단일 패널 개발이 보여주는 AR 풀컬러 구현의 변화

Micro-LED 기술에서 풀컬러 구현은 AR 안경의 활용 범위를 넓히는 핵심 과제다. 단색으로 문자와 정보를 표시하는 수준을 넘어 영상, 지도, 그래픽을 자연스럽게 보여주려면 작은 서브픽셀 안에 적색, 녹색, 청색을 함께 구현해야 한다. 최근 산안(Sanan) 옵토일렉트로닉스과 칭화대, 샤먼대의 적층형 RGB와 JBD의 단일 패널 풀컬러 개발은 적층형 풀컬러 마이크로 LED 기술 분야에서 AR 광학계의 소형화 가능성을 높이는 시도이다.

대형 Micro-LED 디스플레이는 RGB 칩을 평면에 나란히 배치해 하나의 컬러 픽셀을 구성한다. 그러나 AR용 마이크로디스플레이에서는 수 μm 수준의 픽셀 피치 안에 RGB칩과 전극을 넣어야 한다. 이를 횡방향으로 배열하면 각 발광부가 더욱 작아지고, 측벽 손실, 전극 공간, 미세 가공과 집적 정밀도 부담이 커진다. 평면 RGB 구조가 원천적으로 불가능한 것은 아니지만, 초고해상도 구현에서는 제조와 효율 확보가 어려워진다. 현재 풀컬러 AR용 Micro-LED의 대표적 구현법 중 하나는 RGB 단색 패널 세 장의 영상을 X-cube 프리즘으로 합치는 방식이다. JBD의 Hummingbird II는 0.1인치 RGB 패널 세 장을 사용한다. 여기서 큐브 구조는 RGB 소자를 쌓는 방식이 아니라 빛을 결합하는 광학 구조다.

적층형 RGB Micro-LED는 서로 다른 색의 발광층을 수직으로 집적한다. 같은 픽셀 위치에서 RGB색을 발광시키면 횡방향 공간을 효율적으로 사용한다.

칭화대와 산안이 개발한 모노리식 InGaN 적층형 풀컬러 마이크로 LED의 RGB 메사 형성 공정과 3차원 구조

Schematic process flow of the full-color monolithic InGaN micro-LED is shown as follows. (a) red micro-LED mesa fabrication. (b) green micro-LED mesa fabrication. (c) blue micro-LED mesa fabrication. (d) p/n-electrode formation. (e) Schematic diagram of the three-dimensional structure of the monolithic InGaN micro-LED. (f) SEM image of the monolithic InGaN micro-LED. The arrow in the figure indicates the observation direction of the structural diagram. (칭화대와 Sanan이 개발한 Full-color monolithic InGaN micro-LEDs 구조) (Source: Vol. 33, No. 13 / 30 Jun 2025 / Optics Express 28799)

칭화대 연구진은 InGaN 기반 RGB 에피택셜 층을 터널접합으로 연결하고, 전체 구조를 MOCVD로 성장시킨 소자에 관해 2025년 Optics Express 논문에 개제했다. 칭화대는 RGB 각각 20 × 20 μm² 메사 소자를 제작했으며, 유사 양자우물 구조를 적용한 적색은 1 A/cm²에서 파장 스팩트럼에서의 피크 파장(Peak Wavelength) 650 nm를 낸다. 색조(Hue)를 나타내는 적색 단색광의 주파장(Dominant Wavelenth)은 620 nm이다. 이는 질화물 기반 RGB 적층 구조에서 적색 발광을 확보한 사례이다.

Sanan과 샤먼대학은 새로운 터널접합구조로서 캐리어 주입과 광자 전달 손실을 개선하고, 외부 양자 효율이 청색 32%, 녹색 20%, 적색 3%인 소자를 개발했다. 발광 스펙트럼 반치폭은 적색 42 nm, 녹색 27 nm, 청색 17 nm이다. 향후 개선을 통해 BT.2020 색역 커버리지 95% 이상을 달성하는 것을 목표로 하고 있다. RGB 적층 구조에서 효율 확보가 어려운 적색을 포함해 RGB세가지 색의 동작과 공정 가능성을 보여주었다.

JBD는 반도체 발광층을 수직 집적하는 Phoenix 플랫폼을 개발해 왔다. 2023년 공개한 시제품은 질화물 계열 청색, 녹색과 인화물 계열 적색 발광부를 같은 광축으로 적층하고, 웨이퍼 접합과 다층 배선으로 연결했다. JBD가 제시한 RGB 결합 컬러 픽셀 피치는 5 μm, 총 적층 두께는 5 μm 미만이다. JBD는 기존 X-cube 광엔진의 제품화와 함께 Phoenix 적층형 패널의 두 방향를 동시에 이끌어 가면서 미래에는 적층형을 풀 컬러 제품의 최종 솔루션으로 보고 있다.

또 다른 풀컬러 방법인 청색 Micro-LED의 QD 색변환은 Blue LED 배열 위에 적색과 녹색 양자점을 패터닝하는 방식이 있다. RGB별 LED 재료를 집적하는 부담을 줄일 수 있지만, 강한 청색 여기광과 온도 상승은 QD 열화를 촉진할 수 있고 변환 효율 저하와 RGB별 열화 차이는 밝기 감소와 색 균형 변화로 이어질 수 있다. 미세 패턴의 균일성, 잔류 청색광, 인접 픽셀 간 광학 누설도 관리해야 한다.

적층형 RGB 기술이 AR용 Micro-LED의 고해상도화와 광엔진 소형화를 함께 추진할 수 있는 중요한 개발 방향이다. 앞으로 산업적 경쟁력은 동일한 컬러 픽셀 피치에서 확보하는 RGB 효율과 패널 균일성, 광학계 결합 후 밝기와 소비전력, 장기 신뢰성과 제조 수율로 판단될 것이다. 적층형 구조가 이 조건을 충족하면 풀컬러 AR 안경 설계의 선택 폭도 넓어질 것으로 전망된다.