With the advent of the future Internet of Things (IoT), visual IoT platforms have attracted remarkable interest, offering sennsing, collecting, and processing of optical data in hyperconnected society. Displays are essential electronic technology for bilateral visual communication, as they can be installed anywhere, such as TV, signage, automobile, healthcare devices, and smart system. For example, active-matrix-organic light-emitting diodes (AMOLEDs) have been widely commercialized in mobile optoelectronics. However, organic light-emitting diodes have critical drawbacks of low power efficiency, slow response time, and short lifetime.
Inorganic-based micro light-emitting diodes (μLEDs) have been considered key technology to replace AMOLEDs and liquid crystal displays (LCDs) due to their excellent light properties (e.g., hue, contrast, and brightness), fast response time, high power efficiency, and operation stability. The μLED display with chip-based μLEDs are already on the verge of commercialization by successfully demonstrating millions of LED pxiels in single panel. However, chip-based μLEDs has limitation in mass production because of handling mil-lions of individual transfer. On the contrary, thin-film μLEDs are considered to be powerful solution for low-cost μLED display due to rapid and cheap mass transfer over thousands of μLEDs in one time. For the fabrica-tion of thin-film μLED display, there are still some challenges to be soloved from the perspective of material and device.
In chapter 2, thin-film μLEDs have been attracted as powerful technology for mass production of low-cost μLED display due to its capability of mass transfer in short time and simple process. Although, many re-searchers have studied the transfer and packaging of thin-film μLEDs, fundamental material research is re-quired to lower the high production cost of the μLED display. Cu is an attractive electrode material due to its cheap price, high conductivity, and high robustness. However, its poor adhesion to glass induces the breakdown of current driven μLED under environmental stress of temperature and humidity. Metal adhesion layers such as Mo, Cr, and Ti have been introduced but, they have critical issue of galvanic reaction during Cu patterning. Here, we report highly robust Cu electrode on glass substrates via flash-induced chemical and physical inter-locking. Under the flash illumination, the CuO Nps on display substrates converted into a conductive Cu film. At the same time. Cu2O adhesion layer was chemically formed between photoreduced Cu and glass, and na-noscale interloed structure was formed at Cu/glass interface to improve interfacial fracture energy of Cu elec-trode. The adhesion energy of flash-induced Cu electrode was 5 times higher than that of vacuum deposited Cu film via DCB peel test. Owing to this high robostness, AlGaInP thin-film VLED was electrically intercon-nected to flash-induced Cu electrode, presenting consistent electrical/optical performance during the environ-mental tests such as high temperature storage test, temperature humidity test, and thermal shock test. 50x50 vertical μLEDs were massively transferred onto the flash-inducced Cu electrode, exhibiting uniform distribution of forward voltage, peak wavength and device temperature.
In chapter 3, μLEDs have been considered as powerful next generation display technology due to their low power consumption and outstanding stability. Especially, thin-film μLEDs have a great potential to realize low cost flexible μLED displays via the mass transfer of 10000 LED chips in one time. Although many re-searchers have studied in the thin-film μLED transfer, little efforts have been devoted in the thin-film μLED interconnection. Current thin-film μLED interconnection technologies including flip chip bonding and wafer bonding have utilized eutectic metal and solders. However, the high temperature condition for processing metal adhesives have damaged the plastic substrates for flexible μLED displays. By contrast, anisotropic conductive film (ACF) have an advantage of low temperature capability, and have been utilized to fabricate flexible μLED arrays for neural interface. However, ACF should be capable of interconnecting μLED chips miniatur-ized as 10 μm dimension to realize the high-resolution flexible μLED displays for smart phones, tablets, and seamless virtual reality. Herein, we reported the ACF-based interconnection of 10 x 10 μm$^2$ sized AlGaInP ver-tical thin-film μLEDs (VLEDs) on a plastic substrate, and the monochromatic 640 ppi flexible VLED arrays. Owing to the small conductive particles with radius of 2. 75 μm, miniaturized thin-film μLED chips successfully formed electrical connection to flexible bottom electrodes. Simultaneously, the μLEDs over embedded in the ACF exhibited stable electrical/optical performance regardless of mechanical, thermal, and chemical stresses in various reliability tests such as fatigue test, high temperature storage test, 85 ℃/ 85 % test, and thermal shock test. 10 x 10 μm$^2$ sized VLED presented high optical power density of 70 mW mm$^{-2}$ due to its small optical loss and low junction temperature. 100 x 100 array of 10 x 10 μm$^2$ sized VLEDs were successfully transferred, and interconnected to the flexible bottom electrodes without serious epitaxial damage, as confirmed by photolumi-nescence and cathodoluminescence inspection. The flexible VLEDs exhibited the average luminance of was 553 cd m$^{-2}$ with the uniform distribution of dominant wavelength to demonstrate the feasibility of ACF inter-connection technology for high resolution flexible μLED displays.
미래 사물인터넷(IoT)의 도래와 함께 시각적 IoT 플랫폼은 초연결 사회에서 광학 데이터를 감지, 수집 및 처리하는 기능을 제공하여 주목을 받고 있습니다. 디스플레이는 TV, 사이니지, 자동차, 헬스케어 기기, 스마트 시스템 등 어디에나 설치할 수 있어 양방향 영상 커뮤니케이션에 필수적인 전자 기술입니다. 예를 들어, 능동 매트릭스 유기 발광 다이오드(AMOLED)는 모바일 광전자공학에서 널리 상용화되었습니다. 그러나 유기 발광 다이오드는 전력 효율이 낮고 응답 시간이 느리며 수명이 짧은 치명적인 단점이 있습니다.
무기 기반 마이크로 발광 다이오드(μLED)는 우수한 광 특성(예: 색상, 명암비 및 밝기), 빠른 응답 시간, 높은 전력 효율로 인해 AMOLED 및 액정 디스플레이(LCD)를 대체하는 핵심 기술로 간주되어 왔습니다. , 작동 안정성. 칩 기반 μLED를 사용한 μLED 디스플레이는 단일 패널에서 수백만 개의 LED 픽셀을 성공적으로 시연함으로써 이미 상용화 직전에 있습니다. 그러나 칩 기반의 μLED는 수백만 건의 개별 이송을 처리하기 때문에 양산에 한계가 있다. 반대로, 박막 μLED는 한 번에 수천 μLED를 빠르고 저렴하게 대량 전송하기 때문에 저비용 μLED 디스플레이를 위한 강력한 솔루션으로 간주됩니다. 박막 μLED 디스플레이의 제작을 위해서는 재료와 장치의 관점에서 해결해야 할 몇 가지 과제가 여전히 있습니다.
2장에서 박막 μLED는 단시간에 대량 전달이 가능하고 공정이 간단하여 저가의 μLED 디스플레이의 대량 생산을 위한 강력한 기술로 주목받았다. 많은 연구자들이 박막 μLED의 전사 및 패키징에 대해 연구했지만 μLED 디스플레이의 높은 생산 비용을 낮추기 위해서는 근본적인 재료 연구가 필요하다. Cu는 저렴한 가격, 높은 전도성 및 높은 견고성으로 인해 매력적인 전극 재료입니다. 그러나 유리에 대한 접착력이 좋지 않아 온도 및 습도의 환경적 스트레스 하에서 전류 구동 μLED의 고장을 유발합니다. Mo, Cr, Ti와 같은 금속 접착층이 도입되었지만 Cu 패터닝 시 갈바닉 반응의 중요한 문제가 있습니다. 여기에서 우리는 플래시 유도 화학적 및 물리적 연동을 통해 유리 기판의 매우 강력한 Cu 전극을 보고합니다. 플래시 조명 아래에서 디스플레이 기판의 CuO Nps는 전도성 Cu 필름으로 변환되었습니다. 동시에. 광환원된 Cu와 유리 사이에 Cu2O 접착층이 화학적으로 형성되었고, Cu 전극의 계면 파괴 에너지를 향상시키기 위해 Cu/유리 계면에 na-noscale interloed 구조가 형성되었다. 플래시 유도 Cu 전극의 접착 에너지는 DCB 박리 테스트를 통해 진공 증착된 Cu 필름의 접착 에너지보다 5배 더 높았다. 이러한 높은 견고성으로 인해 AlGaInP 박막 VLED는 플래시 유도 Cu 전극과 전기적으로 상호 연결되어 고온 보관 시험, 온습도 시험, 열 충격 시험과 같은 환경 시험 동안 일관된 전기적/광학적 성능을 나타냅니다. . 50x50 수직 μLED는 플래시 유도 Cu 전극으로 대량으로 전송되어 순방향 전압, 피크 파장 및 장치 온도의 균일한 분포를 나타냅니다.
3장에서 μLED는 낮은 전력 소비와 뛰어난 안정성으로 인해 강력한 차세대 디스플레이 기술로 간주되었습니다. 특히, 박막 μLED는 한 번에 10000개의 LED 칩을 대량 이송하여 저비용의 유연한 μLED 디스플레이를 구현할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 많은 연구자들이 박막 μLED 전송에 대해 연구했지만 박막 μLED 상호 연결에 대한 노력은 거의 없었습니다. 플립 칩 본딩 및 웨이퍼 본딩을 포함한 현재 박막 μLED 상호 연결 기술은 공융 금속 및 솔더를 활용했습니다. 그러나 금속 접착제를 처리하기 위한 고온 조건은 플렉시블 μLED 디스플레이용 플라스틱 기판을 손상시켰습니다. 이에 반해 ACF(Anisotropic Conductive Film)는 저온 성능이 장점이 있어 신경 인터페이스용 유연한 μLED 어레이 제작에 활용되고 있다. 그러나 ACF는 스마트폰, 태블릿 및 심리스 가상 현실을 위한 고해상도 Flexible μLED 디스플레이를 구현하기 위해 10μm 크기로 소형화된 μLED 칩을 상호 연결할 수 있어야 합니다. 여기에서 우리는 플라스틱 기판에 10 x 10μm$^2$ 크기의 AlGaInP 수직 박막 μLED(VLED)의 ACF 기반 상호 연결과 단색 640ppi 유연한 VLED 어레이를 보고했습니다. 반경이 2.75μm인 작은 전도성 입자로 인해 소형화된 박막 μLED 칩은 유연한 바닥 전극에 대한 전기 연결을 성공적으로 형성했습니다. 동시에 ACF에 내장된 μLED 오버는 피로 시험, 고온 저장 등 다양한 신뢰성 시험에서 기계적, 열적, 화학적 스트레스에 관계없이 안정적인 전기적/광학적 성능을 보였다.
