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< 신소재공학과 이건재 교수 >

기존 OLED 등과 비해 전기적·광학적 특성이 우수한 마이크로 LED는 머리카락 두께인 100마이크로미터(μm) 이하 크기의 무기물 LED 칩을 활용하는 차세대 디스플레이용 광원이다. 마이크로 LED의 상용화를 위해선 성장 기판에 배열된 대량의 마이크로 LED 칩을 최종 기판의 정확한 위치에 원하는 배열로 옮기는 ‘전사 공정’이 가장 중요한 핵심기술이지만, 기존 전사 기술들은 별도의 접착제 사용, 정렬 오차, 낮은 수율, 칩 손상 등으로 마이크로 LED 상용화에 많은 어려움이 존재했다.

우리 대학 신소재공학과 이건재 교수 연구팀이 마이크로진공 흡입력을 조절해 대량의 마이크로 LED 칩을 색깔별 원하는 칩들만 선택적으로 전사하는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 

이 교수팀은 레이저빔 조사시 물질 특성을 조정하여 식각하는 레이저 유도 에칭(Laser-induced etching, LIE) 기술을 활용해 미세 관통홀을 유리 기판에 초당 7,000개 속도로 형성했고, 이를 진공 채널에 연결해 미세진공 흡입력을 발생시켜 마이크로 LED를 전사하는 데 성공했다. 이 기술은 기존 전사 기술 대비 뛰어난 접착력 전환성을 달성하였으며, 다수의 진공 채널별 독립적인 진공 조절을 통해 대량의 마이크로 LED 칩을 선택적으로 전사하였다. 또한 다양한 재료, 크기, 모양, 두께를 지닌 초소형 반도체 칩들을 칩 손상 없이 임의의 기판에 높은 수율로 전사할 수 있었다.

< 그림 1. 마이크로진공 전사 기술 모식도. 마이크로진공 전사 공정을 위해 LIE 기술을 통해 미세진공홀이 형성된 유리 기판과 진공 채널 구조체를 병합하여 진공 전사 모듈을 제작하였다(그림 a). 마이크로 LED를 들어 올리는 과정에서는 진공 전사 모듈 내에 진공 상태를 형성해주어 LED 칩에 진공 흡입력을 작용시키고, LED 칩을 내려놓는 과정에서는 모듈 내부 진공을 해제하여 진공 흡입력을 제거한다(그림 b). 이러한 마이크로진공 전사 기술을 통하여 다양한 모양, 크기, 두께의 초소형 반도체 칩을 최종기판으로 전사하였다(그림 c). >

이건재 교수는 “이번에 개발된 마이크로진공 전사 기술은 가파르게 성장하는 마이크로 LED 시장에서 높은 생산 원가를 절감하고 중저가 마이크로 LED 제품 양산화의 핵심 기술로 활용될 것이 기대된다”면서, “현재 얇은 핀으로 칩을 들어 올리는 이젝터 시스템을 적용해 대량의 상용 마이크로 LED를 전사하고, 이를 통해 차세대 디스플레이(대형 TV, 유연․신축성 기기 등) 뿐만 아니라 광-바이오 융합형 미용 면발광 패치 상용화를 진행 중이다”라고 말했다.

< 그림 2. 마이크로진공 전사 기술을 통한 초소형 반도체 전사 마이크로진공 전사 기술을 활용하여 마이크로 LED, 초소형 실리콘 칩 등을 유연 폴리이미드 기판, 사람 피부, 고무판, 종이, 말벌 날개, 나뭇잎, 천 조각과 같은 다양한 기판에 전사하였다(그림 a,b,c). 또한 다양한 재료, 크기, 두께의 반도체 칩을 원하는 배열로 최종기판에 전사하였다(그림 d,e). >

한편 이번 연구는 웨어러블플랫폼 소재기술 센터, 중견연구자지원사업, 소부장 전략협력 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 11월 26일 자 출판됐다.

< 그림 3. 마이크로진공 전사 기술을 통해 제작된 유연 전자 소자 마이크로진공 전사 기술을 통해 유연 마이크로 LED 발광 소자 및 트랜지스터 소자를 제작하였다. 유연 마이크로 LED 발광 소자는 이방성전도필름을 통해 하부전극과 전기적으로 연결되었으며 전발광면적에서 고른 광균일도를 나타내었다(그림 a,b,c). 또한 초소형 실리콘 칩을 유연 기판에 전사하여 유연 트랜지스터 소자를 제작하였고 ~103 수준의 온·오프 비를 나타내었다(그림 d,e,f). >