처음 공개되자마자 차세대 디스플레이로 손꼽힌 마이크로 LED 디스플레이. 기술은 좋지만, 대량생산이 어렵고 제조 가격이 높아 수억 원 대의 프리미엄 고가제품이 될뻔 한 이 디스플레이는 최근 한 연구팀의 노력으로 대중화를 꿈꿀 수 있게 됐다. 카이스트의 이건재 교수 연구팀은 천여 개의 박막형 청색 마이크로 LED를 한 번에 플라스틱 위에 구현하는 원천기술을 개발하는데 성공하며, LED 세대교체 신호탄을 터뜨렸다.

<출처 : 카이스트>

차세대 디스플레이로 손꼽히는 마이크로 LED TV

LED가 한 번 더 진화한다. 카이스트 이건재 교수 연구팀은 한국나노기술원(KANC) 협력팀과 함께 고효율의 유연 박막 수직형 청색 마이크로 LED 저비용 양산 기술을 개발하는 데 성공했다. 이로써 청색 마이크로 LED 생산기술은 한 단계 업그레이드되었다. 차세대 유연 디스플레이의 대중화가 코앞으로 다가온 순간이다.

차세대 유연 디스플레이로 꼽히는 마이크로 LED TV는 세계 최대 가전박람회인 ‘2018 국제전자제품박람회(CES)’에서 공개됐다. 마이크로 LED TV는 기존 LED 칩 크기를 대폭 축소시켜 적색, 녹색, 청색의 발광 소재를 사용하는 기술이다. 이 LED TV는 낮은 전력과 빠른 응답속도를 강점으로 가지고 있어, 공개된 직후 AMOLED를 대체할 차세대 디스플레이로 각광받았다. 하지만 이 기술은 한계를 갖고 있었다. 현재 산업계에는 두꺼운 미니 LED 칩을 소형화해 개별 전사하는 방식을 사용하고 있다. 따라서 수천만 화소의 디스플레이를 대량 생산하기 어렵고, 제조 가격도 높다. 전문가들은 마이크로 LED TV가 시장에 나올 경우 수억 원대의 프리미엄 고가제품이 될 가능성이 높다고 지적했다.

마이크로 LED 디스플레이 대중화할 준비 시작

억이 넘어가는 프리미엄 고가제품을 대중화시키기 위해서는 칩 개별전사 아닌 수십만 개의 LED를 한 번에 전사하는 박막형 마이크로 LED 전사 기술이 필요하다. 또한, 모든 색 구현에 중요한 고효율 청색 박막 마이크로 LED 기술이 핵심이다.

카이스트의 이건재 교수 연구팀은 올해 초, 두께 2μm 이하의 박막형 적색 마이크로 LED를 개발한 데 이어, 이번에는 천여 개의 박막형 청색 마이크로 LED를 한 번에 플라스틱 위에 구현하는 원천기술을 개발하는 데 성공했다. 이는 모든 색깔을 저비용으로 구현하기 위한 핵심적인 기술이다.

개발된 청색 마이크로 LED는 수직형 박막 구조를 가지며, 매우 유연하다. 또한, 1mm2당 30mW 이상의 강한 빛을 낼 수 있다. 기존 수평형 박막 마이크로 LED보다 광 효율이 3배 이상 뛰어나고, 발열이 적어 10년 이상 구동할 수 있다. 이건재 교수는 “마이크로 LED 디스플레이를 대중화하기 위해서는 박막 전사기술, 고효율 소자 구조, 접속 및 패키징 기술이 필요하며, 올해 말까지 새 전사방법을 활용하여 스마트 와치급 풀칼라 마이크로 LED 디스플레이를 구현할 예정”이라고 후속 연구계획을 밝혔다. 

다음은 연구내용에 대한 일문일답

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은 무엇입니까.

현재까지 유연 디스플레이는 AMOLED, LCD 등을 이용하여 개발되었으나, 이들은 열/습도 안정성이 매우 낮고, 성능이 좋지 않아 상용화에 어려움이 있었다. 또한 이를 대체하고자 나타난 기술인 미니 LED 전사 기술은 고비용에 공정시간이 너무 길다는 문제점을 갖고 있었다. 우리 연구팀은 비등방성 전도 필름(ACF)을 이용하여, 매우 빠른 속도로 고성능 수직형 마이크로 LED 어레이를 성공적으로 구현한 경험이 있다. 범용성이 높은 수직형 마이크로 LED 기술이 고성능 유연 디스플레이 구현에 사용될 수 있을 것으로 예상되어 연구를 시작하게 되었다.

Q.연구를 진행에 어려운 점이 있었다면?

매우 안정적인 마이크로 LED 디스플레이가 산업계와 학계에서 큰 관심을 받고 있다. 하지만 현재 디스플레이 업계에서 사용하고자 하는 미니 LED 전사 기술은 수천 픽셀에 달하는 디스플레이의 화소를 개별 칩 전사로 구현하기 때문에, 공정시간이 매우 길어지고 많은 비용이 필요하다는 한계가 있다. 우리 연구팀은 이전 연구에서 개발한 고성능 수직형 마이크로 LED 기술에 적용이 가능한 간단한 제조 공정인 모노리식 LED 제조 공정을 개발하여, 이를 해결할 수 있었다.

Q. ‌이번 연구 성과는 무엇이라고 봅니까.

유연 수직형 마이크로 LED의 경우, 전기적/광학적 특성이 매우 뛰어나다는 장점이 있지만, 소자 제작 시 단차 문제를 해결해야 한다는 문제가 있었다. 이번 연구에서는 나노테크놀로지인은 나노와이어를 사용하여, 단차 문제를 해결함과 동시에 소자의 투명성도 확보할 수 있었다. FEM (Finite Element Method) 시뮬레이션을 통해 유연 수직형 마이크로 LED의 열적 안정성을 분석할 수 있었으며, 유연 마이크로 LED용 무선 전력 송수신 시스템을 구축하여, 소자 구동 시 에너지 이슈도 해결할 수 있었다. 또한 수명 가속화 테스트(HAST)를 통해 개발한 유연 수직형 마이크로 LED의 수명이 십만 시간 이상이 될 것이라고 예측할 수 있었다. 앞으로 성능 유연 마이크로 LED 디스플레이 실용화에 큰 발판이 될 수 있을 것으로 기대된다.

Q. ‌앞으로의 계획은 어떻게 됩니까.

유연한 수직형 마이크로 LED는 전력 효율이 높아 스마트워치, 모바일 디스플레이, 웨어러블 조명 등에 바로 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 인간이 아직 풀지 못한 뇌 과학 및 광 치료, 바이오센서 분야에서도 다양하게 응용할 수 있다. 이 기술과 함께 선택적 전사 기술 혹은 색 변환 기술을 융합하여 풀 칼라 디스플레이를 구현해보고자 한다.