국민대학교(총장 정승렬) 화학과 도영락 교수 연구팀이 차세대 디스플레이 핵심 기술로 주목받는 초소형 마이크로-나노 LED(micro-/nano-LED) 분야에서 가장 큰 기술적 난제를 해결할 새로운 원천 기술을 제시했다.
연구팀은 하향식(top-down) 나노공정 기반 Fin-LED 구조에 자외선(UV) 조사에 의해 유도되는 수분 흡착(UV-irradiated moisture adsorption, UVIMA) 방식의 표면 제어 기술을 도입함으로써 5μm 이하 초소형 LED에서 불가피하다고 여겨졌던 치명적인 효율 저하 문제를 근본적으로 개선할 수 있음을 입증했다.
마이크로-나노 LED는 유기 발광 다이오드(OLED) 대비 더 높은 밝기와 긴 수명, 우수한 에너지 효율을 갖춘 차세대 디스플레이 기술로 평가받고 있다. 그러나 칩 크기가 수 마이크로미터 이하로 미세화될수록 건식 식각 공정에서 발생하는 Shockley-Read-Hall(SRH) 결함 및 dangling bond 기반 표면 결함으로 인해 비발광 재결합이 증가하고, 그 결과 발광 효율이 급격히 저하되는 문제가 있었다. 기존의 SiO₂ 및 Al₂O₃ 무기 나노 박막 코팅 기반 패시베이션 기술은 일부 SRH 결함 완화에는 효과적이었으나 가장 치명적인 dangling bond 문제에 대해서는 근본적인 해결책을 제시하지 못해 5μm 이하 초소형 LED 상용화에 주요 난제로 남아 있다.
연구팀은 이러한 난제를 극복하기 위해 저손상 건식 식각-습식 식각-UVIMA를 결합한 순차적 나노공정을 새롭게 설계했다. 특히 UVIMA 공정은 자외선 조사 과정에서 공기 중 수분을 광화학적으로 활성화해 LED 표면에 화학적으로 흡착시키는 방식을 사용하며, 이를 통해 식각 과정에서 형성되는 dangling bond를 효과적으로 안정화하는 것이 핵심이다. 이 과정에서 기존 GaN 기반 마이크로-나노 LED에서는 거의 활용되지 않았던 지연 발광 메커니즘이 활성화되며, SRH 결함 및 dangling bond에 포획돼 비발광 손실로 간주되던 전자를 다시 발광에 기여하는 새로운 경로로 전환시킨다.
연구팀은 시간분해 발광(TRPL) 및 온도의존 발광(TDPL) 분석과 다양한 결정구조 분석을 통해 결함이 단순한 손실원이 아니라 발광 효율 향상에 기여하는 요소로 전환될 수 있음을 실험적으로 입증했다. 그 결과, sub-5 μm 마이크로-나노 크기의 InGaN/GaN Fin-LED에서 내부 양자 효율 70.9%, 외부 양자 효율 16.5%, 전기발광 휘도 약 18,000cd/m²를 달성하며 초소형 마이크로 LED가 산업적 활용이 가능한 성능 수준에 도달했음을 명확히 보여주었다.
또한 Fin-LED 구조는 유전영동(dielectrophoretic) 기반 조립 기술을 통해 전극 위에 정렬 배치가 가능해 초고해상도 픽셀 제조 공정으로의 확장성도 확보했다. 연구팀은 64×64 sub-pixel 패시브 매트릭스 이미지 구현을 통해 손목시계 및 자동차용 디스플레이는 물론 고해상도 디스플레이 응용 가능성을 실험적으로 확인했다.
도영락 교수는 “초소형 LED의 성능 한계는 미세 공정에서 발생하는 SRH 표면 결함과 dangling bond에서 비롯된다”며 “이번 연구는 UV와 물 기반의 광화학적 표면 제어 기술을 통해 지연 발광이라는 물리적 메커니즘을 활용함으로써 마이크로ㆍ나노 LED에서도 상용화 수준의 효율 구현이 가능함을 보여준 점에서 큰 의미가 있다”고 밝혔다.
이번 연구에는 국민대학교 화학과 이승제 박사가 제1저자로 참여했으며, 한국전자기술연구원, 경희대학교, 홍익대학교가 공동 연구기관으로 함께했다. 연구 결과는 국제 저명 학술지 Nano Energy 온라인판에 게재됐으며, 한국연구재단과 Keit 한국산업기술기획평가원의 지원을 받아 수행됐다.
본 성과는 5 μm 이하 마이크로-나노 LED 디스플레이에서 가장 큰 장애 요소였던 효율 저하 문제를 메커니즘 수준에서 해결한 나노공정 기반 광기술 플랫폼으로, 향후 고해상도 무기발광 디스플레이 및 차세대 패널 산업 전반에서 저비용ㆍ고효율 micro-/nano-LED 상용화를 가속화할 핵심 원천 기술로 기대를 모으고 있다.
이원지 기자 news21g@etnews.com
