정책브리핑 // 롤 전사를 이용한 마이크로 LED 제조기술 세계 최초 개발 // 미래부 김재현 기계연구원 책임연구원

[수봉]

롤 전사를 이용한 마이크로 LED 제조기술 세계 최초 개발

• 일시 및 장소 : 2017-07-24 11:15, 미래부
• 발    표    자 :   김재현 기계연구원 책임연구원
• 엠    바    고 :   17.7.25(화) 조간 / 온라인 7.24. 12시 이후

  안녕하십니까? 저는 한국기계연구원에 근무하고 있는 김재현이라고 합니다. 

   오늘 말씀드릴 내용은 저희가 지난 5년간 미래부의 지원을 받아서 수행한 연구 결과를 ‘마이크로 LED 디스플레이’라는 그런 분야에 적용한 그런 예가 되겠습니다. 

   사업의 개요는 이와 같습니다. 저희가 나노 소재를 응용을 해서 나노 기술 베이스로 고성능이고 유연한 소자를 양산하기 위한 핵심 공정과 장비, 그리고 그것들을 활용할 수 있는 산학연 공동연구 기반을 구축하는 그런 내용이 되겠고요. 이 자세한 내용은 이와 같습니다. 

   사업 추진 체계는 이렇게 됩니다. 저희가 고성능 유연소자라고 하면 기존에 정부에서 지원해서 가지고 있는 나노 인프라들이 많이 있습니다. 그런 나노 인프라들을 활용을 하면서 그 나노 인프라에 없는 부분들을 기계연구원 내에 저희가 기반으로 구축을 해서 이 기반을 활용을 하고 기존의 나노 인프라를 활용을 하면 고성능이고 유연한 그런 소자를 구현할 수 있겠다, 그리고 그러한 고성능 유연소자가 이제 미래에는 저희 산업에 굉장히 중요한 성장동력이 될 것이다, 라고 판단을 하고 있고요. 

   기술적인 내용은 조금 뒤에 말씀을 드리고요. 저희 1차 연도, 2차 연도, 3차 연도, 4차 연도, 5차 연도까지 진행을 했고요. 고성능 유연소자는 사실 굉장히 다양합니다. 그래서 저희가 1단계 3년 동안은 유연한 배터리, 유연한 에너지 하비스팅 장치, 그다음에 유연한 솔라 셀, 유연한 LED 디스플레이, 유연한 실리콘 소자 이런 것들을 다 다루어서 그런 것들에 적용 가능성들을 검토를 했었고요. 

   2단계에 들어서는 저희가 조금 더 scope을 줄여서 기술이전이 가능한 형태로 추진을 하기 위해서 마이크로 LED 디스플레이에 조금 더 집중적인 연구를 진행하였습니다. 

   이 위의 그림은 기존에 잘 알려진 반도체 공정을 나타냅니다. 저희가 반도체 공정을 이용하면 고성능이면서 굉장히 특성이 우수한 그리고 현재 저희가 활용할 수 있는, 노트북이나 스마트폰에 활용할 수 있는 그런 수준의 소자들을 만들 수가 있고요. 

   이 밑에 있는 그림은 이제 인쇄전자 기술처럼 유연한 모재 위에 그다음에 잉크를 써서 만드는 그런 기술이 됩니다. 이런 기술들은 성능은 좀 떨어지지만 굉장히 가격이 싸게 대량으로 만들 수 있는 장점이 있기 때문에 많은 분들이 연구를 하고 있고요. 

   저희가 기계연구원에 새로 구축한 기반 구축은 이 반도체 공정으로 만든 고성능 소자를 Lift-off, 이거 이제 저희가 우리말로는 ‘박리’라고 부르고요. 이 고성능 소자를 얇게 떼어낸 다음에 유연한 모재 위에 올려놓습니다. 이걸 이제 저희가 트랜스퍼(Transfer)라고 부르고요. 이 트랜스퍼 한 다음에 저희가 정기적으로 연결을 하고 보호막을 형성을 해서 제품을 만드는, 이런 식으로 만들게 되면 반도체 수준의, 실리콘 반도체 수준의 고성능과 그다음에 롤투롤(Roll-to-roll) 공정이 지니는 유연성과 생산성을 동시에 가질 수 있는 그런 기술로 저희가 이 기술을 만들 수가 있고요. 

   여기서 핵심이 되는 기술이 바로 트랜스퍼라는 이쪽에 있는 것을 저쪽으로 옮기는 기술이 됩니다. 이 트랜스퍼라는 기술은 사실은 저희 기계연구원에서 처음 원천기술을 개발한 것은 아니고요. 원천기술은 2004년도에 미국 UIUC에 있는 존 로저스라는 교수가 개발을 했습니다. 이때 당시에는 단결정 실리콘을, 두께가 나노 스케일인 단결정 실리콘을 떼어내서 저희가 디스플레이 소재로 많이 사용하는 폴리머 필름, ‘폴리이미드’라는 폴리머 필름 위에 올려놓습니다. 

   이렇게 함으로써 단결정 실리콘의 고성능, 그다음에 유연성을 지니는 그런 제품을 만들 수가 있었고요. 이 로저스 교수는 바로 2년 후에 벤처를 만듭니다. 이렇게 솔라셀을 같은 방식으로 만드는 벤처를 만들고요. 

   이 당시에는 손으로, 매뉴얼로 얘를 옮겼습니다. 그랬는데 벤처를 만들 때는 이런 머신을 만들었고요. 이런 평면형 스탬프로 옮기는 머신을 만들었습니다. 

   기계연에서는 2008년부터 이 연구를 시작했고요. 저희 기계연은 아시는 바와 같이 생산기술을 연구합니다. 그래서 생산 장비도 연구하고, 이 기술을 어떻게 생산성을 높여서 저희가 산업적으로 응용할 것인가에 관심을 가지고 롤 베이스로 트랜스퍼 안에 그런 기술들을 개발을 했습니다. 

   2016년도에 저희가 몇 가지 기술적인 진보를 이루어서요. 트랜스퍼와 동시에 전기적으로 연결되는 그런 기술들을 만들었고요. 2017년도에 저희가 신축성이 있는 Active-Matrix, 마이크로 LED 디스플레이를 구현을 했습니다. 연세대학교와 같이요. 

   마이크로 LED 디스플레이라고 하면 여기 계시는 분들 중에 생소하실 수도 있는데요. 기존의 디스플레이는 LCD와 OLED로 크게 대부분이 차지하고 있습니다. 그리고 LCD 디스플레이 중에 백라이트를 쓰는 디스플레이를 일부 LED TV라고 부르는 경우도 있는데요. 저희가 얘기하는 마이크로 LED는 디스플레이 각 화소 하나하나가 바로 LED인 겁니다. 

   그래서 그 화소 하나하나를 LED로 만들면 여러 가지 좋은 점이 있습니다. 이 파란색은 좋은 점이고요. 유연성 굉장히 좋고요. 그다음에 투명도, 현재 OLED는 투명도가 40~45% 정도가 limit인데 마이크로 LED는 투명한 디스플레이를 만들 수 있는 굉장히 좋은 장점이 있고요. 

   Reliability, 이 OLED 같은 경우에는 organic을 씁니다. 그런데 이 마이크로 LED는  inorganic이기 때문에 reliability가 굉장히 우수하겠고요. 발광 효율도 굉장히 우수합니다. 

   단점은 무엇이냐, 단점은 생산 단가가 비싸다는 겁니다. 생산 단가가 비싼 부분인데, 그 부분은 저희 기계연구원이 생산 장비와 공정을 개발함으로써 오늘 어느 정도 해결이 됐다고 말씀드리겠습니다. 

   그래서 저희가 사용한 방식을 간단히 schematic으로 보여드리면, 이번 기업에서 제시한 마이크로 LED 샘플입니다. 여기에 있습니다. 마이크로 LED 샘플 여기에 있고요. 이것은 기업에서 제시를 저희한테 해 주신 거고요. 그다음에 이 마이크로 LED를 롤로 들어 올려서 그다음에 ‘PCB’라고 부르는, 역시 기업에서 제시한 실제 제품에 쓰이는 것, 이놈 위에 LED를 올려놓습니다. 그래서 ‘LED 이쪽에서 들어서 이리로 옮기면 되는 거 아니야?’, ‘되게 쉬운 것 아니냐.’ 이렇게 말씀하시는데 여러 가지 이슈들이 있고요. 

   옮기는 것과 동시에 전기적으로 저 밑에 PCB라고 부르는 기판에 연결이 돼야 되고요. 예를 들어 올릴 때는 점착력이 증가돼야 되지만 예를 놓을 때는 점착력이 낮아져야 됩니다. 이 점착력을 제어하는 부분이 핵심기술이 되고요. 물론, 이제 다양한 alignment를 맞추는 기술이라든지 하중을 제어하는 기술들이 소요가 됩니다. 

   그럼 기존에는 어떤 기술이 있었냐, 저희가 LED TV 같은 경우에는 다이본더(Die Bonder)라는 기계가 있습니다. 이 다이본더라는 기계가 현재 상용화 돼 있는 기술입니다. 이 기술을 사용하게 되면 LED를 이렇게 붙여서 저희가 LED TV 백라이트로 쓰는 LED TV를 만들 수가 있고요. 

   그런 경우에는 초당 1개~2개 정도를 올려놓을 수 있습니다. 다이본더의 현재 기술이고요. 이게 상용화 돼 있는 기술입니다. 

   제가 말씀드렸던 로저스 교수가 역시 벤처를 하나 만들었는데 그 벤처에서는 이런 flat한 평면형 스탬프를 써서 트랜스퍼를 합니다. 이런 경우에는 저희가 estimate한 건데요. 초당 한 4,000개 정도. 

   저희가 사용하는 롤 트랜스퍼라는 기술은 이 LED를 정면을 떼서 align을 맞춰서 PCB에 올려놓게 됩니다. 이것을 롤 공정으로 진행하기 때문에 생산성이 굉장히 확장이 되고요. 저희가 산출한 바로는 대략 초당 4만 개 정도까지 가능한 걸로 현재 생각이 되고요. 

   이 마이크로 LED 기술에 이렇게 생산성이 중요한 이유는 저희가 사용하는 디스플레이 픽셀 개수가 현재 풀HD급만 해도 한 200만 개 정도 됩니다. 그렇게 되면 RGB 3색을 하면 600만 개의 LED를 붙여야 되고요. 600만 개의 LED를 현재 가능한 기술, 이 다이본더라는 기술을 쓰게 되면 대략 30일 정도 걸립니다. 디스플레이 하나 만드는데. 1초에 하나씩 꼽아서 600만 개를 꼽아야 되거든요. 

   저희 기술을 쓰게 되면 1시간 안에 만들 수 있게 됩니다. 그렇기 때문에 생산성이 중요하고, 이것으로써 마이크로 LED의 상용화 가능성이 굉장히 높아졌다고 말씀을 드리고요. 

   이건 저희가 실제 개발한 전자동 장비로 트랜스퍼를 하는 부분입니다. 이 LED는 기업에서 제공한 LED이고요. 기업에서 제공한 LED를 롤 스탬프로 picking을 하면, 이게 LED입니다. 크기는 100micro by 200micro, 100micro by 300micro 이런 수준이고요. 이것이 PCB, 좀 전에 보여드렸던 저 PCB이고요. 역시 기업에서 사용하는 제품입니다. 그 위에 LED를 이렇게 올려놓게 되면 이런 형태로 Blue, 그리고 여기에 있는 것은 Red, 그다음에 Green 3색을 하게 되면 RGB의 컬러가 구현이 되게 됩니다. 

   그럼 시장은 어떻게 되느냐. 현재 디스플레이 시장은 LCD와 OLED가 전체를 다 차지하고 있고요. LCD가 현재 90% 이상이라고 보시면 되고요. 그다음에 OLED가 빠르게 성장하고 있습니다. 아시겠지만 LCD 디스플레이는 우리나라 기업이 세계 1위를 하다가 아마 올해부터 중국기업으로 이제 대체가 될 가능성이 높습니다. 

   그리고 OLED 분야는 현재 우리나라가 전 세계 95% 이상 점유율을 차지하고 있고요. 그래서 저희가 제시하는 이 마이크로 LED는 OLED 다음에 차세대 디스플레이로 생각을 하고 있습니다. 

   그래서 상식적으로 생각하면 3~5년 정도 시간 텀이 있지만 변수는 이제 다른 IT 기업입니다. 애플 같은 경우는 마이크로 LED를 적용한 제품을 2017년도 하반기나 2018년도에 내놓겠다고 합니다. 그렇게 되면 이제 프리미엄 제품이 마이크로 LED로 가게 될 가능성이 높고요. 그렇게 되면 또 한 번 디스플레이 시장의 변화가 생길 가능성이 높습니다. 

   그래서 마이크로 LED 분야의 생산기술을 저희 기계연구원 출연연에서 선제적으로 개발을 해서 준비를 하고 있는 부분이 굉장히 필요하다고 생각이 됩니다. 

   이거는 저희가 개발한 장비로 stretchable한 신축성이 있는 그런 디스플레이를 구현한 부분을 애니, 이건 저희가 현재 가지고 있는 장비입니다. 그래서 원하시면 저희 기계연구원에 오셔서 직접 촬영을 하셔도 되고요. 이게 LED를 롤 스탬프로 picking을 한 다음에 저희가 overlay align을 맞춘 다음에 placing을 하게 됩니다. 

   이때 Active Matrix를 구현하려면 저희가 Thin Film Transistor라는 픽셀을 on/off하는 스위치가 필요하고요. 그 스위치를 트랜스퍼를 한 다음에 그 위치에 저희가 정렬을 맞춰서 LED를 트랜스퍼를 해야 됩니다. 

   정렬 상태를 저희가 리얼타임으로 관찰할 수 있는 여러 가지 기술들이 적용이 돼 있고요. 하중을 제어하는 부분이 굉장히 중요합니다. 그리고 트랜스퍼 되는 과정 중에 점착력을 컨트롤하는 부분이 핵심기술이 되고요. 

   이렇게 해서 저희가 트랜스퍼 LED와 Thin Film Transistor를 이제 유연한 rubber 기판에다 트랜스퍼를 하게 됩니다. 이 rubber 기판은 잘 늘어날 수가 있기 때문에 그것으로부터 저희가 stretchable한 그런 디스플레이를 구현할 수 있게 되고요. 

   이것은 어떻게 보면 미래에 필요한 그런 기술일 수도 있는데요. 이런 디스플레이가 마이크로 LED로 구현이 되면 이렇게 신축성이 가능한 기판 위에 트랜스퍼를 할 수 있습니다. 이 트랜스퍼라는 기술은 어떤 기판에도 적용할 수 있다는 게 장점이고요. 현재 주된 아이템으로는 자율주행 자동차에 적용이 가능한 stretchable한 디스플레이, 그다음에 저희 스마트폰의 화면을 늘리고 싶을 때 쭉 늘려서 본다든지 이런 아이템을 미래 아이템으로 생각하고 있습니다. 

   이상입니다. 


[질문 답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 처리했으니 양해 바랍니다. 

<질문> ***

<답변> 잘 안 들리는데요. 

<질문> 100micro까지 마이크로 LED라고 하긴 하는데, 제가 알기로 시장동향에서 소니도 10 이하였고 애플도 10 이하로 대만에서 R&D 돌리고 있어서 100micro 가지고 경쟁력이 있는지 일단 좀 모르겠고요. 그다음에 align의 정확도와 오류 이런 정도는 어느 정도인지, ‘양산성’을 지금 강조하고 계시니까. 양산장비는 국산 업체와 같이 만드시는 건지. 

<답변> 그렇죠. 국산 장비업체에다 기술이전을 했습니다. 

<질문> 루멘스와 하셨던데 서울반도체가 업계 1위 아닌가요? 왜 루멘스와 하셨는지. 

<답변> 사실은 저희가 루멘스를 고른 건 아니고요. 루멘스가 저희 쪽에 니즈를 가지고 왔고요. 처음 구현한 LED나 PCB나 이건 실제 루멘스에서 사용하는 제품을 기준으로 저희가 저희 기술을 demonstration 했고요. 

   마이크로 LED는 시장이 크게 두 가지로 현재는 봅니다. 그렇게 해서 디지털 사이니지(Digital Signage), 그러니까 디지털 광고판 쪽으로 시장이 하나 있고요. 그런 경우에는 10micro 이런 수준은 필요가 없고요. 100micro나 200micro 이런 수준의... 

   그 대신 현재 OLED나 LCD를 가지고 디지털 사이니지를 하려고 하는데, 이 광고판이라는 건 자외선에도 강해야 되고 reliability가 굉장히 중요합니다. 그다음에 디자인적으로도 Flexible 해야 되는 여러 가지 factor가 있는데, 이 마이크로 LED가 사실은 디지털 사이니지 쪽으로 굉장히 중요한 기술이 될 거다, 라고 생각을 하고요. 그게 첫 번째 아이템이고요. 

   두 번째는 말씀하신 것처럼 픽셀... LED 사이즈가 10micro 이하로 줄어들게 되면 마이크로 디스플레이가 중요한 어플리케이션입니다. 그래서 AR이나 VR용 저희가 디스플레이 그다음에 피코 프로젝터(PICO Projector) 이런 것들이 있는데, 현재로서 시장 규모는 사이니지 쪽이 좀 크다고 봅니다. 개인적으로는. 뭐 이거는 기업에 계신 분들이 시장동향을 보면서 대응해야 될 문제고요. 

   현재 100micron 수준의 LED를 전사 할 때 저희가 가지고 있는 포지션 uncertainty는 5micron 수준입니다. 그렇게 해서 저희가 선 폭을 대략 30micro 이런 수준을 사용을 하고요. 그게 만약 10micro 이내가 되면 굉장히 타이트해집니다. 그래서 positional accuracy를 0.5micro, 1micro 그런 수준으로 낮춰야 되고요. 

   그 대신 롤 공정을 사용하면 아시겠지만, 생산성 굉장히 증가가 되지만 overlay-align을 맞추는 부분이 상당히 어려워집니다. 그런데 저희 기술은 사실은 롤과 접촉하고 있는 이 뒷면에서 바로 align을 맞출 수 있는 저희가 기술이 있습니다. 그런 부분들이 사실은 반도체에서 사용하는 콘택트 얼라이너(Contact Aligner)와 유사한 형태로 저희가 align을 출 수가 있고요. 

   그다음에는 이제 마이크... 그 픽셀 사이즈가 작아지는 경우는 마이크로 디스플레이인데, 마이크로 디스플레이는 사실은 디스플레이 전체 사이즈가 굉장히 작습니다. 그래서 보통은 1인치가 거의 맥시멈이고요. 그런 정도의 스케일이라면 롤 공정을 했을 때 uncertainty는 누적이 되는 경향이 있거든요? 디스플레이 사이즈가 작아지면 이제 충분히 대응이 가능하다, 라고 판단을 하고 있습니다. 

<질문> 픽셀 단위는 언제 개발 진행이 되시는지? 

<답변> 현재 픽셀 단위로도 다 개발이 되어 있고요. RGB 3색을 다 각각 트랜스퍼 해서 컬러를 구현할 수가 있습니다. 

<질문> 대기업하고 얘기는 좀 하시나요? LG디스플레이나 삼성디스플레이. 

<답변> 삼성·LG디스플레이는 숨어서 열심히 하고 있습니다. 

<질문> 제가 알기로 LG디스플레이가 T/F 만들어서 마이크로 LED팀 가동한 지가 몇 년 됐는데, 

<답변> 몇 년 됐고요. 저희와도 협의를 하고, NDA 맺고 협의한 적이 있고요. 

<질문> 삼성하고 LG하고 놓고 보면 지금 기술개발 진척이 어느 정도... 둘 다 우열을 가리기 좀 애매하긴 한데, 어디가 좀... 

<답변> 그거는 제가 확실히 말씀드리기 어렵습니다. 삼성, LG는 현재 OLED에서 돈을 많이 벌어야 되는 입장입니다. 그래서 마이크로 LED는 숨어서 많이 하고 있고요. 

   그런데 이제 시장 체인저가 들어오게 되면, 애플이나 소니나 다른 기업이 마이크로 LED를 들여오게 되면, 제품이 나오게 되면 프리미엄 제품은 다 마이크로 LED로 가게 될 가능성이 높고요. 그렇게 되면 삼성, LG도 열심히 해야 될 겁니다. 

<질문> 본 기술이 클레디스(Cledis) 대비 어느 정도 시장우위가 있다고 보세요? 소니. 

<답변> 소니는 크리스탈 LED, 그다음에 그런 형태로 만드는데 그건 다이본더 기술을 씁니다. 기존, 이렇게 하나씩 붙입니다. 생산성에 있어서는 저희와 비교가 좀 어렵고요. 

   소니의 특허를 보면 레이저로 트랜스퍼 하는 기술들이 있는데 그거는 현재 양산에는 적용이 안 되고 있는 거로 알고, 그 특허는 이미 매각한 걸로 알고 있습니다. 그래서 ‘현재 저희 기술에 비해서는 생산성 굉장히 낮은, 현재 사용하고 있는 다이본딩에 의존하고 있다.’라고, 이건 제가 개인적으로 보는 view입니다. 

<질문> 알겠습니다. 감사합니다. 

<질문> ***

<답변> 그 부분은 제가 잘 모르는 부분인데.

<질문> 잘 모르고 계신다고요? 

<답변> 네.

<끝>

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