3차원 적층 기술로 적색 마이크로LED 난제 해결… 1,700PPI 초고밀도 구현
차세대 디스플레이로 주목받는 마이크로LED에서 가장 구현이 어려웠던 적색 픽셀의 효율과 집적 한계를 국내 연구진이 동시에 해결했다. 픽셀 미세화로 인한 효율 저하와 복잡한 전사 공정 문제를 극복하면서, 초고해상도 디스플레이 구현 가능성을 한 단계 끌어올렸다는 평가다.
KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 인하대학교 금대명 교수 연구팀과 공동으로 연구하고, 화합물 반도체 제조업체 큐에스아이 및 마이크로디스플레이·반도체 SoC 설계 기업 라온택과 협업해 고효율·초고해상도 적색 마이크로LED 디스플레이 기술을 개발했다고 1월 28일 밝혔다.
연구팀은 픽셀 밀도 1인치당 1,700픽셀(PPI)에 달하는 초고밀도 적색 마이크로LED 디스플레이를 실제로 구현하는 데 성공했다. 이는 최신 스마트폰 디스플레이 해상도의 약 3~4배에 해당하는 수준으로, AR·VR 기기와 같이 화면 입자감이 거의 느껴지지 않아야 하는 응용 분야에 활용 가능성이 크다.
마이크로LED는 픽셀 자체가 빛을 내는 구조로 OLED 대비 밝기와 수명, 에너지 효율 면에서 유리하지만, 적색 픽셀 구현에서는 픽셀이 작아질수록 에너지 손실이 커져 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있었다. 또한 수많은 미세 LED를 하나씩 옮겨 심는 기존 전사 공정은 초고해상도 구현과 수율 확보에 한계를 드러내 왔다.
연구팀은 알루미늄 인듐 인화물/갈륨 인듐 인화물(AlInP/GaInP) 기반의 양자우물 구조를 적용해, 픽셀이 미세화되더라도 에너지 손실을 최소화한 고효율 적색 마이크로LED를 구현했다. 양자우물 구조는 전자가 빛을 내는 영역을 벗어나지 않도록 가두는 방식으로, 밝기와 효율을 동시에 개선할 수 있다.
아울러 LED를 개별적으로 옮기는 대신, 회로 위에 LED 층을 직접 적층하는 모놀리식 3차원 집적 기술을 적용해 정렬 오차와 불량률을 크게 낮췄다. 이 과정에서 회로 손상을 방지하는 저온 공정 기술도 함께 확보해, 초고해상도 디스플레이의 안정적인 제작 가능성을 입증했다.
이번 성과는 구현이 가장 어려운 적색 마이크로LED를 초고해상도 디스플레이로 실제 구동 가능함을 입증했다는 점에서 의미가 크다. 해당 기술은 AR·VR 스마트 글래스, 차량용 헤드업 디스플레이(HUD), 초소형 웨어러블 기기 등 다양한 차세대 디스플레이 분야로 확장될 것으로 기대된다.
김상현 교수는 “마이크로LED 분야에서 오랫동안 해결되지 않았던 적색 픽셀 효율과 구동 회로 집적 문제를 동시에 풀어낸 연구”라며, “향후 상용화 가능한 차세대 디스플레이 기술로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 정보전자연구소 박주혁 박사가 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 Nature Electronics에 1월 20일 게재됐다.
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