포스트잇처럼 떼내고 접고 자를 수 있는 LED-그래핀 코팅 기판 이용, 박리·변형·재단 가능한 마이크로 LED 패널 제조

포스트잇처럼 떼내고 접고 자를 수 있는 LED-그래핀 코팅 기판 이용, 박리·변형·재단 가능한 마이크로 LED 패널 제조

 

등록일 2020.06.05.

 

포스트잇처럼 떼내고 접고 자를 수 있는 LED
그래핀 코팅 기판 이용, 박리·변형·재단 가능한 마이크로 LED 패널 제조

□ 구부리거나 접을 수 있고, 가위로 재단할 수 있는 LED 패널 제조기술이 나왔다. 굴곡이 있는 표면이나 인체, 로봇의 관절에 부착할 수 있는 웨어러블 디스플레이용 광원 개발의 새로운 실마리가 될 것으로 기대된다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 홍영준·홍석륜 교수(세종대), Moon Kim 교수(미국 텍사스대 댈러스, UTD) 연구팀이 기판에서 쉽게 떼어내어 자유롭게 형태를 바꿀 수 있는 질화갈륨 마이크로 LED를 개발했다고 밝혔다.
※ LED(Light-Emitting Diodes) : 반도체 p-n접합으로 구성된 발광소자
※ 질화갈륨 : 넓은 밴드갭을 가지는 반도체로 청자색 LED의 광원소재

□ 기존에는 LED에 유연성을 부여하기 위해 미세블레이드나 레이저로 박막 LED를 작게 가공한 후 유연한 기판에 배열하는 방식이었다.
ㅇ 떼어내기 위해서는 화학적 식각이나 고에너지 레이저 조사 등을 통해 기판과의 화학적 결합을 깨트리는 번거로운 과정이 필요한데다, 작은 응력에도 쉽게 깨어져 구부리기도 어려웠다.
ㅇ 유연성을 요구하는 웨어러블 디바이스를 대면적으로 제조하기에 어려움이 있었다.

□ 이에 연구팀은 그래핀으로 코팅된 단결정 사파이어 기판 1cm*1cm 위에 단결정 마이크로 LED(10~30μm 크기) 수 만 개를 성장시켰다.
ㅇ 그래핀이 LED와 직접 결합하지 않기 때문에 기판으로부터 쉽게 박리할 수 있고 자를 수 있는 면광원을 제조한 것이다. LED 패널이 박막이 아닌 마이크로 LED 배열로 제조되었기 때문에 굽히거나 접어도 깨어지지 않는 유연성을 확보할 수 있었다.

□ 개발된 LED 패널은 접착 테이프로 쉽게 떼어낼 수 있고, 떼어낸 패널을 구부러진 표면에 붙여 작동시킬 수 있었다.
ㅇ 또한 LED 패널을 접거나 종이 구기듯 구겨도 전면적에서 청색 발광이 그대로 유지되었다.
ㅇ 한편 곡률반경 1mm가 되도록 1,000회 이상 반복적으로 구부려도 전기적 특성과 발광 성능이 그대로 유지되었다는 설명이다. 한편 LED를 떼어낸 사파이어 기판은 재사용도 가능하다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 해외우수연구기관유치사업과 산업통상자원부 한국산업기술진흥원의 국제공동기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 6월 4일 게재되었다.
ㅇ 특히 해외우수연구기관유치사업에 의해 설립된 GRI-TPC 국제공동연구센터의 홍영준/홍석륜 교수팀과 미국 UTD의 Moon Kim 교수팀의 협력연구로 이뤄졌다.

주요내용 설명

<작성 : 세종대학교 홍영준, 홍석륜 교수 & 텍사스대학교 Moon Kim 교수>

키워드
리모트 에피택시, 마이크로 LED, 유연소자, 전사, 질화갈륨, 그래핀
논문명
Remote heteroepitaxy of GaN microrod heterostructures for deformable light-emitting diodes and wafer recycle
저널명
Science Advances
DOI
10.1126/sciadv.aaz5180
저 자
정준석 박사과정생(제1저자/세종대학교), Qingxiao Wang 박사과정생(제1저자/텍사스 대학교-달라스), 차장환 박사(제1저자/세종대학교), 진대권 석사과정생(기타저자/세종대학교), 신동훈 박사(기타저자/이화여자대학교), 권선아 박사과정생(기타저자/텍사스 대학교-달라스), 강봉균 박사(기타저자/전자부품연구원), 장준혁 과장(기타저자/(주)코아시아), 양우석 박사(기타저자/전자부품연구원), 최용석 연구소장(기타저자/(주)코아시아), 유진경 박사(기타저자/로스알라모스 국립 연구소), 김종규 교수(기타저자/포항공과대학교), 이철호 교수(기타저자/고려대학교), 이상욱 교수(기타저자/이화여자대학교), Anvar Zakhidov 교수(기타저자/텍사스 대학교-달라스), 홍석륜 교수(교신저자/세종대학교), Moon Kim 교수(교신저자/텍사스 대학교-달라스), 홍영준 교수(교신저자/세종대학교)

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
ㅇ 전자소자 및 광소자는 최근 급증하고 있는 웨어러블 및 헬스케어 응용의 수요에 따라 형태가 자유롭게 변할 수 있도록 개발되고 있다. 이에 따라 소자나 소재의 우수한 기계적 성질뿐만 아니라 유연성이 요구되는데, 현재까지는 우수한 기계적 탄성을 가지는 유기소재들이 소자 제조에 주로 사용되었다. 그러나 우수한 유연성을 가지면서도 장수명, 고휘도, 고내열성의 고성능 유연소자가 필요해짐에 따라 반도체로 유연소자를 제조하는 방법들이 개발되어 왔다.
ㅇ 반도체로 유연소자를 제조하기 위해서 기존에는 단결정 웨이퍼에 박막 형태로 반도체를 제조하고 이 박막을 웨이퍼에서 떼어낸 후 작은 칩으로 자르고, 이 칩들을 배선이 미리 형성되어 있는 유연 기판에 조립하는 방법이 주로 사용되었다. 박막을 웨이퍼에서 떼어내기 위해서는 웨이퍼와 박막 사이의 강한 화학결합을 끊어야 하는데 고에너지 레이저나 화학적 식각 방법 등이 사용되므로 다소간의 반도체 성능저하를 수반한다. 칩 형태로 제조하기 위해서는 블레이드나 레이저를 사용하여 사각형 형태로 절단하는데, 블레이드와 레이저 톱의 최소 두께가 수십 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 미세톱을 사용하지 않는 반도체 제조 방법이 필요하다.

2. 연구내용
ㅇ (리모트 에피택시에 의한 마이크로 LED 제조) 본 연구진은 리모트 에피택시※를 사용하여 공간적으로 이격된 마이크로 LED를 제조함으로써 쉽게 박리가 가능하면서도 재단이 가능하고 형태를 자유로이 변형할 수 있는 면광원을 제조하였다. 대면적 그래핀이 코팅된 단결정 사파이어를 웨이퍼로 사용하여, 유기금속 화학기상증착법으로 질화갈륨 p-n접합 이종구조 마이크로막대 형태의 LED를 고밀도로 제조하였다.
※ 리모트 에피택시 (Remote epitaxy) : 에피택시의 한 방법으로 웨이퍼에 나노미터 이하 두께의 그래핀을 코팅함으로써 웨이퍼와 직접적인 화학결합을 하지 않으면서도 기판의 결정 방향에 따라 일정한 방위관계를 갖는 상부 결정층을 제조하는 결정성장 방법이다.
ㅇ (마이크로 LED의 박리와 패널 제조) 제조된 마이크로 LED를 웨이퍼로부터 떼어내기 위해 LED 사이를 투명한 절연 고분자로 채워 몰딩하고 상부 표면을 투명전극으로 코팅한 후, 열박리 테이프를 부착하여 웨이퍼로부터 분리하였다. 떼어낸 LED/고분자 필름은 하부에 금속전극을 입히게 되면 패널 형태의 마이크로 LED가 된다.
ㅇ (구기고 접고 자를 수 있는 LED) 패널은 구리호일 또는 전류를 인가할 수 있는 표면에 부착가능하다. 구리호일에 고정시킨 마이크로 LED 패널은 곡률반경 10 mm(약 손가락 곡면의 곡률 정도)으로 변형 시 약 1,000회 이상의 반복 변형에도 LED의 전기적 특성과 발광 성능이 유지되었다. 그뿐만 아니라 접거나 무작위로 구겨도 마이크로 LED 패널의 성능이 잘 유지되었고, 가위를 사용하여 원하는 모양으로 LED 패널을 잘라서 반복되는 동작이 요구되는 표면(예: 레고 미니피규어 다리 부분)에 붙여 작동할 수도 있었다.
ㅇ (리모트 에피택시 원리 규명) 본 연구진은 초고분해능 투과전자현미경 관찰 결과를 토대로 밀도범함수이론 전산모사를 활용함으로써 단층 그래핀이 웨이퍼 표면에 놓일 때 그래핀이 코팅된 사파이어에 질화갈륨의 리모트 에피택시가 가능함을 규명하였다.
ㅇ (웨이퍼 재사용) 마이크로 LED를 박리한 웨이퍼는 재사용이 가능하다. 재사용한 웨이퍼를 사용하여 다시 마이크로 LED를 성장하여 플렉시블 LED 패널을 만들 수 있었으며, 최초 제조된 LED 패널과 비교하였을 때 발광성능과 전기적 특성에서 차이를 보이지 않았다.

3. 연구성과/기대효과
ㅇ 웨어러블 전자소자 시대를 맞이하여 다양한 변형이 가능하고 변형에도 안정적으로 작동할 수 있는 반도체 소자의 개발이 필요하며 전 세계적으로 다양한 방법으로 반도체의 휨성을 확보하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 따라서 그래핀이 코팅된 웨이퍼에 상호 이격된 마이크로 LED를 제조하고 이를 통째로 박리하여 변형이 가능하고 여러 모양으로 재단이 가능한 대면적 광원의 개발은 새로운 유연 반도체를 제조하는 기술을 제시했다는 데 의의가 있다.
ㅇ OLED의 단점을 극복할 차세대 디스플레이 광원으로 마이크로 LED가 고부가가치 산업으로 주목받는 가운데, 대면적 통전사 공정으로 변형 가능하고 재단 가능한 광원의 개발과 아울러 향후 위치조절 리모트 에피택시 기술 개발로 마이크로 LED 디스플레이와 웨어러블 디스플레이의 연구개발에 큰 기여를 하는 것을 목표로 하고 있다.

그림 설명

 

(그림 1) 리모트 에피택시 기술을 이용한 질화갈륨 마이크로 LED 패널 제조의 공정도 (가) 리모트 에피택시 기술을 이용한 질화갈륨 마이크로막대 LED 성장(나) LED 성장 후 투명하고 휨성이 우수한 유기필름으로 몰딩하여 열박리 테이프로 LED를 박리
(다) 전극 형성 후 금속 호일 또는 전류주입이 가능한 표면에 전사(라) 전류를 인가하여 LED를 발광 (휘면서 LED 작동 테스트 수행)
제공 : 세종대학교 홍영준 교수

 

(그림 2) 박리·변형·재단이 가능한 마이크로 LED의 발광 사진
(가) 현미경을 통해 관찰한 마이크로 LED의 발광 사진 (나) 임의로 구기거나 다양한 표면에 부착된 LED의 발광 사진 (다) 가위로 LED 패널을 레고® 미니피규어 다리 형태에 맞게 재단 후 부착하여 다양한 자세에서의 LED 발광을 테스트한 사진

제공 : 세종대학교 홍영준 교수

 

연구 이야기

<작성 : 세종대학교 홍영준/홍석륜 교수, 텍사스대학교 Moon Kim 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근에 반도체 기술개발 트렌드는 경박단소 기술을 넘어 웨어러블 또는 플렉서블 전자소자로 향하고 있고 옷이나 몸에 부착하여 사용할 수 있도록 플랫폼이 바뀌어 가고 있다. 그러나 기존의 반도체 결정성장은 깨지기 쉬운 두꺼운 웨이퍼에 얇은 박막 형태로 소자를 제조하기 때문에 이러한 웨어러블 성능 요구를 만족하기 어려웠다. 그래핀을 입힌 웨이퍼에서 반도체를 제조하게 되면 반도체를 쉽게 떼어낼 수 있다는 최근 연구결과들을 주목하였고, 반도체를 박막 형태가 아닌 서로 거리를 두고 떨어져 있는 구조를 가지도록 제조하게 되면 웨이퍼에서 통째로 떼어낸 후 유연성을 가지는 대면적 소자로 제조할 수 있을 것이라고 착안하였다. 그리고 p-n접합 LED를 형성하여 박리·변형·재단이 가능한 면발광체를 구현하게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구성과는 반도체를 성장한 직후, 대면적 통전사로 임의의 표면에 원래의 성장 배열을 그대로 옮길 수 있다는 점에서 주목할 만하다. 기존에는 박막을 웨이퍼에서 박리한 후, 마이크로 LED나 칩 형태로 작게 만든 다음, 목표하는 표면으로 전사하기 위해 칩을 배열하여 전사하는 조립(assembly) 과정이 필요하다. 그러나 본 연구는 통째로 전사하는 방법을 사용하여 조립 과정을 생략하였다는 점에서 기존의 연구결과들과의 차별성이 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

앞서 언급한 바와 같이 리모트 에피택시는 조립이 필요 없는 통전사법이 가능한 반도체 제조 방법이다. 현재 반도체 표준공정은 광식각 공정을 기반으로 하기 때문에 최종 반도체 소자는 위치가 정확하게 조절되어 있는 어레이의 형태로 산출된다. 디스플레이, 메모리, 프로세서 모두 다 마찬가지이다. 따라서 현재 연구결과가 실용화되기 위해서는 첫 단추로써 마이크로 LED나 트랜지스터를 위치가 조절되도록 성장하는 선택성장법이 선행되어야 한다. 또한 반도체 소자의 성능을 높일 수 있도록 고품질의 이종구조를 원하는 형태로 더 작게 제조할 수 있는 방법이 연구되어야 한다. 앞으로는 이러한 두 기술에 집중할 계획이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

개발한 기술이 우리나라 반도체 산업에 기여할 수 있도록 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해서는 위치나 배열이 조절된 고성능 소자를 제조하는 것이 선행되어야 한다. 또한 최근의 연구 트렌드에 따라 더 작고, 다기능이 가능한 소자를 제조할 수 있어야 하겠다. 지금은 LED 연구를 해왔지만 앞으로는 수직구조의 트랜지스터나 에너지 소자 쪽으로 그 응용범위를 확장하여 연구를 진행할 예정이다.