마이크로 LED, 나노 LED 발광원 ‘QNED’ 등 차세대 디스플레이 주목

차세대 디스플레이로 급부상한 마이크로 LED, QNED가 OLED의 경쟁 상대가 될 것인가, 아니면 도태되거나 독자적인 시장을 구축할 것인가. 

삼성전자 마이크로 LED TV의 하반기 출시가 임박하면서, 급변하는 차세대 LED 디스플레이 시장의 향방에 다시 귀추가 주목되고 있다. 



삼성전자는 지난 1월에 개최된 ‘CES 2020’에서 가정용 마이크로 LED 스크린 시대를 선언했다. 이 회사는 현지에서 열린 ‘삼성 퍼스트 룩 2020’행사를 통해 ‘마이크로 LED’를 적용한 ‘더 월(The Wall)’ 라인업을 대폭 확대하며, 홈 엔터테인먼트 시장을 본격적으로 개척하겠다고 밝힌 바 있다.

이날 88형과 150형 더 월 신제품을 공개한 삼성전자 영상디스플레이 사업부장 한종희 사장은 “이제 더 월은 홈 엔터테인먼트 시장에서 표준이 되어 가고 있으며 설치 환경에 완벽하게 녹아 들어가 단순히 스크린이 아닌 주거 환경의 일부로 인식되고 있다”고 마이크로 LED 스크린 시대의 도래를 암시했다. 삼성전자는 75형, 88형, 93형, 110형 등 홈 엔터테인먼트 용으로 적합한 다양한 크기의 제품을 선보여 일반 가정에서도 최고의 시청 경험을 할 수 있도록 더 월 라인업을 완성해 나가고 있다.

삼성은 지난 2월 네덜란드 암스테르담에서 열린 유럽 최대 디스플레이 전시회 ‘ISE(Integrated Systems Europe) 2020’에 참가해 마이크로 LED 기반의 상업용 디스플레이 신제품을 대거 공개하면서 ‘더 월’의 라인업을 확대했다. 마이크로 LED 기술이 적용된 더 월은 모듈러 기반으로 제작돼 베젤, 사이즈, 화면비, 해상도 등에 제약이 없는 장점을 이용했다.

▲삼성전자는 지난 2월 네덜란드 암스테르담에서 열린 유럽 최대 디스플레이 전시회 ‘ISE 2020’에 참가해 마이크로 LED 기반의 '더 월(The Wall)' 292형을 소개했다.

특히 더 월은 베젤이 없는‘인피니티(Infinity)’ 디자인으로 벽과 화면 사이에 마치 경계가 없는 것처럼 자연스럽게 어우러지는 환경을 연출할 수 있어 빌딩이나 호텔 로비, 대형 회의실, 디자인 연구소 등에 적합하다는 것. CES에서 호평 받은 219형ㆍ292형 뿐만 아니라 437ㆍ583형까지 라인업을 확대해 다양한 사용 환경과 목적에 따라 제품을 설치할 수 있도록 고객 선택의 폭을 넓혔다. 

LG전자도 지난해 6월 열린 미국 상업용 디스플레이 전시회 ‘인포콤 2019(InfoComm 2019)’에 참가하여 초소형 LED 소자로 섬세한 화질을 구현한 ‘마이크로 LED 사이니지’를 처음으로 선보였다. 이 제품은 LED 소자 하나하나가 독립적으로 작동해 화질을 섬세하게 표현했으며 어느 각도에서도 색의 왜곡이 없고, 베젤이 없어 영상 몰입감을 극대화했다.

▲LG전자가 지난해 6월에 미국 올랜도에서 열린 상업용 디스플레이 전시회 ‘인포콤 2019’에 참가해 초소형 LED 소자로 섬세한 화질을 구현한 ‘마이크로 LED 사이니지’를 선보였다.

LG전자 ID사업부장 이충환 상무는 “차세대 디스플레이인 ‘마이크로 LED 사이니지’, ‘투명 올레드 사이니지’,  등 다양한 활용성을 갖춘 첨단 사이니지의 기술력으로 전 세계 고객에게 최고의 솔루션을 제공할 것”이라고 밝혔다. 연초에 열린 ‘CES 2020’에서도 LG전자는 주력인 올레드TV와 함께 4K 해상도의 145형 마이크로 LED 사이니지, LCD TV의 일종인 8K 해상도 80형 미니(Mini) LED TV 등도 공개했다.

마이크로 LED, 넌 누구냐
 
마이크로 LED는 폭이 주로 100μm 미만의 LED 칩 자체를 발광 소자로 사용한다. 이는 각각 액정과 유기재료를 핵심 소재로 하는 LCD, OLED와 다른 점이다. 기존 LED와 구조는 비슷하지만 초소형 LED를 사용하고 패키징 과정 없이 칩 자체를 PCB 혹은 글래스 기판에 배치하여 화소로 활용할 수 있는 장점이 있다.

보통 100μm 미만의 사이즈를 기준으로 미니(Mini) LED와 마이크로(Micro LED)를 구분하기도 하나 꼭 그렇지만은 않다. 크기가 아닌 성장기판 제거 유무에도 달라지기 때문에 미니 LED와 마이크로 LED의 경계가 모호해졌다. 기판의 두께가 유지되고 있는 상태에서 조립 방식이 자유로워졌고 다양한 ‘Pick & Place’ 방식이 적용되고 있다는 점도 이들 디바이스를 구분하기 힘들어졌다. 또한 발광 에피층을 기판 분리 후 전사하기 전에 임시 고정 앵커(Anchor)의 개념이 없어졌고 수직/수평형 와이어 본딩(Wire Bonding) 대신 인터커넥트(Interconnect) 배선 증착이 가능해진 점도 작용했다.


일반적으로 미니 LED는 칩 크기가 약 200~500μm이며 사양과 크기에 따라 수천~1만개가 적용되며, 명암비를 높이기 위한 로컬 디밍 영역은 수백~수천 개 수준으로 구현되기 때문에 높은 명암비와 HDR 성능 구현이 가능하다는 장점이 있다. 미니 LED BLU는 자동차, 태블릿, 노트북, 모니터, TV 등 대부분의 LCD 제품에 적용을 시도하고 있다. 화면 크기가 작아질 경우, 더 낮은 가격을 원하기 때문에 해상도와 크기에 큰 제약이 없는 미니 LED BLU를 채택한 LCD가 전통적인 디스플레이 시장에서 부각될 것으로 보인다. 

이에 반해 마이크로 LED는 OLED와 같이 봉지 공정과 편광판을 필요로 하지는 않지만 외부 충격으로부터 LED 칩을 보호할 수 있는 보호층이 필요하며, 아직까지 원가 경쟁력을 갖출 수 있는 대량 양산 기술을 확보하지 못했다는 점이 범용화의 최대 걸림돌이다. 마이크로 LED 디스플레이는 칩 자체가 화소를 구성하므로 고해상도 및 대형 디스플레이 구현시 많은 양의 칩이 필요하고 이는 곧바로 원가 상승의 요인이 된다.

예를 들어 UHD급 해상도를 R·G·B로 구현하기 위해서는 약 2,488만 개(3840×2160×R·G·B)의 서브-픽셀이 필요하고 8K 해상도에서는 약 1억 개가 필요하다. 이들 칩들을 개별 단위로 실장한다면 공정 비용과 시간이 기하급수적으로 늘어나 양산이 쉽지 않은 이유이다. 이를 위해 칩을 웨이퍼 단위나 대면적의 PDMS 등으로 전사하거나 ‘Roll stamp’로 들어 올린 후 원하는 기판에 TFT 소자를 형성하는 ‘Roll-to-roll’ 등 새로운 방법이 시도되고 있다. 

삼성의 비기, QNED

QNED(QD Nano LED Display)는 디스플레이 시장의 판도를 바꾸려는 삼성의 비장의 무기이다. 

QNED는 나노 LED를 발광원으로 쓰고 퀀텀닷(QD) 소재를 발색원으로 사용하는 디스플레이이다. 쉽게 얘기하자면 QD-OLED와 마이크로 LED 디스플레이 사이에 있는 제품으로 생각하면 쉽다. QD-OLED의 블루 OLED 소자를 블루 나노로드(Blue Nanorods) LED로 대체하여 수명과 품질을 개선했다.

지난해 5월 삼성디스플레이는 국민대 도영락 교수로부터 QNED 관련 기술 특허를 사들였다. 이 특허는 초소형 LED 소자 전극을 효율적으로 형성하는 기술로 초소형 LED 전극 어셈블리의 광추출 효율성을 높인다. 매입 기술료가 약 100억원 규모였다는 점에서 세간의 관심을 불러 일으켰다. 삼성이 구현하려는 QNED 디스플레이는 기존 OLED 방식의 블루 발광원 대신 파티클(Particle) 크기의 블루 나노로드 LED를 기반으로 한 자발광 구조일 것이라는 전망이 크다. 특히 무기물 기반인 나노 LED는 유기물인 OLED가 가진 최대 약점인 버닝(Burning) 현상을 해결할 수 있다는 장점을 가졌다. 
 
이와 같은 기술 확보를 위해 삼성디스플레이는 지난 7월1일 ‘QD(퀀텀닷) 설비 반입식‘을 개최하며 사업 전환을 대외적으로 알렸다. 이 회사는 작년 10월 투자 발표 이후, TV용 LCD를 생산하는 L8라인의 일부 설비를 철거하고 QD 라인을 구축하기 위한 클린룸 공사를 진행해왔다. 삼성디스플레이는 최근 이를 마무리하고 8.5세대 증착기를 시작으로 본격적인 설비 셋업에 돌입한다. 올 하반기 생산라인 셋업을 마무리하면 내년부터 단계별 시가동을 거쳐 본격적인 제품 생산에 돌입할 예정이다.

삼성디스플레이는 현재 생산라인 구축과 함께 내년 프리미엄 TV시장 진입을 위해 QD 제품의 완성도와 양산성을 높이기 노력하고 있다. 최주선 대형사업부장은 반입식에서 “지난 20여 년간 축적해온 LCD 대형화 기술과 퀀텀닷 분야의 앞선 기술력을 바탕으로 독보적인 화질의 QD디스플레이 양산을 위해 최선의 노력을 다할 것“이라고 밝혔으며 자리에 함께한 성규동 이오테크닉스 대표이사도 “QD가 대형 디스플레이 산업에 새로운 성장 동력이 될 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.

이에 앞서 삼성디스플레이는 지난해 10월 차세대 프리미엄 TV 시장의 기술 리더십을 강화하기 위해 세계 최초로 ‘QD디스플레이’ 투자에 나선다고 천명한 바 있다. 이 회사는 2025년까지 ‘QD디스플레이’ 생산시설 구축 및 연구개발에 대한 총 13.1조원 규모의 투자 계획을 발표했다. 대형 디스플레이 기술의 방향을 기존 LCD에서 ‘QD디스플레이’로 전환하고, ‘QD’를 기반으로 대형 디스플레이 산업의 새로운 전성기를 열어간다는 청사진이다. 신규 라인은 우선 초기 3만장(8.5세대) 규모로 2021년부터 가동을 시작해 65인치 이상 초대형 ‘QD디스플레이’를 생산할 예정이다. 이를 위해 기존 8세대 LCD 라인을 단계별로 ‘QD’ 라인으로 전환하며, 2025년까지 생산능력을 점차 확대해 나갈 계획이다. 

나노 LED 가격 경쟁력은

QNED는 TFT 백플레인 기판 위에 액상 형태로 뿌려진 나노 LED가 전압이 인가된 핑거(Finger) 배선 전극 사이에 수평으로 개별 분리된 형태로 평면 광원을 구현한다. 

나노 LED가 8K에서 형성될 개수는 정확히 알기는 어렵지만 R, G, B 각각의 Sub-픽셀 수인 총 9,953만개보다 몇 배수 많은 수량이 필요할 것으로 보인다. 칩 크기가 1x1μm까지 미세화될 경우, 나노 LED의 개당 단가를 가정해보면 개당 $0.0000002 수준에 불과할 것으로 추정하며 극단적으로 25억 개의 나노 LED가 소요된다 해도 재료 비용은 $500 수준이라는 전망이다. 특히 QNED의 원가 경쟁력은 잉크젯 공정의 단일 레이어 발광원 형성으로 공정 비용이 낮아질 것으로 보고 있다. 

삼성디스플레이가 QNED TV 양산에 성공할 경우, OLED TV에 사활을 걸고 있는 LG디스플레이에게는 큰 위협 요인이 될 것으로 판단하는 이유이기도 하다. 

업계 관계자는 “100인치 이상 초대형 시장은 마이크로 LED 가능성이 점쳐지고 있지만 가정용 TV 디스플레이 기술 방식은 OLED, Mini-LED로 압축되고 있다. 특히 대형 디스플레이 시장은 QNED의 양산에 따라 시장이 또 달라질 수 있다”고 전망했다.