신소재공학과 이건재 교수와 한국나노기술원 공동연구팀이 유연한 청색 박막 마이크로 LED를 개발하였다. 연구팀이 개발한 마이크로 LED는 플렉서블 디스플레이(Flexible Display) 상용화에 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구는 지난 6월 <어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)>의 표지논문으로 게재되었다.

기존 소자보다 안정한 마이크로 LED

 TV 디스플레이에는 LCD (Liquid Crystal Display), OLED* (Organic Light Emitting Diode) 등 여러 소재가 사용된다. 그러나 LCD를 사용한 디스플레이는 화면이 두껍고, 유기물로 이루어진 OLED는 열과 습도에 취약하다는 한계가 있다. 최근 이런 문제를 해결하기 위해 낮은 전력에도 발광력이 뛰어나고 안정성이 높은 마이크로 LED가 주목받고 있다. 마이크로 LED는 기존 LED보다 크기가 작아 고화질 디스플레이를 개발하기에도 유리하다.

LED 층 분리하는 전사 방식 사용해

 연구팀은 마이크로 LED를 제작하는 새로운 방식을 개발해, 제작비용이 너무 높아 상용화가 어려웠던 마이크로 LED의 생산 단가를 낮추는 데에 성공하였다. 연구팀은 단단한 사파이어 기판에 질화갈륨(GaN)으로 이루어진 LED 층을 증착시킨 후, 레이저를 가해 LED 층을 기판으로부터 분리하였다. 기존에는 LED 층을 기계적으로 분리하였지만, 이 방법은 많은 면적을 분리하기에는 힘들다는 한계가 있었다. 레이저를 이용한 전사 방식은 질화갈륨에 레이저를 가하였을 경우 질소 기체가 발생하는 현상을 이용해 기판과 LED 층을 자연스럽게 분리한다. 

수직형 구조로 이루어져 보다 안정해

 이렇게 만들어진 마이크로 LED는 두께가 2μm 정도로 얇고 매우 유연해 플렉서블 디스플레이 개발에 응용이 가능하다. 또한, 연구팀이 개발한 LED는 수직형 구조로 이루어져 있다는 장점도 있다. 기존 마이크로 LED는 한 평면에 두 개의 전극이 평행하게 위치한 수평형 구조로 이루어져 있어 전기적 저항이 크고 열이 많이 발생해 안정하지 못하다. 반면, 이번에 개발한 마이크로 LED는 두께가 2μm, 너비가 50~100μm이며 전극이 서로 다른 평면에 위치해 수평형 LED의 한계를 극복하였다. 또한, 1mm2당 30mW 이상의 강한 빛을 낼 수 있어 수평형 마이크로 LED보다 광 효율이 3배 이상 뛰어나고 발열이 적어 10년 이상 지속적인 구동이 가능하다.

광유전학 등 생명과학에도 응용 가능

 이번 연구는 생명과학 분야에도 활발한 응용이 가능하다. 연구팀은 마이크로 LED를 쥐 내부에 삽입하더라도 조직에 이상이 생기지 않음을 확인하였다. 이후, 마이크로 LED를 쥐의 뇌에 삽입하여 앞다리와 수염의 움직임을 조절하였다. 이처럼 마이크로 LED는 동물 행동 조절이나 광유전학** 연구에 사용될 전망이다.

 연구팀은 디스플레이 제작에 필요한 적색, 녹색, 청색 LED 중 박막형 적색 마이크로 LED를 지난 1월에 이미 개발하였다. 이번 연구에 제1 저자로 참여한 이한얼 박사는 “세 가지 색상의 LED 중 이번에 개발한 청색 LED 개발이 가장 어려운 것으로 알려져 있다”며, “추후 녹색 마이크로 LED를 개발해 마이크로 LED로 이루어진 디스플레이를 제작하겠다”고 밝혔다.

OLED*

유기 발광 다이오드. LED의 한 종류로, 유기 화합물이 전 류에 반응해 빛을 발산함.

광유전학**

광학과 유전학을 결합한 기술 로, 빛으로 생체조직의 세포 를 조절하는 학문.