MIT 연구팀(기계공학, 전기전자 및 화학공학과)에서 수직형 풀컬러 마이크로 LED 개발 성과를 발표했다. 

차세대 디스플레이 기술을 위해 많은 연구자들은 보다 작은 칩 크기에서 무기소재 단결정 반도체 재료로 만들어진 마이크로 LED를 연구하고 있다. 이러한 마이크로 LED는 OLED보다 성능이 우수하고, 에너지 소비가 적으며 수명이 더 길다는 장점이 있다. 다만 기존의 수직형 마이크로 LED 디스플레이는 독립적으로 R/G/B LED 멤브레인을 하향 적층하는 방식으로 제작되었으나, 이렇게 적층된 마이크로 LED의 측면부 치수를 최소화하기 어려워 고밀도 픽셀을 구현하기 어렵다는 단점이 있다. 

김지환 MIT 기계공학과 부교수 연구팀은 더 작고, 더 얇고, 더 유연하고, 더 기능적인 소자를 설계하기 위해 초박형 고성능 멤브레인을 제작하는 기술을 전문적으로 개발하고 있으며, 실리콘 웨이퍼 및 기타 표면에서 완벽한 2차원 단결정 물질을 성장시키고 박리하는 방법을 연구해왔다. 연구팀은 이러한 2D 물질 기반 박막 전사(2DLT, 2D material-based layer transfer) 방식에서 문제를 해결할 수 있는 아이디어를 얻었으며, Van der Waals 결합력에 기반한 mechanical release and stacking 방식을 이용하여 2차원 재료 코팅 기판 위에 sub-micron에 가까운 두께의 RGB LED를 성장하고 이를 하향식으로 적층하여 제작하는 방법을 제안했다.

이를 통해 최대 5,100 ppi (pixel per inch) 수준의 높은 픽셀 밀도를 가진 4µm 크기의 수직 픽셀 패턴을 구현하여 이론적으로 픽셀 밀도를 약 1/3 정도로 낮췄으며, 약 9µm 수준의 stack 두께에서 Active Matrix 동작을 위해 청색 마이크로 LED와 실리콘 멤브레인 트랜지스터를 수직 통합하여 부분적으로 LED 소자 구동 시연에 성공했다. 

김교수는 인터뷰에서 "이번 연구는 현재까지 학술지에 보고된 마이크로 LED 연구 개발 이력중에서 가장 높은 픽셀 밀도입니다. 앞으로 2,500만 개의 LED를 개별적으로 제어할 수 있는 시스템 개발이 추가적으로 요구되지만, 우리는 이러한 수직 픽셀화 방식이 더 작은 공간에서 더 높은 해상도의 디스플레이를 구현할 수 있는 방법임을 보여줍니다."라고 말했다.

MIT 연구팀의 박사후 연구원 신지호 씨는 "가상 현실의 경우 현재로서는 실제처럼 보이는데 한계가 있지만, 이번에 발표한 수직형 마이크로 LED를 사용하면 가상과 현실을 구분할 수 없을 정도로 완전히 몰입감 있는 경험을 제공할 수 있습니다."라고 덧붙였다. 향후 AR-VR 플랫폼을 위한 고해상도 풀컬러 마이크로 LED 디스플레이 제작에 있어 보다 효과적인 솔루션 제공에 도움을 줄 것으로 전망된다.

연구 성과는 이번 2월 1일자 네이처 저널에 게재되었다(출처2). 공동 저자로는 김교수 연구실 및 MIT 연구진, 조지아공대 유럽, 세종대, 미국, 프랑스, 한국의 여러 대학 연구진들이 참여했으며, 미국 국립과학재단, 미국 방위고등연구계획국(DARPA), 미국 공군연구소, 미국 에너지부, LG전자, Rohm Semiconductor, 프랑스 국립연구기관, 한국연구재단의 지원으로 수행되었다.

[출처1] MIT News Office (1st Feb. 2023)

https://news.mit.edu/2023/vertical-stacked-color-microscopic-leds-0201

[출처2] Nature Article (1st Feb. 2023)

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05612-1