▲ 서울대 재료공학부 윤의준 교수와 연구팀, 이승민, 김종명, 오제홍, 유정일 연구원
서울대학교 공과대학은 재료공학부 윤의준 교수 연구팀이 100 nm 두께의 구조물 (이하 사파이어 나노 멤브레인)을 활용해 고효율 micro-LED (Micro- Light-Emitting Diodes) 디스플레이를 구현하는 원천 기술을 개발했다고 밝혔다.
통상적으로 100 m 크기 이하의 LED를 개별 픽셀로 활용하는 micro-LED 디스플레이가 높은 휘도, 에너지 소비효율, 빠른 반응 속도 등을 보여 LCD나 OLED와 같은 기존 디스플레이 기술들의 한계를 뛰어 넘을 수 있다는 가능성이 대두되고 있다. 이에 학계뿐만 아니라 산업계에서 micro-LED 디스플레이 연구개발을 활발히 진행하고 있다., 시장 조사기관인 마켓앤마켓에 따르면, 2025년까지 micro-LED를 활용한 디스플레이 시장 규모는 201억 5800만 달러에 이를 것으로 추정된다.
하지만, LED 소자의 크기가 작아지면서 발생하는 여러 문제들로 인해 micro-LED를 활용한 제품 상용화까지는 많은 어려움이 남아있다. 기존 micro-LED 제작 공정은 기판 위에 LED 구조를 성장한 후 원하는 크기로 식각공정으로 micro-LED를 분리하는 공정을 사용하기 때문에 micro-LED 소자의 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 또한, micro-LED의 크기가 작아질수록 없어지는 면적이 증가하는 단점이 있다.
윤의준 교수 연구팀은 100 nm 두께의 사파이어 나노 멤브레인을 기판 위에 어레이 형태로 먼저 형성하여 별도의 식각 공정 없이 질화물반도체 기반 micro-LED를 개별적으로 성장하는 기술을 개발하였다. 질화물반도체의 독특한 성장 거동을 활용하여 서로 분리되어 식각 공정이 필요없는 micro-LED 성장 원천기술을 개발하였다.
해당 연구는 기존 micro-LED 제작 공정의 한계를 극복할 돌파구를 만들어 micro-LED 디스플레이 기술의 상용화를 앞당길 수 있다는 점에서 큰 의의를 갖는다. 또한, 얇은 사파이어 나노 멤브레인에 기계적 힘을 가해 쉽게 부러뜨리며 개별 micro-LED를 기판으로부터 분리해낼 수 있기 때문에 디스플레이 구동회로에 쉽게 전사할 수 있어 공정 시간 및 비용 감소가 기대된다.
이 연구에는 서울대학교 외 삼성종합기술원, 한국과학기술원, 한국광기술원이 참여하였으며, 삼성미래기술센터, 교육부 BK21 플러스사업, 한국연구재단의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 나노과학기술 전문 저널인 ‘사이언티픽 리포츠 (Scientific Reports)’에 2020년 5월 6일자로 온라인 게재되었다.
▲ 사파이어 나노멤브레인 구조물이 형성된 기판과 그 위에 성장한 micro-LED 어레이의 모식도및 전자현미경 사진, 단일 micro-LED 칩의 발광 이미지
▲ p-GaN에 의해 활성층(MQWs)이 보호되어 성장한 micro-LED의 단면 전자투과현미경 사진과 photoluminescence 측정을 통한 micro-LED의 발광 효율 결과
▲ Cathodoluminescence 측정을 통한 micro-LED의 결정면별 발광 특성 결과