우리 대학 기계공학부 강봉철 교수 연구팀이 차세대 마이크로 LED 디스플레이를 포함한 다양한 평판 디스플레이의 1) 제로베젤(Zero-bezel) 을 실현할 수 있는 친환경 고속 패터닝 기반 전자소자 패키징 기술을 개발했다. (왼쪽부터 강봉철 교수, 강지운 기계시스템공학과 석사과정, 권승갑 기계시스템공학과 박사과정 학생)

최근 스마트폰, 스마트워치, 태블릿 등 다양한 형태의 전자기기들이 보급되고 있다. 디스플레이 업계의 가장 큰 이슈는 베젤을 없애어 넓은 화면비 확보 및 차세대 2) 마이크로 LED 디스플레이 패널을 구현하는 것이다. COG(Chip on Glass) 기술 또는 COF(Chip on Film) 기술 등 다양한 방법으로 베젤을 줄이는 시도를 하고 있으나 완전한 제로(zero)베젤을 구현하기에는 제조기술에 한계가 있다.

또한, 현재 패널의 앞면 디스플레이 픽셀과 뒷면 구동 직적회로의 전극을 연결하기 위해서는 사용되는 3) FPCB는 복잡한 제조공정이 필요하고 유독한 화학물질이 사용된다. 또한, FPCB와 패널의 연결을 위한 접합 공정은 정밀 위치제어 장비 등 고가의 장비가 필요한 고난도 공정을 요구한다.

연구팀은 거칠고 굴곡진 디스플레이용 유리기판 옆 모서리면에 10 마이크로미터(μm)의 균일한 배선을 매우 빠른 속도록 형성하는 기술을 선보였다. 배선은 앞면의 디스플레이 발광부 픽셀과 뒷면의 제어 회로부를 손쉽고 안정적으로 연결할 수 있다.

핵심 기술은 4) '레이저 필라멘트 스케닝 소결’이라는 신개념 금속 배선 제조기술이다. 전구의 필라멘트처럼 얇고 가느다란 형태의 레이저 초점을 은 5) 나노입자에 조사하여 유리기판의 모서리면의 형상과 거칠기에 제한 없고, 추가적인 접합 공정 없이 단일공정으로 고분해 미세 배선을 빠르게 제조할 수 있다.

머리카락 굵기의 10분의 1 크기의 금속 배선을 거칠고 곡률이 있는 유리 모서리면에 3 m/s의 매우 빠른 속도로 제조할 수 있다. 이는 유리기판 모서리면의 거친표면 특성과 레이저의 낮은 광흡수로 인해 발생되는 근접장 6) 산란으로 이중모드 동시소결 반응을 유도한 기술로서, 기존 7) 소결 기술대비 최소 10배 이상 소결속도를 확연히 향상시켰다.

강봉철 교수는 “기존 반도체/디스플레이 제조공정으로 구현이 불가능했던 차세대 디스플레이의 핵심 원천제조기술을 개발한 것으로서, 이러한 원천 공정기술개발을 바탕으로 반도체/디스플레이 분야의 대외의존도를 낮추고 기술자립화에 이바지하고 싶다”는 포부를 밝혔다.

이 연구 성과는 교육부·한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업(중견연구자지원사업)의 지원을 받아 강봉철 교수 지도하에 권승갑(국민대 기계시스템공학과 박사과정)과 강지운 (국민대 기계시스템공학과 석사과정)이 주도하여 수행되었다.

연구결과는 화학 및 친환경 공학분야의 권위적인 학술지인 ACS Sustainable Chemistry & Engineering (IF:7.632, JCR랭킹 상위 5 %)에 “Rapid electronic interconnection across glass boundary edge for sustainable and lean electronics manufacturing” 제목으로 08월 03일 자로 게재되었으며 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정되었다.

1) 디스플레이를 정면으로 바라봤을 때 화면이 표시되는 부분 외에 모든 요소를 베젤 이라고 하는데, 제로베젤이란 이를 없애서 디스플레이 전면부 전체가 화면으로서 동작할 수 있게하는 기술.
2) 기존 Mini LED의 1/10 수준의 크기인 초소형 LED를 이용한 디스플레이로 통상적으로는 소자의 가로세로 크기가 100㎛ 이하인 LED를 이용하여 만든 디스플레이를 일컬음.
3) 연성이 있는 전기절연체 위에 전도성이 양호한 도체를 이용하여 만든 전자회로 기판.

4) 레이저의 초점크기 대비 초점심도의 비가 최대 500인 레이저 필라멘트와 2차원 스캐너를 이용하여 최대 3m/s의 고속으로 나노입   자를 소결하는 공정.
5) 나노입자는 적어도 한 차원이 100nm, 즉 천만분의 1미터이하인 입자임.
6) 빛이 원자나 분자 또는 어떤 물질의 입자에 부딪혀서 운동 방향을 바꾸거나 흩어지는 현상.
7) 분말 입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리로 되는 과정.

그림1  무베젤 일체형 디스플레이 개념도 및 레이저 필라멘트 스캐닝 소결 공정 개략도

그림2  레이저 속도에 따른 배선 선폭(좌) 이중모드 동시 소결 메카니즘(우)

그림3  레이저 필라멘트 스캐닝 소결 공정이 적용된 일체형 무베젤 디스플레이 모듈