제4차 산업혁명이 실현되기 위해서는 ‘초연결’이 핵심이다. 자율주행차나 증강현실, 또는 헬스케어 같은 4차 산업혁명 관련 기술들은 초고속과 대용량 전송을 기반으로 하는 초연결이 가능해야만 비로소 구현이 가능해지기 때문이다.
이 같은 초연결 시스템은 통신과 센서에 적용되는 광융합 기술과 밀접한 관련이 있는데, 지난 14일 드래곤시티 호텔에서는 광융합 기술의 최신 동향을 공유할 수 있는 행사인 ‘2019 광융합 테크페어’가 개최되어 주목을 끌었다.
‘초연결 사회의 실현을 위한 광융합 기술’이란 주제로 한국광기술원(KOPTI)이 주최한 이번 행사는 우리의 일상생활 곳곳에 영향을 미치고 있는 광융합 기술의 최신 연구성과를 공유하고, 향후 전개될 미래상을 전문가들과 함께 조망해 보자는 취지로 마련되었다.

차세대 디스플레이로 떠오르고 있는 마이크로 LED

‘마이크로 LED 제조 및 대량 이송방법’에 대해 주제발표를 한 정탁 한국광기술원 마이크로LED센터 센터장은 마이크로 LED(Micro LED) 개발을 추진하게 된 배경에 대해 “디스플레이는 물론 증강현실이나 자율주행 자동차 등 4차 산업혁명을 이끌고 있는 산업에 필수적인 제품이기 때문”이라고 설명했다.
마이크로 LED는 크기가 100마이크로미터(㎛) 이하인 초소형 LED를 가리킨다. 크기만 축소한 것이 아니라 기능과 사용처도 기존의 LED나 OLED와 확연한 차이가 나기 때문에 향후 10년 내에 디스플레이 시장을 석권할 품목으로 기대를 모으고 있다.
마이크로 LED가 갖고 있는 대표적 장점으로는 LED나 OLED에 비해 얇고, 밝다는 점을 들 수 있다. OLED의 장점 중 하나가 LCD나 LED에 비해 얇다는 점인데, 마이크로 LED는 더 얇다.
마이크로 LED가 더 얇을 수 있는 이유를 파악하려면 우선 OLED가 얇은 원리를 알아야만 한다. OLED는 전류가 흐르면 적녹청 빛을 내는 유기 성분을 사용하는데, 작은 하위 픽셀들이 자체적으로 빛을 내기 때문에 다른 디스플레이들과는 달리 배면광이 필요 없다. 액정층도 필요 없고 편광층만 있으면 빛을 낼 수 있기 때문에 디스플레이가 훨씬 얇은 것이다.
반면에 마이크로 LED의 경우는 배면광이나 액정층이 필요 없는 것은 물론, 편광층 조차도 전혀 필요 없다. 맨 위에 얇은 유리층만 있으면 빛을 낼 수 있어서, OLED보다도 얇고 일반 LCD에 비해서는 훨씬 얇다.
마이크로 LED의 또 다른 장점이라면 OLED에 비해 절반 정도의 에너지만으로도 동일한 밝기를 낼 수 있다는 점을 들 수 있다. 이 같은 장점은 배터리를 사용하는 디바이스에 가장 희소식이 될 수 있다. 디지털 디바이스에서 배터리를 가장 많이 소모하는 부분이 바로 디스플레이이기 때문이다.
이 같은 기능이 가능한 이유에 대해 정 센터장은 “레드(R)와 그린(G), 그리고 블루(B) 픽셀 자체를 LED 칩으로 구현할 수 있기 때문”이라고 진단하면서 “이는 곧 백라이트가 필요 없고, 더 높은 해상도와 고휘도 디스플레이 탄생을 의미하는 것”이라고 말했다.
마이크로 LED는 무기물 재료의 특성상 휘어질 때 깨지는 단점을 극복할 수 있어서 플렉시블 디스플레이(flexible display)나 휘어진 조명과 같은 형태도 가능하다는 것이 정 센터장의 설명이다.
그는 “마이크로 LED의 경우 2021년부터 관련 시장에서 본격적으로 선을 보일 것으로 예측되고 있다”라고 전하며 “우선적으로는 사이니지(sjgnage)나 스마트워치 등에 적용되다가 TV나 노트북의 디스플레이 등으로 점차 확대될 것”이라고 전망했다.

LED를 대량 전사하는 기술 개발로 상용화 가능성 높여

마이크로 LED와 관련된 최신 이슈는 LED를 대량으로 전사(transfer)하는 기술이다. 마이크로 LED로 디스플레이 하나를 만들기 위해서는 수십에서 수백만 개의 LED가 사용되는데, 이를 하나하나 붙여서 만드는 것은 사실상 불가능하다는 것이 전문가들의 의견이다.
예를 들어 0.57인치 디스플레이를 제조할 때, 탑재되는 LED의 개수만 해도 92만 여개에 달하기 때문에 이를 일일이 붙이는 것은 시간 낭비이자 비용 낭비인 것이다.
그런데 정 센터장이 이끄는 한국광기술원 연구진이 이같은 문제를 해결했다. 40마이크로미터(㎛) 크기의 적색(R)과 녹색(G), 그리고 청색(B)으로 이루어진 마이크로 LED 칩을 대량 이송할 수 있는 기술이다.
정 센터장은 “RGB로 이루어진 풀 컬러의 마이크로 LED 칩과 대량이송 기술을 보유한 기업은 전 세계적으로 극히 일부에 불과하다”라고 언급하며 “초박형 LED 칩을 어떻게 픽업(pick-up) 할 것인지부터 시작하여 원하는 칩만 선택적으로 픽업하는 방법과 회로 기판에 접합하는 방법 등 고난도의 기술 문제가 산적해 있다는 것이 그 이유”라고 밝혔다.
연구진이 이번에 개발한 기술은 RGB 초소형 칩을 기판에 상관없이 모두 동일한 방식을 적용하여 대량 이송할 수 있는 기술이다. 이를 기반으로 자체 개발한 RGB 웨이퍼와 칩 제조 기술을 적용하여 마이크로 LED 모듈 개발에 성공했다.
기존 기술과의 차별화 부분으로 필인(fill-in) 기술을 소개한 정 센터장은 “이상이 없는 양품의 칩만 전사한 후, 비어있는 픽셀(pixel)에 한 번의 작동만으로 fill-in하여 수율을 개선하는 기술”이라고 덧붙였다.
정 센터장은 “마이크로 LED 기술은 디스플레이뿐만 아니라 자동차, 의료·바이오, 초고속 통신, 반도체, 스마트 섬유 분야와도 융합이 가능해 산업 파급 효과가 매우 크다”며 “상용화에 나서 국내 중소기업에 기술이전하여 차세대 디스플레이 산업 경쟁력 강화에 기여하겠다”라고 다짐했다.