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국내외 연구현황 및 전망

  • 유기 및 무기 반도체 이종접합 (heterojunction)은 뛰어난 전광 및 광전 변환 특성을 가지고 있으며, 하나의 기판위에 에너지 밴드갭이 다른 물질들이 집적 가능하여 소자설계에 있어 높은 자유도를 가지고 있어, 미래의 유비쿼터스 사회에서 요구하는 다양한 IT 제품을 구현하기 위한 핵심 소자에 응용되고 있다.
  • 유기 발광소자 (OLED)와 산화물 전자소자의 융합을 통한 AM-OLED는 차세대 초대형 디스플레이를 위한 핵심기술로서 국가적 성장 동력으로 주목 받고 있으며, 유기물을 기반으로 하는 OLED 및 유기 박막 트랜지스터 (OTFT)를 접목한 유연성 디스플레이, 전자종이, 투명 디스플레이 등에 응용될 수 있다. 더 나아가 미래 자동차를 위한 디스플레이, 휴대용 소형 IT 단말기, 착용 가능 컴퓨터 (wearable computer)뿐만 아니라 직접 사람의 안구에 착용하여 다 기능의 디스플레이 역할을 하는 초소형 인체 친화형 디스플레이에 응용될 수 있으며 이는 막대한 시장규모와 다양한 응용가능성으로 인하여 원천 기술 및 제품화 기술의 확보를 위한 경쟁이 치열한 실정이며, 일본이 가장 앞선 기술을 보유하고 있고 한국은 대만과 중국의 추격을 받고 있어 기술 경쟁력 강화를 위한 노력이 절실한 실정이다.
  • III-V 반도체와 II-VI 반도체는 초절전 인간 친화형 감성조명, 자동차용 조명 등, 미래형 조명을 위한 발광소자로 각광 받고 있어 차세대 성장동력으로 국가적인 연구개발 프로그램이 진행되고 있으며, RGB 삼원색을 구현할 수 있어 차세대 IT 단말기를 위한 디스플레이에 응용하기 위한 연구를 다양한 기업과 연구기관에서 수행하고 있다. 또한, 초고속 통신용 광원, 변조기 및 수광소자, 입체 영상 획득을 위한 이미지 센서, 단광자(single photon) 발생 및 검출기 등에 사용될 수 있어 매우 폭넓은 응용분야를 가지고 있다.
  • 차세대 디스플레이 및 센서 기술 분야의 국내 기술은 주로 생산기술의 개발로 집중되어 있는 실정이며, 생산기술 분야에서는 중국, 인도, 베트남 등의 후발 개발도상국의 추격이 심화되고 있어, 기술적 혁신 없이는 심화된 경쟁에서 뒤떨어 질 수도 있는 상황다. 일본, 미국 등 기술선진국의 기술을 뛰어 넘는 양질의 지적재산권의 확보, 적극적인 응용제품의 개발을 통해 세계 시장을 선도해 나갈 수 있는 전략의 수립 및 추진이 절실한 실정이다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 미래사회에서는 사용자의 다양한 요구를 만족시킬 수 있는 다양한 형태의 인체 친화형 디스플레이 및 센서 기술이 필요할 것으로 전망된다. 착용가능 컴퓨터 및 실감형 소형디스플레이를 비롯한 인체친화형 head mount display, 고전적인 출판물을 대체할 전자종이, 두루마리형 유연성 디스플레이 등에 대한 요구가 증가될 것으로 전망되어, 이를 실현하기 위한 과학기술적 한계의 극복이 필요하여, 연구개발의 역량이 집중될 것으로 전망된다. 그림16.인간 친화형 디스플레이의 소형화 및 인공망막
  • [그림 16]에 도시한 바와 같이 인체친화형 디스플레이를 실현하기 위해서는 투명성, 유연성, 소형화, 고집적화를 달성하여야 하며, 궁극적으로는 안구에 직접 착용할 수 있는 Contact Lens형 디스플레이를 비롯 시각장애를 극복할 수 있는 Bionic Eye의 실현을 위한 연구 개발이 이루어질 전망이다.
  • 고전적인 디스플레이 기술을 극복하고 다양한 형태의 차세대 디스플레이 및 인공망막기술 개발을 위해서는 유기반도체 기반 발광소자 기술, 유연성 기판위에 디스플레이 back-plane 제조하기 위한 고속 산화물 반도체 기반 박막 트랜지스터 기술, 고효율 저전력 RGB Micro-LED, 초고효율 MPDA (micro photodiode arrary) 기술 개발을 위한 기술혁신을 위한 많은 연구가 수행될 것으로 전망된다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 인체친화형 초소형 디스플레이 기술을 위한 유무기 광전자 소재 및 나노소자, 박막 전자소자 기술을 개발하기 위해서는 소자재료 성장분야와 제조기술, 소자물리 분야의 전문가와의 방문연구, 상호 교환연구를 통한 연구 클러스터 구축 및 국제적 네트워크의 구성이 매우 중요하다.
  • Bionic Eye 구현하기 위한 핵심 소재 및 소자의 개발, 그리고, 이를 임상실험까지 연계하기 위해서는 본 분야에서 다양한 경험을 가지고 있는 해외석학의 초빙이 절실하며, 해외석학이 이미 구축하고 있는 공동연구 인프라 즉, 해외 병원과의 공동연구 추진 등이 가능하며, 핵심기술 개발을 통해 단기간에 본 분야에서 국제적인 위상을 드높일 수 있는 계기를 마련할 수 있다는 점에서 공동연구가 반드시 필요하다.

최종목표

인체 친화형 초소형 디스플레이 및 인공망막 핵심기술 개발

 

국내외 연구현황 및 전망

구분 연구개발목표
1차년도
  • OLED 및 Oxide-TFT를 위한 물질 개발
  • Micro-LED 및 인공망막을 위한 micro-photodiode 설계
  • 이원계 산화물 반도체 물성 최적화
2차년도
  • 양방향 투명 OLED 및 TFT를 위한 물질 개발
  • 초고효율 III-V micro-LED 및 micro-PD 재료 성장
3차년도
  • 유연성 양방향 투명 OLED 및 Oxide-TFT를 위한 공정 기술 개발
  • 초고효율 III-V micro-LED 및 micro-PD 제조
4차년도
  • OLED와 Oxide-TFT를 기반으로 하는 초소형 유연성 AM-OLED기술 개발
  • 초고효율 micro-LED 및 micro-PD array 간 무선 전력전송
5차년도
  • 안구 착용 디스플레이 제조기술 연구
  • 유연성 기판위의 micro-PD array실현을 통한 인공망막 구현
  • 유연성 기판위의 micro-LED array실현을 통한 인공망막 에너지원 구현

 

국내외 연구현황 및 전망

구분 연구개발목표
1차년도
  • 유기 반도체 기반 전자, 정공 전달 물질 및 발광 물질 개발
  • 고품위 III-V 화합물 반도체 박막 증착 및 마이크로 패터닝 기술 개발
  • Oxide-TFT 게이트 유전박막 최적화 연구
2차년도
  • 유기물을 기반으로 하는 투명 전극 물질 개발
  • LED 및 PD 소자제작 및 마이크로 패터닝 기술 적용
  • 이원계 Oxide-TFT 성능향상
3차년도
  • 유연성 기판에 OLED 및 Oxide-TFT를 적용할 수 있는 공정기술 개발
  • 인공망막에 적합한 수준의 광전변환 및 에너지 선환효율을 가지는 micro-LED 및 micro-PD 개발
4차년도
  • 유연성 기판에 OLED 및 OTFT를 초소형 직접화 한 AM-OLED 투명 디스플레이 제조기술 개발
  • 초고효율 micro-LED 및 micro-PD array 간 무선 전력전송을 통한 인공망막 전력공급 기술 연구
5차년도
  • AM-OLED 투명 디스플레이를 기반으로 하는 안구 착용 디스플레이 최적화
  • 유연성 기판에 고효율 micro-LED 및 micro-PD array를 실현하는 기술 개발
  • 유연성 micro-LED, PD array의 디스플레이 및 인공망막 적용
  • Micro-PD array의 생체적합성 연구

국내외 연구현황 및 전망

  • 인체친화형 초소형 디스플레이 기술을 위한 유무기 광전자 소재 및 나노소자, 박막 전자소자 기술을 개발하기 위해서는 소자재료 성장분야와 제조기술, 소자물리 분야의 전문가와의 협력을 통해 수직적으로 형성되는 공동연구 체계를 형성하며, 최적의 소재 및 소자 개발을 위한 정보 환류 시스템을 구축한다.
  • 해외석학의 방문연구, 국내 연구진의 해외 방문연구, 학생 파견 등을 통해 해외 석학의 기술을 조기 습득한다.
  • 해외석학이 보유하고 있는 당 과제 연구 분야의 네트워크를 적극적으로 활용, 국제적 네트워크의 확대를 통한 국제 공동연구를 활성화한다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 본 과제에서는 제 4세부에서 연구하는 Bionics and Bio-interface 기술 분야의 연구진과의 교류를 통해 본 과제에서 연구한 소재 및 소자의 생체 적합성을 연구한다.
  • 본 과제에서 수행한 유기 반도체 소재 및 소자 기술은 제 3세부 Solar cell/battery 분야와의 교류를 통해 소재 및 집적소자 분야에서 시너지 효과를 기대한다.
  • 제 6세부 nanobio 정보처리 분야에는 bionic eye 및 접안 디스플레이를 위한 이미지 또는 동영상 전송 및 정보처리 분야에서 협력한다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 본 과제에 참여하는 연구진은 <그림17>과 같이 해외학자 3명과 국내학자 3명으로 구성되어 있으며 디스플레이분야와 bionic eye의 구현을 위해 공동연구 추진체계를 가지고 있다.
  • A. Ignatiev 교수는 2002년 ceramic photodetector 기반 bionic eye를 Univ. of Texas, Medical school과 공동으로 개발한 바 있으며, Univ. of Huston에서 SVEC (Space Vacuum Epitaxy Center)를 이끌고 있다. 초고진공상태에서 다양한 물질의 성장 및 소자제조 분야에서 매우 훌륭한 연구업적을 가지고 있는 해외 석학으로서, 본 과제에서는 Bionic Eye를 위한 핵심 소재 및 소자의 개발을 공동으로 수행하며, Univ. of Texas, Medical School과의 해외 공동연구를 통해 동 분야를 선도하고자한다.
  • Charles Tu 교수는 미국 대학교 연구실에 가장 먼저 GS-MBE를 도입한 III-V 반도체 분야의 선구자로, 이를 이용하여 다양한 물질을 성장하고 소자 제작에 응용한 선도적인 연구를 수행해 왔다. Univ. of California at San Diego 에서 GS-MBE를 이용하여 arsenide/ phosphide/nitride-기반 이종접합, patterned- and-etched substrates를 이용한 선택적 재성장에 관한 선구자적 연구를 수행하였으며, 현재 신개념 반도체, dilute nitrides에 관한 연구를 수행하고 있다. 본 과제에서는 초소형 인체 친화형 디스플레이 개발을 위한 Micro-LED array의 개발을 위한 III-V 반도체 성장 및 소자 제조 분야에서 공동연구 수행하고 있다.
  • Wu Lu 교수는 나노스케일 소자 공정 및 high speed optoelectronics 분야에서 많은 연구업적을 쌓았으며, 현재 매우 활발한 연구를 수행하고 있는 소장파 연구자이며, GaN 기반 전자소자 및 Bio/Chemical sensor, InSb, InAs 기반 나노소자분야의 연구를 활발히 수행하고 있다. 본 과제에서는 초소형 디스플레이 구현을 위한 나노 공정, 소자 스케일링을 위한 소자 물리학 분야에서 공동연구를 수행하고 있다 .
  • Charles Tu 교수는 IEEE, AVS Fellow이며, Prof. A. Ignatiev 는 International Academy of Astronautics 회원으로서, 본 분야의 국제적 네트워크를 형성하는데 매우 큰 역할을 수행할 수 있으며, 저명한 SCI 논문지의 편집위원 및 각종 국제학술대회를 조직하는데 많은 역할을 수행하고 있어, 화합물 반도체, 박막공학, Bionics분야에서 광주과학기술원의 위상을 제고하는 기대효과 또한 가지고 있다.
  • 나노광반도체 연구실, 박성주 교수는 고효율 광원 및 디스플레이 개발을 위한 넓은 띠 간격 화합물 반도체 구조의 성장 및 물성 분석에 관한 연구를 수행하고 있으며, 본 전략기술 분야와 관련하여 고품위 아연산화물계 반도체 구조의 진성, n형 및 p형 도핑기술 을 개발하였고 저온 저손상 에피택시 성장에 관련된 탁월한 연구성과를 보유하고 있다. 다양한 박막 성장법 (RF-magnetron sputter, RF-PLD 및 MOCVD)을 이용하여 새로운 광 특성, 전기적 특성을 보이는 아연산화물계 반도체 및 III-V 반도체재료의 성장 및 물성 분석과 같은 기초적인 연구와 함께 투명 박막트랜지스터, 표면플라즈몬/광결정 등을 이용한 발광다이오드와 같은 반도체 소자 제작 기술을 개발하는 등 차세대 디스플레이 구현에 필요한 새로운 반도체 재료의 응용성을 높이기 위한 기술개발에 주력하고 있다.
  • 광기능성 고분자 연구실, 김동유 교수는 신규 고분자 물질을 기반으로 유기발광소자 (OLED) 소자의 개발, 유기태양전지(OSC)의 개발 및 유기 박막트렌지스터 (OTFT)에 관한 연구를 수행하고 있으며, 본 전략기술 분야와 관련하여 고효율 OLED 소자, 유연한 플라스틱 기판을 이용한 유기태양전지 및 높은 이동도(mobility)를 가지는 유기박막 트렌지스터를 2000년 노벨화학상을 수상한 University of California Santa Barbara (UCSB)의 Alan J. Heeger 교수를 센터장으로 한 히거신소재연구센터 (HCAM) 와 공동연구를 통하여 개발하여 보고한 바 있다. 신규 공액고분자의 개발과 이를 이용한 OLED 의 정공전달물질, 전자전달물질 및 열적 안정성이 우수한 청색발광 고분자등을 개발에 주력하고 있다.
  • 초고주파 광전자 집적소자 및 시스템 연구실, 장재형 교수는 화합물 반도체에 기반 초고효율 단광자 검출 소자 및 회로, 시스템에 관한 연구를 수행하고 있으며, 본 전략기술 분야와 관련하여 산화물 반도체 박막트랜지스터를 나노광반도체 연구실과 공동연구를 통해 개발한 바 있으며, 이를 이용하여 국내 최초로 링 발진기를 선보인 바 있다. 산화물반도체 박막 트랜지스터 개발을 위한 게이트 유전체에 대한 연구도 함께 수행하고 있으며, 저온 저 손상 박막성장기술 개발을 통해, AM-OLED 뿐 만 아니라, TFT-LCD, 투명 유연성 디스플레이를 위한 Back-plane의 개발에 주력하고 있다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 초소형 인간친화형 디스플레이 분야에서는 박성주 교수와 Chales Tu 교수가 III-V 및 II-VI 반도체를 성장하며, 장재형 교수가 TFT backplane을 제조하고, 김동유 교수가 AM-OLED를 완성하여 투명하며, 높은 해상도를 가지고 있으며, 곡면에 실현할 수 있는 미래형 디스플레이 기술을 개발하고자 한다.
  • Bionic Eye의 개발을 위해서는 김동유 교수가 Polymer platform을 제공하며, 박성주 교수 및 Charles Tu 교수는 Micro-LED를 이용한 초소형 디스플레이 및 에너지 공급원에 대해 연구하며, 장재형 교수가 Wu Lu 교수와 함께 인공망막을 위한 MPDA 설계 및 제작을 담당하며, A. Ignatiev 교수는 MPDA 설계 및 제조와 함께 기구축한 U. of Texas, Medical School과의 네트워크를 통해 bionic eye 임상실험 연구 수행을 하고 있다.
1) III-V 반도체 및 산화물 반도체 성장
  • 유리기판 위에 고품위 이원계 및 사원계 산화물 반도체 박막의 저온성장기술 개발
  • 유연성 기판위에 이원계-사원계 산화물 반도체 박막 성장 기술연구
  • 초소형 디스플레이 및 인공망막에 무선 에너지 공급을 위한 III-V micro-LED 박막성장 및 제조
  • 인공망막의 implant 임상실험을 위해 Univ. of Texas Medical School과 공동연구수행
2) 유기물 반도체 소자 및 공정
  • 투명 수용성 전자 전달 물질의 개발
  • 열중합이 가능한 정공 전달 물질 및 절연막 물질의 개발 및 특성 분석
  • 투명한 유기물 음극(-) 및 양극(+) 기술 개발
  • 개발된 전자 및 정공 전달 물질을 이용한 OLED 단위 소자의 제작 및 최적화
  • 유연성 기판 위에 OLED를 기반으로 하는 AM-OLED 기술개발 및 특성 평가
  • 유연성 패키징 기술 개발을 곡면 AM-OLED 제조 기술 연구
3) 산화물 박막전자소자 및 MPDA 설계 및 제작
  • 산화물 반도체 TFT를 위한 게이트 유전물질 연구
  • 투명 디스플레이를 위한 산화물 반도체 back-plane기술 개발
  • 고속 박막 트랜지스터를 이용한 디지털 회로 제조 및 특성 분석
  • 인공망막을 위한 세라믹 및 화합물 반도체 기반 초고효율 MPDA (micro-photodiode array) 설계 및 제조기술 개발

국내외 연구현황 및 전망

차세대 전략산업 분야에서 국가적 신성장동력을 견인하기 위해서는, 세계적으로 선도적인 기술확보가 필요하며, 이러한 앞선 기술을 개발할 수 있는 인재의 필요성이 절실해 지는 이때에, 현 기술의 문제점을 스스로 정의하고, 해결방안을 독립적으로 찾아가는 능력을 가지고, 이론적 실험적 문제해결 방법론 및 해석능력을 두루 갖춘 인재를 배출하여 본 분야의 지속적인 학문적 발전을 담보할 수 있을 것으로 전망된다.

차세대 디스플레이분야 핵심기술 및 지적재산권 확보

  • 본 연구분야는 아직까지 연구초기단계에 속하여, 미국, 일본 등과 같은 시기에 개발에 착수하여 원천 특허 확보를 통한 기술 선점 및 기술 종속을 방지하는데 기여할 것으로 전망된다.
  • 이원계-사원계 산화물 반도체는 투명도와 기계적 유연성 및 안정성, 다른 전자부품 분야로의 응용가능성이 매우 높아 아연산화물을 이용한 고효율의 박막트랜지스터의 개발이 성공할 경우 국내 산업체에 대한 기술이전을 통해서 적극적으로 활용될 수 있을 것이며, 디스플레이를 비롯한 전자소자 제품의 제작에 있어 국제적으로 매우 유리한 고지를 점유하게 될 것이다.

새로운 응용분야의 개척

  • 고효율, 고휘도 유기발광소자와 저온 공정이 가능한 산화물반도체 기반 TFT기술과 결합된 AM-OLED 기술을 개발할 경우, 유비쿼터스 개인용 휴대단말기에 사용가능한 유연성 디스플레이, 투명 디스플레이, 전자종이 등에 응용을 할 수 있어, 현재 우리나라가 가지고 있는 IT 하드웨어 기술을 한 단계 향상시킬 수 있는 단초를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.
  • 인공망막 개발을 통한 Bionic Eye 핵심기술의 개발은 인간의 시각에 대한 과학적 이해의 수준을 더 높이며, 노화 또는 파괴된 시각의 복원에 기여할 수 있으며, 향후 로봇 공학 등, 시각을 필요로 하는 다양한 분야에 응용될 수 있다.

국내외 연구현황 및 전망

차세대 성장동력 발굴을 통한 경제발전에 기여

  • 차세대 성장동력 사업으로 디스플레이 분야의 최근 국내외 연구개발은 플렉서블 디스플레이에 집중되고 있다. 이에 스프레이 용액 공정을 이용한 대면적 플렉서블 AM-OLED 개발은 조기기술 확보 및 시장 형성 기여를 기대할 수 있다.
  • 새로운 고성능, 저전압 디스플레이로서의 실용화 및 소형 전자제품용 디스플레이 등의 상용화는 국내 및 국외에서의 시장 점유율 증대에 의한 국가 경쟁력 상승효과를 가져온다.
  • 전 세계적으로 매년 약 20만명 이상이 눈에 장애를 입고 있는 현 상황에서 Bionic eye의 개발 및 상용화는 엄청난 경제적 효과를 가져올 수 있을 것으로 전망된다.

국내외 연구현황 및 전망

인간이 외부로부터 받아들이는 정보 중 가장 큰 부분이 시각적인 정보라는 점을 감안한다면, 디스플레이 기술은 인간의 정보를 습득하는 패턴을 변화 시킬 수 있을 뿐 아니라, 차세대 인간친화형 유연성 투명 디스플레이는 다양한 응용분야를 가지고 있어 일상생활에 매우 큰 영향을 줄 것이며, 다양한 시각적인 컨텐츠 개발에도 영향을 주어 타 산업에의 파급효과도 매우 클 것으로 기대된다.

인간의 손상된 시각을 복원하는 것은 시각장애 환자들로 하여금 제 2의 인생을 여는 것과 같은 것으로, 보다 밝고 행복하게 더불어 잘 사는 미래 복지사회 구현에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

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