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| 마이크로 LED ‘조립-수리-전사’ 통합 플랫폼. |
국민대학교(총장 정승렬) 화학과 도영락 교수 연구팀이 차세대 디스플레이의 핵심 소자인 마이크로 발광다이오드(Micro-LED)를 원하는 위치와 방향으로 정밀하게 조립하고, 잘못 배치된 소자를 수리한 뒤 다른 기판으로 전사할 수 있는 통합 조립 기술을 개발했다.
이번 연구는 마이크로 LED 상용화의 주요 과제로 꼽히는 대량 정렬(Mass Assembly), 칩 방향 제어, 불량 픽셀 수리, 대량 전사 등 여러 제조 공정을 하나의 물리적 정렬 플랫폼에서 연계할 수 있는 방법을 제시했다.
마이크로 LED는 높은 밝기와 에너지 효율, 빠른 응답속도, 긴 수명 등의 장점을 갖고 있다. 그러나 대면적·고해상도 디스플레이를 구현하려면 방대한 수의 마이크로 LED 칩을 정확한 픽셀 위치에 배치해야 한다. 특히 유체 조립 과정에서 높은 전사 수율을 확보하더라도 칩의 오배치나 방향 오류가 발생할 수 있어, 이를 효과적으로 수리하는 기술이 중요한 과제로 남아 있다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 유전영동(Dielectrophoresis, DEP)에 주입-흡입 프린팅(Injection-Suction Printing, ISP)을 결합한 ‘유전영동 기반 주입-흡입 프린팅(DEP-ISP)’ 기술을 개발했다. 이 기술은 전기장에 의해 마이크로 LED 칩에 작용하는 유전영동 힘과 회전 토크, 주입·흡입 과정에서 발생하는 유체력을 정밀하게 조절하는 것이 핵심이다.
유전영동 힘을 이용해 칩을 원하는 서브픽셀 위치로 이동시키고, 회전 토크를 통해 칩의 앞면과 뒷면 방향까지 제어한다. 여기에 주입-흡입 프린팅을 결합해 정상적으로 정렬된 칩은 유지하면서 불필요하거나 잘못 배치된 칩만 선택적으로 제거할 수 있도록 했다. 특히 정상 방향으로 정렬된 칩은 유전영동 힘으로 고정하고, 잘못된 방향의 칩은 흡입 과정에서 발생하는 유체력을 이용해 제거한 뒤 빈 위치를 다시 채우는 자기보정형 수리 공정을 구현했다. 이를 통해 조립과 방향 정렬, 불량 제거, 재조립을 하나의 공정 안에서 연속적으로 수행하도록 만들었다.
반복 검증 결과 수리 이후 평균 조립 수율은 99.8%, 방향 정렬 수율은 100%를 기록했다. 연구팀은 마이크로 LED의 측면과 상부에 SiO₂ 층을 형성해 칩의 유전 특성을 조절하고, 유전영동 힘과 회전 토크의 작용을 최적화해 방향 선택성도 향상시켰다. 이는 향후 발광 특성뿐 아니라 조립과 전사에 유리하도록 마이크로 LED 자체의 구조를 설계하는 방식으로 확장될 수 있다.
주입-흡입 프린팅은 기존 유체 조립 방식과 달리 필요한 영역에만 소량의 칩 용액을 주입한 뒤 다시 회수할 수 있다는 특징도 갖는다. 유전영동 힘으로 원하는 위치의 칩을 유지하면서 흡입 유체력으로 불필요한 칩을 제거할 수 있고, 동일한 칩 용액을 반복 사용할 수 있어 칩과 용매 사용량을 줄일 가능성도 확인했다.
전사 공정에서도 높은 정밀도를 확보했다. 연구팀은 유전영동 힘으로 칩의 이동을 억제한 상태에서 PDMS 기반 전사를 수행해 100%의 전사 수율과 최소한의 위치 변위를 기록했다. 이후 실제 마이크로 LED 어레이를 제작해 발광을 확인함으로써 소자 제작 공정에 적용할 수 있는 가능성도 검증했다.
이번 연구는 마이크로 LED 제조 과정에서 칩을 빠르게 배치하는 데 그치지 않고, 칩에 작용하는 유전영동 힘과 회전 토크, 유체력을 정밀하게 제어해 정밀 조립부터 방향 제어, 불량 수리, 재조립, 전사까지 제조 과정 전반의 수율을 높일 수 있는 통합 공정의 가능성을 제시했다. 향후에는 현재 수동으로 수행한 주입-흡입 공정을 펌프와 밸브, 다중 노즐 디스펜서 등과 결합해 자동화하고 대면적 기판으로 확장하는 연구가 이어질 예정이다.
이번 연구에는 국민대 화학과 어윤재 박사가 제1저자로 참여했으며, 도영락 교수가 교신저자로 연구를 주도했다. 연구 결과는 ‘Dielectrophoretic Assembly, Repair, and Transfer Technology for Micro-LED Display Boosted by Injection-Suction Printing’이라는 제목으로 국제학술지 Advanced Functional Materials 온라인판에 게재됐으며, 향후 발간되는 오프라인판의 Front Cover로도 선정됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
