바이오인

핵심내용

웨어러블 디스플레이용 고성능 투명 반도체 기술 개발
- 기존 반도체 제작 공정 그대로 적용 가능하여 제작상의 효율성 증대 -

□ 한국연구재단은 박상희, 이건재 교수(KAIST) 연구팀이 레이저 박리 기술을 활용해 기존의 딱딱한 유리 기판에 제작된 투명한 고성능 전자소자를 유연기판으로 전사*하여 피부에 부착 가능한 고성능 유연 디스플레이 구동회로를 구현하는데 성공하였다고 밝혔다.
   * 전사 : 어떤 기판에서 제작된 패턴이나 구조물을 손상 없이 떼어내어 다른 기판으로 옮기는 방법.

□ 사물인터넷(IoT)* 시대가 본격적으로 도래함에 따라 정보의 상호교환 매체인 웨어러블(Wearable) 스마트 디바이스의 중요도가 높아지고 있다. 특히 가상·증강현실 분야와 관련하여 피부 부착형 웨어러블 기기 적용이 가능한 차세대 투명 유연 디스플레이가 각광받고 있다.
   * 사물인터넷(Internet of Things, IoT) : 가전제품, 모바일 장비, 웨어러블 컴퓨터 등 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술을 의미.

 o 그러나 기존의 유연 디스플레이는 성능과 형태 등의 불완전함으로 상용화에 어려움이 따랐다. 유연하지만 고온에 약한 플라스틱 기판을 이용하여 직접 제작을 하였으므로, 고온 공정에서 제작된 다른 디스플레이에 비해 성능이 떨어졌던 것이다. 또한 불투명한 플라스틱 기판 위에 직접 제작을 하였기 때문에 투명도도 매우 낮았다.

□ 이에 이건재 교수팀은 레이저 박리 기술을 활용하여 고온 공정을 거쳐 제작된 고성능 반도체 산화물을 떼어내어 초박막 유연 기판 위에 전사하는 공정을 개발하였다. 이 과정을 통해 높은 성능을 지닌 투명 산화물 유연 박막 트랜지스터 구현이 가능하였다.

 o 고온열처리가 가능한 유리 기판 위에 레이저에 반응하는 희생층*을 형성 후, 기존 산업계에서 사용되는 반도체 공정으로 고품질의 화면 구성이 가능한 액티브 매트릭스 구조**의 산화물 반도체를 제작하였다.
   * 희생층 : 레이저에 반응하는 보조 박막층. 레이저에 반응하여 제거됨으로써 상부의 소자를 모 기판으로부터 떨어지도록 해준다.
   ** 액티브 매트릭스 구조 : 디스플레이 상에 존재하는 픽셀을 개별적으로 직접 구동이 가능한 구조로, 화면이 밝고 색상의 표현이 매우 자유로워 고품질의 화면 구성이 가능한 디스플레이 구동 방식.

 o 위 기판으로부터 분리해 낸 반도체 소자를 투명한 초박막 유연기판(4μm, 머리카락 두께의 25분의 1)에 전사함으로서 유연하고 투명한 고성능의 산화물 기반 디스플레이 구동회로를 구현해냈다.

 o 특히 개발된 산화물 반도체 소자는 구부린 상태에서도 이동도가 40 *로 유지되었다. 이는 형태 변형을 가함에도 불구하고 반도체 소자의 전하 이동 속도가 안정적으로 유지될 수 있음을 뜻한다.
   * 이동도 (단위  ) : 트랜지스터 채널 내부 전하의 이동 속도. 디스플레이의 고해상도화가 될수록 트랜지스터의 전기 신호처리가 빨라야하므로 이동도가 높을수록 유리하다.

□ 이건재 교수는 “위 방식은 기존 디스플레이 제조 공정을 그대로 이용할 수 있다는 것이 큰 장점이다. 또한 레이저 박리를 통하여 유연 기판에 전사하는 기술이 소자의 종류나 크기에 제한 없이 적용 가능하다는 점은 웨어러블 전자기기 실용화 가능성을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.”며 연구의 의의를 밝혔다.

□ 미래창조과학부 선도연구센터지원사업의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 세계적인 과학 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 7월호 표지논문으로 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보
   - 논문명 : Skin-Like Oxide Thin-Film Transistors for Transparent Displays
   - 저자 정보 : Han Eol Lee, Seungjun Kim, Jongbeom Ko, Hye-In Yeom, Chun-Won Byun, Seung Hyun Lee, Daniel J. Joe, Tae-Hong Im, Sang-Hee Ko Park*, and Keon Jae Lee*

□ 논문의 주요 내용
 1. 연구의 필요성
   ○ IoT 시대의 도래와 함께 정보의 상호교환이 중요해지면서, 가상·증강현실 및 피부부착형 웨어러블 분야에 적용이 가능한 차세대 투명 유연 디스플레이가 각광받고 있음.
   ○ 현재까지 유연 디스플레이는 불투명한 플라스틱 기판에 직접 제작되었기에 투명도가 낮고, 성능이 좋지 않아 상용화에 어려움이 있었음.

 2. 발견 원리
   ○ 고온열처리가 가능한 기판위에 레이저에 반응하는 희생층을 형성한 후, 기존 디스플레이 산업계에서 사용되던 반도체 공정을 이용하여 고성능의 투명 산화물 반도체 구동회로를 제작함.
   ○ 기판 뒷면을 통해 레이저를 희생층에 조사하여 산화물 반도체만을 기판으로부터 분리해내 이를 투명한 초박막 유연 기판 (4μm, 머리카락 두께의 25분의 1)에 전사함.

3. 연구 성과
   ○ 레이저 박리기술을 이용하여 피부에 부착 가능하고 자유자재로 구부릴 수 있는 고성능 투명 유연 디스플레이 구동회로를 구현하는데 성공함.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
  ㅇ 사물인터넷(IoT) 시대가 본격적으로 시작됨에 따라 정보의 상호교환 매체인 웨어러블·스마트 디바이스의 중요도가 높아지고 있다. 특히 가상·증강현실 등 IoT 관련 다양한 분야에 적용이 가능한 차세대 투명 유연 디스플레이가 각광받고 있다. 하지만 현재까지 개발된 유연 디스플레이는 불투명 플라스틱 기판 위에 직접 제작하기 때문에 투명도가 매우 낮고, 공정 온도의 한계로 인하여 성능도 좋지 않다는 단점을 갖는다.

 2. 연구내용
  ㅇ 본 연구에서는 레이저 전사기술을 활용해 고온 공정을 거친 고성능 유연 반도체 무기물질을 초박막 유연 기판 위에 전사하여 기존의 한계를 극복할 수 있는 공정을 개발하였고 이를 통해 고성능 투명 산화물 박막 트랜지스터 어레이를 구현하였다. 그림 1의 (a)는 이번 연구의 개략도를 보여준다. 고온 열처리가 가능한 기판위에 레이저에 반응하는 희생층을 형성한 후, 반도체 공정을 이용해 액티브 매트릭스 구조의 고성능 투명 산화물 박막 트랜지스터 어레이를 제작하였다. 기판 뒷면에 레이저를 조사하여 전자 소자만을 기판으로부터 분리해내 이를 4 μm 두께의 초박막 유연기판에 전사함으로써 무기소재 기반 유연 산화물 트랜지스터를 완성한다. 그림 1의 (b)는 완성된 유연 산화물 트랜지스터를 보여준다. 사진은 초박막 유연기판에 전사된 소자가 일상복 및 피부에 쉽게 부착이 가능 하다는 것을 보여주고 있으며, 다른 대면적 전자소자제작에도 응용되어 웨어러블 전자기기 실용화 가능성을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
그림 2의 (a)는 차세대 디스플레이 구동 소자로서 주목받고 있는 산화물 박막 트랜지스터를 보여주고 있다. 산화물 박막 트랜지스터 소자는 하부 게이트 구조로 간단한 제조 공정을 통해 제작이 가능하였다. 제작은 상용화되어있는 반도체 공정을 이용하였으며 무기물 소재를 활용하였기에 고온 열처리가 가능하다는 장점을 가진다. 그림 2의 (b)는 유연기판 상에서 박막 트랜지스터의 구동을 보여주고 있으며 고이동도를 지니고 있어 액티브 매트릭스 구조의 디스플레이 회로를 완벽하게 작동시킬 수 있을 것으로 기대된다.
그림 3은 유연 소자의 기계적 특성 실험 결과를 보여준다. 그림 3의 (a)는 유연 플라스틱 기판에 전사된 산화물 트랜지스터가 굽힘반지름(bending radius) 및 굽힘 방향의 변화에도 정상적으로 작동함을 보여준다. 그림 3의 (b)는 7.5 mm의 굽힘반지름에서 유연 산화물 트랜지스터를 5000회 기계적 피로 시험을 진행하였을 때 특성의 저하 없이 작동하였음을 보여주고 있다.
레이저 박리 공정이 대면적 디스플레이 구동회로에도 적용이 가능함을 확인하기 위해 액티브 매트릭스 구조로 제작된 산화물 트랜지스터 어레이를 전사하였다. 그림 4는 유연 플라스틱 기판에 전사된 산화물 트랜지스터 기반의 디스플레이 백플레인 이미지를 보여주고 있다. 전사된 액티브 매트릭스 구조는 디스플레이의 각 픽셀이 유동적으로 구동이 가능하며 유연 발광다이오드(LED) 와의 전기적 연결을 통하여 디스플레이 구동이 가능할 것으로 기대된다.

3. 기대효과
  ㅇ 이번 연구에서 개발된 레이저 박리 기술을 이용한 유연 전자 소자 제작 기술은 고온 공정을 거친 고성능 산화물 반도체 소자를 유연기판에 적용할 수 있었다. 뿐만 아니라 본 기술은 기존에 확립된 반도체 공정과의 호환성이 높고, 크기 제한이 없어 고성능 무기물질 기반의 디스플레이 구동 소자를 유연 플라스틱 기판으로 전사 하는 데에 응용될 수 있었고, 더 나아가 복잡한 전자 회로들도 전사가 가능할 것으로 기대되어 웨어러블 전자기기의 실용화 가능성을 앞당길 수 있을 것으로 생각된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존의 여러 연구들에서 가상·증강현실 및 피부부착형 웨어러블 분야에 적용이 가능한 투명 유연 디스플레이에 대한 연구결과가 발표되었다. 하지만 현재까지 유연 디스플레이는 불투명한 플라스틱 기판에 직접 제작되었기 때문에 투명도가 낮고, 성능이 좋지 않아 상용화에 어려움이 있었다. 본 연구팀은  레이저 박리 기술을 이용하여 고온공정이 필요한 무기 반도체 소자(유연 메모리 및 에너지 하베스팅 소자)를 성공적으로 구현한 경험이 있다. 범용성이 높은 레이저 박리 기술이 고성능 투명 유연 디스플레이 구현에 사용될 수 있을 것으로 예상되어 본 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

웨어러블 디바이스의 기판 필름으로 사용되고 있는 것으로는 폴리이미드 (PI) 필름으로 내열성이 좋으나, 투명도가 낮고 복굴절이 있다는 문제점이 있다. 지금까지 진행된 연구로 Phillips 사의 EPLaR(Electronics on Plastic by Laser Release)기술이 있다. 이는 폴리이미드 (PI)를 유리에 코팅하여 필름화하고, 그 위에 디스플레이를 형성한 뒤 레이저를 조사하여 PI를 박리하는 기술이다. 이 기술은 curved AMOLED 제품에 적용되고 있으나 아직까지는 PI 기판의 색, PI의 높은 가격, PI 필름화의 어려움, PI lift 공정의 어려움, 소자 제작 온도의 제한 등 다양한 문제를 지니고 있다. 그러므로 소자의 성능에 전혀 영향을 주지 않을 뿐만 아니라 370 x 470 mm2 이상의 대면적의 기판을 빠른 속도로 전사하는 기술의 개발은 이제 곧 도래할 웨어러블 시대에 가장 필요한 핵심 요소 기술이다. 본 연구팀은 웨어러블 디바이스 구현에 적용이 가능한 기술 연구를 진행해왔다.
연구진은 고온열처리가 가능한 기판위에 레이저에 반응하는 희생층을 형성한 후, 디스플레이 반도체 공정을 이용하여 고성능의 투명 산화물 반도체 구동회로를 제작하였다. 다음으로 연구진은 기판 뒷면을 통해 레이저를 희생층에 조사하여 산화물 반도체만을 기판으로부터 분리해내 이를 투명한 초박막 유연 기판 (4μm, 머리카락 두께의 25분의 1)에 전사함으로써, 피부에 부착 가능하고 자유자재로 구부릴 수 있는 고성능 유연 디스플레이 구동회로를 구현하는데 성공하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

기판을 통하여 레이저가 조사되고 희생층이 반응을 일으키게 되면, 희생층에선 순간적으로 수 천 도에 육박하는 온도를 갖게 된다. 또한 희생층의 기체 생성 반응에 의하여 들어 올려진 상부의 박막 전자소자는 응력을 받게 된다. 이와 같은 문제를 최소화하기 위하여 희생층과 전자소자 사이에 열전도도가 낮고 강도가 높은 세라믹 물질 기반 버퍼층을 넣어 소자를 보호하는 과정이 필요했다. 버퍼층은 열과 응력에 강해야할 뿐만 아니라, 상부의 소자에 따라 대기 중의 수분, 산소에 강해야할 필요가 있기에 이를 최적화하는 데에 어려움이 있었다. 이는 FEM (Finite Element Method) 시뮬레이션을 통해 레이저 박리 공정을 분석하였고, 버퍼층의 물질 및 두께 등을 최적화 할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에 연구된 유연 디스플레이는 불투명하고 성능이 낮아, 이를 해결하기 위한 시도가 계속 되어왔다. 하지만 고온공정이 필수적인 무기물질의 특성 및 기판으로 사용되는 폴리머 물질이 열에 약해 무기물질을 활용한 고성능 소자를 구현하는 것이 큰 난관을 겪어왔다. 본 연구는 기존 상용화된 디스플레이 반도체 공정을 그대로 사용하여 고온 열처리를 거친 고성능 무기 반도체 물질을 대면적 투명 유연 기판에 그대로 전사할 수 있다는 점에서 고성능 투명 유연 디스플레이 실용화에 큰 발판이 될 수 있을 것으로 기대된다.

...................(계속)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.