VR에서 '현실 같은 영상' 구현…KAIST, 마이크로LED 난제 해...

적색 마이크로LED 디스플레이, 고효율 초고해상도로 구현모놀리식 3차원 적층형 Si CMOS 기반 마이크로디스플레이의 단면 주사전자현미경 이미지(왼쪽)와 구동 이미지(오른쪽). KAIST 제공 차세대 디스플레이로 각광받는 마이크로발광다이오드(마이크로LED)는 머리카락 굵기보다 작은 LED 하나가 스스로 빛을 낸다. 국내 연구진이 마이크로LED로 디스플레이를 구현하는 데 필수적인 빨강·초록·파랑(RGB) 가운데 가장 구현이 어려웠던 적색 마이크로LED 기술을 고효율·초고해상도로 구현했다. 현실보다 더 선명한 화면을 구현할 수 있는 기술이다. KAIST는 김상현 전기및전자공학부 교수 연구팀이 금대명 인하대 교수, 화합물 반도체 제조업체 큐에스아이, 마이크로디스플레이·반도체 SoC 설계 기업 라온텍과 초고해상도이면서도 전력 소모를 크게 줄인 적색 마이크로LED 디스플레이 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스’에 20일 게재됐다. 최신 스마트폰 디스플레이 해상도의 약 3~4배, 가상·증강현실(VR·AR) 기기에서도 초고해상도 수준의 화면이 아닌 ‘현실에 가까운 영상’을 구현할 수 있는 1700PPI(인치당 픽셀수)급 초고해상도 마이크로LED 디스플레이를 실제로 구현하는 데 성공했다. 마이크로LED는 픽셀 자체가 발광한다. 유기발광다이오드(OLED)보다 밝기와 수명, 에너지 효율이 뛰어나지만 디스플레이로 구현하는 데 핵심 걸림돌이 있다. 먼저 적색 LED의 효율 저하 문제다. 적색 픽셀을 구현할 때 픽셀이 작아질수록 에너지가 새어나가 효율이 급격히 떨어진다. 또다른 걸림돌은 전사(Transfer) 공정의 한계다. 수많은 미세 LED를 하나씩 옮겨 심어야 하는 기존 공정 방식은 초고해상도 구현이 어렵고 불량률도 높았다. 연구팀은 두가지 문제를 동시에 해결했다. 먼저 알루미늄 인듐 인화물/갈륨 인듐 인화물(AlInP/GaInP) ‘양자우물 구조’를 적용해 픽셀이 작아져도 에너지 손실이 거의 없는 고효율 적색 마이크로LED를 구현했다. 양자우물 구조는 전자가 밖으로 빠져나가지 않도록 ‘에너지 장벽’을 세워 빛을 내는 공간에 가둬두는 기술이다. 픽셀이 작아져도 에너지 손실이 줄고 더 밝고 효율적인 적색 마이크로LED 구현이 가능해진다. 연구팀은 또 LED를 하나씩 옮기는 대신 회로 위에 LED 층을 통째로 쌓아 올리는 ‘모놀리식 3차원 집적 기술’을 적용했다. 이 방식은 정렬 오차를 줄이고 불량률을 낮춰 초고해상도 디스플레이를 안정적으로 제작할 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 이 과정에서 회로 손상을 막는 저온 공정 기술도 함께 확보했다. 이번 연구성과는 구현이 가장 어렵다고 알려진 초고해상도 적색 마이크로LED를 실제 구동 가능한 디스플레이로 입증했다는 점에서 의미가 크다. 화면의 입자감이 거의 느껴지지 않아야 하는 AR·VR 스마트 글래스를 비롯해 차량용 헤드업 디스플레이(HUD), 초소형 웨어러블 기기 등 다양한 차세대 디스플레이 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 김상현 교수는 “이번 연구는 마이크로LED 분야에서 오랫동안 해결되지 않았던 적색 픽셀 효율과 구동 회로 집적 문제를 동시에 풀어낸 성과”라며 “상용화가 가능한 차세대 디스플레이 기술로 발전시켜 나가겠다”고 말했다. <참고자료> -DOI: 10.1038/s41928-025-01546-4