세계 최소 LED 제작: ETH 취리히의 나노 LED 돌파구

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50,000 PPI 해상도로 ETH 로고를 표시하는 유기 나노 발광 다이오드 픽셀 어레이. (이미지: Jiwoo Oh / ETH Zurich; Nature Photonics)

소형화는 반도체 산업의 원동력입니다. 1950년대 이후 컴퓨터 성능의 엄청난 향상은 실리콘 칩에 점점 더 작은 구조를 제조할 수 있게 되었기 때문입니다. ETH 취리히의 화학 공학자들이 현재 주로 프리미엄 휴대폰과 TV 화면에 사용되는 유기 발광 다이오드(OLED)의 크기를 몇 차원이나 줄이는 데 성공했습니다. 그들의 연구는 최근 Nature Photonics 저널에 게재되었습니다.

"우리가 지금까지 개발한 가장 작은 OLED 픽셀의 직경은 100나노미터 범위로, 현재 최첨단보다 약 50배 작습니다."라고 나노물질 공학 연구 그룹을 이끄는 ETH Chih-Jen Shih 교수 연구팀의 박사과정 Jiwoo Oh는 말합니다.

Oh는 Tommaso Marcato와 함께 새로운 나노 OLED 제조 공정을 개발했습니다. "단 한 단계만으로 최대 픽셀 밀도가 이전보다 약 2500배 더 높아졌습니다."라고 Shih 교수 그룹의 박사후연구원인 Marcato는 말합니다.

비교하자면: 2000년대까지 컴퓨터 프로세서의 소형화 속도는 2년마다 전자 소자 밀도가 두 배가 된다는 무어의 법칙을 따랐습니다.

100~200나노미터 크기의 픽셀들은 눈 가까이에 착용하는 안경에서 면도날처럼 선명한 이미지를 표시할 수 있는 초고해상도 화면의 기초가 됩니다. 이를 설명하기 위해 Shih 교수 연구팀은 ETH 취리히 로고를 표시했습니다. 이 로고는 인간 세포 크기와 비슷한 2800개의 나노 OLED로 구성되며, 각 픽셀은 약 200나노미터입니다. ETH 연구자들이 지금까지 개발한 가장 작은 픽셀은 100나노미터 범위에 도달합니다.

게다가 이 미세한 광원은 고해상도 현미경을 통해 서브마이크로미터 범위에 초점을 맞추는 데도 도움이 될 수 있습니다. "나노 픽셀 어레이를 광원으로 사용하면 시료의 가장 미세한 영역을 조명할 수 있습니다. 개별 이미지들을 컴퓨터에서 조립하면 극도로 상세한 이미지를 제공할 수 있습니다."라고 Shih 교수는 말합니다. 그는 또한 나노 픽셀을 개별 신경 세포에서 신호를 감지할 수 있는 미세 센서로도 잠재력을 봅니다.

이러한 미세한 치수는 이전에는 완전히 닿을 수 없었던 연구와 기술의 가능성을 엽니다. Marcato에 따르면: "같은 색의 두 빛 파동이 파장의 절반보다 가까운 거리에서 수렴하면(이른바 회절 한계), 더 이상 독립적으로 진동하지 않고 서로 상호작용하기 시작합니다." 가시광선의 경우 이 한계는 색상에 따라 약 200~400나노미터 사이인데, ETH 연구자들이 개발한 나노 OLED는 이 정도로 가까이 배치될 수 있습니다.

초기 실험에서 Shih 교수팀은 이러한 상호작용을 이용해 방출된 빛의 방향을 표적으로 조작할 수 있었습니다. 칩 위 모든 방향으로 빛을 방출하는 대신, OLED는 매우 특정 각도에서만 빛을 방출했습니다. "미래에는 나노 OLED 매트릭스의 빛을 한 방향으로 묶어 강력한 미니 레이저를 구성하는 데 활용할 수 있을 것입니다."라고 Marcato는 기대합니다.

한 평면에서만 진동하는 편광도 상호작용을 통해 생성될 수 있음을 연구자들이 이미 입증했습니다. 오늘날 이는 의학에서 건강한 조직과 암 조직을 구별하는 데 활용되고 있습니다.

현대 무선 및 레이더 기술은 이러한 상호작용의 잠재력을 엿보게 합니다. 밀리미터에서 킬로미터 파장을 사용하며 이미 오랫동안 이러한 상호작용을 활용해 왔습니다. 위상 배열 배치를 통해 안테나나 송신 신호를 정밀하게 정렬하고 초점을 맞출 수 있습니다. 광학 스펙트럼에서 이러한 기술은 데이터 네트워크와 컴퓨터의 정보 전송을 더욱 가속화하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

상호작용하는 파동의 기본 원리는 거울처럼 평평한 호수에 두 돌을 나란히 던져 설명할 수 있습니다. 원형 물결이 만나는 곳에서 파동 마루와 골의 기하학적 패턴이 생성됩니다. 유사한 방식으로 지능적으로 배치된 나노 OLED는 이웃 픽셀의 빛이 서로 보강하거나 상쇄하는 광학 파동 효과를 생성할 수 있습니다.

기존 OLED 제조에서는 발광 분자가 실리콘 칩에 후속 증착되었습니다. 이는 상대적으로 두꺼운 금속 마스크를 사용하여 수행되며, 이에 상응하는 더 큰 픽셀을 생성합니다. 하지만 Oh가 설명했듯, 소형화 추구는 이제 특수 세라믹 소재로 가능해졌습니다: "질화규소는 단 몇 제곱밀리미터 표면에서도 처지지 않는 매우 얇으면서도 탄력 있는 막을 형성할 수 있습니다."

따라서 연구자들은 나노 OLED 픽셀 배치를 위한 템플릿을 약 3000배 더 얇게 제작할 수 있었습니다. "우리 방법은 컴퓨터 칩 생산에 사용되는 표준 리소그래피 공정에 직접 통합될 수 있다는 장점도 있습니다."라고 Oh는 말합니다.

새로운 나노 발광 다이오드는 2024년 스위스 국립과학재단(SNSF)이 Shih 교수에게 수여한 통합 보조금(Consolidator Grant) 맥락에서 개발되었습니다. 연구자들은 현재 방법을 최적화하는 중입니다. 픽셀의 추가 소형화뿐만 아니라 제어에도 초점을 맞추고 있습니다.

"우리의 목표는 OLED를 개별적으로 제어할 수 있도록 연결하는 것입니다."라고 Shih 교수는 말합니다. 이는 빛 픽셀 간 상호작용의 잠재력을 완전히 활용하기 위해 필요합니다. 무엇보다 정밀하게 제어 가능한 나노 픽셀은 전자적으로 빛 파동을 조향하고 초점화할 수 있는 위상 배열 광학의 새로운 응용 분야로 문을 열 수 있습니다.

1990년대에는 위상 배열 광학이 2차원 화면에서 홀로그래픽 투영을 가능하게 할 것이라고 postulized되었습니다. 하지만 Shih 교수는 이미 한 발 더 앞서 생각합니다: 미래에는 상호작용하는 OLED 그룹이 메타 픽셀로 묶여 공간에 정밀하게 배치될 수 있습니다. "이렇게 하면 관람자 주변에 3D 이미지를 구현할 수 있을 것입니다."라고 화학자는 미래를 내다보며 말합니다.

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