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투명하고 유연성 있는 마이크로 무기 LED 배열 Essential News


투명하고 유연성 있는 마이크로 무기 LED 배열

 

투명한 구조와 기계적 유연성과 같은 흥미로운 특성을 가진 조명 시스템과 디스플레이 시스템에 사용하기 위해, 재료과학자들이 극히 얇은 초소형 무기 LED들을 대규모 배열로 인쇄하고 박막 공정을 이용하여 상호 연결시킴으로써 무기 LED와 유기 LED의 장점들을 결합시켰다.

유리에서부터 플라스틱과 고무제품에 이르는 평탄하거나 유연한 다양한 기판 위에 인쇄될 수 있는 이 배열의 응용분야는 범용조명, 고해상도 홈씨어터 디스플레이, 착용형 건강 감시장치 및 생의학 영상장치 등이다.

“우리의 목표는 무기 LED 기술의 몇 가지 장점과 유기 LED의 확장성, 가공의 용이함 및 분해능을 결합시키는 것이다.”라고 일리노이대(University of Illinois) 재료공학과의 존 로저스(John Rogers) 교수는 말했다. 로저스는 노스웨스턴대(Northwestern University)와 싱가폴 고성능전산연구소(Institute of High Performance Computing) 및 베이징에 위치한 칭화대(Tsinghua University)의 동료들과 함께 ‘Science` 8월 21일 호에 자신들의 연구결과를 발표했다.

유기 LED에 비해서 무기 LED는 더 밝고, 더 견고하며 수명이 길다. 하지만 유기 LED는 유연한 기판 위에 상호 연결된 조밀한 배열로 제작될 수 있기 때문에 매력적이다. 이번 연구진의 새 기술은 이 두 종류 LED들의 특징들을 모두 겸비하고 있다. “극히 얇은 초소형 무기 LED를 대규모 배열로 인쇄하고 박막공정을 이용하여 상호 연결시킴으로써, 우리는 범용조명 시스템과 고해상도 디스플레이 시스템을 만들 수 있다. 이러한 시스템들은 무기 LED를 만들고 처리하여 조립하는 재래식 방법으로는 제작될 수 없다.”라고 로저스는 말했다.

전통적인 웨이퍼 절단, 패키징 및 도선접속 방법들과 관련된 장치의 크기와 두께에 대한 요구조건들을 극복하기 위해서, 연구진은 보통보다 최대 100배까지 더 작은 크기를 가진 LED들을 제조하기 위한 에피택시 성장 기술을 개발했다. 이들은 또한 이 장치들을 강하고 유연하며 신축성 있는 기판 위에 배열로 조립하기 위한 인쇄공정도 개발했다. 성장 공정의 일부로서, LED 아래에 희생 물질층이 들어갔다. 제조가 완료되면, 습식화학식각제가 이 층을 제거해서, LED들은 웨이퍼 하부로부터 잘려지지만, 고정지점에서는 여전히 매달려 있다.
 

배열을 만들기 위해서, 고무 스탬프가 선택된 지점의 웨이퍼 표면에 접촉하여 그 지점에 있는 LED들을 들어올린 뒤, 원하는 기판으로 옮긴다. “스탬프 공정은 한 번에 하나씩 무기 LED들을 처리하는 일반적인 ‘로봇자동조립(robotic pick and place)` 공정보다 훨씬 더 빠른 대안을 제공한다. 새 방식은 많은 수의 작고 얇은 LED들을 웨이퍼로부터 한 번에 들어올릴 수 있으며, 다음 단계에서는 기판 위에 인쇄할 수 있다.”라고 로저스는 말했다. 위치를 옮겨서 스탬핑 공정을 반복함으로써, LED들은 동일한 기판 위의 다른 장소로 이동될 수 있다.

이러한 방식을 통해서, 비교적 작은 하나의 웨이퍼 위에 조밀한 배열로 만들어진 작은 LED들로부터 큰 광 패널과 디스플레이가 제조될 수 있다. 그리고 이 LED들은 서로 멀리 떨어져 놓일 수 있으며 여전히 충분한 광출력을 내기 때문에, 패널과 디스플레이는 거의 투명해질 수 있다. 또한 장치의 기하학적 형태가 얇기 때문에 상호연결을 하기 위해서는 도선접속(wire bonding)대신, 박막가공 방식을 사용할 수 있다.

이번 기술을 이용하면 고체조명 외에도, 계기판과 디스플레이 시스템, 유연하고 심지어는 신축성 있는 인쇄형 LED 시트도 개발할 수 있으며, 이러한 시트는 건강관리 산업에 이용될 가능성이 있다. “아주 작은 LED들로 이루어진 신축성 있는 시트를 인체 주위로 감싸면, 생의학과 생명기술 분야에 흥미로운 기회들이 제공된다. 응용분야로는 건강감시와 진단 및 영상의학 분야이다.”라고 로저스는 말했다.

* 그림1 : 손가락 주위를 감싸고 있는 얇은 플라스틱 시트에 인쇄된 마이크로LED

* 그림2 : 곡면 지지대에 감싸져 있는 플라스틱 시트에 인쇄된 마이크로LED 배열(검은 사각형들)

* 그림3 : 인쇄된 마이크로 LED들이 그물망으로 상호 연결되어 고무 기판에 접착된 형태로 이루어진 신축성 마이크로 LED 디스플레이

 


 

Flexible Uses for Micro-LEDs


CHAMPAIGN, Ill., Aug. 21, 2009 -- By printing large arrays of ultrathin, ultrasmall inorganic LEDs and interconnecting them using thin-film processing, materials scientists combined the advantages of both inorganic and organic LEDs for use in lighting and display systems with interesting properties, such as see-through construction and mechanical flexibility.

Applications for the arrays, which can be printed onto flat or flexible substrates ranging from glass to plastic and rubber, include general illumination, high-resolution home theater displays, wearable health monitors, and biomedical imaging devices.

Micro-LED display printed on a thin sheet of plastic, wrapped around a finger. (Photos: D. Stevenson and C. Conway, Beckman Institute, University of Illinois)


“Our goal is to marry some of the advantages of inorganic LED technology with the scalability, ease of processing and resolution of organic LEDs,” said John Rogers, the Flory-Founder Chair Professor of Materials Science and Engineering at the University of Illinois.

Rogers and collaborators at the U. of I., Northwestern University, the Institute of High Performance Computing in Singapore, and Tsinghua University in Beijing describe their work in the Aug. 21 issue of the journal Science.

Compared to organic LEDs, inorganic LEDs are brighter, more robust and longer-lived. Organic LEDs, however, are attractive because they can be formed on flexible substrates, in dense, interconnected arrays. The researchers’ new technology combines features of both.

“By printing large arrays of ultrathin, ultrasmall inorganic LEDs and interconnecting them using thin-film processing, we can create general lighting and high-resolution display systems that otherwise could not be built with the conventional ways that inorganic LEDs are made, manipulated and assembled,” Rogers said.

To overcome requirements on device size and thickness associated with conventional wafer dicing, packaging and wire bonding methods, the researchers developed epitaxial growth techniques for creating LEDs with sizes up to 100 times smaller than usual. They also developed printing processes for assembling these devices into arrays on stiff, flexible and stretchable substrates.

As part of the growth process, a sacrificial layer of material is embedded beneath the LEDs. When fabrication is complete, a wet chemical etchent removes this layer, leaving the LEDs undercut from the wafer, but still tethered at anchor points.

Array of micro-LEDs (black squares) printed onto a sheet of plastic, wrapped on a curved support with a university logo pattern in the background.



To create an array, a rubber stamp contacts the wafer surface at selected points, lifts off the LEDs at those points, and transfers them to the desired substrate.

“The stamping process provides a much faster alternative to the standard robotic ‘pick and place’ process that manipulates inorganic LEDs one at a time,” Rogers said. “The new approach can lift large numbers of small, thin LEDs from the wafer in one step, and then print them onto a substrate in another step.”

By shifting position and repeating the stamping process, LEDs can be transferred to other locations on the same substrate. In this fashion, large light panels and displays can be crafted from small LEDs made in dense arrays on a single, comparatively small wafer. And, because the LEDs can be placed far apart and still provide sufficient light output, the panels and displays can be nearly transparent. The thin device geometries allow the use of thin-film processing methods, rather than wire bonding, for interconnects.

In addition to solid-state lighting, instrument panels and display systems, flexible and even stretchable sheets of printed LEDs can be achieved, with potential use in the health-care industry.

“Wrapping a stretchable sheet of tiny LEDs around the human body offers interesting opportunities in biomedicine and biotechnology,” Rogers said, “including applications in health monitoring, diagnostics and imaging.”

In addition to Rogers, the U of I efforts included electrical and computer engineering professors Xiuling Li, an expert in epitaxial growth, and Kent Choquette, a leader in semiconductor optoelectronics. Mechanical science and engineering professor Placid Ferreira developed the printing-based manufacturing tools.

Stretchable micro-LED display, consisting of an interconnected mesh of printed micro LEDs bonded to a rubber substrate.



Theoretical collaborators at Northwestern University, led by professor Younggang Huang, and at Tsinghua University, under the guidance of Younggang’s father, professor Keh-chih Hwang, supported the project through calculations of mechanical strains in the flexible and stretchable systems. Researchers at the Institute for High Performance Computing in Singapore provided finite-element studies of the same systems.

Rogers is affiliated with the Beckman Institute, the department of mechanical science and engineering, the Frederick Seitz Materials Research Laboratory, and the Micro and Nanotechnology Laboratory.

Ford Motor Co., the National Science Foundation and the Department of Energy funded the work.

For more information, visit: http://illinois.edu

 


Source
: KISTI,
photonics.com

 

 


덧글

  • organizer™ 2009/08/24 18:04 #

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