한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 반도체 공정 기술을 활용해 기존 마이크로 LED 디스플레이의 해상도 한계를 극복할 수 있는 6만 ppi(pixel per inch) 이상의 초고해상도 디스플레이 제작 가능 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 

최근 가상현실 (Virtual reality, VR), 증강현실(Augmented reality, AR) 등을 구현하기 위한 소형 디스플레이 제품의 높은 해상도를 달성할 수 있는 마이크로 LED 에 대한 관심이 높아지고 있다. 

마이크로 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 한 변이 100 마이크로미터 이하인 LED를 말하며 기존 조명용 LED(수백~ 수천 마이크로)에 비해 크기가 훨씬 작은 LED를 총칭한다. 

기존 조명용 LED에 비해 크기가 현저하게 줄어들면서 기존의 조명용 LED에 사용되는 무기물과 유기물 기반의 마이크로 LED를 제작하고 이를 VR, AR 에 적용하려는 연구개발이 많아지고 있다. 

그러나 유기물 기반 OLED(Organic light emitting diode)는 대면적 디스플레이에는 적합하나 재료적 한계로 인해 고휘도 실현 곤란(무기물 대비 100배 이상 낮은 효율)하고 수율 및 신뢰성 문제가 존재한다. 

이를 극복하기 위해 최근 무기물 기반 마이크로 LED에 관한 연구가 다수 보고되고 있지만 대부분 개별 마이크로 LED 정렬 전사 방식을 사용하고 있다.

또 현재 디스플레이 구현을 위해 적·녹·청(R/G/B) 각 색상의 화합물 반도체 LED를 마이크로 사이즈까지 줄여 개별 픽셀 형태로 배열 연구들이 진행 중이고 대부분의 전사 방식이 무기물 스탬프 등을 활용한 프린팅 전사 방식 혹은 전압 인가를 통한 픽셀 선별 전사 방식 등의 패키징 기반의 기술을 사용한다. 

이러한 공정에서는 마이크로 사이즈의 개별 LED를 수평 배열하기 위한 공정상의 어려움(마이크로 사이즈의 정밀한 정렬)이 존재하며 수평 배열을 위해 제작된 LED들의 전사과정에서 수율 저하 문제, 수평 배열로 인한 픽셀 미세화 곤란 문제 등 해결해야 할 기술적 난제들이 많아 고해상도의 실현은 매우 어려울 것으로 예상된다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 적녹청 LED 활성층을 3차원으로 적층한 후 반도체 패터닝 공정을 이용해 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이에 대응할 수 있는 소자 제작 방법을 제안함과 동시에 수직 적층시 문제가 될 수 있는 색의 간섭 문제와 초소형 픽셀에서의 효율을 개선했다. 

연구과정을 보면 3차원 적층을 위해 기판 접합 기술을 사용했고 색 간섭을 최소화하기 위해 접합 면에 필터 특성을 갖는 절연막을 설계해 적색-청색 간섭 광을 97% 제거했다.

이후 이러한 광학 설계를 포함한 접합 매개물을 통해 수직으로 픽셀을 결합해도 빛의 간섭 없이 순도 높은 픽셀을 구현할 수 있음을 확인했다. 
 
이 연구결과에 의하면 수직 결합 후 반도체 패터닝 기술을 이용해 6만 ppi 이상의 해상도 달성 가능성을 증명했다. 

또 초소형 LED 픽셀에서 문제가 될 수 있는 반도체 표면에서의 비 발광성 재결합 현상을 시간 분해 광발광 분석과 전산모사를 통해 체계적으로 조사해 초소형 LED의 효율을 개선할 수 있는 중요한 방향성을 제시했다. 

김상현 교수는 “반도체 공정을 이용해 초고해상도의 픽셀 제작 가능성을 최초로 입증한 연구로 반도체와 디스플레이 업계 협력의 중요성을 보여주는 연구결과”라고 말했다.

이 연구는 한국연구재단 이공분야 기초연구사업 기본연구, 기후변화대응기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐고 금대명 박사가 1저자로 참여한 연구는 국제학술지 ‘나노스케일(Nanoscale)’에 2019년 12월 28일 게재됐다.