저전력과 빠른 응답속도, 뛰어난 유연성을 갖는 마이크로 LED가 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 한 시장 조사 기관에 따르면, 마이크로 LED의 시장 규모는 올해 약 2억 5천만 달러에서 2025년 약 199억 2천만 달러까지 성장하고, 특히 디스플레이 분야가 전체 시장의 약 98%를 차지할 것으로 전망된다.
2018년 세계 최대 가전박람회(CES)에서 공개된 마이크로 LED TV는 AMOLED를 대체할 차세대 디스플레이로 각광받았다. 마이크로 LED는 기존 LED 칩 크기를 크게 축소시켜 적, 녹, 청색의 발광소재로 사용하는 기술로, 낮은 전력과 빠른 응답속도의 장점을 갖는다.
하지만 현재 산업계에서는 두꺼운 미니 LED 칩을 소형화해 개별 전사하는 방식을 사용함으로써 수천만 화소의 디스플레이를 대량 생산하기 어렵고, 높은 제조 가격 등의 한계로 인하여 초기 시장에서는 수억 원대의 프리미엄 고가제품이 될 수밖에 없을 것으로 예상된다.
마이크로 LED 디스플레이가 모바일 및 TV 등 분야에서 대중화되기 위해서는 칩 개별전사가 아닌 수십만 개의 LED를 한 번에 전사하는 박막형 마이크로 LED 전사 기술이 필수적이며, 모든 색 구현에 중요한 고효율 청색 박막 마이크로 LED 기술이 핵심이다.
이에 최근 한국과학기술원 이건재 교수 연구팀과 한국나노기술원(KANC) 협력팀이 고효율의 유연 박막 수직형 청색 마이크로 LED 저비용 양산 기술을 개발했다.
이 교수팀은 올해 초 두께 2 ㎛ 이하의 박막형 적색 마이크로 LED를 개발한 데 이어, 최근에는 수천 여개의 박막형 청색 마이크로 LED를 한 번에 플라스틱 위에 구현하는 원천기술을 개발하는 데 성공했다. 이는 모든 색깔을 저비용으로 구현하기 위한 핵심적인 기술이다.
연구팀은 간단한 모노리식 LED 제작 기술을 통하여 2 ㎛ 두께의 청색 LED소자 1000여개를 한 번에 투명한 유연 플라스틱 기판에 구현 가능하였다. 모노리식 LED 제작 기술은 마이크로 LED를 전사 공정 없이 유연 플라스틱 기판에 구현할 수 있는 기술이다.
해당 광전자 소자는 매우 유연하여 구부리거나 비틀어도 손상되지 않고, 저전력에서 강한 빛을 낼 수 있어 기존의 수평형 마이크로 LED 대비 광 효율이 3배 이상 향상되었다.
유연성과 안정성을 갖는 청색 수직형 마이크로 LED는 기존 AMOLED 및 스마트폰 디스플레이 대비 약 2000여배 높은 광출력을 보여주었다. 열적으로 안정적인 수직형 마이크로 LED의 기대수명은 약 10년으로 매우 길어, TV나 스마트폰과 같인 실제 디스플레이에 적용이 가능할 것으로 예상된다.
또한 유연 마이크로 LED용 무선 전력 송신 시스템을 구현하여, LED에 무선으로 구동이 가능해 유연 수직형 마이크로 LED의 구동에너지 이슈도 해결할 수 있었다.
개발된 유연한 박막 수직형 청색 마이크로 LED는 기존 박막 수평형 LED에 비교하여 발열량이 적고 기계적 안정성이 우수하여, 생체 삽입형 유연 전자 시스템으로 사용이 가능할 것으로 기대된다.
이건재 교수는 “마이크로 LED 디스플레이를 대중화하기 위해서는 박막 전사기술, 고효율 소자 구조, 접속 및 패키징 기술이 필요하며, 올해 말까지 새 전사방법을 활용하여 스마트 와치급 풀칼라 마이크로 LED 디스플레이를 구현할 예정”이라고 밝혔다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행되었으며, 국제 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 5월 18일에 게재되었다.