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세종대학교(총장 배덕효) 나노신소재공학과 홍영준 교수가 미국, 유럽과의 국제공동연구를 통해 “초미세 수직적층 화소구조의 풀컬러 마이크로 LED” 제작 기술을 개발해 지난 2월 1일에 영국의 ‘Nature’지에 발표했다. 논문 제목은 “Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer”이다.

메타버스 시대를 맞아 고몰입감 AR, VR 기기에 대한 관심과 수요가 늘어나면서 마이크로 LED 디스플레이 기술이 주목을 받고 있다. 생생한 화상 표현을 위해서는 최대한 많은 RGB LED 칩들을 고밀도로 배열하는 디스플레이 제작 기술이 필요하다.

고해상도 LED 디스플레이를 위해서는 작고 많은 LED 칩을 조립해야 한다. 그러나 LED 칩의 크기가 작아질수록 평면상의 정확한 위치에 고밀도로 배열하기 어려워 실감형 디스플레이 구현에 한계가 있었다. 공동연구팀은 LED 칩들을 평면에 조립하는 방식이 아닌 RGB LED 멤브레인을 팬케이크처럼 쌓고 칼로 자르는 개념의 고밀도 화소 제작 방법을 고안했다.

연구진은 대면적의 LED 에피층을 기판으로부터 멤브레인 형태로 박리할 수 있는 원격 및 반 데르 발스 에피성장법 (설명: 기판과 화학결합을 하지 않는 단결정 반도체 박막 성장법으로 박막을 테이프로도 쉽게 떼어낼 수 있음)을 개발했다. 박리된 R, G, B LED 멤브레인을 차례대로 수직으로 쌓고 초정밀 반도체 회로 제작에 사용되는 포토리소그래피 공정법을 사용해 화소를 패터닝함으로써 약 4 마이크로미터 크기와 5,100 PPI 해상도의 총천연색을 표현할 수 있는 마이크로 LED 수직화소를 제작했다. 최신형 스마트폰의 해상도는 400~500 PPI이며 이보다 100배 많은 영상정보를 표현할 수 있다.

▲ 풀컬러 마이크로 LED 수직화소 구조 (위), 1000 ~ 5100 PPI 밀도의 화소 사진 (가운데), 단일 화소에서 표현된 총천연색 발광 사진 (아래)

세종대 홍영준 교수와 미국 MIT 김지환 교수는 “우리가 개발한 기술은 초해상도의 디스플레이를 싸고, 쉽고, 빠르고, 정확하게 제작할 수 있는 방법을 제공한다. 지금까지 발표된 총천연색을 표현하는 화소 중 가장 작은 크기이다. 또한 수직적층 화소구조이기 때문에 수평배열 화소구조보다 최소 3배 이상 높은 해상도로 만들 수 있다. 앞으로 고몰입감 디스플레이를 개발하기 위해서는 이러한 수직 화소구조가 유리할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 교육부의 이공학학술연구기반구축사업, 과학기술정보통신부의 나노및소재기술개발사업, 선도연구센터, 해외우수연구기관유치사업의 지원을 받아 수행됐다. 세종대 홍영준 교수 연구팀, 미국 MIT 김지환·정광훈 교수 연구팀, 버지니아대 이규상 교수 연구팀, 유럽 조지아 공대 Abdallah Ougazzaden 교수 연구팀의 국제공동연구를 통해 수행됐으며, 신지호(MIT), 김현석(MIT), 정준석(세종대 & MIT), Suresh Sundaram(유럽 조지아 공대) 박사 연구원이 공동 1저자로 참여했다.