GaN LED와 양자점을 활용한 풀 컬러 마이크로 LED 플렉시블 디스플레이에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the display industry has been saturated with competition among large
panel makers. In order to meet the needs of consumers, it is developing into a
technology that emphasizes high definition, large size, and differentiation design.
The most interesting area is display technology that maximizes space utilization by
folding or rolling to increase portability or reduce volume. Flexible displays
currently are being researched and developed based on organic light emitting
diodes (OLED). However, the reliability problem of the OLED material itself has
difficulty in flexible displays. In order to meet such demands, the application of
inorganic LEDs capable of high luminous efficiency and stable driving has been
studied. The application of LEDs as display pixels enables small, thin, self-emissive
devices by reducing the chip to micro units and eliminating the substrate for growth.
In particular, the micro LED has the advantages of excellent reliability,
transparency of itself, and high luminance. However, despite these various
advantages, it is necessary to solve the problem of the existing micro LED transfer
process technology and the expensive price.
In this study, to overcome the problems of micro LED, display color is realized
by using conversion characteristics of red and green quantum dot materials based
on blue LED. Blue LEDs are more efficient than red or green LEDs and are simpler
in structure and process. Color conversion technology that absorbs blue light and
excites green and red wavelengths can dramatically reduce the number of transfers,
thereby lowering manufacturing costs and improving yields. For micro-sized
patterning, quantum dots and photoresist were mixed and applied onto micro LEDs
by photolithography. It was found that the process and conversion efficiency depend
on the mixing concentration of quantum dots and photoresist. And it was confirmed
that some unconverted light leaks during the conversion process. To prevent blue
light leakage, we mixing high refractive index nanoparticles, TiO2 as scattering
enhancers into the QD-PR, the light output intensity can be improved and standard
RGB can be achieved. As a result, green and red colors using blue LEDs were
realized, and high color gamut was obtained.
In addition, in order to realize flexible micro-LED display, micro-LED array is
released from Si substrate by wet etching process and then transferred onto
ultrathin plastic substrate. Finally, encapsulation layers was formed in order to
prevent efficiency decrease due to external moisture and oxygen. It confirmed that
it had the outstanding reliability also in high temperature and high humidity
environment. We hope this research will improve the micro LED's problems and be
applied to our surrounding displays as soon as possible.

국문 초록 (Abstract)

최근 디스플레이 산업은 대형 패널 업체들간의 경쟁이 심화되고 시장이 포화되어 소비자들의 요구를 충족시키기 위하여 고화질, 대형화, 차별화된 디자인을 강조하는 기술로 발전 중 이다. 그 중에서도 가장 관심을 모으는 분야는 접거나 말아서 휴대성을 높이거나 부피를 줄여 공간 활용성을 극대화한 폴더블과 롤러블 디스플레이 기술이다. 현재 개발 중인 대부분의 플렉시블 디스플레이는 유기발광 다이오드를 기반으로 연구개발 되고 있다. 하지만 OLED 재료 자체의 신뢰성 문제는 플렉시블 디스플레이 구현에 어려움을 갖는다. 근래 들어 이 같은 요구에 대응하고자 높은 발광 효율과 복잡한 보호막 없이도 안정적으로 구동이 가능한 무기물 LED의 적용이 활발히 연구되고 있다. 디스플레이 화소로 LED의 적용은 칩의 크기를 마이크로 단위로 줄이고 성장을 위한 기판을 제거해야 작고 얇은 자발광 소자가 가능하다. 특히 마이크로 LED는 신뢰성이 우수하고, 칩 자체의 투명도를 가지며, 휘도가 높은 장점을 가진다. 하지만 이러한 다양한 장점에도 불구하고, 실제 산업계에 적용되기 위해서는 기존에 없던 마이크로 LED전사공정기술과 근본적으로 가격이 비싸다는 문제점을 해결해야 한다.
본 연구에서는 이러한 마이크로 LED의 문제점을 극복하기 위해 청색 LED 기반으로 적색, 녹색 양자점 재료의 변환특성을 활용하여 디스플레이 컬러를 구현 하였다. 청색 LED는 적색 또는 녹색 LED 대비하여 효율이 높고 구조 및 공정 또한 간단하다. 특히 적색 LED는 제조공정이 복잡하고 재료와 기판이 상이하여 기판제거 및 전사공정에 여러 가지 문제점을 갖고 있다. 이에 청색의 단파장 광을 흡수하여 녹색과 적색의 파장을 여기 하는 컬러변환기술의 적용은 마이크로 LED의 전사횟수를 획기적으로 (3회 → 1회) 줄여 제조비용을 낮추고 수율을 향상시키는 장점을 갖는다. 컬러변환에 적용되는 양자점 재료는 입자크기에 따라 발광파장이 달라지며 적색 6nm, 녹색 2nm수준의 입자크기를 갖는다. 마이크로 크기의 패터닝을 위해서 양자점과 포토레지스트를 혼합하여 포토리소그래피 공정으로 마이크로 LED 위에 각각 도포하였다. 양자점과 포토레지스트의 배합농도에 따라 공정성과 변환효율이 달라지는 것을 알 수 있었다. 그리고 변환과정에서 일부 변환되지 않은 광이 누설되는 것을 확인하였다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 광을 난반사시켜 변환을 도와주는 산란제 (TiO2)를 첨가하였다. TiO2는 높은 반사 특성으로 청색 광을 산란시켜 양자점 컬러변환에 도움 주고 청색 누설 광 또한 감소하는 것을 확인하였다. 그 결과 청색 LED를 활용한 녹색, 적색 삼원색을 구현 하였으며, CIE 1931 (NTSC 110%, BT709 156%, BT2020 82%)과 CIE 1976 (NTSC 142%, BT709 163%, BT2020 95%) 기준에서 높은 색역 특성을 얻을 수 있었다. 청색 LED의 기판을 제거한 후 스탬프 (PDMS)를 활용하여 접착제가 도포된 초박형 플렉시블 PET 기판위에 전사하였다. 어레이 제작을 위해 투명하고 안정한 포토레지스트로 평탄화 과정과 전극배선 연결 공정을 거치면 25μm 두께를 갖는 플렉시블 마이크로 LED 디스플레이를 제작할 수 있다. 마지막으로 양자점의 외부 수분과 산소에 의해 변환효율 저하를 막기 위하여 봉지막을 형성하였으며, 고온, 고습 환경에서도 우수한 신뢰성을 갖는 것을 확인하였다. 이러한 연구를 통해 마이크로 LED의 문제점을 개선하고 빠른 시일 내에 우리 주변 디스플레이에 적용되어 볼 수 있기를 바란다.