세계에서 가장 작은 LED 제작:ETH 취리히의 나노 LED 혁신

전자 및 센서 내부자

유기 나노 발광 다이오드의 픽셀 배열은 인치당 50,000픽셀의 해상도로 ETH 로고를 표시합니다. (이미지 :오지우 / ETH Zurich; Nature Photonics)

소형화는 반도체 산업의 원동력이다. 1950년대 이후 컴퓨터 성능이 엄청나게 향상된 것은 주로 실리콘 칩에서 더 작은 구조를 제조할 수 있다는 사실 때문입니다. ETH Zurich의 화학 엔지니어들은 현재 프리미엄 휴대폰과 TV 화면에 주로 사용되는 유기발광다이오드(OLED)의 크기를 몇 배나 줄이는 데 성공했습니다. 그들의 연구는 최근 Nature Photonics 저널에 게재되었습니다. .

"우리가 지금까지 개발한 가장 미세한 OLED 픽셀의 직경은 100나노미터 범위에 있으며, 이는 현재 기술 수준보다 약 50배 더 작다는 것을 의미합니다"라고 Chih-Jen Shih ETH 교수가 이끄는 나노재료 공학 연구 그룹에서 활동 중인 박사과정 학생인 오지우(Jiwoo Oh)는 말했습니다.

오 대표는 Tommaso Marcato와 함께 새로운 나노 OLED 제조 공정을 개발했습니다. Shih 그룹에서 박사후 연구원으로 활동 중인 Marcato는 "단 한 단계만으로 최대 픽셀 밀도가 이전보다 약 2500배 더 커졌습니다."라고 말했습니다.

비교하자면, 2000년대까지 컴퓨터 프로세서의 소형화 속도는 전자 부품의 밀도가 2년마다 두 배로 증가한다는 무어의 법칙을 따랐습니다.

예를 들어, 100~200나노미터 크기의 픽셀은 눈에 가까이 착용하는 안경에서 매우 선명한 이미지를 표시할 수 있는 초고해상도 화면의 기반을 형성합니다. 이를 설명하기 위해 Shih의 연구팀은 ETH Zurich 로고를 표시했습니다. 로고는 인간의 세포 크기와 비슷한 2800개의 나노 OLED로 구성되어 있으며 각 픽셀의 크기는 약 200나노미터입니다. 지금까지 ETH 취리히 연구원들이 개발한 가장 작은 픽셀의 범위는 100나노미터에 이릅니다.

더욱이, 이러한 작은 광원은 고해상도 현미경을 통해 마이크로미터 미만 범위에 초점을 맞추는 데 도움이 될 수도 있습니다. Shih 교수는 “광원으로서의 나노 픽셀 어레이는 샘플의 가장 미세한 영역을 비출 수 있습니다. 그런 다음 개별 이미지를 컴퓨터에 조립하여 매우 상세한 이미지를 전달할 수 있습니다.”라고 말했습니다. 그는 또한 나노 픽셀을 개별 신경 세포의 신호를 감지할 수 있는 잠재적인 작은 센서로 인식합니다.

이러한 미세한 차원은 또한 이전에는 완전히 접근할 수 없었던 연구 및 기술의 가능성을 열어줍니다. Marcato에 따르면, "동일한 색상의 두 광파가 파장의 절반보다 더 가깝게 수렴할 때(소위 회절 한계), 그들은 더 이상 서로 독립적으로 진동하지 않고 서로 상호 작용하기 시작합니다." 가시광선의 경우 색상에 따라 이 한계는 약 200~400나노미터입니다. ETH 연구진이 개발한 나노 OLED는 이렇게 가깝게 배치할 수 있습니다.

초기 실험을 수행한 Shih 팀은 이러한 상호 작용을 사용하여 방출된 빛의 방향을 목표한 방식으로 조작할 수 있었습니다. OLED는 칩 위의 모든 방향으로 빛을 방출하는 대신 매우 특정한 각도에서만 빛을 방출합니다. Marcato는 "미래에는 나노 OLED 매트릭스의 빛을 한 방향으로 묶고 이를 활용하여 강력한 미니 레이저를 만드는 것이 가능할 것"이라고 기대합니다.

연구원들이 이미 시연한 것처럼 편광(한 평면에서만 진동하는 빛)은 상호 작용을 통해 생성될 수도 있습니다. 예를 들어 오늘날 이는 의학에서 건강한 조직과 암성 조직을 구별하는 데 사용되고 있습니다.

현대 무선 및 레이더 기술은 이러한 상호 작용의 잠재력에 대한 아이디어를 제공합니다. 그들은 밀리미터에서 킬로미터에 이르는 파장을 사용하며 이미 한동안 이러한 상호 작용을 활용해 왔습니다. 소위 위상 배열 배열을 사용하면 안테나 또는 송신기 신호를 정확하게 정렬하고 집중할 수 있습니다. 광학 스펙트럼에서 이러한 기술은 무엇보다도 데이터 네트워크와 컴퓨터에서 정보 전송을 더욱 가속화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

상호작용하는 파도의 기본 원리는 거울처럼 매끄러운 호수에 두 개의 돌을 나란히 던지는 것으로 적절하게 설명될 수 있습니다. 원형의 물결이 만나는 곳에서는 파도의 마루와 골의 기하학적 패턴이 만들어집니다. 비슷한 방식으로 지능적으로 배열된 나노 OLED는 인접한 픽셀의 빛이 서로 강화되거나 상쇄되는 광파 효과를 생성할 수 있습니다.

현재까지 OLED를 제조할 때 발광 분자는 이후 실리콘 칩에 증기 증착되었습니다. 이는 상대적으로 더 큰 픽셀을 생성하는 상대적으로 두꺼운 금속 마스크를 사용하여 달성됩니다. 그러나 Oh가 설명했듯이 소형화를 향한 추진력은 이제 특수 세라믹 재료에 의해 가능해졌습니다. "질화규소는 불과 몇 평방 밀리미터 크기의 표면에서도 처지지 않는 매우 얇지만 탄력 있는 막을 형성할 수 있습니다."

그 결과, 연구진은 약 3,000배 더 얇은 나노 OLED 픽셀을 배치하기 위한 템플릿을 제작할 수 있었습니다. "우리 방법은 컴퓨터 칩 생산에 사용되는 표준 리소그래피 공정에 직접 통합될 수 있다는 장점도 있습니다"라고 오씨는 말했습니다.

새로운 나노 발광 다이오드는 스위스 국립과학재단(SNSF)이 2024년 Shih에게 수여한 Consolidator Grant의 맥락에서 개발되었습니다. 연구진은 현재 방법을 최적화하기 위해 노력하고 있습니다. 픽셀의 더욱 소형화와 더불어 픽셀 제어에도 중점을 두고 있습니다.

Shih는 "우리의 목표는 OLED를 개별적으로 제어할 수 있는 방식으로 연결하는 것"이라고 말했습니다. 이는 광 픽셀 간 상호 작용의 잠재력을 최대한 활용하기 위해 필요합니다. 무엇보다도 정밀하게 제어 가능한 나노 픽셀은 광파를 전자적으로 조종하고 집중시킬 수 있는 위상 배열 광학의 새로운 응용 분야의 문을 열 수 있습니다.

1990년대에는 위상 배열 광학이 2차원 스크린에서 홀로그램 투영을 가능하게 할 것이라고 가정되었습니다. 그러나 Shih는 이미 한발 앞서 생각하고 있습니다. 미래에는 상호 작용하는 OLED 그룹을 메타 픽셀로 묶고 공간에 정확하게 배치할 수 있을 것입니다. "이를 통해 시청자 주변에서 3D 이미지를 구현할 수 있게 될 것입니다."라고 화학자는 미래를 내다보며 말했습니다.

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