우리 연구진이 디스플레이 완성 필수 조건인 빨강·초록·파랑(RGB) 가운데 가장 구현이 어려웠던 적색 마이크로LED 기술을 고효율·초고해상도로 구현했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 김상현 전기 및 전자공학부 교수팀이 금대명 인하대 교수와 공동으로 연구하고 화합물 반도체 제조업체 큐에스아이 및 마이크로디스플레이 설계 기업 라온택과 협업해 이같은 성과를 거뒀다고 28일 밝혔다.
개발 기술로 가상현실(VR)·증강현실(AR) 기기에서도 1700PPI(Pixel Per Inch)급 초고해상도 마이크로LED 디스플레이를 실제로 구현했다.
마이크로LED는 유기발광다이오드(OLED)보다 밝기와 수명, 에너지 효율 면에서 뛰어나지만 적색 LED의 효율 저하가 난제다. 적색 픽셀을 구현할때 픽셀이 작아질수록 에너지가 새어나가 효율이 급격히 떨어진다. 전사(Transfer) 공정 한계도 문제다. 수많은 미세 LED를 하나씩 옮겨 심어야 하는 기존 공정 방식은 초고해상도 구현이 어렵고 불량률도 높았다.
연구팀은 이런 문제를 동시에 해결했다. 알루미늄 인듐 인화물/갈륨 인듐 인화물(AlInP/GaInP) '양자우물 구조'를 적용, 픽셀이 작아져도 에너지 손실이 거의 없는 고효율 적색 마이크로LED를 구현했다. 양자우물 구조는 전자가 밖으로 빠져나가지 않도록 '에너지 장벽'을 세워 빛을 내는 공간에 가둬두는 기술로, 이로 인해 픽셀이 작아져도 에너지 손실이 줄고 더 밝고 효율적인 적색 마이크로LED 구현이 가능해진다.
또 LED를 하나씩 옮기는 대신, 회로 위에 LED 층을 통째로 쌓아 올리는 '모노리식 3차원 집적 기술'을 적용했다. 이 방식은 정렬 오차를 줄이고 불량률을 낮춰, 초고해상도 디스플레이를 안정적으로 제작할 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 이 과정에서 회로 손상을 막는 저온 공정 기술도 함께 확보했다.
개발 기술은 화면 입자감이 거의 느껴지지 않아야 하는 AR·VR 스마트 글래스를 비롯해, 차량용 헤드업 디스플레이(HUD), 초소형 웨어러블 기기 등 다양한 차세대 디스플레이 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
김상현 교수는 “이번 연구는 마이크로LED 분야에서 오랫동안 해결되지 않았던 적색 픽셀 효율과 구동 회로 집적 문제를 동시에 풀어낸 성과”라며 “상용화가 가능한 차세대 디스플레이 기술로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.
이번 연구는 박주혁 KAIST 정보전자연구소 박사가 제1저자로, 연구 결과는 네이처 일렉트로닉스에 지난 20일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
