롤 전사를 이용한 마이크로 LED 제조 기술

자료제공 : 미래창조과학부

미래창조과학부 산하 한국기계연구원이 롤 전사를 이용한 마이크로 LED 디스플레이 제조 기술을 세계 최초로 개발했다. 생산속도를 획기적으로 개선할 수 있는 기술로 향후 세계 시장 선점과 함께 관련 국내 산업의 성장을 견인할 것으로 기대를 모은다. 이 기술의 주요 특징은 전력 소모량 1/2 수준으로 절감, 생산 시간 1만 배 단축이다.

마이크로 LED 디스플레이의 필요성
AI(인공지능)와 IoT, 빅데이터 등 제4차 산업혁명 시대에는 대량의 정보를 주고받기 위한 다양한 형태의 디스플레이 기술이 필요하다. 현재 대부분의 디스플레이 시장은 LCD(Liquid Crystal Display)와 OLED(Organic Light-Emitting Diode:유기 발광 다이오드) 디스플레이가 점유하고 있지만, 이들 디스플레이보다 신축성이 있고, 전력 소모량은 적으면서, 자유로운 형태를 지닌 차세대 디스플레이 개발에 대한 수요가 증가하고 있다.
세계적으로는 애플이 2018년에 마이크로 LED 디스플레이를 적용한 웨어러블 기기를 출시할 것으로 알려져 있고, 소니와 대만 ITRI, 아일랜드의 X-celeprint 등이 마이크로 LED를 적용한 TV, 마이크로 디스플레이 등을 구현하고 있다. 이들 기업들은 아직 마이크로 LED 디스플레이의 생산성을 높이는 데에 어려움을 겪고 있으며, 높은 생산 단가와 낮은 생산 수율을 극복하는 것이 상용화의 최대 숙제로 알려져 있다.
연구팀이 개발한 롤 전사 공정을 이용하면 전력 소모가 적으면서도 기계적인 신뢰성이 높고, 신축성까지 갖춘 ‘마이크로 LED 디스플레이’의 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

이번 연구 성과를 활용하면 기계적인 신뢰성이 높고 자유자재로 형태가 바뀌는 투명 디스플레이 등 차세대 디스플레이로 주목받는 마이크로 LED 디스플레이를 기존 LED 디스플레이 보다 평균 1만 배 빨리 제작할 수 있다. 롤 전사 공정은 기계연이 원천 특허를 보유하고 있는 기술이다. 롤에 잉크를 묻히듯이 TFT 소자를 들어 올려 원하는 기판에 내려놓고, 다시 LED 소자를 들어올려 TFT 소자가 배치된 된 기판 위에 내려놓으면 두 소자가 결합된 구조의 능동 매트릭스형 마이크로 LED 디스플레이가 완성된다.
이처럼 제작 단계가 단축되면서 생산속도는 혁신적으로 빨라졌다. 기존 LED 디스플레이를 제작하는 다이본더 장비는 초당 1~10개의 LED를 기판에 부착할 수 있지만, 롤 전사 기술을 이용하면 초당 1만여 개 이상의 LED를 전사할 수 있다. 기존 방식으로 풀HD급 200만 화소의 100인치 디지털 사이니지(Digital Signage)를 제작할 경우 30일 이상이 소요되지만, 롤 전사 공정을 이용하면 1시간 안에 제작할 수 있고 공정비용도 크게 절감된다.
<그림 4>는 롤 전사 공정을 이용하여 실리콘 TFT와 무기 LED를 정렬 중첩 전사하고, 이를 다시 신축성 기판 위에 전사하는 과정을 나타낸 모식도 이다.

마이크로 LED 디스플레이
시장의 흐름에 따라 마이크로 LED는 고밀도화와 고효율화, 투명화, 유연화에 적합한 차세대 광원으로 발전하고 있다. 마이크로 LED 디스플레이는 각 화소에 단결정 무기물로 구성된 마이크로 LED를 배치하여 반응속도와 발광효율을 혁신적으로 개선한 디스플레이이다. 구체적으로는 OLED 보다 발광효율이 3배가량 높고, 전력소모는 약 1/2로 적다. OLED보다 내구성이 매우 우수하여, 자율주행 자동차용 디스플레이, 모바일 및 웨어러블 디스플레이에 적용할 수 있으며 투명 디스플레이도 적합 하다. 또한 기판에 대한 제약도 없어 신축성 있고 투명한 고무 기판 위에도 전사할 수 있다. 자유자재로 형태가 바뀌는 투명 디스플레이의 제작도 가능할 전망이다.

마이크로 LED 디스플레이의 전망
시장조사 전문기관인 ‘Market&Markets’의 전망에 따르면 마이크로 LED 시장은 2017년 2억 5000만 달러 규모에서 2025년 199억2000만 달러 규모까지 연평균 54.7%씩 성장할 것으로 예측된다. 이중 디스플레이 분야가 2025년 전체 시장의 98%를 차지할 것으로 전망되고 있다.마이크로 LED 디스플레이는 OLED 디스플레이 이후의 차세대 디스플레이로 주목 받아 왔지만, 생산기술의 부재로 상용화가 어려웠다. 하지만 본 성과를 통하여 마이크로 LED 디스플레이를 양산할 수 있는 생산 장비, 공정, 소재 원천 기술이 확보된 것이다. 롤 전사 공정은 마이크로 LED 디스플레이의 생산에 직접 적용이 가능하며, 생산 장비 원천 기술로서, 고효율 유연 태양전지, 고성능 유연 실리콘 반도체, 고효율 유연 압전 소자 등의 생산에 적용이 가능하다.
현재 일부 기술은 마이크로 LED 기반 디지털 사이니지 분야에 기술 이전되었으며, 1년 내에 실용화될 것으로 전망된다. 하지만 그에 앞서 롤 전사 기술에 대한 전문 생산 인력의 육성, 보다 작은 마이크로 LED의 전사를 위한 장비, 공정, 소재 기술 개발,AR/VR용 고해상도 마이크로 LED 디스플레이용 backplane 제조 기술 개발이 실용화를 위한 과제로 남아있다.

기술이전 계약 6건 체결

모두 6개 기업에 아래와 같이 기술을 이전받았다. 특히 ㈜루멘스와 기술이전 협상 과정에서 기술사업화 조직의 노력으로 장비 매출에 대한 기술료 뿐 아니라 제품 생산 시 매출액에 대해서도 기술료를 받기로 하는 성과도 거뒀다.
디스플레이 분야 중견기업인 ㈜루멘스에는 LED 롤 전사 기술을 이용한 디지털 사이니지 제조 장비 및 제조 공정 기술을 이전했다. 향후 루멘스가 마이크로 LED 디스플레이 양산 라인을 구축하면, 우리나라가 해당 분야의 세계적인 주도권을 확보할 뿐만 아니라 중소·중견 기업을 포함하는 국내 산업 생태계 조성에도 크게 이바지할 것으로 기대된다. 기계연은 이번 성과 보고회에서 중견기업인 ㈜루멘스와 보다 다양한 기술협력을 위한 MOU체결했다.
기계연 김재현 실장은 “정보의 유통이 크게 증가할 제4차 산업혁명 시대에는 대량의 정보를 실시간으로 전달하는 빠른 디스플레이, 다양한 형태 변화가 가능한 소비자 적응형 신축성 디스플레이, 전력 소모가 적은 초고해상도 증강현실용 투명 디스플레이 등 새로운 기술에 대한 수요가 급증하고 있는 상황이다.”라고 말했다.