KAIST가 가상현실(VR)과 증강현실(AR) 기기에서 사용자에게 완벽한 몰입감을 선사하기 위해 필요한 ‘현실 같은 영상’ 구현의 핵심 난제를 해결했다.
KAIST 전기및전자공학부 김상현 교수팀은 인하대 금대명 교수팀, 화합물 반도체 전문업체 큐에스아이, 라온택과 공동연구로 초고해상도에 전력 효율까지 대폭 향상된 적색 마이크로LED 디스플레이 기술을 개발했다.
이 기술은 화면의 입자감이 거의 느껴지지 않는 초고해상도를 유지하면서도 배터리 소모는 획기적으로 줄인 것이 특징이다.
적색 픽셀 에너지 누수 막는 양자우물 구조 적용
마이크로LED는 머리카락 굵기보다 작은 초소형 LED가 스스로 빛을 내는 차세대 디스플레이로, 기존 유기발광다이오드(OLED)보다 밝기와 수명이 뛰어나다.
하지만 화면 구성의 필수 요소인 빨강·초록·파랑(RGB) 중 유독 적색 픽셀은 크기를 줄일수록 전자가 밖으로 새어 나가 효율이 급격히 떨어지는 고질적인 문제를 안고 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 새로운 ‘양자우물 구조’를 내놨다.
양자우물은 전자가 밖으로 빠져나가지 못하도록 에너지 장벽을 세워 빛을 내는 공간에 가둬두는 기술이다.
이를 통해 '알루미늄 인듐 인화물/갈륨 인듐 인화물(AlInP/GaInP)' 구조를 설계해 양자우물 내 정공의 농도를 높이고 전자의 확산을 억제했다.
그 결과 픽셀이 미세해져도 에너지 손실 없이 밝은 빛을 내는 고효율 적색 마이크로LED 구현이 가능해졌다.
3차원 집적 기술 혁신
기존 기술은 수많은 미세 LED를 하나씩 집어 회로 기판에 옮겨 심는 ‘픽앤플레이스(Pick-and-place)’ 방식을 사용했다.
이 방식은 픽셀 크기가 작아질수록 정밀하게 위치를 잡기 어렵고 불량률이 높다는 치명적인 단점이 있다.
연구팀은 LED를 옮기는 대신 구동 회로 위에 LED 반도체층을 통째로 쌓아 올리는 ‘모놀리식 3차원 집적 기술’을 적용했다.
아울러 포토리소그래피 기술을 사용해 상부 소자를 직접 제작, 정렬 오차를 나노미터 수준으로 줄였다.
또 제작 과정에서 하부 회로가 손상되지 않도록 저온 공정 기술을 확립해 시스템의 안정성도 확보했다.
연구팀은 이 기술을 활용해 1인치당 1700개의 픽셀이 촘촘히 박힌 ‘1700 PPI 초고해상도 디스플레이’를 제작했다.
이는 최신 스마트폰 해상도의 4배에 달하는 수준으로, VR 기기에서 입자감이 전혀 느껴지지 않는 선명한 화면을 제공한다.
아울러 연구팀은 실시간 HDMI 영상을 직접 출력하는 독립형 모니터 동작에도 성공해 상용화 가능성을 입증했다.
김 교수는 “이번 연구는 마이크로LED 분야의 숙원이었던 적색 픽셀 효율 저하와 구동 회로 집적 문제를 동시에 풀어낸 성과”라며 “향후 RGB를 수직으로 쌓는 풀컬러 디스플레이로 확장해 사람 개입이 최소화된 차세대 디스플레이 기술로 발전시키겠다”고 설명했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 정보전자연구소 박주혁 박사가 제1저자로 주도했고, 연구결과는 지난 20일 국제학술지 ‘Nature Electronics’에 게재됐다.
(논문명: Monolithic 3D 1700PPI red micro-LED display on Si CMOS IC using AlInP/GaInP epi-layers with high internal quantum efficiency and low size dependency)
