- 신소재공학과 이건재 교수, 마이크로진공 흡입력을 조절해 대량의 초소형 무기물 반도체 칩을 선택적으로 옮기는 전사 공정 가능

- 마이크로 LED 디스플레이 및 면 발광 피부미용 패치 상용화 연구 진행

▲KAIST 신소재공학과 이건재 교수

기존 OLED 등과 비해 전기적·광학적 특성이 우수한 마이크로 LED는 머리카락 두께인 100마이크로미터(μm) 이하 크기의 무기물 LED 칩을 활용하는 차세대 디스플레이용 광원이다. 마이크로 LED의 상용화를 위해선 성장 기판에 배열된 대량의 마이크로 LED 칩을 최종 기판의 정확한 위치에 원하는 배열로 옮기는 ‘전사 공정’이 가장 중요한 핵심기술이지만, 기존 전사 기술들은 별도의 접착제 사용, 정렬 오차, 낮은 수율, 칩 손상 등으로 마이크로 LED 상용화에 많은 어려움이 존재했다. 

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 이건재 교수 연구팀이 마이크로진공 흡입력을 조절해 대량의 마이크로 LED 칩을 색깔별 원하는 칩들만 선택적으로 전사하는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 

이 교수팀은 레이저빔 조사시 물질 특성을 조정하여 식각하는 레이저 유도 에칭(Laser-induced etching, LIE) 기술을 활용해 미세 관통홀을 유리 기판에 초당 7,000개 속도로 형성했고, 이를 진공 채널에 연결해 미세진공 흡입력을 발생시켜 마이크로 LED를 전사하는 데 성공했다. 이 기술은 기존 전사 기술 대비 뛰어난 접착력 전환성을 달성하였으며, 다수의 진공 채널별 독립적인 진공 조절을 통해 대량의 마이크로 LED 칩을 선택적으로 전사하였다. 또한 다양한 재료, 크기, 모양, 두께를 지닌 초소형 반도체 칩들을 칩 손상 없이 임의의 기판에 높은 수율로 전사할 수 있었다. 

이건재 교수는 “이번에 개발된 마이크로진공 전사 기술은 가파르게 성장하는 마이크로 LED 시장에서 높은 생산 원가를 절감하고 중저가 마이크로 LED 제품 양산화의 핵심 기술로 활용될 것이 기대된다”면서, “현재 얇은 핀으로 칩을 들어 올리는 이젝터 시스템을 적용해 대량의 상용 마이크로 LED를 전사하고, 이를 통해 차세대 디스플레이(대형 TV, 유연․신축성 기기 등) 뿐만 아니라 광-바이오 융합형 미용 면발광 패치 상용화를 진행 중이다”라고 말했다.

한편 이번 연구는 웨어러블플랫폼 소재기술 센터, 중견연구자지원사업, 소부장 전략협력 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 11월 26일 자 출판됐다.

□ 용어 설명

1. 마이크로 LED (Micro light-emitting diodes)

○ 기존 LED의 칩 크기를 100μm 이하로 줄인 초소형 LED 칩을 자발광 방식으로 구동하는 광원을 말한다.

2. 전사 기술

○ 성장기판 또는 임시기판에 배열된 초소형 반도체 칩을 선별적으로 들어올려 원하는 최종기판에 내려놓는 공정을 말한다.

3. Laser-induced etching (LIE)

○ 유리 또는 쿼츠 (Quartz) 기판에 레이저를 조사하면 기판 내의 물리적 결함 및 화학적 결합 특성 변화가 발생하고 레이저 조사 후 진행되는 화학적 식각 공정에서 레이저 조사영역이 비조사영역 대비 수십 배 빠른 식각 속도를 나타내게 된다. 이를 이용하여 기판에 고종횡비의 완전관통 구멍을 형성하거나 복잡한 3차원 구조체를 형성하는 공정을 말한다. 

4. 진공 전사 모듈 (Vacuum transfer module)

○ 마이크로진공 전사 공정 중 초소형 반도체 칩과 맞닿아 칩을 직접 들어 올리고 최종기판에 내려놓는 전사 매개체를 말한다. 칩을 들어 올리는 과정에서는 진공 전사 모듈 내 진공을 형성해주어 반도체 칩에 진공 흡입력이 작용하도록 하고, 칩을 내려놓는 과정에서는 모듈 내 진공을 해제함으로써 진공 흡입력이 사라지게 한다.

5. 접착력 전환성 (Adhesion switchability)

○ 전사 기술에서 가장 중요한 지표 중 하나로, 칩을 들어 올리고 내리는 과정에서 전사 모듈이 낼 수 있는 가장 강한 접착력과 가장 약한 접착력 간의 비율을 말한다.

6. Pick-and-place

○ 기존 전사 기술 중 하나로 수백 μm 수준의 진공관을 이용하여 반도체 칩에 진공 흡입력을 가하고, 이를 통해 반도체 칩을 하나하나씩 최종기판으로 옮기는 전사 기술을 말한다.

7. 이젝터 시스템 (Ejector system)

○ Pick-and-place 공정에서 사용되는 시스템으로, 반도체 칩 상부에서는 진공관을 통한 진공 흡입력이 작용하는 동시에, 반도체 칩 하부에서는 미세한 핀으로 칩을 위로 밀어 올려줌으로써 칩이 진공 흡입력에 의해 더욱 원활히 들어 올려지게끔 하는 시스템을 말한다.