[인사이트코리아=노철중 기자] 마이크로 LED TV는 기존 LED·OLED TV보다 훨씬 뛰어난 화질을 제공하는 것으로 알려졌다. 2018년 삼성전자가 업계 최초로 마이크로 LED TV ‘더 월’을 선보이면서 관심이 더욱 높아졌다. 하지만 ‘더 월’의 가격은 1억원이 넘는다.

대중화를 위해 아직 해결해야 할 과제들이 많이 남아있는 셈이다. 가로·세로 크기 100마이크로미터(㎛) 이하로 정의되는 마이크로 LED는 높은 효율과 긴 수명, 높은 명암비와 디스플레이 패널 크기 확장에 제한이 없다는 장점이 있다.

여기에 구부릴 수도 있고 투명한 디스플레이 구현이 가능하다는 점에서 전 세계의 주목을 받고 있다. 마이크로 LED 기반 디스플레이는 TV 또는 사이니지와 같은 대형부터 스마트폰, 자동차, 노트북 등 중형 그리고 VR·AR용 디스플레이에 이르기까지 그 응용 분야가 다양하다.

김재현 한국기계연구원 나노융합기계본부 나노역학연구실 책임연구원(박사)은 마이크로 LED 소자를 디스플레이 기판 위에 옮기는 전사(transfer) 기술을 연구하고 있다. 마이크로 LED 상용화를 위해서는 가격을 낮춰야 한다. 그런 만큼 대량의 마이크로 LED를 효율적으로 전사하는 기술이 필요하다.

초당 5개의 마이크로 LED를 옮길 수 있는 진공 척(Vacuum Chuck) 기술로 약 2500만개의 마이크로 LED를 배치해야 하는 UHD 4K TV를 만드는 데만 약 두 달이 걸린다고 하니 대량 전사 기술이 절실해 보인다. 김재현 박사 연구팀은 롤 전사 기술로 마이크로 LED를 초당 1000개까지 옮기는 데 성공한 것으로 알려졌다.

<인사이트코리아>는 김 박사와 서면 인터뷰를 통해 현재 연구 현황과 해외 연구 동향, 향후 연구 방향 등에 대해 알아봤다.

2019년 개발한 ‘마이크로 LED 롤 전사 기술’의 핵심은 무엇인가.

“롤 전사 기술은 일정한 주기로 배열된 마이크로 LED를 전사 필름 위에 올리고, 롤에 전사 필름을 부착한 후 굴려서 회로 기판 위에 옮기는 것이다. 롤을 사용함으로써 전사 필름에 있는 LED와 회로 기판 상에 균일한 전사압력을 가하는 것이 핵심이다. 전사 필름의 점착력이 매우 중요하다. 마이크로 LED와 회로 기판 사이를 고려해 점착력이 제어된 전사 필름을 사용한다.”

개발 후 상용화를 위해 추가적으로 어떤 연구를 진행했나.

“마이크로 LED 중에서 크기가 좀 큰 것을 별도로 mini-LED라고 부른다. mini-LED의 경우 디스플레이 구현에 필요한 소자 자체의 수급이 편리해 상용화가 가까울 것으로 판단한다. mini-LED를 롤 전사하는 연구소기업 ‘YTS Micro-Tech’를 설립해 스마트패드 분야에 롤 전사 기술을 상용화하는 시도를 진행 중이다. mini-LED보다 작은 크기의 마이크로 LED는 아직 적색 소자 수급이 어려워 상용화에 좀 더 시간이 걸릴 수 있다. 청색 마이크로 LED와 양자점을 이용해 구현된 녹색과 적색으로 컬러 패널을 구현하는 시도는 보다 빨리 상용화가 가능할 것으로 예상된다. 마이크로 LED를 상용화하기 위해 기존의 액정 디스플레이와 OLED 디스플레이로 구현하고자 하며, 이를 위해 투명·신축 마이크로 LED에 대한 연구를 진행하고 있다. 이러한 투명·신축 마이크로 LED 디스플레이는 자동차 윈도우용 디스플레이를 중심으로 수요가 발생할 것으로 예상된다. 다른 디스플레이 기술보다 시장 진입이 쉬울 것으로 기대한다.”

삼성전자가 오는 5월 89인치 마이크로 LED TV를 선보일 계획으로 알려져 있다. 여기에 롤 전사 기술이 적용됐는지 궁금하다.

“삼성전자의 마이크로 LED TV에는 저희 롤 전사 기술이 적용되지 않았다. 저희 롤 스탬프를 이용한 전사 공정 대신에 평면 스탬프를 이용한 전사 기술이 적용된 것으로 안다. 지난해 보도에 의하면 마이크로 LED와 회로 기판 사이에 ACF(Anisotropic Conductive Film)를 이용해 전기적인 접속을 구현한다고 했다. 이번 마이크로 LED TV에서는 다른 전기적인 접속이 적용됐을 것으로 예상 한다. 전기적인 접속 물질 및 방법에 따라 적합한 전사 공정기술이 바뀔 수 있다.”

마이크로 LED 전사 공정기술이 전 세계에서 다양하게 개발되고 있는데 연구 개발 동향은 어떠한가.

“‘Electrostatic Transfer’는 미국 애플에서 인수한 LuxVue라는 회사의 기술이며, 애플이 이 방식으로 애플 워치나 애플 글라스(AR)를 개발한다는 추측이 있다. ‘Laser 전사’는 미국의 Uniqarta를 비롯해 국내·외 레이저 관련 회사와 디스플레이 관련 회사에서 활발히 개발하고 있다. ‘Rubber Stamp 방식’은 전사 기술을 처음 개발한 미국 노스웨스턴대학 John Rogers 교수가 사용한 방식이며, 미국 X-celeprint, 대만 Playnitride, 그리고 중국과 국내 여러 디스플레이 회사들이 활발히 사용하고 있는 것으로 알려져 있다. ‘자기조립 기술’은 국내 모 디스플레이 회사에서 대형 패널 제조를 목표로 활발히 개발하고 있다.”

전사 공정기술에 사용하는 소재의 국산화가 시급하다고 들었다. 이 부분에 대한 해결책은 있나.

“전사 공정용 소재 중에서 가장 중요한 것은 마이크로 LED와 회로 기판 사이에 전기적인 접속을 위한 소재다. 기존의 소재를 적용할 수도 있지만 전사 공정과 디스플레이 용도에 맞춤형으로 개발할 필요가 있다. 레이저 전사 사용은 레이저를 흡수해 변형되는 물질을 이용해 DRL(Dynamic Release Layer)을 적용하는 경우가 많은데, 이러한 DRL용 물질에 대한 개발 및 국산화가 필요하다.”

‘메타구조체’를 개발한다고 들었는데, 메타구조체란 무엇이 고 개발 현황은 어떤가.

“메타구조체는 자연계에 존재하는 물질이 지니지 못한 물성을 인위적으로 구현한 것이다. 예를 들어 자연계에 존재하는 물질은 강성(stiffness)이 항상 양수이지만, 메타구조체 중에는 강성이 음수이거나 제로(zero)인 것을 인위적으로 설계해 제작할 수 있다. 이러한 메타구조체 스탬프를 이용해 마이크로 LED를 전사하면 하중 분포가 균일해 전사 수율이 높아지는 효과가 있다. 현재 제로 강성 메타구조체를 마이크로 LED용 스탬프나 패드에 적용하기 위한 연구를 진행 중이다.”

마이크로 LED의 응용 분야가 다양한 것으로 알고 있다. 유연 디스플레이나 VR·AR에는 어떻게 적용이 가능한지 궁금하다.

“유연 디스플레이는 롤러블이나 굽힘이 가능한 형태로 구현 가능할 것이지만, 롤러블은 OLED로도 비교적 쉽게 구현 가능하다. 유연 디스플레이 중에서 신축성 디스플레이가 마이크로 LED로 구현하기에 적합하다. OLED에 비해 ‘barrier coating’ 등의 공정이 필요하지 않고 내구성이 우수하다는 점이 마이크로 LED의 장점이다. AR용은 높은 휘도와 분해능이 필요하기 때문에 마이크로 LED를 사용하는 것이 좋다. 마이크로 LED로 상용화하기 위해서는 기술적인 난제들(컬러 구현, 리페어, 전사 등)이 해결돼야 하고 시장 상황도 감안해야 하기 때문에 몇 년의 시간이 걸릴 듯하다. 높은 휘도가 필요한 스마트워치가 보다 빨리 상용화할 것으로 예상된다. TV 수준의 해상도를 지닌 유연·신축 디스플레이를 마이크로 LED로 구현하는 것은 아직 충분하진 않지만 기술적인 준비가 어느 정도 진전돼 있어서 적절한 응용 시장을 도출할 수 있다면 가까운 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 보인다.”

유연 디스플레이와 관련해 인쇄전자를 통해 만들어지는 것과 마이크로 LED를 통해 만들어지는 것에는 어떤 차이가 있나.

“인쇄전자가 공정기술을 의미하고 마이크로 LED가 발광 소자를 의미한다면 둘 사이의 비교가 적절하지 않은 것으로 안다. 인쇄전자로 제작하는 유연 디스플레이는 OLED를 발광 소자로 주로 이용하며, 해상도가 매우 낮은 디스플레이에 간단한 텍스트나 도형 등을 표시하는 용도나 조명 용도로 적합하다. 마이크로 LED는 인쇄전자로 만든 회로 기판에도 적용 가능하고 반도체 공정으로 만든 회로 기판에도 적용 가능하기 때문에 저해상도 디스플레이에서부터 고해상도 디스플레이까지 적용이 가능하다.”

연구·개발한 기술로 미래 사회가 이렇게 변화하면 좋겠다는 바람이 있나.

“지금까지 디스플레이 패널은 대기업 외에는 제조할 수 없었지만, 마이크로 LED 디스플레이 패널은 전사 기술만 있으면 작은 기업도 패널을 제조할 수 있다. 대기업 중심으로 제조된 패널은 규격화된 크기와 형태를 지닌 소품종 대량생산 패널(TV·스마트폰)이 전부다. 그러나 중소·중견기업이 제조하는 패널은 매우 다양한 크기와 형태(원형·타원형·별모양 패널 등)를 지닐 수 있고, 용도에따라 신축되거나 투명하거나, 건물·기둥·로봇·자율주행차 등에 부착되는 다양한 응용처를 지닐 것으로 예상한다. 미래 사회에는 색다른 형태와 폼팩터를 지닌 무한히 다양한 디스플레이가 일상생활 전반에 사용되지 않을까 기대한다.”