갈수록 심해지는 디스플레이 경쟁 구도, Micro LED 디스플레이는 왜 양산이 어려울까?

 

OFweek: 2021/03/17

https://display.ofweek.com/2021-03/ART-230001-8500-30489675.html

 

  

"차세대" 디스플레이 기술로 각광받고 있는 Micro LED는 실리콘 베이스 OLED, DLP 및 L-COS 디스플레이를 대체할 AR/VR용 디스플레이의 최선의 선택으로 여겨짐.

 

위에서 언급한 다른 디스플레이보다 Micro LED는 더 얇고 고휘도, 고해상도, 저전력 소비, 긴 수명, 더 긴 사용시간 및 "번인" 현상에 대한 내성에 있어서 더 높은 기술적 우위를 보임. Micro LED는 픽셀 간격이 Micro 수준으로 줄어들어 초고해상도를 가지고 있을 뿐만 아니라 모든 크기에 적용 가능하며 매우 빠른 전환 속도를 가진 Micro 초 수준의 반응 시간으로 AR/VR기기가 요구하는 근접 시야 기술에 부합하는 디스플레이임.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

 홀로그램 도파관은 안경 형태로 구현되는 미래 AR광학 솔루션임. 이 기술은 개발 초기부터 해결되지 않은 핵심 기술 문제가 양산의 걸림돌로 작용하고 있음. 이 문제가 해결돼야만 생산 수율 및 비용 문제가 해결됨. 여기서 말하는 핵심 기술의 문제란 실질적으로 Micro LED의 대량 생산 가능 여부임.

 

결국 Micro LED야말로 홀로그램 도파관의 양산에 필요한 기술상 선제적 해결 과제임. AR/VR 분야에서 Apple, Facebook, BOE와 같은 업체들은 Micro LED 디스플레이에 심도 있는 사업 전략을 펼쳐가고 있으며, AR/VR 분야는 이미 주요 제조업체의 경쟁이 치열하게 이뤄지고 있음.

 

그러나 기술적 우위에도 불구하고 Micro LED는 높은 비용과 대량 생산의 어려움으로 인해 양산에 성공하지 못하고 있으며, Micro LED가 언제 시장에 보급될 지는 아직 미지수임.

 

그럼에도 AR/VR 분야에서 여전히 Micro LED에 대한 투자와 연구 개발은 다음 단계로 나아가기 위해 진행 중임.

 

Micro LED 디스플레이 분야의 구심점이 될 양대 기업이 제휴하여 만든 현존 가장 작은 AR 단일 칩 Micro LED 디스플레이가 곧 출시된다

2005년에 설립된 미국 Micro LED 솔루션 제공업체인 Composite Photonics US Corporation(이하 줄여서 CP)은 AR/VR 분야의 Micro LED 디스플레이에 주력하고 있으며, 양산 가능한 가장 작은 크기의 디스플레이를 제조하는 것을 목표로 하고 있음.

 

CP는 지난 해 11월, Micro LED 혁신촉진센터인 MiAC를 개소하고 AR/VR과 같은 스마트 웨어러블 장치에 대한 증가하는 시장수요를 충족시키기 위해5μm 이하의 단일 칩 Micro LED 디스플레이 개발을 가속화해왔음.

 

이달 10일, 특수공정 반도체 파운드리로 유명한 GLOBALFOUNDRIES(이하 줄여서GF)는 CP의 Micro 디스플레이 기술 플랫폼인 IntelliPix®를 제조하는데 협력하기로 했다고 발표했음.

 

IntelliPix®는 CP가AR 안경의 고성능 및 저전력 요구사항을 만족시키기 위해 인간의 시각 체계를 시뮬레이션하여 개발한 것으로 현존 가장 최소형인 Micro LED AR/MR 디스플레이를 구현해 낼 수 있음. 아울러 더 작고 더 가벼운 AR 안경을 사용하여 한 번 충전으로 더 오랜 시간동안 사용할 수 있게 되어 사용자는 진정한 실시간 AR 홀로그램을 체험할 수 있음.

 

또한 CP는 AR 방향의 Micro LED 디스플레이 기술 개발뿐만 아니라GF와의 협력 외에도 Micro LED 기술 개발 업체인 Plessey 및 반도체 장비 공급 업체인 Axus와도 협력하여 Micro LED 디스플레이 기술을 기반으로 한 AR/VR 장비를 공동 개발하고 있음.

 

보도에 따르면, IntelliPix®는 GF의 22FDX 전문 반도체 플랫폼을 사용하여 제조될 것이라고 함. 22FDX는 저전력 소비의 장점 외에도 디스플레이에 대한 다른 기능을 조정할 수 있으며 제조 공정을 단순화할 수 있음. 지금까지 22FDX 솔루션은 45억 달러 규모 디자인 분야 수상 경력이 있으며3억 5천만 개 이상의 칩을 전세계 고객들에게 공급해 왔음.

 

GF는 TSMC와 같은 반도체 칩 파운드리 업체임. 2009년에 설립된 GF는 현재 TSMC와 삼성에 이어 세계에서 세 번째로 큰 규모임. 지난 달, GF는 미국 국방부와 협력하여 군사용 칩을 생산할 것이라고 발표했음.

 

세계에서 가장 작은 AR 단일칩 Micro LED 디스플레이의 대량 생산 및 상업적 응용은 국제 칩 파운드리 거인인 GF의 협력으로 양산이 임박한 것으로 보임. 그렇다면 IntelliPix®의  기술적 특징은 무엇이며 어떻게 구현되는 걸까?

 

2.5μm 픽셀 AR 단일칩 Micro 디스플레이의 장점은 무엇인가? IntelliPix®기술 세부 사항을 살펴보자.

 

CP가 출시한 Micro 디스플레이 기술 플랫폼 IntelliPix®가 구현하는 기술적 강점을 알려면 우선 Micro LED부터 시작해야합니다. 엄격한 의미에서 IntelliPix®는 고성능 Micro LED 디스플레이 백플레인 구동 기술이기 때문임.

 

간단히 말해서, Micro LED 디스플레이는 Micro LED 발광 소자로 구성되고 일련의 기술로 배열된 디스플레이 모듈일 뿐이며 전력 지원을 위한 백플레인이 필요함. 일반적인 Micro LED는 수동 위치(좌표 축의 위치 지정 및 전원 공급을 위해 x 및 y 좌표를 사용하는 것과 유사), 능동 위치(두 개의 트랜지스터가 각 Micro 발광 소자 뒤의 전류 제어) 및 반(half)능동 위치(단일 트랜지스터 제어)를 통해 선택됨. 위치. 이 세 가지 유형의 백플레인은 각각 해상도, 전력 소모 및 기타 측면에서 평형에 도달할 수 없음.

 

2020년 5월 CP는 LCoS 백플레인 기술을 Micro LED 용 정전류 드라이브 백플레인으로 재설계하는 혁신적인 디지털 백플레인 출시를 발표했음. 이로써 Micro LED 디스플레이와 통합할 수 있으며 CP의 NOVA 디스플레이 드라이브 아키텍처를 사용할 수 있게 되었음. CP는 이 기술은 AR의 소형화, 광학 성능 및 밝기 요구 사항을 충족하는 높은 프레임 속도, 낮은 대기 시간 및 낮은 전력 소비의 특성을 가지고 있다고 밝힘.

 

정전류 드라이브 백플레인 설계는 Micro LED 어레이의 순방향 전압 변화 및 IR 전압 강하에 대해 더 큰 수용 차이를 제공하여 Micro LED가 이전에는 사용할 수 없었던 균일성에 도달하게 함. 사용된 디스플레이 드라이브 구조는 또한 데이터 전송량을 제어하고 시스템 대역폭을 크게 증가시키며 비트 심도를 유지하면서 프레임 속도를 높일 수 있는 전면적 실시간 프로그래밍이 가능한 픽셀 전류 제어 기능이 있음.

 

IntelliPix®는 NOVA 디스플레이 드라이브 구조를 수정하고 업그레이드한 새로운 구조임. 이를 통해 IntelliPix®는 실시간 Video pipeline, 픽셀 수준의 지능형 이미지 관리, Micro LED의 픽셀 균일성 확보 및 단일칩 집적이라는 네 가지 큰 장점을 가지게 됨.

 

실시간 비디오 파이프라인의 기능은 영상을 실시간으로 원활하게 표시할 수 있게 해 줌. AR 측면에서 이 기능은 디스플레이 지연 현상을 크게 줄이는 데 도움을 주며 프로그래밍이 가능한 기능도 기술 개발의 난도를 낮출 수 있음.

 

일반적으로 AR 안경을 통해 보는 화면은 시야가 제한적으로 전체 시야를 완전히 커버할 수 없음. IntelliPix®는 픽셀 수준에서 이미지의 스마트 콘트롤이 가능한 기능을 갖추고 있어 콘텐츠 및 사용 환경에 따라 활성 픽셀 데이터를 조정하고 전송할 수 있음. 또한 인해 비활성 픽셀을 조정에 사용되는 대역폭을 감소시킴으로써 활성 픽셀의 표현력도 향상될 수 있으며, 전력 소비도 줄일 수 있음.

 

픽셀 균일성 측면에서 IntelliPix®는 Micro LED의 빠른 응답 특성을 최대한 활용하여 변조 속도를 100배 향상시킴. 이로써 보다 사실적인 색채 효과, 더 높은 재생률을 제공하며 다중 초점을 추가적으로 지원할 수 있음.

 

IntelliPix®의 단일칩 설계는 백플레인과 디스플레이 드라이버 IC(DDIC) 기능 간의 구별를 제거하여 크기와 전력 소비를 줄여 휴대용 디스플레이 장치에 더 적합함. Micro LED 어레이 본딩, 장치 패키징 및 테스트, 광학 엔진 설계를 위한 CP의 통합 기능과 결합된 IntelliPix® 플랫폼은 AR에 필요한 디스플레이 크기를 충족시킬 뿐만 아니라 이를 뛰어넘는 새로운 옵션도 제공함.

 

현재 Micro LED 디스플레이를 탑재한 Micro LED TV를 처음으로 출시한 소니뿐만 아니라 삼성, Konka, Reyard등의 제조업체들도 Micro LED를 TV 및 프리이엄 대형 화면에 채용해하고 있음. 반면 IntelliPix® 플랫폼은 최초로 AR Micro LED 디스플레이를 위해 특별히 설계된 디스플레이 구조임.

 

CP는 미국 애리조나주 챈들러(Chandler)에 어느 정도의 생산능력을 갖춘 Micro LED 생산 공장인 MiAC를 가지고 있음. 이번 세계 3위 반도체 웨이퍼 파운드리 GF와 협력을 통해 웨이퍼 생산, 측정 및 포장 등 대량 생산을 위한 기반을 마련했음.

 

Micro LED는 대량 생산이 임박했으며 디스플레이 경쟁은 더욱 심해진다

CP와 GF의 결합은 시장이 Micro LED의 기술이 양산이 가능할 것이라는 기대를 보여주는 것임. 하지만 높은 생산비용과 대량 생산 문제 해결 없이는 획기적인 진전이 불가능해 보임.

 

앞서 대만의 Micro LED 회사인 playnitride(镎创科技)는Micro LED가 고객이 원하는 수준의 가격으로 양산이 가능하려면 향후 5년 이내에 95%까지 비용을 줄여야 한다고 절감해야 한다고 언급한 바 있음.

 

또 다른 문제는 Micro LED의 양산임. 양산을 위해서는 최소한 세 가지 조건이 충족되어야 함. 첫째, 전이를 구현해 낼 수 있어야 함. 수율이 99.9999 %에 도달해야 진정한 양산을 실현할 수 있음. 둘째, 생산라인이 완벽하게 갖추어졌는지 여부임. 디스플레이 기술 외에도 Micro LED와 같은 고정밀 Micro 장비는 조립, 포장 및 기타 측면은 작업장의 청결성 및 생산라인의 완전무결성에 대한 요구 수준이 매우 높음. 셋째, 부품 공급망이 제대로 갖춰졌는지 여부임. 실제로 대량 생산에 투입이 가능한 품질 수준을 갖춘 부품 공급 업체의 백플레인, LED와 같은 재료의 재고 확보가 대량 생산의 뒷받침이 됨.

Micro LED를 개발하고 있는 업체는 삼성, Konka 등 적지 않지만, 양산에 성공한 회사는 손으로 꼽을 수 있을 정도로 적음. 현재 AR/VR 장비의 현황을 살펴보면, Micro LED를 채택하고 있는 AR/VR 장비는 시장에 존재하지 않음. Vuzix에서 출시할 예정인 차세대 AR 스마트글라스가 처음으로 Micro LED를 사용하게 된다고 함. 이 제품은 JBD가 공급하는 Micro LED를 채용하고 있으며, 2021 년에 출시될 예정임. 이전 세대의 AR 스마트글라스 가격은 1,000 달러 대였음.

 

이로 미루어 보면, AR/VR 분야에서 Micro LED 응용은 상상력이 크지만 실제 적용은 비용과 양산이 여전히 문제이며, 아직 걸음마 단계임을 알 수 있음.

 

CP와 GF의 조합은 생산에 있어 GF22FDX 전문 반도체 플랫폼을 기반으로 한 AR Micro LED 디스플레이 전용으로 보기 드문 디스플레이 구조를 만들어 냈음. 양산이 가능하다면 AR Micro LED는 세계에서 가장 작은 크기의 새로운 양산 솔루션을 갖게 되는 것을 의미하며, AR 안경의 경우 또 다른 경량화 혁명의 시작점이 될 것임. 가격문제만 해결된다면, Micro LED 디스플레이를 탑재한 AR 안경은 향후 시장에서 자리잡게 될 것을 기대할 수 있음.

 

중국의 반도체 시장은 TSMC에 의해 통제되고 있는 국면으로 현재 많은 기업과 도시들이 반도체 수급에 있어 곤경에 처해 있음. Micro LED는 다음 시대에 필연적으로 인기를 끌 디스플레이 기기임. 삼성과 소니는 이 분야에서 이미 경쟁하기 시작했고, 이미 중국보다 앞서가는 AR 산업의 사례가 존재함. 만약 이러한 경쟁에서 뒤쳐진다면, 중국의 AR산업은 차세대 Micro LED 수급의 곤경에 직면할 수 있음.

 

 

양산이 가능하다고 주장하는 기업들이 계속해서 등장하는 이때, Micro LED 시장을 두고 일촉즉발의 경쟁전이 예상됨.