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How the Rise of microLEDs Will Affect the Display Industry

21 Jun 2018

나노기술학자인 Peter Palomaki 박사와 함께한 퀀텀닷 시리즈의 마지막 파트에서는 퀀텀닷과 마이크로 LED가 협업하여 디스플레이 기술에 어떠한 변화를 줄 것인가에 대해 살펴봅니다.

디스플레이 산업은 왜 마이크로 LED에 열광하는가?

마이크로 LED로 디스플레이를 만드는 주된 이유는, 그것이 기존의 LCD나 LED 디스플레이보다 훨씬 효율성이 좋기 때문입니다. 마이크로 LED는 OLED와 유사하게 서브 픽셀로부터 순수한 색상을 직접 방출하기 위해 추가 필터링이나 변환이 필요 없는  광학 기술입니다.

따라서 디스플레이 세상에 있는 모두가 원하는 높은 시야각, 고효율, 선명한 색, 고선명도를 얻게 되는 것입니다.

효율이 높아진다면, 구동하는데 에너지가 덜 소모되는 건가요?

그렇습니다. 효율이 좋아지면, 에너지 소모가 줄어들게 됩니다. 다만 효율성과 밝기 사이에는 대립관계가 있어 언제나 균형점을 찾아야 합니다. 좋아진 효율은 LED 수를 줄여 에너지 소모를 줄이거나, LED수를 늘려서 휘도를 올리는데 사용할 수 있습니다.

소비자들이 원하는 것은 밝기와 선명도이기 때문에, 제조업체에서는 LED의 수를 증가시키거나 LED를 더 추가시키는 방법을 주로 선택하고 있습니다. 스크린들의 효율성의 향상으로 제조업들은 에너지 소모를 줄이는 것보다는 밝은 화면을 얻는 용도로 사용하고 있는 셈이 됩니다.

모바일 측면에서는, 마이크로 LED의 높은 효율성이 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 현재 휴대폰에서는 스크린이 배터리 사용량에 큰 부분을 차지하고 있기 때문에, 효율성이 향상되면 배터리의 크기가 줄거나 충전 없이 더 긴 시간을 사용할 수 있게 됩니다.

마이크로LED 기술에 대해 더 설명해 주실 수 있습니까?

마이크로 LED는 이름이 말해주듯이, 정말 작은 LED입니다. 디스플레이에서 이 것을 사용한다는 것은, 각각의 LED가 픽셀의 서브 픽셀이 될 수 있다는 것입니다. 따라서 모든 픽셀은 3 개의 LED로 이루어져 있고, 하나는 빨간색, 하나는 초록색, 하나는 파란색을 방출합니다.

이러한 LED는 매우 작으며, 세 가지 색상을 방출시킬 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 거의 모든 디스플레이 제품의 LED는 파란색이기 때문에 디스플레이 산업은 파란색 LED는 어떻게 만드는 지 매우 잘 알고 있지만, 빨간색과 초록색 LED를 만드는 것은 매우 드문 일입니다.

빨간색과 초록색 LED는 어떻게 만들어지나요?

빨간색과 초록색을 만드는 옵션은 두 개가 있습니다. 빨간색이나 초록색을 자연적으로 방출하는 반도체를 만드는 방법. 혹은, 파란색 LED에 Down-converting형광체를 사용하거나 파란색 파장을 빨간색과 초록색으로 전환하는 퀀텀닷을 사용하는 방법입니다. 이것이 정확하게 현재 TV에서 보통 크기의 LED와 함께 사용되는 방법입니다. 형광체를 사용하거나, 퀀텀닷을 통해 파란색 빛을 변환하여 빨간색이나 초록색을 방출하는 방법을 사용합니다.

마이크로 LED 측면에서 down-conversion 프로세스를 진행하는 데 장애가 되는 점은 마이크로 LED가 형광체보다 작다는 것입니다! 마이크로 저울에서 본다면 기본적으로 형광체의 입자들부터 보일 것이고, 다음이 정말 작은 LED가 보일 것입니다. 따라서 마이크로 LED를 위해 down-conversion을 사용하는 것은 매우 현실 가능성이 낮은 기술입니다.

반면 퀀텀닷은, 10마이크론보다도 작아질 수 있어 마이크로 LED보다 크기가 훨씬 작습니다. 만약 퀀텀닷이 마이크로 LED보다 훨씬 작다면, 퀀텀닷은 파란색을 빨간색이나 초록색으로 변환하는 down-conversion프로세스를 진행하는 데 문제가 없습니다.

퀀텀닷 기술은 어떤 점이 매력적인가요?

물리적 차원으로 보면 마이크로 LED와 호환을 할 수 있다는 것이고, 고효율과 협대역폭을 갖고 있어서 디스플레이 애플리케이션에는 매우 유용하다는 것입니다. 따라서, 요즘 떠오르고 있는 기술에도 잘 맞습니다.

매우 흥미롭네요. 그러면 마이크로 LED 기술을 발전시키는 데 어려운 점은 무엇입니까?

많은 도전 과제들이 있습니다. 첫째로, 각각의 서브 픽셀을 독립적으로 제어할 수 있는 매우 복잡한 회로가 필요합니다.  또한 픽셀들 간의 통신이 필요한데, 이는 좀 더 복잡한 기술이 필요 합니다. 하지만 어떻게 구현 할지에 대한 지식 및 기술이 확보 되고 있기 때문에 달성 가능합니다.

각 픽셀 별로 작은 사이즈의 LED가 3개씩 필요하며, 65인치 TV에서는 수백만 개의 LED가 있는 셈입니다. 이러한 수많은 부품이 완벽하게 조립되어 있고, 유기적으로 동작해야 합니다. 

매우 작은 사이즈 척도를 기준으로, 3개 그룹이 나뉘어 있으며, 각각의 위치에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 이들 모두가 제 위치에서 제대로 작동되어야 합니다. 만약 한두 개의 픽셀에서 하나의 색상만 구현되지 않더라도, 몇몇 픽셀들은 디스플레이에서 아예 보이지 않게 됩니다. 오래된 TV 중에 픽셀이 망가져서 실제 눈으로 이런 부분들을 본 경우가 있을 것입니다.

이러한 민감성은 생산 과정에서 많은 어려움을 줍니다.

수백 개의 LED를 패널에 완벽하게 배치하여, 오류 없이 모두가 제대로 작동할 수 있도록 해야 합니다. 요즘 사용되고 있는 기술 중 하나인 ‘선택과 배치’ 방법은, 공정 장비가 하나 혹은 수백 개의 마이크로 LED를 웨이퍼에서 골라내어, 디스플레이로 이동시키는 것입니다.

물론 이런 방법은 디스플레이가 클 경우 가능한 과정이지만, 디스플레이가 1인치보다 작은 경우에는 적당하지 않습니다. 다시 말하지만, 이러한 과정은 실현이 가능한 기술들을 모두 사용하여, 거의 완벽하게 진행되어야 합니다. 디스플레이 산업은 기술을 향상하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 아직은 완성 전이고, 가격도 저렴하지 않습니다. 현재는 작동에 너무 오래 걸리고, 대량 생산이 가능하지 않은 단계입니다.

마지막 도전과제는 색상입니다. 파란색의 LED만을 위한 웨이퍼를 만드는 것은 매우 간단합니다. 그러나 하나의 웨이퍼에 파란색과 빨간색, 초록색 세 개의 색상을 같이 구현하는 LED를 생산하는 것은 어려운 일입니다. 세 가지 색상의 LED를 각기 다른 웨이퍼에 직렬로 배치하는 것은 가능하지만, 대량 생산에서 정확한 위치에 배치하는 것은 또 다른 문제일 수 있습니다.

다행히 이러한 문제를 해결할 방법들이 있긴 합니다. 파란색만 포함된 LED를 제작해서 사진 석판술이나 정교한 복사 기술을 이용하여 down converter 장치의 파란색 LED의 2/3 윗부분에 배치하는 것입니다. 퀀텀닷처럼 말입니다. 그렇게 하면 파란색, 빨간색, 초록색 LED 모두를 구현할 수 있으며, 색상 이미지를 만들어낼 수 있습니다.

따라서, 퀀텀닷은 마이크로 LED 디스플레이에서 색상 변환을 위해 매우 필수적인 요소가 될 수 있습니다.

소비자들이 마이크로 LED 스크린으로부터 얻는 이점은 무엇입니까?

마이크로 LED는 개인용 기기에서 매우 밝고, 컬러풀한 스크린을 구현할 것입니다. 색상은 현재의 퀀텀닷 TV 보다 훨씬 나을 것입니다. 시야각 뿐 아니라 모든 방향에서 발현되는 기술로 인해 더 나은 경험을 할 수 있을 것입니다.

또한, 투명한 기판에서도 실현이 가능할 수도 있는 잠재력이 있다는 것입니다. 벽에 붙이는 유리나 플라스틱 형태로, 실제로 켜기 전까지는 보이지 않거나, 약간만 보이게 할 수도 있습니다. 이런 형태가 가능할 수 있는 이유는 LED가 매우 작고 LED 간의 공간 또한 매우 작아서 유리나 ITO, 플라스틱 종류에 구현되었을 때 투명하게 보일 수 있다는 것입니다.  

그리고 플라스틱에 구현했을 때, 구부러지게 할 수도 있습니다. 이것은 플렉서블 디스플레이를 가능하게 하는 기술이 될 수 있습니다. 솔직하게 말하자면, 이 기술은 우리의 기존의 것과는 너무나 다르기 때문에 앞으로 어떠한 방식으로 발전할 수 있을지 예측하기조차 어렵습니다.

디지털 사이니지를 어떻게 변화시킵니까?

첫째로 어떤 설정에서든지, 환한 햇볕 아래에서조차도, 사이니지를 분명히 확인하실 수 있습니다. 그러나 가장 흥미로운 점은, 새로운 종류의 사이니지의 가능성입니다. 접을 수 있으며 여러 장소에서 사용이 가능한, 휴대용 디지털 사이니지도 있을 수 있습니다.

마이크로 LED를 활용할 첫 산업군은 어디라고 보십니까?

처음에는 정말 작은 부분에서부터 사용하는 것이 쉬울 겁니다 - 애플 시계에서 이 기술을 사용했다는 소문은 아마 들으셨을 것입니다.           

다른 하나는 게임이나 군사 훈련 상황 애플리케이션과 같이, 눈에 띄는 디스플레이와 이미지가 눈에 가까워야 하는 시스템이 필요한 AR/VR 공간에서 사용될 수 있습니다.

가격은 어느 정도일 것이라고 생각하십니까?

어림짐작해보건대, 제조사들은 소비자들이 지불 가능한 비용에 매우 예민합니다. 따라서, 홍보의 목적으로만 하는 것이 아니라면, 5천 달러의 시계는 소량만 판매가 될 것이기 때문에 충분한 매출을 보장하지 않으며, 현명한 선택이 아닐 것입니다. 

시장 진입이 가능하고 소비자의 흥미를 끌기 위해서 시계라면 천 달러 혹은 이하여야 하지만, 아직 기술이 거기까지 발전된 것은 아니라고 생각합니다.

또 다른 질문은: 질 좋은 상품을 대량 생산할 수 있는가? 입니다. 제조비용이 적게 들더라도 소비자가 생각하기에 몇 년은 사용할 수 있을 정도로 질이 좋을 것이라는 믿음을 줄 수 있어야 합니다.

미래에는 마이크로 LED 기술이 어떻게 발전할까요?

현존하는 LED 사이즈에서 작게 바뀌는 것은 하룻밤 안에 이뤄질 수 있는 것은 아닙니다; LED의 사이즈를 줄이는 것은 점진적으로 여러 과정을 거쳐 진행될 것입니다. 이 산업에서 이미 진행되고 있는 것이 보입니다.

시기적으로 본다면, 몇 년 안에 소비자가 마이크로 LED 제품을 만나볼 수 있을 것이라고 봅니다.

이번 시리즈에서 퀀텀닷에 대해 많은 지식을 공유해 주신 Palomaki 박사님께 감사드립니다. 처음 두 파트의 내용은 이 곳에서 확인하실 수 있습니다: 퀀텀닷: 도전과 기회 그리고 퀀텀닷 기술의 혁신.

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