실감형 AR 안경 만들 극미세 마이크로 LED 제작 기술 개발

한-미 국내 연구진, 4마이크론 크기-5100 PPI급 해상도 구현

증강현실(AR) 안경을 만들려면 실감나는 영상을 보여줄 수 있는 마이크로 디스플레이가 필수다. 

국내연구진이 가상·증강현실을 실감나게 구현할 마이크로 디스플레이 핵심 기술인 극미세 풀컬러 마이크로 LED 화소 제조 원천 기술을 개발했다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 홍영준 세종대 교수 등 한·미·유럽 공동 연구팀이 웨이퍼에서 LED 소자를 쉽게 떼어낼 수 있는 신개념 에피택시 기술과 이를 응용한 초고밀보 배열의 마이크로 LED 수직화소 제조 기술을 개발했다고 9일 밝혔다. 

극미세 풀컬러 마이크로 LED 발광 사진 (자료=세종대, MIT)

모바일 기기와 가상·증강현실 기술이 발전함에 따라 공간의 제약 없이 높은 몰입감을 제공할 초고해상도, 초실감형, 초소형 디스플레이 개발 경쟁이 치열하다. 하지만 LED를 작은 칩 형태로 만들고 원하는 표면에 전사해 디스플레이를 제작하는 기존 방법은 칩이 작아질수록 전사 위치 정확도와 성공률이 낮아져 고해상도 디스플레이 구현에 한계가 있다.

또 웨이퍼에 화학적으로 강하게 결합된 LED를 분리하려면 화학적 식각이나 고파워 레이저를 써야 해 대면적 기판에서 높은 수율로 LED를 분리하기 어렵다. 공정 비용과 시간도 많이 든다. 

홍영준 교수와 김지환·정광훈 MIT 교수와 이규상 버지니아공대 교수, 압달라 오가자덴 유럽조지아공대 교수 공동연구팀은 웨이퍼 표면을 나노소재로 코팅한 후 단결정 반도체를 제조하는 원격 및 반 데어 발스 에피택시법을 개발, 웨이퍼에서 적·녹·청색 발광 LED층을 대면적 멤브레인 형태로 쉽게 떼어낼 수 있는 LED를 제조했다.  

극미세 수직화소 마이크로 LED의 제작 과정. LED 멤브레인의 적층 (왼쪽)과 포토리소그래피 패터닝 공정 (오른쪽) (자료=세종대, MIT)

에피택시란 웨이퍼 위에 단결정성을 가지는 LED나 트랜지스터 같은 반도체 소자를 제조하는 공정이다. 원격 및 반 데어 발스 에피택시는 그래핀 같은 2차원 나노소재가 코팅된 웨이퍼를 써 에피층을 제조하는 것을 말한다. 에피층을 기판에서 쉽게 떼어낼 수 있으며 겹겹이 쌓아 3차원 구조의 다기능 고집적 소자로 제조할 수 있다.

연구진은 웨이퍼에서 분리한 적·녹·청색 발광 LED 멤브레인을 팬케이크처럼 수직으로 쌓고 고정밀 광식각 공정으로 4㎛ 크기로 화소를 패터닝, 총천연색을 구현하는 5천100 PPI급 극미세수직화소를 제작했다. LED를 떼어낸 웨이퍼는 동일한 품질의 LED를 반복적으로 생산할 수 있어 제작비용 절감도 기대된다.

연구진은 "적층형 마이크로 LED 수직화소는 기존 수평 측면 배열형에 비해 화소 밀도를 최소 3배 이상 향상시킬 수 있어 고해상도 초실감형 AR·XR 및 메타버스 디스플레이 응용과 제작에 적합하다"라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노및소재기술개발사업, 선도연구센터, 해외우수연구기관유치사업의 지원으로 수행됐으며, 지난 2일 학술지 '네이처(Nature)'에 실렸다.