초소형 마이크로 LED 집적도 한계 돌파할까

연꽃에서 힌트 얻은 전도성 접착제 개발, 유연 전자소자 고밀도 집적에 적용

□ 회로의 집적도 한계를 돌파할 똑똑한 전도성 접착제가 개발됐다.

ㅇ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김태일 교수(성균관대 화학공학 /고분자 공학부) 연구팀이 삼성전자 연구진과 함께 초소형(전극 15μm) 전자소자의 고밀도 집적을 위한 전도성 접착제를 개발했다고 밝혔다.

□ 소자가 마이크로 단위가 되면 소자 간 거리도 좁아지고 전극도 작아져, 소자의 배열이나 전극과의 연결이 더 까다로워진다.

ㅇ 금속와이어나 전도성 필름을 이용한 패터닝 방식이 소자의 구성요소(LED, 트랜지스터, 저항 등)를 기판에 집적하는 데 주로 쓰인다.

□ 하지만 이러한 방식은 고온․고압에서 진행되어 기판이 변형될 수 있는 유연한 기판에는 적용하기 어렵다.

ㅇ 유연함이 필요한 웨어러블 디바이스나 초소형 신경자극소자 같은 생체 의료기기에 활용하기에 한계가 있었다.

□ 이에 연구팀은 저온․저압에서 전도성 접착제를 이용, 머리카락 굵기보다 작은(30μm×60μm) 마이크로 LED 수천 개를 유연기판 위에 집적하는 데 성공했다.

ㅇ 신용카드보다 작은 기판(5cm x 5cm)에 100μm 간격으로 60 만개의 마이크로 LED를 배열할 수 있는 수준으로, 기존 상용기술 대비 20배 이상 집적도를 향상시킨 것이다.

□ 비결은 고분자 접착제와 나노금속입자로 만든 전도성 접착제를 이용해 소자와 소자 또는 소자와 전극을 수직으로 연결한 것이다.

ㅇ 스핀코팅이나 UV 노광 같은 비교적 간단한 공정을 이용하는데다 공정의 온도와 압력을 100℃, 1기압 이하로 내려 기판에 미치는 물리적 영향을 줄였다.

□ 그 결과 수 천 개 이상의 초소형 마이크로 LED를 99.9% 이상의 고수율을 유지하며 대면적으로 전사할 수 있었다.

ㅇ 나아가 급격한 온도 변화에 의한 열충격이나 고온다습 환경에서의 신뢰성에 대한 테스트를 통해 결합의 안정성을 확인하였다.

□ 연구팀은 연꽃표면에서 물을 튕겨내는 발수현상에서 힌트를 얻어 접착제 표면의 습윤성(wettability)을 조절할 수 있음을 이용했다.

ㅇ 기판을 덮은 유동성 있는 얇은 접착제 피막의 안정성이 피막의 두께나 소자, 전극의 표면특성에 따라 달라져 서로 접촉하거나 떨어지도록 조절한 것이다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 뇌과학원천기술개발사업과 삼성전자 삼성미래육성사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 소재분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 4월 16일 게재(표지논문)되었다.