초소형 마이크로 LED 집적도 한계 돌파할까-연꽃에서 힌트 얻은 전도성 접착제 개발, 유연 전자소자 고밀도 집적에 적용

초소형 마이크로 LED 집적도 한계 돌파할까-연꽃에서 힌트 얻은 전도성 접착제 개발, 유연 전자소자 고밀도 집적에 적용

 

등록일 2020.05.14.

 

초소형 마이크로 LED 집적도 한계 돌파할까
연꽃에서 힌트 얻은 전도성 접착제 개발, 유연 전자소자 고밀도 집적에 적용

□ 회로의 집적도 한계를 돌파할 똑똑한 전도성 접착제가 개발됐다.
ㅇ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김태일 교수(성균관대 화학공학 /고분자 공학부) 연구팀이 삼성전자 연구진과 함께 초소형(전극 15μm) 전자소자의 고밀도 집적을 위한 전도성 접착제를 개발했다고 밝혔다.

□ 소자가 마이크로 단위가 되면 소자 간 거리도 좁아지고 전극도 작아져, 소자의 배열이나 전극과의 연결이 더 까다로워진다.
ㅇ 금속와이어나 전도성 필름을 이용한 패터닝 방식이 소자의 구성요소(LED, 트랜지스터, 저항 등)를 기판에 집적하는 데 주로 쓰인다.

□ 하지만 이러한 방식은 고온․고압에서 진행되어 기판이 변형될 수 있는 유연한 기판에는 적용하기 어렵다.
ㅇ 유연함이 필요한 웨어러블 디바이스나 초소형 신경자극소자 같은 생체 의료기기에 활용하기에 한계가 있었다.

□ 이에 연구팀은 저온․저압에서 전도성 접착제를 이용, 머리카락 굵기보다 작은(30μm×60μm) 마이크로 LED 수천 개를 유연기판 위에 집적하는 데 성공했다.
ㅇ 신용카드보다 작은 기판(5cm x 5cm)에 100μm 간격으로 60 만개의 마이크로 LED를 배열할 수 있는 수준으로, 기존 상용기술 대비 20배 이상 집적도를 향상시킨 것이다.

□ 비결은 고분자 접착제와 나노금속입자로 만든 전도성 접착제를 이용해 소자와 소자 또는 소자와 전극을 수직으로 연결한 것이다.
ㅇ 스핀코팅이나 UV 노광 같은 비교적 간단한 공정을 이용하는데다 공정의 온도와 압력을 100℃, 1기압 이하로 내려 기판에 미치는 물리적 영향을 줄였다.

□ 그 결과 수 천 개 이상의 초소형 마이크로 LED를 99.9% 이상의 고수율을 유지하며 대면적으로 전사할 수 있었다.
ㅇ 나아가 급격한 온도 변화에 의한 열충격이나 고온다습 환경에서의 신뢰성에 대한 테스트를 통해 결합의 안정성을 확인하였다.
□ 연구팀은 연꽃표면에서 물을 튕겨내는 발수현상에서 힌트를 얻어 접착제 표면의 습윤성(wettability)을 조절할 수 있음을 이용했다.
ㅇ 기판을 덮은 유동성 있는 얇은 접착제 피막의 안정성이 피막의 두께나 소자, 전극의 표면특성에 따라 달라져 서로 접촉하거나 떨어지도록 조절한 것이다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 뇌과학원천기술개발사업과 삼성전자 삼성미래육성사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 소재분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 4월 16일 게재(표지논문)되었다.

주요내용 설명

<작성 : 성균관대학교 김태일 교수>
< 논문명, 저자정보 >

논문명
Nanoscale Dewetting-Based Direct Interconnection of Microelectronics for a Deterministic Assembly of Transfer Printing
저 자
이주승 박사과정생(제1저자/성균관대학교), 강승지 석사과정생(기타저자/성균관대학교), 신주환 석사과정생(기타저자/성균관대학교), 신일재 석사(기타저자/성균관대학교), 이병훈 박사(기타저자/삼성전자), 구자명 박사(기타저자/삼성전자), 김태일 교수(교신저자/성균관대학교)

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
ㅇ 최근 소자의 집적도는 기하급수적으로 증가하고 있다. 즉, 전자소자의 구성요소는 점점 작아지고, 이를 제한된 기판 위에 고밀도로 집적하는 기술이 필수적이다. 기존에는 금속 와이어, 금속 솔더, 이방성 도전 필름(Anisotropic Conductive Film, ACF) 방법을 이용하여 PCB 기판 위에 집적해왔다.
ㅇ 하지만 유연한 기판에서 마이크로미터 크기의 소형화된 전자소자에서의 적용은 고온고압 공정, 느린 처리속도, 약한 물리적 안정성 등으로 사용이 매우 힘들다. 특히 차세대 소자로 주목받고 있는 유연 웨어러블 소자의 제작에는 그 한계점이 더욱 두드러져 연구가 지연되는 원인 중 하나로 꼽힌다.
ㅇ 이를 타개하기 위해 금속 코팅 고분자 볼, 여러 겹의 ACF, 액체 금속 잉크 등을 이용한 다양한 연구가 진행되고 있지만, 여전히 그 기대치에는 못 미치는 상황이다.
ㅇ 특히, 마이크로 LED는 크기가 작고 매우 고집적화되어 마이크로 LED가 가지는 수 마이크로미터 크기의 전극을 역시 수 마이크로 크기의 기판 전극과 연결시켜 주는 기술이 가장 큰 문제점으로 알려져 있다.

2. 연구내용
ㅇ 이러한 문제점을 해결하고자 본 연구진은 새로운 시스템의 비등방성 도전 접착제를 개발하였다. 수 마이크로미터 단위의 초소형 전자소자의 고밀도 집적에 쉽게 적용 가능하고, 저온저압 공정을 통해 높은 수율과 신뢰성을 가지는 전기적 결합을 형성하는 것을 목표로 한다. 고분자 접착제와 나노 사이즈의 금속 입자로 구성된 비등방성 전도※성 접착제를 개발하였다.
※ 비등방성 전도(anisotropic conduction) : 방향에 따라 물체의 전기전도도의 성질이 다른 것을 말한다. 본 연구에서는 수직방향에 따라 전기전도성을 가지게 함으로 수평으로는 절연특성을 가지게 함으로 기판과의 전기적 연결을 유도한다.
ㅇ 얇은 고분자 접착제의 안정성은 기판과 접착제의 상호작용, 형성된 접착제의 두께에 의해서 결정된다. 이러한 안정성에 따라 얇은 고분자 접착제는 각각의 고유한 젖음※성질(wettability, 습윤성)을 가지게 된다. 즉, 기판과 접착제의 물질, 코팅된 접착제의 두께 조절을 통해 젖음 성질의 조절이 가능하다.
※ 젖음(wetting)/비젖음(dewetting) : 젖음은 액체가 고체 표면과 접촉을 유지하는 능력으로 표면의 친화성과 관련이 있어 균일한 피막 상태의 액체 혹은 고체의 특성을 말한다. 이에 반해 비젖음성은 연잎위의 물방울과 같이 액체의 불안정하게 만들어 표면에 균일하게 젓지 않는 특성을 의미하는 것으로, 이러한 비젓음 특성은 기판와 상기 필름의 분자간 상호작용에 의해 결정되는데 표면에너지에 의해서 결정된다.
ㅇ 이러한 점을 이용하여 본 연구진은 고분자 접착제의 젖음 성질과 접착제의 두께, 나노 사이즈 금속 입자의 표면 에너지 사이의 상관관계에 대해 이론적으로 규명하고, 이를 바탕으로 선택적으로 비젖음 특성(dewetting)을 갖는 비등방성 전도성 접착제를 개발하였다.
※ 표면 에너지 포텐셜 : 액체의 표면이 가지는 과잉의 자유 에너지이며, 흔히 액체 표면의 반응성 및 안정성의 척도로 사용된다.
ㅇ 비등방성 전도성(anisotropic conductive) 접착제를 이용하여 유연한 기판 위에 발광 다이오드, 트랜지스터 등 다양한 전자소자의 연결이 가능하며, 수 천 개 이상의 30 μm × 60 μm 크기 무기 발광 다이오드를 99% 이상의 고수율을 유지하며 대면적 전사 공정에 성공하였다. 형성된 기판-전도성 접착제-전자 소자의 결합은 열충격(-40℃~85℃ 온도 변화), 고온고습(85℃, 85% 상대습도) 신뢰성 시험을 통해 그 안정성이 증명되었다. ※ 집적 : 많은 전자소자를 한정된 기판에 집중하는 것.

3. 연구성과/기대효과
ㅇ 선택적 비젖음 특성 조절에 기반한 비등방성 전도성 접착제를 이용해 유연한 기판 위에 전자소자를 고밀도로 집적할 수 있게 됨에 따라 다기능 유연성 웨어러블 소자와 고성능 생체 의료기기의 개발을 위한 중요한 요소기술이 될 것으로 기대된다.
ㅇ 또한 OLED의 단점을 극복할 대면적 디스플레이 개발의 새로운 해결책으로 주목받는 마이크로 LED의 개발이 고밀도 집적 기술의 한계로 정체된 상황에서 수 천 개 마이크로 LED의 고수율 대면적 전사 공정에 성공한 이번 연구결과가 돌파구가 될 것으로 기대된다.
ㅇ 개발한 공정을 이용해 향후 생체집적 마이크로소자를 구현하고자 하고 있으며 장기적으로는 고부가가치 산업인 바이오소자로 응용하는 것을 목표로 하고 있다.

그림 설명

 

 

(그림 1) 비등방성 전도성 접착제의 공정 및 이론적 분석과 신뢰성 측정 (a) 비등방성 전도성 접착제를 이용한 전자소자의 전사공정 및 이에 따른 고분자 접착제의 비젖음 현상 유도 공정에 대한 모식도. 패턴된 금속기판에 개발한 전도성 접착제를 분사하여 코팅 후, 탄성이 있는 PDMS 스탬프를 이용해 기판에 패턴된 전극(노란색)과 전자소자 (파란색)를 정렬 후 약한 가압을 진행한 후 UV 노광으로 접착제를 경화함. 구체적으로 금속 회로가 패터닝된 유연기판에 투명한 고분자 소재인 전도성 접착제를 코팅, 전사공정을 통해 소자와 기판을 결합하는 한편 금속나노입자는 고분자 접착제의 안정성 및 습윤성을 조절, 초소형 전자소자의 전기적 연결과 고밀도 집적을 돕는 역할을 한다. (b) 필름 두께에 따른 고분자 접착제의 유효 계면 포텐셜 변화와 비젖음 현상 발생 영역(붉은색)(c) 열충격 및 고온고습 신뢰성 측정
출처 : 성균관대학교 김태일 교수

 

 

(그림 2) 비등방성 전도성 접착제 실제 적용 예
(a) 유연회로기판 위에 비등방성 전도성 접착제를 이용한 RGB LED 및 전자칩 집적소자(b) 비등방성 전도성 접착제를 이용한 마이크로 LED 대면적 고밀도 집적(c) 유연 PET 기판 위에 비등방성 전도성 접착제를 이용한 유연 마이크로 LED 디스플레이
출처 : 성균관대학교 김태일 교수

 

연구 이야기

<작성 : 성균관대학교 김태일 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근에 전자소자의 집적도가 기하급수적으로 증가하고 있다. 그 구성요소는 마이크로미터 수준으로 작아지고, 다기능 고성능 소자를 위해서 제한된 기판 위에 이를 고밀도로 집적해야만 한다. 현재 기술은 그 한계가 뚜렷하기 때문에, 마이크로미터 크기의 초소형 전자소자를 유연 기판 위에 집적하기 불가능하다. 그래서 이를 해결하고자 유연 기판 위에 전자소자를 고밀도, 대면적으로 집적 가능한 비등방성 전도성 접착제를 연구하고자 생각했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 기술들은 고온고압 공정, 느린 처리속도, 약한 물리적 안정성 등의 문제로 인해 마이크로미터 크기의 전자소자를 유연 기판 위에 집적하기 힘든 상황이었다. 그러나 본 연구팀이 개발한 비등방성 전도성 접착제는 유연 기판 위에서도 저온저압 공정을 통해 마이크로 전자소자의 대면적, 고밀도 집적이 가능하며, 외부 충격과 급격한 온/습도 변화에도 뛰어난 안정성을 보였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

유연 기판 위에 마이크로미터 크기의 전자소자를 저온저압 공정을 통해 고밀도로 집적할 수 있다는 장점은 매우 획기적인 장점이다. 최근 유연한 웨어러블 전자소자, 생체 사용이 적합한 의료용 기기 등에 대한 관심이 나날이 높아지고 있는데, 본 비등방성 전도성 접착제는 앞서 언급한 장점으로 인해 이를 위한 중요 요소기술로 활용될 수 있다. 또한, 현재 대형 디스플레이를 위한 기술로 활발히 연구되고 있는 대면적 마이크로 LED 디스플레이의 고밀도 집적에 새로운 가능성을 제시할 수 있다. 다만, 넓은 면적에 본 비등방성 전도성 접착제를 균일하게 코팅하는 기술과 접착제에 포함된 도전 입자의 크기 균일성은 실용화를 위해 추가로 연구가 필요해 보인다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

고분자 접착제의 조성, 도전 입자의 표면 개질 등을 통해서 대면적 전자소자 집적의 수율을 개선해 대형 마이크로 LED 디스플레이 상용화 시장에 진출하고자 한다. 또한, 유연 기판에 비등방성 전도성 접착제를 다기능 웨어러블 소자, 생체 삽입형 소자 등에 적용하면 기존에 연구에서 발견된 다양한 문제점들이 해결될 것이라 생각한다.