산기대, 마이크로 LED 디스플레이용 모노리식 다파장 광원 기술 개발

한국산업기술대학교(이하 산기대)는 최근 나노반도체공학과 이성남 교수 연구팀(백승혜, 김희웅, 이건우, 이하 연구팀)이 질화물계 반도체 발광다이오드(이하 LED)에서 난제로 지적되는 적색 발광을 성공적으로 개발했다고 17일 밝혔다.


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

일반적인 LED 광원 파장을 결정하는 것은 반도체 재료의 밴드갭이다. 현재 적색 광원으로는 비소화물 또는 인화물 반도체가, 녹색 및 청색 광원으로는 질화물 반도체가 사용된다.

풀컬러 LED 광원은 빛의 삼원색인 적, 녹, 청색 LED 광원의 조합으로 구성된다. 이러한 풀컬러 광원을 얻기 위해선 앞서 언급한 두 가지 이상의 다른 반도체 재료를 조합해야 한다.

연구팀은 이번 연구에서 질화물 반도체만을 이용해 적색에서부터 청록색 파장까지 하나의 웨이퍼에서 구현할 수 있는 모노리식 마이크로 다파장 LED 기술을 개발했다.
지금까지의 모노리식 풀컬러 광원은 나노 막대 및 필러 등의 구조를 이용해 제작된 소자로, 재현성과 광 세기의 문제로 상용화에 어려움을 겪었다.


이번 연구에서는 차세대 디스플레인 마이크로 LED 디스플레이에 적용 가능한 크기인 마이크로 크기(30~150 마이크로)의 LED를 사용해 실용성과 응용성을 확보했다.

연구팀이 개발한 반도체 LED 웨이퍼는 홀로 적색부터 청록색 파장까지 구현해 웨이퍼 수준의 전사공정이 가능하다. 또 웨이퍼 자체를 차세대 마이크로 LED 디스플레이 패널로 사용할 가능성을 열었다.

특히 하나의 웨이퍼 안에서 적색부터 청록색 광원까지 얻을 수 있어 특수 목적의 LED 마스크와 같은 광 세러피 분야로 확대가 가능하다. 또 빛의 삼원색이 구현 가능해 다양한 목적의 바이오 포토닉스 분야로 확장할 수 있다.

이성남 교수는 "이번 연구의 가장 큰 성과는 하나의 질화물 반도체 웨이퍼에서 적색부터 청록색 파장영역까지의 마이크로 광원을 형성해 풀컬러 디스플레이 및 기능성 광원으로 응용할 수 있는 기술을 개발한 것"이라며 "이는 차세대 마이크로 LED 디스플레이 및 다기능성 모노리식 다파장 반도체 광원에 대한 원천 기술을 확보한 것과 다름없다"고 말했다.

한편 이 연구는 한국연구재단의 중견연구과제 지원을 받아 수행했으며, 지난 14일 응용 물리 및 신소재 분야에서 세계적으로 권위 있는 '어드밴스드 일렉트로닉 머터리얼즈 (Advanced Electronic Materials)'에 게재했다.