서강대 강문성 교수, UNIST 김봉수 교수 연구팀, VR·AR용 OLED 마이크로디스플레이 구현을 위한 돌파구 마련

- 초고해상도 유기발광층 패턴화 기술 개발-

-국제 저명 학술지 ‘Light: Science & Applications’ 게재-

▲ 서강대학교 강문성 교수 (좌), UNIST 김봉수 교수 (우)

   서강대학교(총장 심종혁) 강문성 교수와 UNIST 김봉수 교수 공동연구팀(제1저자 서강대학교 이승한 연구원, UNIST 함효빈 연구원)은 OLED 발광층을 손상 없이 수 마이크로미터 수준으로 정밀하게 패터닝 할 수 있는 “간접 광패터닝” 기술을 개발하였다. 이 기술은 기존 증착 방식의 해상도 한계를 극복하면서도, OLED 소재의 자외선 노출이나 화학적 식각공정 없이 초고해상도 OLED 발광층 패턴을 형성할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.

유기발광체를 활용한 디스플레이의 핵심 구성요소인 유기발광다이오드(OLED)는TV와 같은 대형 디스플레이, 노트북, 핸드폰 등 중소형 디스플레이에 성공적으로 적용되면서 디스플레이 산업의 중심 기술로 자리잡았다. 최근 들어 Apple의 Vision Pro, Meta의 Quest 시리즈 등과 같은 VR/AR 장비가 새로운 산업군으로 떠오르면서, 초고해상도의 시각컨텐츠 구현이 가능한 마이크로디스플레이에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다.

마이크로디스플레이 제작을 위해 일반적으로 1인치 내외의 우표 정도의 작은 크기에 수천개의 OLED가 정밀하게 배열되어 있어야 하며, 이를 위해 머리카락보다도 가는 마이크로미터 크기의 OLED 픽셀을 구현할 수 있는 정밀한 패터닝 기술이 필요하다. 하지만 기존 디스플레이 산업에서 사용되어 온 금속 마스크 증착법은 구조적 한계로 인해 수 마이크로미터 이하의 해상도 구현이 어려워, 새로운 방식의 패터닝 기술 개발이 요구되고 있다.

▲ 간접 광패터닝 공정도 및 단일 상 구조의 유기 발광층, 이를 이용해 공정된 OLED 발광층 화소

먼저 연구팀은 가교 작용기가 도입된 형광 및 인광 유기발광체를 개발하였다. 이 소재를 활용하여 OLED 발광층을 만들고, 발광층의 열 가교 반응을 유도하여 “단일 상(single phase network) 구조의 유기 발광층 네트워크”를 구현할 수 있었다. 이 유기 발광층 네트워크와 반도체 공정에 사용되는 포토레지스트(PR)를 활용하여 발광층의 패턴 형성과 보호를 동시에 가능하게 하는 “간접 광패터닝 공정”을 개발하였다. 유기 발광층 네트워크 덕분에 패터닝 공정 중 사용되는 유기용매에 의한 발광층의 손상을 막을 수 있었으며, 결과적으로 폭 3 마이크로미터, 간격 4 마이크로미터의 발광층 패턴을 구현하였고, 1인치당 3000개 이상의 초고해상도 적녹청(RGB) 발광층 패턴 배열(3000 ppi 이상) 또한 성공적으로 구현하였다. 이는 기존 금속 마스크 기반 증착 방식으로는 도달하기 어려운 해상도이다.

이번 기술은 적녹청 발광층을 순차적으로 형성할 때에도, 이미 형성된 발광층이 이후 공정에서 손상되지 않도록 포토레지스트가 보호막 역할을 해주는 방식으로, 패턴 공정 후에도 성능 저하가 없는 풀컬러 디스플레이 구현이 가능하다. 또한 본 기술의 전 공정은 현재 반도체 산업에서 널리 사용되고 있는 장비와 공정을 그대로 적용할 수 있어, 산업적 확장성 측면에서도 높은 가능성을 보여주고 있다.

해당 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 국가전략기술소재개발사업 및 개인기초연구사업(중견연구)의 일환으로 수행되었으며, 연구 결과는 광학분야 저널인용지표(JCR) 상위 3%의 국제학술지 "Light: Science & Applications" (2023년 피인용지수 20.6)에 게재되었다.

▶논문제목: Micrometer-scale indirect photopatterning of RGB OLED emissive layers in single phase network structure