차세대 디스플레이 ‘마이크로LED’ 조립 난제, LG전자가 풀었다

장원재 LG전자 소자·재료연구소 책임연구원 연구진

LG전자 연구진이 마이크로LED의 복잡한 제조 공정을 대체할 수 있는 새로운 공정을 개발했다. /Imec, LEDinside

LG전자 연구진이 차세대 디스플레이로 주목받는 마이크로 발광다이오드(LED)의 새로운 생산법을 개발했다. 뛰어난 품질의 디스플레이를 만들 수 있지만, 복잡한 생산 공정 탓에 상용화에 어려움을 겪던 마이크로LED의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대를 모은다.

장원재 LG전자 소자·재료연구소 책임연구원이 이끄는 연구진은 4일 국제 학술지 ‘네이처’에 자석을 이용한 마이크로LED의 생산법을 개발해 디스플레이에 드는 시간과 비용을 크게 줄였다고 밝혔다.

LED는 전류를 가하면 빨강(R), 초록(G), 파랑(B) 빛을 내는 각각의 픽셀을 배치해 색을 만드는 반도체 소자다. 다양한 색을 손쉽게 표현할 수 있는 것은 물론이고, 전력 사용량이 적고 수명이 길다는 장점도 있다.

소자 하나의 크기를 100㎛ 미만으로 줄인 마이크로LED는 차세대 디스플레이 소재로 특히 주목받고 있다. 소자의 크기가 줄어든 만큼 높은 해상도를 낼 수 있고, 색이 선명하다는 장점도 있다. 또 하나의 패널로 찍어내는 방식의 디스플레이와 달리 조립으로 만드는 만큼 크기의 제한도 없다. 대면적 디스플레이가 필요한 TV와 광고판은 물론 가상현실·증강현실(VR·AR)처럼 고해상도의 영상이 필요한 분야에서도 활용도가 클 것으로 주목받고 있다.

문제는 비싼 가격이다. 마이크로LED는 웨이퍼 위에서 만들어 디스플레이 패널로 옮겨 붙이는 방식으로 만들어지는데, 작은 크기의 소자를 오차 없이 이어 붙이기 어려워 생산에 시간과 비용이 많이 든다. 현재까지 가장 빠른 방식으로 마이크로LED 디스플레이를 만들더라도 시간당 500만개의 소자를 옮기는 게 전부다. 이 속도로 4K 해상도 디스플레이를 조립하려면 꼬박 5시간이 든다. 시중에 출시된 마이크로LED TV 가격이 수억원에 달하는 이유다.

LG전자 연구진이 개발한 마이크로LED 생산공정. 니켈을 넣은 소자를 자석으로 유도해 자동으로 디스플레이 패널에 부착되도록 했다. /Nature

LG전자 연구진은 자석을 이용해 마이크로LED 소자가 스스로 조립하는 기술을 개발해 디스플레이 제조에 필요한 시간과 비용을 크게 절약했다. ‘자기력 보조 유전영동 자가조립(MDSAT)’이라고 불리는 이 기술은 마이크로LED처럼 크기가 작은 물질을 조립할 때 유용하다.

연구진은 니켈 금속을 넣은 마이크로LED 소자를 만들었다. 니켈은 외부 자기장이 없더라도 자성을 갖는 강유전체로, 니켈이 들어간 마이크로LED는 자석으로 쉽게 움직일 수 있다. 이렇게 만들어진 마이크로LED 소자를 디스플레이 패널과 액체로 채워진 수조에 넣어 자석으로 조립되도록 했다. 세 가지 색상의 소자가 제 자리에 들어갈 수 있도록 디스플레이에 있는 결합 위치의 모양은 색상에 따라 다르게 만들었다.

그 결과 15분 동안 99.99%의 정확도로 6만4800개의 마이크로LED 소자로 구성된 디스플레이가 자동으로 조립됐다. 디스플레이의 품질도 기존 방식과 큰 차이를 보이지 않았으며, 소자가 결합하지 않은 불량률도 0.02% 수준으로 나타났다.

연구진은 “이번에 개발한 기술을 실제 마이크로LED 생산 공정에 적용하려면 몇 가지 과제가 남았지만, 큰 문제는 아니라고 생각한다”며 “마이크로LED의 대량 생산 공정으로 적합한 기술이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다.

참고자료

Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05889-w

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