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동기 진
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1 기술특집 마이크로 LED 핵심기술과응용 김자연, 사기동 ( 한국광기술원, 광응용연구본부 / 바이오헬스연구센터 ) 1. 서론발광다이오드 (LED) 는자외선에서적외선에이르는다양한파장대역에서폭넓게이용될수있다. 니치아 (Nichia) 가질화물발광다이오드 (GaN LED) 를상용화한이래, 반도체박막기술, 공정기술, 디바이스기술의지속적인발전에힘입어 GaN-LED 는성능및신뢰성에비약적인향상을가져왔고, 작은표시소자기능에서휴대폰, TV, 조명, 전광판, 신호등, 자동차, 가전분야등고휘도, 고출력응용제품출시로 LED 수요는폭발적으로증가하고있다. 특히 2005 년이후전광효율이급격히증가하면서부터디스플레이산업의 LCD 백라이트유닛으로서거대규모의시장이형성되었고, 조명산업에서는에너지절약에대한우수성입증과가격하락이가속화되면서향후 2030 년까지 LED 조명의보급및발전이꾸준히증가할것으로예측된다. 그러나현재, 국내 LED 산업은중국등과같은후발주자들의범국가적인투자와산업육성정책의해글로벌시장경쟁이심화되면서국내기업들의가격경쟁력은한계에봉착하였고, 정부차원의투자지원마저위축된상황에이르고있다. 이러한어려운상황을돌파할수있는신시장창출을위해차세대디스플레이, 의료 / 바이오, 통신, 자율주행기기, 섬유, 농수산분야융복합기술개발이요구되고있다. 최근 LED 의크기조절의자유도, 유연한특성, 선택적인발광파장의효과를응용한수많은연구논문이발표 되고있다. 조명용으로쓰이는 LED 는주로 1000 µm 1000 μm의크기이다. 이러한 LED 의면적을 1/100 이하로줄이면머리카락두께정도인 100 µm 100 μm 크기가되는데, 이러한 LED 를마이크로 LED 라한다. 이러한마이크로 LED 는스트레처블기판및유연기판, 3 차원구조의기판에실장할수있게되어웨어러블디스플레이, 피부부착형의료기기, 반도체장비, 자율주행센서및빅데이터서비스용광원등과같은다양한분야에적용할수있다. [1-4] 본고에서는이러한마이크로 LED 에대한특징과핵심기술및다양한응용분야에대하여소개하고자한다. 2. 마이크로 LED 핵심개발기술 2.1. 에피성장기술질화물반도체는 3.4eV 의넓은밴드갭을가지고있고화학적으로매우안정하여단단한반도체물질중에하나이다. 특히질화물반도체는체는전자친화력이강하여광학적특성은물론, 전자이동도, 전자포화속도및전계파괴전압특성이우수하여광 전자소자등그응용분야가다양하다. 최근비약적적으로에피성장기술이발달되어왔는데그중가장보편화된에피기술은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 를이용한사파이어위에증착된이종접합구조의 GaN 에피성장기술이다. 2인치혹은 4인치사파이어기판 2018 년제 19 권제 1 호 1

기술특집 그림 1. 2 인치 450nm LED 웨이퍼의파장분포매핑이미지 ( 좌 ) 와스텍트럼이미지 ( 우 ) 위에성장된 GaN 에피는 450 nm 파장의청색을기준으로 10 nm 이상의파장편차를가지게된다. 이러한파장편차를가지는 LED 를조명에적용시에는큰문제가되지않았지만, 이를디스플레이에적용시에는사람의눈은매우민감하기때문에불량화소가될수있다.

GaN LED 에피는이종기판인사파이어나실리콘에주로성장되기때문에격자상수및열팽창계수의부정합에서오는 10 8 에서 10 9 /cm 2 개의다양한점결함 (Point Defect) 및선결함 (Dislocation), V-Shape pit 및등의결함이존재하게된다. 이러한결함들은작게는수십 ~ 수백나노부터크게는수 ~ 수십마이크로의크기를가진다.

웨이퍼의크기가커질수록웨이퍼한장에제작되는 LED 의개수가많아져서칩가격은하락할수있다. 특히마이크로 LED 는칩가격뿐아니라칩을기판으로부터분리하고전사하는공정에서시간과비용이많이발생되는데에피크기가증가하면전사비용과횟수를크게줄일수있어 8인치및 12인치가가능한실리콘 (Si) 기판을이용한고품질의 GaN 에피성장기술개발이필수적이다.

2 기술특집 그림 1. 2 인치 450nm LED 웨이퍼의파장분포매핑이미지 ( 좌 ) 와스텍트럼이미지 ( 우 ) 위에성장된 GaN 에피는 450 nm 파장의청색을기준으로 10 nm 이상의파장편차를가지게된다. 이러한파장편차를가지는 LED 를조명에적용시에는큰문제가되지않았지만, 이를디스플레이에적용시에는사람의눈은매우민감하기때문에불량화소가될수있다. 따라서디스플레이화소에적용되는마이크로 LED 는 ± 1 ~ 3 nm 이내의매우엄격한파장의오차범위를가지는에피성장기술이요구된다. GaN LED 에피는이종기판인사파이어나실리콘에주로성장되기때문에격자상수및열팽창계수의부정합에서오는 10 8 에서 10 9 /cm 2 개의다양한점결함 (Point Defect) 및선결함 (Dislocation), V-Shape pit 및등의결함이존재하게된다. 이러한결함들은작게는수십 ~ 수백나노부터크게는수 ~ 수십마이크로의크기를가진다. 따라서수십마이크로크기의픽셀형마이크로 LED 디스플레이에서는이러한결함들이불량픽셀의원인이되기때문에이것을최소화하는것이매우중요하다. 마이크로 LED 기술의최대난관은비싼생산가격이다. 마이크로 LED 를적용하여양산을시작하기위해서 그림 3. 8 인치실리콘기판및 4 인치, 2 인치사파이어기판위에성장된 GaN LED 에피 는이러한가격문제를반드시해결해야한다. 웨이퍼의크기가커질수록웨이퍼한장에제작되는 LED 의개수가많아져서칩가격은하락할수있다. 특히마이크로 LED 는칩가격뿐아니라칩을기판으로부터분리하고전사하는공정에서시간과비용이많이발생되는데에피크기가증가하면전사비용과횟수를크게줄일수있어 8인치및 12인치가가능한실리콘 (Si) 기판을이용한고품질의 GaN 에피성장기술개발이필수적이다. 저렴한대형실리콘웨이퍼상에서 GaN 을성장시키는기술을이용하면최신반도체제조기술도적용이가능할뿐만아니라현재이용되고있는방식보다비용측면에서 75% 가량개선이가능하다. 반면조명용 LED 에서중요시되었던효율의 Droop 및구동전압의변위는저전력영역에서구동되고박막트랜지스터 (TFT: Thin Film Transistor) 를이용한보상을할수있는디스플레이에서는그기준이엄격하지않게되었다. [1] 그림 2. 질화물 LED 에피의결함 [1] 2.2. 칩개발기술조명용 LED 보다 1/100 이하의면적을가지는마이크로 LED 는기존 LED 보다작게만드는칩제조공정과이후개별칩으로분리해내는공정기술이매우중요하다. 이에대한기술로마이크로 LED 칩내부로전류를주입시효율을높일수있는칩디자인과좁은전극영역으로전류주입효율을높일수있는오믹컨텍및복잡한칩제조공정중에에피층으로부터전극이필링 (Peeling) 되지않도록하기위한접착력향상기술이반드시필요하다. GaN LED 는플라즈마를통한건식식각을통하여 n과 p를분리해내는메사공정이수평형과 2 인포메이션디스플레이

이때수 ~ 수십마이크로스케일의 LED 칩공정이가능할수있도록기존의 3 um의해상도를가지는포토리쏘그래피공정에서 0.5 um의해상도를가지는 Stepper 를이용한 MEMS 공정기술이적용되어야한다. 또한 Passivation 및패키지 (PKG) 기술, 기판분리및전사, 접합을위한후공정에서도미세한파티클도큰결함이될수있기때문에 100 Class 이하의클린룸환경이요구된다.

3 마이크로 LED 핵심기술과응용 그림 4. LED 칩제조공정의플라즈마를이용한식각공정효과플립칩마이크로 LED 에서필수적이고, 모든타입의마이크로 LED 칩은각각의칩을기판까지건식식각을통하여개별화 (Isolation) 시키는과정이필요하다. 이때식각으로인한데미지가칩의효율과제조공정중의결함을좌우하는매우중요한요소가되기때문에플라즈마데미지를회복시키거나제거하기위한기술이개발되어야한다. 또한에피의대형화가필수적이어서기존의 2인치, 4인치공정에서 6인치, 8인치필요에따라 12 인치를가동할수있는칩제조공정라인이필요하다. 이때수 ~ 수십마이크로스케일의 LED 칩공정이가능할수있도록기존의 3 um의해상도를가지는포토리쏘그래피공정에서 0.5 um의해상도를가지는 Stepper 를이용한 MEMS 공정기술이적용되어야한다. 또한 Passivation 및패키지 (PKG) 기술, 기판분리및전사, 접합을위한후공정에서도미세한파티클도큰결함이될수있기때문에 100 Class 이하의클린룸환경이요구된다. [1] 마이크로 LED 는기존의 LED 처럼칩제작후에레이저스크라이빙방식으로칩개별화 (Dicing) 를하게되면칩의손실이많아지기때문에디스플레이에적용시해상도에따라화소에간격을계산하고그에따른간격으로칩과칩사이를플라즈마건식식각을통하여기판까지식각후기판을분리하는방법으로수 ~ 수십마이크로스케일의작은크기와 10 µm 이하두께의얇은마이크로 LED 제작이가능하다. 그림 5처럼 10 um 10 um 크기의마이크로 LED 를 20 µm 간격의초미세폭의레이저를이용하여절단할경우에 LED 웨이퍼의 90% 정도가손실된다. [1] 따라서칩의손실을최소화할수있는기판분리공정이필수적이다. 그림 5. 20µm 의간격을가지는 10µm 크기의마이크로 LED 칩절단 (Dicing) [1] 2.3. 기판분리기술마이크로 LED 는수십마이크로스케일이하로크기가작기때문에기존의 100 마이크로이상두께의사파이어기판및 InP 기판이나흡수가많은 Si 및 GaAs 기판을제거하지않고적용하는것은적합하지않다. 따라서기판을분리하여전사스탬프및정전기헤드등을이용하여전사하는기술이무엇보다중요하다 질화물 LED 의사파이어기판분리사파이어기반의질화물반도체는높은양자효율과신뢰성으로현재일반적으로양산되고있는 LED 공정기술이다. 과거에는주로 2인치기판에성장되었으나최근에는양산성을높이고자 4인치기판이주로이용된다. 그림 6에는럭스뷰 (LuxVue) 의마이크로 LED 칩제작공정과정에대해자세히기술되어있다. LLO 기술 (Laser Lift off) 을이용하여사파이어기판을제거하기위하여평편 (Planar) 한사파이어기판에성장된질화물 LED 에 p-형반사전극및본딩메탈을증착하고본딩메탈이증착되어있는캐리어기판에열과압력을주어유테틱 (Eutectic) 본딩방법으로접합한다. 이후 LLO 방법을이용하여원래의사파이어기판을제거후염산용액등을이용하여유테틱본딩층을제거하고건식식각을통하여칩을개별화시키고패시베이션및 n형전극을증착한다. 이후특별한방법으로제작된정전기헤드를통해타겟기판에전사한다. 전사기술에대한자세한것은전사파트에서자세히기술하기로한다. 위공정기술은기존의 LED 공정보다도복잡한공정과정이추가가되 2018 년제 19 권제 1 호 3

또한수십마이크로스케일의작은칩들을분리하는과정에서의 LLO 공정의정교한레이저빔제어기술로칩의크랙및데미지를최소화시켜수율과양산성, 신뢰성을높이는것이중요하다. 2.

따라서 GaN on Si 대비효율이높은 GaN on Sapphire 가시장을선점하였다.

특히저전류영역에서구동하고박막트랜지스터 (TFT) 에의해빛의밝기와구동전압을보상할수있는디스플레이에서는 GaN on Si 의마이크로 LED

GaN on Si 은특별한장비없이화학용액으로간단하게기판분리가가능하며같은 CLO 방법으로기판분리를하는적색파장대인 AlGaInP LED

4 기술특집 그림 6. 럭스뷰 (LuxVue) 의마이크로 LED 칩제작공정과정 [1] 는데유테틱메탈증착및본딩공정, 유테틱메탈제거등의공정이생략된간단한사파이어기판제거방법이요구된다. 또한수십마이크로스케일의작은칩들을분리하는과정에서의 LLO 공정의정교한레이저빔제어기술로칩의크랙및데미지를최소화시켜수율과양산성, 신뢰성을높이는것이중요하다 질화물 LED의실리콘기판분리조명용 LED 에서는수 % 의광추출효율증가및 0.1V 만큼낮은구동전압변화도아주민감하다. 따라서 GaN on Si 대비효율이높은 GaN on Sapphire 가시장을선점하였다. GaN on Si 은높은전류로구동시 GaN on Sapphire 보다효율이떨이지지만저전류로구동할때는비슷한특성을가진다. 특히저전류영역에서구동하고박막트랜지스터 (TFT) 에의해빛의밝기와구동전압을보상할수있는디스플레이에서는 GaN on Si 의마이크로 LED 를적용하는것이효과적이다. GaN on Si 은특별한장비없이화학용액으로간단하게기판분리가가능하며같은 CLO 방법으로기판분리를하는적색파장대인 AlGaInP LED 제조라인과통합라인으로활용이가능하다는장점이있다. 8인치급의 GaN on Si 공정은에피, 칩공정, 기판분리, 전사공정및접합까지모든과정에서 그림 7. John A. Roger 그룹의 InGaN on Si 기판에제작된마이크로 LED array 기술 [5] 공정의단순화및비용절감이가능하기때문에반드시연구되어야하는분야이다. 현재발표된 GaN on Si의마이크로 LED 기판분리기술은 X-Celeprint 와 John A. Rogers 에서발표된기술이대표적으로다음과같다. 그림 8. Anchor 와 Tether 를이용하여 CLO 공정을통한기판분리방법 [1] 4 인포메이션디스플레이

마이크로 LED 핵심기술과응용 로 LED 의개수를증가시킬수있는장점이있다.

이번결과로디스플레이등다양한응용분야로마이크로 LED 기술상용화를앞당길수있는계기가되었다. 그림 9. 한국광기술원의 CLO 기판분리기술 [3] GaN 에피층은격자상수및열팽창계수차이로인하여주로 Si(111) 기판상에성장된다.

공정이라정의한다. 이후 PDMS 을이용하여연결층을부러뜨리면서기판으로부터마이크로 LED 를분리하여타겟기판에전사할수있다.

3. AlGaInP LED on GaAs 기판분리기술가시광선 560 nm에서적외선영역까지의파장영역대는 AlGaInP 이종접합구조를 GaAs 기판위에성장시킨다.

5 마이크로 LED 핵심기술과응용 로 LED 의개수를증가시킬수있는장점이있다. 이러한방법으로유리, 실리콘, 유연기판및스트레처블기판에 100% 수율로마이크로 LED 를대면적으로전사하는데성공하였으며, 전사전 후전기적특성변화가없고오히려 Si 기판과질화물에피층과의 Tensile 스트레스가완화되면서광추출효율이증가되는결과를보였다. 이번결과로디스플레이등다양한응용분야로마이크로 LED 기술상용화를앞당길수있는계기가되었다. 그림 9. 한국광기술원의 CLO 기판분리기술 [3] GaN 에피층은격자상수및열팽창계수차이로인하여주로 Si(111) 기판상에성장된다. 마이크로 LED 칩공정을일반 LED 공정과동일하게진행후지지층 (Anchor) 에연결층 (Tether) 을형성하여연결후 Si 기판의방향성에따른에칭속도차이를이용하여기판과에피층의계면을분리하는기술을 CLO(Chemical Lift Off) 공정이라정의한다. 이후 PDMS 을이용하여연결층을부러뜨리면서기판으로부터마이크로 LED 를분리하여타겟기판에전사할수있다. [5] 최근한국광기술원에서는이러한기둥층이나지지층의제조공정과별도의희생층없이 Si 기판으로부터질화물 epi 층을분리해내는기술을발표하였다. 이기술을이용할경우지지층이나연결층을형성하는추가공정이필요없고, 지지층을위해낭비하였던공간만큼마이크 AlGaInP LED on GaAs 기판분리기술가시광선 560 nm에서적외선영역까지의파장영역대는 AlGaInP 이종접합구조를 GaAs 기판위에성장시킨다. GaAs 기판을이용한제조공정및식각공정은기존의반도체레이저 (Laser Diode) 및광전집적회로기술의개발로매우안정화되어있으며, 이러한선행기술을응용하여 John A. Rogers 그룹에서는앞서기술한 GaN on Si 기판분리방법과유사한방법으로 LED 층을고정하는지지층 (Anchor) 으로고정하고 GaAs 기판위에 AlAs 희생층증착시킨후 AlGaInP 이종접합구조를성장시킨후 AlAs 희생층을선택적으로식각하여기판분리하여유연한기판위에전사시켜간단한디스플레이를구현한결과를보고하였다. [6] 그림 10. 유연및스트레처블기판에전사된마이크로 LED 구동 [2,3] 그림 11. AlAs 희생층을이용한 GaAs 기판분리를적용한적색마이크로 LED 기술 [6] 2018 년제 19 권제 1 호 5

기술특집 그림 12. 마이크로 LED 의다양한 Pick and Place 방법 [1] 2.4. 전사기술기존의 LED 는최소 200um 이상의사이즈이기때문에다이본딩 (Die bonding) 공정을이용하여 LED 를픽업 (Pick up) 하고원하는위치에 Attach 하여실장하는것이가능하였다.

9 백만개의마이크로 LED 칩이실장되어야하기때문에이를개별칩단위로실장한다면, 공정비용과시간이기하급수적으로늘어나양산이불가능한수준이다. 따라서칩을웨이퍼단위나대면적의 PDMS 등으로전사 (Pick and Place) 하는방법을여러연구그룹에서제안하고있다.

럭스뷰의 Pick up Heads [7] Heads 방법, X-Celeprint, UIUC 에서제안한탄성트랜스퍼프린팅 (Elastomer Transfer printing) 방법및최근한국광기술원에서연구한결과를소개하고자한다.

6 기술특집 그림 12. 마이크로 LED 의다양한 Pick and Place 방법 [1] 2.4. 전사기술기존의 LED 는최소 200um 이상의사이즈이기때문에다이본딩 (Die bonding) 공정을이용하여 LED 를픽업 (Pick up) 하고원하는위치에 Attach 하여실장하는것이가능하였다. 이때칩을잡아주는진공홀인 Collet 사이즈는최소 80 um를가지며, 일반적으로 100um 의사이즈를가지기때문에 100 um 이하의크기를가지는마이크로 LED 의경우기존의방법대로 LED 칩을실장하는것은어려운일이다. 또한 4K( ) 디스플레이의경우 24.9 백만개의마이크로 LED 칩이실장되어야하기때문에이를개별칩단위로실장한다면, 공정비용과시간이기하급수적으로늘어나양산이불가능한수준이다. 따라서칩을웨이퍼단위나대면적의 PDMS 등으로전사 (Pick and Place) 하는방법을여러연구그룹에서제안하고있다. [1] 전사기술로는그림 12 와같이아주다양한방법이제안되었으나대표적으로럭스뷰에서제안한 Pick up 그림 13. 마이크로 LED 의전사방법 [1] 그림 14. 럭스뷰의 Pick up Heads [7] Heads 방법, X-Celeprint, UIUC 에서제안한탄성트랜스퍼프린팅 (Elastomer Transfer printing) 방법및최근한국광기술원에서연구한결과를소개하고자한다. 럭스뷰의경우 MEMS 기술을이용하여실리콘기반의헤드부분에전극을증착하여제작된 Pick up Head 로그림 6의과정을거쳐임의의기판에유테틱본딩되어있는마이크로 LED 를 80도 ~160 도사이의온도로 Melting 하여결합력을약하게만든후전압을가해정전기힘으로칩을들어올린다. 그후타겟기판으로선택적으로이송하고 Solder 를리플로우 (Reflow) 시켜본딩하는방식이다. [1,7] X-Celeprint 와 UIUC 의 John A. Rogers 그룹에서는탄성이있는 PDMS 소재에패터닝을한후속도차이로인한정전기적접착력 (Van Der Waals molecular adhesion) 변화를이용하여마이크로 LED 를빠르게 Pick up 후느린속도로타겟기판에 Attach 하는탄성 6 인포메이션디스플레이

마이크로 LED 핵심기술과응용 그림 18. 환경가변스탬프를이용하여 2 인치기판의마이크로 LED 전사한이미지 [2] 그림 15.

이는포토리쏘그라피공정을통해 Pick-up tool 인 PDMS 에패터닝을하여선택적으로전사할수있으며, 파티클을철저하게관리할경우 3만번까지

최근한국광기술원에서는환경에따라접착력이변하는환경가변스탬프를이용하여 2인치사파이어기판위 의마이크로 LED 와 5cm 5 cm의 Si

그림 18은 2인치사파이어위에제작된마이크로 LED 를 100% 수율로환경가변스탬프를통해전사된결과를보여준다.

가탑재된미니 PKG 까지도선택적인대면적전사가가능하다. 그림 18은한국광기술원에서최근환경가변스탬프를이용하여대면적전사에성공한결과이다.

Si를보여준다. 그림 19(b) 에서 80 um, 100 um 그림 16.

7 마이크로 LED 핵심기술과응용 그림 18. 환경가변스탬프를이용하여 2 인치기판의마이크로 LED 전사한이미지 [2] 그림 15. 럭스뷰의전사및접합과정 [1,7] 트랜스퍼프린팅방법을제안하였다. 이는포토리쏘그라피공정을통해 Pick-up tool 인 PDMS 에패터닝을하여선택적으로전사할수있으며, 파티클을철저하게관리할경우 3만번까지 Pick-up tool 재사용이가능하고대면적전사가가능하다는장점이있으나, 미세한속도제어를통한수율향상과반복성과양산성을고려한연구가필수적이다. 최근한국광기술원에서는환경에따라접착력이변하는환경가변스탬프를이용하여 2인치사파이어기판위 의마이크로 LED 와 5cm 5 cm의 Si 기판위의마이크로 LED 대면적전사를 100% 의수율로성공하였다. 그림 18은 2인치사파이어위에제작된마이크로 LED 를 100% 수율로환경가변스탬프를통해전사된결과를보여준다. 본기술은수평형, 수직형, 플립칩등의모든타입의마이크로 LED 전사에적용가능하고정전기보다더강력한접착력으로요즘이슈가되고있는미니 LED 가탑재된미니 PKG 까지도선택적인대면적전사가가능하다. 그림 18은한국광기술원에서최근환경가변스탬프를이용하여대면적전사에성공한결과이다. 그림 19(a) 는반은 80 um 크기, 반절 100 um 크기의마이크로 LED 가제작된 5 cm 5 cm 크기의대면적 GaN on Si를보여준다. 그림 19(b) 에서 80 um, 100 um 그림 16. X-Celeprint 의탄성트랜스퍼프린팅방법의탄성트랜스퍼스탬프 [1] 그림 17. X-Celeprint 와 UIUC 에서제안한탄성트랜스퍼프린팅과정 [1] 그림 19. (a) 전사전의대면적 GaN on Si 에피, (b) 전사된마이크로 LED, (c) CLO 전, (d) CLO 후, (e) 전사후의마이크로 LED 의광학이미지, (f) 전사후마이크로 LED 가사라진실리콘기판이미지 [2] 2018 년제 19 권제 1 호 7

기술특집 그림 20. 청색, 녹색, 적색 LED 의선택적인전사방법 [2] 그림 21.

[8] Yole Development 2017년자료에따르면 2025 년까지 OLED 의대부분시장은마이크로 LED 로 90 프로이상대체될예정이며시장도기하급수적으로성장할것으로예측하고있다. 이러한장점으로인해마이크로 LED 를디스플레이에적용하기위한활발한연구들이진행중에있다. 크기를각각환경가변스탬프를이용하여전사한결과 100% 수율을가지고전사된것을확인할수있다.

그림 20 은청색, 녹색, 적색의마이크로 LED 를각각환경가변스탬프를이용하여선택적으로 Pick up한후선택적으로잘전사된마이크로 LED 의 PL 발광이미지이다. 최근에는 ACF 접합을통한전류주입까지성공하여직접전사형마이크로 LED 풀컬러디스플레이의가능성을확인하였다.

8 기술특집 그림 20. 청색, 녹색, 적색 LED 의선택적인전사방법 [2] 그림 21. 금속배선위의 ACF 본딩을통한마이크로 LED 전기적구동 [2] 3.1. 마이크로 LED 디스플레이차세대디스플레이로주목받는마이크로 LED 디스플레이는픽셀의화소로자체발광하는 100 μm 이하크기의 RGB 마이크로 LED 를적용하는것으로기존의 OLED 와 LCD 대비전력소모가작고효율과신뢰성이높으며, 단위패널을타일링형태로배열하면대면적화가가능한장점이있다. [8] Yole Development 2017년자료에따르면 2025 년까지 OLED 의대부분시장은마이크로 LED 로 90 프로이상대체될예정이며시장도기하급수적으로성장할것으로예측하고있다. 이러한장점으로인해마이크로 LED 를디스플레이에적용하기위한활발한연구들이진행중에있다. 크기를각각환경가변스탬프를이용하여전사한결과 100% 수율을가지고전사된것을확인할수있다. 그림 19(c)-(e) 는 CLO 기판분리전, 90% CLO 기판분리후, 전사후의마이크로 LED 의광학이미지이며, 그림 19(f) 는마이크로 LED 가전사되고난후의실리콘기판의광학이미지를보여준다. 또한환경가변스탬프의선택적인접착력제어로 R, G, B 선택적전사를가능하게하였다. 그림 20 은청색, 녹색, 적색의마이크로 LED 를각각환경가변스탬프를이용하여선택적으로 Pick up한후선택적으로잘전사된마이크로 LED 의 PL 발광이미지이다. 최근에는 ACF 접합을통한전류주입까지성공하여직접전사형마이크로 LED 풀컬러디스플레이의가능성을확인하였다. 웨이퍼전사와본딩공정은두웨이퍼및 Carrier 물질간의초기표면산화막제거및두웨이퍼사이의불술물을제거하는매우높은수준의청정도를요구한다. 이러한본딩공정에서청정도는칩의전기적 / 기계적결합특성에영향을미치고모듈화공정이후동작전압특성을변화시킬수있어매우중요하다. 3. 마이크로 LED 응용지금까지마이크로 LED 의핵심기술내용에대하여알아보았다. 마이크로 LED 는극도로작은크기와얇은두께로다양한분야로응용될수있는데지금부터디스플레이및다양한응용기술에대하여소개하고자한다. 그림 22. LCD, OLED, u-led 디스플레이의장단점비교 [1,3] 대만의산업기술연구소 (ITRI) 는 2013 년 디스플레이타이완 에서일반안경에 0.37 인치패널마이크로 LED 장치를결합하여선보였고당시구글글래스에쓰인 OLED 디스플레이의 150 nit 보다 10배밝은 1500 nit 의밝기를선보였다. 전력소비도 15 루멘당 1와트에불과하여마이크로 LED 의가능성을열어주었다. 그리고 2018 년 3분기부터자국최초의마이크로 LED 파일럿라인을 2억대만달러 ( 약 73억원 ) 을투자하여 LED 칩부터모듈화까지일괄처리할수있게하여대만가상현실 (VR) 업체에마이크로 LED 를공급할예정이다. 미국의애플사는 2014 년럭스뷰를인수하며관련시장에본격적으로발을들였다. 럭스뷰가보유한특허는마이크로 LED 를플렉시블혹은평면기판위에이송하는기술로프로그래밍을통해임의로선택한칩또는어레이만을이송할수있는장점을가지고있다. 모바일 8 인포메이션디스플레이

마이크로 LED 핵심 기술과 응용 레이를 선보여 상용화 가능성을 보여주었다.

23. ITRI에서 발표한 마이크로 LED 가 적용된 0.37인치 스마트 글래스 146인치 모듈러 TV 더 월(The Wall) 을 선보였다.

바이오/헬스 인구 고령화, 웰빙 트렌드 확산, 소득증대에 따른 삶의 질 향상 욕구 증대로 세계 의료기기 시장이 급성장 중에 있으며, 특히 진단, 치료, 수술 및 미용 등 다양한 분야 광 의료기기의 광원으로 LED를 적용한 연구가 활발히 진행

[4] 일본의 소니(SONY)사는 2012년 55인치 TV 폼팩터 로 마이크로 LED 기술을 소개하여 가능성을 타진하였고 2016년 이후 각종 전시회에 CLEDIS(Crsystal LED Dispaly)라는 이름으로 110인치, 220인치,

LED는 산란광원으로서 배광각이 넓어 영상 진단 분야에 적용되어 왔으나, 최근 마이크로 LED의 등 장으로 인해 Photo Therapeutics Ltd.

9 마이크로 LED 핵심 기술과 응용 레이를 선보여 상용화 가능성을 보여주었다.[4,9] 중소형 OLED 디스플레이사업을 주도하고 있는 삼성 디스플레이도 대형 디스플레이 시장의 주도권을 잡기위 하여 대만의 플레이나이트라이드(PlayNitride)와 합작 하여 2018년 CES에서 마이크로 LED 기술을 적용한 그림 23. ITRI에서 발표한 마이크로 LED 가 적용된 0.37인치 스마트 글래스 146인치 모듈러 TV 더 월(The Wall) 을 선보였다. 이에 더불어 중국 디스플레이 업체 BOE도 내년 상반 기에 75인치 8K 액정표시장치(LCD) TV에 마이크로 LED 기술을 적용할 계획을 밝혔다 바이오/헬스 인구 고령화, 웰빙 트렌드 확산, 소득증대에 따른 삶의 질 향상 욕구 증대로 세계 의료기기 시장이 급성장 중에 있으며, 특히 진단, 치료, 수술 및 미용 등 다양한 분야 광 의료기기의 광원으로 LED를 적용한 연구가 활발히 진행 그림 24. 소니사의 초대형 마이크로 LED 디스플레이(CLEDIS) OLED시장의 90%를 삼성디스플레이가 주도하고 있고 애플제품의 가장 높은 생산단가를 차지하는 디스플레이 부품기술을 자사화하여 주도권을 차지하려는 것이 목표 이다.[4] 일본의 소니(SONY)사는 2012년 55인치 TV 폼팩터 로 마이크로 LED 기술을 소개하여 가능성을 타진하였고 2016년 이후 각종 전시회에 CLEDIS(Crsystal LED Dispaly)라는 이름으로 110인치, 220인치, 400인치 제 품 등을 잇달아 소개한 데 이어 2017년 1월 CES에서 세 로 2.7미터 가로 9.7 m의 초대형 마이크로 LED 디스플 되고 있다. LED는 산란광원으로서 배광각이 넓어 영상 진단 분야에 적용되어 왔으나, 최근 마이크로 LED의 등 장으로 인해 Photo Therapeutics Ltd.(영국), Rogers 연구그룹(미국) 및 Light-wave(미국), 한국광기술원 등 선진 연구 그룹을 중심으로 피부, 뇌, 소화기 질환 치료 를 위한 광역학 치료 기기 개발 진행되고 있다.[10,11] 미국의 Rogers 연구그룹에서는 체외부착형 피부치료 에 적합한 스트레처블 광패치 연구결과를 발표하였는데, 적색 마이크로 LED를 3D wavy 패턴을 가지는 유연성 고분자 플라스틱 기판에 집적하여 신축에 따른 발광성능 을 검증함으로서 휴대용 피부치료 기기로의 가능성을 보 여주었다.[10] 한국광기술원에서는 신축성 배선을 가지는 폴리우레 그림 25. 삼성의 마이크로 LED가 적용된 146인치 TV인 더 월 (The Wall) 그림 26. Rogers 연구그룹의 3D wavy 패턴을 가지는 유연성 고분자 플라스틱 기판[10] 2018년 제19권 제1호 9

과전이에의한말기복막암과췌장암의치료를위해복강경과내시경을통해체내에삽입될수있는마이크로광집적캡슐연구가활발히진행되고있다. 3.3. 자동차자동차분야에서 LED 는실내외조명으로서다양한형태의제품으로출시되고있다.

및벤츠등의세계유명브랜드회사를중심으로확대되어갔다. 안정성측면에서운전자의 51% 가야간운전시시야확보의개선을요구하고있으며, 약 20% 정도는야간운전을피하는것으로조사되었다. 또한미국교통부의연구에따르면교통사고의 40% 는야간에발생하며, 사망사고의 20% 이상이일일교통량의 2.

특히최근아우디를비롯해벤츠에서도출시한지능형 ( 적응형 ) 헤드램프는 Matrix 형태의마이크로 LED 를채용하여코너링시야확보및전방장애물이나반대편차선의차량을센싱하여자동으로전조등의방향을변경할수있다.

10 기술특집 그림 27. 한국광기술원에서제시한체내삽입형마이크로광집적캡슐 탄기판에마이크로 LED 를집적화하여여드름, 홍반, 미백, 주름및광선각화증을치료하기위한피부치료용패치의상용화연구를진행하고있으며, 소화기의악성종양 ( 고형암 ) 과전이에의한말기복막암과췌장암의치료를위해복강경과내시경을통해체내에삽입될수있는마이크로광집적캡슐연구가활발히진행되고있다 자동차자동차분야에서 LED 는실내외조명으로서다양한형태의제품으로출시되고있다. 자동차조명의최첨단기술척도로판가름하는 LED 헤드램프는 2007 년부터 일본의 Koito 사와렉서스가 LS600h 모델에세계최초로적용하였고, Full LED 헤드램프로 2008 년독일 Hella 사와아우디가 R8 V10 모델에출시한이후에현대, 캐딜락, 도요타, BMW 및벤츠등의세계유명브랜드회사를중심으로확대되어갔다. 안정성측면에서운전자의 51% 가야간운전시시야확보의개선을요구하고있으며, 약 20% 정도는야간운전을피하는것으로조사되었다. 또한미국교통부의연구에따르면교통사고의 40% 는야간에발생하며, 사망사고의 20% 이상이일일교통량의 2.4% 에불과한 24시부터 06시사이에발생된다고한다. 따라서가시광선과유사한색온도를가지는 LED 헤드램프는안전성향상에크게기여하므로, 그시장은지속적으로확대될것으로예상하고있다. 특히최근아우디를비롯해벤츠에서도출시한지능형 ( 적응형 ) 헤드램프는 Matrix 형태의마이크로 LED 를채용하여코너링시야확보및전방장애물이나반대편차선의차량을센싱하여자동으로전조등의방향을변경할수있다. 따라서운전자들의시야확보를통해안전운행이가능하도록하는기술로시장이지속적으로확대되고있다. [12] 3.4. 통신 LED 통신은 400 nm ~ 780 nm 범위의 LED 파장과수신감지소자사이에반송파형태의정보를교환하는가시광통신 (VLC, visible light communication) 으로 1990 년대부터제안되어왔다. 현재는 OWC(optical wireless communication) 표준을 IEEE에서재정하여정보수신소자를 PD(photodiode) 뿐만아니라이미지센서까지적용할수있도록 LED-ID, OCC(optical camera communication) 및 Li-Fi(light fidelity) 3가지로분류하고있다. 이에따라기존 VLC 응용제품이었던조명에서시스템조명, 모바일기기, 신호등, 자동차, 스 그림 28. 지능형 ( 적응형 ) 헤드램프 그림 29. 마이크로 LED 와일반 LED 의동작속도차이 10 인포메이션디스플레이

마이크로 LED 핵심기술과응용 그림 30. OCC 자동차응용기술 크린, 디스플레이및디지털사이니지등으로 OWC 응용분야가확대될것으로기대하고있다. 특히 OCC 는송신부 LED 와수신부이미지센서를적용한통신기술로일반적인카메라에도적용이가능한기술로서상용화에가장근접한통신방식이다.

또한빠른스위칭속도를구현할수있어대용량 Data 서비스가필요한분야에수십 Gbps 의 Data 를전송할수있을것으로기대하고있다. 참고문헌 [ 1 ] Yole development, MicroLED Display Report, YDLS17003, 1 (2017).

[ 5 ] Hoon-sik Kima,Eric Bruecknerb, Jizhou Songc, Yuhang Lid, Seok Kim, Chaofeng Lud, Joshua Sulkin, Kent Choquette, Yonggang Huang, Ralph G. Nuzzoa, and John A. Rogers, PNAS, 10072, 108, no.

11 마이크로 LED 핵심기술과응용 그림 30. OCC 자동차응용기술 크린, 디스플레이및디지털사이니지등으로 OWC 응용분야가확대될것으로기대하고있다. 특히 OCC 는송신부 LED 와수신부이미지센서를적용한통신기술로일반적인카메라에도적용이가능한기술로서상용화에가장근접한통신방식이다. 카메라의해상도및 Frame rate 에의해결정되는수 Kbps 의통신데이터로모바일, 자율주행, 교통신호체계및디스플레이기기와연동하여여러정보를주고받을수있으나, 응용분야별외란광간섭제거및통신속도증가연구가필요한상황이다. [13] 마이크로 LED 를광원으로적용한 OWC 송신기기는 ua 단위의저전력동작이가능하기때문에집적화부품과시스템의크기를작게할수있다. 또한빠른스위칭속도를구현할수있어대용량 Data 서비스가필요한분야에수십 Gbps 의 Data 를전송할수있을것으로기대하고있다. 참고문헌 [ 1 ] Yole development, MicroLED Display Report, YDLS17003, 1 (2017). [ 2 ] Ja-Yeon Kim, Yoo-Hyun Cho, Hyun-Sun Park, Min-Ki Kwon, Scientific Reports, Submitted (2018). [3] 김자연, LED 융복합핵심기술세미나, LED 디스플레이기술동향, (2017). [4] 조정선, ICT SPOT ISSUE, 7 호 (2017). [ 5 ] Hoon-sik Kima,Eric Bruecknerb, Jizhou Songc, Yuhang Lid, Seok Kim, Chaofeng Lud, Joshua Sulkin, Kent Choquette, Yonggang Huang, Ralph G. Nuzzoa, and John A. Rogers, PNAS, 10072, 108, no. 25 (2011). [6] Sang-Il Park, Yujie Xiong, Rak-Hwan Kim, Paulius Elvikis, Matthew Meitl, Dae-Hyeong Kim, Jian Wu, Jongseung Yoon, Chang-Jae Yu, Zhuangjian Liu, Yonggang Huang, Keh-chih Hwang, Placid Ferreira, Xiuling Li, Kent Choquette, and John A. Rogers, Science, 325, 977 (2009). [ 7 ] US patent 9, 105, 492 [8] M. Cooke, Semiconductor TODAY Compounds & Advanced Silicon, 6, 100 (2011). [ 9 ] International Consumer Technology Association 전시회 (Las Vegas, CES 2017). [10] D. Kim, N. Lu, Y. Huang, and J. A. Rogers, Materials Research Society, 37 (2012). [11] P. H, S. Lee, S. Park et al. Eur J Cancer, 50, 1259 (2014). [12] D.Priyanka, J.D. Nanaware, International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication, 3, 1599 (2015). [13] S. Teli ; W. A. Cahyadi ; Y. Chung, IEEE Communications Magazine, 55, 156 (2017). 저자약력 김자연 2008년 : 광주과학기술원신소재공학과박사 2010년 : UCDavis 박사후연구원 2011년 ~ 현재 : 한국광기술원선임연구원 관심분야 : 마이크로 LED 칩공정, 전사및본딩공정및소재 / 장비, 스트레처블디바이스 사기동 2005년 : 영남대학교전자공학석사 2005 년 ~2010 년 : 이수페타시스주임연구원 2010 년 ~2013 년 : 한국모토로라전임연구원 2013년 ~2014년 : 삼성테크윈책임연구원 2014년 ~ 현재 : 한국광기술원선임연구원 2015년 : 전남대학교전자공학박사수료 관심분야 : 마이크로광원패키징, 스트레처블디바이스, 임플란터블디바이스, RF-DC 전력변환모듈, 바이오헬스시스템 2018 년제 19 권제 1 호 11

[Summary] 다양한 IT 기기발전에따라최적의디스플레이를적용하기위한개발경쟁치열 1인치이하의초소형디스플레이에서부터 200인치이상의초대형디스플레이적용을위한디스플레이산업의경쟁가속 초소형크기의 LED 소자를디스플레이로활용하기위한마이크로 LED 기술에주목 칩크기가마이크로미터

2017. 07. 03. (17-51 호 ) 차세대디스플레이로주목받는마이크로 LED 마이크로LED의개요및특징 마이크로LED의디스플레이응용 마이크로LED 디스플레이관련업체동향 향후전망 [Summary] 다양한 IT 기기발전에따라최적의디스플레이를적용하기위한개발경쟁치열 1인치이하의초소형디스플레이에서부터 200인치이상의초대형디스플레이적용을위한디스플레이산업의경쟁가속