김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 Fig. 1. 적색마이크로 LED 를적용한플렉서블디스플레이 array 1) 룹에서 GaAs 기반적색마이크로 LED 개발결과를처음으로보고하였다. 1) GaAs 기판상에 GaAs(p-type)/ AlGaInP(

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혜린 사
6 years ago
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1 2016 년 6 대세라믹기술상콘테스트 마이크로 LED 응용연구동향 글 _ 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌한국광기술원 1. 서론자외선에서적외선에이르는다양한파장대역에서 LED에대한활용은폭넓게확대되고있는추세이다. LED 산업은 1990년대초 InGaAlP를이용한고휘도적색 LED와질화물 (nitride) 청색 LED의개발로인해작은표시소자에서휴대폰, TV, 조명, 전광판, 신호등, 자동차, 가전분야에서다양한용도로활용되고있다. 특히 2005년이후전광효율이급격히증가하면서부터디스플레이산업에서 LCD 백라이트유닛으로거대규모의시장을열었고, 조명산업에서는에너지절약에대한우수성과가격하락이가속화되어향후 2030년까지꾸준히증가할것으로예견하고있다. 이에따라소재 부품 장비등의후방산업과응용제품의다변화에따른콘텐츠 디자인 S/W기술등의연관산업을포함하는거대한산업군이형성되고있다. 그러나현재, 국내 LED 산업은중국등과같은후발주자들의국가적인대거투자와더불어글로벌시장경쟁이치열해지면서국내기업들의시장경쟁력은한계에봉착하였다. 이러한어려운상황을돌파하기위해서는차세대디스플레이, 의료 / 바이오, 통신, 자율주행기기, 섬유, 농수산분야와융합하여고부가가치의새로운시장을창출할수있는융합기술로의발전이요구되고있다. 최근 LED의선택적인파장기능활용, 크기조절의자유도, 유연한특성및파장별새로운반응효과가수많은연구논문을통하여보고되고있다. 이러한장점을활용하 여저전력유연디스플레이, 인체내삽입형광유전학치료, 체외부착피부치료, 섬유일체형의류, 반도체장비, 자율주행센서및빅데이터서비스용광원등과같이다양한응용제품에서기존대비수배에서수십배작은크기의 LED를새롭게적용하려는시도가진행되고있다. 일반적으로 10 ~ 100 um 수준으로제작되는 LED를마이크로 LED라정의한다. Al, Ga, N, P, As, In 등의무기물재료로사파이어또는실리콘기판위에박막성장을통하여제작되는 LED는외부충격과굴곡시파손되는단점을가지고있다. 그러나그크기를매우작게하거나유연한기판에옮겨붙임으로써접거나휠수있는디스플레이화소에서수 um 이하의능수동소자를집적화하는인체삽입형치료부품까지실현이가능하다. 마이크로 LED를적용하기위해각산업분야의연구개발은활발이이루어지고있으나, 아직도입기에머물고있는상황으로신규제품에대한표준과기술규격이명확하지않은상태이다. 또한선진국대비국내수준은초기단계에머물고있어기술개발가속화가필요한실정에있다. 본고에서는마이크로 LED를개발하여상용화가가능한다양한분야에서의시도와접근방법에대하여소개하고자한다. 2. 마이크로 LED 공정기술 2.1 마이크로 LED 광원제조기술마이크로 LED는 2009년미국 UIUC 대학의 Rogers 그 제 19 권제 3 호, 2016 년 9 월 57

김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 Fig. 1. 적색마이크로 LED 를적용한플렉서블디스플레이 -16 16 array 1) 룹에서 GaAs 기반적색마이크로 LED 개발결과를처음으로보고하였다.

박막층을유연한플라스틱기판에전사함으로써유연표시소자로응용가능성을보여주었다. 현재사파이어기반의 InGaN 청색 LED 수준은내부양자효율이약 80%, 외부양자효율은 70%, 광효율 200 lm/w 수준이다.

2 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 Fig. 1. 적색마이크로 LED 를적용한플렉서블디스플레이 array 1) 룹에서 GaAs 기반적색마이크로 LED 개발결과를처음으로보고하였다. 1) GaAs 기판상에 GaAs(p-type)/ AlGaInP(QW)/AlGaAs(n-type) 을성장시킨후에 photoresist 패터닝 (patterning) 으로발광층을고정할수있는앵커 (anchor) 를형성하였고, AlAs 희생층을제거한후에매우얇은 LED 박막층을유연한플라스틱기판에전사함으로써유연표시소자로응용가능성을보여주었다. 현재사파이어기반의 InGaN 청색 LED 수준은내부양자효율이약 80%, 외부양자효율은 70%, 광효율 200 lm/w 수준이다. 일부 LED 기업에서는 Si 또는 SiC와같 은이종기판을활용하여 LED를성장시키는기술을양산에적용하고있으나, 효율이나수율측면에서사파이어기판에증착하는기술에미치지못하고있다. 사파이어기판에청색및녹색마이크로 LED를제조하는공정방법은다음과같다. 먼저사파이어기판상에 InGaN LED 층을성장한후 n-type 전극접촉을위한메사구조를형성하고 p-type Ni/Au 투명전극을 p-gan 상에형성한다. 이후 n/p-type 패드전극인 Cr/Au를형성하고 LED층상부에 SiNx 보호막을형성한다. 이후보호막상에 Cr/Pd 접합금속을형성하고 Si 기판과같은 Fig. 2. 사파이어기반청색마이크로 LED 공정방법 2) 58 세라미스트

마이크로 LED 응용연구동향 Fig. 3. 결정질실리콘기반청색마이크로 LED 3) 이종기판을이용하여 LED 기판과웨이퍼접합시킨다. 레이저기판분리법 (LLO) 으로 GaN 성장용기판인사파이어를제거한뒤 LED를개별칩으로분리하고, 염산용액을이용하여웨이퍼접합계면의 InPdx 제거하여수직형마이크로 LED를제작한다.

3 마이크로 LED 응용연구동향 Fig. 3. 결정질실리콘기반청색마이크로 LED 3) 이종기판을이용하여 LED 기판과웨이퍼접합시킨다. 레이저기판분리법 (LLO) 으로 GaN 성장용기판인사파이어를제거한뒤 LED를개별칩으로분리하고, 염산용액을이용하여웨이퍼접합계면의 InPdx 제거하여수직형마이크로 LED를제작한다. 위공정방법의핵심기술은실리콘또는유리기판과같은이종기판을 LED 기판과웨어퍼수준에서접합한후에그계면의 InPdx와같은유테틱 (eutectic) 접합물질을산용액으로제거하는것이다. 이때잔류 InPdx 물질로인하여 LED 박막의약한결합력으로도실리콘기판에고정될수있으며, 산용액을이용하여비교적쉽게 GaN 계면을분리할수있는장점이있다. 그러나웨이퍼전체적으로화학적반응균일성이떨어질경우 GaN 박막의품질이저하되는문제점이발생할수있다. 사파이어기판에비하여가격이저렴하고, 대량생산이가능한실리콘기판은마이크로 LED를활용하는다양한분야에효과적인해결방안을제시할수있는기술로알려져있다. 최근최근 InGaN 박막형성기술도비약적으로향상되고있으나사파이어기판에비하여효율측면에서지속적인개선이필요한상황이다. 실리콘기반의청색마이크로 LED를제조하는공정은다음과같다. 먼저실리콘 111 기판상에 InGaN LED 층을성장한뒤 n-type 전극을위한메사 (mesa) 를형성하고 p-type Ni/ Au 투명전극을 p-gan 상에형성한다. 이후 n-type 전극형성을위하여 Ti/Al/Mo/Au를 n-gan 상에증착한후 Ti/Au 패드전극을 p형투명전극상에형성한다. 이후 KOH 용액을이용하여실리콘기판을식각하여남아있는 GaN층만을 PDMS(Polydimethylsiloxane) 로유연한기판에 LED 칩을전사한다. 3) 실리콘기판의경우일반적인수평형 (lateral type) 의 LED 칩을제조하는방법과매우유사하나실리콘결정구조의방향성에따라식각속도가다른점을활용하여 InGaN 박막만으로다른기판에전사할수있는장점이있다. 실리콘의 110면은 111면에비해약 100배이상식각속도가빠르기때문에 Fig. 3와같이 LED 칩이형성된하부의실리콘 110면은빠르게제거가되고, 반면 LED 칩양쪽에형성된일부의실리콘 111면은식각이거의되지않아 LED 칩을고정시킬수있는앵커역할을 PDMS와같은탄성고분자물질이할수있어전사가용이하다. LED 구조는제작공정에따라수평형, 수직형및플립칩등다양한구조로분류된다. 마이크로 LED의경우에도동일한구조로제작이가능하며, 앞서언급된수평형구조에대비하여수직형구조로시도하고있으며, 제작 제 19 권제 3 호, 2016 년 9 월 59

김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 과정은다음과같다. 4) 사파이어기판에 p-type의 GaN층과오믹 (ohmic) 형성을위한전극을형성하고, In 또는 In 합금층이형성된다른웨이퍼에접합한후 GaN 성장사파이어기판을펄스레이져로제거하여배열형마이크로 LED를형성하게된다.

4 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 과정은다음과같다. 4) 사파이어기판에 p-type의 GaN층과오믹 (ohmic) 형성을위한전극을형성하고, In 또는 In 합금층이형성된다른웨이퍼에접합한후 GaN 성장사파이어기판을펄스레이져로제거하여배열형마이크로 LED를형성하게된다. 일정한위치의마이크로 LED를또다른목표기판에두번째전사하는과정을거치는데이때열을조사하여상변화를유도함으로써첫번째접합계면의접착력을감소시키게된다. LuxVue사에서는이러한방식으로 ETE (Electrostatic transfer element) 공법을적용하고있으며, 수직형마이크로 LED도동일한전사방법을적용하는것으로알려져있다. 국내에서는 GIST의박성주교수그룹에서 LLO 방식을이용한무기물기반의유연 LED 제작방법을보고하였으며, 유연 LED 제작을위해대면적 GaN 박막전사가가능한연구결과를발표하였다. 한국광기술원에서는수직형 GaN 박막층을유연한폴리이미드 (PI) 또는전도성섬유물질에전사한결과를보고하였다. 2.2 마이크로 LED 전사기술전사 (transfer) 란단일또는다수의마이크로 LED를상대기판에이송하는일련의행위이다. 기존 LED 단일 칩을이송하는방법으로는 Pick & Place 장비를활용하여패키징공정에서적용하여왔으나, LED 크기가수마이크로까지작아짐에따라고정밀도로이송하는기술이필요하다. 이를위해현재까지는직접전사와인쇄전사 2 가지방법으로기술개발이이루어지고있다. 직접전사는이송하고자하는재료또는박막을목표기판에직접접합하는기술이며, 인쇄전사는정전또는접합스탬프 (stamp) 와같은중간매개체를활용하는기술로정의한다. 직접전사와인쇄전사방식의대표적인기술은다음과같다. 직접전사방식은 p-type의 GaN를식각공정으로 ~ 수마이크로크기로분리시킨후에 CMOS와같은미세스위칭소자가형성된기판에직접접합하는방식이다. 필요에따라성장기판으로사용한실리콘또는사파이어기판이제거될수있으며, 단일크기로분리된수마이크로크기의 GaN 개별소자는스위칭미세전자소자와결합하여동작전류조절이용이하도록제작할수있다. 이방법의경우 LED 제조및전사방법이용이하다는장점이있으나각소자의품질관리가매우중요한요소가된다. 인쇄형전사방법으로현재까지두가지방법이있는것으로알려져있다. 첫번째방법으로미국의 Luxvue사가정전헤드 (electrostatic head) 를이용하는방법을제 Fig GaN pixels 로구성된마이크로디스플레이 4) 60 세라미스트

마이크로 LED 응용연구동향 정전헤드 (Luxvue) 탄성고무스탬프 (X-Celeprint) Fig. 5. Luxvue 사의정전기방식의이송헤드과 X-Celeprint 사의탄성고무스탬프전사방법 5) 안하였다. 실리콘재질로만들어진헤드부분에전압을인가함으로써대전현상에의해마이크로 LED와밀착력이발생하게하는원리이다.

정전헤드방식에비해 LED 손상에대한문제점은없으나, 전사과정에서목표기판의접착력대비탄성전사헤드의접착력이더커야안정적으로마이크로 LED를이송시킬수있으며, 전극형성을위한추가공정이필요한단점이있다. 또한, 탄성고분자물질의접착력을지속적으로유지하는것도매우중요한요소로작용하게된다.

5 마이크로 LED 응용연구동향 정전헤드 (Luxvue) 탄성고무스탬프 (X-Celeprint) Fig. 5. Luxvue 사의정전기방식의이송헤드과 X-Celeprint 사의탄성고무스탬프전사방법 5) 안하였다. 실리콘재질로만들어진헤드부분에전압을인가함으로써대전현상에의해마이크로 LED와밀착력이발생하게하는원리이다. 이방법의경우원하는영역또는단일소자를선택적으로이송할수있는장점이있으나, 정전유도시헤드에인가된전압에의해대전현상에의한마이크로 LED 손상에대한문제가발생할수있다. 두번째방법으로미국의 X-Celeprint사가개발한방법으로서전사헤드를탄성이있는고분자물질로적용하여웨이퍼상의 LED를원하는기판에이송시키는방법이다. 정전헤드방식에비해 LED 손상에대한문제점은없으나, 전사과정에서목표기판의접착력대비탄성전사헤드의접착력이더커야안정적으로마이크로 LED를이송시킬수있으며, 전극형성을위한추가공정이필요한단점이있다. 또한, 탄성고분자물질의접착력을지속적으로유지하는것도매우중요한요소로작용하게된다. 한국광기술원은마이크로 LED칩박막만을선택적으로분리하여목표기판 (target substrate) 에전사하는기술을개발하였다. 아래 Fig. 6과같이마이크로 LED 칩크기는 70um 수준으로특정영역의마이크로 LED 칩만을선택적으로분리하여목표기판 (target substrate) 에전사하는기술이다. 전사방식은앞서언급한 X-Celeprint 사와유사한탄성고무스탬프를이용하였고, 향후본기술을적용하여디스플레이, 의료, 바이오등의다양한응용분야에적용할계획을가지고있다. 이밖에도진공포러스척 (vacuum porous chuck) 을이용하여프린팅헤드를제작할수도있으며, 선택적으로 LED칩을픽업할수있는프린팅헤드설계와이물질에의한진공막힘현상을개선할수있는기술이개발된다면장비제조비용과반복전사능력의장점이있어향후경쟁력이있을것으로판단된다. Fig. 6. 한국광기술원마이크로 LED 광원및전사결과 제 19 권제 3 호, 2016 년 9 월 61

6 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 3. 마이크로 LED 응용기술 3.1 디스플레이차세대디스플레이는투명디스플레이, 3D 디스플레이, 플렉서블디스플레이와같이기존평판형디스플레이와차별화된성능을구현하는것으로정의한다. 차세대디스플레이로서유기발광다이오드 (OLED) 는 LCD(Liquid Crystal Display) 에비해응답속도가빨라동화상재생시잔상이거의없고, 자체발광으로백라이트가필요하지않으며, 슬림한디자인과선명한화질구현의장점이있으나, 대형화어렵고제품수명짧은단점을가지고있다. 현재 LED는청색, 녹색및적색화소를적용하여디지털사이니지, 문자광고등의전광판으로활용되고있으며, 수십마이크로이하수준의크기로굴곡이가능한광원으로제작이가능하여플렉서블디스플레이에적용이가능하다. 또한옥외환경에서도높은휘도특성으로선명한화질구현이가능하고, 대형화가용이하며, 저전력, 장수명의장점을가지고있어차세대디스플레이산업분야에적용될가능성이매우높을것으로예상되고있다. 휴대기기에서디스플레이의전력소모를감소시키기위해서는고효율의화소가필요하다. 특히웨어러블기기에서는초소형화, 경박및단소화가핵심으로서주간시인 Fig. 7. 마이크로 LED 적용디스플레이분야성이높은마이크로 LED 디스플레이가주목받고있다. 또한마이크로디스플레이분야는 HMD(head mount display), 스마트글래스, 의료기기등으로고해상도구동기술을필요로하며, 광고및정보전달목적의대형디스플레이는저전력, 설치자유도및고휘도성능이요구되고있다. 마이크로디스플레이구현을위해서는고밀도 LED 배열기술이요구된다. 프랑스 CEA-LETI 연구소는 Active 구동이가능하도록 CMOS 소자가제작된실리콘기판과사파이어기판을접합하는방법을개발하였다. 마이크로튜브형태의범프를접합하여 3 um 중심간격의 2 um 화소배열을개발하였으며, HUD (head-up display) 및스 Table 1. 디스플레이화소별장단점비교 6) Technology Liquid crystal Organic LED III-N uled Digital light processing Laser beam steering Mechanism Backlinght/LED Self-emissive Self-emissive Backlinght/LED Backlinght/LD Luminous efficacy Medium Low High High High Luminance (cd/m 2 ) Contrast ratio 3000 (full color) ~10 4 (green) 200:1(intrinsic) 1500 (full color) ~10 3 (yellow) Very high > 10,000:1 ~10 5 (full color) ~10 7 (blue/green) Very high > 10,000:1 ~1000 (full color) ~1000 (full color) Response time msμsnsmsms Operating temperature Shock Low resistance 0 to to to 120 To be determined To be determined High Medium High Medium Medium Lifetime Medium Medium Long Medium (limited by MEMS) High Short (limited by laser diodes) Cost Low Low Low High High 62 세라미스트

마이크로 LED 응용연구동향 Fig. 8. CEA-Leti 사의마이크로 LED 어레이기술 마트글래스등에적용이가능할것으로예상하고있다. 7) 대만 ITRI는일반안경과 0.37인치마이크로 LED 패널이결합된장치를선보였다.

8) 일본소니사는마이크로 LED를적용하는 클래디스 라명명된제품으로디지털사이니지용 15 ppi급상업용디스플레이를발표하였다. Active 구동방식의 TFT 백플레인과 30 um급 RGB 화소를구현하여밝기 1,000 nit, 시야각 180도및 1024단계계조표현이가능한것으로알려져있다. 9) 3.

의료용광치료기기는향후높은성장률을예상하고있으며, 그응용범위는지속적으로확대될것이다. 10) 현재까지광치료분야에서광원으로는레이져와 LED 가모두적용되고있다. 레이져는발광각도가작고높은출력의장점으로수술및시술등에활용되고있으며, 반도체레이져와 LED의경우저출력광원으로서광역학및광유전학치료등에적용되고있다.

7 마이크로 LED 응용연구동향 Fig. 8. CEA-Leti 사의마이크로 LED 어레이기술 마트글래스등에적용이가능할것으로예상하고있다. 7) 대만 ITRI는일반안경과 0.37인치마이크로 LED 패널이결합된장치를선보였다. 초록색글씨와각종기호가표시되는단색디스플레이로시연됐으며, 최근 10 um 크기의 RGB 마이크로 LED를 19.2 um 중심간격으로배열하여 440 ppi급 Full Color 디스플레이를개발하였다. 동일한해상도의 OLED에비해 10배밝은성능으로전력소모을획기적으로감소시킬수있는것으로보고하였다. 8) 일본소니사는마이크로 LED를적용하는 클래디스 라명명된제품으로디지털사이니지용 15 ppi급상업용디스플레이를발표하였다. Active 구동방식의 TFT 백플레인과 30 um급 RGB 화소를구현하여밝기 1,000 nit, 시야각 180도및 1024단계계조표현이가능한것으로알려져있다. 9) 3.2 의료 / 바이오인구고령화, 안전사회구현, 국민복지실현등의환경 변화에따라진단, 치료, 수술및미용분야에서 LED의수요가증가하고있다. 특히전세계주요경제분석기관들이선정한미래 10대핵심기술중에는바이오기술이다수선정되어있으며, 향후도래하는건강중심사회에서는블루오션산업을헬스케어및바이오분야로기대하고있다. 의료용광치료기기는향후높은성장률을예상하고있으며, 그응용범위는지속적으로확대될것이다. 10) 현재까지광치료분야에서광원으로는레이져와 LED 가모두적용되고있다. 레이져는발광각도가작고높은출력의장점으로수술및시술등에활용되고있으며, 반도체레이져와 LED의경우저출력광원으로서광역학및광유전학치료등에적용되고있다. 11)~15) LED는산란광원으로서배광각도가넓은특징으로넓은면적의환부에균일한빛을조사할수있어영상진단분야에활용되어왔다. 마이크로 LED를이용한광치료기기는산업적초기단계로서 Photo Therapeutics Ltd., Light Bio-Science, LCC 및 Light-wave 등의선진기업들을중심으로 100 um 이하의작은미세광부품을집적화하여체외부착형및체내삽입형기기에적용하는연 Fig. 9. 스마트글래스용마이크로 LED 디스플레이 7) Fig. 10. 소니마이크로 LED 기술이적용된 클레디스 디스플레이 제 19 권제 3 호, 2016 년 9 월 63

김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 Fig. 11. 마이크로 LED 적용다양한의료분야 10)~14) 구가활발히진행되고있다.

LED를유연성고분자플라스틱기판에집적하여신축에따른발광성능을검증함으로서휴대용피부치료기기로의가능성을보여주었다. 16) 체내삽입형기기에활용되는마이크로 LED는광유전학치료법연구에주로적용되고있다.

17~21) 초기에는쥐의대뇌에광파이버로빛을인가하여자극하였으나, 마이크로 needle에 50 um 50 um 크기의마이크로 LED와집적회로를형성하여빛을조사한결과쥐의불안증세를개선하는효과가있음을확인하였다.

8 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 Fig. 11. 마이크로 LED 적용다양한의료분야 10)~14) 구가활발히진행되고있다. 최근미국의 UIUC Rogers 연구그룹에서는체외부착형피부치료에적합한스트레쳐블광패치연구결과를발표하였는데, 적색마이크로 LED를유연성고분자플라스틱기판에집적하여신축에따른발광성능을검증함으로서휴대용피부치료기기로의가능성을보여주었다. 16) 체내삽입형기기에활용되는마이크로 LED는광유전학치료법연구에주로적용되고있다. 신경세포에채널로돕신과같은단백질을주입하고, LED 빛을조사하여뇌와연결된신체조직변화를다양한전임상실험으로증명하였다. 17~21) 초기에는쥐의대뇌에광파이버로빛을인가하여자극하였으나, 마이크로 needle에 50 um 50 um 크기의마이크로 LED와집적회로를형성하여빛을조사한결과쥐의불안증세를개선하는효과가있음을확인하였다. 광역학치료는광민감제가빛과산소에의해화학적반응을일으켜피부병변또는종양을선택적으로파괴하는방법이다. 최근광민감제를투여후내시경을통하여빛을조사함으로써체내의고형암들을반복적으로치료하는방법들이시도되고있다. 또한무선전력송신기술을의료기기에활용하여체내에이식후전기적자극또는모니터링용감지부품으로활용하는연구들이진행되고있어, 체내이식용미세부품에마이크로 LED를집적하여종양치료에활용될수있을것으로기대된다. 20) Fig. 12. 스트레쳐블마이크로 LED 패치 16) Fig. 13. 마이크로 LED 가집적화된 Needle 과쥐의반응실험 64 세라미스트

LED를적용하는주된이유는연비개선, 온실가스감축, 장수명, 디자인및사용자안전성등의다양한요소가복합적으로작용하고있다. 특히안정성측면에서운전자의 51% 가야간운전시시야확보의개선을요구하고있으며, 약 20% 정도는야간운전을피하는것으로조사되었다. 또한미국교통부의연구에따르면교통사고의 40% 는야간에발생하며, 사망사고의 20% 이상이일일교통량의 2.

9 마이크로 LED 응용연구동향 Fig. 14. 인체삽입무선전력부품과빛에의한종양의변화 20) ) 3.3 자동차자동차분야에서는 LED 실내외조명으로서다양한형태의제품이출시되고있다. 자동차조명의최첨단기술척도로판가름하는 LED 헤드램프는 2007년부터일본의 Koito사와렉서스가 LS600h 모델에세계최초로적용하였고, Full LED 헤드램프로 2008년독일 Hella사와아우디가 R8 V10 모델에출시한이후에현대, 캐딜락, 도요타, BMW 및벤츠등의세계유명브랜드회사를중심으로확대되어갔다. LED를적용하는주된이유는연비개선, 온실가스감축, 장수명, 디자인및사용자안전성등의다양한요소가복합적으로작용하고있다. 특히안정성측면에서운전자의 51% 가야간운전시시야확보의개선을요구하고있으며, 약 20% 정도는야간운전을피하는것으로조사되었다. 또한미국교통부의연구에따르면교통사고의 40% 는야간에발생하며, 사망사고의 20% 이상이일일교통량의 2.4% 에불과한 24시부터 06시사이에발생된다고한다. 14) 따라서가시광선과유사한색온도를가지는 LED 헤드램프는안전성향상에크게기여하므로, 그시장은지속적으로확대될것으로예상하고있다. 최근완성차회사를중심으로경쟁사대비안전성확보를차별화된기술로제시하고있으며, 도로, 기후조건, 주행상황과회전방향등과함께운전자의시야를확보해주는적응형헤드램프 (AFLS, Adaptive Front Lighting System) 가적용되고있다. 또한 2세대기술로서상향등점등운행시카메라센서와연동하여상대차량의위치만 LED 빛을줄여주는 HBA (high beam assist) 기능과 AFLS 기능을개별및동시에탑재하는멀티빔또는매트 21) 영남대 Fig. 15. 매트릭스헤드램프 릭스헤드램프가국외선진완성차기업을중심으로개발 되어출시예정에있다. 매트릭스 LED 헤드램프는차량에장착된카메라및네 비게이션으로도로와주변환경을살핀후초당 100 회의 조명패턴을계산해 24 개의개별 LED 를 255 단계로밝기 조절함으로써상대차량과보행자에게눈부심을주지않 고도운전자의안전운행을향상시키는시스템이다. 여기에제 3 세대기술로서전방의빛을조사하는분해 능을높여주기위하여마이크로 LED 를적용한기술개발 이진행되고있다. 독일의헬라, 인피니온, 오스람및프 라운호퍼연구소가공동으로기존 24 개에서 1,024 개마 이크로 LED 배열로성능을향상시킨결과를발표하였 다. 15) 각 pixel 의크기는 115 um 115 um 로서 11 ma 에서 3 lm 이상의성능으로개별적인밝기조절이가능 한미세전자소자집적형모듈이다. 가시광영역에서백색 LED 를활용한헤드램프기술은 나날이진보하고있다. 안전주행및운전자편의사항이 소비자의구매욕구를유발하는요소로자리잡고있으며, 인공지능제어및자율주행자동차상용화기술에기여할 것으로판단되고있다. 자율주행의경우안전센서의역할 이매우중요한비중을차지하고있는데, 최근라이다센 서의경우 1 um 이하파장의근적외선을적용하여원가 절감과성능을동시에만족시키는기술이개발되고있다. 현재에는반도체레이져를적용하고있으며, 향후근적외 선마이크로 LED 와광학계개발을통하여중단거리안 전및라이다센서용광원으로적용이가능할것으로기 대하고있다. 제 19 권제 3 호, 2016 년 9 월 65

CERAMIST 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 Fig. 16. 1,024 pixels 마이크로 LED 헤드램프 광원엔진22) Fig. 17. LED-ID 응용 서비스23) 3.

수신감지소자 사이에 반송파 형태의 정보를 교환하는 가 OCC는 송신부 LED와 수신부 이미지 센서를 적용한 시광통신 (VLC, visible light communication)으로 통신기술로 일반적인 카메라에도 적용이 가능한 기술로 1990년대부터 제안되어 왔다.

카메라의 해상도 wireless communication) 표준을 IEEE에서 재정하여 및 Frame rate에 의해 결정되는 수 Kbps의 통신 데이터 정보수신 소자를 PD (photodiode) 뿐만 아니라 이미지 로 모바일, 자율주행, 교통신호체계 및 디스플레이 기기

지로 분류하고 있다. 이에 따라 기존 VLC 응용제품이었 황이다. 던 조명에서 시스템조명, 모바일기기, 신호등, 자동차, Li-Fi는 2011년 영국의 에딘버러대 헤럴드 하스 교수 스크린, 디스플레이 및 디지털 사이니지 등으로 OWC 응 가 처음 제안하였다.

10 CERAMIST 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 Fig ,024 pixels 마이크로 LED 헤드램프 광원엔진22) Fig. 17. LED-ID 응용 서비스23) 3.4 통신 하는 기술로서 출입보안 및 실내위치정보 서비스를 제공 LED 통신은 400 nm ~ 780 nm 범위의 LED 파장과 하는 응용제품으로 활용 될 것이다. 수신감지소자 사이에 반송파 형태의 정보를 교환하는 가 OCC는 송신부 LED와 수신부 이미지 센서를 적용한 시광통신 (VLC, visible light communication)으로 통신기술로 일반적인 카메라에도 적용이 가능한 기술로 1990년대부터 제안되어 왔다. 현재는 OWC (optical 서 상용화에 가장 근접한 통신방식이다. 카메라의 해상도 wireless communication) 표준을 IEEE에서 재정하여 및 Frame rate에 의해 결정되는 수 Kbps의 통신 데이터 정보수신 소자를 PD (photodiode) 뿐만 아니라 이미지 로 모바일, 자율주행, 교통신호체계 및 디스플레이 기기 센서까지 적용할 수 있도록 LED-ID, OCC (optical 와 연동하여 여러 정보를 주고 받을 수 있으나, 응용분야 camera communication) 및 Li-Fi (light fidelity) 3 가 별 외란광 간섭 제거 및 통신 속도 증가 연구가 필요한 상 지로 분류하고 있다. 이에 따라 기존 VLC 응용제품이었 황이다. 던 조명에서 시스템조명, 모바일기기, 신호등, 자동차, Li-Fi는 2011년 영국의 에딘버러대 헤럴드 하스 교수 스크린, 디스플레이 및 디지털 사이니지 등으로 OWC 응 가 처음 제안하였다. 단일 LED로 1.6Gbps 데이터 송수 용분야가 확대될 것으로 기대하고 있다. 신 연구결과를 2013년에 시연한 이후에 2014년 CES에 LED-ID는 휴대용 단말기 송신부 LED Tag와 PD 혹 서 Li-Fi 지원 모바일 기기의 초기 형태를 공개하였으며, 은 이미지센서를 인식장치로 하여 고유식별정보를 전달 전파상용이 불가능한 비행기, 병원 및 수중 등에서 다양 한 상용화 기술을 개발 중에 있다. OWC 응용 분야에서 송신기기 광원으로서 마이크로 LED를 적용한 예는 현재까지는 없다. 그러나 전류동작 소자인 LED의 크기를 줄이고 ua 단위의 작은 전류로 동 Fig. 18. OCC 자동차 응용 기술24) 66 세라미스트 Fig. 19. Li-Fi 응용 Mobile 연계 서비스25)

마이크로 LED 응용연구동향 Fig. 20. 마이크로 LED 와 LED 의동작속도차이 Fig. 21.

5 웨어러블기기광범위한산업분야에서웨어러블전자부품에대한개발결과가보고되고있다.

LED 보호를위한발수코팅섬유로둘러싸는기술로서 USB가연결및리튬이온배터리를장착한기술을선보였다. 또한신생아황달치료를목적으로하는의료용빌리루빈담요를개발하였는데광역학치료와융합 시킨섬유일체형기술이적용되고있다.

11 마이크로 LED 응용연구동향 Fig. 20. 마이크로 LED 와 LED 의동작속도차이 Fig. 21. 필립스및큐트서킷사시제품 작시키게되면집적화부품과시스템의크기를작게할수있을뿐만아니라빠른스위칭속도를구현할수있어대용량 Data 서비스가필요한분야에수십 Gbps의 Data 를전송할수있을것으로기대하고있다. 3.5 웨어러블기기광범위한산업분야에서웨어러블전자부품에대한개발결과가보고되고있다. 특히마이크로 LED를적용하여섬유및의복에상용화하려는시도가지속적으로이루어지고있는데네덜란드필립스루마리브 (Philips Lumalive) 는유연기판상에 LED를형성하여직물사이에 20 cm 20 cm 크기의섬유디스플레이를구현하였다. LED 보호를위한발수코팅섬유로둘러싸는기술로서 USB가연결및리튬이온배터리를장착한기술을선보였다. 또한신생아황달치료를목적으로하는의료용빌리루빈담요를개발하였는데광역학치료와융합 시킨섬유일체형기술이적용되고있다. 영국의큐트서킷 (CuteCircuit & Ballantine) 은세계최초로초박형 RGB LED 디스플레이를내장하여 tshirtos 라는셔츠를판매하고있으며있으며, 모바일앱을통하여디스플레이프로그래밍, 세탁가능, USB를통한충전, 카메라키트등가장완성도가높은의류일체형기술을보고하였다. 한국광기술원에서는무기물 GaN 박막층을유연폴리이미드 (PI) 또는전도성섬유물질에전사하여 LED 휨에따른주요특성변화에대해보고하였다. 국내코오롱사는전도성섬유를이용하여발열하는섬유소재와광섬유를이용하여빛을외부로내보내는스마트재킷기술을선보였으며, 또한 LED를의복에탑재하여야간산행과위급상황시위치파악이용이한기술로보고하였다. 스마트섬유의경우, 현재광원이나 IT 기기를부착하는수동형단계에서벗어나향후에는섬유스스 Fig. 22. 전도성섬유에전사된 GaN flexible LED 26) 제 19 권제 3 호, 2016 년 9 월 67

12 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 로신호의전달, 생성, 에너지수급등이가능한능동형전자섬유시스템으로발전될것으로기대된다. 4. 결론 LED는응용시장변화에따른격동기에있다고해도과언은아닐것이다. 단순히빛을밝히는기능으로간주하던수년전에비하여다양한분야에서발견되고있는파장기능의잠재성은무궁무진하다고볼수있다. 마이크로 LED는칩을작게만들어전사하는기술로부터시작하였으며, 다양한파장으로미세전자소자를집적화하거나유연한소재에적용하여전에없던새로운기능을실현시킴으로써각산업분야에서신기능혁신기술로서급부상할것으로예견하고있다. 디스플레이분야에서는전력소모, 화질, 동작속도측면에서차별화된장점으로상품화가가능할것이며, 의료분야에서는광파이버를통해인가하던빛을독립적이고필요한크기의복합파장형부품으로자유도를제공할수있을것이다. 또한자동차분야에서는 LED 헤드램프의진부한기능에서카메라센서와연동한안전운행용가시광및근적외선광원으로자리잡을수있을것이라기대한다. 아직태동기상태에머물러있는 LED 통신은그응용분야가조명에서광고, 문화예술및콘텐츠산업등의다양한분야에서융합기술로서발전이예측된다. 이러한응용분야에서상용화를앞당기려면마이크로 LED 제작및전사기술에대한원천기술확보가무엇보다도필요하다. 특히전사기술은 LED 에피성장및칩공정용기판에서옮겨가는상대물질의특성에따라유연디스플레이패널, 스마트전자섬유의복, 수송기기조명, 안전센서및무선통신용송신기등에서핵심요소기술로자리잡고있다. 현재무기물발광다이오드기반의유연마이크로 LED 기술수준은선진국에비해미흡하나, 기술표준화가도입단계로서국가지원과산학연협력을통하여세계시장을주도할수있는가능성은충분할것으로판단된다. 참고문헌 1. S. Park, Y. Xiong, R. Kim, P. Elvikis, M. Meitl, D. Kim, J. Wu, J. Yoon, C. Yu, Z. Liu, Y. Huang, K. Hwang, P. Ferreira, X. Li, K. Choquette, and J. A. Rogers, Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays, Science, (2009). 2. H. Kim, E. Brueckner, J. Song, Y. Li, S. Kim, C. Lu, J. Sulkin, K. Choquette, Y. Huang, R. G. Nuzzoa, and J. A. Rogers, Unusual strategies for using indium gallium nitride grown on silicon (111) for solid-state lighting, PNAS, 108 [25] (2011). 3. T. Kim, Y. Jung, J. Song, D. Kim, Y. Li, H. Kim, I. Song, J. J. Wierer, H. A. Pao, Y. Huang, and J. A. Rogers, High-Efficiency, Microscale GaN Light-Emitting Diodes and Their Thermal Properties on Unusual Substrates, SMALL, 8 [11] (2012). 4. J. Day, J. Li, D. Y. C. Lie, C. Bradford, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, III-Nitride full-scale high-resolution microdisplays, Applied Physics Letters, (2011). 5. US Patent, Micro device transfer head, US M. Cooke, Driving forward microled video displays, Semiconductor TODAY Compounds & Advanced Silicon, 6 [6]100-2 (2011). 7. CEA-LETI 홈페이지, 8. Computex Taipei 전시회 (2016). 9. International Consumer Technology Association 전시회 (Las Vegas, CES 2016). 10. 허영, 양종수, 박경환, 이병일외 4 명, 레이저광의료기기기술및산업동향, 한국산업평가관리원, Reeves GM1, Nijjar GV, Langenberg P, Johnson MA, Khabazghazvini B, Sleemi A, Vaswani D, Lapidus M, Manalai P, Tariq M, Acharya M, Cabassa J, Snitker S, and Postolache TT., Improvement in Depression Scores After 1 Hour of Light Therapy Treatment in Patients With Seasonal Affective Disorder, Journal of Nervous & Mental Disease, 200 [1] 51-5 (2012). 12. D. Jens, M. Katiaa, and Sahel, José-Alain, Optogenetics, Current Opinion in Ophthalmology, 26 [3] (2015). 13. Lionel Chaudet, Micro-optics for Opto-genetic 68 세라미스트

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Pereira PM, Silva S, Ramalho J, Gomes CM, Girão H, Cavaleiro JA, Ribeiro CA, Tomé JP, and Fernandes R, The role of galectin-1 in in vitro and in vivo photodynamic therapy with a galactodendritic

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김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 사기동 김자연 2005 년영남대학교전자공학석사 2005 년

년 ~2014 년삼성테크윈선행기술연구소책임연구원 2014 년 ~ 현재한국광기술원마이크로광원응용연구센터선임연구원

2011 년 ~ 현재한국광기술원선임연구원 김정현 이상헌 2009 년과학기술연합대학원전자공학석사 2009 년

년 ~2015 년 LG 전자 TV 선행기술연구소주임연구원 2015 년 ~

14 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 사기동 김자연 2005 년영남대학교전자공학석사 2005 년 ~2010 년이수페타시스선행기술연구소주임연구원 2010 년 ~2013 년한국모토로라글로벌제품개발전임연구원 2013 년 ~2014 년삼성테크윈선행기술연구소책임연구원 2014 년 ~ 현재한국광기술원마이크로광원응용연구센터선임연구원 2015 년전남대학교전자공학박사수료 2008 년광주과학기술원신소재공학과박사 2010 년 UCDavis 박사후연구원 2011 년 ~ 현재한국광기술원선임연구원 김정현 이상헌 2009 년과학기술연합대학원전자공학석사 2009 년 ~2010 년 ETRI 무선시스템연구부연구원 2010 년 ~2013 년한국모토로라글로벌제품개발주임연구원 2013 년 ~2015 년 LG 전자 TV 선행기술연구소주임연구원 2015 년 ~ 현재한국광기술원마이크로광원응용연구센터선임연구원 2015 년 ~ 현재전남대학교전자공학박사과정 2003 년부산대학교물리학과박사 2003 년한국광기술원책임연구원 70 세라미스트

Ⅰ 개요 1 기술개요 1. OLED OLED(Organic Light Emitting Diodes),,,, LCD, [ 그림 ] OLED 의구조 자료 : TechNavio, Global Organic Light-emitting Diode (OLED) Materials

OLED 시장 연구개발특구기술글로벌시장동향보고서 2018.1 Ⅰ 개요 1 기술개요 1. OLED OLED(Organic Light Emitting Diodes),,,, LCD, [ 그림 ] OLED 의구조 자료 : TechNavio, Global Organic Light-emitting Diode (OLED) Materials Market, 2017-2 -