Flexible Micro-LED Sticker from Graphene

정준석, 차장환, 홍영준, 홍석륜(세종대), Q. Wang, Moon Kim(UTD) 외 12명, Sci. Adv. 6, eaaz5180 (2020).

지난 수십 년 동안 디스플레이 및 광원 산업은 급속도로 발전해왔다. 새로운 광원 개발로 디스플레이의 폼팩터가 진화하여 왔으며 새로운 전자 기기들의 등장으로 이어졌다. 그리고 새로운 IT 기기들의 등장으로 인해 더욱더 많은 정보를 손쉽고 빠르게 얻을 수 있게 되었다. 현재는 플렉서블 및 웨어러블 IT 기술의 요구에 따라 구부리거나 접을 수 있고, 굴곡진 표면이나 인체, 로봇의 관절에 부착이 가능한 디스플레이 제조를 위한 광원 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 

현재 플렉서블 디스플레이는 주로 유기물 기반의 OLED 광원이 주로 사용되고 있다. 하지만, 유기물 특성 상 수분에 민감하고 열화에 의한 번인(Burn-in) 현상으로 인해 옥외 또는 온도 변화가 극심한 차량 내부와 같은 환경에서 수명이 길지 않다는 문제가 있고, 대면적 디스플레이 제조가 쉽지 않다는 문제가 있다. 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 광원 소재로 마이크로 LED가 큰 주목을 받고 있다. 

홍영준, 홍석륜, Moom Kim 교수 연구팀은 그래핀이 코팅된 웨이퍼를 이용하여 대면적 박리·변형·재단이 가능한 질화갈륨 막대 기반 마이크로 LED 패널을 개발하였다.

마이크로 LED는 수~수십 μm 크기의 매우 작은 LED로 최근 세간의 화제가 된 삼성전자 “The Wall” 마이크로 LED 디스플레이의 광원이다. 마이크로 LED는 화합물 반도체를 기반으로 한 자발광 광원으로 밝기, 화질, 반응속도, 소비전력, 안정성, 유연성 구현 등 차세대 고성능 고화질 디스플레이의 광원이라는 이상적인 특성을 갖는다. 이를 위한 핵심 기술로써 마이크로 LED 광원 칩 제조 기술과, 칩을 유연 기판에 빠르게 전사할 수 있는 기술이 요구된다. 기존에는 단결정 웨이퍼에 박막 형태로 반도체를 제조하고 이 박막을 웨이퍼에서 떼어낸 후(lift-off 공정), 작은 칩으로 자르고(sawing 공정), 이 칩들을 배선이 미리 형성되어 있는 유연 기판에 조립하는 방법이 주로 사용되었다. 박막을 웨이퍼에서 떼어내기 위해서 고에너지 레이저나 화학적 식각 방법 등이 사용되며, 이러한 공정은 반도체 성능저하를 수반한다. 떼어낸 박막 LED를 마이크로 칩으로 미세가공하기 위해 블레이드나 레이저를 사용하여 사각형 형태로 절단하는데, 블레이드와 레이저 톱의 최소 두께가 십수 마이크로미터 이상이기 때문에 칩을 작게 만들수록 웨이퍼에서 얻을 수 있는 칩의 면적이 급격하게 감소하게 되어 생산 비용이 급격하게 증가하는 등의 문제가 있다. 이러한 기존의 문제점을 해결하기 위해서는 쉽게 박리되면서도 미세가공이 필요 없는 반도체 제조 방법이 필요하다. 

세종대 홍영준 교수 및 홍석륜 교수 연구팀과 미국 댈러스 소재 텍사스대 Moon Kim 교수 공동연구팀은 리모트 에피택시법을 통해 대면적 박리-부착, 변형, 재단이 가능한 마이크로 LED 패널을 제조하는 데 성공하였다. 연구팀은 리모트 에피택시법을 이용하여, 그래핀이 코팅된 단결정 사파이어 웨이퍼 상에 10~30 μm 크기의 3차원 구조의 단결정 마이크로 막대 LED를 고밀도(수만 개/cm²)로 제조하였다. 마이크로 막대 LED 어레이는 구조체들이 공간적으로 이격되어 있기 때문에, 미세가공을 거치지 않아도 휨, 굽힘, 접음 등의 변형에도 형태가 안정적으로 유지될 수 있는 지오메트리를 가진다. 또한 LED와 웨이퍼 사이에 그래핀이 삽입되어 있기 때문에, LED와 웨이퍼 사이에 화학적 결합이 형성되지 않아 접착 테이프로도 LED 패널을 쉽게 떼어낼 수 있다. 떼어낸 LED 패널은 구부러진 표면에 붙여 작동할 수 있으며, 또한 반복적으로 휘어도 LED의 성능이 그대로 유지되는 우수한 안정성과 성능을 보여주었다. 제조된 LED 패널을 곡률반경 10 mm로 1000회 이상 반복적으로 휘어도 전기적 특성과 발광특성이 그대로 유지되었으며, 종이처럼 구기거나 접어도 청색 면발광이 그대로 유지되었다. 또한 LED 패널을 가위로 재단하여 레고 미니피규어 관절 부위에 부착이 가능했고, 이 관절을 반복적으로 움직여도 LED 발광 성능이 유지되었다. 더욱이 LED를 박리한 웨이퍼를 반복하여 재사용이 가능했고, 재사용된 웨이퍼에서 성능이 동일한 LED 패널을 얻을 수 있었다. 

연구팀은 또한 초고분해능 투과전자현미경과 밀도범함수이론 전산모사를 활용하여 그래핀이 단결정 사파이어 웨이퍼 위에 놓이더라도 그래핀을 매개로 하여 LED가 웨이퍼에 의해 리모트 에피택시로 제조됨을 입증하였다. 

이 연구 결과는 박리·변형·재단이 가능한 반도체 광원을 제조할 수 있는 원리와 방법을 제시하였고, LED가 향후 차세대 플렉시블 및 웨어러블 디바이스에서 다양하게 활용될 수 있는 기회를 제공하였다는 점에서 큰 의의가 있다.

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