차세대 디스플레이로 꼽히는 마이크로LED를 상용화 하는데 대표적인 두 가지 걸림돌은 효율이 떨어진다는 것, 대량 전사(mass transfer) 방법이 없다는 것이다.


▲고해상도 마이크로LED 디스플레이 적용이 예상되는 VR 기기. /LG디스플레이 블로그


삼성전자가 지난달 이를 해결할 기반 기술 투자를 단행했다. ‘사파이어 나노 멤브레인’ 박막을 이용하는 이 기술은 실제 상업화 됐을 때 공정 비용 등을 고려해 우선 작은 화면에 2500ppi(인치당 픽셀수) 고해상도를 구현하는 가상현실(VR) 디스플레이에 적용될 예정이다. 하지만 마이크로LED의 대표 난제를 풀 수 있는 단초를 제공할 수 있다. 



멤브레인 구조물 위로 LED 성장, 웨이퍼레벨 전사


사파이어 나노 멤브레인 기술은 약 26나노미터 두께의 얇은 구조물 위에 마이크로LED를 성장시키는 방식이다. 이렇게 생산된 웨이퍼를 테스트하고, 불량 부분을 보정한 다음 LED 칩을 각각 절단(singulation) 하지 않,고 웨이퍼 상태에서 그대로 뒤집어 실리콘 기반 상보성금속산화물(Si-CMOS) 기판으로 옮긴다. CMOS 기판은 스위칭 소자가 이미 형성돼 있어 별도 박막트랜지스터(TFT) 기판이 필요없다. 


접합 후에 사파이어 멤브레인 구조물 부분은 살살 문지르는 등 물리적인 방식으로 제거할 수 있다. 


▲사파이어 나노 멤브레인 공정 개념도. /KIPOST


삼성과 공동 개발을 진행 중인 윤의준 서울대 교수는 “이 기술 개발에 성공하면 한번에 약 100만개 마이크로LED 칩을 전사할 수 있을 것”이라고 기대했다.



칩 절단으로 인한 문제 해결


현재 LED나 마이크로LED는 편평한 사파이어 기판 위에 GaN 층을 성장시키고, 전극을 형성한 다음 낱개로 분리하는 절단 공정을 거친다. 절단 후 양품을 골라 패키지하고 전사한다.


마이크로LED는 이 때 두 가지 문제가 생기는데, LED 칩을 절단했을 때 측면이 노출해 외부양자 효율이 감소한다. 현재 디스플레이에 쓰이는 LED칩의 외부양자효율이 70~80% 정도인데, 칩 크기가 10μm 이하로 줄면 외부양자효율은 9.5% 수준으로 뚝 떨어진다.


또 칩을 절단하기 위해 식각(에칭)하면 절단면 손실(kerf loss) 부분이 발생한다. 발광부가 5μm 크기인 마이크로LED 칩을 얻으려면 실제로 웨이퍼의 다이 크기는 7μm 정도가 돼야 한다. GaN 같은 고가 소재의 재료비 약 40%가 손실된다. 


▲절단부는 재료가 깎여나가 절단손실(kerf loss)이 생긴다. /ESAB 홈페이지 


사파이어 나노 멤브레인 기술은 연구실 수준 테스트로는 이 문제를 한꺼번에 해결할 수 있고, 칩 크기 조절도 자유로운 것으로 알려졌다.

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