머리카락 굵기의 1/100 보다 작은 초고해상도 디스플레이 픽셀
머리카락 굵기의 1/100 보다 작은 초고해상도 디스플레이 픽셀
  • 이웃집과학자
  • 승인 2023.02.23 21:42
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KAIST 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 집속 이온 빔을 이용하여 평균 머리카락 굵기(약 100 마이크론)의 100분의 1보다도 작은 0.5 마이크론 스케일의 픽셀을 구현할 수 있는 초고해상도 발광 다이오드 (LED) 디스플레이 핵심 기술을 개발했습니다.

 

초고해상도 디스플레이는 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 스마트 워치 등의 차세대 전자제품 개발에 필수적인 요소입니다. 헤드 마운트 디스플레이 방식 뿐 아니라 스마트 글라스, 스마트 렌즈 등에도 적용이 가능하죠. 이번 연구를 통해 개발된 기술은 이러한 차세대 초고해상도 디스플레이나 다양한 초소형 광전자 소자를 만드는 데 활용될 수 있을 것으로 기대되는데요.

 

현재 초고해상도 LED 디스플레이의 픽셀화는 보통 픽셀 주변의 영역을 물리적으로 깎아내는 식각 방법을 사용합니다. 그런데, 주변에 여러 결함이 발생하여 픽셀이 작아질수록 누설전류가 증가하고 발광 효율이 떨어지는 부작용이 있죠. 또한 픽셀화를 위한 패터닝 및 누설전류를 막기 위한 후공정 과정 등 여러 복합한 공정이 필요합니다.

 

조용훈 교수 연구팀은 집속 이온 빔을 이용해 복잡한 전, 후 공정 없이도 마이크로 스케일 이하의 크기까지 픽셀을 만들 수 있는 기술을 개발했습니다. 해당 방법은 집속 이온 빔을 약하게 제어하여 물질 표면에 어떤 구조적 변형을 일으키지 않고, 발광하는 픽셀 모양을 자유자재로 설정할 수 있다는 장점을 가지는데요. 

발광 다이오드 (LED) 소자 위에서 헬륨 집속 이온 빔 조사를 통해서 서브 마이크론 크기를 갖는 픽셀을 초고밀도로 만드는 기술 모식도. 출처 : KAIST
발광 다이오드 (LED) 소자 위에서 헬륨 집속 이온 빔 조사를 통해서 서브 마이크론 크기를 갖는 픽셀을 초고밀도로 만드는 기술 모식도. 출처 : KAIST

집속 이온 빔 기술은 재료공학이나 생물학 등의 분야에서 초고배율 이미징이나 나노 구조체 제작 등에 널리 쓰여 왔습니다. 그러나, LED와 같은 발광체 위에 집속 이온 빔을 사용하면 빔을 맞은 부분과 그 주변 영역의 발광이 급격히 감소하기 때문에 나노 발광 구조를 제작하는 데 장벽으로 작용됐습니다. 이에 조용훈 교수 연구팀은 이러한 문제들을 역발상으로 이용하게 되면 서브 마이크론 (sub-micron) 스케일의 초미세 픽셀화 방식에 활용할 수 있다는 점을 착안했습니다.

헬륨 집속 이온 빔 조사를 통한 마이크로 발광 다이오드의 초고밀도 픽셀화 기술. 출처 : KAIST
헬륨 집속 이온 빔 조사를 통한 마이크로 발광 다이오드의 초고밀도 픽셀화 기술. 출처 : KAIST

연구팀은 표면이 깎이지 않을 정도로 세기가 약화된 집속 이온 빔을 사용했는데, 집속 이온 빔을 맞은 부분에 발광이 급격히 줄어들 뿐만 아니라 국소적인 저항도 크게 증가함을 알아냈습니다. 이로 인해 LED 표면을 평평하게 유지되면서도 집속 이온 빔을 맞은 부분은 광학적 및 전기적으로 격리가 되어 개별적으로 작동을 할 수 있는 픽셀화가 가능합니다.

집속 이온 빔으로 구현한 다양한 크기의 사각형 픽셀 (표면 구조 사진과 발광 사진). 표면의 평탄도를 유지한 상태에서 20 µm x 20 µm 부터 0.5 µm x 0.5 µm 에 이르는 크기의 픽셀 배열에서의 발광 사진. 출처 : KAIST
집속 이온 빔으로 구현한 다양한 크기의 사각형 픽셀 (표면 구조 사진과 발광 사진). 표면의 평탄도를 유지한 상태에서 20 µm x 20 µm 부터 0.5 µm x 0.5 µm 에 이르는 크기의 픽셀 배열에서의 발광 사진. 출처 : KAIST

연구를 주도한 조용훈 교수는 “집속 이온 빔을 이용해 복잡한 공정이 없이도 서브 마이크론 스케일의 초소형 픽셀을 만들 수 있는 기술을 새롭게 개발했고, 이는 차세대 초고해상도 디스플레이와 나노 광전소자에 응용될 수 있는 기반 기술이 될 것” 이라고 말했습니다.

 

연구 결과는 재료 과학 분야의 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 2월 13일에 온라인 출간, 그리고 오프라인 출간호의 내부 표지로도 선정됐습니다.

논문명: Electrically Driven Sub-Micron Light-Emitting Diode Arrays Using Maskless and Etching-Free Pixelation


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