- 물질 표면의 변형이나 손상 없이 서브 마이크론(약 0.5 마이크론) 스케일까지 픽셀화 가능

- 기존 마스크나 메사 식각 공정이 필요 없는 단순한 픽셀화 공정 개발

- 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이 기술 등에 접목할 수 있을 것으로 기대

- 초고밀도 픽셀화 방법 구현한 첨단 기술

 

[연구내용 중]

집속 이온 빔을 이용한 픽셀화는 다양한 모양을 어떤 복잡한 공정 없이도 그려낼 수 있고, 그 크기를 서브 마이크론 (sub-micron) 수준까지 작게 가져갈 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점들이 새로운 광소자 공정의 기준으로 자리잡을 수 있을 것이다.

 

▲(왼쪽부터) KAIST 물리학과 조용훈 교수, 김바울 박사과정, 문지환 석사

 

초고해상도 디스플레이는 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 스마트 워치 등의 차세대 전자제품 개발에 필수적인 요소로, 헤드 마운트 디스플레이 방식 뿐 아니라 스마트 글라스, 스마트 렌즈 등에도 적용이 가능하다. 이번 연구를 통해 개발된 기술은 이러한 차세대 초고해상도 디스플레이나 다양한 초소형 광전자 소자를 만드는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 집속 이온 빔을 이용하여 평균 머리카락 굵기(약 100 마이크론)의 100분의 1보다도 작은 0.5 마이크론 스케일의 픽셀을 구현할 수 있는 초고해상도 발광 다이오드 (LED) 디스플레이 핵심 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

 

그림 1. 발광 다이오드 (LED) 소자 위에서 헬륨 집속 이온 빔 조사를 통해서 서브 마이크론 크기를 갖는 픽셀을 초고밀도로 만드는 기술 모식도

 

현재 초고해상도 LED 디스플레이의 픽셀화는 보통 픽셀 주변의 영역을 물리적으로 깎아내는 식각 방법을 사용하는데, 주변에 여러 결함이 발생하여 픽셀이 작아질수록 누설전류가 증가하고 발광 효율이 떨어지는 부작용이 있다. 또한 픽셀화를 위한 패터닝 및 누설전류를 막기 위한 후공정 과정 등 여러 복합한 공정이 필요하다.

 

조용훈 교수 연구팀은 집속 이온 빔을 이용해 복잡한 전, 후 공정 없이도 마이크로 스케일 이하의 크기까지 픽셀을 만들 수 있는 기술을 개발했다. 해당 방법은 집속 이온 빔을 약하게 제어하여 물질 표면에 어떤 구조적 변형을 일으키지 않고, 발광하는 픽셀 모양을 자유자재로 설정할 수 있다는 장점이 있다.

 

집속 이온 빔 기술은 재료공학이나 생물학 등의 분야에서 초고배율 이미징이나 나노 구조체 제작 등에 널리 쓰여 왔다. 그러나, LED와 같은 발광체 위에 집속 이온 빔을 사용하면 빔을 맞은 부분과 그 주변 영역의 발광이 급격히 감소하기 때문에 나노 발광 구조를 제작하는 데 장벽으로 작용되어 왔다. 이에 조용훈 교수 연구팀은 이러한 문제들을 역발상으로 이용하게 되면 서브 마이크론 (sub-micron) 스케일의 초미세 픽셀화 방식에 활용할 수 있다는 점을 착안했다.

 

 

그림 2. 헬륨 집속 이온 빔 조사를 통한 마이크로 발광 다이오드의 초고밀도 픽셀화 기술

[그림 상세 설명]

마이크로미터 미만의 다양한 픽셀 크기를 제작하였고, 다양한 광학적 및 전기적 특성을 연구하였다. 이 방법은 리소그래피, 패시베이션 및 평탄화와 같은 픽셀화를 위한 복잡한 제조 공정이 필요하지 않으므로 서브 마이크론 (sub-micron) 크기의 광전자 소자 및 디스플레이와 같은 장치를 제조할 수 있다.

 

연구팀은 표면이 깎이지 않을 정도로 세기가 약화된 집속 이온 빔을 사용했는데, 집속 이온 빔을 맞은 부분에 발광이 급격히 줄어들 뿐만 아니라 국소적인 저항도 크게 증가함을 알아내었다. 이로 인해 LED 표면을 평평하게 유지되면서도 집속 이온 빔을 맞은 부분은 광학적 및 전기적으로 격리가 되어 개별적으로 작동을 할 수 있는 픽셀화가 가능하게 된다.

 

 

그림 3. 집속 이온 빔으로 구현한 다양한 크기의 사각형 픽셀 (표면 구조 사진과 발광 사진). 표면의 평탄도를 유지한 상태에서 20 µm x 20 µm 부터 0.5 µm x 0.5 µm 에 이르는 크기의 픽셀 배열에서의 발광 사진.

[그림 상세 설명]

집속 이온 빔을 이용하여 사각형 모양 픽셀들을 다양한 크기로 구현한 사진. 20 µm x 20 µm 부터 0.5 µm x 0.5 µm 에 이르는 픽셀들을 만들고 이를 주사전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)으로 측정하였고, 동시에 음극선 발광 (Cathodoluminescence, CL) 측정으로 발광사진을 측정함. 구조 사진으로부터 픽셀화를 진행하기 전, 후로 표면에는 구조적 변화가 없음을 알 수 있고, 발광 사진으로부터 서브 마이크론 (sub-micron) 스케일까지도 발광하는 작은 픽셀을 만들 수 있음을 확인하였다.

 

연구를 주도한 조용훈 교수는 “집속 이온 빔을 이용해 복잡한 공정이 없이도 서브 마이크론 스케일의 초소형 픽셀을 만들 수 있는 기술을 새롭게 개발했고, 이는 차세대 초고해상도 디스플레이와 나노 광전소자에 응용될 수 있는 기반 기술이 될 것” 이라고 말했다.

 

KAIST 물리학과 문지환 석사와 김바울 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐으며, 재료 과학 분야의 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 2월 13일 字에 온라인 출간되었고, 다음 오프라인 출간호의 내부 표지로도 선정됐다. (논문명: Electrically Driven Sub-Micron Light-Emitting Diode Arrays Using Maskless and Etching-Free Pixelation)