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글로벌 마켓을 두드리는 마이크로 LED [2022 ETRI Technology Report ⑨]

한국전자통신연구원에서 17년이라는 긴 시간 동안 연구해 온 신소재를 바탕으로 혁신적인 마이크로 LED 동시 전사 및 접합 기술이 탄생했습니다. 기존의 기술은 웨이퍼에서 생산된 LED를 디스플레이 패널 기판으로 먼저 전사한 후, 다시 접합하는 순차적인 과정을 거쳐야만 했습니다. 그러나 이번에 개발된 공법은 단 한 번의 공정만으로 전사와 접합을 동시에 수행할 수 있다는 점이 가장 큰 특징입니다. 이러한 공정의 단순화는 장비 투자비를 획기적으로 절감할 뿐만 아니라 생산 효율성을 극대화하여 기존 기술과는 확실한 차별성을 보여주고 있습니다. 이번 기술 개발의 시작은 대면적 공정이 가능한 신소재를 만들어보자는 내부적인 제안에서 비롯되었습니다. 마이크로 LED의 상용화가 전사와 접합이라는 두 가지 까다로운 공정 문제로 인해 늦어지고 있다는 소식을 접한 연구진은 기존에 보유하고 있던 원천 기술의 적용 가능성을 발견했습니다. 특히 일본 업체들이 주목하지 않았던 레이저 기반의 신소재 기술을 활용하여 독자적인 공정을 구축했다는 점에서 그 의의가 매우 큽니다. 이는 단순히 해외 기술을 모방하는 패스트 팔로워(Fast Follower) 전략에서 벗어나, 우리만의 독창적인 이정표를 세우기 위한 치열한 노력의 결과물이라고 할 수 있습니다. 연구실의 명칭인 '저탄소'에는 친환경과 에너지 소비 절감이라는 두 가지 핵심 가치가 담겨 있습니다. 오늘날 전 지구가 직면한 기후 위기에 대응하기 위해서는 환경 친화적이면서도 전력 소모를 최소화하는 새로운 공법 개발이 필수적입니다. 이번 신소재 공법은 기업들이 ESG 경영을 실현하고 글로벌 시장에서 강력한 경쟁력을 확보할 수 있도록 돕는 든든한 기반이 될 것입니다. 30년 가까이 반도체와 디스플레이 분야에 매진해 온 열정을 바탕으로, 이제는 대한민국이 소재 강국으로서 세계를 선도하는 원천 기술의 중심지가 되기를 기대합니다.

한국전자통신연구원ETRI 테크놀로지 리포트

융합
공학·기술

이미지 왜곡 없는 마이크로 LED 신축성 메타 디스플레이 기술 (Distortion-free Micro-LED meta-Display) - 「Tech Biz Korea 2022」

현재 디스플레이 시장은 LCD와 OLED가 주도하고 있지만, 차세대 기술로 마이크로 LED가 강력하게 부상하고 있습니다. 마이크로 LED는 기존 디스플레이보다 유연성과 신축성이 뛰어나 기기의 형태를 자유롭게 조절할 수 있는 폼 팩터 혁신이 가능합니다. 특히 무기물 기반 소재를 사용하여 1,000도 이상의 고온에서 합성되므로 내구성이 매우 높고 번인 현상에서도 자유롭습니다. 또한 80% 이상의 높은 투명도를 구현할 수 있어 투명 디스플레이 분야에서도 독보적인 경쟁력을 갖추고 있으며, 휘도와 에너지 효율 면에서도 기존 방식을 압도합니다. 마이크로 LED가 차세대 기술임에도 상용화가 지연되는 주된 이유는 높은 생산 공정 비용에 있습니다. 특히 수백만 개의 미세한 LED 칩을 회로 기판에 정확히 옮기는 '전사(Transfer)' 공정이 가장 큰 난제로 꼽힙니다. 이 기술은 칩을 들어 올리는 피킹과 기판의 정해진 위치에 놓는 플레이싱 단계로 구성되는데, 이때 스탬프와 칩, 그리고 기판 사이의 접착력 차이를 정밀하게 제어하는 것이 성공의 열쇠입니다. 현재 애플이나 삼성 등 글로벌 기업들은 정전기나 폴리머 스탬프 등 각기 다른 전사 방식을 연구하며 공정 완성도를 높이는 데 주력하고 있습니다. 효율적인 전사 공정을 설계하기 위해서는 물질 간 접착력의 상대적 크기를 고려한 체계적인 재료 선정이 필수적입니다. 단순히 칩을 옮기는 것을 넘어 회로 기판의 접속 물질부터 스탬프, 캐리어 필름에 이르기까지 공정에 관여하는 모든 요소의 물리적 특성을 사전에 평가해야 합니다. 한국기계연구원은 13년 이상의 연구 경험을 바탕으로 다양한 접속 물질에 대한 데이터베이스를 구축해 왔으며, 이를 통해 공정 중 발생할 수 있는 시행착오를 획기적으로 줄였습니다. 이러한 과학적 접근은 대면적 전사를 가능하게 하여 생산성을 높이는 밑거름이 됩니다. 기존의 신축성 디스플레이는 한쪽으로 늘리면 수직 방향이 줄어드는 '푸아송 효과' 때문에 영상이 왜곡되는 치명적인 한계가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 한국기계연구원은 '메타 디스플레이' 기술을 새롭게 제안했습니다. 자연계에 존재하지 않는 인공적인 메타 구조를 회로 기판에 적용하여, 가로로 늘릴 때 세로 방향도 같은 비율로 늘어나는 오그제틱(Auxetic) 특성을 구현한 것입니다. 이 기술을 활용하면 디스플레이를 아무리 잡아당겨도 화면 속 이미지가 왜곡되지 않고 원래의 비율을 유지하며 확대될 수 있어 차세대 신축성 디스플레이의 표준을 제시합니다. 메타 디스플레이 제조에는 기계적 팽창과 전기적 성능을 동시에 만족시켜야 하는 정교한 회로 설계가 요구됩니다. 롤 전사 방식을 활용하면 마이크로 LED를 정밀하게 배열한 후, 레이저나 반응성 이온 에칭 공정을 통해 기판을 특수한 메타 구조로 가공하게 됩니다. 특히 한국기계연구원이 개발한 롤 스탬프 자동화 공정은 10인치급 대면적을 한 번에 전사할 수 있는 독보적인 기술력을 자랑합니다. 이는 기존의 딱딱하고 평평한 디스플레이 환경을 완전히 벗어나, 진정한 의미의 자유 변형 디스플레이 시대를 현실로 당기는 혁신적인 제조 방식이라 할 수 있습니다. 이러한 신축성 기술은 웨어러블 기기와 자동차 산업에서 엄청난 잠재력을 가집니다. 인체의 코처럼 곡률 반경이 작은 복잡한 곡면에도 디스플레이가 들뜨지 않고 완벽하게 밀착될 수 있어 진정한 의복형 기기나 패치형 디스플레이 구현이 가능해집니다. 자동차 분야에서는 전면 유리의 곡면에 맞춘 투명 정보창이나 고휘도가 필요한 후방 유리 사이니지 등에 최적의 솔루션을 제공합니다. 마이크로 LED의 탁월한 투명도와 강력한 내구성은 기존 LCD나 OLED가 구현하기 어려웠던 가혹한 외부 환경에서도 안정적인 성능을 보장하기 때문입니다. 현재 디스플레이 시장은 성장이 다소 정체되어 있지만, AR과 VR 및 차량용 시장을 중심으로 마이크로 LED의 수요는 폭발적으로 확대될 전망입니다. 특히 애플과 메타 같은 글로벌 빅테크 기업들이 스마트폰 이후의 차세대 IT 기기 핵심 요소로 이 기술을 선택했다는 점은 시사하는 바가 큽니다. 한국기계연구원은 원천 기술부터 장비 및 소재 기술까지 폭넓은 특허 포트폴리오를 보유하고 있으며, 국내외 기업들과의 긴밀한 기술 협력 및 이전을 통해 마이크로 LED 시장의 본격적인 개화와 글로벌 주도권 확보를 위해 박차를 가하고 있습니다.

한국기계연구원[KIMM TV]

융합
공학·기술

[2021 ETRI Technology Report ⑦] 마이크로 LED 디스플레이로 고품질 콘텐츠를 더 선명하기 즐긴다!

마이크로 LED 디스플레이는 차세대 기술로 주목받고 있지만, 이를 제작하는 과정에는 까다로운 공정상의 한계가 존재해 왔습니다. 기존에는 반도체 공정을 통해 만들어진 미세한 LED 소자를 웨이퍼에서 디스플레이 패널로 옮겨 심는 전사 공정과, 이를 고정하는 접합 공정을 별도로 진행해야 했습니다. 이러한 분리된 방식은 공정 시간이 길어질 뿐만 아니라 수율이 낮아지고 최종 제품의 신뢰성마저 떨어뜨리는 고질적인 문제점을 안고 있었습니다. 이를 해결하기 위해 한국전자통신연구원의 마이크로 LED용 다기능소재연구단은 소재·부품·장비(소부장) 기술의 국산화와 공정 효율화를 목표로 연구에 매진하고 있습니다. 연구진이 선보인 핵심 성과는 작업 효율을 극대화한 새로운 제조 방식입니다. 초기에는 접합 신뢰성을 높이는 접합 부문에 집중했으나, 현장의 목소리를 반영하여 복잡한 과정을 단일화하는 발상의 전환을 이루었습니다. 기술 개발 과정에서 얻은 영감을 바탕으로 복잡성을 걷어내고 생산성을 높일 수 있는 독자적인 공정 모델을 구축한 것입니다. 이는 기존 방식의 한계로 지적되었던 긴 작업 시간과 낮은 완성도를 한 번에 극복할 수 있는 열쇠가 되었습니다. 이러한 시도는 향후 산업계 전반에 걸쳐 제조 공정의 패러다임을 바꿀 중요한 변곡점이 될 것으로 보입니다. 마이크로 LED 시장은 현재 전 세계가 치열하게 경쟁하고 있는 분야이지만, 높은 가격 장벽 때문에 대중화에 어려움을 겪고 있습니다. 동시 전사·접합 기술이 상용화되면 제품의 가격 경쟁력이 확보되어 우리 일상에서도 마이크로 LED를 친숙하게 만나볼 수 있게 될 것입니다. 특히 지난 2019년의 소재·부품·장비(소부장) 위기 이후, 핵심 소재와 장비의 국산화는 국가적 과제가 되었습니다. 이번 연구가 단순한 기술 자립을 넘어 세계 시장을 선도하는 성공적인 사례가 된다면, 대한민국이 디스플레이 종주국으로서의 위상을 공고히 하고 글로벌 기술 패권을 유지하는 데 큰 힘이 될 것입니다.

한국전자통신연구원

공학·기술

[KERI TV] 퀀텀닷 화소 만드는 '나노포토닉 3D프린팅 기술' 개발

현대 디스플레이 기술은 이제 단순한 화면의 선명도를 넘어, 인간의 눈으로 픽셀을 구분할 수 없는 극한의 해상도를 지향하고 있습니다. 기존의 OLED나 LCD 기술이 가진 물리적 한계를 극복하기 위해 반도체 제조 공정을 디스플레이 제작에 도입하려는 시도가 활발히 이루어지고 있습니다. 특히 초미세 마이크로 LED 기술은 스스로 빛을 내는 자발광 소자를 활용하여 밝기와 명암비, 그리고 수명 측면에서 압도적인 성능을 자랑하며 차세대 디스플레이의 핵심으로 급부상하고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 단순히 화질을 높이는 것에 그치지 않고 디스플레이의 형태와 용도를 획기적으로 확장하는 밑거름이 됩니다. 반도체급 초고해상도 디스플레이를 구현하기 위해서는 수백만 개의 미세한 LED 칩을 정밀하게 배치하는 전사 기술이 핵심입니다. 최근 개발된 혁신적인 공정은 기존의 기계적 방식 대신 반도체 노광 장비나 레이저를 활용하여 머리카락 굵기의 수십 분의 일에 불과한 소자들을 기판 위에 오차 없이 배열합니다. 이는 생산 공정의 효율성을 대폭 향상시킬 뿐만 아니라, 픽셀 간의 간격을 최소화하여 마이크로미터 단위의 초정밀 회로를 형성할 수 있게 해줍니다. 이러한 공정 혁신을 통해 대량 생산의 발판이 마련되면서 초고해상도 패널 제작의 경제성과 정밀도가 동시에 확보되고 있습니다. 이러한 기술적 도약은 증강현실(AR)과 가상현실(VR) 기기의 대중화를 앞당기는 결정적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 눈앞에서 초근접으로 화면을 마주해야 하는 웨어러블 기기 특성상, 격자무늬가 보이지 않는 초고밀도 픽셀 구현은 필수적인 요소이기 때문입니다. 앞으로 디스플레이는 단순한 정보 출력 장치를 넘어 반도체 기술과의 융합을 통해 더욱 지능화되고 초소형화될 것입니다. 우리 일상 속에 깊숙이 파고든 스마트 기기들이 반도체급 디스플레이를 탑재하게 되면 시각적 경험의 경계는 완전히 허물어질 것이며, 이는 새로운 산업 생태계의 탄생을 예고합니다.

한국전기연구원KERI 연구·시험성과

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