전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 반도체 공정 기술을 활용해 기존 마이크로 LED 디스플레이의 해상도 한계를 극복할 수 있는 6만 PPI(Pixel Per Inch) 초고해상도 디스플레이 제작 기술을 개발했다. 이번 연구는 지난해 12월 28일 <나노 스케일(Nanoscale)>에 게재됐다.

초고해상도 디스플레이 제작의 한계

최근 가상현실, 증강현실 등을 구현하기 위해 소형 디스플레이 제품의 높은 해상도를 달성할 수 있는 마이크로 LED*에 대한 관심이 높아졌다. 기존에는 무기물 기반의 마이크로 LED를 제작하고 이를 가상현실 및 증강현실 디스플레이에 적용하는 연구가 이뤄졌다. 무기물 LED를 픽셀로 사용하기 위해서는 적녹청 픽셀을 밀집하게 배열해야 하지만, 현재 적색과 녹색, 청색을 낼 수 있는 LED의 물질이 서로 달라 적녹청 LED를 따로 제작한 후 디스플레이 기판에 전사해야만 했다. 따라서 별도의 공정을 통해 만들어진 수백만 개의 픽셀을 배열하는 방식은 기계적 정확도의 제한, LED 이송 헤드의 크기 제한, 그리고 수율 저하 문제 등 여러 기술적 난제들이 많아 초고해상도 디스플레이를 제작하기에는 부적합했다.

빛을 선택적 투과시키는 절연막 사용

연구팀은 1차원적으로 정렬시켰던 방식에서 벗어나 기판 접합 기술을 통해 적녹청 LED 활성층을 수직으로 적층한 후, 반도체 패터닝(Patterning)** 공정을 이용해 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이에 대응할 수 있는 소자 제작 방법을 제안했다. 또한, 픽셀을 수직 적층할 때 발생하는 적색 LED와 청색 LED 간의 색 간섭 문제를 최소화하기 위해 두 LED 사이의 접합 면에 필터 특성을 갖는 절연막을 설계했다. 실제로, 에너지가 큰 청색 LED에서 나오는 빛은 절연막에 의해 약 97% 반사되었고, 적색 LED의 빛은 절연막을 통과했기 때문에 수직으로 픽셀을 결합해도 빛의 간섭 없이 순도 높은 픽셀을 구현할 수 있음을 확인했다. 이와 더불어 소형 LED 픽셀에서 문제가 될 수 있는 반도체 표면에서의 비 발광성 재결합*** 현상을 시간 분해 광발광 분석과 전산모사로 체계적으로 조사해 초소형 LED의 효율을 개선할 수 있는 중요한 방향성을 제시했다.

이번 연구는 기존 기술로 제작하기 힘든 6만 PPI 이상의 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이를 적녹청 픽셀의 수직 적층 및 반도체 패터닝 기술을 이용해 구현할 수 있음을 증명했다. 또한, 이번 연구에서 제안한 공정은 향후 무기물 기반의 풀컬러 마이크로 디스플레이와 가상현실, 증강현실 그리고 홀로그램 등의 미래 디스플레이 업계에서 활용이 가능할 것으로 보인다. 

김 교수는 “기존 디스플레이 분야에서만 다루던 초고해상도의 픽셀 제작 가능성을 반도체 공정을 이용해 최초로 입증한 연구로, 반도체와 디스플레이 업계 협력의 중요성을 보여주는 연구 결과이다”라고 연구 의의를 전했다. 이어 “우선 이번 연구를 적용한 실제 디스플레이를 만들고, 다양한 소자와 센서를 융합한 새로운 디스플레이를 개발할 것”이라고 추후 연구 계획을 밝혔다.

마이크로 LED*

한 변이 100 마이크로미터 이하인 LED 를 말하며, 기존 조명용 LED에 비해 10배 이하로 크기가 작은 LED 를 총칭한다.

반도체 패터닝**

평평한 반도체 위에 전자회로를 새기기 위해 특정부분을 선택적으로 깎는 과정

비 발광성 재결합***

반도체의 표면 불안정으로 인해 전자와 홀이 결합해도 빛이 발광하지 않는 현상으로,  LED 발광 효율을 저하한다.