마이크로 LED 응용 연구 동향

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마이크로 LED 응용 연구 동향

글 _ 김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌 한국광기술원

2016년 6대 세라믹기술상 콘테스트

특 집 특 집 2016년 6대 세라믹기술상 콘테스트

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1. 서론

자외선에서 적외선에 이르는 다양한 파장 대역에서 LED에 대한 활용은 폭넓게 확대되고 있는 추세이다.

LED 산업은 1990년대 초 InGaAlP를 이용한 고휘도 적 색 LED와 질화물(nitride) 청색 LED의 개발로 인해 작 은 표시소자에서 휴대폰, TV, 조명, 전광판, 신호등, 자 동차, 가전 분야에서 다양한 용도로 활용되고 있다. 특히 2005년 이후 전광효율이 급격히 증가하면서부터 디스플 레이 산업에서 LCD 백라이트 유닛으로 거대규모의 시장 을 열었고, 조명 산업에서는 에너지 절약에 대한 우수성 과 가격하락이 가속화되어 향후 2030년까지 꾸준히 증가 할 것으로 예견하고 있다. 이에 따라 소재·부품·장비 등의 후방산업과 응용제품의 다변화에 따른 콘텐츠·디 자인·S/W기술 등의 연관 산업을 포함하는 거대한 산업 군이 형성되고 있다.

그러나 현재, 국내 LED 산업은 중국 등과 같은 후발주 자들의 국가적인 대거투자와 더불어 글로벌 시장경쟁이 치열해지면서 국내 기업들의 시장경쟁력은 한계에 봉착 하였다. 이러한 어려운 상황을 돌파하기 위해서는 차세대 디스플레이, 의료/바이오, 통신, 자율주행기기, 섬유, 농 수산 분야와 융합하여 고부가가치의 새로운 시장을 창출 할 수 있는 융합기술로의 발전이 요구되고 있다.

최근 LED의 선택적인 파장기능 활용, 크기조절의 자 유도, 유연한 특성 및 파장별 새로운 반응 효과가 수 많은 연구논문을 통하여 보고되고 있다. 이러한 장점을 활용하

여 저전력 유연 디스플레이, 인체내 삽입형 광유전학 치 료, 체외부착 피부치료, 섬유일체형 의류, 반도체 장비, 자율주행센서 및 빅데이터 서비스용 광원 등과 같이 다양 한 응용제품에서 기존 대비 수 배에서 수 십배 작은 크기 의 LED를 새롭게 적용하려는 시도가 진행되고 있다.

일반적으로 10 ~ 100 um 수준으로 제작되는 LED를 마이크로 LED라 정의한다. Al, Ga, N, P, As, In 등의 무기물 재료로 사파이어 또는 실리콘 기판 위에 박막성장 을 통하여 제작되는 LED는 외부충격과 굴곡 시 파손되는 단점을 가지고 있다. 그러나 그 크기를 매우 작게 하거나 유연한 기판에 옮겨 붙임으로써 접거나 휠 수 있는 디스 플레이 화소에서 수 um 이하의 능수동 소자를 집적화하 는 인체삽입형 치료부품까지 실현이 가능하다.

마이크로 LED를 적용하기 위해 각 산업분야의 연구개 발은 활발이 이루어지고 있으나, 아직 도입기에 머물고 있는 상황으로 신규 제품에 대한 표준과 기술규격이 명확 하지 않은 상태이다. 또한 선진국 대비 국내 수준은 초기 단계에 머물고 있어 기술 개발 가속화가 필요한 실정에 있다. 본고에서는 마이크로 LED를 개발하여 상용화가 가능한 다양한 분야에서의 시도와 접근 방법에 대하여 소 개하고자 한다.

2. 마이크로 LED 공정기술 2.1 마이크로 LED 광원 제조기술

마이크로 LED는 2009년 미국 UIUC 대학의 Rogers 그

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김영우, 정탁, 사기동, 김자연, 김정현, 이상헌

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룹에서 GaAs 기반 적색 마이크로 LED 개발결과를 처음 으로 보고하였다.¹⁾ GaAs 기판상에 GaAs(p-type)/

AlGaInP(QW)/AlGaAs(n-type)을 성장시킨 후에 photo- resist 패터닝 (patterning) 으로 발광층을 고정할 수 있는 앵커(anchor)를 형성하였고, AlAs 희생층을 제거한 후에 매우 얇은 LED 박막층을 유연한 플라스틱 기판에 전사함 으로써 유연 표시소자로 응용 가능성을 보여주었다.

현재 사파이어 기반의 InGaN 청색 LED 수준은 내부 양자효율이 약 80%, 외부양자효율은 70%, 광효율 200 lm/W 수준이다. 일부 LED 기업에서는 Si 또는 SiC와 같

은 이종기판을 활용하여 LED를 성장시키는 기술을 양산 에 적용하고 있으나, 효율이나 수율 측면에서 사파이어 기판에 증착하는 기술에 미치지 못하고 있다.

사파이어 기판에 청색 및 녹색 마이크로 LED를 제조하 는 공정 방법은 다음과 같다. 먼저 사파이어 기판 상에 InGaN LED 층을 성장한 후 n-type 전극 접촉을 위한 메 사 구조를 형성하고 p-type Ni/Au 투명전극을 p-GaN 상에 형성한다. 이후 n/p-type 패드 전극인 Cr/Au를 형 성하고 LED층 상부에 SiNx 보호막을 형성한다. 이후 보 호막상에 Cr/Pd 접합 금속을 형성하고 Si 기판 과 같은

Fig. 1. 적색 마이크로 LED 를 적용한 플렉서블 디스플레이-16×16 array¹⁾

Fig. 2. 사파이어 기반 청색 마이크로 LED 공정방법²⁾

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이종기판을 이용하여 LED 기판과 웨이퍼 접합시킨다. 레 이저기판분리법(LLO)으로 GaN 성장용 기판인 사파이어 를 제거한 뒤 LED를 개별 칩으로 분리하고, 염산 용액을 이용하여 웨이퍼 접합 계면의 InPdx 제거하여 수직형 마 이크로 LED를 제작한다.

위 공정 방법의 핵심기술은 실리콘 또는 유리기판과 같 은 이종기판을 LED 기판과 웨어퍼 수준에서 접합 한 후 에 그 계면의 InPdx와 같은 유테틱(eutectic) 접합 물질 을 산용액으로 제거하는 것이다. 이때 잔류 InPdx 물질 로 인하여 LED 박막의 약한 결합력으로도 실리콘 기판 에 고정될 수 있으며, 산용액을 이용하여 비교적 쉽게 GaN 계면을 분리할 수 있는 장점이 있다. 그러나 웨이퍼 전체적으로 화학적 반응 균일성이 떨어질 경우 GaN 박 막의 품질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

사파이어 기판에 비하여 가격이 저렴하고, 대량생산이 가능한 실리콘 기판은 마이크로 LED를 활용하는 다양한 분야에 효과적인 해결방안을 제시할 수 있는 기술로 알려 져 있다. 최근 최근 InGaN 박막 형성 기술도 비약적으로 향상되고 있으나 사파이어 기판에 비하여 효율측면에서 지속적인 개선이 필요한 상황이다. 실리콘 기반의 청색 마이크로 LED를 제조하는 공정은 다음과 같다.

먼저 실리콘 111 기판 상에 InGaN LED 층을 성장한 뒤

n-type 전극을 위한 메사(mesa)를 형성하고 p-type Ni/

Au 투명전극을 p-GaN 상에 형성한다. 이후 n-type 전 극 형성을 위하여 Ti/Al/Mo/Au를 n-GaN 상에 증착한 후 Ti/Au 패드 전극을 p형 투명전극 상에 형성한다. 이후 KOH 용액을 이용하여 실리콘 기판을 식각하여 남아있는 GaN층만을 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 유연한 기 판에 LED 칩을 전사한다.³⁾

실리콘 기판의 경우 일반적인 수평형(lateral type)의 LED 칩을 제조하는 방법과 매우 유사하나 실리콘 결정 구조의 방향성에 따라 식각 속도가 다른 점을 활용하여 InGaN 박막 만으로 다른 기판에 전사할 수 있는 장점이 있다. 실리콘의 110면은 111면에 비해 약 100배 이상 식 각 속도가 빠르기 때문에 Fig. 3와 같이 LED 칩이 형성 된 하부의 실리콘 110면은 빠르게 제거가 되고, 반면 LED 칩 양쪽에 형성된 일부의 실리콘 111면은 식각이 거 의 되지 않아 LED 칩을 고정시킬 수 있는 앵커 역할을 PDMS와 같은 탄성 고분자 물질이 할 수 있어 전사가 용 이하다.

LED 구조는 제작 공정에 따라 수평형, 수직형 및 플립 칩 등 다양한 구조로 분류된다. 마이크로 LED의 경우에 도 동일한 구조로 제작이 가능하며, 앞서 언급된 수평형 구조에 대비하여 수직형 구조로 시도하고 있으며, 제작

Fig. 3. 결정질 실리콘 기반 청색 마이크로 LED³⁾

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과정은 다음과 같다.⁴⁾

사파이어 기판에 p-type의 GaN층과 오믹(ohmic) 형 성을 위한 전극을 형성하고, In 또는 In 합금층이 형성된 다른 웨이퍼에 접합한 후 GaN 성장 사파이어 기판을 펄 스 레이져로 제거하여 배열형 마이크로 LED를 형성하게 된다. 일정한 위치의 마이크로 LED를 또 다른 목표기판 에 두 번째 전사하는 과정을 거치는데 이 때 열을 조사하 여 상변화를 유도함으로써 첫 번째 접합 계면의 접착력을 감소시키게 된다. LuxVue사에서는 이러한 방식으로 ETE (Electrostatic transfer element) 공법을 적용하 고 있으며, 수직형 마이크로 LED도 동일한 전사 방법을 적용하는 것으로 알려져 있다.

국내에서는 GIST의 박성주 교수 그룹에서 LLO 방식 을 이용한 무기물 기반의 유연 LED 제작 방법을 보고하 였으며, 유연 LED 제작을 위해 대면적 GaN 박막 전사가 가능한 연구 결과를 발표하였다. 한국광기술원에서는 수 직형 GaN 박막층을 유연한 폴리이미드 (PI) 또는 전도성 섬유 물질에 전사한 결과를 보고하였다.

2.2 마이크로 LED 전사기술

전사(transfer)란 단일 또는 다수의 마이크로 LED를 상대기판에 이송하는 일련의 행위이다. 기존 LED 단일

칩을 이송하는 방법으로는 Pick & Place 장비를 활용하 여 패키징 공정에서 적용하여 왔으나, LED 크기가 수 마 이크로까지 작아짐에 따라 고정밀도로 이송하는 기술이 필요하다. 이를 위해 현재까지는 직접전사와 인쇄전사 2 가지 방법으로 기술 개발이 이루어지고 있다. 직접전사는 이송하고자 하는 재료 또는 박막을 목표기판에 직접 접합 하는 기술이며, 인쇄전사는 정전 또는 접합 스탬프 (stamp)와 같은 중간 매개체를 활용하는 기술로 정의한 다. 직접전사와 인쇄전사 방식의 대표적인 기술은 다음과 같다.

직접전사 방식은 p-type의 GaN를 식각 공정으로 ~ 수 마이크로 크기로 분리시킨 후에 CMOS와 같은 미세 스위칭 소자가 형성된 기판에 직접 접합하는 방식이다.

필요에 따라 성장기판으로 사용한 실리콘 또는 사파이어 기판이 제거될 수 있으며, 단일 크기로 분리된 수 마이크 로 크기의 GaN 개별 소자는 스위칭 미세전자소자와 결 합하여 동작 전류 조절이 용이하도록 제작할 수 있다. 이 방법의 경우 LED 제조 및 전사방법이 용이하다는 장점이 있으나 각 소자의 품질 관리가 매우 중요한 요소가 된다.

인쇄형 전사 방법으로 현재까지 두 가지 방법이 있는 것으로 알려져 있다. 첫 번째 방법으로 미국의 Luxvue사 가 정전헤드(electrostatic head)를 이용하는 방법을 제

Fig. 4. 160 × 120 GaN pixels로 구성된 마이크로 디스플레이⁴⁾

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안하였다. 실리콘 재질로 만들어진 헤드 부분에 전압을 인가함으로써 대전현상에 의해 마이크로 LED와 밀착력 이 발생하게 하는 원리이다. 이 방법의 경우 원하는 영역 또는 단일 소자를 선택적으로 이송할 수 있는 장점이 있 으나, 정전 유도시 헤드에 인가된 전압에 의해 대전 현상 에 의한 마이크로 LED 손상에 대한 문제가 발생할 수 있 다. 두 번째 방법으로 미국의 X-Celeprint사가 개발한 방법으로서 전사 헤드를 탄성이 있는 고분자 물질로 적용 하여 웨이퍼 상의 LED를 원하는 기판에 이송시키는 방법 이다. 정전헤드 방식에 비해 LED 손상에 대한 문제점은 없으나, 전사 과정에서 목표기판의 접착력 대비 탄성전사 헤드의 접착력이 더 커야 안정적으로 마이크로 LED를 이 송시킬 수 있으며, 전극 형성을 위한 추가 공정이 필요한 단점이 있다. 또한, 탄성 고분자 물질의 접착력을 지속적 으로 유지하는 것도 매우 중요한 요소로 작용하게 된다.

한국광기술원은 마이크로 LED칩 박막만을 선택적으로 분리하여 목표기판(target substrate)에 전사하는 기술 을 개발하였다. 아래 Fig. 6과 같이 마이크로 LED 칩 크 기는 70um 수준으로 특정 영역의 마이크로 LED 칩만을 선택적으로 분리하여 목표기판(target substrate)에 전 사하는 기술이다. 전사 방식은 앞서 언급한 X-Celeprint 사와 유사한 탄성고무 스탬프를 이용하였고, 향후 본 기 술을 적용하여 디스플레이, 의료, 바이오 등의 다양한 응 용분야에 적용할 계획을 가지고 있다.

이 밖에도 진공 포러스 척(vacuum porous chuck)을 이용하여 프린팅 헤드를 제작할 수도 있으며, 선택적으로 LED칩을 픽업 할 수 있는 프린팅 헤드 설계와 이물질에 의한 진공 막힘 현상을 개선할 수 있는 기술이 개발된다 면 장비 제조비용과 반복 전사능력의 장점이 있어 향후 경쟁력이 있을 것으로 판단된다.

Fig. 6. 한국광기술원 마이크로 LED 광원 및 전사 결과

Fig. 5. Luxvue사의 정전기 방식의 이송헤드과 X-Celeprint사의 탄성고무 스탬프 전사방법⁵⁾

정전헤드(Luxvue) 탄성고무 스탬프 (X-Celeprint)

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3. 마이크로 LED 응용 기술

3.1 디스플레이

차세대 디스플레이는 투명 디스플레이, 3D 디스플레 이, 플렉서블 디스플레이와 같이 기존 평판형 디스플레이 와 차별화된 성능을 구현하는 것으로 정의한다. 차세대 디 스플레이로서 유기발광다이오드(OLED)는 LCD(Liquid Crystal Display)에 비해 응답속도가 빨라 동화상 재생 시 잔상이 거의 없고, 자체발광으로 백라이트가 필요하지 않으며, 슬림한 디자인과 선명한 화질 구현의 장점이 있 으나, 대형화 어렵고 제품수명 짧은 단점을 가지고 있다.

현재 LED는 청색, 녹색 및 적색 화소를 적용하여 디지 털사이니지, 문자광고 등의 전광판으로 활용되고 있으 며, 수십 마이크로 이하 수준의 크기로 굴곡이 가능한 광 원으로 제작이 가능하여 플렉서블 디스플레이에 적용이 가능하다. 또한 옥외 환경에서도 높은 휘도 특성으로 선 명한 화질 구현이 가능하고, 대형화가 용이하며, 저전력, 장수명의 장점을 가지고 있어 차세대 디스플레이 산업분 야에 적용될 가능성이 매우 높을 것으로 예상되고 있다.

휴대기기에서 디스플레이의 전력소모를 감소시키기 위 해서는 고효율의 화소가 필요하다. 특히 웨어러블 기기에 서는 초소형화, 경박 및 단소화가 핵심으로서 주간 시인

성이 높은 마이크로 LED 디스플레이가 주목받고 있다.

또한 마이크로 디스플레이 분야는 HMD(head mount display), 스마트 글래스, 의료기기 등으로 고해상도 구 동 기술을 필요로 하며, 광고 및 정보전달 목적의 대형 디 스플레이는 저전력, 설치자유도 및 고휘도 성능이 요구되 고 있다.

마이크로 디스플레이 구현을 위해서는 고밀도 LED 배 열 기술이 요구된다. 프랑스 CEA-LETI 연구소는 Active 구동이 가능하도록 CMOS 소자가 제작된 실리콘 기판과 사파이어 기판을 접합하는 방법을 개발하였다. 마이크로 튜브 형태의 범프를 접합하여 3 um 중심간격의 2 um 화 소 배열을 개발하였으며, HUD (head-up display) 및 스

Table 1. 디스플레이 화소별 장단점 비교 ⁶⁾

Technology Liquid crystal Organic LED III-N uLED Digital light processing

Laser beam steering Mechanism Backlinght/LED Self-emissive Self-emissive Backlinght/LED Backlinght/LD

Luminous efficacy Medium Low High High High

Luminance (cd/m²) 3000 (full color)

~10⁴(green)

1500 (full color)

~10³(yellow)

~10⁵ (full color)

~10⁷(blue/green) ~1000 (full color) ~1000 (full color) Contrast ratio 200:1(intrinsic) Very high

> 10,000:1

Very high

> 10,000:1 High High

Response time ㎳㎲㎱㎳㎳

Operating

temperature 0 to 60℃ -50 to 70℃ -100 to 120℃ To be determined To be determined Shock Low resis-

tance Medium High Medium Medium

Lifetime Medium Medium Long Medium

(limited by MEMS)

Short (limited by laser

diodes)

Cost Low Low Low High High

Fig. 7. 마이크로 LED 적용 디스플레이 분야

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마트 글래스 등에 적용이 가능할 것으로 예상하고 있다.⁷⁾ 대만 ITRI는 일반 안경과 0.37인치 마이크로 LED 패 널이 결합된 장치를 선보였다. 초록색 글씨와 각종 기호 가 표시되는 단색 디스플레이로 시연됐으며, 최근 10 um 크기의 RGB 마이크로 LED를 19.2 um 중심간격으로 배 열하여 440 ppi급 Full Color 디스플레이를 개발하였다.

동일한 해상도의 OLED에 비해 10배 밝은 성능으로 전력 소모을 획기적으로 감소시킬 수 있는 것으로 보고하였 다.⁸⁾

일본 소니사는 마이크로 LED를 적용하는 ‘클래디스’라 명명된 제품으로 디지털 사이니지용 15 ppi급 상업용 디 스플레이를 발표하였다. Active 구동방식의 TFT 백플레 인과 30 um급 RGB 화소를 구현하여 밝기 1,000 nit, 시 야각 180도 및 1024단계 계조표현이 가능한 것으로 알려 져 있다.⁹⁾

3.2 의료/바이오

인구 고령화, 안전사회구현, 국민복지실현 등의 환경

변화에 따라 진단, 치료, 수술 및 미용분야에서 LED의 수요가 증가하고 있다. 특히 전 세계 주요 경제분석기관 들이 선정한 미래 10대 핵심기술 중에는 바이오 기술이 다수 선정되어 있으며, 향후 도래하는 건강중심사회에서 는 블루오션 산업을 헬스케어 및 바이오 분야로 기대하고 있다. 의료용 광치료기기는 향후 높은 성장률을 예상하고 있으며, 그 응용 범위는 지속적으로 확대될 것이다.¹⁰⁾

현재까지 광치료 분야에서 광원으로는 레이져와 LED 가 모두 적용되고 있다. 레이져는 발광각도가 작고 높은 출력의 장점으로 수술 및 시술 등에 활용되고 있으며, 반 도체 레이져와 LED의 경우 저출력 광원으로서 광역학 및 광유전학 치료 등에 적용되고 있다.^11)~15)

LED는 산란광원으로서 배광각도가 넓은 특징으로 넓 은 면적의 환부에 균일한 빛을 조사할 수 있어 영상 진단 분야에 활용되어 왔다. 마이크로 LED를 이용한 광 치료 기기는 산업적 초기단계로서 Photo Therapeutics Ltd., Light Bio-Science, LCC 및 Light-wave 등의 선진기 업들을 중심으로 100 um 이하의 작은 미세광 부품을 집 적화하여 체외부착형 및 체내삽입형 기기에 적용하는 연

Fig. 9. 스마트 글래스용 마이크로 LED 디스플레이⁷⁾ Fig. 10. 소니 마이크로LED 기술이 적용된 ‘클레디스’ 디스플레이 Fig. 8. CEA-Leti사의 마이크로 LED 어레이 기술

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구가 활발히 진행되고 있다. 최근 미국의 UIUC Rogers 연구그룹에서는 체외부착형 피부치료에 적합한 스트레 쳐블 광패치 연구결과를 발표하였는데, 적색 마이크로 LED를 유연성 고분자 플라스틱 기판에 집적하여 신축에 따른 발광성능을 검증함으로서 휴대용 피부치료 기기로 의 가능성을 보여주었다.¹⁶⁾

체내삽입형 기기에 활용되는 마이크로 LED는 광유전 학 치료법 연구에 주로 적용되고 있다. 신경세포에 채널 로돕신과 같은 단백질을 주입하고, LED 빛을 조사하여 뇌와 연결된 신체조직 변화를 다양한 전임상 실험으로 증 명하였다.^17~21) 초기에는 쥐의 대뇌에 광파이버로 빛을 인가하여 자극하였으나, 마이크로 needle에 50 um ×

50 um 크기의 마이크로 LED와 집적회로를 형성하여 빛 을 조사한 결과 쥐의 불안증세를 개선하는 효과가 있음을 확인하였다.

광역학 치료는 광민감제가 빛과 산소에 의해 화학적 반 응을 일으켜 피부병변 또는 종양을 선택적으로 파괴하는 방법이다. 최근 광민감제를 투여 후 내시경을 통하여 빛 을 조사함으로써 체내의 고형암들을 반복적으로 치료하 는 방법들이 시도되고 있다. 또한 무선전력 송신 기술을 의료기기에 활용하여 체내에 이식 후 전기적 자극 또는 모니터링용 감지부품으로 활용하는 연구들이 진행되고 있어, 체내 이식용 미세부품에 마이크로 LED를 집적하 여 종양 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.²⁰⁾

Fig. 11. 마이크로 LED 적용 다양한 의료분야^10)~14)

Fig. 12. 스트레쳐블 마이크로 LED 패치¹⁶⁾ Fig. 13. 마이크로 LED가 집적화된 Needle과 쥐의 반응 실험

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3.3 자동차

자동차 분야에서는 LED 실내외 조명으로서 다양한 형 태의 제품이 출시되고 있다. 자동차 조명의 최첨단 기술 척도로 판가름하는 LED 헤드램프는 2007년부터 일본의 Koito사와 렉서스가 LS600h 모델에 세계 최초로 적용하 였고, Full LED 헤드램프로 2008년 독일 Hella사와 아 우디가 R8 V10 모델에 출시한 이후에 현대, 캐딜락, 도 요타, BMW 및 벤츠 등의 세계 유명 브랜드 회사를 중심 으로 확대되어 갔다.

LED를 적용하는 주된 이유는 연비 개선, 온실가스 감 축, 장수명, 디자인 및 사용자 안전성 등의 다양한 요소가 복합적으로 작용하고 있다. 특히 안정성 측면에서 운전자 의 51%가 야간 운전 시 시야 확보의 개선을 요구하고 있 으며, 약 20% 정도는 야간 운전을 피하는 것으로 조사되 었다. 또한 미국 교통부의 연구에 따르면 교통사고의 40%는 야간에 발생하며, 사망사고의 20% 이상이 일일 교통량의 2.4%에 불과한 24시부터 06시 사이에 발생된 다고 한다.¹⁴⁾ 따라서 가시광선과 유사한 색온도를 가지는 LED 헤드램프는 안전성 향상에 크게 기여하므로, 그 시 장은 지속적으로 확대될 것으로 예상하고 있다.

최근 완성차 회사를 중심으로 경쟁사 대비 안전성 확보 를 차별화된 기술로 제시하고 있으며, 도로, 기후조건, 주행상황과 회전방향 등과 함께 운전자의 시야를 확보해 주는 적응형 헤드램프 (AFLS, Adaptive Front Lighting System)가 적용되고 있다. 또한 2세대 기술로서 상향등 점등 운행시 카메라센서와 연동하여 상대차량의 위치만 LED 빛을 줄여주는 HBA (high beam assist) 기능과 AFLS 기능을 개별 및 동시에 탑재하는 멀티빔 또는 매트

릭스 헤드램프가 국외선진 완성차 기업을 중심으로 개발 되어 출시 예정에 있다.

매트릭스 LED 헤드램프는 차량에 장착된 카메라 및 네 비게이션으로 도로와 주변 환경을 살핀 후 초당 100회의 조명 패턴을 계산해 24개의 개별 LED를 255단계로 밝기 조절함으로써 상대차량과 보행자에게 눈부심을 주지 않 고도 운전자의 안전운행을 향상시키는 시스템이다.

여기에 제 3세대 기술로서 전방의 빛을 조사하는 분해 능을 높여주기 위하여 마이크로 LED를 적용한 기술개발 이 진행되고 있다. 독일의 헬라, 인피니온, 오스람 및 프 라운호퍼 연구소가 공동으로 기존 24개에서 1,024개 마 이크로 LED 배열로 성능을 향상시킨 결과를 발표하였 다.¹⁵⁾ 각 pixel의 크기는 115 um × 115 um로서 11 mA 에서 3 lm 이상의 성능으로 개별적인 밝기 조절이 가능 한 미세전자소자 집적형 모듈이다.

가시광영역에서 백색 LED를 활용한 헤드램프 기술은 나날이 진보하고 있다. 안전주행 및 운전자 편의사항이 소비자의 구매욕구를 유발하는 요소로 자리잡고 있으며, 인공지능제어 및 자율주행 자동차 상용화 기술에 기여할 것으로 판단되고 있다. 자율주행의 경우 안전센서의 역할 이 매우 중요한 비중을 차지하고 있는데, 최근 라이다 센 서의 경우 1 um 이하 파장의 근적외선을 적용하여 원가 절감과 성능을 동시에 만족시키는 기술이 개발되고 있다.

현재에는 반도체 레이져를 적용하고 있으며, 향후 근적외 선 마이크로 LED와 광학계 개발을 통하여 중단거리 안 전 및 라이다 센서용 광원으로 적용이 가능할 것으로 기 대하고 있다.

Fig. 14. 인체삽입 무선전력부품과 빛에 의한 종양의 변화²⁰⁾

Fig. 15. 매트릭스 헤드램프 ^{21) → 영남대}

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3.4 통신

LED 통신은 400 nm ~ 780 nm 범위의 LED 파장과 수신감지소자 사이에 반송파 형태의 정보를 교환하는 가 시광통신 (VLC, visible light communication)으로 1990년대부터 제안되어 왔다. 현재는 OWC (optical wireless communication) 표준을 IEEE에서 재정하여 정보수신 소자를 PD (photodiode) 뿐만 아니라 이미지 센서까지 적용할 수 있도록 LED-ID, OCC (optical camera communication) 및 Li-Fi (light fidelity) 3 가 지로 분류하고 있다. 이에 따라 기존 VLC 응용제품이었 던 조명에서 시스템조명, 모바일기기, 신호등, 자동차, 스크린, 디스플레이 및 디지털 사이니지 등으로 OWC 응 용분야가 확대될 것으로 기대하고 있다.

LED-ID는 휴대용 단말기 송신부 LED Tag와 PD 혹 은 이미지센서를 인식장치로 하여 고유식별정보를 전달

하는 기술로서 출입보안 및 실내위치정보 서비스를 제공 하는 응용제품으로 활용 될 것이다.

OCC는 송신부 LED와 수신부 이미지 센서를 적용한 통신기술로 일반적인 카메라에도 적용이 가능한 기술로 서 상용화에 가장 근접한 통신방식이다. 카메라의 해상도 및 Frame rate에 의해 결정되는 수 Kbps의 통신 데이터 로 모바일, 자율주행, 교통신호체계 및 디스플레이 기기 와 연동하여 여러 정보를 주고 받을 수 있으나, 응용분야 별 외란광 간섭 제거 및 통신 속도 증가 연구가 필요한 상 황이다.

Li-Fi는 2011년 영국의 에딘버러대 헤럴드 하스 교수 가 처음 제안하였다. 단일 LED로 1.6Gbps 데이터 송수 신 연구결과를 2013년에 시연한 이후에 2014년 CES에 서 Li-Fi 지원 모바일 기기의 초기 형태를 공개하였으며, 전파상용이 불가능한 비행기, 병원 및 수중 등에서 다양 한 상용화 기술을 개발 중에 있다.

OWC 응용 분야에서 송신기기 광원으로서 마이크로 LED를 적용한 예는 현재까지는 없다. 그러나 전류동작 소자인 LED의 크기를 줄이고 uA 단위의 작은 전류로 동

Fig. 16. 1,024 pixels 마이크로 LED 헤드램프 광원엔진²²⁾

Fig. 18. OCC 자동차 응용 기술²⁴⁾ Fig. 19. Li-Fi 응용 Mobile 연계 서비스²⁵⁾ Fig. 17. LED-ID 응용 서비스²³⁾

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작시키게 되면 집적화 부품과 시스템의 크기를 작게 할 수 있을 뿐만아니라 빠른 스위칭 속도를 구현할 수 있어 대용량 Data 서비스가 필요한 분야에 수십 Gbps의 Data 를 전송할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

3.5 웨어러블 기기

광범위한 산업분야에서 웨어러블 전자부품에 대한 개 발결과가 보고되고 있다. 특히 마이크로 LED를 적용하 여 섬유 및 의복에 상용화하려는 시도가 지속적으로 이루 어 지고 있는데 네덜란드 필립스 루마리브 (Philips Lumalive)는 유연 기판 상에 LED를 형성하여 직물 사이 에 20 cm × 20 cm 크기의 섬유 디스플레이를 구현 하 였다. LED 보호를 위한 발수 코팅 섬유로 둘러 싸는 기 술로서 USB가 연결 및 리튬 이온 배터리를 장착한 기술 을 선보였다. 또한 신생아 황달 치료를 목적으로 하는 의 료용 빌리루빈 담요를 개발하였는데 광역학치료와 융합

시킨 섬유 일체형 기술이 적용 되고 있다.

영국의 큐트서킷 (CuteCircuit & Ballantine)은 세계 최 초로 초박형 RGB LED 디스플레이를 내장하여 tshirtOS 라는 셔츠를 판매하고 있으며 있으며, 모바일 앱을 통하여 디스플레이 프로그래밍, 세탁 가능, USB를 통한 충전, 카 메라 키트 등 가장 완성도가 높은 의류 일체형 기술을 보 고하였다.

한국광기술원에서는 무기물 GaN 박막층을 유연 폴리 이미드 (PI) 또는 전도성 섬유 물질에 전사하여 LED 휨 에 따른 주요 특성 변화에 대해 보고하였다.

국내 코오롱사는 전도성 섬유를 이용하여 발열하는 섬 유 소재와 광섬유를 이용하여 빛을 외부로 내보내는 스마 트 재킷 기술을 선보였으며, 또한 LED를 의복에 탑재하 여 야간 산행과 위급상황 시 위치 파악이 용이한 기술로 보고하였다. 스마트 섬유의 경우, 현재 광원이나 IT 기기 를 부착하는 수동형 단계에서 벗어나 향후에는 섬유 스스

Fig. 20. 마이크로 LED와 LED의 동작속도 차이 Fig. 21. 필립스 및 큐트서킷사 시제품

Fig. 22. 전도성 섬유에 전사된 GaN flexible LED²⁶⁾

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특 집

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로 신호의 전달, 생성, 에너지 수급 등이 가능한 능동형 전자섬유 시스템으로 발전될 것으로 기대된다.

4. 결 론

LED는 응용시장 변화에 따른 격동기에 있다고 해도 과 언은 아닐 것이다. 단순히 빛을 밝히는 기능으로 간주하 던 수 년 전에 비하여 다양한 분야에서 발견되고 있는 파 장기능의 잠재성은 무궁무진하다고 볼 수 있다. 마이크로 LED는 칩을 작게 만들어 전사하는 기술로부터 시작하였 으며, 다양한 파장으로 미세전자소자를 집적화하거나 유 연한 소재에 적용하여 전에 없던 새로운 기능을 실현시킴 으로써 각 산업분야에서 신기능 혁신기술로서 급부상할 것으로 예견하고 있다.

디스플레이 분야에서는 전력소모, 화질, 동작속도 측 면에서 차별화 된 장점으로 상품화가 가능할 것이며, 의 료분야에서는 광파이버를 통해 인가하던 빛을 독립적이 고 필요한 크기의 복합파장형 부품으로 자유도를 제공할 수 있을 것이다. 또한 자동차 분야에서는 LED 헤드램프 의 진부한 기능에서 카메라 센서와 연동한 안전운행용 가 시광 및 근적외선 광원으로 자리잡을 수 있을 것이라 기 대한다. 아직 태동기 상태에 머물러 있는 LED 통신은 그 응용분야가 조명에서 광고, 문화예술 및 콘텐츠 산업 등 의 다양한 분야에서 융합기술로서 발전이 예측된다.

이러한 응용분야에서 상용화를 앞당기려면 마이크로 LED 제작 및 전사기술에 대한 원천기술 확보가 무엇보 다도 필요하다. 특히 전사기술은 LED 에피성장 및 칩 공 정용 기판에서 옮겨가는 상대 물질의 특성에 따라 유연 디스플레이 패널, 스마트 전자섬유 의복, 수송기기 조명, 안전센서 및 무선통신용 송신기 등에서 핵심 요소기술로 자리잡고 있다. 현재 무기물 발광다이오드 기반의 유연 마이크로 LED 기술 수준은 선진국에 비해 미흡하나, 기 술 표준화가 도입 단계로서 국가지원과 산학연 협력을 통 하여 세계 시장을 주도할 수 있는 가능성은 충분할 것으 로 판단된다.

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 김영우

 1996~2005년 삼성전기 선임연구원

 2003~2005년 한양대학교 전자통신전파공학 석사

 2006~2010년 전남대학교 전자공학과 박사

 2006~현재 한국광기술원 책임연구원 (센터장)

 정 탁

 2001~2005년 LG이노텍 선임연구원

 2005~2006년 고등기술연구원 선임연구원

 2008~2010년 전남대학교 신소재공학과 박사

 2006~현재 한국광기술원 책임연구원

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