적색 마이크로LED 저효율, 3차원 적층 기술로 해결

LED(발광다이오드) 빨강·초록·파랑(RGB) 구현에서 가장 어려운 색은 파랑이었다. 이를 만든 일본 물리학자는 2014년 노벨물리학상을 받았다. 머리카락 보다 작은 마이크로 LED에서는 효율측면에서 파랑보다 빨강색 구현이 더 어렵다. 이유는 재료 특성상 표면결함과 전자 손실에 매우 민감해 효율이 잘 안나오기 때문이다. KAIST는 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 인하대학교 금대명 교수와 공동으로 초고해상도이면서도 전력 소모를 크게 줄인 적색 마이크로LED 디스플레이 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 이 기술 개발에는 화합물 반도체 제조업체 큐에스아이와 마이크로디스플레이·반도체 SoC 설계 기업 라온택이 회로 등을 지원했다. 연구팀은 최신 스마트폰과 비교했을때 디스플레이 해상도의 약 3~4배 수준, VR·AR 기기에서는 현실에 가까운 영상을 구현할 수 있는 1700 PPI급(인치당 픽셀수) 초고해상도 마이크로LED 디스플레이를 구현하는데 성공했다. 마이크로LED는 픽셀 자체가 발광하는 디스플레이 기술로, OLED(유기발광다이오드)보다 밝기와 수명, 에너지 효율 면에서 뛰어나지만 두 가지 핵심 난제가 있었다. 첫째는 적색 LED의 효율 저하 문제다. 특히 '적색 픽셀' 구현할때 픽셀이 작아질수록 에너지가 새어나가 효율이 급격히 떨어진다. 둘째는 전사(Transfer) 공정의 한계였다. 수많은 미세 LED를 하나씩 옮겨 심어야 하는 기존 공정 방식은 초고해상도 구현이 어렵고 불량률도 높았다. 연구팀은 이 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. '양자우물 구조'는 전자가 밖으로 빠져나가지 못하게 '에너지 장벽'을 세워 빛을 내는 공간에 가둬두는 기술이다. 이로 인해 픽셀이 작아져도 에너지 손실이 줄고, 더 밝고 효율 좋은 적색 마이크로LED 구현이 가능해진다. 연구팀은 또 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 제작하는데 장점이 있다. 연구팀은 이 과정에서 회로 손상을 막는 저온 공정 기술도 함께 확보했다. KAIST 전자정보연구소 박주혁 박사(논문 제1저자)는 "화면 입자감이 거의 느껴지지 않아야 하는 AR·VR 스마트 글래스를 비롯한 차량용 헤드업 디스플레이(HUD), 초소형 웨어러블 기기 등 다양한 차세대 디스플레이 분야에 폭넓게 활용될 것"으로 기대했다. 박 박사는 또 "상용화를 위해선 우선 시장이 보다 활짝 열려야하고, 20%정도 효율을 더 개선해 3000PPI 수준은 돼야 할 것"으로 전망했다. 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. 연구는 국제 학술지 네이처 일렉트로닉스에 지난 20일 게재됐다. 예산은 한국연구재단 기본연구(2019), 디스플레이전략연구실 사업, 삼성미래육성센터가 지원했다.