마이크로 LED 기술 동향과 시장 전망 New
2019-02-16
org.kosen.entty.User@2c19fe28
김영덕(ydk531)
마이크로 LED 기술 동향과 시장 전망
김영덕 Ph.D, ydkim@wsu.ac.kr
한국산업기술진흥협회 ReSEAT 프로그램 전문위원
Key words
Micro LED, OLED, LCD, GaN, Transfer
마이크로 발광다이오드, 유기발광다이오드, 액정표시장치, 질화갈륨, 전사공정
1. 서언
1962년 최초의 가시광선 LED(light-emitting diode)가 개발된 이래, 1990년대 초 InGaAIP를 이용한 고휘도 LED가 개발되었고[1], 니치아(Nichia) 연구원이었던 나카무라(Nakamura: 2014년 노벨 물리학상 수상)가 1993년 12월 실용 제품화되는 청색 LED를 발명하였다. 나카무라는 원플로우 MOCVD 로 연구하는 동안 수많은 실패를 거듭하며 MOCVD 장비를 개조하여 투플로우 MOCVD를 개발해 GaN(질화갈륨)화합물 반도체를 사용한 세계 최초의 브레이크스루(기술혁신)를 이루었다. 이 발명으로 백색 LED 조명 개발의 열쇠가 되어 비약적인 발전으로 다양한 분야에 응용되고 있다[2]. 2000년대에 들어서면서 LED는 이제 인간 생활 속에 깊이 자리 잡기 시작하였고 최근에는 휴대폰의 액정 표시 소자, 옥외용 대형 디스플레이 전광판, 교통신호등, 자동차 부품, TV를 중심으로 한 가전제품, 일반 가정이나 사무실에서 사용되는 조명 영역 등 모든 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다[1].
특히 2005년 이후 전광 효율이 급격히 증가하면서부터 디스플레이 산업의 LCD 백라이트 유닛으로서 거대 규모의 시장이 형성되었고, 조명 산업에서는 에너지절약에 대한 우수성을 입증하고 가격 하락이 가속화되면서 향후 2030년까지 LED 조명의 보급과 발전이 꾸준히 증가할 것으로 예측된다. 그러나 현재, 국내 LED 산업은 중국 등과 같은 후발 주자들의 범국가적인 투자와 산업육성 정책에 의해 글로벌 시장경쟁이 심화되면서 국내 기업들의 가격경쟁력은 한계에 봉착하였고, 정부 차원의 투자 지원마저 위축된 상황에 이르고 있다. 이러한 어려운 상황을 돌파할 수 있는 신시장 창출을 위해 차세대 디스플레이, 의료/바이오, 통신, 자율주행기기, 섬유, 농수산 분야 융복합기술 개발이 요구되고 있다.
최근, LED의 크기 조절의 자유도, 유연한 특성, 선택적인 발광 파장의 효과를 응용한 수많은 연구논문이 발표되고 있다. 조명용으로 쓰이는 LED는 크기가 주로 1,000μm×1,000μm이다. 이러한 LED의 면적을 1/100 이하로 줄이면 머리카락 두께 정도인 100μm×100μm 크기가 되는데, 이러한 LED를 마이크로 LED라 한다. 이러한 마이크로 LED는 스트레처블 기판 및 유연기판, 3차원 구조의 기판에 실장할 수 있게 되어 웨어러블 디스플레이, 피부 부착형 의료기기, 반도체 장비, 자율주행센서 및 빅데이터 서비스용 광원 등과 같은 다양한 분야에 적용할 수 있다[3].
본고에서는 이러한 마이크로 LED에 대한 이해와 기술개발 동향 및 시장 전망에 대하여 고찰해보고자 한다.
2. 마이크로 LED란?
2.1. 마이크로 LED특징
마이크로 LED(MicroLED, micro-LED, mLED, μLED)는 새로 출현하는 평판디스플레이 기술이다. 이름에서 알 수 있듯이 마이크로 LED 디스플레이는 개개의 화소 요소를 이루는 미시 세계 LED 배열로 구성되어 있다. 보편화된 LCD 기술과 비교할 때 마이크로 LED 디스플레이는 더 나은 대비, 응답시간, 에너지효율성을 제공한다.
OLED와 함께 마이크로 LED는 스마트워치, 스마트폰과 같이 크기가 작고 에너지가 적은 장치에 주목적을 둔다. OLED와 마이크로 LED는 전통적인 LCD 시스템에 비해 에너지 요구량이 상당히 더 적은 편이다. OLED와 달리 마이크로 LED는 전통적인 GaN LED 기술에 기반을 두고 있어서 OLED가 내는 총 광량 대비 30배 이상 더 밝은 밝기를 제공할 뿐 아니라 lux/W 면에서도 효율성이 더 좋다. 또, OLED의 짧은 수명으로 인한 문제가 없다[4].
표 1. Micro LED 주요 특징[5]
Micro LED OLED LCD
메커니즘 자체발광 자체발광 Backlight(LED)
시감도 높음 낮음 보통
휘도(cd/m2)
~105(full color)
~107(blue/green)
1500(full color) ~
103(yellow)
3000(full color) ~
104(green)
명암비 매우 높음 >10,000:1 매우 높음 >10,000:1 200:1
응답시간 nanosecond(ns)
microsecond(μs)
milisecond(ms)
관리온도 -100~120℃ -50~70℃ 0~60℃ 히터 필요
내충격성 보통 높음 보통
수명 길다 보통 보통
비용 높음 낮음 낮음
자료: 미래에셋대우 리서치센터, 2017.3.7.
표 2. Micro LED 개발 관련 주요 연혁[6]
일시 내용
'09. 05. - LuxVue Technology 설립. 본사는 미국 캘리포니아 주 산타클라라 소재
'10. 07. - University of Strathclyde, Micro-LED mLED, 전문 기업 설립 분사
'11. 12. - Texas Tech University, CMOS Micro-LED, VGA(640×480) 디스플레이 제작
'12. 01. - Sony 55 Crystal LED 디스플레이 공개. 622만 개의 Micro-LED를 사용하는 FHD TV
'13. 07. - University of Illinois John Rogers교수 X-celeprint사 설립, 전사율을 갖춘 풀컬러 수동(passive) 모듈 완성
- 동 사에 Micro-LED(wafer transfer) 웨이퍼 전사 특허 관련 배타적 권리 이전
'14. 05. - Apple, LuxVue Technology 인수 발표
'15. 04. - Apple, Longtan, Taoyuan, Micro LED 대만 북부에 새로운 공장을 설립하여 비밀리에 첨단기술 개발
- VerLase, Micro-LED 어레이와 색 변환 특허를 통합할 수 있다고 발표
'15. 06. - CEA-LETI, 100만 니트 휘도(brightness) 단색 LED, 10만 니트 휘도의 풀컬러 Micro LED 개발을 위해 III-V Lab과 협력관계 구축
'15. 10. - ITRI, 400ppi 해상도와 99% 이상의 Micro LED(transfer rate) 전사율을 갖춘 풀컬러 수동(passive) 모듈 완성
'16. 04. - PlayNitride, Taiwan Solid State Lighting Show Pixel LED에서 기술 최초 공개
'16. 06. - Sony, Infocomm 2016 CLEDIS에서 새로운 디스플레이 공개
'17. 05. - Apple, 6인치 마이크로 LED 시제품 개발 성공
'17. 07. - 한국기계연구원, 롤 전사 공정을 이용한 마이크로 LED 디스플레이 제조 기술 개발
'18. 01. - KAIST, 유연하고 수직적인 마이크로 LED 개발
'18. 05. - 세미콘라이트, Micro LED 기반 2D Array 및 RGB CSP 독자적 기술개발 성공
'19. 01. - 삼성전자, CES2019 세계 최소형인 75형 ‘마이크로 LED’ 스크린을 최초로 공개
'19. 01. - 하이센스, CES 2019에서 4K 해상도 마이크로 LED 기반의 '아도니스 MD(모듈러 디스플레이)'를 전시, 145인치 크기
'19. 01. - 루멘스, CES 2019에 130인치대 대형 마이크로 LED 디스플레이를 출품, UHD 해상도를 지원하고, 3000니트(nit)급 초고휘도를 구현
'19. 01. - Plessey, CES 2019에서 소형 마이크로 LED 디스플레이 기술을 활용한 AR？VR 안경 공개
자료: ledinside.com, 2016.7.21., 2017~2019년 신문기사 정리
2.2. 마이크로 LED 제조공정
LED 제조공정(웨이퍼 제조 → 칩 가공 → 패키징 → 모듈 제조 → 응용 시스템 적용), 패키징 공정이 생략되거나, 전사공정(Transfer) 형태로 진행된다.
그림 1. 마이크로 LED 모식도와 제조공정[7]
그림 2. 마이크로 LED 전사공정의 종류[7]
2.3. MicroLED Displays 특허 동향 분석[8]
Yole Developpement는 125개의 회사 및 기관이 제출한 1,500건의 특허를 확인했다. MicroLED 표시 필드와 관련이 있다. 이 중에는 여러 신생 업체, 디스플레이 제조업체, OEM 업체, 반도체 회사, LED 제조업체 및 연구 기관이 있다. 전체 회사는 비교적 업력이 짧고 평균 업력은 3.2세이다. 첫 번째 특허는 2000년에서 2001년 사이에 제기되었지만, 대부분의 활동은 2012년 이후에 시작되었다. 따라서 소수의 특허만이 지금까지 허가되었다. 초기 개발의 대부분은 캔자스 주립대학, 홍콩 대학교, Strathclyde University & Tyndall Institute(mLED, InfiniLED 및 기타 여러 기업을 포함하여)와 같은 다양한 연구 기관에서 진행되었으며 Sony, Sharp, MIT 및 기타 업체를 포함한다. X-Celeprint, 일리노이 대학교(University of Illinois), Luxvue와 같은 신생 기업, 나중에 합류하는 Playnitride 및 Mikro Mesa 등도 있다.
Yole Developpement의 분석은 아직 MicroLED 디스플레이 분야에서 신생 벤처기업들이 많음을 보여준다. 또한 본 연구는 디스플레이 기술과 관련이 없는 Intel 및 Goertek과 같은 많은 회사의 노력을 확인했다. 한편, 화웨이(Huawei)에서 활발히 활동하는 것으로 알려진 여러 회사는 아직 이 분야의 특허를 공개하지 않고 있다. 전반적으로 이 분야는 신생 기업 및 연구 기관에 의해 주도되고 있다. 샤프(Sharp)와 소니(Sony)를 제외한 디스플레이 업체와 LED 업체는 상대적으로 후발 업체이다. 많은 회사들이 애플이 LuxLue를 인수하면서 MicroLED에 대한 믿음을 보여주자 MicroLED 연구개발 활동을 시작했다.
2017년 12월 현재, Apple은 가장 완벽한 IP 포트폴리오를 가지고 있는 것으로 보인다. 거의 모든 핵심기술 노드를 다루고 있다. 그러나 많은 Apple 특허는 회사의 MEMS 전송 기술을 중심으로 개발된 기술 생태계와 관련이 있다.
그림 3. 특허출원 기업 현황
많은 특허에는 디스플레이 개념과 아키텍처에 대한 설명이 포함되어 있다. 그러나 제조 기술 측면에서 볼 때 픽셀 전송 및 조립은 발명 공개 시 논의된 중요한 주제다. 수백만 개의 작은 LED 칩을 값비싸고 시기적절한 방식으로 매우 높은 수율로 정확하게 조립할 수 있는 능력은 오랫동안 MicroLED 디스플레이의 핵심 원동력으로 여겨져왔다.
그림 4. 2017년 기술 노드별 특허 제품군 분석
가능한 솔루션 수십 개가 50개 이상의 조직에서 제공된다. 일부는 진지하게 생각한 것으로 보이며 도전에 대처할 수 있는 신뢰할 수 있는 개발 전략을 모색했다. 그러나 많은 다른 응용프로그램은 아이디어나 개념을 모호하게 설명한다. 논의된 솔루션의 다양성에도 불구하고 MEMS, 엘라스토머 스탬프, 유체 전달, 끈끈한 테이프 등 10개 이하의 주 계열로 조직될 수 있다.
효율성을 향상시키고 전송 및 조립에 적합한 칩을 만들거나 디스플레이 애플리케이션을 위한 방출 빔 패턴을 최적화하기 위해 새로운 구조 및 제조 프로세스가 필요하다. 더 놀라운 것은 결함 관리 및 MicroLED 테스트와 관련하여 응용프로그램의 수가 상대적으로 적다는 것이다. 극단적으로 높은 제조 수율로 인해 결함 픽셀이 남아 있고 결함 관리 전략이 필요하다.
대규모 MicroLED 디스플레이 제조를 가능하게 하려면 3가지 주요 기술과 공급망(LED 제조, 백플레인 제조 및 마이크로 칩 대량 전송 및 조립)이 필요하다. 공급망은 전형적인 디스플레이에 비해 복잡하고 길다. 모든 프로세스가 중요하며 모든 측면을 효과적으로 관리하는 것이 중요하다. 다른 기존의 디스플레이 기술과 비교하여 공급망 전반에 걸쳐 수평을 유지할 가능성이 있는 회사는 없다.
IP 환경은 관련된 다양한 플레이어를 통해 이러한 과제를 반영하지만 요구사항은 애플리케이션마다 다르다. 마이크로 디스플레이와 같은 소량, 고부가가치 애플리케이션의 경우 군대 및 의료 시장을 위한 확대/혼합된 현실에서, 공급망을 효율적으로 관리하는 우수한 기술로 자금력이 좋은 벤처 기업을 구상할 수 있다. 그러나 TV 및 스마트폰과 같은 소비자 애플리케이션은 대규모 제조를 해제하기 위해 상당한 투자가 필요하다.
몇몇 회사만이 모든 주요 기술 노드(전송 칩 구조, 디스플레이 아키텍처 등)를 다루는 광범위한 IP 포트폴리오를 보유하고 있지만, 충분한 플레이어는 많은 기술 블록에 걸쳐 특허를 보유하고 있어 MicroLED 디스플레이가 대량생산에 들어가 시장에 도달하면 복잡한 라이선싱 및 법적 전쟁이 발생할 것으로 예상된다.
다양한 기술 블록에서 강력한 입지를 가진 중소기업은 제조와 관련된 대형 업체로부터 라이선스 비용을 얻으려고 한다. 대기업은 서로를 방어하고 경쟁자가 시장에 진입하는 것을 막을 것이다. 그러한 일에 대비하기 위해 일부 후발 주자는 많은 양의 특허를 출원하는 것으로 나타나고 때로는 거의 실체가 없는 것으로 보인다.
그림 5. 회사 유형별 특허 제품군 분석
다음 그림은 최근 오픈한 한국과학기술정보연구원 ‘ScienceON’의 COMPAS를 활용한 미국 특허 검색 결과 내용의 일부다. 연구개발에 필요한 정보？서비스를 찾는 작업이 편리하다.
그림 6. USPTO Micro LED 특허 검색 자료, KISTI, COMPAS[9]
특허청은 마이크로 LED 기술 관련 특허출원이 급증하고 있다고 발표했다. 최근 10년간 마이크로 LED 기술 관련 출원인별 출원 동향을 살펴보면, 국내 대기업이 33.2%(119건), 외국 기업이 32.4%(116건)를 차지하였으며, 그 뒤를 이어 중소기업이 16.2%(58건), 대학 및 연구기관이 15.4%(55건), 개인이 2.8%(10건)를 차지한 것으로 조사됐다.
그림 7. 국내 마이크로 LED 기술 출원 동향(최근 10년)[10]
3. 마이크로 LED 개발 기술
3.1. 에피 성장 기술[3]
질화물 반도체는 3.4Ev으로 밴드갭이 넓고 화학적으로 매우 안정하여 단단한 반도체 물질 중에 하나이다. 특히 질화물 반도체는 전자친화력이 강하여 광학적 특성은 물론, 전자이동도, 전자포화속도 및 전계 파괴전압 특성이 우수하여 광？전자소자 등 그 응용 분야가 다양하다. 최근 비약적으로 에피 성장 기술이 발달되어왔는데, 그중 가장 보편화된 에피 기술은 MOCVD(Metal Organic Chem-ical Vapor Deposition)를 이용한 사파이어 위에 증착된 이종접합 구조의 GaN 에피 성장 기술이다. 2인치 혹은 4인치 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 에피는 450nm 파장의 청색을 기준으로 10nm 이상의 파장 편차를 가지게 된다. 이러한 파장 편차를 가지는 LED를 조명에 적용할 시에는 큰 문제가 되지 않았지만, 이를 디스플레이에 적용 시에는 사람의 눈이 매우 민감하기 때문에 불량 화소가 될 수 있다. 따라서 디스플레이 화소에 적용되는 마이크로 LED는 ±1~3nm 이내로 파장의 오차범위가 매우 엄격한 에피 성장 기술이 요구된다.
그림 8. 2인치 450nm LED 웨이퍼의 파장 분포 매핑 이미지(좌)와 스펙트럼 이미지(우)
GaN LED 에피는 이종기판인 사파이어나 실리콘에 주로 성장되기 때문에 격자상수 및 열팽창계수의 부정합에서 오는 108에서 109/cm2개의 다양한 점결함(Point Defect) 및 선결함(Dislocation), V-Shape pit 등의 결함이 존재하게 된다. 이러한 결함들은 작게는 수십~수백 나노미터부터 크게는 수~수십 마이크로의 크기를 가진다. 따라서 수십 마이크로미터 크기의 픽셀형 마이크로 LED 디스플레이에서는 이러한 결함들이 불량 픽셀의 원인이 되기 때문에 이것을 최소화하는 것이 매우 중요하다.
그림 9. 질화물 LED 에피의 결함
마이크로 LED 기술의 최대 난관은 비싼 생산가격이다. 마이크로 LED를 적용하여 양산을 시작하기 위해서는 이러한 가격 문제를 반드시 해결해야 한다. 웨이퍼의 크기가 커질수록 웨이퍼 한 장에 제작되는 LED의 개수가 많아져서 칩 가격은 하락할 수 있다. 특히 마이크로 LED는 칩 가격뿐 아니라 칩을 기판으로부터 분리하고 전사하는 공정에서 시간과 비용이 많이 발생하는데, 에피 크기가 증가하면 전사 비용과 횟수를 크게 줄일 수 있어서 8인치 및 12인치가 가능한 실리콘(Si) 기판을 이용한 고품질의 GaN 에피 성장 기술 개발이 필수적이다. 저렴한 대형 실리콘 웨이퍼상에서 GaN을 성장시키는 기술을 이용하면 최신 반도체 제조 기술도 적용이 가능할 뿐만 아니라 현재 이용되고 있는 방식보다 비용 측면에서 75%가량 개선이 가능하다.
그림 10. 8인치 실리콘 기판 및 4인치, 2인치 사파이어 기판 위에 성장된 GaN LED 에피
반면 조명용 LED에서 중요시되었던 효율의 처짐 및 구동전압의 변위는 저전력 영역에서 구동되고, 박막트랜지스터(TFT: Thin Film Transister)를 이용한 보상을 할 수 있는 디스플레이에서는 그 기준이 엄격하지 않게 되었다.
3.2. 칩 개발 기술[3]
조명용 LED보다 면적이 1/100인 마이크로 LED는 기존 LED보다 작게 만드는 칩 제조공정과 이후 개별 칩으로 분리해내는 공정 기술이 매우 중요하다. 이에 대한 기술로 마이크로 LED 칩 내부로 전류를 주입 시 효율을 높일 수 있는 칩 디자인과 좁은 전극 영역으로 전류 주입 효율을 높일 수 있는 오믹 콘택트 및 복잡한 칩 제조공정 중에 에피층으로부터 전극이 필링(Peeling)되지 않도록 하기 위한 접착력 향상 기술이 반드시 필요하다.
GaN LED는 플라즈마를 통한 건식식각을 통하여 n과 p를 분리해내는 메사 공정이 수평형과 플립칩 마이크로 LED에서 필수적이고, 모든 타입의 마이크로 LED 칩은 기판까지 건식식각을 통하여 개별화(Isolation)시키는 과정이 필요하다. 이때 식각으로 인한 데미지가 칩의 효율과 제조공정 중의 결함을 좌우하는 매우 중요한 요소가 되기 때문에 플라즈마 데미지를 회복시키거나 제거하기 위한 기술이 개발되어야 한다. 또한 에피의 대형화가 필수적이어서 기존의 2인치, 4인치 공정에서 6인치, 8인치, 필요에 따라 12인치를 가동할 수 있는 칩 제조공정 라인이 필요하다. 이때 수~수십 마이크로 스케일의 LED 칩 공정이 가능할 수 있도록 기존의 해상도 3μm인 포토 리소그래피 공정에서 해상도 0.5μm인 Stepper를 이용한 MEMS 공정 기술이 적용되어야 한다. 또한 Passivation 및 패키지(PKG) 기술, 기판 분리 및 전사, 접합을 위한 후 공정에서도 미세한 파티클도 큰 결함이 될 수 있기 때문에 100 Class 이하의 클린룸 환경이 요구된다.
그림 11. LED 칩 제조공정의 플라즈마를 이용한 식각 공정 효과
마이크로 LED는 기존의 LED처럼 칩 제작 후에 레이저 스크라이빙 방식으로 칩 개별화(Dicing)를 하게 되면 칩의 손실이 많아지기 때문에 디스플레이에 적용 시 해상도에 따라 호소 간격을 계산하고, 그에 따른 간격으로 칩과 칩 사이를 플라즈마 건식식각을 통하여 기판까지 식각한 후 기판을 분리하는 방법으로 수~수십 마이크로 스케일의 작은 크기와 10μm 이하 두께의 얇은 마이크로 LED 제작이 가능하다. 그림 12처럼 10μmX10μm 크기의 마이크로 LED를 20μm 간격의 초미세 폭의 레이저를 이용하여 절단할 경우에 LED 웨이퍼의 90% 정도가 손실된다. 따라서 칩의 손실을 최소화할 수 있는 기판 분리 공정이 필수적이다.
그림 12. 20μm의 간격을 가지는 10μm 크기의 마이크로 LED 칩 절단(Dicing)
3.3. 전사 기술[3]
기존의 LED는 최소 200μm 이상의 사이즈이기 때문에 다이본딩(Die bonding) 공정을 이용하여 LED를 픽업(Pick up)하고 원하는 위치에 Attach하여 실장하는 것이 가능하였다. 이때 칩을 잡아주는 진공 홀인 Collet 사이즈는 최소 80μm이며 일반적으로 사이즈가 100μm이기 때문에, 크기가 100μm 이하인 마이크로 LED의 경우 기존의 방법대로 LED 칩을 실장하는 것은 어려운 일이다. 또한 4K (3,840X2,160) 디스플레이의 경우 2,490만 개의 마이크로 LED 칩이 실장되어야 하기 때문에 이를 개별 칩 단위로 실장한다면 공정비용과 시간이 기하급수적으로 늘어나 양산이 불가능한 수준이다. 따라서 칩을 웨이퍼 단위나 대면적의 PDMS 등으로 전사(Pick and Place)하는 방법을 여러 연구 그룹에서 제안하고 있다.
전사 기술로는 그림 13과 같이 아주 다양한 방법이 제안되었으나 대표적으로 럭스뷰에서 제안한 Pick up Heads 방법, X-Celeprint, UIUC에서 제안한 탄성 트랜스퍼 프린팅(Elastomer Transfer printing) 방법 및 최근 한국광기술원에서 연구한 결과를 소개하고자 한다.
그림 13. 마이크로 LED의 다양한 Pick and Place 방법
그림 14. 럭스뷰의 Pick up Heads
럭스뷰의 경우 MEMS 기술을 이용하여 실리콘 기반의 헤드 부분에 전극을 증착하여 제작된 Pick up Heads로 그림 15의 과정을 거쳐 임의의 기판에 유테틱 본딩되어 있는 마이크로 LED를 80~ 160도 사이의 온도로 Melting하여 결합력을 약하게 만든 후 전압을 가해 정전기 힘으로 칩을 들어 올린다. 그 후 타깃 기판으로 선택적으로 이송하고 Solder를 리플로우(Reflow)시켜 본딩하는 방식이다.
그림 15. 럭스뷰(LuxVue)의 마이크로 LED 칩 제작 공정 과정
X-Celeprint와 UIUC의 John A. Rogers 그룹에서는 탄성이 있는 PDMS 소재에 패터닝을 한 후 속도 차이로 인한 정기적 접착력(Van Der Waals molecular adhesion) 변화를 이용하여 마이크로 LED를 빠르게 Pick up 후 느린 속도로 타깃 기판에 Attach하는 탄성 트랜스퍼 프린팅 방법을 제안하였다. 이는 포토리소그래피 공정을 통해 Pick-up tool인 PDMS에 패터닝을 하여 선택적으로 전사할 수 있으며, 파티클을 철저하게 관리할 경우 3만 번까지 Pick-up tool 재사용이 가능하고 대면적 전사가 가능하다는 장점이 있으나, 미세한 속도 제어를 통한 수율 향상과 반복성과 양산성을 고려한 연구가 필수적이다.
그림 16. John A. Roger 그룹의 InGaN on Si 기판에 제작된 마이크로 LED array 기술
최근 한국광기술원에서는 환경에 따라 접착력이 변하는 환경가변 스탬프를 이용하여 2인치 사파이어 기판 위의 마이크로 LED와 5cmX5cm의 Si 기판 위의 마이크로 LED 대면적 전사를 100%의 수율로 성공하였다. 그림 17은 2인치 사파이어 위에 제작된 마이크로 LED를 100% 수율로 환경가변 스탬프를 통해 전사된 결과를 보여준다. 본 기술은 수평형, 수직형, 플립칩 등 모든 타입의 마이크로 LED 전사에 적용 가능하고, 정전기보다 더 강력한 접착력으로 요즘 이슈가 되고 있는 미니 LED가 탑재된 미니 PKG까지도 선택적인 대면적 전사가 가능하다. 그림 17은 한국광기술원에서 최근 환경가변 스탬프를 이용하여 대면적 전사에 성공한 결과이다.
그림 17. 환경가변 스탬프를 이용하여 2인치 기판의 마이크로 LED 전사한 이미지
그림 18(a)는 반은 80μm 크기, 반은 100μm 크기의 마이크로 LED가 제작된 5cmX5cm 크기의 대면적 GaN on Si를 보여준다. 그림 18(b)에서는 80μm, 100μm 크기의 마이크로 LED를 각각 환경가변 스탬프를 이용하여 100% 수율을 가지고 전사된 결과를 확인할 수 있다. 그림 18(c)~(e)는 CLO 기판 분리 전, 90% CLO 기판 분리 후, 전사 후의 마이크로 LED의 광학 이미지이며, 그림 19(f)는 마이크로 LED가 전사되고 난 후의 실리콘 기판의 광학 이미지를 보여준다.
그림 18. (a) 전사 전의 대면적 GaN on Si 에피, (b) 전사된 마이크로 LED, (c) CLO 전, (d) CLO 후,
(e) 전사 후의 마이크로 LED의 광학 이미지, (f) 전사 후 마이크로 LED가 사라진 실리콘 기판 이미지.
웨이퍼 전사와 본딩 공정은 두 웨이퍼 및 Carrier 물질 간의 초기 표면 산화막을 제거하고 두 웨이퍼 사이의 불순물을 제거하는 매우 높은 수준의 청정도를 요구한다. 이러한 본딩 공정에서 청정도는 칩의 전기적/기계적 결합 특성에 영향을 미치고, 모듈화 공정 이후 동작 전압 특성을 변화시킬 수 있어 매우 중요하다.
그림 19는 한국기계연구원이 개발한 롤 기반 다중 전사 모식도이다. 2017년 7월 롤 전사 공정을 이용한 마이크로 LED 디스플레이 제조 기술 개발에 성공했다. 롤 기반의 전사 기술로 전력 소모가 적으면서도 기계적인 신뢰성이 높고, 신축성을 갖춘 마이크로 LED 디스플레이를 대량생산할 수 있는 기술이다. 마이크로 LED 디스플레이는 현재 주로 쓰이는 LCD와 OLED 디스플레이보다 발광효율이 3배 이상 우수하며, 유연성, 투명도, 신뢰성 등에서 우월한 특성을 지닌다. 연구팀은 마이크로 LED 디스플레이의 생산 속도를 디스플레이 해상도와 크기에 따라 기존 기술 대비 100배에서 1만 배 수준으로 향상시키는 데 성공했다.
그림 19. 롤 전사 공정을 이용하여 신축성 있는 마이크로 LED 디스플레이를 제작하는 과정을
나타내는 모식도[11]
3.4. 최근 기술 동향
최근, 미국 CA, Moscone 센터에서 개최된 ‘SPIE Photonics West 2019(2019.2.2~7.)’에서 발표된 마이크로 LED 관련 초청 논문들은 다음과 같다[12].
Gallium nitride micro-LED displays (Invited Paper)
Martin D. Dawson, Fraunhofer Ctr. for Applied Photonics, UK (United Kingdom)
갈륨나이트라이드 LED 웨이퍼를 마이크로 스케일로 픽셀화함으로써 견고하고 고해상도이며 매우 밝은 마이크로 디스플레이의 새로운 형태를 만들 수 있다. 이러한 디스플레이에 대한 관심은 가상현실 및 증강현실 광학 시스템을 포함한 애플리케이션에 의해 주도되고 있지만, 직접 디스플레이 또는 프로젝션 디스플레이 애플리케이션 이외에도 과학 계측, UV 직접 기록, 가시광선 통신 및 구조화된 광 이미징, 여기서는 이 새로운 마이크로 디스플레이 기술의 현재 상태와 적용 범위를 검토한다.
GaN monolithic integration for lighting and display (Invited Paper)
Hoi Wai Choi, Wai Yuen Fu, Kwai Hei Li, Yuk Fai Cheung, The Univ. of Hong Kong (Hong Kong, China)
격자 및 열 불일치로 인한 InGaN/GaN 우물의 긴장된 특성은 특히 장파장 파장의 경우, 파장 튜닝의 실행 가능한 방법을 제공한다. 에미터의 크기 축소를 통해 방출 파장은 변형 완화 효과로 인해 파란색으로 시프트될 수 있다. 나노구조화에 의해 MQW에 변형을 유도하여 파장 적색편이를 생성하는 것도 가능하다. 이러한 파장 동조 기술은 디스플레이 애플리케이션용 RGB 픽셀 어레이뿐만 아니라 조명용 모놀리식 광대역 LED의 개발에 활용될 수 있다. 트랜지스터의 LED 웨이퍼로의 모놀리식 통합에 대해서도 논의할 것이다.
Hybrid integration of RGB inorganic LEDs on a single substrate for display applications (Invited Paper)
Dong-Seon Lee, Chang-Mo Kang, Jun-Yeob Lee, Seung-Hyun Mun, Soo-Young Choi, Duk-Jo Kong, Gwangju Institute of Science and Technology (Korea, Republic of)
최근, 무기 LED를 이용한 마이크로 디스플레이에 대한 연구는 고효율 및 초저전력 소모 등 많은 장점이 있기 때문에 주목을 받고 있다. 그러나 고해상도의 무기 LED를 채용한 풀컬러 디스플레이를 구현하는 것은 여전히 어려운 일이다. 이 연구에서는 금속유기화학기상증착(MOCVD) 및 접착 본딩 기술을 사용하여 단일 성장 기판에 적색, 녹색 및 청색(RGB) 무기 LED를 모두 통합했다. RGB LED의 하이브리드 통합을 통해 넓은 색 공간(BT.2020 색 공간의 80%)을 커버하는 성공적인 풀컬러 발광을 실현할 수 있었다.
Advanced solutions for high-performance GaN MicroLED displays (Invited Paper)
Francois Templier, Jeannet Bernard, Stephane Caplet, Alexis Bedoin, Helge Haas, CEA-LETI (France)
시계에서부터 넓은 지역의 TV에 이르는 다이렉트 뷰 어플리케이션을 위한 고성능 마이크로 LED 디스플레이 제작에 대한 주요 문제점을 검토한다.
첫 번째는 장치 크기가 줄어들면 성능이 저하된다는 점을 고려하여 고성능 컬러 마이크로 LED를 제작할 수 있어야 한다. 두 번째 및 주된 것은 대면적 TFT 백플레인상의 마이크로 LED의 전송 프로세스이다. LETI에서 개발된 마이크로튜브 기술이 두 부분 간의 기계적 및 전기적 연결을 한 단계에서 보장할 수 있는 방법을 보여준다.
Growth of monolithic full-color light-emitting diode and its applications (Invited Paper)
J. C. Chen, Milton Yeh, Hussein El-Ghoroury, Yoshitake Nakajima, Ostendo Technologies, Inc. (United States)
새로운 GaN 기반 다중양자우물구조를 기반으로 한 풀컬러 LED를 MOCVD로 성장시켰다.
이 구조는 3개의 기본 광을 방출하도록 설계된 3세트의 양자우물로 구성된다. 적절히 설계된 양자우물 및 중간 캐리어 차단층(ICBL)을 사용하여, 이 장치는 상이한 입력 전류를 조정함으로써 독립적으로 서로 다른 가시광선(450~650nm의 파장)을 방출할 수 있다. 이 장치는 일반 조명 및 디스플레이 기술에 사용할 수 있다. 이 디자인의 독창성을 바탕으로 현재의 마이크로 LED 디스플레이의 제조 복잡성을 크게 줄일 수 있다. 또한 이 풀컬러 LED를 사용하여 인쇄 또는 디스플레이 페인팅과 같은 새로운 제조 기술이 가능해질 수 있다.
4. 시장 전망
4.1. 시장규모 추정[7]
마이크로 LED 시장은 2017년부터 형성되기 시작하였으며, 연평균 70% 수준의 성장을 통해 2025년 45억~200억 달러의 시장 형성이 전망된다.
낙관적 전망으로 MarketandMarkets는 2017년 시장규모를 2억 5,000만 달러로 추정하였으며, 2025년 199억 2,000만 달러까지 확대될 것으로 예상했다.
보수적 전망으로 야노경제연구소는 2017년 시장규모를 7,000만 달러로 추정하였으며, 2025년 45억 8,000만 달러까지 확대될 것으로 예상했다.
수량 기준 전망으로 Yole Development는 중소형 마이크로 디스플레이를 중심으로 2025년 약 3억 3,000만 대의 마이크로 LED 장착 디바이스 보급을 예상했다.
그림 20. 마이크로 LED 시장 성장 전망(금액 및 수량)[7]
표 3. 수량 기준 마이크로 LED 디스플레이 세부 시장별 전망(100만 대)[7]
구분 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 CAGR
마이크로 스마트워치 6.1 18.8 21.4 24.1 25.8 26.7 27.6 28.6%
HMD(VR/AR) 0.1 0.4 1.3 3.5 8.0 17.4 180.6%
HUD(자동차) 0.2 0.6 1.4 3.0 146.6%
중소형 스마트폰/태블릿 27.9 79.1 204.8 255.0 256.1 74.1%
노트북/모니터 5.6 11.2 16.9 19.3 51.1%
대형(TV, 디지털 사이니지, Video Wall 등) 0.3 1.4 2.9 4.4 5.9 110.6%
계 6.1 18.9 50.1 111.7 248.7 312.4 329.3 94.4%
마이크로 LED 시장 성장에 따라 MOCVD, 웨이퍼 가공 장비, 전사 장비 등의 수요도 함께 창출될 것으로 예상되며, 장비시장은 2021년경에 본격 형성되어, 도입기의 특성상 응용 분야별 전용장비시장이 형성될 것으로 전망된다.
주요 전자소자시장 대비 장비시장 규모 자료를 활용, 마이크로 LED장비시장 규모를 추정하면 2025년 11억 5,000만~59억 8,000만 달러로 예상된다.
그림 21. 2018~2025년 마이크로 LED 장비 시장 규모 추정(억 달러)[7]
4.2. 마이크로 LED 관련 기업
표 4. 마이크로 LED 디스플레이 개발 기업[13]
업체 내용
Apple
세계 최대의 기업 중 하나인 Apple은 소비자 전자제품 및 컴퓨터 소프트웨어를 개발하며, 광범위한 차세대 기술을 개발하고 있음.
2014년에 Apple은 마이크로 LED 기반 디스플레이를 개발한 신생 회사 LuxVue Technology를 인수함.
Apple은 계속해서 마이크로 LED 기술을 개발하고, 대만 Taoyuan에 연구 및 생산 시설을 설립함.
2017년 Apple은 연말까지 마이크로 LED 소자의 소량생산을 시작할 계획이며, 2018년부터 대량생산(사내 또는 생산 파트너에서보다 의미가 있음)함.
Apple의 첫 번째 목표는 스마트시계 장치에 마이크로 LED 디스플레이를 채택하는 것임.
AU Optronics
대만 AUO(AU Optronics)는 Acer Display와 Unipac Optoelectronics의 합병으로 2001년에 설립.
2006년 말에 AUO는 Quanta Display와 합병. AUO는 세계 3위의 TFT-LCD 제조업체이며, 낮은 볼륨으로 OLED 디스플레이를 생산함.
AUO는 능동적인 마이크로 LED R&D 프로젝트를 갖고 있으며, 2018년 12.1인치에서 세계 최대 TFT 구동 풀컬러 Micro-LED 디스플레이 프로토타입이라고 주장한 것을 시연함.
eLux
미국 eLux Inc.는 독점적인 확장 가능한 "유동성" 조립 공정을 사용하여 마이크로 LED 디스플레이를 개발하려는 목적으로 2016년 설립.
2017년 Foxconn(자회사 CyberNet Venture Capital을 통해)은 eLux에 1,000만 달러를 투자, 2018년 Foxconn은 eLux를 인수함.
JBD
중국 2015년 상하이에 설립, JBD는 독점적인 하이브리드 모놀리식 통합 기술을 기반으로 근시 및 이미지 프로젝션 애플리케이션을 위한 마이크로 LED 기반 MicroDisplay를 개발.
JBD는 Jade Bird Group으로부터 1,000만 달러를 투자 유치함.
2017년 7월 Si IC에 5,000PPI 액티브 매트릭스 III-V 마이크로 LED 어레이를 시연. 목표는 미래의 마이크로 LED 어레이에서 10,000PPI에 도달하는 것임.
JBD는 현재 VGA(640x480) 단색(적색, 녹색 및 청색) 마이크로 LED 마이크로 디스플레이를 제공함.
LG Display
한국 LG디스플레이는 세계 최대 디스플레이 메이커, LGD는 TV, 랩톱 및 모바일 장치용 스크린을 생산함.
LG디스플레이의 최첨단 TV 기술은 WRGB OLED이지만 2018년에 마이크로 LED TV 기술을 개발 중이라고 발표.
Lumens
한국 루멘스는 LED 패키지, 고효율 조명, 디스플레이 관련 제품 등 차세대 LED 기술을 개발하는 전문 LED 회사.
루멘스(Lumens)는 고화질 자동차 헤드 업 마이크로 LED 디스플레이를 개발 중이며, 2017년 말까지 최초로 그러한 디스플레이를 출시할 계획.
루멘스는 한국기계연구원과 공동으로 마이크로 LED 생산 기술을 개발.
2019년 초에 루멘스(Lumens)는 FHD 녹색 마이크로 LED 마이크로 디스플레이를 시연함.
Lumiode
미국 Lumiode는 Columbia Technology Ventures의 지원으로 2012년 9월에 설립.
Lumiode는 헤드 장착형 디스플레이 애플리케이션에 중점을 두고 마이크로 LED 디스플레이 기술을 개발.
Mikro Mesa
대만 Mikro Mesa는 2014년 설립된 신생 업체로 마이크로 LED 기술을 개발 중.
Mikro Mesa는 저밀도(50PPI 이하) 대면적(50인치 이상) 디스플레이에 중점을 둠.
Oculus
Facebook이 소유한 Oculus는 가상현실 헤드셋 및 솔루션을 개발 및 판매.
Oculus는 현재 자사의 VR 헤드셋에 OLED 디스플레이(삼성 디스플레이에서 생산)를 사용.
2016년 10월 Oculus는 아일랜드에 본사를 둔 마이크로 LED 디스플레이 개발사인 InfiniLED를 인수한다고 발표함.
InfiniLED의 디스플레이 솔루션에 대한 Oculus 계획은 밝혀지지 않았지만, Oculus는 차세대 VR 디스플레이에 관심을 보임.
PlayNitride
대만 PlayNitride는 2014년 6월에 Nitride 관련 소재 및 응용 분야를 연구 및 개발하기 위해 설립.
팹리스 회사는 현재 PixelLED 디스플레이와 같은 기술을 브랜딩하는 GaN 기반 마이크로 LED에 주력.
PlayNitride는 대량 전송 프로세스와 SMAR.Tech 픽셀 복구 기술의 두 가지 주요 기술을 보유.
PlayNitride는 2017년 말에 마이크로 LED를 시작, 2019년에는 처음으로 시장에 출시될 것으로 예상. 회사는 1,500PPI의 픽셀 밀도에 도달 가능.
2017년 4월 삼성디스플레이가 PlayNitride를 인수할 예정이지만 아직 공식적으로 보도되지는 않음.
2018년 5월 PlayNitride는 Hsinchu Science Park에 NT $ 5억(US $ 1,700만)의 생산 시설을 설립할 계획으로, 첫 번째 마이크로 LED 프로토타입을 시연.
Plessey Semiconductor
영국 Plessey는 디스플레이, 센서 및 조명을 포함한 다양한 어플리케이션을 위한 GaN-on-Silicon LED에 중점을 둔 설계 및 제조 회사.
Plessey는 픽앤드플레이스(pick-and-place) 단계 없이 마이크로 LED 디스플레이를 생산하는 데 사용할 수 있는 독창적인 모놀리식 마이크로 LED 공정 기술을 개발.
회사는 라이선싱을 위한 자사의 기술을 제공하고 H1 2018에 의해 자체 모놀리식 Quanta-Brite 마이크로 LED 기반 디스플레이를 출시할 계획.
Plessey는 2세대의 마이크로 LED 디스플레이를 개발.
1세대 Quanta-Brite는 LCoS 또는 DMR 디스플레이이며, 마이크로 LED의 어레이에 의해 조명.
Plessey는 현재 대형 LED 조명 디스플레이에 비해 보다 효율적이고 균일한 디스플레이를 제공.
2세대 Quanta-Ray는 실제 직접 방출 마이크로 LED 기반 마이크로 디스플레이임.
PRP Optoelectronics
영국PRP Optoelectronics는 1989년에 LED 디스플레이 솔루션을 제공하기 위해 설립.
PRP는 다양한 LED 조명 엔진 및 디스플레이 어플리케이션을 위한 완벽한 자체 설계, 개발 및 제조 기능을 제공.
PRP는 표준 및 맞춤형 디스플레이인 자체 모놀리식 마이크로 LED 마이크로 디스플레이를 생산.
Rohinni
2013년에 설립된 미국 Rohinni는 조명 및 디스플레이용 마이크로 LED 기술에 중점.
Rohinni는 LED를 선택하고 배치할 수 있는 로봇인 Lumus 및 Lumos를 기반으로 하는 PiXey 프로세스를 포함하여 마이크로 LED의 고속 정밀 배치를 가능하게 하는 여러 가지 Micro-LED 기술을 개발.
Rohinni가 목표로 하는 첫 번째 애플리케이션 중 하나는 키보드 백라이팅이지만, 마이크로 LED 디스플레이에도 관심.
2018년 8월 Rohinni는 미니 LED 및 마이크로 LED 조명장치를 자동차시장에 선보이는 Magna Electronics와 JV를 발표.
Sony
일본 Sony는 세계 유수의 가전제품 회사 중 하나. Sony는 수년 동안 디스플레이 산업의 선구자.
2012년 소니는 Crystal-LED라고 불리는 최초의 마이크로 LED TV(55인치, Full-HD)를 시연.
소니의 55인치 Crystal-LED는 결코 시장에 출시되지 못했지만, 2016년에는 Sony가 Canvas Display 또는 CLEDIS라고 부르는 대용량 실외 마이크로 LED 디스플레이 발표.
CLEDIS 디스플레이는 모듈러 타일(각 403x453mm, 해상도 320x360)을 기반으로, 픽셀 피치는 1.2mm이고 발광 면적은 1%로 매우 높은 명암비를 가능하게 함. CLEDIS 디스플레이의 피크 휘도는 1,000니트. ISE 2018에서 2개의 대형 CLEDIS 디스플레이를 시연.
중국 Visionox는 OLED 디스플레이 및 조명 패널을 개발 및 제조하기 위한 목적으로 청화대와 다른 투자자들이 2001년에 설립.
Visionox는 PMOLED 및 AMOLED 디스플레이를 생산.
2018년 5월 Visionox는 최초의 Micro-LED 디스플레이를 시연.
VueReal
캐나다 VueReal은 마이크로 LED 기반 마이크로 디스플레이를 개발하는 신생 기업.
이 회사의 Continuous Pixelation 기술은 고밀도 디스플레이, 높은 생산수율 및 단순한 디자인을 제공.
2017년 VueReal은 6,000PPI의 방사형 디스플레이를 위한 세계 최고 밀도를 달성하는 4K 마이크로 LED 마이크로 디스플레이를 시연.
2018년에 VueReal은 시리즈 A 기금 모금에서 1,050만 달러 투자 유치.
표 5. LED 개발 기업[14]
기업 내용
Aledia
2011년에 설립된 프랑스 Aledia는 CMOS 웨이퍼 제조공정 및 툴을 사용하여 200mm 실리콘 웨이퍼에서 3D GaN LED를 성장시키는 기술을 개발.
Aledia는 기존의 평면형 LED 칩에 비해 LED 칩이 25% 저렴하며, 마이크로 LED디스플레이에 이 LED를 사용.
Aledia는 2013년과 2015년에 두 차례 파이낸싱 라운드에서 4,000만 달러 이상, 2018년에는 라운드 C 파이낸싱 라운드에서 3,600만 달러 투자 유치.
Changelight
2006년에 설립된 Changelight는 옥외 용도의 LED 장치 제조업체.
2018년에 Changelight가 미니 LED와 마이크로 LED를 개발. 마이크로 LED 디스플레이의 경우, Changelight는 칩 및 물질전달 기술에 중점을 둠.
Epileds Technologies
대만 Epileds Technologies는 2006년 타이난 사이언스 파크에서 설립.
Epileds는 청색, 녹색, 적색 및 백색 LED 웨이퍼 및 칩을 개발, 설계 및 생산.
2018년 초 Epileds사는 마이크로 LED 및 미니 LED 개발을 위한 R&D 프로젝트 착수 발표.
2018년5월, Foxconn은 마이크로 LED 프로젝트에 특별한 관심을 가지고 Epileds 지분을 인수함.
Epistar
대만 Epistar Corp은 1996년에 설립, 세계 최대의 LED 생산업체.
일반 조명 및 가전제품용 고휘도 LED 장치 전문 업체.
Epistar는 마이크로 LED 칩을 개발하고 있지만 아직 제품이나 시장의 출시를 발표하지 않음.
Epistar는 대형 디스플레이에 사용하기 위해 100-micron LEDs(in 2017)를 생산할 가능성이 높음.
Glo
룬드 대학(Lund University)에서 수행한 연구를 기반으로 2010년 미국에서(스웨덴에서도 운영) 설립, Glo는 디스플레이 애플리케이션용 GaN 나노와이어 기반 마이크로 LED를 개발.
Glo는 자사의 Nanowire가 무기재료 시스템의 신뢰성으로 적색, 녹색 및 청색 마이크로 LED를 가능하게 한다고 발표.
Glo는 소형 착용식 디스플레이부터 TV 패널 및 대면적 디스플레이에 이르기까지 전체 디스플레이 시장을 겨냥하고 있으며, CMOS 및 LTPS 백플레인에서 마이크로 LED를 적용.
Glo는 팹리스 사업으로, 세계 최대의 LED 제조업체와 마이크로 LED 칩을 생산하는 제조 계약을 맺고 있으며, 세계 최대 디스플레이 제조사와 실제 마이크로 패널을 생산하기로 계약.
2019년 초 Glo는 최초의 프로토타입을 공개.
HC Semitek
중국 HC SemiTek Corporation은 2005년 Wuhanm China에 설립.
풀컬러 초고휘도 LED 에피택셜 제품 및 칩에 초점을 맞춘 LED 공급업체.
HC SemiTek은 2018년 마이크로 LED 칩을 개발하기 위한 새로운 프로젝트를 착수 발표.
Lextar
2008년 대만에서 설립된 AU Optronics의 자회사인 Lextar Electronics Corporation은 선도적인 LED 개발 기업.
Lextar는 LED 칩, LCD 백라이트, 자동차용 LED, 조명등 및 기타 조명 솔루션을 생산.
2018년 Lextar는 대량 전송 프로세스에 적합한 RGB 및 색 변환 소자인 첫 번째 마이크로 LED 칩을 출시.
Micro Nitride
일본 Micro Nitride는 2018년에 Nitride Semiconductors의 자회사로 설립되어 Micro-LED 디스플레이용 마이크로 UV LED 칩을 개발.
μUV-LED + RGB인 광체라 불리는 Micro Nitride의 기술은 UV 마이크로 LED와 RGB인 광체를 사용.
Nichia
일본 Nichia Corporation은 LED, 레이저 다이오드, 배터리 소재 등을 생산하는 화학공학 및 제조업계의 선도기업.
Nichia는 마이크로 LED 칩, 전송 기술 및 관련 장비를 개발.
San'an Optoelectronics
중국 산안 옵토 일렉트로닉스(San'an Optoelectronics)는 LED 에피택셜 웨이퍼 및 칩 생산업체.
산안은 중국에서 총 생산량의 약 58%인 에피택셜 웨이퍼와 연간 3,000억 개의 LED 칩을 생산.
2018년 산안은 삼성의 마이크로 LED 디스플레이용 LED 칩을 공동개발 및 공급하기 위해 삼성과 장기 계약을 체결.
Seoul Semiconductor
한국 서울반도체는 2000년 설립. 자동차, 일반 조명, 특수 조명 및 백라이트 시장용 LED를 개발 및 상용화.
세계 2위의 LED 제조업체(Captive Market 제외). 1만 2,000개가 넘는 특허를 보유.
2019년 1월 서울반도체는 차세대 디스플레이를 위한 혁신적인 마이크로 LED 제품을 곧 선보일 것이라고 발표.
Seren Photonics
영국의 Seren Photonics는 반극성 및 비극성 질화갈륨 템플릿 제조업체.
마이크로 LED 시장에서 Seren은 보다 높은 효율과 더 많은 색상의 녹색, 황색 및 적색 장치를 안정적으로 제공할 수 있는 새로운 반극성 GaN에 장파장 LED 에피택시를 개발.
Seren은 자사의 SemiPolar LED가 극성 GaN에서 제조된 녹색 LED의 단점을 극복했으며, 주로 낮은 벽면 플러그 효율과 다양한 전류밀도에서 열악한 불량 파장 안정성을 극복함.
표 6. 마이크로 LED 장비 제조업체[15]
기업 내용
3D-Micromac
독일 3D-Micromac은 레이저마이크로 머신을 개발 및 생산.
3D-Micromac 시스템은 광전지, 반도체, 유리 및 디스플레이 산업을 포함하여 전 세계 많은 산업 분야 구현.
마이크로 LED 생산을 위해 3D-Micromac은 웨이퍼 및 패널 기판용 레이저 리프트오프 장비를 제공.
AMEC
중국 AMEC(Advanced Micro-Fabrication Equipment)는 글로벌 반도체 미세가공 장비 회사.
AMEC는 화학기상증착 및 플라즈마 에칭 제품에 초점을 맞추어 마이크로 크기 및 나노 크기의 VLSI를 개발하고 생산하는 데 사용되는 장비 전문 업체.
AMEC는 2018년 난창(Nanchang)에 R&D 및 생산설비를 설치한다고 발표. 이 장치는 전력장치, 자외선장치 및 마이크로 LED에 MOCVD 기술을 적용할 예정.
Aixtron
독일 Aixtron AG는 반도체 산업에 증착 장비를 공급하는 업체.
이 회사의 기술 솔루션은 화합물, 실리콘 또는 유기반도체 재료를 기반으로 한 전자 및 광전자 응용 분야의 고급 부품을 제조하기 위해 전 세계 다양한 고객 확보.
Aixtron의 AIX G5+는 마이크로 LED 생성에 사용되는 MOCVD 시스템으로, 웨이퍼상의 균일성 제어, 낮은 입자 수준 및 까다로운 마이크로 LED 요구사항을 위한 독보적인 고급 기능을 제공.
Aixtron은 프랑크푸르트 증권거래소 및 NASDAQ 증권거래소(AIXG)에 상장됨.
ALLOS Semiconductors
ALLOS Semiconductors는 GaN-on-Si 기술에 중점을 둔 IP 라이선싱 및 기술 회사.
마이크로 LED 시장을 위해 ALLOS는 단 12주 만에 최고 균일한 CMOS 호환 대형(200mm) 에피 웨이퍼 프로세스를 구축하기 위한 턴키 기술이전을 제공.
2017년 11월 ALLOS와 Veeco는 마이크로 LED 생산을 위해 200mm GaN-on-Si 웨이퍼를 시연.
BluGlass
호주 BluGlass는 2005년에 고효율 장치 제조를 위한 반도체 공정 및 장비를 상업화하기 위해 설립.
BluGlass의 독점적인 원격 플라즈마 화학기상증착(RPCVD)은 비용 효율적으로 LED 및 전력전자장치를 생산하는 데 사용.
2018년에 BluGlass는 마이크로 LED 생산을 위한 RPCVD 프로세스의 사용을 조사하기 위해 "잘 투자된 마이크로 LED 회사"와 협력 계약을 체결.
BluGlass는 호주 증권거래소(ASX: BLG)에서 상장됨.
Coherent
Coherent(NASDAQ: COHR)는 상업 및 과학 시장에 레이저 기반 솔루션을 제조 및 개발.
마이크로 LED 산업의 경우 Coherent는 사파이어 웨이퍼에서 마이크로 LED를 분리하는 데 사용되는 레이저 리프트오프 장비(LLO)와 마이크로파 LED를 사파이어 웨이퍼에서 마이크로파 LED로부터 기질로 이동시키는 데 사용되는 레이저 유도 전하 전송(LIFT) 기증자.
Coherent는 또한 ELA(Excimer Laser Annealing) 도구(LTPS 백플레인 제작에 사용됨).
Coherent의 레이저 툴은 마이크로 LED를 수리하고 LED 어레이를 절단하는 데 사용.
Gallant Precision Machining
대만 Gallant Precision Machining(GPM)은 1978년 반도체 장비용 몰드 부품 및 부품 제조업체로 설립, 제조 장비 및 공정 및 자동화 장비를 생산.
GPM은 디스플레이, 태양광, PCB, 생물의학, 로봇 및 스마트자동화 산업에 장비를 공급.
2018년에 GPM은 LED 픽앤드트랜스퍼 장비, 세척 장비 및 테스트 장비를 포함한 마이크로 LED 장비를 개발.
Oxford Instruments Plasma Technology
Oxford Instruments Plasma Technology(OIPT)는 Oxford Instruments 그룹의 일부로서, 회사의 플라즈마, 이온빔, 식각 및 원자층 증착(ALD) 기술을 기반으로 마이크로 및 나노 제작을 위한 드라이 에칭 및 증착 솔루션을 제공.
OIPT는 캐나다의 ITRI, 대만 및 VueReal과 같은 주요 업체에 솔루션을 공급하는 마이크로 LED 개발에 적극적으로 참여.
이 솔루션은 소형 및 마이크로 LED 제작에 대한 까다로운 요구사항을 해결, 생산량이 많은 생산 공정을 위해 클러스터된 카세트 대 카세트 플랫폼에서부터 R&D를 위한 소형 독립형 시스템에 이르는 다양한 제품 제공.
Uniqarta
미국 소재 Uniqarta는 IC 조립 공정을 개발.
이 회사의 LEAP(Laser Enabled Advanced Placement) 기술은 기존의 픽앤드플레이스(pick-and-place) 조립 방법을 초고속, 대용량 병렬 레이저 기술로 대체.
Uniqarta는 유연한 전자제품에 사용하기 위해 초박형 IC의 통합 문제를 극복할 수 있는 FlexChip을 호출하는 어셈블리 프로세스도 개발.
X-Celeprint
XTRION NV의 전액 출자 자회사인 아일랜드의 X-Celeprint는 미국 Illinois 대학의 John Rogers 교수와 동료들이 개발한 특허받은 μTP(Micro-Transfer-Printing) 기술을 개발 중.
이 회사의 기술은 엘라스토머 도장 전사 인쇄를 기반으로 마이크로 LED 장치를 성장하는 데 사용.
이 회사는 현재 R&D 마이크로 전사 인쇄 툴을 제공하고 있으며 가까운 장래에 양산 툴을 출시할 예정.
표 7. 관련 회사[16]
기업 내용
Macroblock
대만 Macroblock은 LED 디스플레이, 조명장치 및 자동차시장용 IC를 제공.
Macroblock은 마이크로 LED 디스플레이용 드라이버를 개발 중.
2019년 말까지 첫 번째 드라이버 프로토타입을 출시할 계획.
Macroblock은 대만의 ITRI(MicroLED Technology)와 협력.
5. 결언
차세대 디스플레이 마이크로 LED는 4차산업혁명 시대에 요구되는 융복합 산업 전 분야에서 빠르게 확산될 것으로 예측된다. 적용 분야로는 플렉서블 디스플레이, 섬유와 LED가 결합한 스마트섬유, 인체 부착 또는 삽입형 의료기기, 바이오 콘택트렌즈, HMD, 무선통신, 자동차 등의 분야에서 광범위하게 활용할 수 있다.
대형 TV, 스마트폰 제조업체들은 마이크로 LED 관련 기술벤처기업들과 발 빠르게 인수합병을 실행하며 미래 시장을 선점하고자 노력하고 있다. 특히, 애플이 매우 적극적인 행보를 보이고 있어 디스플레이 시장의 참여를 통하여 제조 라인업을 구축하고자 하는 전략인 것 같아 시사하는 바가 크다.
우리는 반도체 제조업 강국이지만 반도체 장비와 재료 분야에서는 거의 수입에 의존하는 현실을 감안할 때 산학연 공동연구를 통한 마이크로 LED 기술혁신을 통한 기술 선점이 최우선 과제이지만 제조공정에 필요한 장비산업(제조 장비, 테스트 장비, 연구 장비, 관리시스템 등)의 국가적 투자와 산업계의 적극적인 참여가 기대된다.
한국기계연구원의 ‘롤 전사 방식의 마이크로 LED 제조 장비 개발 보급’, 루멘스, 플렉스컴으로 기술이전은 국내 중소기업들의 차세대 디스플레이 산업의 재도약을 위한 견인차 역할을 할 것으로 판단된다.
특히, 이 기술에 관심을 갖고 방문 상담한 싱가포르 반도체 장비 기업 쿨리케앤드소파(Kulicke &Soffa)사와 대만 마이크로 LED 솔루션사인 플레이나이트라이드(PlayNitride)의 기술력을 인정한 국가 R&D 개발의 기술혁신 사례로 지속적인 지원이 필요하다.
4차산업혁명 시대의 융합산업으로 마이크로 LED 일괄생산 턴키 베이스 통합시스템 모델을 산학연 공동으로 추진, 수출 전략 산업화할 필요를 느낀다. 최근, 국내 벤처기업 프로닉스(KAIST 이건재 교수)의 마이크로 LED 사업 진출은 기술력을 바탕으로 한 시장 선점의 기회로 보인다.
끝으로, 국내 산학연 융합연구 과제로 ‘마이크로 LED 기술’을 응용한 농축산업의 해결 난제인 ‘구제역, 조류독감 등의 검사, 예방, 치료와 확산을 차단할 수 있는 통합시스템’을 IT, BT, NT, ET, 수의학 분야에서 공동협업연구로 시작하는 것은 어떨까 하는 바람은 나만의 상상일까?
References
1. 정탁, 무기물 GaN 기반의 마이크로 LED 기술동향, 인포메이션 디스플레이, 제17권 1호, pp 1, 2016.
2. 나카무라 슈지, 분노의 돌파구, 전파과학사, 2018.
3. 김자연, 사기동, 마이크로 LED 핵심 기술과 응용, 인포메이션 디스플레이, 제19권 1호, pp 1~8, 2018.
4. https://ko.wikipedia.org/wiki/마이크로LED.
5. 미래에셋대우 리서치센터, '17.3.7.
6. ledinside.com, 2016.7.21.
7. 곽기호, 김재현, 차세대 디스플레이 마이크로 LED 기술의 부상과 시사점, 기계기술정책 No 92. 2018.9.
8. https://www.i-micronews.com/report/product/microled-displays-intellectual-property-landscape.html
9. https://compas.kisti.re.kr/compas/wsp/analysis/pop_view.jsp
10. 특허청 보도자료(2018.3.20.).
11. https://www.kimm.re.kr/pr_kimm_news/articles/view/tableid/news/page/2/id/997
12. https://spie.org/PWO/conferencedetails/gallium-nitride-materials-and-devices#session-12
13. https://www.microled-info.com/companies-list/micro-led-display-developers
14. https://www.microled-info.com/companies-list/led-developers
15. https://www.microled-info.com/companies-list/micro-led-equipment-makers
16. https://www.microled-info.com/companies/microled-related-companies
김영덕 Ph.D, ydkim@wsu.ac.kr
한국산업기술진흥협회 ReSEAT 프로그램 전문위원
Key words
Micro LED, OLED, LCD, GaN, Transfer
마이크로 발광다이오드, 유기발광다이오드, 액정표시장치, 질화갈륨, 전사공정
1. 서언
1962년 최초의 가시광선 LED(light-emitting diode)가 개발된 이래, 1990년대 초 InGaAIP를 이용한 고휘도 LED가 개발되었고[1], 니치아(Nichia) 연구원이었던 나카무라(Nakamura: 2014년 노벨 물리학상 수상)가 1993년 12월 실용 제품화되는 청색 LED를 발명하였다. 나카무라는 원플로우 MOCVD 로 연구하는 동안 수많은 실패를 거듭하며 MOCVD 장비를 개조하여 투플로우 MOCVD를 개발해 GaN(질화갈륨)화합물 반도체를 사용한 세계 최초의 브레이크스루(기술혁신)를 이루었다. 이 발명으로 백색 LED 조명 개발의 열쇠가 되어 비약적인 발전으로 다양한 분야에 응용되고 있다[2]. 2000년대에 들어서면서 LED는 이제 인간 생활 속에 깊이 자리 잡기 시작하였고 최근에는 휴대폰의 액정 표시 소자, 옥외용 대형 디스플레이 전광판, 교통신호등, 자동차 부품, TV를 중심으로 한 가전제품, 일반 가정이나 사무실에서 사용되는 조명 영역 등 모든 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다[1].
특히 2005년 이후 전광 효율이 급격히 증가하면서부터 디스플레이 산업의 LCD 백라이트 유닛으로서 거대 규모의 시장이 형성되었고, 조명 산업에서는 에너지절약에 대한 우수성을 입증하고 가격 하락이 가속화되면서 향후 2030년까지 LED 조명의 보급과 발전이 꾸준히 증가할 것으로 예측된다. 그러나 현재, 국내 LED 산업은 중국 등과 같은 후발 주자들의 범국가적인 투자와 산업육성 정책에 의해 글로벌 시장경쟁이 심화되면서 국내 기업들의 가격경쟁력은 한계에 봉착하였고, 정부 차원의 투자 지원마저 위축된 상황에 이르고 있다. 이러한 어려운 상황을 돌파할 수 있는 신시장 창출을 위해 차세대 디스플레이, 의료/바이오, 통신, 자율주행기기, 섬유, 농수산 분야 융복합기술 개발이 요구되고 있다.
최근, LED의 크기 조절의 자유도, 유연한 특성, 선택적인 발광 파장의 효과를 응용한 수많은 연구논문이 발표되고 있다. 조명용으로 쓰이는 LED는 크기가 주로 1,000μm×1,000μm이다. 이러한 LED의 면적을 1/100 이하로 줄이면 머리카락 두께 정도인 100μm×100μm 크기가 되는데, 이러한 LED를 마이크로 LED라 한다. 이러한 마이크로 LED는 스트레처블 기판 및 유연기판, 3차원 구조의 기판에 실장할 수 있게 되어 웨어러블 디스플레이, 피부 부착형 의료기기, 반도체 장비, 자율주행센서 및 빅데이터 서비스용 광원 등과 같은 다양한 분야에 적용할 수 있다[3].
본고에서는 이러한 마이크로 LED에 대한 이해와 기술개발 동향 및 시장 전망에 대하여 고찰해보고자 한다.
2. 마이크로 LED란?
2.1. 마이크로 LED특징
마이크로 LED(MicroLED, micro-LED, mLED, μLED)는 새로 출현하는 평판디스플레이 기술이다. 이름에서 알 수 있듯이 마이크로 LED 디스플레이는 개개의 화소 요소를 이루는 미시 세계 LED 배열로 구성되어 있다. 보편화된 LCD 기술과 비교할 때 마이크로 LED 디스플레이는 더 나은 대비, 응답시간, 에너지효율성을 제공한다.
OLED와 함께 마이크로 LED는 스마트워치, 스마트폰과 같이 크기가 작고 에너지가 적은 장치에 주목적을 둔다. OLED와 마이크로 LED는 전통적인 LCD 시스템에 비해 에너지 요구량이 상당히 더 적은 편이다. OLED와 달리 마이크로 LED는 전통적인 GaN LED 기술에 기반을 두고 있어서 OLED가 내는 총 광량 대비 30배 이상 더 밝은 밝기를 제공할 뿐 아니라 lux/W 면에서도 효율성이 더 좋다. 또, OLED의 짧은 수명으로 인한 문제가 없다[4].
표 1. Micro LED 주요 특징[5]
Micro LED OLED LCD
메커니즘 자체발광 자체발광 Backlight(LED)
시감도 높음 낮음 보통
휘도(cd/m2)
~105(full color)
~107(blue/green)
1500(full color) ~
103(yellow)
3000(full color) ~
104(green)
명암비 매우 높음 >10,000:1 매우 높음 >10,000:1 200:1
응답시간 nanosecond(ns)
microsecond(μs)
milisecond(ms)
관리온도 -100~120℃ -50~70℃ 0~60℃ 히터 필요
내충격성 보통 높음 보통
수명 길다 보통 보통
비용 높음 낮음 낮음
자료: 미래에셋대우 리서치센터, 2017.3.7.
표 2. Micro LED 개발 관련 주요 연혁[6]
일시 내용
'09. 05. - LuxVue Technology 설립. 본사는 미국 캘리포니아 주 산타클라라 소재
'10. 07. - University of Strathclyde, Micro-LED mLED, 전문 기업 설립 분사
'11. 12. - Texas Tech University, CMOS Micro-LED, VGA(640×480) 디스플레이 제작
'12. 01. - Sony 55 Crystal LED 디스플레이 공개. 622만 개의 Micro-LED를 사용하는 FHD TV
'13. 07. - University of Illinois John Rogers교수 X-celeprint사 설립, 전사율을 갖춘 풀컬러 수동(passive) 모듈 완성
- 동 사에 Micro-LED(wafer transfer) 웨이퍼 전사 특허 관련 배타적 권리 이전
'14. 05. - Apple, LuxVue Technology 인수 발표
'15. 04. - Apple, Longtan, Taoyuan, Micro LED 대만 북부에 새로운 공장을 설립하여 비밀리에 첨단기술 개발
- VerLase, Micro-LED 어레이와 색 변환 특허를 통합할 수 있다고 발표
'15. 06. - CEA-LETI, 100만 니트 휘도(brightness) 단색 LED, 10만 니트 휘도의 풀컬러 Micro LED 개발을 위해 III-V Lab과 협력관계 구축
'15. 10. - ITRI, 400ppi 해상도와 99% 이상의 Micro LED(transfer rate) 전사율을 갖춘 풀컬러 수동(passive) 모듈 완성
'16. 04. - PlayNitride, Taiwan Solid State Lighting Show Pixel LED에서 기술 최초 공개
'16. 06. - Sony, Infocomm 2016 CLEDIS에서 새로운 디스플레이 공개
'17. 05. - Apple, 6인치 마이크로 LED 시제품 개발 성공
'17. 07. - 한국기계연구원, 롤 전사 공정을 이용한 마이크로 LED 디스플레이 제조 기술 개발
'18. 01. - KAIST, 유연하고 수직적인 마이크로 LED 개발
'18. 05. - 세미콘라이트, Micro LED 기반 2D Array 및 RGB CSP 독자적 기술개발 성공
'19. 01. - 삼성전자, CES2019 세계 최소형인 75형 ‘마이크로 LED’ 스크린을 최초로 공개
'19. 01. - 하이센스, CES 2019에서 4K 해상도 마이크로 LED 기반의 '아도니스 MD(모듈러 디스플레이)'를 전시, 145인치 크기
'19. 01. - 루멘스, CES 2019에 130인치대 대형 마이크로 LED 디스플레이를 출품, UHD 해상도를 지원하고, 3000니트(nit)급 초고휘도를 구현
'19. 01. - Plessey, CES 2019에서 소형 마이크로 LED 디스플레이 기술을 활용한 AR？VR 안경 공개
자료: ledinside.com, 2016.7.21., 2017~2019년 신문기사 정리
2.2. 마이크로 LED 제조공정
LED 제조공정(웨이퍼 제조 → 칩 가공 → 패키징 → 모듈 제조 → 응용 시스템 적용), 패키징 공정이 생략되거나, 전사공정(Transfer) 형태로 진행된다.
그림 1. 마이크로 LED 모식도와 제조공정[7]
그림 2. 마이크로 LED 전사공정의 종류[7]
2.3. MicroLED Displays 특허 동향 분석[8]
Yole Developpement는 125개의 회사 및 기관이 제출한 1,500건의 특허를 확인했다. MicroLED 표시 필드와 관련이 있다. 이 중에는 여러 신생 업체, 디스플레이 제조업체, OEM 업체, 반도체 회사, LED 제조업체 및 연구 기관이 있다. 전체 회사는 비교적 업력이 짧고 평균 업력은 3.2세이다. 첫 번째 특허는 2000년에서 2001년 사이에 제기되었지만, 대부분의 활동은 2012년 이후에 시작되었다. 따라서 소수의 특허만이 지금까지 허가되었다. 초기 개발의 대부분은 캔자스 주립대학, 홍콩 대학교, Strathclyde University & Tyndall Institute(mLED, InfiniLED 및 기타 여러 기업을 포함하여)와 같은 다양한 연구 기관에서 진행되었으며 Sony, Sharp, MIT 및 기타 업체를 포함한다. X-Celeprint, 일리노이 대학교(University of Illinois), Luxvue와 같은 신생 기업, 나중에 합류하는 Playnitride 및 Mikro Mesa 등도 있다.
Yole Developpement의 분석은 아직 MicroLED 디스플레이 분야에서 신생 벤처기업들이 많음을 보여준다. 또한 본 연구는 디스플레이 기술과 관련이 없는 Intel 및 Goertek과 같은 많은 회사의 노력을 확인했다. 한편, 화웨이(Huawei)에서 활발히 활동하는 것으로 알려진 여러 회사는 아직 이 분야의 특허를 공개하지 않고 있다. 전반적으로 이 분야는 신생 기업 및 연구 기관에 의해 주도되고 있다. 샤프(Sharp)와 소니(Sony)를 제외한 디스플레이 업체와 LED 업체는 상대적으로 후발 업체이다. 많은 회사들이 애플이 LuxLue를 인수하면서 MicroLED에 대한 믿음을 보여주자 MicroLED 연구개발 활동을 시작했다.
2017년 12월 현재, Apple은 가장 완벽한 IP 포트폴리오를 가지고 있는 것으로 보인다. 거의 모든 핵심기술 노드를 다루고 있다. 그러나 많은 Apple 특허는 회사의 MEMS 전송 기술을 중심으로 개발된 기술 생태계와 관련이 있다.
그림 3. 특허출원 기업 현황
많은 특허에는 디스플레이 개념과 아키텍처에 대한 설명이 포함되어 있다. 그러나 제조 기술 측면에서 볼 때 픽셀 전송 및 조립은 발명 공개 시 논의된 중요한 주제다. 수백만 개의 작은 LED 칩을 값비싸고 시기적절한 방식으로 매우 높은 수율로 정확하게 조립할 수 있는 능력은 오랫동안 MicroLED 디스플레이의 핵심 원동력으로 여겨져왔다.
그림 4. 2017년 기술 노드별 특허 제품군 분석
가능한 솔루션 수십 개가 50개 이상의 조직에서 제공된다. 일부는 진지하게 생각한 것으로 보이며 도전에 대처할 수 있는 신뢰할 수 있는 개발 전략을 모색했다. 그러나 많은 다른 응용프로그램은 아이디어나 개념을 모호하게 설명한다. 논의된 솔루션의 다양성에도 불구하고 MEMS, 엘라스토머 스탬프, 유체 전달, 끈끈한 테이프 등 10개 이하의 주 계열로 조직될 수 있다.
효율성을 향상시키고 전송 및 조립에 적합한 칩을 만들거나 디스플레이 애플리케이션을 위한 방출 빔 패턴을 최적화하기 위해 새로운 구조 및 제조 프로세스가 필요하다. 더 놀라운 것은 결함 관리 및 MicroLED 테스트와 관련하여 응용프로그램의 수가 상대적으로 적다는 것이다. 극단적으로 높은 제조 수율로 인해 결함 픽셀이 남아 있고 결함 관리 전략이 필요하다.
대규모 MicroLED 디스플레이 제조를 가능하게 하려면 3가지 주요 기술과 공급망(LED 제조, 백플레인 제조 및 마이크로 칩 대량 전송 및 조립)이 필요하다. 공급망은 전형적인 디스플레이에 비해 복잡하고 길다. 모든 프로세스가 중요하며 모든 측면을 효과적으로 관리하는 것이 중요하다. 다른 기존의 디스플레이 기술과 비교하여 공급망 전반에 걸쳐 수평을 유지할 가능성이 있는 회사는 없다.
IP 환경은 관련된 다양한 플레이어를 통해 이러한 과제를 반영하지만 요구사항은 애플리케이션마다 다르다. 마이크로 디스플레이와 같은 소량, 고부가가치 애플리케이션의 경우 군대 및 의료 시장을 위한 확대/혼합된 현실에서, 공급망을 효율적으로 관리하는 우수한 기술로 자금력이 좋은 벤처 기업을 구상할 수 있다. 그러나 TV 및 스마트폰과 같은 소비자 애플리케이션은 대규모 제조를 해제하기 위해 상당한 투자가 필요하다.
몇몇 회사만이 모든 주요 기술 노드(전송 칩 구조, 디스플레이 아키텍처 등)를 다루는 광범위한 IP 포트폴리오를 보유하고 있지만, 충분한 플레이어는 많은 기술 블록에 걸쳐 특허를 보유하고 있어 MicroLED 디스플레이가 대량생산에 들어가 시장에 도달하면 복잡한 라이선싱 및 법적 전쟁이 발생할 것으로 예상된다.
다양한 기술 블록에서 강력한 입지를 가진 중소기업은 제조와 관련된 대형 업체로부터 라이선스 비용을 얻으려고 한다. 대기업은 서로를 방어하고 경쟁자가 시장에 진입하는 것을 막을 것이다. 그러한 일에 대비하기 위해 일부 후발 주자는 많은 양의 특허를 출원하는 것으로 나타나고 때로는 거의 실체가 없는 것으로 보인다.
그림 5. 회사 유형별 특허 제품군 분석
다음 그림은 최근 오픈한 한국과학기술정보연구원 ‘ScienceON’의 COMPAS를 활용한 미국 특허 검색 결과 내용의 일부다. 연구개발에 필요한 정보？서비스를 찾는 작업이 편리하다.
그림 6. USPTO Micro LED 특허 검색 자료, KISTI, COMPAS[9]
특허청은 마이크로 LED 기술 관련 특허출원이 급증하고 있다고 발표했다. 최근 10년간 마이크로 LED 기술 관련 출원인별 출원 동향을 살펴보면, 국내 대기업이 33.2%(119건), 외국 기업이 32.4%(116건)를 차지하였으며, 그 뒤를 이어 중소기업이 16.2%(58건), 대학 및 연구기관이 15.4%(55건), 개인이 2.8%(10건)를 차지한 것으로 조사됐다.
그림 7. 국내 마이크로 LED 기술 출원 동향(최근 10년)[10]
3. 마이크로 LED 개발 기술
3.1. 에피 성장 기술[3]
질화물 반도체는 3.4Ev으로 밴드갭이 넓고 화학적으로 매우 안정하여 단단한 반도체 물질 중에 하나이다. 특히 질화물 반도체는 전자친화력이 강하여 광학적 특성은 물론, 전자이동도, 전자포화속도 및 전계 파괴전압 특성이 우수하여 광？전자소자 등 그 응용 분야가 다양하다. 최근 비약적으로 에피 성장 기술이 발달되어왔는데, 그중 가장 보편화된 에피 기술은 MOCVD(Metal Organic Chem-ical Vapor Deposition)를 이용한 사파이어 위에 증착된 이종접합 구조의 GaN 에피 성장 기술이다. 2인치 혹은 4인치 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 에피는 450nm 파장의 청색을 기준으로 10nm 이상의 파장 편차를 가지게 된다. 이러한 파장 편차를 가지는 LED를 조명에 적용할 시에는 큰 문제가 되지 않았지만, 이를 디스플레이에 적용 시에는 사람의 눈이 매우 민감하기 때문에 불량 화소가 될 수 있다. 따라서 디스플레이 화소에 적용되는 마이크로 LED는 ±1~3nm 이내로 파장의 오차범위가 매우 엄격한 에피 성장 기술이 요구된다.
그림 8. 2인치 450nm LED 웨이퍼의 파장 분포 매핑 이미지(좌)와 스펙트럼 이미지(우)
GaN LED 에피는 이종기판인 사파이어나 실리콘에 주로 성장되기 때문에 격자상수 및 열팽창계수의 부정합에서 오는 108에서 109/cm2개의 다양한 점결함(Point Defect) 및 선결함(Dislocation), V-Shape pit 등의 결함이 존재하게 된다. 이러한 결함들은 작게는 수십~수백 나노미터부터 크게는 수~수십 마이크로의 크기를 가진다. 따라서 수십 마이크로미터 크기의 픽셀형 마이크로 LED 디스플레이에서는 이러한 결함들이 불량 픽셀의 원인이 되기 때문에 이것을 최소화하는 것이 매우 중요하다.
그림 9. 질화물 LED 에피의 결함
마이크로 LED 기술의 최대 난관은 비싼 생산가격이다. 마이크로 LED를 적용하여 양산을 시작하기 위해서는 이러한 가격 문제를 반드시 해결해야 한다. 웨이퍼의 크기가 커질수록 웨이퍼 한 장에 제작되는 LED의 개수가 많아져서 칩 가격은 하락할 수 있다. 특히 마이크로 LED는 칩 가격뿐 아니라 칩을 기판으로부터 분리하고 전사하는 공정에서 시간과 비용이 많이 발생하는데, 에피 크기가 증가하면 전사 비용과 횟수를 크게 줄일 수 있어서 8인치 및 12인치가 가능한 실리콘(Si) 기판을 이용한 고품질의 GaN 에피 성장 기술 개발이 필수적이다. 저렴한 대형 실리콘 웨이퍼상에서 GaN을 성장시키는 기술을 이용하면 최신 반도체 제조 기술도 적용이 가능할 뿐만 아니라 현재 이용되고 있는 방식보다 비용 측면에서 75%가량 개선이 가능하다.
그림 10. 8인치 실리콘 기판 및 4인치, 2인치 사파이어 기판 위에 성장된 GaN LED 에피
반면 조명용 LED에서 중요시되었던 효율의 처짐 및 구동전압의 변위는 저전력 영역에서 구동되고, 박막트랜지스터(TFT: Thin Film Transister)를 이용한 보상을 할 수 있는 디스플레이에서는 그 기준이 엄격하지 않게 되었다.
3.2. 칩 개발 기술[3]
조명용 LED보다 면적이 1/100인 마이크로 LED는 기존 LED보다 작게 만드는 칩 제조공정과 이후 개별 칩으로 분리해내는 공정 기술이 매우 중요하다. 이에 대한 기술로 마이크로 LED 칩 내부로 전류를 주입 시 효율을 높일 수 있는 칩 디자인과 좁은 전극 영역으로 전류 주입 효율을 높일 수 있는 오믹 콘택트 및 복잡한 칩 제조공정 중에 에피층으로부터 전극이 필링(Peeling)되지 않도록 하기 위한 접착력 향상 기술이 반드시 필요하다.
GaN LED는 플라즈마를 통한 건식식각을 통하여 n과 p를 분리해내는 메사 공정이 수평형과 플립칩 마이크로 LED에서 필수적이고, 모든 타입의 마이크로 LED 칩은 기판까지 건식식각을 통하여 개별화(Isolation)시키는 과정이 필요하다. 이때 식각으로 인한 데미지가 칩의 효율과 제조공정 중의 결함을 좌우하는 매우 중요한 요소가 되기 때문에 플라즈마 데미지를 회복시키거나 제거하기 위한 기술이 개발되어야 한다. 또한 에피의 대형화가 필수적이어서 기존의 2인치, 4인치 공정에서 6인치, 8인치, 필요에 따라 12인치를 가동할 수 있는 칩 제조공정 라인이 필요하다. 이때 수~수십 마이크로 스케일의 LED 칩 공정이 가능할 수 있도록 기존의 해상도 3μm인 포토 리소그래피 공정에서 해상도 0.5μm인 Stepper를 이용한 MEMS 공정 기술이 적용되어야 한다. 또한 Passivation 및 패키지(PKG) 기술, 기판 분리 및 전사, 접합을 위한 후 공정에서도 미세한 파티클도 큰 결함이 될 수 있기 때문에 100 Class 이하의 클린룸 환경이 요구된다.
그림 11. LED 칩 제조공정의 플라즈마를 이용한 식각 공정 효과
마이크로 LED는 기존의 LED처럼 칩 제작 후에 레이저 스크라이빙 방식으로 칩 개별화(Dicing)를 하게 되면 칩의 손실이 많아지기 때문에 디스플레이에 적용 시 해상도에 따라 호소 간격을 계산하고, 그에 따른 간격으로 칩과 칩 사이를 플라즈마 건식식각을 통하여 기판까지 식각한 후 기판을 분리하는 방법으로 수~수십 마이크로 스케일의 작은 크기와 10μm 이하 두께의 얇은 마이크로 LED 제작이 가능하다. 그림 12처럼 10μmX10μm 크기의 마이크로 LED를 20μm 간격의 초미세 폭의 레이저를 이용하여 절단할 경우에 LED 웨이퍼의 90% 정도가 손실된다. 따라서 칩의 손실을 최소화할 수 있는 기판 분리 공정이 필수적이다.
그림 12. 20μm의 간격을 가지는 10μm 크기의 마이크로 LED 칩 절단(Dicing)
3.3. 전사 기술[3]
기존의 LED는 최소 200μm 이상의 사이즈이기 때문에 다이본딩(Die bonding) 공정을 이용하여 LED를 픽업(Pick up)하고 원하는 위치에 Attach하여 실장하는 것이 가능하였다. 이때 칩을 잡아주는 진공 홀인 Collet 사이즈는 최소 80μm이며 일반적으로 사이즈가 100μm이기 때문에, 크기가 100μm 이하인 마이크로 LED의 경우 기존의 방법대로 LED 칩을 실장하는 것은 어려운 일이다. 또한 4K (3,840X2,160) 디스플레이의 경우 2,490만 개의 마이크로 LED 칩이 실장되어야 하기 때문에 이를 개별 칩 단위로 실장한다면 공정비용과 시간이 기하급수적으로 늘어나 양산이 불가능한 수준이다. 따라서 칩을 웨이퍼 단위나 대면적의 PDMS 등으로 전사(Pick and Place)하는 방법을 여러 연구 그룹에서 제안하고 있다.
전사 기술로는 그림 13과 같이 아주 다양한 방법이 제안되었으나 대표적으로 럭스뷰에서 제안한 Pick up Heads 방법, X-Celeprint, UIUC에서 제안한 탄성 트랜스퍼 프린팅(Elastomer Transfer printing) 방법 및 최근 한국광기술원에서 연구한 결과를 소개하고자 한다.
그림 13. 마이크로 LED의 다양한 Pick and Place 방법
그림 14. 럭스뷰의 Pick up Heads
럭스뷰의 경우 MEMS 기술을 이용하여 실리콘 기반의 헤드 부분에 전극을 증착하여 제작된 Pick up Heads로 그림 15의 과정을 거쳐 임의의 기판에 유테틱 본딩되어 있는 마이크로 LED를 80~ 160도 사이의 온도로 Melting하여 결합력을 약하게 만든 후 전압을 가해 정전기 힘으로 칩을 들어 올린다. 그 후 타깃 기판으로 선택적으로 이송하고 Solder를 리플로우(Reflow)시켜 본딩하는 방식이다.
그림 15. 럭스뷰(LuxVue)의 마이크로 LED 칩 제작 공정 과정
X-Celeprint와 UIUC의 John A. Rogers 그룹에서는 탄성이 있는 PDMS 소재에 패터닝을 한 후 속도 차이로 인한 정기적 접착력(Van Der Waals molecular adhesion) 변화를 이용하여 마이크로 LED를 빠르게 Pick up 후 느린 속도로 타깃 기판에 Attach하는 탄성 트랜스퍼 프린팅 방법을 제안하였다. 이는 포토리소그래피 공정을 통해 Pick-up tool인 PDMS에 패터닝을 하여 선택적으로 전사할 수 있으며, 파티클을 철저하게 관리할 경우 3만 번까지 Pick-up tool 재사용이 가능하고 대면적 전사가 가능하다는 장점이 있으나, 미세한 속도 제어를 통한 수율 향상과 반복성과 양산성을 고려한 연구가 필수적이다.
그림 16. John A. Roger 그룹의 InGaN on Si 기판에 제작된 마이크로 LED array 기술
최근 한국광기술원에서는 환경에 따라 접착력이 변하는 환경가변 스탬프를 이용하여 2인치 사파이어 기판 위의 마이크로 LED와 5cmX5cm의 Si 기판 위의 마이크로 LED 대면적 전사를 100%의 수율로 성공하였다. 그림 17은 2인치 사파이어 위에 제작된 마이크로 LED를 100% 수율로 환경가변 스탬프를 통해 전사된 결과를 보여준다. 본 기술은 수평형, 수직형, 플립칩 등 모든 타입의 마이크로 LED 전사에 적용 가능하고, 정전기보다 더 강력한 접착력으로 요즘 이슈가 되고 있는 미니 LED가 탑재된 미니 PKG까지도 선택적인 대면적 전사가 가능하다. 그림 17은 한국광기술원에서 최근 환경가변 스탬프를 이용하여 대면적 전사에 성공한 결과이다.
그림 17. 환경가변 스탬프를 이용하여 2인치 기판의 마이크로 LED 전사한 이미지
그림 18(a)는 반은 80μm 크기, 반은 100μm 크기의 마이크로 LED가 제작된 5cmX5cm 크기의 대면적 GaN on Si를 보여준다. 그림 18(b)에서는 80μm, 100μm 크기의 마이크로 LED를 각각 환경가변 스탬프를 이용하여 100% 수율을 가지고 전사된 결과를 확인할 수 있다. 그림 18(c)~(e)는 CLO 기판 분리 전, 90% CLO 기판 분리 후, 전사 후의 마이크로 LED의 광학 이미지이며, 그림 19(f)는 마이크로 LED가 전사되고 난 후의 실리콘 기판의 광학 이미지를 보여준다.
그림 18. (a) 전사 전의 대면적 GaN on Si 에피, (b) 전사된 마이크로 LED, (c) CLO 전, (d) CLO 후,
(e) 전사 후의 마이크로 LED의 광학 이미지, (f) 전사 후 마이크로 LED가 사라진 실리콘 기판 이미지.
웨이퍼 전사와 본딩 공정은 두 웨이퍼 및 Carrier 물질 간의 초기 표면 산화막을 제거하고 두 웨이퍼 사이의 불순물을 제거하는 매우 높은 수준의 청정도를 요구한다. 이러한 본딩 공정에서 청정도는 칩의 전기적/기계적 결합 특성에 영향을 미치고, 모듈화 공정 이후 동작 전압 특성을 변화시킬 수 있어 매우 중요하다.
그림 19는 한국기계연구원이 개발한 롤 기반 다중 전사 모식도이다. 2017년 7월 롤 전사 공정을 이용한 마이크로 LED 디스플레이 제조 기술 개발에 성공했다. 롤 기반의 전사 기술로 전력 소모가 적으면서도 기계적인 신뢰성이 높고, 신축성을 갖춘 마이크로 LED 디스플레이를 대량생산할 수 있는 기술이다. 마이크로 LED 디스플레이는 현재 주로 쓰이는 LCD와 OLED 디스플레이보다 발광효율이 3배 이상 우수하며, 유연성, 투명도, 신뢰성 등에서 우월한 특성을 지닌다. 연구팀은 마이크로 LED 디스플레이의 생산 속도를 디스플레이 해상도와 크기에 따라 기존 기술 대비 100배에서 1만 배 수준으로 향상시키는 데 성공했다.
그림 19. 롤 전사 공정을 이용하여 신축성 있는 마이크로 LED 디스플레이를 제작하는 과정을
나타내는 모식도[11]
3.4. 최근 기술 동향
최근, 미국 CA, Moscone 센터에서 개최된 ‘SPIE Photonics West 2019(2019.2.2~7.)’에서 발표된 마이크로 LED 관련 초청 논문들은 다음과 같다[12].
Gallium nitride micro-LED displays (Invited Paper)
Martin D. Dawson, Fraunhofer Ctr. for Applied Photonics, UK (United Kingdom)
갈륨나이트라이드 LED 웨이퍼를 마이크로 스케일로 픽셀화함으로써 견고하고 고해상도이며 매우 밝은 마이크로 디스플레이의 새로운 형태를 만들 수 있다. 이러한 디스플레이에 대한 관심은 가상현실 및 증강현실 광학 시스템을 포함한 애플리케이션에 의해 주도되고 있지만, 직접 디스플레이 또는 프로젝션 디스플레이 애플리케이션 이외에도 과학 계측, UV 직접 기록, 가시광선 통신 및 구조화된 광 이미징, 여기서는 이 새로운 마이크로 디스플레이 기술의 현재 상태와 적용 범위를 검토한다.
GaN monolithic integration for lighting and display (Invited Paper)
Hoi Wai Choi, Wai Yuen Fu, Kwai Hei Li, Yuk Fai Cheung, The Univ. of Hong Kong (Hong Kong, China)
격자 및 열 불일치로 인한 InGaN/GaN 우물의 긴장된 특성은 특히 장파장 파장의 경우, 파장 튜닝의 실행 가능한 방법을 제공한다. 에미터의 크기 축소를 통해 방출 파장은 변형 완화 효과로 인해 파란색으로 시프트될 수 있다. 나노구조화에 의해 MQW에 변형을 유도하여 파장 적색편이를 생성하는 것도 가능하다. 이러한 파장 동조 기술은 디스플레이 애플리케이션용 RGB 픽셀 어레이뿐만 아니라 조명용 모놀리식 광대역 LED의 개발에 활용될 수 있다. 트랜지스터의 LED 웨이퍼로의 모놀리식 통합에 대해서도 논의할 것이다.
Hybrid integration of RGB inorganic LEDs on a single substrate for display applications (Invited Paper)
Dong-Seon Lee, Chang-Mo Kang, Jun-Yeob Lee, Seung-Hyun Mun, Soo-Young Choi, Duk-Jo Kong, Gwangju Institute of Science and Technology (Korea, Republic of)
최근, 무기 LED를 이용한 마이크로 디스플레이에 대한 연구는 고효율 및 초저전력 소모 등 많은 장점이 있기 때문에 주목을 받고 있다. 그러나 고해상도의 무기 LED를 채용한 풀컬러 디스플레이를 구현하는 것은 여전히 어려운 일이다. 이 연구에서는 금속유기화학기상증착(MOCVD) 및 접착 본딩 기술을 사용하여 단일 성장 기판에 적색, 녹색 및 청색(RGB) 무기 LED를 모두 통합했다. RGB LED의 하이브리드 통합을 통해 넓은 색 공간(BT.2020 색 공간의 80%)을 커버하는 성공적인 풀컬러 발광을 실현할 수 있었다.
Advanced solutions for high-performance GaN MicroLED displays (Invited Paper)
Francois Templier, Jeannet Bernard, Stephane Caplet, Alexis Bedoin, Helge Haas, CEA-LETI (France)
시계에서부터 넓은 지역의 TV에 이르는 다이렉트 뷰 어플리케이션을 위한 고성능 마이크로 LED 디스플레이 제작에 대한 주요 문제점을 검토한다.
첫 번째는 장치 크기가 줄어들면 성능이 저하된다는 점을 고려하여 고성능 컬러 마이크로 LED를 제작할 수 있어야 한다. 두 번째 및 주된 것은 대면적 TFT 백플레인상의 마이크로 LED의 전송 프로세스이다. LETI에서 개발된 마이크로튜브 기술이 두 부분 간의 기계적 및 전기적 연결을 한 단계에서 보장할 수 있는 방법을 보여준다.
Growth of monolithic full-color light-emitting diode and its applications (Invited Paper)
J. C. Chen, Milton Yeh, Hussein El-Ghoroury, Yoshitake Nakajima, Ostendo Technologies, Inc. (United States)
새로운 GaN 기반 다중양자우물구조를 기반으로 한 풀컬러 LED를 MOCVD로 성장시켰다.
이 구조는 3개의 기본 광을 방출하도록 설계된 3세트의 양자우물로 구성된다. 적절히 설계된 양자우물 및 중간 캐리어 차단층(ICBL)을 사용하여, 이 장치는 상이한 입력 전류를 조정함으로써 독립적으로 서로 다른 가시광선(450~650nm의 파장)을 방출할 수 있다. 이 장치는 일반 조명 및 디스플레이 기술에 사용할 수 있다. 이 디자인의 독창성을 바탕으로 현재의 마이크로 LED 디스플레이의 제조 복잡성을 크게 줄일 수 있다. 또한 이 풀컬러 LED를 사용하여 인쇄 또는 디스플레이 페인팅과 같은 새로운 제조 기술이 가능해질 수 있다.
4. 시장 전망
4.1. 시장규모 추정[7]
마이크로 LED 시장은 2017년부터 형성되기 시작하였으며, 연평균 70% 수준의 성장을 통해 2025년 45억~200억 달러의 시장 형성이 전망된다.
낙관적 전망으로 MarketandMarkets는 2017년 시장규모를 2억 5,000만 달러로 추정하였으며, 2025년 199억 2,000만 달러까지 확대될 것으로 예상했다.
보수적 전망으로 야노경제연구소는 2017년 시장규모를 7,000만 달러로 추정하였으며, 2025년 45억 8,000만 달러까지 확대될 것으로 예상했다.
수량 기준 전망으로 Yole Development는 중소형 마이크로 디스플레이를 중심으로 2025년 약 3억 3,000만 대의 마이크로 LED 장착 디바이스 보급을 예상했다.
그림 20. 마이크로 LED 시장 성장 전망(금액 및 수량)[7]
표 3. 수량 기준 마이크로 LED 디스플레이 세부 시장별 전망(100만 대)[7]
구분 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 CAGR
마이크로 스마트워치 6.1 18.8 21.4 24.1 25.8 26.7 27.6 28.6%
HMD(VR/AR) 0.1 0.4 1.3 3.5 8.0 17.4 180.6%
HUD(자동차) 0.2 0.6 1.4 3.0 146.6%
중소형 스마트폰/태블릿 27.9 79.1 204.8 255.0 256.1 74.1%
노트북/모니터 5.6 11.2 16.9 19.3 51.1%
대형(TV, 디지털 사이니지, Video Wall 등) 0.3 1.4 2.9 4.4 5.9 110.6%
계 6.1 18.9 50.1 111.7 248.7 312.4 329.3 94.4%
마이크로 LED 시장 성장에 따라 MOCVD, 웨이퍼 가공 장비, 전사 장비 등의 수요도 함께 창출될 것으로 예상되며, 장비시장은 2021년경에 본격 형성되어, 도입기의 특성상 응용 분야별 전용장비시장이 형성될 것으로 전망된다.
주요 전자소자시장 대비 장비시장 규모 자료를 활용, 마이크로 LED장비시장 규모를 추정하면 2025년 11억 5,000만~59억 8,000만 달러로 예상된다.
그림 21. 2018~2025년 마이크로 LED 장비 시장 규모 추정(억 달러)[7]
4.2. 마이크로 LED 관련 기업
표 4. 마이크로 LED 디스플레이 개발 기업[13]
업체 내용
Apple
세계 최대의 기업 중 하나인 Apple은 소비자 전자제품 및 컴퓨터 소프트웨어를 개발하며, 광범위한 차세대 기술을 개발하고 있음.
2014년에 Apple은 마이크로 LED 기반 디스플레이를 개발한 신생 회사 LuxVue Technology를 인수함.
Apple은 계속해서 마이크로 LED 기술을 개발하고, 대만 Taoyuan에 연구 및 생산 시설을 설립함.
2017년 Apple은 연말까지 마이크로 LED 소자의 소량생산을 시작할 계획이며, 2018년부터 대량생산(사내 또는 생산 파트너에서보다 의미가 있음)함.
Apple의 첫 번째 목표는 스마트시계 장치에 마이크로 LED 디스플레이를 채택하는 것임.
AU Optronics
대만 AUO(AU Optronics)는 Acer Display와 Unipac Optoelectronics의 합병으로 2001년에 설립.
2006년 말에 AUO는 Quanta Display와 합병. AUO는 세계 3위의 TFT-LCD 제조업체이며, 낮은 볼륨으로 OLED 디스플레이를 생산함.
AUO는 능동적인 마이크로 LED R&D 프로젝트를 갖고 있으며, 2018년 12.1인치에서 세계 최대 TFT 구동 풀컬러 Micro-LED 디스플레이 프로토타입이라고 주장한 것을 시연함.
eLux
미국 eLux Inc.는 독점적인 확장 가능한 "유동성" 조립 공정을 사용하여 마이크로 LED 디스플레이를 개발하려는 목적으로 2016년 설립.
2017년 Foxconn(자회사 CyberNet Venture Capital을 통해)은 eLux에 1,000만 달러를 투자, 2018년 Foxconn은 eLux를 인수함.
JBD
중국 2015년 상하이에 설립, JBD는 독점적인 하이브리드 모놀리식 통합 기술을 기반으로 근시 및 이미지 프로젝션 애플리케이션을 위한 마이크로 LED 기반 MicroDisplay를 개발.
JBD는 Jade Bird Group으로부터 1,000만 달러를 투자 유치함.
2017년 7월 Si IC에 5,000PPI 액티브 매트릭스 III-V 마이크로 LED 어레이를 시연. 목표는 미래의 마이크로 LED 어레이에서 10,000PPI에 도달하는 것임.
JBD는 현재 VGA(640x480) 단색(적색, 녹색 및 청색) 마이크로 LED 마이크로 디스플레이를 제공함.
LG Display
한국 LG디스플레이는 세계 최대 디스플레이 메이커, LGD는 TV, 랩톱 및 모바일 장치용 스크린을 생산함.
LG디스플레이의 최첨단 TV 기술은 WRGB OLED이지만 2018년에 마이크로 LED TV 기술을 개발 중이라고 발표.
Lumens
한국 루멘스는 LED 패키지, 고효율 조명, 디스플레이 관련 제품 등 차세대 LED 기술을 개발하는 전문 LED 회사.
루멘스(Lumens)는 고화질 자동차 헤드 업 마이크로 LED 디스플레이를 개발 중이며, 2017년 말까지 최초로 그러한 디스플레이를 출시할 계획.
루멘스는 한국기계연구원과 공동으로 마이크로 LED 생산 기술을 개발.
2019년 초에 루멘스(Lumens)는 FHD 녹색 마이크로 LED 마이크로 디스플레이를 시연함.
Lumiode
미국 Lumiode는 Columbia Technology Ventures의 지원으로 2012년 9월에 설립.
Lumiode는 헤드 장착형 디스플레이 애플리케이션에 중점을 두고 마이크로 LED 디스플레이 기술을 개발.
Mikro Mesa
대만 Mikro Mesa는 2014년 설립된 신생 업체로 마이크로 LED 기술을 개발 중.
Mikro Mesa는 저밀도(50PPI 이하) 대면적(50인치 이상) 디스플레이에 중점을 둠.
Oculus
Facebook이 소유한 Oculus는 가상현실 헤드셋 및 솔루션을 개발 및 판매.
Oculus는 현재 자사의 VR 헤드셋에 OLED 디스플레이(삼성 디스플레이에서 생산)를 사용.
2016년 10월 Oculus는 아일랜드에 본사를 둔 마이크로 LED 디스플레이 개발사인 InfiniLED를 인수한다고 발표함.
InfiniLED의 디스플레이 솔루션에 대한 Oculus 계획은 밝혀지지 않았지만, Oculus는 차세대 VR 디스플레이에 관심을 보임.
PlayNitride
대만 PlayNitride는 2014년 6월에 Nitride 관련 소재 및 응용 분야를 연구 및 개발하기 위해 설립.
팹리스 회사는 현재 PixelLED 디스플레이와 같은 기술을 브랜딩하는 GaN 기반 마이크로 LED에 주력.
PlayNitride는 대량 전송 프로세스와 SMAR.Tech 픽셀 복구 기술의 두 가지 주요 기술을 보유.
PlayNitride는 2017년 말에 마이크로 LED를 시작, 2019년에는 처음으로 시장에 출시될 것으로 예상. 회사는 1,500PPI의 픽셀 밀도에 도달 가능.
2017년 4월 삼성디스플레이가 PlayNitride를 인수할 예정이지만 아직 공식적으로 보도되지는 않음.
2018년 5월 PlayNitride는 Hsinchu Science Park에 NT $ 5억(US $ 1,700만)의 생산 시설을 설립할 계획으로, 첫 번째 마이크로 LED 프로토타입을 시연.
Plessey Semiconductor
영국 Plessey는 디스플레이, 센서 및 조명을 포함한 다양한 어플리케이션을 위한 GaN-on-Silicon LED에 중점을 둔 설계 및 제조 회사.
Plessey는 픽앤드플레이스(pick-and-place) 단계 없이 마이크로 LED 디스플레이를 생산하는 데 사용할 수 있는 독창적인 모놀리식 마이크로 LED 공정 기술을 개발.
회사는 라이선싱을 위한 자사의 기술을 제공하고 H1 2018에 의해 자체 모놀리식 Quanta-Brite 마이크로 LED 기반 디스플레이를 출시할 계획.
Plessey는 2세대의 마이크로 LED 디스플레이를 개발.
1세대 Quanta-Brite는 LCoS 또는 DMR 디스플레이이며, 마이크로 LED의 어레이에 의해 조명.
Plessey는 현재 대형 LED 조명 디스플레이에 비해 보다 효율적이고 균일한 디스플레이를 제공.
2세대 Quanta-Ray는 실제 직접 방출 마이크로 LED 기반 마이크로 디스플레이임.
PRP Optoelectronics
영국PRP Optoelectronics는 1989년에 LED 디스플레이 솔루션을 제공하기 위해 설립.
PRP는 다양한 LED 조명 엔진 및 디스플레이 어플리케이션을 위한 완벽한 자체 설계, 개발 및 제조 기능을 제공.
PRP는 표준 및 맞춤형 디스플레이인 자체 모놀리식 마이크로 LED 마이크로 디스플레이를 생산.
Rohinni
2013년에 설립된 미국 Rohinni는 조명 및 디스플레이용 마이크로 LED 기술에 중점.
Rohinni는 LED를 선택하고 배치할 수 있는 로봇인 Lumus 및 Lumos를 기반으로 하는 PiXey 프로세스를 포함하여 마이크로 LED의 고속 정밀 배치를 가능하게 하는 여러 가지 Micro-LED 기술을 개발.
Rohinni가 목표로 하는 첫 번째 애플리케이션 중 하나는 키보드 백라이팅이지만, 마이크로 LED 디스플레이에도 관심.
2018년 8월 Rohinni는 미니 LED 및 마이크로 LED 조명장치를 자동차시장에 선보이는 Magna Electronics와 JV를 발표.
Sony
일본 Sony는 세계 유수의 가전제품 회사 중 하나. Sony는 수년 동안 디스플레이 산업의 선구자.
2012년 소니는 Crystal-LED라고 불리는 최초의 마이크로 LED TV(55인치, Full-HD)를 시연.
소니의 55인치 Crystal-LED는 결코 시장에 출시되지 못했지만, 2016년에는 Sony가 Canvas Display 또는 CLEDIS라고 부르는 대용량 실외 마이크로 LED 디스플레이 발표.
CLEDIS 디스플레이는 모듈러 타일(각 403x453mm, 해상도 320x360)을 기반으로, 픽셀 피치는 1.2mm이고 발광 면적은 1%로 매우 높은 명암비를 가능하게 함. CLEDIS 디스플레이의 피크 휘도는 1,000니트. ISE 2018에서 2개의 대형 CLEDIS 디스플레이를 시연.
중국 Visionox는 OLED 디스플레이 및 조명 패널을 개발 및 제조하기 위한 목적으로 청화대와 다른 투자자들이 2001년에 설립.
Visionox는 PMOLED 및 AMOLED 디스플레이를 생산.
2018년 5월 Visionox는 최초의 Micro-LED 디스플레이를 시연.
VueReal
캐나다 VueReal은 마이크로 LED 기반 마이크로 디스플레이를 개발하는 신생 기업.
이 회사의 Continuous Pixelation 기술은 고밀도 디스플레이, 높은 생산수율 및 단순한 디자인을 제공.
2017년 VueReal은 6,000PPI의 방사형 디스플레이를 위한 세계 최고 밀도를 달성하는 4K 마이크로 LED 마이크로 디스플레이를 시연.
2018년에 VueReal은 시리즈 A 기금 모금에서 1,050만 달러 투자 유치.
표 5. LED 개발 기업[14]
기업 내용
Aledia
2011년에 설립된 프랑스 Aledia는 CMOS 웨이퍼 제조공정 및 툴을 사용하여 200mm 실리콘 웨이퍼에서 3D GaN LED를 성장시키는 기술을 개발.
Aledia는 기존의 평면형 LED 칩에 비해 LED 칩이 25% 저렴하며, 마이크로 LED디스플레이에 이 LED를 사용.
Aledia는 2013년과 2015년에 두 차례 파이낸싱 라운드에서 4,000만 달러 이상, 2018년에는 라운드 C 파이낸싱 라운드에서 3,600만 달러 투자 유치.
Changelight
2006년에 설립된 Changelight는 옥외 용도의 LED 장치 제조업체.
2018년에 Changelight가 미니 LED와 마이크로 LED를 개발. 마이크로 LED 디스플레이의 경우, Changelight는 칩 및 물질전달 기술에 중점을 둠.
Epileds Technologies
대만 Epileds Technologies는 2006년 타이난 사이언스 파크에서 설립.
Epileds는 청색, 녹색, 적색 및 백색 LED 웨이퍼 및 칩을 개발, 설계 및 생산.
2018년 초 Epileds사는 마이크로 LED 및 미니 LED 개발을 위한 R&D 프로젝트 착수 발표.
2018년5월, Foxconn은 마이크로 LED 프로젝트에 특별한 관심을 가지고 Epileds 지분을 인수함.
Epistar
대만 Epistar Corp은 1996년에 설립, 세계 최대의 LED 생산업체.
일반 조명 및 가전제품용 고휘도 LED 장치 전문 업체.
Epistar는 마이크로 LED 칩을 개발하고 있지만 아직 제품이나 시장의 출시를 발표하지 않음.
Epistar는 대형 디스플레이에 사용하기 위해 100-micron LEDs(in 2017)를 생산할 가능성이 높음.
Glo
룬드 대학(Lund University)에서 수행한 연구를 기반으로 2010년 미국에서(스웨덴에서도 운영) 설립, Glo는 디스플레이 애플리케이션용 GaN 나노와이어 기반 마이크로 LED를 개발.
Glo는 자사의 Nanowire가 무기재료 시스템의 신뢰성으로 적색, 녹색 및 청색 마이크로 LED를 가능하게 한다고 발표.
Glo는 소형 착용식 디스플레이부터 TV 패널 및 대면적 디스플레이에 이르기까지 전체 디스플레이 시장을 겨냥하고 있으며, CMOS 및 LTPS 백플레인에서 마이크로 LED를 적용.
Glo는 팹리스 사업으로, 세계 최대의 LED 제조업체와 마이크로 LED 칩을 생산하는 제조 계약을 맺고 있으며, 세계 최대 디스플레이 제조사와 실제 마이크로 패널을 생산하기로 계약.
2019년 초 Glo는 최초의 프로토타입을 공개.
HC Semitek
중국 HC SemiTek Corporation은 2005년 Wuhanm China에 설립.
풀컬러 초고휘도 LED 에피택셜 제품 및 칩에 초점을 맞춘 LED 공급업체.
HC SemiTek은 2018년 마이크로 LED 칩을 개발하기 위한 새로운 프로젝트를 착수 발표.
Lextar
2008년 대만에서 설립된 AU Optronics의 자회사인 Lextar Electronics Corporation은 선도적인 LED 개발 기업.
Lextar는 LED 칩, LCD 백라이트, 자동차용 LED, 조명등 및 기타 조명 솔루션을 생산.
2018년 Lextar는 대량 전송 프로세스에 적합한 RGB 및 색 변환 소자인 첫 번째 마이크로 LED 칩을 출시.
Micro Nitride
일본 Micro Nitride는 2018년에 Nitride Semiconductors의 자회사로 설립되어 Micro-LED 디스플레이용 마이크로 UV LED 칩을 개발.
μUV-LED + RGB인 광체라 불리는 Micro Nitride의 기술은 UV 마이크로 LED와 RGB인 광체를 사용.
Nichia
일본 Nichia Corporation은 LED, 레이저 다이오드, 배터리 소재 등을 생산하는 화학공학 및 제조업계의 선도기업.
Nichia는 마이크로 LED 칩, 전송 기술 및 관련 장비를 개발.
San'an Optoelectronics
중국 산안 옵토 일렉트로닉스(San'an Optoelectronics)는 LED 에피택셜 웨이퍼 및 칩 생산업체.
산안은 중국에서 총 생산량의 약 58%인 에피택셜 웨이퍼와 연간 3,000억 개의 LED 칩을 생산.
2018년 산안은 삼성의 마이크로 LED 디스플레이용 LED 칩을 공동개발 및 공급하기 위해 삼성과 장기 계약을 체결.
Seoul Semiconductor
한국 서울반도체는 2000년 설립. 자동차, 일반 조명, 특수 조명 및 백라이트 시장용 LED를 개발 및 상용화.
세계 2위의 LED 제조업체(Captive Market 제외). 1만 2,000개가 넘는 특허를 보유.
2019년 1월 서울반도체는 차세대 디스플레이를 위한 혁신적인 마이크로 LED 제품을 곧 선보일 것이라고 발표.
Seren Photonics
영국의 Seren Photonics는 반극성 및 비극성 질화갈륨 템플릿 제조업체.
마이크로 LED 시장에서 Seren은 보다 높은 효율과 더 많은 색상의 녹색, 황색 및 적색 장치를 안정적으로 제공할 수 있는 새로운 반극성 GaN에 장파장 LED 에피택시를 개발.
Seren은 자사의 SemiPolar LED가 극성 GaN에서 제조된 녹색 LED의 단점을 극복했으며, 주로 낮은 벽면 플러그 효율과 다양한 전류밀도에서 열악한 불량 파장 안정성을 극복함.
표 6. 마이크로 LED 장비 제조업체[15]
기업 내용
3D-Micromac
독일 3D-Micromac은 레이저마이크로 머신을 개발 및 생산.
3D-Micromac 시스템은 광전지, 반도체, 유리 및 디스플레이 산업을 포함하여 전 세계 많은 산업 분야 구현.
마이크로 LED 생산을 위해 3D-Micromac은 웨이퍼 및 패널 기판용 레이저 리프트오프 장비를 제공.
AMEC
중국 AMEC(Advanced Micro-Fabrication Equipment)는 글로벌 반도체 미세가공 장비 회사.
AMEC는 화학기상증착 및 플라즈마 에칭 제품에 초점을 맞추어 마이크로 크기 및 나노 크기의 VLSI를 개발하고 생산하는 데 사용되는 장비 전문 업체.
AMEC는 2018년 난창(Nanchang)에 R&D 및 생산설비를 설치한다고 발표. 이 장치는 전력장치, 자외선장치 및 마이크로 LED에 MOCVD 기술을 적용할 예정.
Aixtron
독일 Aixtron AG는 반도체 산업에 증착 장비를 공급하는 업체.
이 회사의 기술 솔루션은 화합물, 실리콘 또는 유기반도체 재료를 기반으로 한 전자 및 광전자 응용 분야의 고급 부품을 제조하기 위해 전 세계 다양한 고객 확보.
Aixtron의 AIX G5+는 마이크로 LED 생성에 사용되는 MOCVD 시스템으로, 웨이퍼상의 균일성 제어, 낮은 입자 수준 및 까다로운 마이크로 LED 요구사항을 위한 독보적인 고급 기능을 제공.
Aixtron은 프랑크푸르트 증권거래소 및 NASDAQ 증권거래소(AIXG)에 상장됨.
ALLOS Semiconductors
ALLOS Semiconductors는 GaN-on-Si 기술에 중점을 둔 IP 라이선싱 및 기술 회사.
마이크로 LED 시장을 위해 ALLOS는 단 12주 만에 최고 균일한 CMOS 호환 대형(200mm) 에피 웨이퍼 프로세스를 구축하기 위한 턴키 기술이전을 제공.
2017년 11월 ALLOS와 Veeco는 마이크로 LED 생산을 위해 200mm GaN-on-Si 웨이퍼를 시연.
BluGlass
호주 BluGlass는 2005년에 고효율 장치 제조를 위한 반도체 공정 및 장비를 상업화하기 위해 설립.
BluGlass의 독점적인 원격 플라즈마 화학기상증착(RPCVD)은 비용 효율적으로 LED 및 전력전자장치를 생산하는 데 사용.
2018년에 BluGlass는 마이크로 LED 생산을 위한 RPCVD 프로세스의 사용을 조사하기 위해 "잘 투자된 마이크로 LED 회사"와 협력 계약을 체결.
BluGlass는 호주 증권거래소(ASX: BLG)에서 상장됨.
Coherent
Coherent(NASDAQ: COHR)는 상업 및 과학 시장에 레이저 기반 솔루션을 제조 및 개발.
마이크로 LED 산업의 경우 Coherent는 사파이어 웨이퍼에서 마이크로 LED를 분리하는 데 사용되는 레이저 리프트오프 장비(LLO)와 마이크로파 LED를 사파이어 웨이퍼에서 마이크로파 LED로부터 기질로 이동시키는 데 사용되는 레이저 유도 전하 전송(LIFT) 기증자.
Coherent는 또한 ELA(Excimer Laser Annealing) 도구(LTPS 백플레인 제작에 사용됨).
Coherent의 레이저 툴은 마이크로 LED를 수리하고 LED 어레이를 절단하는 데 사용.
Gallant Precision Machining
대만 Gallant Precision Machining(GPM)은 1978년 반도체 장비용 몰드 부품 및 부품 제조업체로 설립, 제조 장비 및 공정 및 자동화 장비를 생산.
GPM은 디스플레이, 태양광, PCB, 생물의학, 로봇 및 스마트자동화 산업에 장비를 공급.
2018년에 GPM은 LED 픽앤드트랜스퍼 장비, 세척 장비 및 테스트 장비를 포함한 마이크로 LED 장비를 개발.
Oxford Instruments Plasma Technology
Oxford Instruments Plasma Technology(OIPT)는 Oxford Instruments 그룹의 일부로서, 회사의 플라즈마, 이온빔, 식각 및 원자층 증착(ALD) 기술을 기반으로 마이크로 및 나노 제작을 위한 드라이 에칭 및 증착 솔루션을 제공.
OIPT는 캐나다의 ITRI, 대만 및 VueReal과 같은 주요 업체에 솔루션을 공급하는 마이크로 LED 개발에 적극적으로 참여.
이 솔루션은 소형 및 마이크로 LED 제작에 대한 까다로운 요구사항을 해결, 생산량이 많은 생산 공정을 위해 클러스터된 카세트 대 카세트 플랫폼에서부터 R&D를 위한 소형 독립형 시스템에 이르는 다양한 제품 제공.
Uniqarta
미국 소재 Uniqarta는 IC 조립 공정을 개발.
이 회사의 LEAP(Laser Enabled Advanced Placement) 기술은 기존의 픽앤드플레이스(pick-and-place) 조립 방법을 초고속, 대용량 병렬 레이저 기술로 대체.
Uniqarta는 유연한 전자제품에 사용하기 위해 초박형 IC의 통합 문제를 극복할 수 있는 FlexChip을 호출하는 어셈블리 프로세스도 개발.
X-Celeprint
XTRION NV의 전액 출자 자회사인 아일랜드의 X-Celeprint는 미국 Illinois 대학의 John Rogers 교수와 동료들이 개발한 특허받은 μTP(Micro-Transfer-Printing) 기술을 개발 중.
이 회사의 기술은 엘라스토머 도장 전사 인쇄를 기반으로 마이크로 LED 장치를 성장하는 데 사용.
이 회사는 현재 R&D 마이크로 전사 인쇄 툴을 제공하고 있으며 가까운 장래에 양산 툴을 출시할 예정.
표 7. 관련 회사[16]
기업 내용
Macroblock
대만 Macroblock은 LED 디스플레이, 조명장치 및 자동차시장용 IC를 제공.
Macroblock은 마이크로 LED 디스플레이용 드라이버를 개발 중.
2019년 말까지 첫 번째 드라이버 프로토타입을 출시할 계획.
Macroblock은 대만의 ITRI(MicroLED Technology)와 협력.
5. 결언
차세대 디스플레이 마이크로 LED는 4차산업혁명 시대에 요구되는 융복합 산업 전 분야에서 빠르게 확산될 것으로 예측된다. 적용 분야로는 플렉서블 디스플레이, 섬유와 LED가 결합한 스마트섬유, 인체 부착 또는 삽입형 의료기기, 바이오 콘택트렌즈, HMD, 무선통신, 자동차 등의 분야에서 광범위하게 활용할 수 있다.
대형 TV, 스마트폰 제조업체들은 마이크로 LED 관련 기술벤처기업들과 발 빠르게 인수합병을 실행하며 미래 시장을 선점하고자 노력하고 있다. 특히, 애플이 매우 적극적인 행보를 보이고 있어 디스플레이 시장의 참여를 통하여 제조 라인업을 구축하고자 하는 전략인 것 같아 시사하는 바가 크다.
우리는 반도체 제조업 강국이지만 반도체 장비와 재료 분야에서는 거의 수입에 의존하는 현실을 감안할 때 산학연 공동연구를 통한 마이크로 LED 기술혁신을 통한 기술 선점이 최우선 과제이지만 제조공정에 필요한 장비산업(제조 장비, 테스트 장비, 연구 장비, 관리시스템 등)의 국가적 투자와 산업계의 적극적인 참여가 기대된다.
한국기계연구원의 ‘롤 전사 방식의 마이크로 LED 제조 장비 개발 보급’, 루멘스, 플렉스컴으로 기술이전은 국내 중소기업들의 차세대 디스플레이 산업의 재도약을 위한 견인차 역할을 할 것으로 판단된다.
특히, 이 기술에 관심을 갖고 방문 상담한 싱가포르 반도체 장비 기업 쿨리케앤드소파(Kulicke &Soffa)사와 대만 마이크로 LED 솔루션사인 플레이나이트라이드(PlayNitride)의 기술력을 인정한 국가 R&D 개발의 기술혁신 사례로 지속적인 지원이 필요하다.
4차산업혁명 시대의 융합산업으로 마이크로 LED 일괄생산 턴키 베이스 통합시스템 모델을 산학연 공동으로 추진, 수출 전략 산업화할 필요를 느낀다. 최근, 국내 벤처기업 프로닉스(KAIST 이건재 교수)의 마이크로 LED 사업 진출은 기술력을 바탕으로 한 시장 선점의 기회로 보인다.
끝으로, 국내 산학연 융합연구 과제로 ‘마이크로 LED 기술’을 응용한 농축산업의 해결 난제인 ‘구제역, 조류독감 등의 검사, 예방, 치료와 확산을 차단할 수 있는 통합시스템’을 IT, BT, NT, ET, 수의학 분야에서 공동협업연구로 시작하는 것은 어떨까 하는 바람은 나만의 상상일까?
References
1. 정탁, 무기물 GaN 기반의 마이크로 LED 기술동향, 인포메이션 디스플레이, 제17권 1호, pp 1, 2016.
2. 나카무라 슈지, 분노의 돌파구, 전파과학사, 2018.
3. 김자연, 사기동, 마이크로 LED 핵심 기술과 응용, 인포메이션 디스플레이, 제19권 1호, pp 1~8, 2018.
4. https://ko.wikipedia.org/wiki/마이크로LED.
5. 미래에셋대우 리서치센터, '17.3.7.
6. ledinside.com, 2016.7.21.
7. 곽기호, 김재현, 차세대 디스플레이 마이크로 LED 기술의 부상과 시사점, 기계기술정책 No 92. 2018.9.
8. https://www.i-micronews.com/report/product/microled-displays-intellectual-property-landscape.html
9. https://compas.kisti.re.kr/compas/wsp/analysis/pop_view.jsp
10. 특허청 보도자료(2018.3.20.).
11. https://www.kimm.re.kr/pr_kimm_news/articles/view/tableid/news/page/2/id/997
12. https://spie.org/PWO/conferencedetails/gallium-nitride-materials-and-devices#session-12
13. https://www.microled-info.com/companies-list/micro-led-display-developers
14. https://www.microled-info.com/companies-list/led-developers
15. https://www.microled-info.com/companies-list/micro-led-equipment-makers
16. https://www.microled-info.com/companies/microled-related-companies