▲ (좌) 모놀리식 3차원 적층형 Si CMOS 기반 마이크로디스플레이의 단면 주사전자현미경 이미지, (우) 구동 이미지.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

차세대 디스플레이 기술의 ‘끝판왕’으로 불리는 마이크로LED는 밝기·수명·전력 효율 면에서 OLED를 뛰어넘는 잠재력을 지녔지만, 적색(R) 픽셀의 효율 저하와 초고해상도 구현 한계라는 난제가 상용화의 발목을 잡아왔다. 국내 연구진이 이 두 과제를 동시에 해결하며, VR·AR 기기에서 현실에 가까운 영상 구현을 가능하게 하는 핵심 기술을 제시했다.

KAIST는 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 인하대학교 금대명 교수와 공동연구를 수행하고, 화합물 반도체 제조기업 큐에스아이(대표 이청대), 마이크로디스플레이·반도체 SoC 설계 기업 라온택(대표 이승탁)과의 산학 협업을 통해 고효율·초고밀도 적색 마이크로LED 디스플레이 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

1인치에 1,700픽셀... ‘입자감 없는’ 초고해상도 실증

연구팀은 이번 성과로 1700 PPI(픽셀/인치)급 초고해상도 마이크로LED 디스플레이를 실제 구동으로 구현했다. 이는 최신 스마트폰 대비 약 3~4배 높은 픽셀 밀도로, VR·AR에서 요구되는 픽셀 격자(스크린 도어) 현상이 거의 느껴지지 않는 수준이다. 결과적으로 몰입감을 저해하던 해상도 한계를 넘어서, 시각적 현실감을 대폭 끌어올렸다.

난제① 적색 픽셀 효율 저하... ‘양자우물’로 해결

마이크로LED의 적색 픽셀은 크기가 작아질수록 에너지가 누설돼 효율이 급락하는 문제가 있었다. 연구팀은 AlInP/GaInP 양자우물 구조를 적용해 전자를 발광 영역에 가두는 ‘에너지 장벽’을 형성, 소형화에도 효율 저하가 거의 없는 적색 마이크로LED를 구현했다. 이로써 고휘도·고효율을 동시에 달성했다.

난제② 전사 공정 한계... ‘모놀리식 3D 집적’으로 돌파

기존에는 미세 LED를 하나씩 옮겨 심는 전사(transfer) 공정이 초고해상도의 병목이었다. 연구팀은 LED를 회로 위에 통째로 쌓아 올리는 ‘모놀리식 3차원 집적’ 방식을 도입해 정렬 오차와 불량률을 크게 낮췄다. 아울러 회로 손상을 방지하는 저온 공정을 확보해 대면적·고밀도 제작의 안정성을 높였다.

VR·AR·웨어러블까지... 상용화 가속 기대

이번 기술은 구현이 가장 까다로운 초고해상도 적색 마이크로LED를 실제 디스플레이로 입증했다는 점에서 의미가 크다. AR·VR 스마트 글래스, 차량용 HUD, 초소형 웨어러블(스마트 워치) 등 다양한 차세대 응용으로의 확장이 기대된다. 전력 효율 개선 역시 휴대·착용형 기기에서 결정적 이점으로 작용한다.

김상현 교수는 “마이크로LED 상용화의 핵심 난제였던 적색 픽셀 효율과 구동 회로 집적을 동시에 해결했다”며 “산업 적용이 가능한 차세대 디스플레이로 고도화해 나가겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 KAIST 정보전자연구소 박주혁 박사가 제1저자로 주도했으며, 성과는 세계적 학술지 Nature Electronics에 1월 20일 게재됐다.

논문명은 Monolithic 3D 1700PPI red micro-LED display on Si CMOS IC using AlInP/GaInP epi-layers with high internal quantum efficiency and low size dependency이다.