TV와 스마트워치, 그리고 최근 주목받는 VR·AR 기기까지 화면을 구성하는 핵심 기술로 마이크로LED가 주목받고 있다. 마이크로LED는 머리카락 굵기보다 작은 LED 하나하나가 스스로 빛을 내는 차세대 디스플레이 기술이다. 디스플레이 완성의 필수 조건인 빨강·초록·파랑(RGB) 가운데 가장 구현이 어려웠던 적색 마이크로LED 기술을 한국 연구진이 고효율·초고해상도로 구현하며, 현실에 가까운 영상을 구현할 수 있는 신기술을 제시했다.
KAIST는 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 인하대학교 금대명 교수 연구팀과 공동 연구를 수행하고, 화합물 반도체 제조업체 큐에스아이와 마이크로디스플레이·반도체 SoC 설계 기업 라온택과 협업을 통해 초고해상도이면서도 전력 소모를 크게 줄인 적색 마이크로LED 디스플레이 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
연구팀은 이번 성과를 통해 최신 스마트폰 디스플레이 해상도의 약 3~4배 수준에 해당하는 1700PPI급 초고해상도 마이크로LED 디스플레이를 실제로 구현하는 데 성공했다. 이 기술은 VR·AR 기기에서도 기존의 ‘고해상도’를 넘어, 픽셀의 입자감이 거의 느껴지지 않는 ‘현실에 가까운 영상’ 구현이 가능하다는 점에서 주목된다.
마이크로LED는 픽셀 자체가 발광하는 디스플레이 기술로 OLED 대비 밝기, 수명, 에너지 효율 측면에서 우수하지만, 두 가지 핵심 난제로 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 하나는 적색 LED의 효율 저하 문제다. 특히 적색 픽셀은 크기가 작아질수록 에너지가 외부로 새어나가 효율이 급격히 떨어지는 한계가 있었다. 또 다른 난제는 전사 공정의 한계로, 수많은 미세 LED를 하나씩 옮겨 심는 기존 방식은 초고해상도 구현이 어렵고 불량률이 높다는 문제가 있었다.
연구팀은 이 두 가지 문제를 동시에 해결했다. 먼저 알루미늄 인듐 인화물/갈륨 인듐 인화물(AlInP/GaInP) 기반의 ‘양자우물 구조’를 적용해, 픽셀이 작아져도 에너지 손실이 거의 없는 고효율 적색 마이크로LED를 구현했다. 양자우물 구조는 전자가 외부로 빠져나가지 않도록 에너지 장벽을 형성해 빛을 내는 영역에 가두는 방식으로, 픽셀 축소에 따른 효율 저하를 크게 줄일 수 있다.
여기에 LED를 하나씩 옮기는 방식 대신, 회로 위에 LED 층을 통째로 적층하는 ‘모놀리식 3차원 집적 기술’을 적용했다. 이 기술은 정렬 오차를 줄이고 불량률을 낮춰 초고해상도 디스플레이를 보다 안정적으로 제작할 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 이 과정에서 회로 손상을 방지하는 저온 공정 기술도 함께 확보했다.
이번 연구 성과는 구현이 가장 어렵다고 알려진 초고해상도 적색 마이크로LED를 실제 구동 가능한 디스플레이로 입증했다는 점에서 의미가 크다. 해당 기술은 AR·VR 스마트 글래스는 물론 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 효율 문제와 구동 회로 집적 문제를 동시에 해결한 성과”라며 “향후 상용화가 가능한 차세대 디스플레이 기술로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 정보전자연구소 박주혁 박사가 제1저자로 연구를 주도했으며, 연구 결과는 세계적 학술지 Nature Electronics에 1월 20일 게재됐다.
헬로티 이창현 기자 |
