“자유자재로 모양이 바뀌는 투명한 디스플레이, 고해상도를 자랑하지만 전력 소모량은 기존 OLED 디스플레이의 1/2의 수준에 불과하며, 생산 속도는 1만 배 빨라졌다….” 모두가 꿈꾸던 차세대 디스플레이, 핵심은 양산 가능 여부였다. 한국기계연구원(이하 기계연, 원장 박천홍)의 롤 전사 이용 마이크로 LED 디스플레이 제조 기술로, 전력 소모량과 생산 속도가 획기적으로 개선되면서 이 모든 것이 현실화된다.

기계연 나노응용역학연구실 김재현 실장 연구팀은 롤 전사 공정1)을 이용해, 전력 소모가 적으면서도 기계적인 신뢰성이 높고, 신축성을 갖춘 ‘마이크로 LED 디스플레이2)’ 생산 기술을 개발했다. 현재 주로 쓰이는 LCD와 OLED 디스플레이보다 발광효율이 3배 뛰어나며, 생산 속도는 평균 1만 배 빨라졌다.

이번 기술의 핵심인 롤 전사 공정은 기계연이 원천 특허를 보유하고 있는 기술로, 국내 최초 개발 및 기술 이전에 성공했다. 롤 전사 공정은 롤러에 잉크를 묻히듯이 디스플레이의 각 픽셀에 스위치 역할을 하는 TFT3) 소자를 롤 스탬프로 들어 올린 후, 원하는 기판에 TFT 소자를 올려놓는다. 다시 LED 소자를 들어올려 TFT 소자가 배치된 된 기판 위에 올려놓으면 두 소자가 결합된 구조의 능동 매트릭스4)형 마이크로 LED 디스플레이가 완성된다.

▲기계연 나노응용역학연구실 황보윤 선임연구원이

롤 전사 공정 장비로 마이크로 LED를 전사한 필름을 들여다보고 있다.

기계연이 이번 기술 개발에 활용한 단결정 무기(Inorganic) 물질로 구성된 마이크로 LED는, 유기(Organic) 물질을 이용한 OLED보다 발광효율이 약 3배 높아 전력 소모가 적고, 내구성이 매우 우수해 모바일 디스플레이나 웨어러블 디스플레이에 적합하다. 또 기판에 대한 제약도 없어서 신축성 있고 투명한 고무 기판 위에도 전사할 수 있어 자유자재로 형태가 바뀌는 투명 디스플레이의 제작도 가능해졌다.

지난 2012년 연세대 안종현 교수 연구팀과 공동으로 롤 전사 공정을 이용해 TFT 소자 제작 기술을 개발했던 연구팀은, 이를 기반으로 이번에는 TFT와 LED 소자를 순차적으로 전사하면서 서로 간의 정렬을 가능하게 하는 다중 전사 기술을 개발했다. 이에 더 나아가 산업계의 니즈를 반영하여 금속 합금를 이용하여 마이크로 LED 소자를 기판에 전사하는 동시에 전기적인 접속을 구현하는 기계연 고유의 원천 공정 기술을 확보했다. 별도의 상호연결 공정 없이 전기적 접속이 가능해져 상용화 할 수 있는 기반을 구축하게 된 것이다.

이처럼 제작 단계가 단축되면서 생산속도는 혁신적으로 빨라졌다. 기존 LED 디스플레이를 제작하는 다이본더5) 장비는 초당 1~10개의 LED를 기판에 부착할 수 있지만, 롤 전사 기술을 이용한 전사 장비는 초당 1만여 개 이상의 LED를 전사할 수 있다. 다이본더 방식으로 풀HD급 200만 화소의 100인치 디지털 사이니지를 제작할 경우 30일 이상이 소요되지만, 롤 전사 공정을 이용하면 1시간 안에 제작할 수 있고 이에 따라 공정비용이 크게 절감된다.

또한 롤 전사 기술을 활용하면 유연하거나 신축성이 있고, 매우 가벼운 디스플레이의 구현이 가능하다. 기존 다이본더 장비로는 다루기 어려운 크기 100 마이크론 이하의 마이크로 LED 및 두께 10 마이크론 이하의 박막 LED 소자의 전사가 가능하기 때문이다.

연구팀은 미래창조과학부의 ‘고성능 유연소자 기술 기반 구축 사업’을 통해 이번 성과를 창출했으며, 7월 20일(목) 서울 더케이호텔에서 성과 보고회를 개최했다. 보고회에는 미래창조과학부 관계자를 비롯하여 기계연에서 해당 기술을 이전 받은 6개 중견·중소기업 관계자, 기술 이전 상담을 희망하는 기업인 등 총 1백여 명이 참석했다.

▲나노소재 응용 고성능 유연소자 기반구축 사업 성과 보고회

기계연은 총 6건의 기술이전 계약을 체결했다. 디스플레이 분야 중견기업인 ㈜루멘스에는 LED 롤 전사 기술을 이용한 디지털 사이니지 제조 장비 및 제조 공정 기술을 이전했다. 루멘스가 이전 받은 기술을 이용해 양산 라인을 구축하면, 우리나라가 마이크로 LED 디스플레이 분야의 세계적인 주도권을 확보할 뿐만 아니라 중소·중견 기업을 포함하는 국내 산업 생태계 조성에도 이바지할 것으로 기대된다. 기계연은 이번 성과 보고회에서 루멘스와 보다 다양한 기술협력을 위한 MOU도 체결했다.

이밖에 ㈜아이이에스에는 박막 롤 전사 장비 기술을, ㈜플렉스컴에는 실리콘 소자 롤 전사 장비를, ㈜알피이에 전사용 필름 소재 기술을, 각각 이전했다. 기계연은 이 사업을 통해 고성능 유연소자 제조와 특성 평가, 응용을 위한 산학연 공동 활용 기반을 구축한 데 이어, 고성능 유연 디스플레이와 고효율 유연 태양 전지, 단결정 실리콘 유연 메모리 등의 양산 기반을 구축하게 된 것이다. 또한 국내외 60여건의 논문을 발표하고, 특허 출원 69건, 등록 31건의 실적을 얻었다.

기계연 박천홍 원장은 “AI(인공지능)와 IoT 등 첨단기술의 발전과 함께 정보의 유통이 크게 증가할 제4차 산업혁명 시대에는 대량의 정보를 실시간으로 전달하는 빠른 디스플레이, 다양한 형태 변화가 가능한 소비자 적응형 신축성 디스플레이, 전력 소모가 적은 초고해상도 AR (증강현실)용 유연 투명 디스플레이 등 새로운 디스플레이 기술이 요구되고 있다”며 “기계연이 보유한 롤 전사 원천기술 기반 산학연과의 협력으로, 세계 고성능 유연소자 생산장비 시장을 선점할 것”이라고 말했다.