"무한대 초고해상도" AR·VR 디스플레이 기술 개발
"무한대 초고해상도" AR·VR 디스플레이 기술 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.07.30 00:05
  • 조회수 5034
  • 댓글 1
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본문과 관련 없음. 출처 : Adobe Stock
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모바일 기기의 발전과 디지털화된 현대인들의 생활 속에서 디스플레이는 떼어낼 수 없는 요소로 자리 잡았습니다. 세계적인 시장 규모는 해가 거듭될수록 증가하는 추세입니다. 증가하는 디스플레이 시장의 규모에 발맞춰 세계시장에서의 국가경쟁력의 선점을 위해선 미래 디스플레이를 위한 투자가 필요한데요. 현재 시장을 주도하고 있는 모바일 기기에 활용되는 디스플레이 패널뿐만 아니라 미래 디스플레이로써 웨어러블, 롤러블 디스플레이, 헤드-마운티드 디스플레이 등 미래 디스플레이에 관한 연구 또한 다양하게 진행되고 있습니다.

 

그 중에서 증강현실 및 가상현실을 위한 스마트 글라스 등의 디바이스의 경우에 완벽하게 이용자들을 몰입시키는데 요구되는 4K 이상의 해상도가 필요합니다. 하지만 디바이스에 요구되는 작은 소비전력 및 제한된 면적에 많은 픽셀을 구현해야 하는 기술적 한계에 봉착하여 완벽하게 구현되지 못하고 있습니다.

 

현재 디스플레이 시장을 점유한 OLED 혹은 LCD는 초고해상도 디스플레이를 구현하기엔 부적합니다. LCD는 고해상도로 갈수록 자연스레 빛의 투과율이 낮아지는 본질적인 문제가 있습니다. OLED는 초고해상도 픽셀 형성을 위해 요구되는 증착 공정의 난이도가 높아 어려움이 있습니다. 따라서 초고해상도 디스플레이를 구현하기 위해서 무기물 기반의 3-5족 화합물 반도체를 활용한 마이크로 LED 디스플레이가 떠오르는데요. 무기물 기반 마이크로 LED는 우수한 밝기, 명암비, 수명을 가지고 있으며 작은 소비전력으로 높은 광 출력을 보여주는 특성을 가지고 있습니다. 더욱이, 개발되어있는 기존 반도체 공정을 적용하여 미세픽셀을 구현할 수 있습니다.

 

그러나 마이크로 LED 디스플레이를 구현하기 위해서는 픽셀을 구성하는 적색, 청색, 녹색 LED를 각각의 기판에서 제작한 뒤 디스플레이 패널로 옮겨야 하는 패키징 공정이 필요합니다. 이러한 패키징 공정의 과정에서 픽셀의 크기가 수십 마이크로미터 미만의 수준으로 작아지기 때문에 원하는 위치에 픽셀을 위치시키는 패키징 공정의 난이도가 급속도로 올라갔습니다. 그중 가장 대표적으로 활용됐던 픽앤플레이스(Pick-and-place) 공정은 각 색상의 픽셀들을 기계장치에 부착하여 (pick) 원하는 영역에 위치시키는(place) 공정으로써 기계적인 정렬 과정에서의 오차가 발생할 수 있으므로 정렬의 정밀도가 수십 마이크로미터 수준으로 제한되는데요.

 

위같은 문제를 해결하기 위해 KAIST 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀은 모놀리식 3차원 집적의 장점을 활용했습니다. 모놀리식 3차원 집적은 제작된 하부 소자 위에 상부 반도체 박막을 형성하고 상부 소자를 순차적으로 공정하는 방식인데요. 하부 소자 공정 후, 상부의 박막층을 형성하고 상부 소자 공정을 순차적으로 진행함으로써 상하부 소자 간의 정렬도를 극대화할 수 있는 기술로 궁극적 3차원 집적 기술로 불립니다. 김교수 연구팀은 이 기술 덕분에 1,600PPI*에 상응하는 마이크로LED 디스플레이를 구현하는 데 성공했다고 밝혔습니다. 1,600 PPI는 초고해상도 증강현실(AR)/가상현실(VR) 디스플레이에 적용 가능한 해상도로써 2020년 출시된 오큘러스(Oculus) 社(現 메타(Meta))의 메타 퀘스트 2(Meta quest 2, 442 PPI)의 3.6배에 해당하는 디스플레이 해상도입니다.

*PPI: Pixel per Inch. 디스플레이에서 1인치에 포함되는 픽셀의 갯수

 

연구팀은 디스플레이 구동용 규소 상보적 금속산화물 반도체(이하 Si CMOS) 회로 기판 위에 적색 발광용 LED를 모놀리식 3차원 집적하는 방식을 적용했습니다. 이 방식은 Si CMOS 회로 위에 마이크로 LED 필름층을 먼저 웨이퍼 본딩을 통해 전사한 뒤, 포토리소그래피 공정으로 픽셀을 구현하는 방법으로, 기계적 픽셀 전사 공정이 제외되는데요. 이후 연구팀은 Si CMOS 회로상에서 상단에서 하단 방향으로(Top-down) 연속적인 반도체 공정 과정을 통해 고해상도 디스플레이 데모에 성공했습니다.

이번 연구에서 제작한 Si CMOS 기판상 적색 발광 다이오드 단면 주사현미경 이미지. 출처 : KAIST
이번 연구에서 제작한 Si CMOS 기판상 적색 발광 다이오드 단면 주사현미경 이미지. 출처 : KAIST

이 과정에서 연구팀은 조명용으로 활용돼왔던 무기물 기반 LED 반도체가 아닌 디스플레이용 LED 반도체층을 설계해 발광을 위한 활성층의 두께를 기존의 1/3로 감소시켜, 픽셀 형성에 필요한 식각 공정의 난도를 크게 낮추어 이번 연구성과를 얻어냈습니다. 또한, 연구팀은 하부 디스플레이 구동 회로의 성능 저하 방지를 위해 350oC 이하에서 상부 III-V 소자를 집적하는 웨이퍼 본딩 등의 초저온 공정을 활용해 상부 소자 집적 후에도 하부 드라이버 IC(Driver IC)의 성능을 그대로 유지할 수 있었습니다.

 

이번 연구 결과는 적색 마이크로 LED를 3차원 적층 방식으로 집적해 세계적인 수준의 해상도인 1,600 PPI 구현에 성공한 연구로서 연구에서 활용된 모놀리식 3차원 집적에 관한 연구 결과는 차세대 초고해상도 디스플레이 구현을 위한 좋은 가이드가 될 것으로 예상됩니다.

모놀리식 3차원 적층형 마이크로 디스플레이의 구동 이미지. 출처 : KAIST
모놀리식 3차원 적층형 마이크로 디스플레이의 구동 이미지. 출처 : KAIST

김상현 교수는 "향후 유사 공정을 확대 적용해 적색, 녹색, 청색이 모두 포함된 풀 컬러 디스플레이 제작도 가능할 것으로 생각한다ˮ라고 전했습니다.

 

KAIST 전기및전자공학부 박주혁 박사과정과 금대명 박사가 제1 저자로 주도하고 백우진 박사과정과 대만의 제스퍼 디스플레이(Jasper Display)의 존슨 쉬(Johnson Shieh) 박사와 협업으로 진행한 이번 연구는 반도체 올림픽이라 불리는 하와이 호놀롤루에서 열린 `VLSI 기술 & 회로 심포지엄 (2022 IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits)'에서 지난 6월 16일에 발표됐습니다.

논문명 : Monolithic 3D sequential integration realizing 1600-PPI red micro-LED display on Si CMOS driver IC


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가오르드 2022-08-01 09:00:47
아~ 완벽히 이해가 됐어 짤

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