적색 마이크로LED 효율·집적 한계 동시 해결…1700PPI 초고해상도 디스플레이 실증

KAIST 연구진이 마이크로LED 디스플레이 상용화를 가로막아 온 핵심 기술적 난제를 해결하며, 가상현실(VR)·증강현실(AR) 기기에서 ‘현실에 가까운 영상’ 구현 가능성을 실증했다. KAIST는 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 인하대학교, 화합물 반도체 기업 큐에스아이, 마이크로디스플레이·반도체 SoC 설계 기업 라온택과 협력해, 초고해상도이면서 전력 효율을 크게 개선한 적색 마이크로LED 디스플레이 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

마이크로LED는 머리카락 굵기보다 작은 LED 픽셀 하나하나가 스스로 빛을 내는 차세대 디스플레이 기술로, 높은 밝기와 긴 수명, 우수한 에너지 효율이 강점이다. 그러나 디스플레이 완성의 필수 요소인 적·녹·청(RGB) 가운데 특히 적색 마이크로LED는 픽셀이 미세해질수록 에너지 손실이 급격히 커져 효율 확보가 어려웠다. 여기에 수많은 미세 LED를 회로 위에 옮겨 심는 기존 전사 공정의 한계로 인해 초고해상도 구현과 수율 확보에도 제약이 있었다.

연구팀은 이 두 가지 문제를 동시에 해결하는 접근법을 제시했다. 먼저 알루미늄·인듐 인화물 기반의 AlInP/GaInP 양자우물 구조를 적용해, 픽셀 크기가 줄어들어도 전자가 외부로 빠져나가지 않도록 에너지 장벽을 형성했다. 이를 통해 적색 마이크로LED의 내부 양자 효율 저하 문제를 크게 완화했다. 동시에 LED를 하나씩 옮기는 대신, 실리콘 CMOS 구동 회로 위에 LED 층을 통째로 쌓아 올리는 ‘모놀리식 3차원 적층 기술’을 도입해 정렬 오차와 불량률을 줄였다.

이 기술을 적용한 결과 연구팀은 1인치당 약 1,700픽셀(PPI)에 달하는 초고해상도 마이크로LED 디스플레이를 실제로 구현했다. 이는 최신 스마트폰 디스플레이 해상도의 약 3~4배에 해당하는 수준으로, VR·AR 기기에서 화면 입자감이 거의 느껴지지 않는 영상 구현이 가능함을 실증한 것이다. 전력 소모 역시 기존 대비 크게 줄어, 초소형 웨어러블 기기와 차세대 스마트 워치, 차량용 헤드업 디스플레이(HUD) 등으로의 확장 가능성도 제시됐다.

김상현 교수는 이번 연구가 마이크로LED 분야에서 오랫동안 해결되지 않았던 적색 픽셀 효율 문제와 구동 회로 집적 문제를 동시에 풀어낸 성과라며, 상용화 가능한 차세대 디스플레이 기술로 발전시켜 나가겠다고 밝혔다.

이번 연구는 KAIST 정보전자연구소 박주혁 박사가 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 세계적인 학술지인 Nature Electronics에 1월 20일 게재됐다. 연구는 한국연구재단 기본연구, 디스플레이전략연구실 사업, 삼성미래육성센터의 지원을 받아 수행됐다.