이미지 크게보기 그래픽 = 김선우 기자

■ 6만 ppi 초고해상도 ‘안경형 디스플레이’ 기술

카이스트 김상현 교수팀 개발
안구와 불과 몇㎝ 거리 AR·VR
최소 2500ppi 이상 필요한데
기존 수평 픽셀 배열로는 한계

색깔별 LED물질 수직배열 후
필터 특성 가진 절연막 설계
순도 높은 픽셀 구현 가능해져
미래 디스플레이에 적용 기대

가상현실(VR), 증강현실(AR)을 즐기기 위해 쓰는 안경형 디스플레이는 기존보다 훨씬 선명한 해상도를 요구한다. LED 또는 유기발광다이오드(OLED) TV 같은 대면적 디스플레이는 수 m 떨어져 영상을 감상하지만, 안경은 안구와 불과 몇 ㎝ 밖에 안 떨어져 있는 근접 화면이기 때문이다. VR·AR 안경으로 실감 나는 고화질 영상을 보려면 적어도 2500ppi(pixel per inch, 인치당 픽셀 수) 이상의 해상도가 필요하지만, 현재 기술로는 불가능하다. 그런데 국내 연구진이 기존 마이크로 LED 해상도보다 최소 10배 이상 선명한 1만ppi 이상의 초고해상도를 달성할 수 있는 디스플레이 기술 개발에 성공했다. 적록청(RGB) 픽셀을 3차원 입체로 쌓고 반도체의 패터닝 공정을 활용한 신기술은 국제학술지 ‘나노스케일(Nanoscale)’ 12월 28일 자 표지 논문으로 게재됐다.

카이스트 전기 및 전자공학부 김상현 교수 연구팀은 반도체 공정 기술을 활용해 기존 마이크로 LED 디스플레이의 해상도 한계를 극복해 최대 6만ppi 이상의 초고해상도 디스플레이를 제작할 수 있는 기술을 개발했다. 금대명 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 적록청 LED 활성층을 3차원으로 적층한 후, 반도체 패터닝 공정을 이용해 새로운 소자 제작 방법을 제안하고 수직적층 시 발생하는 색 간섭, 초소형 픽셀에서의 효율 개선 방안을 제시한 점이 특징이다.

디스플레이의 최신 주자로 떠오른 유기물 기반의 OLED는 대형 화면에는 적합하지만, 재료 한계로 인해 고휘도를 내기 어렵고 수율·신뢰성에서 무기물 LED에 비해 열세다. 이에 따라 최근 마이크로 크기의 무기물 LED를 픽셀 화소로 사용하는 디스플레이가 새롭게 각광받고 있다. 그러나 무기물 LED의 경우 적록청 픽셀을 밀집 배열해야 하는데 색깔별 LED 물질이 달라 각각 제작한 LED를 디스플레이 기판에 전사해야 한다. 수백만 개의 픽셀을 ㎛(마이크로미터) 크기로 수평 배열해 세 번의 전사과정으로 화소를 형성하려고 하면 전사 시 사용하는 LED 이송헤드의 크기와 기계적 정확도 제한, 수율 저하 등 기술적 난제가 많았다. 연구팀은 적록청 픽셀의 3차원 적층을 위해 기판 접합 기술을 사용하고, 색 간섭을 최소화하기 위해 접합면에 필터 특성을 갖는 절연막을 설계해 적색·청색 간섭 광을 97% 제거했다. 이런 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 6만ppi 이상의 해상도를 달성할 수 있음을 증명했다.

이번 연구는 또 LED 크기가 마이크로 단위로 작아짐에 따라 조명용 LED에서는 나타나지 않는 표면 누설 전류가 소자의 효율에 크게 영향을 미치는 현상을 시간 분해 광발광 분석과 전산모사를 통해 체계적으로 조사했다. 크기가 작아지게 되면 LED 소자에서 표면적에 비례해 누설전류가 커지게 되는데, 이때 표면에 결함 준위를 제대로 제어하지 못하게 되면 LED의 발광효율을 급격하게 저하시키게 된다. 이 조사를 통해 현재 매우 낮은 마이크로 LED 효율을 개선할 수 있는 아주 중요한 방향을 제시했다고 할 수 있다.

김 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.

금 박사는 “기존 평면상의 적록청 픽셀과 비교했을 때, 무려 63500ppi 초고해상도 픽셀을 구현할 수 있음을 세계 최초로 입증했다”며 “이 값은 정렬 오차에 크게 의존되는 이송헤드 집적 방식에서는 불가능한 기술 수준이며, 본 연구가 제시한 반도체 공정으로만 달성이 가능한 방식”이라고 설명했다.

바로 눈앞의 화상을 또렷하게 보는 새로운 제품 수요가 증가함에 따라 기존 디스플레이 기술의 한계를 극복할 수 있는 신기술이 앞으로 더욱 활성화될 것으로 기대된다.


■ 용어설명

마이크로 LED : 한 변이 100㎛(마이크로미터, 마이크로는 100만 분의 1) 이하인 LED로, 기존 조명용 LED(수백~수천㎛)보다 크기가 훨씬 작은 LED.

패터닝(patterning) : 반도체 웨이퍼 위에 전자회로를 새겨넣기 위한 식각(etching) 등 전(前)공정을 총칭하는 말.

픽셀(pixel) : 컴퓨터, 스마트폰, TV 등의 디지털 화면 이미지를 구성하는 가장 작은 단위의 점. 영어로 그림(picture)과 원소(element)를 합성한 용어로 우리 말로는 화소(畵素)라고 번역한다.

색 간섭 : 원하는 색보다 에너지가 큰 빛이 나올 때 다른 서브 픽셀을 동작시키는 현상.

노성열 기자 nosr@munhwa.com