초저전력으로 마이크로 LED 디스플레이 안정적으로 구동한다

김태근 고려대 전기전자공학과 교수, 이호진 박사, 홍석희 박사과정생. 한국연구재단 제공

차세대 마이크로 LED 디스플레이의 구조적 한계를 해결할 수 있는 기술이 개발됐다. 마이크로 LED 디스플레이는 100㎛(마이크로미터, 1㎛=100만분의 1m) 이하의 유기물로 이뤄진 발광 다이오드 소자로 만든 디스플레이를 뜻한다. 

한국연구재단은 김태근 고려대 전기전자공학부 교수 연구팀이 커패시터를 사용하지 않는 초저전력 능동매트릭스(AM) 구동 회로를 실험적으로 구현하는 데 성공했다고 4일 밝혔다. 커패시터는 전하를 저장해 전압을 일정하게 유지시키는 전자 소자다. AM은 각 화소가 독립적으로 제어되는 디스플레이 구동 방식이다. 

확장현실(XR) 기기와 초소형 웨어러블 장치 상용화가 가속화되면서 집적도가 더 높고 전력 소모가 적은 차세대 디스플레이에 대한 요구가 커지고 있다. 마이크로 LED를 소형화하려면 박막 트랜지스터, 커패시터 등의 구동 소자 면적 비중을 키워야 한다. 소자 면적 비중을 키우면 개구율(단위 화소당 빛이 나오는 면적 비율) 저하, 발열, 전력 증가 등이 발생한다. 

특히 AM 구동 회로는 트랜지스터 안정성을 저하시키고 커패시터 자연 방전 문제를 유발해 복잡한 보상 회로가 필요하다는 구조적 한계가 있다. 연구팀은 트랜지스터와 커패시터를 하나의 멤리스터로 대체한 ‘커패시터 프리 AM 구동 회로’를 제안했다. 

기존 AM 구동 회로와 멤리스터 기반 커패시터 프리 AM 구동회로 비교 모식도. 한국연구재단 제공

멤리스터는 전압·전류 변화에 따라 저항이 변하고 상태가 유지되는 비휘발성 소자다. 연구팀은 멤리스터 특성을 활용하면 커패시터 없이도 마이크로 LED의 밝기를 안정적으로 제어된다는 점을 입증했다. 

연구에 사용된 저마늄-텔루라이드(GeTe) 기반 멤리스터는 0.2V(볼트) 이하 초저전력 구동과 28시간 이상의 동작 안정성을 확보했다. 

김태근 교수는 “이번 연구는 수십 년간 유지돼 온 트랜지스터–커패시터 기반 AM 구동 회로의 한계를 넘어서는 새 패러다임을 제시했다”며 “멤리스터 하나로 두 소자를 대체함으로써 공정을 단순화하고 저전력·소형화를 동시에 달성할 수 있다”고 설명했다.

이어 “개발된 기술은 전력 소모를 최소화하는 반도체 회로 기술인 ‘상보형 금속 산화막 반도체’(CMOS) 공정에도 적용 가능하다”며 “증강현실(AR) 글라스, 차량용 디스플레이, 스마트 윈도우 등 차세대 초고효율 디스플레이의 핵심 솔루션으로 발전할 것”이라고 덧붙였다. 연구결과는 국제학술지 ‘인터내셔널 저널 오브 익스트림 매뉴펙처링’에 지난달 31일 온라인 게재됐다. 

<참고 자료>
doi.org/10.1088/2631-7990/ae1a22

[문세영 기자 moon09@donga.com]