국내 연구진이 고해상 마이크로 발광다이오드(LED)의 고질적인 문제인 저효율과 발열을 해결할 방안을 찾았다. 이 기술은 제한된 면적에 많은 픽셀을 나타내야 하는 소형기기의 효율을 높여줄 수 있을 것으로 보인다.
김상현 한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 교수 연구팀은 ㎛(마이크로미터·100만 분의 1m) 단위의 마이크로 LED가 소형화될 때 소자 효율이 저하되는 현상을 규명하고, 에피택시 구조 변경으로 저효율 문제를 해결할 방안을 제시했다고 22일 밝혔다.
에피택시 기술은 마이크로 LED 제조 시 초순수 규소나 사파이어 기판 위에 발광체로 쓰이는 질화갈륨 결정체를 쌓는 공정을 말한다. 마이크로 LED는 밝기·명암비·수명 측면에서 OLED보다 우수하다는 장점을 가진다. 웨어러블이나 롤러블 디스플레이, 스마트 글라스 등 다양한 미래 디스플레이에 사용될 전망이다.
마이크로 LED는 웨이퍼 위에 성장된 에피택시 구조를 플라즈마 기반의 식각 공정으로 원기둥이나 직육면체 모양으로 깎아 픽셀을 형성한다. 이 과정에서 플라즈마가 픽셀 측면에 소자 결함을 발생시키고, 이 결함은 픽셀 사이즈가 작아지고 해상도가 높아질수록 심해진다. 측면 결함을 완화하기 위한 연구가 많이 진행됐지만, 에피택시 구조를 성장한 뒤 후공정으로 진행하는 방식을 채택해 개선의 한계가 있었다.
연구팀은 마이크로 LED의 소자가 동작할 때 에피택시 구조에 따라 측벽으로 이동하는 전류에 차이가 있다는 것을 발견했다. 이에 측벽 결함에 민감하지 않은 구조를 설계해 소자의 저효율 문제를 해결했다. 연구팀이 제시한 구조는 디스플레이에서 발생하는 열을 기존보다 40% 낮췄다. 발열과 저효율 문제를 해결하면서, 초고해상도 마이크로 LED 디스플레이 상용화도 앞당길 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.
김상현 교수는 “이번 연구는 마이크로 LED의 소형화에 걸림돌이었던 저효율 원인을 규명하고, 이를 에피택시 구조 설계로 해결한 것이 큰 의미가 있다”며 “앞으로 초고해상도 디스플레이에 활용될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받았다. 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 이달 17일 게재됐다.
참고 자료
Nature Communications, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-36773-w