[첨단 헬로티] 

전세계적으로 마이크로 LED(발광다이오드)에 대한 관심이 뜨겁다. 마이크로 LED는 최근 LED 산업의 수익감소와 승자독식 시장구조로 기업들은 어려움을 겪고 있는 상황에 LED 산업과 새로운 산업과의 융합을 통해 고부가가치 시장을 창출하기 위한 방안으로 등장했다. 최근 애플이 디스프레이 시장의 가격경쟁력을 확보하기 위해 마이크로 LED에 대한 투자를 시작하면서, 업계의 관심은 더욱 높아진 상황이다. 

국내에서도 지난 3월 20일 국회에서 재정된 '광융합기술 개발 및 기반조성 지원에 관한 법률'(광융합법)의 10대 투자 기술에 마이크로 LED가 포함됐고, 이 법률은 6개월 준비 기간을 거쳐 오는 9월 21일 시행 예정이다. 이를 통해 한국은 LED 세계 시장 점유율을 현재의 9.6%에서 5년 후에 15%로 향상시키고, 수출전문기업수를 50개사까지 육성하는 것을 목표로 하고 있다. 정부는 디스플레이, 조명, 센싱 기능을 제공하는 마이크로 LED 관련 선도 기술에 2022년까지 285억 원을 투자해 4차 산업혁명에 대응하겠다는 전략이다. 

이처럼 대세로 떠오른 마이크로 LED의 시장 전망은 밝다. 시장조사기관 욜(Yole)에 따르면 전세계 마이크로 LED 시장 규모는 2020년 17억 달러에서 2025년 199억 달러로 급성장할 것으로 전망된다. 먼저 스마트 와치, AR/VR 등의 기기를 통해 시장이 형성되면서 2020년 마이크로 LED의 판매대수는 1890만 대가 예상된다. 2021년 이후에는 태블릿, TV, 스마트 폰 등으로 확대해 2025년이면 3억 2900만 대로 높게 성장할 것으로 전망된다. 면적으로 보면 2020년에는 3890㎡에서 2025년에는 3만4200㎡의 생산이 예상된다. 

특허청 자료에 따르면 마이크로 LED 관련 특허출원 건수는 2016년 67건에서 지난해 120건으로 불과 1년 만에 2배에 가깝게 증가해 그 인기를 실감케 한다. 

▲ 마이크로 LED 디스플레이 시장 전망 (자료: Yole, 2017년)

마이크로 LED는 무엇? 

OLED 보다 소형화, 경령화, 저전력, 플렉서블에 유리 

마이크로 LED는 OLED 중심으로 전개되고 있는 플렉서블 디스플레이 시장에서 장기적 관점에서의 경쟁 기술로 부각되고 있다. OLED는 응답속도, 화질 등의 많은 장점에도 불구하고 대형화가 어렵고 제품수명이 짧은 단점이 따른다. 이에 비해 마이크로 LED는 소형화, 경량화, 플렉서블에 용이하고, 낮은 소비전력이 장점이다. 

그 이유는 마이크로 LED의 칩의 사이즈가 10~100㎛ 수준으로 제작됨으로써 휘어지게 만들 수 있기 때문이다. 또 OLED에 비해 대형화가 쉽고 제품수명이 높으며, 전력소모도 적게 들면서 조도가 높아 햇볕 등 강한 빛 아래에서도 잘 보인다. 

특히 마이크로 LED 전력 소모 면에서 OLED 대비 5배~10배 이상의 전력 절감 효과가 있고, 100인치 이상의 대형 디스플레이를 양산할 수 있다. 그러나 수십~백만개의 LED 칩 부착에 따른 원가 폭증 문제는 해결해야할 점이다. 

또 마이크로 LED는 픽셀 밀도에 따라 다양하게 응용될 수 있다. 대개 200ppi 이하에서는 TV와 데스크탑용 디스플레이에 적용이 가능하며, 400ppi 이상에서는 스마트폰, 스마트와치, 스마트글라스, AR/VR 기기 등에 적용된다. 더불어 200인치 이상 초대형 전광판 등 대형 디스플레이 뿐 아니라, 1인치 이하의 초소형화도 가능해 VR/AR 디바이스 적용률이 높을 것이다. 무엇보다도 마이크로 LED는 주문 제작이 용이해 미래에 도래할 것으로 예상되는 다품종 소량의 시장환경에 매우 적합하다. 따라서 향후 유연성과 내구성이 확보된 플렉서블 마이크로 LED 기술과 낮은 생산원가의 공정기술이 개발되면 시장에서의 파급력은 매우 높을 것으로 예상된다. 

마이크로 LED 기술 개발은 진행 중(Ing..) 

마이크로 LED는 길이가 30마이크로미터(1㎛=0.001㎜)에 불과하며, 현재 디스플레이에 사용되는 LED칩(약 300㎛)보다 길이는 10분의 1, 면적은 100분의 1 정도로 미세하다. 따라서 웨이퍼 상에서 칩을 분리하는 것조차 쉽지 않고 패키징(기판 부착 및 전극 연결)하는데도 오랜 시간이 소요된다는 점이 단점이다. 마이크로 LED를 LED칩과 같이 생산하려면 산술상으로만 따져도 100배 빠른 장비를 개발하거나 장비 100대를 추가해야하는 상황이다. 

또 마이크로 LED 디스플레이의 핵심기술에는 마이크로 수준의 광원 제조 기술과 박막 GaN층을 유연한 기판에 전사(Transfer)하는 기술 등 2가지가 요구된다. 

먼저 플렉서블 소자·소재를 기반으로 얇고 유연한 100㎛ 이하의 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) LED 마이크로 칩을 제조하는 기술이 필수다. (GaN on sapphire) LED를 제조하는 방법 중에서는 사파이어 기판 상에 LED 층을 형성시키는 방법이 가장 일반적이다. 다음으로는 크기가 작은 수백만 개 이상의 마이크로 LED 디스플레이 칩들을 플렉서블이나 평면 기판 상에 정밀하고 빠른 속도로 이송하는 정밀한 전사 기술이 필요하다. 전자 기술은 단일 또는 다수의 마이크로 LED를 상대기판에 이송하는 일련의 행위로 이해하면 된다. 

현재까지 무기물 GaN 기반의 마이크로 LED 광원과 전사공정을 개발 완료해 상용화한 기업은 아직 전 세계적으로 없는 상황이다. 

그 밖에 마이크로 LED는 일정 크기의 LED를 마이크로 셀(Micro-cell) 단위로 칩(전기적)을 분리하고, 마이크로 LED 매트릭스(Matrix)와 Si CMOS 기판 사이의 고정밀 본딩(Bonding) 기술이 필요하다.

마이크로 LED, 제 4차산업에서 꼭 필요한 기술로 부상 

마이크로 LED는 플렉서블 디스플레이, 섬유와 LED가 결합한 스마트 섬유, 인체 부착 또는 삽입형 의료기기, 바이오 콘택트렌즈, HMD, 무선통신, 자동차 등의 분야에서 광범위하게 활용할 수 있다. 

디스플레이 : LED는 청색, 녹색, 적색 화소를 적용해 디지털 사이니지, 문자광고 등의 대형 전광판으로 활용되고 있으며, 수십 마이크로 이하의 굴곡이 가능한 광원으로 제작을 통해 플렉서블 디스플레이에 적용할 수 있다. 최근 대형 TV 시장 중심으로 마이크로 LED가 적용된 제품이 출시되고 있는 상황이다.  

▲ 플레서블 디스플레이

의료·바이오 : LED는 저출력 레이저 치료법(Low Level Laser Therapy)와 비슷한 역할을 가진 의료용 광원이다. 기존의 레이저에 비해 조직세포의 손상이 적고, 가격이 저렴하고, 낮은 소비전력에서 동작 가능해 다양한 파장의 광원을 제공한다는 장점이 있다. 따라서 더 미세한 마이크로 LED를 사용하면 인체의 세포나 조직에 조사되면 광생체조절(Photobiomodulation)능력을 나타냄으로써 세포나 조직을 활성화시키기 때문에 피부질환 치료에 활용될 수 있다.

자동차 : 자동차 분야에서 LED는 실내외 조명으로서 다양한 형태의 제품이 출시되고 있는데, 최근에는 전방의 빛을 조사하는 분해능을 높여주기 위해 마이크로 LED를 적용한 기술개발이 한창이다. 최근 라이다 센서의 경우, 1µm 이하 파장의 근적외선 마이크로 LED와 광학계 개발을 통해 원가 절감과 성능을 동시에 만족시키는 기술이 개발되고 있다. 

통신 : LED 통신은 OWC(Optical Wireless Com-munication) 표준을 IEEE에서 재정해 LED-ID, OCC(Optical Camera Communication), Li-Fi(Light Fidelity)등의 3가지 방식으로 분류하고 있다. 그 중 LED-ID는 휴대용 단말기 송신부 LED 태그(Tag)와 PD 혹은 이미지센서를 인식장치로 활용해 고유식별정보를 전달하는 기술이다. 이 기술은 출입보안, 실내위치정보 서비스를 제공하는 응용제품으로 활용 될 수 있다. OCC는 송신부 LED와 수신부 이미지 센서를 적용한 통신기술로 일반적인 카메라에도 적용이 가능한 기술로서 상용화에 가장 근접한 통신방식이다. Li-Fi는 2011년 처음 제안된 기술이며, 초기에는 선박간 통신, 자동차 헤드라이트에 적용됐으나, 현재는 전파상용이 불가능한 비행기, 병원, 수중 등에서 상용화 기술을 개발하고 있는 중이다. 

웨어러블 : 마이크로 LED는 웨어러블 디바이스의 디스플레이, 섬유와 LED가 결합된 스마트 섬유, 바이오 콘택트렌즈, HMD(Head Mounted Display)에 활용될 수 있다. 뿐만 아니라 의료 분야에서 인체 부착 가능한 의료용 패치와 생체조직과 일체화된 전자장치에 이식해 신경세포 활성화, 치료/진단 등의 목적의 웨어러블 기기에도 활용할 수도 있다.

* 본 기사는 <애플, 구글까지 뛰어든 마이크로 LED 시장 각축전 ②>로 이어진다.