증강현실(AR)과 가상현실(VR)을 위한 스마트 글라스 등 디바이스는 유저들을 몰입시키는데 4K 이상의 해상도가 필요하다. 하지만 디바이스에 요구되는 작은 소비전력과 제한된 면적에 많은 픽셀을 구현해야 하는 기술적 한계에 부딪쳐 완벽하게 구현되지 못하고 있다.

카이스트(KAIST)는 전기및전자공학부 김상현(사진) 교수 연구팀이 소자의 크기가 마이크로미터(μm, 백만분의 1m) 정도의 크기를 갖는 마이크로 발광다이오드(LED)의 소자 효율이 저하되는 현상을 에피택시 구조 변경으로 해결할 수 있는 방법을 제시했다고 22일 밝혔다.

에피택시 기술이란 마이크로 LED로 사용되고 있는 초순수 규소(Silicon)나 사파이어 기판을 매개체로 삼아 그 위에 발광체로 쓰이는 질화갈륨 결정체를 쌓아 올리는 공정을 말한다.

마이크로 LED는 유기발광다이오드(OLED) 대비 우수한 밝기와 명암비, 수명이라는 장점이 있어 활발히 연구되고 있다.

삼성전자는 2018년 ‘The Wall’이라는 마이크로 LED를 탑재한 제품을 상용화했고, 애플은 2025년 마이크로 LED를 탑재한 제품을 상용화할 예정으로 알려졌다.

마이크로 LED를 제작하기 위해선 웨이퍼 위에 성장된 에피택시 구조를 식각 공정을 통해 원기둥 혹은 직육면체의 모양으로 깎아서 픽셀들을 형성하는데, 이 식각 과정에는 플라즈마 기반의 공정이 동반된다.

하지만 이런 플라즈마들은 픽셀 형성 과정에서 픽셀의 측면에 결함을 발생시킨다. 이에 따라 픽셀 사이즈가 작아지고 해상도가 높아질수록 픽셀의 표면적 대 부피의 비율이 상승해 공정 중 발생하는 소자 측면 결함이 마이크로 LED의 소자 효율을 더 크게 감소시킨다.

연구팀은 마이크로 LED 소자 동작 시 에피택시 구조에 따라 마이크로 LED의 측벽으로 이동하는 전류의 차이가 발생한다는 것을 규명했다. 이를 기반으로 측벽 결함에 민감하지 않는 구조를 설계해 마이크로 LED 소자 소형화에 따른 효율 저하 문제를 해결했다.

특히 디스플레이 구동 시 발생하게 되는 열을 기존 대비 40% 정도 낮출 수 있어 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이 상용화를 위한 연구로써 큰 의미를 갖는다.

김상현 교수는 “이번 기술 개발은 마이크로LED의 소형화의 걸림돌이었던 효율 저하의 원인을 규명하고 이를 에피택시 구조의 설계로 해결한 것”이라며 “앞으로 초고해상도 디스플레이에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 3월 17일자에 출판됐다. 구본혁 기자