한편에선 OLED가 시장에 완전히 자리 잡기 전에 차세대 디스플레이라고 불리는 ‘마이크로 LED’ 연구에 박차를 가하고 있다. 마이크로 LED의 특징으로는 칩 크기가 5~10마이크로미터(㎛)에 불과하고, 패키지 과정 필요 없이 LED 칩 자체를 화소로 활용할 수 있으며, 기존 LED보다 유연한 장점을 갖고 있다. 

차세대 디스플레이로 시장에서 기대주로 떠오르고 있는 마이크로 LED에 대해 문대규 순천향대학교 디스플레이 신소재공학과 교수와 정군호 루멘스 기획팀 부장을 만나 마이크로 LED 현황과 해결 과제에 대해 들어봤다.

소형 디바이스와 대형 디바이스에서의 경쟁력
사실 최근 까지도 디스플레이 시장에서 마이크로 LED를 얘기할 때, 빼놓지 않고 등장하는 단어는 ‘비용’이다. 공정기술이나 정형화된 패턴 기술이 없다는 것 외에도, 단순히 각 픽셀 마다 LED를 사용해야 한다는 점부터 비용이 언급될 수밖에 없다.

이와 관련해 문대규 순천향대 교수는 ”마이크로 LED는 기존 디스플레이가 커버하지 못하는 영역을 커버할 수 있을 것으로 생각한다. 사실 비용적인 측면을 부정적으로 보는 시각이 있는데 소형 사이즈 시장에서는 마이크로 LED나 기존 LED도 마찬가지로 비용적인 문제는 크지 않을 가능성이 높다. 공정 비용이 비싼 디스플레이도 감가상각이 줄기 때문에 한 마디로 사이즈가 작은 쪽에서는 비싼 디스플레이를 써도 큰 차이가 나지 않는다고 보면 된다”고 말했다.

이어 “오히려 마이크로 LED는 해상도나 가격 면에서 기존 디스플레이보다 유리할 것으로 본다. 특히 100인치 이상의 디스플레이에서 기존 LCD와 OLED는 양산이 힘들고, 만든다 해도 비용이 많이 올라간다”고 설명했다.

본격적인 양산에 접어 들고 있는 8~10세대 이상의 LCD 디스플레이나 OLED는 100인치 내외의 디스플레이만 구현 가능하다. 다시 말하면 기존 LCD나 OLED로 200인치 전광판 제작은 어렵다는 것이다. 문대규 교수는 “결론적으로 대형 디스플레이를 제작 하는데 있어, 기존 디스플레이가 갖는 한계를 마이크로 LED는 극복할 수 있을 것으로 보인다”며 “특히 일반적으로 마이크로 LED가 비용적인 측면에서 단점이 있다고 생각하는데, 오히려 대형 디스플레이에서의 내구성과 더불어 비용적인 면에서도 장점을 가질 수가 있다고 본다”고 말했다.

소형 디바이스의 소비 전력 개선 
소형 디바이스, 예를 들면 웨어러블 기기나 스마트 워치, VR-AR등의 공통점은 완충 후 지속시간이 길지 않다는 점이다. 디바이스의 소비전력에 영향을 미치는 것은 여러 요소가 있지만, 가장 중요한 요소는 전력 효율이다. 이에 문대규 교수는 “마이크로 LED는 기존 디스플레이 비해 전력 효율이 훨씬 높다. 그래서 마이크로 LED를 탑재한 디바이스들은 소비 전력을 줄일 수 있을 것으로 기대된다”며 “애플도 전력 효율과 해상도가 좋은 디바이스가 차후 산업에서 경쟁력을 갖출 것으로 보기 때문에, 마이크로 LED 분야에 투자를 늘리고 있는 것”이라고 말했다.

마이크로 LED가 소비 전력에 긍정적인 영향을 미친다면, 스마트폰에도 탑재를 예상할 수 있지 않겠냐는 물음엔 “확실하게 말할 수 있는 단계는 아니지만 스마트폰 적용 가능성에 대해선 비용이나, 효율을 따져봤을 때 당분간은 ‘전혀’ 고려하지 않을 것"이라고 선을 그었다.

▲ (사진자료=flatpanelshd.com)

마이크로 LED, OLED와의 경쟁
마이크로 LED가 OLED처럼 상용화된다 가정했을 때 결국 중요한 부분은 디바이스의 ‘사이즈’다. 마이크로 LED가 시장에서 경쟁력을 갖출 수 있을 것인지는 디바이스의 사이즈에 의해 결정될 것이다. 이와 관련해 문대규 교수는 “중간 사이즈 시장에서는 앞서 말 한 것처럼 경쟁력을 갖추기는 조금 어렵다고 본다. 중간 시장에서 갖춰져 있는 성숙된 기술과 공정 인프라를 마이크로 LED가 진입하기엔 비용 부담이 크다”며 “사실 마이크로 LED가 상용화되기까지는 시간이 걸릴 것으로 생각한다”고 말했다.

이어 “마이크로 LED는 아직 레시피라고 할 수 있는 것이 정립되지 않았고 이제 막 많은 가지에서 가지치기 해 나가고 있는 과정이기 때문에 시간이 필요할 것”이라고 정리하며 “요컨대 상용화를 얘기하기 앞서, 먼저 마이크로 LED 제조공정에서 RGB 화소를 어떻게 배열하고 전사를 어떻게 하느냐는 기본적인 부분도 통일이 안 됐다. 이 때문에 먼저 여러 기술의 갈래를 유력한 기술의 갈래로 통일 하는 것이 선행돼야 한다”고 설명했다.

국내 시장에서의 마이크로 LED 
국내외 마이크로 LED 기술 현황에 대해 문대규 교수는 다소 회의적인 시각과 긍정적인 시각을 동시에 내 비췄다 “우리나라에서 LED는 디스플레이 군이 아니다 산업 분야 자체가 애매하다. 또한, 우리나라는 상용화가 명확하게 보여야 기업이나 연구진이 뛰어들지만, 해외는 가능성이 조금이라도 보이면 뛰어드는 경향이 있다. 그 부분이 해외와 기술 차이를 보이는 것”이라며 “해외에서는 마이크로 LED 기술이 앞서 말 한 것처럼 여러 갈래의 기술 중 몇 갈래로 축약됐지만, 우리나라는 아직 포괄적 연구 수준”이라고 밝혔다.

한편, 국내 투자가 부족한 것이 삼성이나 LG가 가지고 있는 독보적인 기존 디스플레이 공정 인프라 때문이 아니냐는 의견에 문대규 교수는 “그 의견에는 동의하지 않는다. 이미 두 기업들도 마이크로 LED를 연구하고 있는 것으로 안다. 다만 적극적인 움직임이 아닐뿐 이다. 만약 소형 디바이스 시장이 좀 더 성장 한다면, 마이크로 LED 연구에 분명한 움직임을 취할 것으로 예상한다”고 의견을 내비쳤다.

현재 디스플레이 시장은 앞서 말한 것처럼 LCD와 OLED가 양분하고 있는 추세고, 점점 LCD에서 OLED로 넘어가고 있다. 이런 상황에서 마이크로 LED가 갖는 이점은 무엇일까, 루멘스 정군호 부장은 “마이크로 LED는 수백만 개의 LED가 디스플레이를 구성 하기 때문에, 효율은 기존 디스플레이보다 뛰어나다. 하지만 현재 양산화가 진행되지 않았기 때문에 당연히 기존 LED보다 생산비용이 높다”고 설명했다. 

▲ 마이크로 LED 실물 사진 (사진자료=루멘스)

상용화 단계, 아직 논하긴 이르다
기존의 LED 산업과 LCD 산업은 양산 체계를 갖춘 성숙 단계라고 볼 수 있다. 하지만 마이크로 LED는 상용화되려면 공정기술이 조금 더 성숙해야 한다. 이와 관련해 정군호 루멘스 부장은 “아직 시장에서 마이크로 LED를 양산하는 단계는 아니다. 루멘스의 자체적인 목표는 올해 하반기 마이크로 LED를 적용한 제품을 출시하는 것”이라고 말했다. 

마이크로 LED는 앞서 말한 것처럼 중간 디스플레이 시장보다 결국 소형 디스플레이나 대형 디스플레이 시장을 집중 공략할 것으로 보인다. 정군호 부장은 “루멘스도 대형 디스플레이 시장에서 마이크로 LED 적용 제품을 선보일 것이다. 첫째로 디지털 사이니지(signage) 제품을 선보일 것이고 두 번째는 HMD 관련 제품을 연내에 출시하는 것이 목표”라고 밝혔다. 

마이크로 LED 제품을 상용화시키기 위해서는 앞서 문대규 교수가 언급한 것처럼 전사 기술이나 공정 노하우가 명확하게 확립돼야 한다. 언론에서 마이크로 LED 상용화에 대한 소식을 간혹 접할 수 있지만, 엄밀히 말하면 아직 마이크로 LED를 상용화에 성공한 업체는 국내외를 막론하고 존재하지 않는다고 봐도 과언은 아니다.

마이크로 LED의 상용화 시기를 단정 짓지 못하는 이유는 전사-공정 기술 외에 기본적으로 공정 장비나 테스트 장비가 필요하고, 불량에 대한 솔루션 등 기본적인 제반이 확충되지 않은 상황에서 상용화 시기를 섣불리 예단하기 어렵기 때문이다.

제조 공정에 있어 직면한 과제 
현재 마이크로 LED를 연구하는 데 있어 어려운 문제 중 하나는 컬러를 구현하는 것이다. 컬러를 구현 하려면 R.G.B 세 가지 칩을 한 번에 집적 해야 한다. 기술적인 어려움이 있는 부분은 R(레드)칩 이다. 이 문제를 해결하기 위해 통상적으로 나노 형광체 기법이나, 블루-그린 필터를 써서 색 변환을 시도하지만, 만족스러운 결과는 얻지는 못하고 있다.

이에 정군호 부장은 “아직 국내에서 마이크로 단위에서 컬러를 구현할 수 있는 업체는 없는 것으로 안다”며 컬러 구현 후 LED 사이즈의 변화 유무에 대해서는 “현재 마이크로 LED는 한 칩당 사이즈가 8마이크로 인데, 이는 모노타입 기준이다. 컬러를 구현했을 때 칩간 간격을 고려해 30 마이크로 사이즈가 될 것”이라고 설명했다. 

또 다른 문제는 본딩이다. 초소형의 마이크로 LED에 적합한 본딩 기술을 확보하는 과정은 어렵다. 정군호 부장은 “루멘스는 다소 까다로운 마이크로 LED의 본딩과정에서 자체 기술은 이미 확보했다. 현재 개발 단계는 플립칩 형태의 모노 타입인데, 금년 하반기에 컬러 타입 구현을 목표로 하고 있다”고 설명했다. 

이어 정군호 부장은 “기존 LED 공정과 마이크로 LED 제조 공정은 다소 차이가 있다. 마이크로 LED는 패키징 공정이 없고 본딩 공정으로 되어 있다. 또 하나 중요한 것이 전사 기법인데 아직 표준화 된 전사 기법 은 없어 논할 단계는 아니다”고 말했다.

시장조사기관인 LED 인사이드는 3~4년 후면 마이크로 LED 시장은 LCD 시장을 대체해 약 34조 원에서 45조 원 규모의 시장을 형성할 것으로 내다봤다. 이는 예상일 뿐이지만 2014년 애플이 마이크로 LED 연구 기업 럭스뷰 테크놀로지를 인수한 것을 필두로 오큘러스가 인피니 LED를 2016년에 인수하며 기업들도 마이크로 LED의 시장가치를 인정하는 분위기다.

일본의 경우도 소니가 먼저 마이크로 LED를 적용한 클레디스를 선보였고 재팬디스플레이(JDI)도 마이크로 LED 개발에 뛰어들었다. 각국의 유수 기업들이 마이크로 LED 시장을 선점하기 위해 물밑 경쟁이 시작됐다. 반면 국내 기업들의 마이크로 LED 기술은 해외 기업에 비해 부족한 것이 현실이다. 이에 대해 문대규 교수는 “국내 기업들도 적극적으로 마이크로 LED에 투자한다면, 해외 마이크로 LED 기술을 따라잡는 것은 시간문제"라고 밝혔다.