이건재 교수(좌)와 박상희 교수(우)
                                                

한국연구재단은 박상희, 이건재 교수(KAIST) 연구팀이 레이저 박리 기술을 활용해 기존의 딱딱한 유리 기판에 제작된 투명한 고성능 전자소자를 유연기판으로 전사¹⁾해 피부에 부착 가능한 고성능 유연 디스플레이 구동회로를 구현하는데 성공하였다고 밝혔다.

1) 전사: 어떤 기판에서 제작된 패턴이나 구조물을 손상 없이 떼어내어 다른 기판으로 옮기는 방법

사물인터넷(IoT) 시대가 본격적으로 도래함에 따라 정보의 상호교환 매체인 웨어러블(Wearable) 스마트 디바이스의 중요도가 높아지고 있다. 특히 가상·증강현실 분야와 관련하여 피부 부착형 웨어러블 기기 적용이 가능한 차세대 투명 유연 디스플레이가 각광받고 있다.

그러나 기존의 유연 디스플레이는 성능과 형태 등의 불완전함으로 상용화에 어려움이 따랐다. 유연하지만 고온에 약한 플라스틱 기판을 이용하여 직접 제작을 하였으므로, 고온 공정에서 제작된 다른 디스플레이에 비해 성능이 떨어졌던 것이다. 또한 불투명한 플라스틱 기판 위에 직접 제작을 하였기 때문에 투명도도 매우 낮았다. 

이에 이건재 교수팀은 레이저 박리 기술을 활용해 고온 공정을 거쳐 제작된 고성능 반도체 산화물을 떼어내어 초박막 유연 기판 위에 전사하는 공정을 개발했다. 이 과정을 통해 높은 성능을 지닌 투명 산화물 유연 박막 트랜지스터 구현이 가능했다.

고온열처리가 가능한 유리 기판 위에 레이저에 반응하는 희생층¹⁾을 형성 후, 기존 산업계에서 사용되는 반도체 공정으로 고품질의 화면 구성이 가능한 액티브 매트릭스 구조²⁾의 산화물 반도체를 제작했다.

1) 희생층: 레이저에 반응하는 보조 박막층. 레이저에 반응하여 제거됨으로써 상부의 소자를 모 기판으로부터 떨어지도록 해준다.
2) 액티브 매트릭스 구조: 디스플레이 상에 존재하는 픽셀을 개별적으로 직접 구동이 가능한 구조로, 화면이 밝고 색상의 표현이 매우 자유로워 고품질의 화면 구성이 가능한 디스플레이 구동 방식

위 기판으로부터 분리해 낸 반도체 소자를 투명한 초박막 유연기판(4 μm, 머리카락 두께의 25분의 1)에 전사함으로서 유연하고 투명한 고성능의 산화물 기반 디스플레이 구동회로를 구현해냈다.

특히 개발된 산화물 반도체 소자는 구부린 상태에서도 이동도³⁾가 40로 유지됐다. 이는 형태 변형을 가함에도 불구하고 반도체 소자의 전하 이동 속도가 안정적으로 유지될 수 있음을 뜻한다.

3) 이동도: 트랜지스터 채널 내부 전하의 이동 속도. 디스플레이의 고해상도화가 될수록 트랜지스터의 전기 신호처리가 빨라야하므로 이동도가 높을수록 유리하다.

이건재 교수는 “위 방식은 기존 디스플레이 제조 공정을 그대로 이용할 수 있다는 것이 큰 장점이다. 또한 레이저 박리를 통하여 유연 기판에 전사하는 기술이 소자의 종류나 크기에 제한 없이 적용 가능하다는 점은 웨어러블 전자기기 실용화 가능성을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”며 연구의 의의를 밝혔다.