Inorganic micro light-emitting diodes (μLEDs) is one of the most promising candidate for a light source of next-generation optoelectronics such as ultrahigh-resolution displays for AR/VR applications, flexible displays, and optogenetics, owing to their excellent electrical/optical properties (contrast ratio, brightness, response time, power efficiency) and superior thermal/mechanical stability compared to conventional liquid crystal displays (LCDs) and organic light-emitting diodes (OLEDs), and quantum dot displays (QDs). To fabricate μLEDs-based flexible optoelectronics, micro-sized thin-film semiconductor chips have to be transfer-printed from the brittle growth wafer to deformable target substrates. Conventional transfer technologies such as elastomeric transfer, laser-based transfer, electrostatic/electromagnetic transfer, and fluidic self-assembly methods still have several issues including a need for additional adhesives, low transfer yields, misalignment, and chip damage or contamination. Here, the micro-vacuum assisted transfer printing process is developed with a vacuum transfer module, fabricated via laser-induced microelectromechanical systems (MEMS) technologies. The vacuum transfer module, composed of 20 μm-sized micro-hole (μ-hole) arrays with high aspect ratio and micro-channel (μ-channel) structure, is fabricated using a glass and quartz substrate by laser-induced etching (LIE) method. Ultrahigh adhesion switchability, which is 1,000 times higher than that of previous transfer technologies, is acheived by a pressure control of the vacuum transfer module during the transfer printing process. The μLED and Si arrays with a chip size of 80 μm are selectively and repeatedly transfer-printed from the mother wafers to flexible substrates with high transfer yield. The transferred microchip arrays are electrically interconnected with the bottom electrodes via anisotropic conductive films (ACF), realizing flexible optoelectronics with excellent electrical/optical characteristics and mechanical stability under repeated bending tests.
무기물 기반 마이크로 발광다이오드는 차세대 광전자 소자의 광원으로서, 기존에 사용되어왔던 액정 디스플레이, 유기발광다이오드, 양자점 디스플레이에 비해 우수한 광학적/전기적 특성과 (명암비, 밝기, 반응 시간, 전력 효율 등) 뛰어난 열적/기계적 안정성을 나타내어, 가상/증강 현실용 초고해상도 디스플레이, 유연 디스플레이, 웨어러블 전자기기 및 광유전학 등에 적용가능하다. 마이크로 발광다이오드 기반 유연 광전자 소자 제작을 위해서는 딱딱한 성장기판으로부터 100 μm 이하 크기의 박막형 칩을 박리하여 최종 유연 기판으로 전사 및 전기적으로 접속하는 공정이 필요하다. 기존에는 고분자 스탬프를 이용한 전사 공정, 레이저 기반 전사 공정, 정전기력 및 전자기력을 통한 전사 공정, 유체 자기조립 현상을 이용한 전사 기술 등이 활용되었으나 추가적인 접착제 필요, 낮은 전사 수율, 정렬 오차, 칩 손상 및 오염과 같은 한계점이 존재한다. 이에 본 연구에서는 레이저 기반 초소형 정밀기계기술을 이용하여 마이크로 진공 흡입력의 선택적 제어가 가능한 진공 전사 모듈을 제작하고 이를 통해 마이크로 단위 진공 흡입력 기반의 전사 기술을 개발하였다. 레이저 기반 습식 식각을 통해 지름 20 μm 크기의 고종횡비 미세 구멍을 유리 및 쿼츠 기판에 제작하였으며, 이를 기반으로 제작된 진공 전사 모듈의 압력 조절을 통해 기존 전사 기술 대비 천 배 이상의 높은 접착력 전환성을 구현하였다. 진공 전사 공정을 통해 80 μm 크기의 박막형 마이크로 발광다이오드 및 실리콘 칩을 성장기판으로부터 유연기판으로 선택적/반복적으로 높은 수율로 전사하였으며, 전사된 초소형 박막형 반도체 칩을 이방성 전도 필름을 통해 전극과 전기적 접속 공정을 이루어 유연 마이크로 발광다이오드 및 트랜지스터 소자를 제작하였다. 제작된 유연 광전자 소자는 전기적/광학적으로 우수한 특성 및 반복 변형 시험에서도 우수한 기계적 강도를 보였다.
