Flexible GaN Light-Emitting Diodes Using GaN Microdisks Epitaxial Laterally Overgrown on Graphene Dots

대면적의 유연한 전자소자 및 광전자소자는 (flexible electronics & optoelectronics)는 유연성 디스플레이, 센서, 바이오 소자 등 다양한 분야에 활용이 가능하며 특히 웨어러블 디바이스에 대한 높은 관심으로 최근들어 크게 주목 받고 있다. 현재까지는 소재의 유연성과 대면적화의 용이함 때문에 유연성 전자소자 및 광전소자는 대부분 유기 소재를 기반으로 제조하였지만, 유기 소재는 광전효율, 내구성 등에 근본적인 한계가 있어 유연성 소자를 높은 효율과 내구도를 가진 무기 소재로 제조하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 이와 같은 목표를 위해 본 연구진은 그래핀과 높은 광전효율 및 내구성을 가지는 질화갈륨(GaN)을 결합하여 유연한 기판으로 전사가능한 무기물 기반의 발광다이오드 제조에 성공한 바가 있다(Science, 2010). 하지만 다결정 구조의 대면적 그래핀에서 비롯되는 결정립 크기(grain size)의 제한 및 결정립 경계면(grain boundary)의 결함 발생, 그래핀과 질화갈륨의 결정크기 차이에서 비롯되는 결함 농도 증가 등이 극복해야 할 과제로 남아있었다.
본 연구에서는 CVD 방식으로 제조한 대면적, 다결정 그래핀의 결정립의 크기 보다 훨씬 작은 크기의 마이크로 닷 형태로 그래핀을 패터닝하고 그 위에 질화갈륨 마이크로 디스크를 제조하는 방식으로 단결정의 질화갈륨 마이크로 디스크 어레이를 얻는데에 성공하였다. 또한 ELOG (epitaxial Lateral overgrowth) 기술을 적용, 코어 부분을 제외한 대부분의 면적에서 결함밀도를 크게 낮추어 기존 그래핀 기판에서 얻은 질화갈륨 대비 고품질의 박막을 얻을 수 있었다. 이렇게 제조된 고품질의 질화갈륨 마이크로 디스크 어레이를 기반으로 발광다이오드를 제조하여 우수한 발광 특성을 보인다는 것을 확인할 수 있었으며, 각각의 마이크로 디스크가 개발적으로 분리가 되어있기에 곡률 반경 1 mm 미만의 곡률반경의 구부림에서도 소자가 안정적으로 동작한다는 것을 보여 주었다. 이 연구는 2차원 나노소재와 무기물 반도체 각각의 장점을 성공적으로 결합하여 신개념의 유연성 무기 발광다이오드의 제조가 가능함을 보였기에, 이와 같은 방법론은 향후 다양한 무기물 기반의 대면적, 유연한 전자소자 및 광전소자에도 널리 적용이 가능하리라 기대된다.

“Flexible GaN Light-Emitting Diodes Using GaN Microdisks Epitaxial Laterally Overgrown on Graphene Dots”
Advanced Materials (Online published, 2016)
DOI: 10.1002/adma.201601894
First published: 27 June 2016

Authors: Kunook Chung, Hyobin Yoo, Jerome K. Hyun, Hongseok Oh, Youngbin Tchoe, Keundong Lee, Hyeonjun Baek, Miyoung Kim, Gyu-Chul Yi*


The epitaxial lateral overgrowth (ELOG) of GaN microdisks on graphene microdots and the fabrication of flexible light-emitting diodes (LEDs) using these microdisks is reported. An ELOG technique with only patterned graphene microdots is used, without any growth mask. The discrete micro-LED arrays are transferred onto Cu foil by a simple lift-off technique, which works reliably under various bending conditions.