KAIST 등, 마이크로LED 난제 해결..VR 기기서 ‘현실 같은 영상’ 구현

- 초소형 웨어러블 기기 등 차세대 디스플레이 분야에 폭넓게 활용 기대

(뒷줄 좌측부터) KAIST 박주혁박사, KAIST 김현수 박사과정, (앞줄 좌측부터) KAIST HaoiLe Bao 석사과정, 김채연석사과정 (동그라미 왼쪽부터) KAIST 김상현 교수, 인하대학교 금대명교수. (자료제공: KAIST) 

적색 마이크로 LED 성능 개선결과. (자료제공: KAIST)

TV와 스마트워치, 그리고 최근 주목받는 VR·AR 기기까지. 화면을 구성하는 핵심 기술인 마이크로LED는 머리카락 굵기보다 작은 LED 하나하나가 스스로 빛을 내는 차세대 디스플레이다. 디스플레이 완성의 필수 조건인 빨강·초록·파랑(RGB) 가운데 가장 구현이 어려웠던 적색 마이크로LED 기술을 한국연구진이 고효율·초고해상도로 구현하며, 현실보다 더 선명한 화면 구현할 수 있는 신기술을 내놓았다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 인하대학교(총장 조명우) 금대명 교수와 공동으로 연구하고 화합물 반도체 제조업체 큐에스아이(대표 이청대)와 마이크로디스플레이·반도체 SoC 설계 기업 라온택(대표 이승탁)과 협업으로, 초고해상도이면서도 전력 소모를 크게 줄인 적색 마이크로LED 디스플레이 기술을 개발했다고 1월 28일 밝혔다.

연구팀은 이를 통해 최신 스마트폰 디스플레이 해상도의 약 3~4배, VR·AR 기기에서도 초고해상도 수준의 화면이 아닌 ‘현실에 가까운 영상’을 구현할 수 있는 1700 PPI(Pixel Per Inch)급 초고해상도 마이크로LED 디스플레이를 실제로 구현하는 데 성공했다.

마이크로LED는 픽셀 자체가 발광하는 디스플레이 기술로, OLED보다 밝기와 수명, 에너지 효율 면에서 뛰어나지만 두 가지 핵심 난제가 있었다. 첫째는 적색 LED의 효율 저하 문제다. 특히 ‘적색 픽셀’ 구현할 때 픽셀이 작아질수록 에너지가 새어나가 효율이 급격히 떨어지기 때문이다. 둘째는 전사(Transfer) 공정의 한계였다. 수많은 미세 LED를 하나씩 옮겨 심어야 하는 기존 공정 방식은 초고해상도 구현이 어렵고 불량률도 높았다.

연구팀은 이러한 문제를 동시에 해결했다. 먼저 알루미늄 인듐 인화물/갈륨 인듐 인화물(AlInP/GaInP) ‘양자우물 구조’를 적용해, 픽셀이 작아져도 에너지 손실이 거의 없는 고효율 적색 마이크로LED를 구현했다. 쉽게 말해, 양자우물 구조는 전자가 밖으로 빠져나가지 않도록 ‘에너지 장벽’을 세워 빛을 내는 공간에 가둬두는 기술이다. 이로 인해 픽셀이 작아져도 에너지 손실이 줄고, 더 밝고 효율적인 적색 마이크로LED 구현이 가능해진다.

또한 LED를 하나씩 옮기는 대신, 회로 위에 LED 층을 통째로 쌓아 올리는 ‘모놀리식 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.

이번 성과는 구현이 가장 어렵다고 알려진 초고해상도 적색 마이크로LED를 실제 구동 가능한 디스플레이로 입증했다는 점에서 의미가 크다. 해당 기술은 화면의 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.

KAIST 정보전자연구소 박주혁 박사가 제1저자로 연구를 주도한 이번 연구는 한국연구재단 기본연구(2019), 디스플레이전략연구실 사업(현재 수행 중), 삼성미래육성센터(2020~2023)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 세계적 학술지 ‘Nature Electronics’에 1월 20일에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]