한양대 ERICA 나노광전자학과 김영현 교수 연구팀이 고해상도·초저전력 디스플레이를 구현할 수 있는 기술을 개발했다고, 한양대가 1일 밝혔다.

이번 연구가 실생활에 응용될 경우, 기존의 디스플레이 구조가 가지고 있던 제약을 뛰어넘어 초고해상도의 마이크로 디스플레이에서 초저전력 웨어러블 디스플레이까지 아직은 먼 미래의 기술로 여겨지던 분야들을 구현할 수 있을 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST) 및 한국과학기술원(KAIST)이 참여한 공동 연구팀은 기존의 복잡한 보상회로를 대체하여 디스플레이의 불균일한 밝기 변화를 보상할 수 있는 새로운 방식인 ‘강유전체 산화물 박막 트랜지스터를 이용한 마이크로LED의 밝기 보상기술’을 세계 최초로 구현했다.

픽셀은 디스플레이를 구성하는 가장 기본이 되는 단위로, 하나의 픽셀은 광원과 이를 제어 하는 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 배치하여 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 각광 받기 시작한 강유전체를 이용해 보상회로를 대체하는 방법에 집중하였다. 강유전체는 자발 분극이 항상 존재하는 물질인데, 외부의 전기적 자극으로 분극상태를 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.

한양대 김영현 교수 연구팀은 이런 강유전체 중 KIST 한재훈 박사 연구팀이 연구하고 있는 강유전체(HfZrO2)를 이용하여 산화물 반도체 기반 강유전체 박막트랜지스터를 제작하였고, KAIST 김상현 교수팀에서 개발된 마이크로LED의 밝기를 프로그래밍(제어 및 기억)하는 실험을 진행하였다.

김영현 교수 연구팀은 전기적으로 연결된 강유전체 박막트랜지스터와 마이크로LED로 구성된 픽셀 회로에 4개의 다단계(multi-level) 전기적 자극으로 마이크로LED의 밝기가 4단계로 100초 이상 유지되는 것을 구현하였다. 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 협업을 하여 차세대 디스플레이 기술에 적용될 수 있도록 하겠다”고 말했다.

한양대 ERICA 나노광전자학과 진태원 연구원(석사과정)이 주도한 이번 연구는 영국 왕립화학회 (The Royal Society of Chemistry)의 나노스케일분야 SCI 학술지 「Nanoscale Advances」(IF=5.598) 1월호에 게재됐으며(논문명 : Demonstration of programmable light intensity of a micro-LED with a Hf-based ferroelectric ITZO TFT for Mura-free displays ), 그 우수성을 인정받아 내부 전면 커버 논문(Inside Front Cover Article)으로 선정됐다.