미래의 기술인 마이크로 LED 디스플레이와 이를 지원할 수 있는 입자 배열 ACF인 ArrayFIX입니다

마이크로 LED 디스플레이: 혁신적인 디스플레이 기술

2024년 현재 전 세계 전자 제품 제조업체는 차세대 디스플레이 기술로 Micro LED라는 새로운 기술에 집중하고 있습니다. 오랜 세월 동안 연구 대상이 되어 왔지만 드디어 다양한 용도로 실용화되고 있으며 그 활용은 급속히 확산될 것으로 예상됩니다.

'발광다이오드'라고도 불리는 LED(Light Emitting Diode)는 1996년 백색 LED가 개발된 이래 촛불, 백열전구, 형광등에 이어 '제4세대의 불빛'으로 빠르게 전세계에 보급되었습니다. LED 조명은 발광 효율이 높고, 소비 전력은 낮고, 수명이 길다고 하는 뛰어난 특징을 가지기 때문에, 종래의 전구나 형광등에 대신해 널리 사용되게 되어 있습니다.

마이크로 LED는 개별 LED 칩의 크기가 매우 작아 한 면의 10분의 1mm 미만인 LED 유형입니다.  일반적인 LED 칩은 각 면이 1mm 이상이지만 miniLED로 알려진 더 작은 버전은 약 100-200마이크로미터입니다. 마이크로 LED는 100마이크로미터 미만으로 훨씬 더 작습니다.

이 기사에서는 100마이크로미터 미만의 마이크로 LED가 평면 패널에 배열되어 디스플레이를 형성하는 마이크로 LED 디스플레이에 초점을 맞춥니다. 높은 밝기와 이미지 품질은 웨어러블 장치뿐만 아니라 사이니지 및 TV와 같은 대형 디스플레이의 응용 분야에 대한 기대치를 높였습니다. 많은 주요 전자 제품 제조업체가 개발 노력에 참여해 왔으며 일부 선구적인 회사는 이미 실외 디스플레이를 상용화했습니다. 마이크로 LED 디스플레이는 북미 PC 제조업체의 직판점과 같은 장소에 설치되었습니다.

마이크로 LED로 컬러 이미지를 만들기 위해 LED 칩으로 빨간색, 녹색, 파란색의 세 가지 기본 색상을 생성하고 결합하여 하나의 픽셀을 형성합니다. 마이크로 LED 디스플레이는 개별 LED의 밝기를 정밀하게 제어하여 정확한 색상을 표시할 수 있으며 전체 디스플레이에서 각 픽셀을 제어하여 이미지를 생성할 수 있습니다. 원칙은 스포츠 경기장의 대형 스크린에 운동 선수가 표시되는 방식과 동일합니다. 그러나 마이크로 LED 디스플레이를 사용하면 각 개별 광원이 경기장 스크린의 광원보다 훨씬 작기 때문에 시청자는 가까이에서 훨씬 더 상세한 이미지를 즐길 수 있습니다.

LCD와 OLED에 비해 Micro LED의 장점

LED 소자의 특징은, 스스로가 빛을 발하는 「자 발광 소자」인 것입니다. 그 때문에 종래의 액정 디스플레이보다 밝고, 휘도를 높게 할 수 있어 콘트라스트비가 높은 영상을 출력 가능합니다. 액정 디스플레이의 경우, 백라이트의 빛(백색광)을 액정의 배면으로부터 조사해, 컬러 필터로 착색하는 것으로 화소를 표현하기 위해, 전력으로부터 영상으로의 변환 효율에 원리적인 한계가 있었습니다. 또, 액정 분자의 특성을 이용하여 투과하는 빛의 양을 조절합니다만, 완전히 백라이트의 빛을 차단할 수 없기 때문에, 아무래도 화면에 빛 누설이 발생해 버려(새까맣게 하는 것이 어렵게), 명암의 콘트라스트를 높이는 것이 곤란했습니다. 또한 액정 분자의 움직임은 제어 신호의 변화에 대한 응답에 시간이 걸리고, 격렬한 움직임이 있는 영상이나 스포츠 등의 영상은 추종이 어렵고 잔상이 발생한다는 문제가 있었습니다. 그 문제의 개선을 위해 액정 디스플레이에서는 프레임(영상의 1 프레임) 전후에 이미지 엔진으로 만들어낸 영상을 끼워 표시하는 "배속 구동 기술"이 개발되고 있습니다만, 잔상 문제의 본질적인 해결에는 이르지 않았습니다.

한편, LED 디스플레이는 하나하나의 화소를 순간적으로 점등/소등할 수 있기 때문에, 액정 디스플레이에 비해 응답이 뛰어나고, 덧붙여 화소 단위로 명암을 뚜렷하게 시킬 수 있기 때문에, 구조적으로 광 누설과 같은 문제가 일어나지 않습니다. 또한 백라이트가 없기 때문에 전력 효율도 우수합니다. 웨어러블 디바이스나 AR 스마트 글라스 등으로 이용이 기대되는 것도, 전력 소비량이 작고 배터리로 장시간 가동해, 휘도가 높기 때문에 태양광으로 밝은 야외에서도 고화질 표시가 가능해지기 때문입니다. 또한 백라이트나 편광판, 확산판 등의 부품이 필요 없기 때문에 액정에 비해 디스플레이를 얇게 할 수 있습니다.

참조: https://www.ite.or.jp/contents/keywords/1909keyword.pdf

유기 LED 또는 OLED라는 또 다른 디스플레이 기술이 있지만 마이크로 LED 디스플레이는 OLED에 비해 장점이 있습니다. OLED 디스플레이는 유기 화합물을 사용하여 빛을 방출하기 때문에 산소와 빛으로 인해 시간이 지남에 따라 성능이 저하되기 쉽습니다. 결과적으로 장기적인 내구성에 문제가 있다고 합니다. 반면에 Micro LED 디스플레이의 LED 칩은 무기 재료로 만들어집니다. 이를 통해 내구성이 향상되고 OLED 디스플레이에서 볼 수 있는 이미지 번인(burn-in) 및 이미지 품질 저하 문제를 방지할 수 있습니다.

번인 및 화질 저하 문제를 해결하기 위해 OLED는 낮은 밝기의 디스플레이를 사용합니다. Micro LED는 이러한 문제가 적기 때문에 OLED보다 더 나은 화질을 제공할 수 있습니다.

Micro LED 디스플레이의 실용화를 위한 과제

마이크로 LED 디스플레이는 구조와 작동 방식에서 많은 이점을 누리고 있어 이상적인 디스플레이 기술처럼 보입니다. 그러나 다양한 과제가 널리 사용되는 데 방해가 되며 2024년 현재 세계 시장에서 존재감이 거의 없습니다. 널리 채택되려면 비용 문제를 극복해야 합니다. 이렇게 높은 비용의 원인은 구조적 문제에 있습니다.

• 비용
  한국의 주요 전자제품 제조업체가 2022년 마이크로 LED 디스플레이가 장착된 TV를 판매하기 시작했을 때 89인치 모델은 약 80,000달러, 110인치 모델은 약 150,000달러로 매우 비쌌습니다. 2024년 9월 현재에도 마이크로 LED TV 가격은 일반 소비자의 가격대를 훨씬 벗어나 매우 높은 수준을 유지하고 있습니다. 다음과 같은 제조 문제가 이러한 높은 가격에 큰 역할을 합니다.

• 제조업의 과제
  마이크로 LED 디스플레이를 제조하기 위해서는 회로 기판의 픽셀을 구성하는 마이크로 LED 소자를 갭 없이 조밀한 어레이로 배치해야 합니다. 이미 널리 보급된 4K 디스플레이 중 하나를 만들려면 800만 개 이상의 픽셀이 필요합니다. 각 픽셀에 적색, 녹색 및 청색 LED를 정렬하여 이를 맞추려면 2,400만 개의 마이크로 LED를 정확하게 배열하고 연결해야 합니다. 8K 디스플레이의 경우 약 1억 개가 필요합니다.
  
  2024년 현재 "픽 앤 플레이스(pick and place)"라는 프로세스가 디스플레이에 마이크로 LED를 배치하는 기본 방법입니다. 각 개별 LED 칩을 선택하여 회로 기판의 해당 위치로 이동하고 연결합니다. 문제는 칩의 수가 많기 때문에 시간이 매우 오래 걸린다는 것입니다. 약 10년 전, 마이크로 LED 디스플레이의 개발이 시작되었을 때, 하나의 디스플레이를 제조하는 데 몇 달이 걸릴 수 있다고 합니다. LED 칩의 비용은 또 다른 문제입니다. LED 칩 한 개당 가격이 1엔인 경우 4K TV 디스플레이를 만드는 데 필요한 마이크로 LED의 가격은 2,400만 엔입니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 다양한 제조업체가 웨이퍼에 여러 개의 LED를 형성하고 LED 칩의 대량 전달과 같은 기술을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 그러나 대량 전송 기술을 사용하더라도 단일 4K 디스플레이를 제조하는 데 약 5일이 걸리는 것 같습니다. 또한 매우 작은 공간에 Micro LED를 배치하는 것 외에도 불량률이 낮은 안정적인 제조 공정을 확립해야 합니다.

이러한 과제에도 불구하고 마이크로 LED 디스플레이가 차세대 디스플레이가 될 것이라는 기대는 높으며 새로운 기술 개발 경쟁은 계속될 것이 확실합니다. 기술 확보를 위한 기업 인수 및 비즈니스 파트너십 활동도 높은데, 이는 신제품에 대한 높은 기대치에 힘입어 이루어집니다. 예를 들어, 북미의 주요 IT 회사가 관련 기술이 많은 스타트업을 인수했다는 이야기가 많이 있습니다. 대형 전자 제품 소매점과 대형 옥외 스크린에서 아름다운 이미지를 보여주는 마이크로 LED 디스플레이를 볼 수 있는 더 많은 기회가 있을 것입니다.

ArrayFIX의 Micro LED 디스플레이 생산 지원 잠재력

급속한 기술 개발이 계속됨에 따라 Dexerials는 혁신적인 마이크로 LED 디스플레이를 위한 다양한 솔루션을 제공할 수 있을 것입니다. 한 가지 주요 예는 자체 스퍼터링 기술로 제조된 반사 방지 필름과 같은 광학 필름입니다. 그들은 이미 기존 LCD 및 OLED 디스플레이에 널리 사용되고 있습니다. 또 다른 예는 광학 투명 수지의 일종인 광학 탄성 수지(SVR)입니다. 또한 당사의 많은 ACF(Anisotropic Conductive Film) 모델은 디스플레이의 FPC와 회로 기판 간의 전기적 연결을 위해 LCD 및 OLED 디스플레이에 사용됩니다. 우리는 ACF가 마이크로 LED 디스플레이에도 마찬가지로 없어서는 안 될 필수 요소가 될 것으로 기대합니다.

FPC 연결 외에도 입자 배열 ACF ArrayFIX는 회로 기판에 마이크로 LED 칩을 장착하는 데 상당한 기여를 할 수 있습니다. 위에서 논의한 바와 같이 마이크로 LED 디스플레이를 만들려면 미세한 LED 칩을 사용해야 합니다. 그러나 LED 칩이 작을수록 LED 칩의 연결 단자 면적이 작아지고 연결이 더 어려워집니다. 덱세리얼즈의 ArrayFIX는 줄어드는 접속 영역에 적응하기 위해 진화를 거듭하고 있습니다. 우리는 현재 전도성 입자 직경을 더욱 줄이고 더 밀도가 높은 입자 배열을 가진 제품을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

이러한 이유로 우리는 마이크로 LED 디스플레이에 사용되는 ArrayFIX를 기대합니다. 배열된 입자는 안정적인 수의 전도성 입자를 제공하여 작은 면적에도 불구하고 낮은 저항 연결을 가능하게 합니다. 또한, 연결 후 입자가 움직이지 않는다는 점은 전극 간격이 좁아도 절연성을 유지하여 단락을 방지합니다.

ArrayFIX를 사용하여 Micro LED 칩을 실장할 때 솔더 본딩 전에 전극 단자에 Au/Sn 범프 형성 전처리가 필요하지 않다는 것이 또 다른 주요 장점입니다. 솔더 본딩은 리플로우 오븐에서 약 240°C로 가열해야 하는 반면, ArrayFIX는 약 140°C의 낮은 온도에서도 실장이 가능합니다. 이는 LED 칩의 열 손상을 줄이는 이점이 있습니다.

2023년 1월, 덱세리얼즈는 신에츠 케미컬 주식회사와 공동으로 이 ArrayFIX 기술을 기반으로 마이크로 LED 디스플레이의 혁신적인 공정 기술을 개발했습니다. 이러한 공정 기술을 통해 레이저를 사용하여 ArrayFIX를 Micro LED 칩이 장착될 위치로 전송함으로써 LED 칩을 정밀하게 장착할 수 있습니다. 이를 통해 마이크로 LED 디스플레이 제조 중 연결 결함을 줄이고 생산량을 크게 높일 수 있습니다.

앞으로도 덱세리얼즈는 차세대 디스플레이를 실현하는 최첨단 기술 혁신에 공헌함으로써 고객에게 편리하고 풍부한 영상 체험을 전달해 나갈 것입니다.