증강·가상현실에 적합한 초고해상도 마이크로 LED 기술 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 증강·가상현실에 적합한 초고해상도 마이크로 LED 기술이 나올 것으로 기대된다. 국내 연구팀이 몰입도롤 높일 수 있는 관련 기술을 구현했다.

디지털화된 현대인 생활 속에는 웨어러블, 롤러블 디스플레이 등 다양한 형태의 미래 디스플레이가 요구된다. 증강, 가상현실을 위한 스마트 글라스 등 디바이스의 경우에 완벽하게 유저들을 몰입시키는데 요구되는 4K 이상의 해상도가 필요하다.

디바이스에 요구되는 작은 소비전력, 제한된 면적에 많은 픽셀을 구현해야 하는 기술적 한계 때문에 완벽하게 구현되지 못하고 있는 실정이다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 소자의 크기가 마이크로미터(μm, 백만분의 1미터) 정도의 크기를 갖는 마이크로 LED의 소형화될 때 소자 효율이 저하되는 현상을 재규명했다. 이를 에피택시 구조 변경으로 근본적 해결이 가능함을 제시했다.

에피택시 기술이란 마이크로 LED로 사용되고 있는 초순수 규소(Silicon) 혹은 사파이어(Sapphire) 기판을 매개체로 삼아 그 위에 발광체로 쓰이는 질화갈륨 결정체를 쌓아 올리는 공정을 말한다.

마이크로 LED는 OLED 대비 우수한 밝기, 명암비, 수명이라는 장점이 있어 활발히 연구되고 있다. 삼성전자는 2018년 ‘The Wall’이라는 마이크로 LED를 탑재한 제품을 상용화했다. 애플은 2025년에 마이크로 LED를 탑재한 제품을 상용화할 것으로 알려졌다.

마이크로 LED를 제작하기 위해선 웨이퍼 위에 성장된 에피택시 구조를 식각 공정을 통해 원기둥 혹은 직육면체의 모양으로 깎아서 픽셀들을 형성한다. 이 식각 과정에는 플라즈마 기반의 공정이 동반된다.

이러한 플라즈마들은 픽셀 형성 과정에서 픽셀의 측면에 결함들을 발생시킨다. 픽셀 사이즈가 작아지고 해상도가 높아질수록 픽셀의 표면적 대 부피의 비율이 상승해 공정 중 발생하는 소자 측면 결함이 마이크로 LED의 소자 효율을 더 크게 감소시킨다.

연구팀은 마이크로 LED 소자가 동작할 때 에피택시 구조에 따라 마이크로 LED의 측벽으로 이동하는 전류의 차이가 발생한다는 것을 알아냈다. 이를 기반으로 측벽 결함에 민감하지 않는 구조를 설계해 마이크로 LED 소자 소형화에 따른 효율 저하 문제를 해결했다.

제시된 구조는 디스플레이를 구동할 때 발생하게 되는 열을 기존 대비 40% 정도 낮출 수 있어 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이 상용화를 위한 연구로써 큰 의미를 갖는다.

KAIST 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀의 백우진 박사과정이 제 1 저자로 주도하고 김상현 교수와 충북대 금대명 교수(KAIST 박사 후 연구원 재직 당시)가 교신저자로 지도한 이번 연구(논문명: Ultra-Low-Current Driven InGaN Blue Micro Light-Emitting Diodes for Electrically Efficient and Self-Heating Relaxed Microdisplay)는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’3월 17일자에 출판됐다

김상현 교수는 “이번 기술 개발은 마이크로 LED 소형화에 걸림돌이었던 효율 저하의 원인을 규명하고 이를 에피택시 구조의 설계로 해결한 데에 큰 의미가 있다”며 “앞으로 초고해상도 디스플레이에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.