국민대학교(총장 정승렬)는 화학과 도영락 교수 연구팀이 새로운 GaN 기반 fin-LED 칩 소재와 픽셀 공정 기술을 개발했다고 밝혔다.

차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있는 마이크로 LED(Micro-LED)는 뛰어난 색 재현력과 높은 에너지 효율로 많은 관심을 받고 있다. 그러나 현재 마이크로 LED 칩의 크기와 픽셀 조립 방식은 높은 칩 가격, 픽셀 제작 비용, 그리고 공정의 불량률 문제로 인해 대중화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 기존의 픽셀 조립 기술인 스탬프 프린팅 전송(stamp printing transfer)과 레이저 전송(Laser transfer)과 같은 대량 전송(mass transfer) 기술은 조립 효율이 낮으며, 특히 칩의 크기가 10 μm 이하로 작아질수록 전극라인 접촉 시 불량률이 증가하고 일부 전송기술에서는 칩 손상이 발생하는 문제를 겪는다.

이러한 한계를 극복하기 위해 국민대학교 도영락 교수(화학과) 연구팀은 새로운 GaN 기반 fin-LED 칩 소재와 픽셀 공정 기술을 개발했다. 이 픽셀 제조 기술은 선택적 표면-배향 유전영동(Dielectrophoresis, DEP) 조립법을 적용해 서브마이크론 크기의 fin-LED를 효율적으로 조립하는 방식을 채택했다. 이를 통해 기존 마이크로 LED 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다.

국민대 연구팀이 개발한 GaN 기반의 서브마이크론 크기 fin-LED는 원가를 최소화하면서 성능을 극대화할 수 있도록 설계됐다. 이 기술은 fin-LED를 수직 방향으로 정렬해 광 효율을 크게 향상시키며, 칩 소재와 픽셀 제조 공정의 구현을 가능하게 해 생산 비용을 크게 절감한다. 특히, 이전에 국민대 연구팀에서 개발한 nanorod LED와 비교했을 때, 동일한 부피를 가지지만 다중 양자 우물(Multiple quantum well)의 부피가 약 8배 증가해 전 방향 발광 효율이 크게 개선된다. 이번 연구 성과는 고성능 서브마이크로 LED 조립 기술의 효율성과 성능을 획기적으로 향상시켜 마이크로 LED 디스플레이 산업에 새로운 전환점을 마련할 것으로 기대된다. 

이 유전영동 기반 조립법은 91.3%의 높은 수직 정렬율과 99.93%의 뛰어난 픽셀 생산 수율에 도달했다. 연구팀의 청색 fin-LED는 외부 양자 효율(EQE) 9.1%와 5.0V에서 8,640 cd/m²의 밝기를 달성해 초기 단계임에도 불구하고 기존 기술과 비교할 만한 성능을 보여줬다. fin-LED는 하향식 에칭과 초음파화학 분리기술을 통해 대량 생산이 가능하며, 웨이퍼 활용률이 90% 이상으로 안정적이어서 디스플레이 산업에 경제적이고 신뢰성 있는 솔루션을 제공한다.

도영락 교수는 “우리는 초소형, 초박형 수직 fin-LED를 구현하고 이를 수직으로 정렬하는 픽셀 제조 기술을 통해 상용화가 가능한 저비용, 고성능 무기 발광 디스플레이의 원천 기술을 개발했다”며 “fin-LED의 소재 생산 기술과 수직 정렬 기술의 발전으로 서브마이크론 fin-LED는 OLED와 기존 마이크로 LED의 한계를 뛰어넘는 차세대 무기 발광 디스플레이의 핵심 기술로 자리 잡을 것”이라고 전했다.

국민대 연구팀이 발표한 선택적 표면-배향 유전영동 조립법을 적용한 fin-LED는 디스플레이 분야의 다양한 응용이 가능한 플랫폼 기술이다. 이번 연구에는 한국전자기술연구원, 포항공대, 경희대가 공동 연구팀으로 참여했으며, 국민대 화학과의 이승제 박사과정 학생이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 2024년 11월 4일 자 Nature Communications (JCR 상위 5.6%, IF 14.7)에 출판됐다. 이 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업(전략형) 지원사업, 중견연구자 지원사업, 그리고 한국산업기술평가원의 초대형 마이크로LED 모듈로 디스플레이 사업의 지원을 받아 진행됐다. 

기존 나노로드 LED와 fin-LED 비교

수직 정렬 fin-LED 전계 발광특성 비교