제7장 실감전달 디스플레이소재(3)-조관현(한국생산기술연구원)-신소재경제신문·재료연 공동기획 소재기술백서 2020(25)

제7장 실감전달 디스플레이소재(3)-조관현(한국생산기술연구원)-신소재경제신문·재료연 공동기획 소재기술백서 2020(25) - 마이크로 LED 기술, 밝기·수명 유리한 차세대 DP

기사등록 2023-02-27 09:29:03
수정 2023-02-28 16:35:47

재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 12번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘포스트 코로나 대응소재’다. 2020년 3월 이후 코로나가 전세계적으로 확산되며 세계 경제 및 사회에 전례없는 큰 충격을 주고 있다. 포스트 코로나 시대의 거대한 변화를 도약의 기회로 만들기 위한 과학기술 기반의 준비가 필요하다. 이에 소재기술백서 2020는 ‘포스트 코로나 대응 소재기술’을 주제로 방역·의료소재, 언택트 환경·디지털 소재, 친환경·신에너지 소재와 관련한 기술동향을 분석했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2020’를 연재한다.

마이크로 LED 기술, 밝기·수명 유리한 차세대 DP

디지털 사이니지, 車 분야 등 해외 연구 시작

삼성·LG, 기계연·광기술원·과기원 등 연구 초기단계

■ Micro LED 기술

마이크로(Micro) LED(Light Emitting Diode) 디스플레이는 빨강, 초록, 파랑 각각의 단위 픽셀이 마이크로 사이즈의 LED칩으로 이루어져 있으며, 이 LED 칩 자체를 하나의 광원으로 활용하며 빨강, 초록, 파랑의 색을 방출한다. 각 LED 칩의 가로, 세로 길이가 100마이크로 미터(㎛) 미만인 LED 패널을 마이크로-LED 라고 부른다.

최근 마이크로-LED는 무기물 기반의 자체 발광 소자로서 OLED 등에 비해서 밝기와 수명 측면에서 유리하여 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다. 디지털 사이니지(Digital Signage) 등의 초대형 디스플레이, 자동차 등 중소형 디스플레이 분야도 활발히 연구가 진행되고 있다.

HMD 적용을 위한 초고해상도 마이크로-LED 디스플레이 분야는 마이크로 사이즈의 초소형 LED 칩을 TFT등의 구동회로 기판으로 전사하는 기술의 어려움으로 인해 OLED보다는 성숙도가 매우 낮지만 최근 해외 기업을 중심으로 기술 개발이 시작되고 있다.

초소형 LED 칩을 TFT 등의 구동회로 기판으로 전사하는 기술은 마이크로-LED 디스플레이의 상업화에 매우 중요한 기술이며, 크게 대량의 개별 LED 칩을 픽업(pick-up)한 후 구동 회로기판(TFT)으로 전사하는 방식인 ‘Pick-and-Place’ 방식과 개별 셀(cell)로 분할된 일정한 크기의 LED 칩을 직접 구동부에 접합하거나 동시에 구현하는 ‘Monolithic’ 방식이 있다. ‘Pick-and-Place’ 방식으로 고해상도 디스플레이를 제작할 경우 엄청난 양의 LED 칩을 전사하는 기술의 어려움으로 인해, HMD용 고해상도 마이크로-LED 제조를 위해서는 ‘Monolithic’ 방식이 유리하다.

1) 국내 동향

삼성전자, LG전자, 서울반도체 등에서 대형 디스플레이 분야에 활용할 수 있는 마이크로-LED 제품을 개발하고 있으며, 루멘스, 큐에스아이 등도 마이크로-LED를 개발하고 있다. 또한, 국가 연구기관인 한국기계연구원에서는 롤투롤(Roll-to-Roll) 전사를 이용한 마이크로-LED 제조기술을 개발을 하고 있고, 한국광기술원에서는 마이크로-LED 제조 및 전사 공정을 개발하고 있다.

그러나 AR/VR 적용을 위한 1000ppi급 이상의 초소형 마이크로-LED에 대한 연구 결과는 세계적으로 워낙 초창기 기술로서 아직 우리나라에서는 활발하게 연구가 진행되지 못하고 있다. 최근 한국과학기술원에서 새로운 LED 적층 방법론과 반도체 공정기술을 활용하여 초고해상도 마이크로-LED 디스플레이 제조에 관한 연구 결과를 발표하였다. 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) 공정을 이용하여 픽셀을 수직 적층(VSS, vertically stacked subpixel) 구조로 제작하여 63500 ppi급 마이크로-LED 제작 결과를 보여주었다.

2) 해외 동향

해외에서도 AR/VR 적용을 위한 1000ppi급 이상의 초소형 마이크로-LED에 대한 연구는 아직 활발하게 진행되고 있지는 않지만, 최근 신생 기업을 중심으로 기술개발이 진행되고 있다. 일본의 Sharp社에서 2019년도 SID 학회에서 1053ppi급 full-color 마이크로-LED 디스플레이 연구 결과를 발표하였다. Monolithic 방식으로 청색 InGaN/GaN 마이크로-LED를 제작 후, 양자점(QD) 색변환층을 적용하여 0.38인치의 full color 마이크로-LED 디스플레이를 구현하였다.

캐나다의 VueReal社에서 2017년도에 세계 최고 수준의 6000ppi급 마이크로-LED를 개발하였고, 2019년에는 100,000nit의 30000ppi급 마이크로-LED를 개발했다고 보도를 하였다. 아래<그림>은 VueReal社에서 개발한 6000 ppi급 마이크로-LED 디스플레이를 보여준다.

영국의 Plessey Semiconductors社는 디스플레이 위크(Display Week) 2019에서 AR용 마이크로-LED 디스플레이를 공개하였다. CMOS 백플레인에 제작한 0.7인치 사이즈, 1920 x 1080 해상도의 마이크로-LED 디스플레이를 보여주었다. 그 외에도 대만의 Jasper Display Corp. (JDC), 프랑스의 LETI社에서 AR/VR용 HMD 적용을 위하 초소형 마이크로-LED를 개발하고 있다.

HMD 적용을 위하 초소형 마이크로-LED에서는 아직까지는 마이크로-LED 칩만을 이용한 full color 구현은 매우 도전적인 것으로 보이지만 앞으로는 국내외에서 많은 연구 및 기술 개발이 이루어 질 것으로 예상된다.

■ HMD 적용을 위한 양자점(QD) 기술

콜로이드 양자점(QD, quantum dot)은 지난 1980년대 초에 첫 보고가 된 후 TV용 대면적 디스플레이의 색재현율을 높이는데 상용화가 진행되는 등 지난 몇 십 년간 많은 발전을 이루고 있다. 양자점(Quantum dot) 소재 역시 HMD용 고해상도 디스플레이를 위해서 다양한 소자 구조에 적용이 가능하다. 양자점은 광발광(Photoluminescence) 현상과 전계발광(Electroluminescence) 현상 모두 디스플레이 분야에 적용이 가능한 특징이 있다.

따라서 광발광(Photoluminescence) 현상을 이용하여 <그림 17>에서 보는 바와 같이 Blue OLED와 결합 또는 Blue 마이크로-LED와 결합을 통하여 디스플레이를 구현할 수 있고, 전계발광(Electroluminescence) 현상을 이용하여 디스플레이를 구현할 수도 있다. <그림 17>에서 QD-OLED(좌)와 QD-uLED(가운데) 소자 구조는 광발광(Photoluminescence) 현상을 이용한 경우이고, QLED(우) 소자 구조는 전계발광(Electroluminescence) 현상을 이용한 경우이다.

QD-OLED 방식은 HMD용 고해상도 디스플레이 개발로는 아직 소개된 바는 없지만, 현재 대형 TV 디스플레이 제품을 위하여 QD 소재와 패턴 공정 분야에 활발하게 연구가 진행되고 있어 추후 기술이 축적되면 HMD 적용을 위한 고해상도 디스플레이 제조에 적용될 가능성이 있다.

QD-uLED 방식은 앞서 Sharp社에서 청색 마이크로-LED를 에 양자점(QD) 색변환층을 적용한 구조에서 확인할 수 있다. 양자점 소재를 이용한 궁극적인 디스플레이는 전계발광(Electroluminescence) 현상을 이용한 QLED 소자 구조이다.

그러나 아직까지 QLED 소자는 QLED, 마이크로-LED 디스플레이에 비하면 걸음마 단계라고 할 수 있다. 아직까지 전 세계적으로 QLED 소자 구조를 이용하여 HMD 적용을 위한 고해상도 디스플레이 패널을 발표한 곳은 없는 것으로 파악된다. 그러나 학교나 연구소를 중심으로 미래의 HMD 패널 적용을 위하여 고해상도 전계발광 QLED 소자의 양자점 패터닝에 관한 연구는 최근에 활발히 진행되고 있다. 이러한 논문에 발표된 연구 결과를 바탕으로 국내외 연구 동향을 기술하고자 한다.

1) 국내 동향

2015년 서울대학교 연구팀은 intaglio transfer 프린팅 방법을 이용하여 2460ppi 급의 고해상도 QD 패터닝 기술을 발표하였고, 이렇게 패터닝한 RGB QD를 이용하여 white QLED와 flexible 소자도 제작하였다. Moon Kee Choi et al., Wearable red–green–blue quantum dot light-emitting diode array using high-resolution intaglio transfer printing, Nature Communations, 6:7149, 2015, pp.1~8

QD를 고해상도로 패터닝하기 위해서 음각 형태의 trench에 접촉시켜 최종 패터닝이 되어야 할 QD를 제거 후 목적(target) 기판에 균일하게 전사를 통해서 고해상도 QD를 패턴하는 방식이다.

2020년에 서강대와 성균관대의 공동 연구팀이 양자점용 광가교제 소재를 개발하여 기존의 포토리소그래피 공정을 접목시켜 고해상도 양자점 패터닝 기술을 발표하였다. 양자점 패턴 공정기술의 핵심은 양자점으로 이뤄진 박막에 광화학적 활성을 부여하는 것이다.

기존 노광 장비인 자외선(UV, ultraviolet)에 직접 노출된 곳에서만 양자점 간 경화반응을 유도할 수 있는 양자점용 광가교제(light-driven ligand crosslinker, LiXer)를 도입하였고, 이를 통하여 적색, 녹색, 청색 양자점에 대해 연속적으로 패터닝을 통해서 1400ppi 수준의 RGB QLED 패턴 결과를 발표하였다.

2020년 KAIST에서 초 저압 전사 프린팅 방법인 immersion transfer-printing (iTP) 기술을 통해서 R, G, B 고해상도 양자점 패터닝 기술을 개발하였다. 양자점의 용매 성분을 미세하게 조절해 수 나노미터에서 수천 나노미터급 주형에 선택적으로 스스로 조립 후, 미세 패턴을 분리한 후, 초 저압 방식으로 프린팅하는 기술을 개발해 14000ppi 수준의 양자점 패터닝에 성공하였다.

2) 해외 동향

2015년 미국의 일리노이 대학(University of Illinois at Urbana−Champaign)의 Rogers 연구팀에서 전기수력학적(EHD, Electrohydrodynamic) 프린팅 기술을 이용하여 고해상도 양자점 패터닝에 대한 결과를 보여주었다.

그러나 아직까지 1000ppi급 이상의 초 고해상도 양자점 패터닝 결과는 보고된 바가 없다. <그림 21>은 최근 중국의 베이징대학(Peking University) 및 독일의 자를란트대학교(Saarland University)를 중심으로 연구된 포토리소그래피 기술과 잉크젯 프린팅 기술로, 500ppi급 고해상도 양자점 패턴 결과를 보여준다.

먼저 2020년 베이징대학(Peking University)에서 중국 디스플레이 최고 패널 회사인 BOE社와 공동 연구를 통하여 희생층(sacrificial layer)과 기존 반도체 공정인 포토리소그래피(photolithography)을 이용한 500ppi급 full color QLED 결과를 보고하였다.

그리고 2020년 자를란트대학교(Saarland University)에서는 잉크젯 프린팅 기술을 이용하여 500ppi 모노컬러(mono color) QLED 결과를 보여주었다.