Nature Electronics 국제 학술지 게재

신규 발광 구조로 소자 효율 극복 후 1700 PPI 3차원 집적까지 성공

▲메이저사이트에 활용된 반도체 소자 핵심 물리 개략도 및 결과(사진 왼쪽). 모놀리식 집적을 활용한 디스플레이 단면구조 및 데모 (사진 오른쪽).

금대명 전기전자공학부 교수 메이저사이트팀이 최근 차세대 디스플레이의 최대 난제로 꼽히던 초소형 적색 마이크로 LED 소자의 효율 저하 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 방향을 제시하고, 이를 초고해상도 디스플레이로 구현했다.

증강현실(AR)과 가상현실(VR) 기기에 필수적인 마이크로 LED는 픽셀 크기가 100마이크로미터(µm) 이하로 작아지면 칩 테두리의 결함 부위로 전하가 빠져나가 적색 발광 효율이 치명적으로 떨어지는 소자 단위의 고질적인 한계가 있다.

메이저사이트팀은 이를 해결하기 위해 소자의 발광층에 전하의 이동 거리를 물리적으로 제어하는 ‘AlInP/GaInP 다중 양자우물 구조’를 새롭게 설계해 도입했다. 새롭게 도입한 소자 구조는 전자와 정공이 결함 부위로 도달하기 전에 빛을 내도록 유도해, 15µm의 초소형 크기에서도 전하 비발광 재결합 현상을 획기적으로 억제하고 높은 발광 효율을 달성했다.

또한, 고효율 초소형 소자를 기반으로 초고해상도 디스플레이 집적의 난제까지 연이어 돌파했다. 수백만 개의 미세 칩을 일일이 기판에 옮기는 기존 방식 대신 실리콘 구동 회로(CMOS) 위에 마이크로 LED 발광층을 통째로 접합한 뒤 화소를 형성하는 ‘모놀리식 3차원 집적 기술’을 적용했다.

그 결과, 정렬 오차 문제를 원천 차단하면서도 최신 스마트폰의 3~4배에 달하는 1700PPI급 초고해상도 디스플레이를 성공적으로 시연해 냈다. 단일 소자의 효율 혁신과 함께 고성능 디스플레이 집적이라는 최종 결과물을 만들어 낸 것이다.

이번 성과는 전자 및 반도체 분야의 최고 권위 국제 학술지인 ‘Nature Electronics(네이처 일렉트로닉스)’에 최근 게재되며, 소자 설계부터 공정 집적까지 아우르는 독창성을 인정받았다.