'반도체 공정기술'로 초고해상도 디스플레이 제작
'반도체 공정기술'로 초고해상도 디스플레이 제작
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.06 15:45
  • 조회수 1132
  • 댓글 0
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요약

 

반도체 공정 기술을 활용해 기존 마이크로 LED 디스플레이의 해상도 한계를 극복할 수 있는 6만 ppi(pixel per inch) 이상의 초고해상도 디스플레이 제작이 가능해질 전망입니다. 기존 방식의 한계를 극복하기 위해 기존 정렬전사 방식이 아닌 R/G/B 픽셀의 수직적층 및 반도체 패터닝 공정을 이용해 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이에 대응 가능한 소자 제작 방법을 제시했습니다.

KAIST 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 반도체 공정 기술을 활용해 기존 마이크로 LED 디스플레이의 해상도 한계를 극복할 수 있는 6만 ppi(pixel per inch) 이상의 초고해상도 디스플레이 제작이 가능한 기술이 개발됐습니다. 이번 연구는 <Nanoscale>에 게재됐습니다. 

나노스케일 커버 이미지: 본 제작 방법의 사용 예시를 보여줌. 출처: KAIST
나노스케일 커버 이미지: 본 제작 방법의 사용 예시를 보여줌. 출처: KAIST

새롭게 각광받는 '마이크로 LED 디스플레이'

 

최근 가상현실(VR, Virtual Reality)와 증강현실(AR, Augmented Reality) 등을 구현하기 위해 소형 디스플레이 제품의 높은 해상도를 달성할 수 있는 마이크로 LED에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 마이크로 LED는 한 변이 100 마이크로미터 이하인 LED를 말하는데요. 기존의 조명용 LED(수백~수천 마이크로)에 비해 크기가 훨씬 작은 LED를 총칭합니다. 

 

디스플레이의 기본 단위인 LED 중 무기물 LED는 유기물 LED보다 높은 효율, 높은 신뢰성, 고속성을 가져 마이크로 크기의 무기물 LED를 픽셀 화소로 사용하는 디스플레이(마이크로 LED 디스플레이)가 새로운 디스플레이 기술로 주목받고 있습니다. 무기물 LED를 화소로 사용하기 위해서는 적녹청(R/G/B) 픽셀을 밀집하게 배열해야 하는데요. 현재 적색과 녹색, 청색을 낼 수 있는 LED의 물질이 달라 각각 제작한 LED를 디스플레이 기판에 전사해야 합니다. 따라서 마이크로 LED 디스플레이에 관련한 대부분 연구가 이런 패키징 측면의 전사 기술 위주로 이뤄지고 있는 실정입니다. 

 

그러나 수백만 개의 픽셀을 마이크로미터 크기로 정렬해 세 번의 전사과정을 화소로 형성하는 건 전사 시 사용하는 LED 이송헤드의 크기 제한, 기계적 정확도 제한, 그리고 수율 저하 문제 등 해결해야 할 기술적 난제들이 많았습니다. 이에 초고해상도 디스플레이에 적용하기에는 한계가 존재했는데요.

 

'반도체 패터닝 공정' 이용해 문제 해결

 

연구팀은 문제 해결을 위해 적녹청 LED 활성층을 3차원으로 적층한 후 반도체 패터닝 공정을 이용해 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이에 대응할 수 있는 소자 제작 방법을 제안했습니다. 동시에 수직 적층시 문제가 될 수 있는 색의 간섭 문제, 초소형 픽셀에서의 효율 개선 방안을 제시했습니다. 연구팀은 3차원 적층을 위해 기판 접합 기술을 사용했습니다. 색 간섭을 최소화하기 위해 접합 면에 필터 특성을 갖는 절연막을 설계해 적색-청색 간섭 광을 97% 제거했습니다. 

1um 크기를 가진 마이크로 단일 LED 가 실제로 배열된 모습을 보여주는 이미지, 1 um, 0.6 um 크기를 가진 LED를 광 여기 방법을 통해 적색 발광이 되는 모습을 보여주는 이미지(작은 사진).  출처: KAIST
1um 크기를 가진 마이크로 단일 LED 가 실제로 배열된 모습을 보여주는 이미지, 1 um, 0.6 um 크기를 가진 LED를 광 여기 방법을 통해 적색 발광이 되는 모습을 보여주는 이미지(작은 사진). 출처: KAIST

이러한 광학설계를 포함한 접합 매개물을 통해 수직으로 픽셀을 결합해도 빛의 간섭 없이 순도 높은 픽셀을 구현할 수 있었는데요. 연구팀은 수직 결합 후 반도체 패터닝 기술을 이용해 6만 ppi 이상의 해상도 달성이 가능하다는 사실을 증명했습니다. 

 

또한 초소형 LED 픽셀에서 문제가 될 수 있는 반도체 표면에서의 비 발광성 재결합 현상을 시간 분해 광발광 분석과 전사모사를 통해 체계적으로 조사했는데요. 초소형 LED의 효율을 개선할 수 있는 중요한 방향성을 제시했습니다. 

 

김상현 교수. 출처: KAIST
김상현 교수. 출처: KAIST

 

 

 

"반도체 공정을 이용해 초고해상도의 픽셀 제작 가능성을 최초로 입증한 연구입니다. 반도체와 디스플레이 업계 협력의 중요성을 보여주는 연구결과입니다. 후속 연구를 통해 초고해상도 미래 디스플레이의 기술 개발에 힘쓰겠습니다"

-김상현 교수-

 

 

 

 


##참고자료##

 

Geum, Dae-Myeong, et al. "Strategy toward the fabrication of ultrahigh-resolution micro-LED displays by bonding-interface-engineered vertical stacking and surface passivation." Nanoscale 11.48 (2019): 23139-23148.


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