한양대학교 ERICA는 나노광전자학과 김영현 교수 연구팀이 고해상도·초저전력 디스플레이를 구현할 수 있는 기술을 개발했다.

​한국과학기술연구원(KIST) 및 한국과학기술원(KAIST)이 참여한 공동 연구팀은 기존의 복잡한 보상회로를 대체해 디스플레이의 불균일한 밝기 변화를 보상할 수 있는 새로운 방식인 '강유전체 산화물 박막 트랜지스터를 이용한 마이크로 LED의 밝기 보상기술'을 세계 최초로 구현했다.

​픽셀은 디스플레이를 구성하는 가장 기본이 되는 단위로, 하나의 픽셀은 광원과 이를 제어하는 트랜지스터로 이루어진다. 이 픽셀 내부 소자들의 성능이 균일하지 않을 경우, 디스플레이의 전체 밝기가 균일하지 않아 화면이 얼룩덜룩하게 보이는 무라(mura)현상이 발생한다.

​이러한 문제를 해결하기 위해 픽셀에 추가적인 트랜지스터를 배치해 피드백 과정을 통해 균일한 성능을 끌어낼 수 있는 '보상회로' 방식이 일반적으로 활용된다. 하지만 이로 인해 픽셀의 복잡도 및 크기가 증가하고 소비전력이 상승해 차세대 디스플레이 기술에는 적합하지 않다.

​김영현 교수 연구팀에서는 그 대안으로 최근 각광받기 시작한 강유전체를 이용해 보상회로를 대체하는 방법에 집중했다. 강유전체는 자발 분극이 항상 존재하는 물질로, 외부의 전기적 자극으로 분극 상태를 변화시킬 수 있는 물질이다. 이 물질의 특성을 이용하면 반도체 소자의 전도도를 제어하고 이론상 10년 이상 그 상태를 기억시킬 수 있다. 따라서 이를 이용하면 다수의 트랜지스터로 구성된 보상회로 대신 하나의 소자로 그 기능을 수행할 수 있다.

김영현 교수 연구팀은 이런 강유전체 중 KIST 한재훈 박사 연구팀이 연구하고 있는 강유전체(HfZrO2)를 이용해 산화물 반도체 기반 강유전체 박막트랜지스터를 제작했고, KAIST 김상현 교수 연구팀에서 개발된 마이크로 LED의 밝기를 프로그래밍(제어 및 기억)하는 실험을 진행했다.

​김영현 교수 연구팀은 전기적으로 연결된 강유전체 박막트랜지스터와 마이크로 LED로 구성된 픽셀 회로에 4개의 다단계(multi-level) 전기적 자극으로 마이크로 LED의 밝기가 4단계로 100초 이상 유지되는 것을 구현했다. 이는 강유전체가 응용된 간단한 구조의 회로가 기존의 복잡한 보상회로를 대체할 수 있다는 것을 의미한다.

​이번 연구의 지도를 맡은 김영현 교수는 "이번 연구결과는 국내 대학과 연구소의 협동을 통해 외국에서도 보고된 적 없는 연구 성과를 도출했다"며 "산업체들과도 협업해 차세대 디스플레이 기술에 적용될 수 있도록 하겠다"고 말했다.

​한편, ERICA 나노광전자학과 진태원 연구원(석사과정)이 주도한 이번 연구는 영국 왕립화학회(The Royal Society og Chemistry)의 나노스케일분야 SCI 학술지 「Nanoscale Advances」(IF=5.598) 1월 호에 게재됐으며, 그 우수성을 인정받아 내부 전면 커버 논문으로 선정됐다.

진태원 연구원 INTERVIEW

자기소개 및 연구 분야에 대해 소개해 주세요.

나노광전자학과 김영현 교수님 연구실에서 올해로 석사 3기를 진행하고 있는 진태원입니다. 차세대 물질로 연구가 많이 되고 있는 강유전체라는 물질을 기존 반도체 산업에 응용할 수 있도록 적용하는 연구를 하고 있습니다.

​강유전체 산화물 박막 트랜지스터를 이용한 마이크로 LED의 밝기 보상기술에 관해 연구했다고 들었습니다. 어떤 연구를 진행하셨는지 좀 더 쉽게 알려주세요.

디스플레이는 수많은 픽셀로 이뤄졌습니다. 기본적으로 픽셀은 트랜지스터와 광원으로 구성돼 있습니다. 트랜지스터는 스위치 역할로, 외부로부터 전압을 인가하면 광원으로 전압의 전달 여부​를 결정합니다. 광원은 말 그대로 전류가 들어오면 빛을 내는 소자입니다.

​트랜지스터와 광원은 항상 대면적으로 만들어 오는데, 제각기 성능이 다릅니다. 예를 들어, 5V 전압을 트랜지스터에 인가해 광원에 전류 100uA를 넣고 싶다고 가정해 봅시다. 어떤 트랜지스터는 5V 전압을 인가해 광원에 전류 100uA가 들어가는 반면, 어떤 트랜지스터는 5V 전압을 인가해 광원에 전류 90uA가 들어갑니다. 광원마다 들어오는 전류가 다르기 때문에 각 픽셀마다 밝기가 달라지는 문제, 즉 무라현상이 나타나게 됩니다.

​무라현상을 없애기 위해 픽셀에 트랜지스터와 광원 외에도 추가적으로 많은 장치를 배치했습니다. 이 방식을 보상회로라고 합니다. 보상회로를 통해 무라현상을 없애는 것이 현재 디스플레이에 쓰이는 기본적인 기술이지만, 많은 장치들 때문에 픽셀 하나마다 복잡도와 크기가 매우 크다는 단점이 있습니다. 결국 물리적 크기의 한계로 인해 더 높은 해상도를 만들 수 없고, 동시에 더 작은 디스플레이를 만들 수가 없는 거죠.

​그래서 저희 연구팀은 여러 개의 소자로 구성된 보상회로를 강유전체를 이용한 트랜지스터 하나로 대체하는 것을 연구했습니다. 강유전체의 특성 때문에 추가적인 소자 없이 트랜지스터와 광원, 단 2개의 소자만으로도 전류의 정도를 조절할 수 있거든요. 또한, 강유전체는 외부에서 전압을 인가하기 전에 미리 프로그래밍(제어 및 기억)을 해두면 전압을 증폭시킬 수도, 내릴 수도 있습니다. 트랜지스터를 어떻게 프로그래밍하느냐에 따라서 외부로부터 들어오는 전압을 바꿀 수도 있고, 광원에 들어가는 전류도 조절할 수 있다는 것이죠.

​강유전체 트랜지스터가 전압과 전류를 조절하는 것도 중요하지만, 가장 중요한 것은 이 기능을 유지하는 것입니다. 기능이 유지돼야 실 산업에 적용할 수 있기 때문입니다. 저희 연구팀은 이번 연구에서 마이크로 LED의 밝기를 4단계로 100초 이상의 유지를 구현했습니다. 즉 4단계 밝기 조절은 새로운 회로가 전류를 조절할 수 있음을, 100초 이상 유지된다는 것은 기능을 유지할 수 있음을 입증했다는 뜻입니다. 즉 기존 픽셀보다 복잡도나 크기가 훨씬 작은 픽셀로 고해상도·초저전력 디스플레이를 만들 수 있습니다.

​이번 연구가 디스플레이에 어떻게 적용될 수 있나요?

이번 연구가 시사하는 가장 큰 장점은 해상도의 제약을 없애고, 매우 낮은 전력으로도 동작시킬 수 있다는 것입니다. 초실감 구현을 위해 초고해상도를 요구하는 AR&VR 디스플레이나, 초저전력을 요구하는 웨어러블 디스플레이에 직접 응용할 수 있습니다. 어떻게 보면 디스플레이 응용 분야 제약을 없애준다고 볼 수 있어요.

​앞으로의 계획이 궁금합니다.

'강유전체 산화물 박막 트랜지스터를 이용한 마이크로 LED의 밝기 보상기술'이 구동하는 것을 확인했지만, 더 연구해야 되는 부분이 많습니다. 이론적으로 강유전체는 10년 정도 역할을 유지할 수 있습니다. 따라서 유지 시간에 대한 연구를 계속해 나가야 하는 게 첫 번째입니다.

​두 번째로 이번 연구는 아주 작은 면적이라는 장점이 있지만, 기존 회로 구성과 달라지는 부분이 많습니다. 그래서 실 산업에 응용할 수 있도록 강유전체 소자를 하나 더 추가해 그 소자를 조절하는 방식을 지금 연구하고 있습니다. 트랜지스터와 광원 외에도 소자 하나가 추가되지만, 기존 디스플레이 업계에서 사용하던 것과 매우 유사한 방식이기 때문에 실 산업에 훨씬 더 수월하게 응용할 수 있다고 생각합니다.

​소감 한마디 부탁드려요.

김영현 교수님이 처음 오신 2019년에 연구팀의 학부 연구생으로 들어와서 2021년도에 대학원으로 진학했습니다. 학부 시절부터 가르침을 주신 김영현 교수님을 비롯해, 연구에 협업해 주신 KIST의 김상현 교수님, KAIST의 한재훈 박사님께 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 덕분에 어떻게 연구를 진행해야 하는지, 어떻게 논문을 작성해야 하는지 배울 수 있었습니다. 정말 감사드립니다.