210)에 의한 전자 소자 어레이(110)와 전극(310)의 물리적 연결이 보다 효율적으로 수행될 수 있다.
상기 배열된 강자성체 입자의 상태가 고정되도록 상기 폴리머를 경화시키는 단계(S150) 이후, 접착층(120)과 전자 소자 어레이(110)의 연결을 제거하여 전자 소자 어레이(110)로부터 제1 기판(100)을 이탈시키는 단계가 수행되게 된다. 이에 따라, 제3 기판(300)으로 전자 소자 어레이(110)는 완전히 전사되게 된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 대응하는 종래 제1 기판(100)에 포함되었던 전자 소자 어레이(110)가 제3 기판(300)으로 전사되어, 대응하는 전극(310) 상에 위치하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 폴리머(210) 내에서 배열된 강자성체 입자(220')는 전극(310)과 전자 소자 어레이(110)의 컨택 패드(111)와 각각 연결되어, 이들간의 전기적 연결이 가능하게 하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 장치는 상술한 도 1 내지 도 10에 따른 전사 방법을 통해 전사된 전자 소자를 포함할 수 있다. 전자 장치의 개략적인 구성은 도 9 및 도 10에서 확인할 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전자 장치는 기판(300); 상기 기판 상에 형성된 전극(310); 상기 전극(310)과 전기적으로 연결된 전자 소자(110); 및 상기 전극과 상기 전자 소자 사이에 위치한 경화된 폴리머(210)를 포함하되, 상기 경화된 폴리머(210)는 일 방향을 따라 배열된 복수의 강자성체 입자(220')를 포함하며, 상기 복수의 강자성체 입자(220')를 통해 상기 전극(310)과 상기 전자 소자(110)는 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 전자 소자(110)는 마이크로 LED일 수 있다.
도 11 및 도 12는 어레이의 전자 소자 간 피치(d) 간격을 가진 경우에 스탬핑 공정 중에 각각의 전자 소자에 폴리머(레진)이 분리되어 형성될 수 있는지 여부를 실험하기 위한 실험 설계 및 그 결과를 나타내는 실험 사진이다.
도 13 및 도 14는 전자 소자 간 피치 간격과 폴리머와 전자 소자 간의 접근 속도에 따라서 폴리머가 어떠한 형태로 코팅되는지를 도시한 그림과 실제 실험 사진이다.
도 15는 도 11 내지 도 14에서 실험한 결과를 그래프로 나타낸 것으로서, 어레이의 전자 소자 간 피치 간격과 접근 속도에 따라서 전자 소자 간 분리된 폴리머 코팅이 성공하였는지 여부를 표시하고 있다.
도 16은 도 11 내지 도 14에서 실험한 결과를 사진으로 나타낸 것으로서, 어레이의 전자 소자 간 피치 간격과 접근 속도에 따라서 전자 소자 간 분리된 폴리머 코팅이 성공한 결과를 나타내고 있다.
도 11 내지 도 16을 참조하면, 마이크로 LED 어레이를 형성하는 전자 소자들의 피치 간격이 미세하게 형성되더라도 적절한 속도로 접근 속도를 제어하면 스탬핑 공정을 이용하여 각각의 전자 소자들에 분리된 폴리머를 형성할 수 있음을 확인할 수 있다. 이를 통하여 각 전자 소자들 간에 서로 폴리머가 연결되어 전기적으로 연결되는 문제가 생기지 않을 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명자들은 스탬핑 공정에 대한 단순한 아이디어만 가지고 접근할 경우에는 마이크로 사이즈의 전자 소자들과 그 사이의 미세 피치 간격에 따르는 분리된 폴리머 형성을 결코 형성할 수 없음을 확인하고 수 차례의 설계와 반복된 실험을 통하여 본 발명을 완성하였다. 이를 통하여 본 발명자들은 상기 전자 소자 간의 간격이 100 ㎛ 이하인 경우에도 스탬핑 공정을 통하여 각 전자 소자 별로 분리된 폴리머 코팅을 형성할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 상기 전자 소자 간의 간격은 5 ㎛ 이상인 것일 수 있다. 또한 상기 전자 소자 간의 간격은 50 ㎛ 이하인 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 전자 소자 간의 간격은 35 ㎛ 이하인 것일 수 있다.
도 17과 도 18은 선택적으로 전극에 전류를 흘려서 선택적인 발광과 폴리머 경화를 통한 선택적 전사 공정이 이루어지도록 한 결과를 나타내고 있다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 마이크로 LED의 제조 공정에 있어서, 동일한 전자 소자 어레이가 형성된 기판을 이용하면서도 선택적인 전자 소자 접합이 가능하도록 할 수 있음을 알 수 있고, 이는 리페어 공정뿐 아니라 다양한 방식의 전자 소자 전사 공정에 있어서의 활용이 가능해짐을 의미한다.
도 19 내지 도 21은 상부의 자석을 없애고 하부의 자석만 도입하였을 때의 형성된 자기장과 자속의 감소 경향을 나타낸 그래프이다.
도 22는 하부의 자석만 도입하였을 때에도 적절한 두께와 적절한 전류의 제어 하에 전자 소자의 발광과 폴리머 경화가 가능하게 됨을 확인한 실험 이미지이다.
도 23 및 도 24는 컨택 패드 하부에 위치한 폴리머의 경화와 관련하여 스캐터링 입자를 포함하지 않은 경우와 스캐터링 입자를 포함한 경우에 일어나는 현상을 도식화한 그림과 실제의 실험 사진이다.
도 22 내지 도 24를 참조하면 공정 상에서 일 측의 자석부를 도입하는 것만으로도 마이크로 LED 두께의 전자 소자 어레이의 폴리머 속 강자성입자는 얼마든지 배열이 가능함을 확인할 수 있다. 이를 통하여 공정의 효율 및 편의성을 도모할 수 있을 뿐 아니라, 공정 과정에서 각 발광 소자에 빛이 들어오는지, 이를 통하여 폴리머 경화가 잘 일어나는지 여부를 수월하게 확인할 수 있는 장점도 있다.
본 발명에서 상기 스캐터링 입자는 폴리머를 경화시킬 수 있는 빛을 산란시킬 수 있는 성분의 입자라면 특별히 한정하지 않는다. 상기 스캐터링 입자는 나노 스케일의 입자일 수 있다. 상기 스캐터링 입자는 금속 산화물일 수 있으며, 일 예로 상기 스캐터링 입자는 투명 금속 산화물일 수 있다. 또한, 상기 스캐터링 입자는, TiO2, SiO2, ZnO, Al2O3, BaSO4, CaCO3 및 ZrO2로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것일 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 전자 소자(마이크로 LED) 전사공정 기술을 제안하여 기존의 소형부터 대형 디스플레이와 이를 넘어 차세대 디스플레이 이외에도 섬유와 LED가 결합한 스마트 섬유, 인체 부착 또는 삽입형 의료기기, 바이오 콘택트렌즈, HMD, 자동차 등의 분야에서 광범위하게 활용 가능할 것으로 기대된다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 열과 행을 이루며 배열된 복수 개의 발광소자를 포함하는 마이크로 LED 어레이에 있어서,
    기판 상에 일 방향으로 연장 형성된 된 두 전극;
    상기 전극과 수직 방향 이격된 전자 소자 사이를 메우며 강자성체 입자를 포함하는 경화된 폴리머를 포함하고,
    상기 복수 개의 전자 소자 간의 간격은 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것인,
    마이크로 LED 어레이 전자 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자 소자 간의 간격은 35 ㎛ 이하인 것인,
    마이크로 LED 어레이 전자 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발광소자의 상기 전극 방향 표면에 형성된 두 개의 컨택 패드를 더 포함하고,
    상기 폴리머는 분산된 스캐터링 나노입자를 더 포함하는 것인,
    마이크로 LED 전자 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스캐터링 나노입자는,
    금속 산화물을 포함하는 것인,
    마이크로 LED 전자 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 스캐터링 나노입자는, TiO2, SiO2, ZnO, Al2O3, BaSO4, CaCO3 및 ZrO2로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것인,
    마이크로 LED 전자 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 강자성체 입자는 방향성을 가지고 배열되어 상기 전극과 상기 발광소자 사이를 전기적으로 연결하는 것인,
    마이크로 LED 전자 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판부터 전자 소자까지의 두께는 1 mm 이하인 것인,
    마이크로 LED 전자 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전자 소자의 폴리머 경화는, 기판 하부에 위치한 단일 자석에 의해 수행되는 것인,
    마이크로 LED 전자 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전자 소자의 횡 방향 표면적은 상기 두 개의 전극의 횡 방향 표면적의 합보다 작은 것인,
    마이크로 LED 전자 소자.
  10. 일면에 전자 소자 어레이가 복수 개 배열된 제1 기판 및 강자성체 입자를 포함하는 폴리머가 일면에 형성된 제2 기판을 각각 준비하는 단계;
    접근 속도를 제어하며 상기 제1 기판의 상기 전자 소자 어레이와 상기 제2 기판의 폴리머를 접촉시켜 상기 전자 소자 어레이에 상기 폴리머를 코팅하는 단계;
    적어도 일면에 상기 전자 소자 어레이와 대응하는 전극이 형성된 제3 기판을 준비하는 단계;
    상기 제1 기판의 전자 소자 어레이에 코팅된 폴리머와 상기 제3 기판의 전극을 접촉시키는 단계;
    상기 제1 기판과 상기 제3 기판 사이에 자기장을 형성하여 상기 전자 소자 어레이와 상기 전극이 전기적으로 연결되도록 상기 폴리머 내의 상기 강자성체 입자를 배열시키는 단계; 및
    상기 배열된 강자성체 입자의 상태가 고정되도록 상기 폴리머를 경화시키는 단계;를 포함하고,
    상기 복수 개의 전자 소자 간의 간격은 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것인,
    마이크로 LED 전자 소자의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 접근 속도는, 10 mm/min 내지 1500 mm/min 인 것인,
    마이크로 LED 전자 소자의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 접근 속도는, 50 mm/min 이상인 것인,
    마이크로 LED 전자 소자의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 폴리머를 코팅하는 단계 이전에 상기 폴리머에 스캐터링 입자를 혼합하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 발광소자는 하부에 컨택 패드를 더 포함하는 것인,
    마이크로 LED 전자 소자의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 강자성체 입자를 배열시키는 단계는
    상기 제3 기판 하부 또는 제1 기판 상부 중 하나에만 배치한 자석을 이용하여 수행되는 것인,
    마이크로 LED 전자 소자의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 강자성체 입자를 배열시키는 단계는
    상기 제1 기판 상부에는 자석을 배치하지 않고 수행되는 것인,
    마이크로 LED 전자 소자의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 기판부터 전자 소자까지의 두께는 1 mm 이하인 것인,
    마이크로 LED 전자 소자의 제조방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 폴리머를 경화시키는 단계는,
    상기 복수 개의 전자 소자 중 일부의 전자 소자에 대응하는 전극에만 전원을 공급하여 선택된 일부의 전자 소자의 폴리머 만을 경화시키는 것인,
    마이크로 LED 전자 소자의 제조방법.
KR1020230193834A 2022-12-28 2023-12-28 마이크로 led 어레이 전자 소자 및 그 제조 방법 KR20240105307A (ko)

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