모놀리식 3차원 적층형 마이크로 디스플레이의 구동 이미지(KAIST 제공)© 뉴스1

KAIST 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 초고해상도 증강현실(AR)·가상현실(VR) 디스플레이에 적용 가능한 LED반도체를 3차원 집적 설계해 개발했다.

향후 풀 컬러 초고해상도 디스플레이 구현에 활용이 기대된다.29일 KAIST에 따르면 최근 디스플레이 분야는 각종 TV, 모니터 및 모바일 기기뿐만 아니라 스마트 워치, 스마트 글라스 등의 웨어러블 디바이스까지 그 응용처가 크게 확장됐다.

특히, AR·VR 스마트 글라스 등과 같이 사람의 눈과 매우 가까운 거리를 유지하는 디스플레이의 경우 픽셀화가 없는 완벽한 이미지의 구현을 위해서는 4K 이상의 고해상도가 요구된다.

무기물 기반 마이크로 LED를 활용해 디스플레이를 제작하기 위해서는 적색, 청색, 녹색의 각 색상의 픽셀을 각각의 기판에서 분리해 디스플레이 패널로 옮기는 패키징 작업이 필수적이다.기존에 사용돼온 픽앤플레이스(Pick-and-place) 방법은 기계적인 정렬 정밀도가 저하되고 전사 수율이 감소해 초고해상도 디스플레이에는 적용이 어려울 것이라는 평가를 받고 있다.

이에 연구팀은 디스플레이 구동용 규소 상보적 금속산화물 반도체(이하 Si CMOS) 회로 기판 위에 적색 발광용 LED를 모놀리식 3차원 집적하는 방식을 적용했다.

그 결과, Si CMOS 회로상에서 상단에서 하단 방향으로(Top-down) 연속적인 반도체 공정 과정을 통해 고해상도 디스플레이 데모에 성공했다.

이 과정에서 연구팀은 조명용으로 활용돼왔던 무기물 기반 LED 반도체가 아닌 디스플레이용 LED 반도체층을 설계했다.

발광을 위한 활성층의 두께를 기존의 ⅓로 감소시켜, 픽셀 형성에 필요한 식각 공정의 난도를 크게 낮춰 이같은 성과를 얻어냈다.

또, 연구팀은 하부 디스플레이 구동 회로의 성능 저하 방지를 위해 350도 이하에서 상부 III-V 소자를 집적하는 웨이퍼 본딩 등의 초저온 공정을 활용했다.

이 때문에 상부 소자 집적 후에도 하부 드라이버 IC(Driver IC)의 성능을 그대로 유지할 수 있었다.

이번 연구에서 활용된 모놀리식 3차원 집적에 관한 연구 결과는 차세대 초고해상도 디스플레이 구현에 매우 중요하게 활용될 전망이다.

김상현 교수는 “향후 유사 공정을 확대 적용해 적색, 녹색, 청색이 모두 포함된 풀 컬러 디스플레이 제작도 가능할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 최근 열린 ‘VLSI 기술 & 회로 심포지엄’에서 발표됐다.


km5030@news1.kr