플렉서블 디스플레이, 스마트 섬유, HMD 등 적용 분야 넓어
본딩, 패키지화해 모듈을 만드는 기술이 관건

마이크로 LED 디스플레이가 일반 LED 디스플레이를 넘어 OLED 디스플레이 시장까지 따라 잡을 수 있을까.

웨어러블 기기와 같은 미래형 스마트 기기에 관심이 높아지면서 마이크로 LED 디스플레이에 대한 기술 개발 요구도 거세지고 있다.

칩 사이즈가 일반적으로 10~100㎛ 수준으로 제작되며 저전력화, 소형화, 경량화가 필요한 모든 광 응용 분야에 적용할 수 있는 마이크로 LED 디스플레이는 플렉서블 디스플레이, 스마트 섬유, 바이오 콘택렌즈, HMD, 인체 부착 및 무선 통신 분야까지 광범위하게 활용할 수 있다.

주로 조명과 디스플레이에 활용됐던 LED가 바이오 및 의료 관련 분야에 이용 가능성이 높아지고 있는 상황에서 높은 효율, 수율 및 신뢰성에서 안정성을 확보한 마이크로 LED가 차세대 디스플레이 기술로 급부상한 것이다. 특히 마이크로 LED는 최근에 이슈가 되고 있는 VR(가상현실) 디바이스를 가볍고 선명하게 만들 수 있는 대안으로 떠올랐고, 대형화도 가능해 TV 디스플레이에도 적합할 것으로 예상된다.


▲마이크로 LED는 최근에 이슈가 되고 있는 VR(가상현실) 디바이스를 가볍고 선명하게 만들 수 있는 대안으로 떠올랐다.(참고사진: WIS 2016 전시회 한 기업 부스에서 참관객이 VR를 체험하고 있다.)

시장 전망 측면에서는 글로벌 시장 경쟁이 심화되고 해외 주요 업체들이 빠르게 시장을 장악하고 있는 LED산업 시장에서 국내 기업이 마이크로 LED 디스플레이로 돌파구를 마련해야 한다는 목소리가 커지고 있다. 미래 산업 트렌드 중의 하나인 웨어러블 시대에 맞춤형 마이크로 LED 광원을 개발하여 제품 부가가치를 높이고 IT, 의료, 농수산, 섬유, 통신 기술과의 융합을 통해 새로 시장을 창출할 수 있기 때문이다.

이에 업체들의 발걸음도 빨라지고 있다. 애플은 2014년에 이미 마이크로 LED 전문업체인 럭스뷰 테크놀러지(Luxvue Technology)를 인수했고 일본 소니와 중국 BACO는 LED 픽셀 TV 시제품을 출시하여 마이크로 LED 디스플레이 가능성을 현실화했다.

마이크로 LED 특허, 미국이 활발하고 한국 일본은 각각 10% 점유

마이크로 LED 기술개발 분야의 특허 출원도 활발하다. 2000년대 초반부터 출원율이 상승하고 있는 이 분야는 독점국가 없이 한국, 미국, 일본 등이 유사한 점유율(상위 16개 업체의 점유율이 80% 차지)을 보이고 있다. 특히 일본의 파나소닉과 한국의 삼성 디스플레이가 각각 약 10%를 점유하고 있다. 가장 활발한 출원 경향을 보이고 있는데 미국은 시장성을 고려한 타국에서의 출원이 많으며 자국 출원인의 경우 LuxVue 및 오스람이 있다. 가장 빠르게 기술 시장에 진입한 일본은 마이크로 LED 기술 선진국으로 현재는 특허 출원이 주춤한 상태이다.

기술적, 산업적 장점 때문에 2020년 시장규모가 234억 달러에 이를 것으로 전망되는 플렉서블 디스플레이 시장에서 마이크로 LED는 기술을 한 단계 더 진화시킬 수 있는 방법으로 주목되고 있다. 마이크로 LED는 기존 LED보다 반응속도가 빠르고 저전력, 고효율이 가능하며 디스플레이에 적용할 경우 슬림화 및 대형화가 가능하다. 특히 차세대 디스플레이로 대두되고 있는 OLED(유기발광다이오드) 대비 파워 소비 측면에서 5배 이상 개선될 수 있으며 원자재 단가 및 공정/장비의 최적화가 이뤄진다면 OLED를 능가할 수 있다는 것이 전문가들의 의견이다.

한국광기술원의 이상헌 박사는 “마이크로 LED는 현재 OLED와 비교해서 장단점이 있는 것이 사실”이라며 “결국 OLED를 따라 잡는 것이 마이크로 LED의 목적이 될 것”이라고 말했다.

대형화 어려운 OLED, 마이크로 LED가 대체할 수 있을까

형광성 유기물박막에 전류가 흐를 때 유기물이 빛을 발하는 특성을 이용한 OLED 디스플레이는 기존의 LCD에 비해 응답속도가 빨라 동화상 재생 시 잔상이 거의 없고, 자체발광으로서 백라이트가 필요하지 않아 슬림한 디자인 구현은 물론, 어두운 곳이나 밝은 야외에서도 선명한 화질 구현 가능한 장점이 있지만 대형화가 어렵고 제품수명이 짧은 단점이 있다.

이에 반해, LED의 경우는 수십 마이크로 수준의 크기로 제작할 경우 휘어지게 만들 수 있을 뿐만 아니라 대형화가 쉽고 제품수명이 높은 장점을 가지고 있다.

▲지난 2014년 '럭스뷰(Luxvue)'를 인수한 애플이 스마트워치에 마이크로 LED를 적용하려한다는 예측이 계속 제기되고 있다. (사진: 애플 홈페이지 아이워치 이미지)

바이오 의료 분야에서의 LED는 저출력 레이저 치료법(LLLT)과 비슷한 역할을 가진 의료용 광원으로, LED 소자를 마이크로 수준의 작은 소자로 제작할 경우, 유연한 소자 구현이 가능해져 인체에 부착하거나 체내에 삽입하여 세포자극, 광유전학 치료, 상처치료 및 진단 등의 다양한 의료 분야에 적용할 수 있다.

최근 시계, 안경, 목걸이와 같은 착용형 장비가 상용화된 웨어러블 스마트 디바이스에 마이크로 LED를 적용하면 디스플레이, 섬유와 LED가 결합된 스마트 섬유, 바이오 콘택렌즈, HMD(Head Mounted Display) 등에 활용할 수 있다. LED에서 나오는 빛의 파장을 이용해 빠른 통신 속도를 구현하는 라이파이(Li-Fi) 기술도 마이크로 LED를 적용하면 장비의 소형화가 가능해 이 분야의 전망을 밝게 해주고 있다.

전 삼성전자 함헌주 상무는 “마이크로 LED 기술은 스마트워치의 배터리 소모를 최소화하기 위해 시작한 기술”이라며, “최근 스마트워치 시장이 좋지 않으면서 TV에 적용하려고 하면서 시제품이 머지 않아 나올 것”이라고 말했다.

맞춤형 마이크로칩 개발 등 해결할 과제 많아
정부 신성장 동력 과제로 마이크로 LED 사업 예정

하지만 마이크로 LED 상용화를 위해서는 많은 난관이 존재한다. 마이크로 LED 디스플레이를 개발하기 위해서는 플렉서블 소재/소자를 기반으로 하는 맞춤형 마이크로 칩 개발이 필요하다. 특히 마이크로 LED의 개발 또는 어레이된 칩들을 유연한 기판에 전사하는 공정기술 중요하다. 또한 마이크로 LED 본딩을 위해 인쇄전자 기술이 요구된다.

이 밖에 내부 양자효율 및 광 추출 효율의 향상된 소자를 제작하는 에피 성장 기술이 필요하며 열특성이 좋은 수직구조 LED, 웨이퍼레벨 패키지(WLP) 칩 스케일 패키지(CSP) 기술도 함께 개발되어야 한다.

한국광기술원의 이상헌 박사는 “마이크로 LED는 칩 제조기술보다는 본딩, 패키지화해 모듈을 만드는 기술이 관건이라고 할 말할 정도로 하이 레벨의 패키지 기술을 개발하여 차별화시키는 것이 중요하다”며, “유기 TFT, 미세 배선회로 등 마이크로 선폭이 가능한 인쇄전자 기술만 개발된다면 fab을 벗어나기(fab out) 때문에 빠르면 5년 내에도 상용화가 가능할 것으로 예상한다”고 말했다.

한국전자통신연구원(ETRI)의 조성행 연구원도 이에 대해 “우리는 아직 유연기판에 마이크로 LED를 본딩한 경험이 없다”며, “기판보다는 높은 해상도를 위해 많은 픽셀을 전사하는 기술 개발이 시급하다”고 강조했다.

정부는 최근 LED 융합산업 허브구축사업을 통해 마이크로 LED 산업을 신성장동력 산업의 과제로 포함시켜 육성하기로 했다. 마이크로 LED가 중소중견기업의 차세대 아이템으로 매우 적합하다고 판단해서이다. 한국산업기술평가관리원의 전기영 PD는 “디스플레이용 마이크로 LED 광원 기술이 쉽지는 않지만 그럼에도 해야하는 차세대 기술이다. 이에 전사장비 기술이나 검사장비 등 인프라 장비를 중심으로 지원하고 스마트워치, 자동차 헤드램프 등 적용 시장을 찾을 것”이라고 밝혔다.