WO2019203403A1 - 반도체 발광소자의 자가조립 장치 및 방법 - Google Patents

반도체 발광소자의 자가조립 장치 및 방법 Download PDF

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light emitting
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심봉주
김도희
박창서
조현우
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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자의 자가조립 장치 및 방법에 관한 것으로 특히, 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 제조 방법은, 자성체를 구비하는 복수의 반도체 발광소자들을 형성하는 단계와, 기판을 조립위치로 이송하고, 상기 반도체 발광소자들을 유체 챔버에 투입하는 단계와, 상기 유체 챔버 내에서 상기 반도체 발광소자들이 일방향을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들에 자기력을 가하는 단계, 및 상기 반도체 발광소자들이 이동하는 과정에서 상기 기판의 기설정된 위치에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들을 상기 기설정된 위치로 유도하는 단계를 포함한다.

Description

반도체 발광소자의 자가조립 장치 및 방법
본 발명은 디스플레이 장치의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광소자의 자가조립 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 대면적 디스플레이를 구현하기 위하여, 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 소자(OLED) 디스플레이, 그리고 마이크로 LED 디스플레이 등이 경쟁하고 있다.
그러나, LCD의 경우에 빠르지 않은 반응 시간과, 백라이트에 의해 생성된 광의 낮은 효율 등의 문제점이 존재하고, OLED의 경우에 수명이 짧고, 양산 수율이 좋지 않을 뿐 아니라 효율이 낮은 취약점이 존재한다.
이에 반해, 디스플레이에 100 마이크론 이하의 직경 또는 단면적을 가지는 반도체 발광소자(마이크로 LED (uLED))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 유체내에서 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, 아직 마이크로 LED의 자가조립을 통하여 디스플레이를 제조하는 기술에 대한 연구가 미비한 실정이다. 이에, 본 발명에서는 마이크로 LED가 자가조립될 수 있는 새로운 형태의 제조방법과 제조장치를 제시한다.
본 발명의 일 목적은 마이크로 크기의 반도체 발광소자를 사용한 대화면 디스플레이에서, 높은 신뢰성을 가지는 새로운 제조공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 반도체 발광소자를 임시기판 또는 배선기판으로 자가조립할 때에, 전사 정밀도를 향상시킬 수 있는 제조공정을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치의 제조 방법은, 자기장을 이용하여 반도체 발광소자들을 일방향으로 이동시키는 도중에 전기장을 이용하여 조립위치에 안착시키는 반도체 발광소자의 자가조립 방법을 가진다.
보다 구체적으로, 상기 반도체 발광소자의 자가조립 방법은, 자성체를 구비하는 복수의 반도체 발광소자들을 형성하는 단계와, 기판을 조립위치로 이송하고, 상기 반도체 발광소자들을 유체 챔버에 투입하는 단계와, 상기 유체 챔버 내에서 상기 반도체 발광소자들이 일방향을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들에 자기력을 가하는 단계, 및 상기 반도체 발광소자들이 이동하는 과정에서 상기 기판의 기설정된 위치에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들을 상기 기설정된 위치로 유도하는 단계를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 기판의 조립위치는 상기 기판의 상기 반도체 발광소자들이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 상기 유체 챔버에 배치되는 위치가 될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 반도체 발광소자들은 상기 자기력에 의하여 상기 기판과 이격된 위치에서 상기 기판과 수평한 방향으로 따라 이동될 수 있다. 상기 반도체 발광소자들가 상기 기판과 수평한 방향으로 따라 이동하는 도중에 상기 전기장에 의하여 상기 기판과 수직한 방향으로 이동하여 상기 기판의 기설정된 위치에 안착될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 반도체 발광소자의 자가조립 방법은, 상기 반도체 발광소자들을 상기 기설정된 위치로 유도한 후에, 상기 유체 챔버내에 남아있는 반도체 발광소자들이 상기 유체 챔버의 바닥으로 떨어지도록 상기 자석을 상기 기판과 멀어지는 방향으로 이동하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 자기장과 전기장을 조합하여, 반도체 발광소자의 자가조립하는 상기의 제조공정을 구현할 수 있는 제조 장치를 개시한다.
구체적으로, 상기 제조 장치는 반도체 발광소자의 자가조립 장치로서, 자성체를 가지는 복수의 반도체 발광소자들을 수용하는 공간을 구비하는 유체 챔버와, 기판을 조립위치로 이송하는 이송부와, 상기 유체 챔버와 이격 배치되어 상기 반도체 발광소자들에 자기력을 가하는 자석과, 상기 자석과 연결되며, 상기 자석의 위치를 제어하도록 형성되는 위치 제어부를 구비하며, 상기 반도체 발광소자들이 상기 자석의 위치변화에 의하여 이동하는 과정에서 상기 기판의 기설정된 위치에 안착되도록, 상기 기판은 전기장을 형성하도록 이루어진다.
실시 예에 있어서, 상기 기판은 상기 반도체 발광소자들이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 상기 유체 챔버에 배치된다. 상기 기판의 조립면은 상기 유체 챔버내의 유체에 잠기는 것을 특징으로 하며, 상기 자석은 상기 기판의 조립면의 반대면을 마주보도록 배치될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 자석은 상기 기판과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 회전할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기판은, 베이스부와, 상기 베이스부에서 돌출되는 격벽에 의하여 일방향을 따라 순차적으로 배치되는 복수의 셀들, 및 상기 셀들의 하측에 배치되는 복수의 전극들을 포함한다.
상기 기판은, 상기 복수의 전극들에 전원이 인가되면, 상기 셀들에 상기 전기장이 형성되도록 상기 복수의 전극들을 덮고, 상기 셀들의 바닥을 형성하는 유전체층을 포함할 수 있다. 상기 자가조립 장치는 상기 복수의 전극에 전원을 인가하여 상기 전기장을 생성하도록 상기 복수의 전극과 전기적으로 연결되는 전원공급부를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 유체 챔버에는 광투과성의 바닥판이 형성되고, 상기 반도체 발광소자들은 상기 바닥판과 상기 기판의 사이에 배치된다. 상기 자가조립 장치는, 상기 바닥판을 통하여 상기 유체 챔버내를 모니터링하도록, 상기 바닥판을 바라보도록 배치되는 이미지 센서를 포함한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 개별화소를 마이크로 발광 다이오드로 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.
또한, 본 발명의 제조방법 및 장치에 따르면, 용액 중에 자기장과 전기장을 이용하여 반도체 발광소자를 정위치에 동시 다발적으로 전사함으로, 부품의 크기나 개수, 전사 면적에 상관없이 저비용, 고효율, 고속 전사 구현이 가능하다.
나아가, 전기장에 의한 조립이기 때문에 별도의 추가적인 장치나 공정없이 선별적 전기적 인가를 통하여 선택적 조립이 가능하게 된다. 또한, 조립 기판을 챔버의 상측에 배치함으로 기판의 로딩 및 언로딩이 용이하며, loading, unloading을 용이하게 하고, 반도체 발광소자의 비특이적 결합이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법 및 장치에 따르면, 조립을 위한 자석을 복수개로 구비하여 한 개당 스캔 영역을 저감할 수 있으며, 이를 통하여 대면적 고속 전사가 가능하게 된다. 나아가, 조립 후 유체 챔버내에 남은 반도체 발광소자들도 자석을 이용해 수거하여 재사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 디스플레이 장치의 A 부분의 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 발광 소자를 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 자가조립하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 9는 도 8a 내지 도 8e의 반도체 발광소자를 설명하기 위한 개념도이다.
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(250)는 p형 전극(256), p형 전극(256)이 형성되는 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층(254), 활성층(254) 상에 형성된 n형 반도체층(253), 및 n형 반도체층(253) 상에서 p형 전극(256)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, p형 전극(256)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 GaN 이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaN 이 될 수 있다. 다만, 적색 반도체 발광소자의 경우에는, 상기 p형 반도체층은 P-type GaAs 이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaAs 가 될 수 있다.
또한, 상기 p형 반도체층은 p 전극 쪽은 Mg가 도핑된 P-type GaN 이고, 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(1061)에 스스로 조립되도록 한다. 이 경우에, 상기 기판은 조립기판(161)이 될 수 있다.
다른 예로서, 상기 조립기판(161) 대신에 배선기판을 유체 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 8e는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 자가조립하는 공정을 나타내는 개념도이며, 도 9는 도 8a 내지 도 8e의 반도체 발광소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6 및 도 7의 도시에 의하면, 본 발명의 자가조립 장치(160)는 유체 챔버(162), 자석(163) 및 위치 제어부(164)를 포함할 수 있다.
상기 유체 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 유체 챔버(162)는 수조가 될 수 있으며, 오픈형으로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 유체 챔버(162)는 상기 공간이 닫힌 공간으로 이루어지는 클로즈형이 될 수 있다.
상기 유체 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 위치조절되며, 이를 통하여 상기 기판(161)은 상기 조립위치로 이송될 수 있다.
이 때에, 상기 조립위치에서 상기 기판(161)의 조립면이 상기 유체 챔버(150)의 바닥을 향하게 된다. 도시에 의하면, 상기 기판(161)의 조립면은 상기 유체 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/Ti 의 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~수μm의 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 유체 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)는 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)는 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 유체 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 유체 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 유체 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 유체 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 유체 챔버(162)에 배치되는 위치가 될 수 있다.
이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050) 중 일부는 유체 챔버(162)의 바닥에 가라앉고 일부는 유체 내에 부유할 수 있다. 상기 유체 챔버(162)에 광투과성의 바닥판(166)이 구비되는 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050) 중 일부는 바닥판(166)에 가라앉을 수 있다.
다음으로, 상기 유체 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 유체 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 유체 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 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(1050)이 상기 유체 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 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(1050)이 상기 유체 챔버(162)의 바닥으로 떨어지게 된다.
이후에, 상기 유체 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.

Claims (15)

  1. 자성체를 가지는 복수의 반도체 발광소자들을 수용하는 공간을 구비하는 유체 챔버;
    기판을 조립위치로 이송하는 이송부;
    상기 유체 챔버와 이격 배치되어 상기 반도체 발광소자들에 자기력을 가하는 자석; 및
    상기 자석과 연결되며, 상기 자석의 위치를 제어하도록 형성되는 위치 제어부를 포함하며,
    상기 반도체 발광소자들이 상기 자석의 위치변화에 의하여 이동하는 과정에서 상기 기판의 기설정된 위치에 안착되도록, 상기 기판은 전기장을 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 반도체 발광소자들이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 상기 유체 챔버에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판의 조립면은 상기 유체 챔버내의 유체에 잠기는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자석은 상기 기판의 조립면의 반대면을 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자석은 상기 기판과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은,
    베이스부;
    상기 베이스부에서 돌출되는 격벽에 의하여 일방향을 따라 순차적으로 배치되는 복수의 셀들; 및
    상기 셀들의 하측에 배치되는 복수의 전극들을 포함하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 복수의 전극들에 전원이 인가되면, 상기 셀들에 상기 전기장이 형성되도록 상기 복수의 전극들을 덮고, 상기 셀들의 바닥을 형성하는 유전체층을 더 포함하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 전극에 전원을 인가하여 상기 전기장을 생성하도록 상기 복수의 전극과 전기적으로 연결되는 전원공급부를 더 포함하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유체 챔버에는 광투과성의 바닥판이 형성되고,
    상기 반도체 발광소자들은 상기 바닥판과 상기 기판의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 바닥판을 통하여 상기 유체 챔버내를 모니터링하도록, 상기 바닥판을 바라보도록 배치되는 이미지 센서를 더 포함하는 반도체 발광소자의 자가조립 장치.
  11. 자성체를 구비하는 복수의 반도체 발광소자들을 형성하는 단계;
    기판을 조립위치로 이송하고, 상기 반도체 발광소자들을 유체 챔버에 투입하는 단계;
    상기 유체 챔버 내에서 상기 반도체 발광소자들이 일방향을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들에 자기력을 가하는 단계; 및
    상기 반도체 발광소자들이 이동하는 과정에서 상기 기판의 기설정된 위치에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들을 상기 기설정된 위치로 유도하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자의 자가조립 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판의 조립위치는 상기 기판의 상기 반도체 발광소자들이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 상기 유체 챔버에 배치되는 위치인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 자가조립 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자들은 상기 자기력에 의하여 상기 기판과 이격된 위치에서 상기 기판과 수평한 방향으로 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 자가조립 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자들이 상기 기판과 수평한 방향으로 따라 이동하는 도중에 상기 전기장에 의하여 상기 기판과 수직한 방향으로 이동하여 상기 기판의 기설정된 위치에 안착되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 자가조립 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자들을 상기 기설정된 위치로 유도한 후에,
    상기 유체 챔버내에 남아있는 반도체 발광소자들이 상기 유체 챔버의 바닥으로 떨어지도록 상기 자석을 상기 기판과 멀어지는 방향으로 이동하는 단계를 더 포함하는 반도체 발광소자의 자가조립 방법.
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