총 3번의 반응성 이온 식각 기반 포토리소그래피 공정을 적용하여 개발된 4,216ppi 급 초고해상도 RGB 화소 어레이(왼쪽) 및 고해상도 풀컬러 OLED 소자(오른쪽)의 모습

한양대 김도환 교수와 숭실대 이호진 교수 연구팀이 실리콘 반도체 패턴 기법인 포토리소그래피 공정을 유기발광체에 적용해, 메타버스의 실감형 콘텐츠를 보다 생동감 있게 구현할 초고해상도 마이크로디스플레이의 상용화 가능성을 높였다.
  
포토리소그래피는 반도체의 표면에 사진인쇄기술로 집적회로, 부품, 박막회로, 프린트 배선 패턴 등을 만들어 넣는 기법이며, 마이크로디스플레이는 화면 대각선 길이가 1인치 이하 고해상도 디스플레이로 실감형 콘텐츠 및 메타버스의 핵심 요소이다.

공동 연구팀이 개발한 기술은 컬러필터가 필요 없는 초고해상도 RGB OLEDoS 마이크로디스플레이 제조 공정의 핵심인 유기발광체의  고품질 패턴 기술이다.
   
RGB는 빛의 삼원색으로 빨간, 녹색, 파란색을 이용해서 색을 표시하는 방식이며, OLEDoS는 실리콘 기판에 적용한 발광형 유기화합물이 전류에 반응하여 빛을 내는 유기발광다이오드이다.

3차원 가상현실세계인 메타버스가 빠르게 발전함에 따라, 사용자에게 현실감과 몰입감 높은 시각정보를 제공할 수 있는 4,000 ppi(pixel per inch : 해상도의 밀도를 나타내는 단위로, 1인치당 표시되는 개별 픽셀 수) 이상의 초고해상도 마이크로디스플레이 개발의 중요성이 높아지고 있다. 
   
 OLED는 뛰어난 색재현성과 빠른 응답속도, 낮은 소비전력으로 최적의 마이크로디스플레이 기술로 각광받고 있지만, 종래의 OLED 패턴 기술은 1,000 ppi 이상의 초고해상도 RGB 화소 구현이 어려웠다. 
 
또한, 현재 상용화된 OLEDoS 마이크로디스플레이는 컬러필터로 빛의 삼원색을 구현하기 때문에 전력소비가 높고 색 재현성이 낮은 한계가 있었다. 

연구팀은 실리콘 반도체 패턴 기법인 초정밀 포토리소그래피를  OLED 분야에 접목하는 방법으로 초고해상도 RGB OLEDoS 마이크로디스플레이 구현의 실마리를 풀었다.
 
먼저 유기발광체에 실리콘 분자를 도입한 고내구성 반도체 소재를 제조하고, 이를 기반으로 RGB 유기발광체의 4000 ppi급 고품질 패턴 기술을 개발했다.
 
실리콘 도입형 유기발광체는 실리콘 소재처럼 강한 내구성을 지녀 유기발광체의 고유한 광전자적 특성 저하 없이 비등방성 식각기반 포토리소그래피 패턴 공정을 성공적으로 구현했다.
   
나아가, 수평 방향 식각의 억제가 가능한 실리콘 기반 비휘발성 식각 방지층을 유기발광층 자체적으로 형성해 고밀도의 고품질 패턴을 구현했다.

연구팀은 4,200 ppi 수준의 초고해상도 RGB 화소를 성공적으로 구현하고, 고해상도 풀컬러 OLED를 개발함으로써, 기존 컬러필터 기반의 OLEDoS 마이크로디스플레이의 한계를 극복하였다.          

김도환·이호진 교수는 “이번 연구성과는 실리콘 소재 고유의 강한 내구성과 비등방성 식각 거동을 유기발광체에 접목해 초고해상도·고품질 패턴 기술을 제시했다는 점에서 의의가 있다”라며, “이를 통해 초고해상도 RGB OLEDoS 마이크로디스플레이 상용화에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.