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研究背景

微型LED显示器具有长寿命和高亮度等多种优势，然而微型LED想要进入主流产品市场并与液晶显示器和OLED显示器竞争，必须实现高吞吐量、高产量和生产可扩展性，最高可达第10代以上（2940 × 3370 mm2）玻璃尺寸。

研究结果

韩国首尔LG电子材料与设备高级研究中心提出了一种基于流体自组装（FSA）技术的新转移方法，称为磁力辅助介电泳自组装技术（MDSAT），该技术结合了磁力和介电泳（DEP）力，在15min内实现99.99%的红色、绿色和蓝色（RGB）LED转移产率 。将铁磁性材料镍嵌入微型LED中，使用磁体控制其运动，并施加以受体孔为中心的局部DEP力，这些微型LED被有效地捕获并组装在受体部位。通过微型LED和受体之间的形状匹配，证明了RGB LED的同时组装。制作了一个发光面板，显示出无损伤的转移特性和均匀的RGB电致发光发射，表明MDSAT方法可作为主流商业产品大批量生产的优秀转移技术。

此项研究工作以“Concurrent self-assembly of RGB microLEDs for next-generation displays”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

图文速递

一、MDSAT方法概述

MDSAT方法（图1a），显示了放置在以去离子水为流体介质池内的微型LED和组装基板，圆形磁棒阵列沿着基板的背面放置，以在嵌入铁磁性材料（镍）的微型LED上施加磁力。为每个磁体提供轴向旋转运动，使无数的微型LED聚集在其周围，磁性阵列在x和y方向上移动，以扫描衬底的整个区域。微型LED集群响应磁力移动，当它接近受体孔时，来自该集群的微型LED被DEP力捕获在孔中。图1b显示了DEP和磁力在两个受体孔之间的分布。

图1：MDSAT流体组装过程示意图及根据COMSOL模拟计算的DEP和磁力

二、DEP与磁力之间的关系

研究微型LED在相对于受体孔表面以不同角度接近受体孔时由DEP力引起的运动。微型LED是直径为38μm的GaN基圆盘 ，具有两个不同的特征：底部的金属层（Ti）以及侧壁和顶部的钝化层。当粒子的感应偶极子与非均匀电场相互作用时，DEP力导致粒子移动。

图2a显示了组装电极方向上DEP力矢量的z轴分量，插图中给出了描绘角度0-90°和90-180°下微型LED位置的横截面图。DEP力随着角度的减小而增加，这表明随着角度的降低，微型LED被拉到受体孔中，并最终在角度小于10°时组装，此时DEP力主导磁力。微型LED可能会以大于60°的角度被推离接收器孔，特别是在存在外部磁力的情况下。这种独特的行为归因于微型LED的设计，涂覆的金属（Ti）层在底侧表现出更高的导电性。

组装过程中的三个不同阶段，如图2b–g所示，图2b，e显示了阶段1，该阶段中，微型LED聚集在受体孔周围响应磁力的运动。图2c，f显示了第2阶段，微型LED处于DEP和磁力之间平衡的过渡状态。在第3阶段，微型LED和接收器孔之间的角度降到特定角度以下时，微型LED组装完毕。

图2h给出了实验获得的转移产率，及根据COMSOL模拟计算的DEP和磁力。在受体孔周围的十个位置计算磁力，得出的范围约为1 × 10 −8 N至1.2 × 10−7 N，转移产率最初随着Vpp的增加而增加到最大点，之后开始下降。

图2：DEP力对微型LED组装行为和转移产率的影响

三、使用MDSAT方法的RGB

对RGB微型LED自组装，获得了99.81%的组装产率，具有许多形状失配缺陷，形状失配缺陷总共有六种组合，对缺陷的仔细检查表明，微型LED是以倾斜的方式组装的，其中微型LED的一侧位于受体孔的底角，而另一侧的对角线位于受体孔顶部，如图3b所示，详细研究这些形状失配缺陷发现孔高度的增加可以增强形状失配缺陷的自修复。形状不匹配缺陷减少后，转移产率随着受体孔高度的增加而显著提高。通过将孔高度从3提高 μm至4 μm时，转移产率和缺陷率显著提高，当孔高达到4.5时 μm和5 μm，实现了高达99.99%的转移产率。

图3：形状失配缺陷的显微镜图像及DEP力和转移产率随受体孔高度的变化

使用MDSAT方法制作一个100 mm × 100 mm RGB 微型LED显示面板（图4a），它由43200个微型LED组成，对应120的显示分辨率 × 120 像素和834 μm的像素间距。在自组装之后进行喷雾工艺以固定微型LED，然后，进行平坦化，并制造用于连接电源线的接触孔以及用于负极和公共电极的焊盘，显示这些组成部件的RGB面板的横截面图如图4b所示。图4c4c显示了正向电压为1.83V、2.3 V、2.65V的红色、绿色和蓝色微型LED的I–V特性。

图4e显示了RGB面板的电致发光发射，具有优异的发射强度和亮度均匀性。该面板显示出10个缺陷像素，代表99.98%的发射像素产量。缩放磁体阵列大小，可缩放MDSAT方法与传统有源矩阵（AM）背板集成。当MDSAT方法与传统AM背板集成时，RGB 微型LED可以沉积在具有顶部发射结构的晶体管背板上。 

图4：无源矩阵微型LED面板的图像、I–V特性和RGB光谱

结论与展望

MDSAT方法使用磁力和DEP力的组合高速将RGB LED同时转移到大面积基板上，其中RGB LED到流体中的受体位点的移动是通过磁力实现的，并且RGB LED被DEP力捕获并自对准在受体位点内，使得转移产率优于以前的FSA方法。MDSAT是一种可扩展工艺，MDSAT是下一代商业产品大规模生产的理想的微型LED转移技术。 

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05889-w

（来源：材料PLUS，转载请注明出处）