마이크로 LED 디스플레이 - 장단점(2)

마이크로 LED 디스플레이란 무엇인가요?

이론적으로 저전력, 초대형, 플렉서블까지 대응이 가능한 디스플레이 입니다. LCD와 OLED의 핵심소재가 각각 액정(Liquid Crystal), 유기재료인데 반해 Micro LED는 5~10마이크로미터(㎛) 단위의 LED 칩 자체를 발광재료로 사용합니다. 기존 LED와 구조는 비슷하지만, 크기를 5~10 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 이하로 줄인 초소형 LED로 패키지 과정이 필요 없이 LED 칩 자체를 화소로 활용합니다. OLED와 같이 백라이트가 필요 없고, 각각의 LED가 적(R)･녹(G)･청색(B)을 표현할 수 있으며, 기존 LED보다 유연하다는 장점이 있습니다. 유기물이 아닌 무기물이어서 내구성이 높아 수명이 길고, LED 특성상 전력효율도 OLED 대비 5배 정도 높일 수 있어 전력효율도 우수합니다. 또한 패널 크기나 모양도 다양하게 구현 가능합니다. 초소형 입자를 발광 재료로 쓴다는 점에서 OLED의 대항마로 꼽히고 있는 퀀텀닷 (Quantum Dot)과 비슷하지만, 저전력·소형화·경량화 측면에서는 Micro LED가 더 유리하다는 평가입니다. 전반적으로 현존하는 다른 디스플레이에 비해 밝기, 명암대비, 에너지 효율성, 응답 시간 등에서 큰 진전을 보인 기술로 평가받고 있습니다. 특히 VR·AR 디바이스를 가볍고 선명하게 만들 수 있고, 대형화도 가능하여 TV, 사이니지 시장에서도 주목받는 등 다양한 응용분야로 기대가 됩니다.

	Micro LED	OLED	LCD
발광여부	자체발광	자체발광	백라이트필요(LED)
시감도	높음	낮음	보통
휘도(cd/m2)	~105(full color)	1500(full color) ~	3000(full color) ~
	~107(blue/green)	103(yellow)	104(green)
명암비	매우높음>10,000:1	매우높음>10,000:1	200:01:00
응답시간	nanosecond (ns)	microsecond (μs)	milisecond (ms)
관리온도	-100~120℃	-50~70℃	0~60℃, 히터필요
내충격성	보통	높음	보통
수명	길다	보통	보통
비용	높음	낮음	낮음

학계나 기업의 R&D 투자가 이어지는 가운데 Apple과 Sony는 상용화에 박차를 가하고 있습니다. 2000년에 Cree사가 "빛 추출이 강화된 Micro LED array" 특허를 신청하면서 Micro LED라는 용어가 등장한 이래 관련 연구 논문들이 잇달아 발표되었습니다. 일리노이 대학교(University of Illinois), 스트라스클라이드 대학교(University of Strathclyde) 및 텍사스 기술 대학교(Texas Tech University) 등과 같은 학계의 연구 기관은 Micro LED 연구에 지속 투자를 하고 있습니다. 홍콩 과학기술대학교(Hong Kong University of Science and Technology), 대만의 NCTU(National Chiao Tung University, 국립교통대학교)와 NTHU(National Tsing Hua University, 국립 칭화대) 등을 포함한 아시아 대학들도 연구 결과를 발표했으며, 일부 연구팀은 분사, 제품 상용화 또는 기업 합류 등을 통해 산업계로 진출하고 있습니다. 일리노이 대학의 존 로저스(John Rogers) 교수는 '13년 X-celeprint를 설립, Micro LED 웨이퍼 전사(wafer transfer) 특허 관련 배타적 권리를 이전하였습니다. 스트라스클라이드 대학의 Micro LED 연구팀도 '2010년에 mLED라는 이름으로 분사를 하였습니다.

Micro LED 개발 관련 주요 연혁에 대해서 살펴보겠습니다

'09. 05. - LuxVue Technology 설립. 본사는 미국 캘리포니아주 산타클라라 소재

'10. 07. - University of Strathclyde, Micro-LED 전문 기업 mLED 설립, 분사

'11. 12. - Texas Tech University, CMOS 상에 Micro-LED를 통합, VGA급(640×480) 디스플레이 제작

'12. 01. - Sony 55인치 Crystal LED 디스플레이 공개. 622만 개의 Micro-LED를 사용하는 FHD TV

'13. 07. - University of Illinois의 John Rogers 교수 X-celeprint사 설립

- 동 사에 Micro-LED 웨이퍼 전사(wafer transfer) 특허 관련 배타적 권리 이전

'14. 05. - Apple, LuxVue Technology 인수 발표

'15. 04.

- Apple, 대만 북부 Longtan, Taoyuan에 새로운 공장 설립, 비밀리에 첨단 Micro LED 기술 개발

- VerLase, Micro-LED 어레이와 색 변환 특허를 통합할 수 있다고 발표

'15. 06.

- CEA-LETI, 100만 니트 휘도(brightness)의 단색 LED, 10만 니트 휘도의 풀컬러 Micro LED

개발을 위해 III-V Lab과 협력 관계 구축

'15. 10.

- ITRI, 400 ppi 해상도와 99% 이상의 Micro LED 전사율(transfer rate)을 갖춘 풀 컬러 수동

(passive) 모듈 완성

'16. 04. - PlayNitride, Taiwan Solid State Lighting Show에서 Pixel LED 기술 최초 공개

'16. 06. - Sony, Infocomm 2016에서 새로운 CLEDIS 디스플레이 공개.

마이크로 LED는 우수한 전력효율, 플레시블 구현등 여러강점이 있습니다.

Micro LED는 전력효율, 플렉시블 구현, 고해상도, 장수명 등의 측면에서 강점을 가진 것으로 평가받고 있습니다.

전력효율: 배터리 용량은 웨어러블, 스마트폰을 포함한 무선기기들의 최대 해결 과제중 하나입니다.  Micro LED 디스플레이는 전력 소모 측면에서 OLED 대비 약 5배 이상 개선이 되었으며, 기존

디스플레이보다 전력소모가 매우 적어 대용량 배터리 탑재가 어려운 스마트 워치 등 소형 디스플레이에 유용할 것으로 예상됩니다.

플렉시블 구현: LED 칩 자체를 발광 소재로 화면을 구현하기 때문에 OLED와 같이 컬러 필터와 BLU(Back Light Unit)가 필요 없고, 초소형 LED 칩을 사용하므로 플렉시블 디스플레이 구현에 강점이 있습니다. 기존 OLED는 유기재료라는 특성상 수분 및 외부 환경에 민감하여 봉지 공정 등이

필요했으나 Micro LED는 무기물 재료의 특성상 외부 환경에 민감하지 않으며 플렉시블 구현 시 재료가 깨지는 단점도 극복 가능합니다.

고해상도: 시청거리가 10cm 이하인 VR/VR 기기의 경우 매우 높은 해상도의 디스플레이가 필요합니다. 현재 VR 기기의 한계로 지적되는 '현실감'과 '멀미 증상' 등을 해결하기 위해서는 디스플레이 해상도가 최소 1000 ppi(pixel per inch)는 넘어야 한다는 것이 전문가 들의 일반적인 견해입니다. 주요 VR기기 해상도(ppi): Oculus Rift(460), HTC Vive(460), 삼성 기어 VR(577) 입니다. 참고로 갤럭시S8의 해상도는 570 ppi 수준. 삼성디스플레이가 '16년 하반기에 VR 기기용으로 개발한 AMOLED 패널(5.5인치 4K)의 해상도는 800 ppi 수준. ‘SID2017’에서 공개한 3.5 인치 OLED 패널의 경우 858 ppi 입니다. 최근 기기 등을 목표로 고해상도 VR 디스플레이 개발 보도가 이어지고 있으나, 기존 LCD나 OLED의 일반적인 최대 해상도를 고려할 때 높은 PPI를 요구하는 VR/AR 등의 디스플레이에 Micro LED가 적격이라는 평가 입니다.

주요 디스플레이 기술별 해상도 한계(단위: PPI)

구분 기존 LCD(450) AMOLED (600)Micro LED(> 2,000) VR(> 1,000 PPI) 입니다. 이 외에 수명도 매우 길고 환경안정성도 우수하다는 평가입니다. 아울러 보다 넓은 색영역과 높은 색명암 구현 등의 측면이 기존 디스플레이에 비해 우수합니다.

마이크로 LED는 높은가격 공정상의 기술적 과제등이 상용화에 어려운 점이 있습니다.

높은 가격, 공정상의 기술적 과제 등이 상용화의 걸림돌입니다.

고해상도 구현을 위한 소형화:

TV 등에 사용되는 대형 디스플레이와 달리 크기는 작으나 높은 해상도를 필요로 하는 기기용 디스플레이 구현을 위해서는 높은 픽셀 밀도(pixel density)가 요구됩니다.LED 크기를 줄일수록 더 높은 픽셀 밀도를 구현할 수 있는데, 4인치 웨이퍼를 기준으로 10㎛ 칩을 증착하면 5,000만 개의 픽셀 구현이 가능하므로 적어도 5㎛까지 LED를 소형화해야 1억 4,000만 개의 픽셀 구현 가능 합니다. 현재 FHD급 해상도를 R·G·B로 구현하기 위해서는 약 622만 개의 서브픽셀이 필요합니다.

(1920×1080×R·G·B). 이는 4K 해상도에서 약 2,500만 개(3840×2160×R·G·B), 8K 해상도 에서는 약 1억 개(7680×4320×R·G·B)로 네 배씩 증가.

참고로 국내 최초로 개발된 Micro LED 디스플레이로 보도된 루멘스 제품의 경우 0.57인치 크기의 HD급(1,280×720) 제품으로. 사용 LED 크기는 8㎛. 지원 색상은 단색으로 고해상도와 풀컬러 구현을 위해서는 LED의 소형화가 더욱 진전될 필요합니다.

Micro LED 칩 자체의 양산, 칩을 기판위에 올리는 전사 기술 등 공정기술, 그리고 전체를 아우르는 비용 문제도 상용화의 큰 과제 입니다:

Micro LED 디스플레이는 Micro LED 칩 자체가 픽셀을 구성하므로 고해상도 및 대형 디스플레이 구현 시 많은 양의 Micro LED 칩이 필요하고 이는 원가 부담 요인입니다. 본격적인 양산이 이루어질 경우 칩 자체의 가격은 하락할 수 있으나 대량 전사, 그에 따른 칩 이송 속도, 피치 일관성을 보장받을 수 있는 접합 기술 등도 해결 과제 입니다.

Sony가 CES 2012에서 55“ TV 폼팩터로 공개한 데 이어 '16~'17년에 걸쳐 여러 전시회에서 공개한 CLEDIS(Crystal LED Display)의 경우 대형 디스플레이 구현 가능성을 보여줬지만, 아직 높은 가격 문제는 해결 과제 입니다. 220인치, 4K급(3840×2160) CLEDIS의 경우 1.2억 엔(약 12억 원) 입니다.

마이크로 LED는 시장전망

보다 밝고, 보다 전력 효율이 좋은 디스플레이를 필요로 하는 애플리케이션 증가 추세입니다.

NTE(near to eye) 디바이스 도입 증가, Apple･Sony 등 거대 기업의 관심 증가 등이 중요 시장 성장촉진 요인 입니다. Micro LED 디스플레이 패널 시장은 '17년 약 2.5억 달러 규모에서 '25년 약 196억  달러 규모로 성장할 전망(KEIT, 2017.7., 원소스 MarketandMarkets, 2017.4.) 입니다. 중소형 제품의 상용화가 예상되는 '19년부터 '25년까지 연평균 성장률(CAGR)이  55%에 이를 전망됩니다.

크기별: 크기별로는 중소형 제품이 최대 시장을 형성할 전망인데, 이는 스마트폰을 포함하여 스마트워치, 태블릿 등이 모두 중소형으로 분류되기 때문입니다. 중소형 제품의 '19년부터 '25년까지 연평균 성장률(CAGR)은 116%로 전체 시장 성장률을 크게 웃돌 것으로 전망 됩니다. 특히 '21년 스마트폰용 제품이 상용화되며 큰 폭의 성장이 예상되는 등 전체 시장의 성장을 견인할 것으로 예상됩니다

분야별: 이미 상용화가 시작된 디지털 사이니지와 NTE 디바이스, 스마트워치 등이 초기 시장을 주도하는 양상을 보이다가 스마트폰용 제품이 상용화되며 최대 시장을 형성할 것으로 예상됩니다.

MarketsandMarkets에 따르면, '17년 현재 Micro LED는 대형 디지털 사이니지 부문에서 이미 상용화 되었습니다.

지역별: 북미, 특히 미국 시장이 메이저 시장을 형성할 전망입니다. 이는 가전, 교육 산업 등에서 최신 제품 도입이 빠른 지역적 특성에 기인한것으로 보입니다. 중국･인도･일본･한국 등이 포진하고 있는 APAC 지역은 거대한 소비인구와 성장하는 가전시장이 맞물리며 고성장 기회 입니다.