이성남 산기대 교수 연구팀, 마이크로 LED 디스플레이용 모노리식 다파장 광원 기술 개발

한국산업기술대학교(이하 산기대)는 나노반도체공학과 이성남 교수 연구팀이 질화물계 반도체 발광다이오드(이하 LED)에서 난제로 지적되는 적색 발광을 성공적으로 개발했다고 17일 밝혔다.

특히 녹색 이상의 장파장 발광에서 발생하는 문제점인 전류 주입에 따른 발광 파장의 청색 편이 현상을 역이용해 하나의 웨이퍼에서 적색, 녹색, 청녹색 영역까지 변화 가능한 모노리식 다파장 마이크로 LED에 대한 원천 기술을 개발했다.

일반적인 LED 광원의 파장을 결정하는 것은 반도체 재료의 밴드갭에 의해 결정된다.

현재 적색 광원으로는 비소화물 또는 인화물 반도체가 사용되고 있고 녹색 및 청색 광원으로는 질화물 반도체가 사용되고 있다.

현재까지 사용하고 풀컬러 LED 광원은 빛의 삼원색인 적, 녹, 청색 LED 광원의 조합으로 구성된다.

이러한 풀컬러 광원을 얻기 위해 앞서 언급한 두 가지 이상의 다른 반도체 재료를 조합해야만 한다.

그러나 이성남 교수 연구팀은 질화물 반도체만을 이용해 적색에서부터 청녹색 파장까지 하나의 웨이퍼에서 구현할 수 있는 모노리식 마이크로 다파장 LED 기술을 개발했다.

지금까지의 모노리식 풀컬러 광원은 나노 막대 및 필러등의 구조를 이용해 제작된 소자들로 재현성과 광 세기에 문제가 있어 상용화되는데 어려웠지만 이번 연구에서는 차세대 디스플레인 마이크로 LED 디스플레이에 적용 가능한 크기인 마이크로 크기 (30~150 마이크로)의 LED의 사용하여 실용성과 응용성을 크게 확보했다.

이러한 차세대 마이크로 LED 디스플레이 공정에 있어서 두 개 이상의 다른 반도체 재료로 구성된 청색, 녹색, 적색의 각각의 반도체 LED 웨이퍼에서 각각의 LED 광원을 디스플레이 패널로 전사시키는 공정이 필수적이다.

그러나 이번 연구에서 개발한 하나의 반도체 LED 웨이퍼에서 적색에서부터 청녹색 파장까지 구현함으로써 웨이퍼 수준의 전사공정이 가능할뿐 아니라 웨이퍼 자체를 차세대 마이크로 LED 디스플레이 패널로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

또 하나의 웨이퍼안에서 적색에서부터 청녹색까지 광원까지 얻을 수 있으므로 특수 목적의 LED 마스크와 같은 광 테라피 분야로 확대할 수 있을 것이며, 빛의 삼원색을 구현가능하므로 색온도의 백색 광원으로의 다양한 목적의 바이오 포토닉스 분야로 확대될 수 있을 것이다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구과제 지원을 받아 수행되었으며 응용 물리 및 신소재 분야에서 세계적으로 권위 있는 ‘어드밴스드 일렉트로닉 머터리얼즈 (Advanced Electronic Materials)’ 8월 14일자에 게재됐다.

이성남 교수는 “이번 연구 성과는 하나의 질화물 반도체 웨이퍼에서 적색에서 청녹색 파장영역까지 다양한 파장의 마이크로 광원을 형성함으로 풀컬러 디스플레이 및 기능성 광원으로 응용할 수 있는 핵심 기술을 개발했다”고 말했다.

[e-mail] 한갑수 기자