최종 수요와 정책이 마이크로 LED 산업의 급속한 발전을 견인하고 있습니다.

마이크로 LED 디스플레이 기술은 육각형 전사와 같습니다. 인간은 80% 이상의 정보를 눈을 통해 얻으며, 디스플레이 이미지 품질과 형태에 대한 인간의 높아진 요구는 디스플레이 기술의 지속적인 발전과 혁신을 이끌어 왔습니다. 컬러 디스플레이 기술은 CRT와 같은 여러 과도기를 거쳐 현재는 LCD와 OLED 기술이 주를 이루고 있습니다. 성능 면에서 차세대 디스플레이 기술인 마이크로 LED는 대량 생산되는 LCD(액정 디스플레이) 및 OLED(유기 발광 다이오드 디스플레이) 기술에 비해 거의 모든 기술적 측면에서 월등한 성능 우위를 보입니다. 긴 수명, 높은 명암비, 고해상도 구현, 빠른 응답 속도, 넓은 시야각, 풍부한 색상 표현 등 마이크로 LED는 디스플레이 기술의 궁극적인 해법으로 여겨지고 있습니다.

첫째, 비용과 성능이 마이크로 LED 산업의 지속적인 발전을 이끄는 원동력입니다.

마이크로 LED는 고밀도 마이크로 크기 LED 어레이를 칩 하나에 집적한 새로운 LED 소형화 및 매트릭스 기술입니다. 이 기술은 LED 유닛을 50마이크론 미만으로 소형화하여 단일 지점 구동 방식의 자발광을 구현하는데, 이는 기존 LED보다 약 100배 작으며, 픽셀 피치 또한 밀리미터에서 마이크론으로 줄였습니다. 따라서 마이크로 LED는 본질적으로 마이크론급 LED이며, LED(발광 다이오드)는 전기 에너지를 가시광선으로 변환하는 고체 반도체 소자입니다.

비용 측면에서 보면, 4인치 사파이어 에피택셜 시트를 일반 LED 칩으로 자르면 약 6만 개가 되는데, 이를 자르면... 미니 LED 일반 칩은 약 60만 개 정도이지만, 마이크로 LED 칩은 240만 개 이상으로 분할 생산할 수 있습니다. 동일한 웨이퍼에서 마이크로 LED 칩의 개수가 크게 늘어나고, 개당 비용은 낮아졌기 때문에 비용 측면에서 마이크로 LED의 발전 가능성이 큰 이유 중 하나입니다.

성능 측면에서 볼 때, 이미 양산되고 있는 LCD 및 OLED 기술과 비교하여 마이크로 LED는 긴 수명, 높은 명암비, 고해상도, 빠른 응답 속도, 넓은 시야각, 풍부한 색상, 초고휘도 및 낮은 전력 소비 등 거의 모든 기술적 측면에서 매우 우수한 성능을 자랑합니다. 특히, (1) 얇고 가벼움: 마이크로 LED의 크기는 기존 LED의 약 1/100에 불과하며, 사람 머리카락 굵기의 약 1/10 정도입니다. (2) 낮은 전력 소비: 마이크로 LED는 3원색 서브픽셀 자발광 구조를 사용하는 반면, LCD 디스플레이 공정은 백라이트를 편광판과 색 필터를 거쳐야 하므로 에너지 손실이 큽니다. 이에 비해 마이크로 LED의 디스플레이 전력 소비는 LCD 전력 소비의 약 10% 수준입니다. 또한, 마이크로 LED는 무기 재료를 사용하여 빛을 발산하므로 발광 효율이 높고, OLED는 유기 재료를 사용하여 빛을 발산하므로 두 기술 모두 OLED보다 발광 전력 소비가 낮습니다. 따라서 동일한 이미지를 표시할 때 마이크로 LED의 전력 소비는 OLED보다 낮고 LCD보다 훨씬 낮습니다. (3) 높은 밝기: 마이크로 LED는 발광부에 질화갈륨(GaN) 무기 재료를 사용하여 이론적으로 105cd/m2의 밝기를 구현할 수 있으며, 이는 LCD의 3,000cd/m2 및 OLED의 1,500cd/m2보다 훨씬 높고 무기 재료의 수명도 더 깁니다. (4) 고해상도: 마이크로 LED 디스플레이 기술에서는 각 마이크로 LED가 자체 발광하는 픽셀이며, 단일 마이크로 LED의 크기가 마이크론 수준이므로 매우 높은 해상도를 구현할 수 있습니다. 마이크로 LED 디스플레이의 픽셀 밀도는 1,500PPI 이상인 반면, LCD와 OLED 화면의 PPI는 각각 약 800PPI와 400PPI입니다.

요약하자면, 비용과 성능은 마이크로 LED 산업의 지속적인 발전을 촉진할 것입니다.

둘째, 마이크로 LED 적용 시나리오

마이크로 LED는 미래의 궁극적인 디스플레이 기술입니다. 비용과 공정 성숙도를 고려하지 않고 디스플레이의 성능 및 지표 데이터만 본다면, 마이크로 LED는 의심할 여지 없이 최고의 디스플레이 기술이며, 모든 성능 지표에서 다른 디스플레이 기술보다 우수합니다. 적용 시나리오 측면에서도 마이크로 LED는 모든 크기의 제품에 적합합니다. 기술적 실현 가능성과 경제적 실현 가능성 측면에서 볼 때, 마이크로 LED는 3인치 이하의 소형 디스플레이부터 100인치 이상의 대형 디스플레이에 이르기까지 가장 먼저 적용될 기술입니다.
3인치 미만의 소형 디스플레이 시장에서 마이크로 LED는 OLED 시장을 잠식할 것으로 예상됩니다. 소형 디스플레이는 시청 거리가 매우 가깝기 때문에 높은 수준의 디스플레이 효과를 요구하며, 특히 모바일 기기에서 흔히 볼 수 있듯이 전력 소비에도 민감합니다. 따라서 OLED는 낮은 전력 소비와 우수한 디스플레이 효과라는 장점으로 소형 디스플레이의 주류 기술로 자리 잡았지만, 향후 마이크로 LED의 등장으로 시장 점유율이 감소할 전망입니다. 마이크로 LED는 디스플레이 효과, 전력 소비 등 모든 성능 지표에서 OLED보다 우수할 뿐만 아니라, 화면 크기가 작고 화소 수가 적어 비용 또한 상대적으로 낮게 유지할 수 있습니다. 현재 기술 수준에서 마이크로 LED는 칩 소형화에는 성공했지만, 대용량 데이터 전송과 수율 측면에서 여전히 한계가 있습니다. 여러 기업들이 비용 절감을 기반으로 기술 개선 방안을 모색하고 있는 실정입니다.

3~99인치 디스플레이 시장에서 마이크로 LED는 단기간에 LCD와 OLED의 시장 점유율을 잠식하기 어렵습니다. 시청 거리가 가까워짐에 따라 칩 크기와 픽셀 피치에 대한 요구 조건이 높아지고, 화면 크기가 커지고 픽셀 수도 증가하기 때문에 3~99인치 디스플레이에 마이크로 LED를 적용하는 것은 기술적 난이도와 공정 비용을 크게 증가시키며, 이 범위에서 마이크로 LED 기술의 성숙도 향상이 시급합니다. 무엇보다 중요한 것은 이 크기 영역에서는 소형 OLED든 대형 LCD든 마이크로 LED의 비용 우위가 확고하게 유지되고 있다는 점입니다. 향후 마이크로 LED의 비용이 지속적으로 절감되고 기술이 향상됨에 따라 마이크로 LED와 LCD, OLED 간의 비용 및 공정 난이도 격차는 더욱 좁아질 것입니다.

100인치 이상 대형 디스플레이 시장에서 마이크로 LED는 유리한 위치에 있습니다. 100인치 이상 디스플레이 시장에서 LCD는 대형 패널의 생산 수율과 절단 효율에 한계가 있으며, OLED 역시 대형 패널 후 증착 공정으로 인한 낮은 수율 때문에 비용 절감이 어렵습니다. 따라서 과거에는 100인치 이상 디스플레이 시장에서 프로젝터와 LCD 스플라이싱 스크린이 주를 이루었습니다. 그러나 마이크로 LED의 가격이 크게 하락함에 따라, 풀스크린 스플라이싱, 풍부한 색감, 고휘도 등 여러 장점을 바탕으로 프로젝터와 LCD 스플라이싱 스크린과 같은 기존 디스플레이 제품을 빠르게 대체할 것으로 예상됩니다.

마이크로 LED 산업 시장 규모 3개

현재 마이크로 LED 칩은 안경이나 TV와 같은 디스플레이 분야에서 제품화되고 있지만, 가격 제약으로 인해 대부분의 제품이 여전히 개념 단계에 머물러 있으며 대규모 시장 진출에는 아직 이르지 못했습니다. 향후 마이크로 LED 핵심 기술의 발전과 점진적인 성숙으로 상용화 및 산업화 비용이 크게 절감되고 칩 수율이 더욱 향상됨에 따라, 마이크로 LED는 대형 및 소형 디스플레이 시나리오의 적용을 주도할 것으로 예상됩니다. 출하량 측면에서 Omdia의 예측 데이터에 따르면, 스마트워치와 고급 TV 시장 수요의 영향으로 전 세계 마이크로 LED 디스플레이 출하량은 2020년 미미한 수준에서 2027년 1,600만 개 이상으로 급증할 것으로 예상되며, 시장 수요 잠재력은 매우 큽니다. 시장 규모 측면에서 Jibang Consulting의 예측에 따르면, 마이크로 디스플레이 응용 분야에서 2026년 마이크로 LED AR 안경 디스플레이 칩 생산액은 4,100만 달러에 달할 것으로 예상됩니다. 대형 디스플레이 시나리오에서 마이크로 LED 대형 디스플레이 칩의 생산액은 2022년에 5,400만 달러에 도달하고 2026년에는 45억 달러로 증가할 것으로 예상되며, 연평균 복합 성장률은 204%에 달하여 시장 성장 잠재력이 매우 큽니다.

넷째, 최종 수요와 정책이 산업의 급속한 발전을 견인한다.

(1) 최종 수요의 변화는 산업 발전을 이끄는 주요 요인이다.

2009년 이후 LED 칩 산업은 LED 제품에 대한 새로운 수요에 힘입어 세 번의 성장 주기를 거쳤습니다. 첫 번째 단계는 2013년 이전으로, 평면 TV와 휴대폰 백라이트가 LED 산업 발전을 주도한 주요 수요였습니다. 두 번째 단계는 2013년부터 2014년까지로, 2013년 유럽 연합의 백색 직조 조명 전면 금지 조치로 전문 조명 및 조경 조명용 LED 수요가 증가하고 연안 국가의 LED 수출이 늘어나면서 LED 산업이 성장했습니다. 세 번째 단계는 2015년부터 2020년까지로, 소형 LED의 급속한 발전으로 LCD와 DLP를 대량 대체하며 정부 지휘 센터, 보안, 방역, 비즈니스, 야간 교통 등 다양한 분야에서 널리 사용되면서 산업 성장을 견인했습니다. 네 번째 단계는 2020년 이후로, 고화질 디스플레이와 저전력 소비에 대한 LED 디스플레이 산업의 요구가 증가하면서 마이크로 LED의 보급률이 점차 높아졌습니다. 궁극적인 디스플레이 기술인 마이크로 LED는 비용 절감과 기술 발전을 통해 긴 수명, 높은 콘트라스트, 고해상도, 풍부한 색상, 초고휘도 및 낮은 전력 소비와 같은 우수한 성능으로 산업화를 가속화하고, 업계의 상승세를 다시 이끌어낼 것으로 기대됩니다.

(2) 강력한 국가 정책 지원이 산업 발전을 촉진할 것입니다.

차세대 신디스플레이 기술인 마이크로 LED는 많은 주목을 받고 있습니다. 최근 몇 년 동안 정부는 마이크로 LED를 적극적으로 지원하는 정책을 발표해 왔습니다. 예를 들어, 2021년에 발표된 '제14차 5개년 계획'에서는 3세대 반도체를 중요한 내용으로 명시하고 신에너지 자동차, 빅데이터 응용, 5G 통신, 마이크로 LED 디스플레이 등 핵심 기술 분야를 집중적으로 지원했습니다. 산업정보화부와 5개 부처는 '가상현실 및 산업응용 융합발전 추진 계획(2022-2026)'을 발표하여 마이크로 LED를 비롯한 마이크로 디스플레이 기술의 발전을 촉진하고자 했습니다. 또한, 산업통상자원부와 재정부는 '전자정보제조산업 2023-2024 안정성장 추진 계획'을 발표하여 미니 LED, 마이크로 LED 등의 기술 개발을 적극적으로 추진할 것을 제안했습니다. 산업정보화부와 7개 부처가 공동으로 발표한 '미래 산업 혁신 및 발전 촉진 시행 방침'에서는 마이크로 LED, 레이저, 인쇄 등 디스플레이 기술의 혁신을 도모하고 대규모 응용을 실현할 것을 제안했습니다. 이러한 정책 및 규정의 발표와 시행은 마이크로 LED 산업 발전에 대한 중국 정부의 긍정적인 태도와 확고한 의지를 보여주는 것으로, 마이크로 LED 산업 발전을 위한 최적의 환경을 조성합니다. 마이크로 LED는 국가의 정책적 지원을 바탕으로 빠르게 성장할 것으로 기대됩니다.

다섯째, 마이크로 LED 산업의 발전

(1) 산업 발전 현황

마이크로 LED 제조 공정은 기존 기술 단계와 유사하며, 주로 LED 에피택셜 웨이퍼 성장, 마이크로 LED 칩 생산, 드라이버 백플레인(TFT 드라이버 또는 마이크로 IC 드라이버) 생산, 대량 전사의 네 단계로 구성됩니다. 먼저 LED 구조는 박막, 마이크로, 어레이 형태로 설계되고, 대량 전사 기술을 이용하여 마이크로 LED가 회로 기판으로 전사됩니다. 기판은 경질, 연질, 투명, 불투명 기판 등 다양한 종류가 사용될 수 있습니다. 물리적 증착 공정을 통해 보호층과 상부 전극을 형성하고, 상부 기판을 패키징하여 간단한 마이크로 LED 디스플레이를 완성할 수 있습니다. 그러나 칩의 소형화로 인해 마이크로 LED 제조 기술은 기존 산업 사슬의 각 단계에 새로운 기술 지표와 요구 사항을 제시하고 있습니다. 여기에는 재료, 공정, 장비 등 다양한 분야의 핵심 기술 연구 개발 요구 사항이 포함되며, 각 산업 단계의 기술은 독립적으로 개발될 수 없기 때문에 매우 복잡한 기술 시스템을 구성합니다. 패널, 칩, 대량 전사, 드라이버 IC 등 산업 사슬의 상하류와의 긴밀한 협력이 필수적입니다. 현재 에피택시 및 칩 제조, 대용량 전송, 풀컬러 디스플레이, 디스플레이 구동이라는 네 가지 핵심 기술은 여전히 ​​돌파구를 마련해야 합니다.

(2) 세계 기술 혁신 개요

마이크로 LED의 발전 역사를 살펴보면, 2000년 텍사스 공과대학교의 두 교수가 마이크로 LED 개념을 처음 제안한 이후, 이 기술은 전 세계적으로 기술 혁신의 정점에 도달했습니다. 2017년 이후 마이크로 LED 기술 혁신 활동은 급격히 증가하여 현재 폭발적인 성장세를 보이고 있습니다. 현재 마이크로 LED 관련 특허는 전 세계적으로 4만 건 이상 등록되어 있으며, 그중 1만 3천 건 이상이 유효 특허입니다. 심사 및 유효 특허 등록률은 80%에 육박하여 이 분야의 특허 장벽이 매우 높음을 시사합니다. 마이크로 LED 기술 혁신이 가장 활발한 지역은 중국, 미국, 한국이며, 특허 분포를 보면 중국과 미국 시장이 가장 활발한 것으로 나타납니다. 세계 및 중국 주요 혁신 기업들을 살펴보면, 중국, 한국, 미국은 디스플레이 패널 및 광전자 기업을 중심으로 세계적인 혁신 선도 기업들을 다수 보유하고 있습니다. 세계 15대 기업 중 절반 이상이 중국 기업으로, BOE와 화싱광전자(Huaxing Optoelectronics)가 세계 5위권에 이름을 올렸습니다. 중국을 대표하는 기업들 외에도 한국의 삼성과 LG가 세계 최고 수준의 특허 출원 실적을 기록했습니다. 연구개발 기관 유형별 특허 출원 건수를 살펴보면 스타트업 기업이 29%로 가장 높은 비중을 차지했습니다. 특허 유형별로는 에피택시 및 칩 구조, 대용량 전송, 풀컬러 디스플레이, 디스플레이 드라이버 등 4대 핵심 기술 분야에 특허가 집중되어 있습니다.

(3) 4대 핵심 기술의 개발

에피택시 및 칩 제조: 웨이퍼에서 칩에 이르기까지 마이크로 LED 제조 공정은 에피택시 - 단계별 에칭 - 전도성 층 준비 - 전극 준비와 같은 단계를 거쳐야 합니다. 에피택시 및 칩 구조 기술 분야에서, 소형 마이크로 LED의 경우 현재 업계는 주로 파장 균일성, 낮은 에피택시 결함률, 양자 효율 문제에 관심을 두고 있습니다. (1) 칩이 소형화됨에 따라 에피택시 파장 균일성과 낮은 결함률에 대한 요구 사항이 높아지는데, 기존 LED는 6~12nm를 요구하는 반면, 마이크로 LED 칩은 2nm까지 축소되어야 합니다. (2) 칩 크기가 점점 작아짐에 따라 절단 파편 수율이 감소합니다. (3) 마이크로 LED의 효율은 전류 밀도가 증가함에 따라 증가하다가 최대값에 도달한 후에는 감소합니다. 마이크로 LED의 크기가 작아질수록 최대 효율은 높은 전류 밀도 영역으로 이동하고, 최대 효율은 계속 감소합니다.

대량 전송: 마이크로 LED 발광층과 드라이버 기판의 성장 공정 차이로 인해 성장 공정을 통해 디스플레이 어레이와 드라이버 장치를 통합하기 어렵기 때문에 제작된 마이크로 LED 입자를 구동 회로 기판으로 전송해야 하는데, 이는 대량 전송 공정입니다. 4K TV를 예로 들면, 전송해야 하는 입자는 2,400만 개(4,000 x 2,000 x RGB 3색으로 계산)에 달하며, 10,000개를 한 번에 전송하더라도 2,400번 반복해야 하므로 대량 전송에는 세 가지 주요 문제가 있습니다. (1) 전송 정확도: 마이크로 LED를 구동 회로 기판으로 전송할 때 정확도는 ±0.5μm 이내로 제어되어야 하며, 전송 장치는 높은 정렬 정확도와 투하 지점 정확도를 가져야 합니다. (2) 전송 효율: 기존 LED는 초당 2개 전송이 가능하지만, 마이크로 LED는 초당 20,000개 전송이 필요합니다. (3) 전송 수율: 픽셀 오차 허용치가 매우 낮은 디스플레이 제품의 경우, 1920*1080 풀컬러 디스플레이에서 5픽셀 미만의 픽셀을 생성하려면 전송 수율이 99.9999%에 도달해야 합니다.

대형 이송 기술은 주로 분자력(밀봉 이송), 정전기, 자기 이송, 레이저 이송, 자가 조립(유체 조립 기술) 등을 포함합니다. 레이저 대형 이송은 비교적 작은 크기로 정밀하게 이송할 수 있고, 응답 속도가 빠르며, 이송 효율이 높고, 선택성이 뛰어나 향후 대형 이송 기술의 주류로 자리매김할 것으로 예상됩니다. 현재 국내 대형 이송 기술 및 장비 개발은 상당한 진전을 이루었으며, 대형 레이저(002008), 지능형 선도 장비(300450), 하이무 스타 레이저 등 여러 제조업체에서 대형 이송 장비를 성공적으로 출하 및 고객에게 인도하고 있습니다. 그러나 국내 레이저 장비의 대량 생산은 아직 갈 길이 멉니다.

풀컬러 디스플레이: 마이크로 LED를 이용한 흑백 구현은 비교적 간단하지만, 풀컬러 구현은 상대적으로 복잡합니다. RGB 3색 구현을 위해서는 빨강, 초록, 파랑 ​​세 가지 색상의 LED를 각각 전송해야 하기 때문입니다. 마이크로 LED 기술의 핵심 기술 지표인 풀컬러 기술 연구는 마이크로 LED 기술 개발의 핵심 과제이자 난제로 자리매김했습니다. 마이크로 LED 컬러 구현 방법은 크게 RGB 3색 LED 방식, UV 청색 LED + 발광 매질 방식, 렌즈 합성 방식 등이 있으며, 각 방식에는 고유한 단점이 있습니다. 공정 흐름과 재료 측면에서 UV 청색 LED + 발광 매질 방식은 다른 방식보다 비교적 간단합니다. 주로 청색 LED를 백라이트 플레이트 대신 사용하고, 양자점 필름이나 형광체를 발광 매질로 사용하여 RGB 필터를 대체함으로써 풀컬러 디스플레이를 구현합니다.

디스플레이 드라이버: CMOS 및 TFT로 대표되는 능동 드라이버 설계 방식은 마이크로 LED 기술 개발의 주류가 되었습니다. 마이크로 LED는 전류 구동형 발광 소자이며, 구동 방식은 크게 PM(수동 매트릭스) 수동 구동과 AM(능동 매트릭스) 능동 구동으로 나뉩니다. 수동 구동 방식은 (1) 대면적 생산에 적합하지 않아 대형 화면 구동 요구 사항을 충족할 수 없고, (2) 컬럼 스캐닝 구동 특성으로 인해 컬럼 픽셀 광량 불균일이 발생하기 쉬워 디스플레이 이미지와 해상도가 제한되며, (3) 픽셀 피치가 점차 작아짐에 따라 기존 PCB 기판의 수동 구동 방식으로는 구동 요구 사항을 충족할 수 없어 마이크로 LED 적용에 많은 단점이 있습니다. 따라서 CMOS 및 TFT로 대표되는 능동 구동 설계 방식은 마이크로 LED 기술 발전에 중요한 역할을 할 것입니다. 예를 들어, CMOS 드라이버 기술에서는 전사 접합 기술의 한계를 극복하기 위해 현재 업계에서는 마이크로 LED와 CMOS 드라이버 회로의 접합 기술 연구에 집중하고 있습니다.