KAIST, 6만 ppi 초고해상도 디스플레이 기술 개발

1um(마이크로미터) 크기를 가진 마이크로 단일 LED 가 실제로 배열된 모습을 보여준다. 오른쪽 윗편에 작은 이미지는 1 um, 0.6 um 크기를 가진 LED를 광 여기 방법을 통해 적색 발광이 되는 모습을 보여준다. 이는 작아진 LED에서도 적색 발광특성이 잘 발현됨을 나타낸다. 사진=KAIST

KAIST는 이 대학 전기및전자공학부 김상현 교수팀이 반도체 공정 기술을 활용해 기존 마이크로 발광다이오드(LED) 디스플레이 해상도 한계를 획기적으로 극복할 수 있는 6만 ppi(pixel per inch, 인치당 픽셀수) 이상의 초고해상도 디스플레이 제작을 가능케 하는 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

디스플레이의 기본 단위인 LED 중 무기물 LED는 유기물 LED보다 높은 효율성, 신뢰성, 고속성을 가기면서 마이크로 LED 디스플레이를 구현할 새로운 디스플레이 기술로 기대를 모으고 있다. 아미으크 LED디스플레이는 마이크로(1마이크로미터=100만분의 1미터) 크기의 무기물 LED를 픽셀 화소로 사용하는 디스플레이가 새로운 디스플레이 기술로 주목받고 있다.

무기물 LED를 화소로 사용하기 위해서는 적녹청(R·G·B) 픽셀을 밀집 배열해야 하지만 현재 적색과 녹색, 청색을 낼 수 있는 LED의 물질이 달라 각각 제작한 LED를 디스플레이 기판에 전사해야 한다.

그러나 수백만 개의 픽셀을 마이크로미터 크기로 정렬해 세 번의 전사과정으로 화소를 형성하는 것은 전사 시 사용하는 LED 이송헤드의 크기 제한, 기계적 정확도 제한, 그리고 수율 저하 문제 같은 많은 기술적 난제들을 안고 있어 초고해상도 디스플레이에 적용하기에는 한계를 보여 왔다.

연구팀은 문제 해결을 위해 적녹청 LED 활성층을 3차원으로 적층한 후 반도체 패터닝 공정을 이용해 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이에 대응할 수 있는 소자 제작 방법을 제안했다. 이와 함께 수직 적층 시 문제가 될 수 있는 색의 간섭 문제, 초소형 픽셀에서의 효율 개선 방안을 제시했다.

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

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

또한 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 연구 결과”라며 “후속 연구를 통해 초고해상도 미래 디스플레이의 기술 개발에 힘쓰겠다"고 말했다.

한편 금대명 박사가 1 저자로 참여한 이 연구는 국제학술지 '나노스케일(Nanoscale)' 지난해 12월 28일자 표지 논문으로 게재됐다.