MicroLED의 큰 영향

MicroLED는 직경이 5μm에서 100μm 작은 발광 다이오드(LED)로 구성된 반도체 장치로, 크기가 작은 먼지 입자나 고운 모래알 정도니다.

MicroLED의 등장

복잡한 현대 세계의 끊임없는 기술 발전으로 인해 기기는 지속적으로 작아지고, 더 빨라지고, 효율성이 향상되었습니다. 디스플레이 세계의 혁명을 한번 생각해 보십시오. 액정에서 유기발광 다이오드(OLED)에 이르기까지 디스플레이 기술이 소형화됨에 따라, 디스플레이는 부피가 큰 브라운관 시대 이후로 더 밝은 고해상도 화면의 새로운 세대로 크게 발전했습니다. 최근 몇 년 동안 MicroLED는 밝기, 색 영역, 대비, 응답 시간, 수명 및 에너지 효율성을 크게 향상시키면서 강력한 경쟁자로 떠올랐습니다. 자동차에서 자주 사용하는 장치와 디스플레이부터 고속 통신 네트워크에 이르기까지 MicroLED는 다양한 응용 분야에서 유망합니다.

소형화의 설계 문제

MicroLED 응용 분야의 경우, 더 작을수록 더 편리할 뿐만 아니라 전력 효율성도 더 높고 제조 규모가 확장되면 비용도 더 저렴해집니다. 그러나 소형화에는 고유한 문제가 있습니다. 이렇게 작은 발광 구조를 만드는 과정에서 대부분 LED의 가장자리에서 원자 수준의 결함을 초래하며, 여기서 전류가 빛으로 변환되지 않아 내부 효율이 저하됩니다. MicroLED가 작아질수록 그 주변부와 표면적의; 비율이 커지고, 내부 효율성을 높이는 데 어려움이 있습니다. 

광 추출 및 형성은 또 다른 핵심 문제입니다. LED를 더 작게 만들면 치수 변경 및 정렬 불량에 대한 허용 오차가 더욱 작아집니다. 동시에 장치에서 빛을 효율적으로 추출하면서도 인접한 픽셀 간의 의도하지 않은 신호 또는 에너지 전달(크로스토크)을 억제하고 방지하는 것이 더 어려워집니다. 이러한 문제는 픽셀 밀도가 증가함에 따라 더욱 커집니다.

MicroLED 픽셀의 나노/마이크로 스케일 설계 뿐만 아니라 설계자는 거시적 장치 수준에서 이러한 픽셀의 대규모 어레이의 일관성 없는 방출 및 상호 작용도 고려해야 합니다. 일반적으로 사용 사례에 따라 색상 정의, 빔 향상 및 빔 형성을 지원하기 위해 통합된 렌즈, 필터, 색 변환 레이어, 산란 구조, 격자 및 편광기와 같은 다른 레이어 및 광학 요소가 있습니다. 이러한 빌딩 블록과 그 상호 작용의 정확한 모델링을 위해 원활한 워크플로에 적합한 솔루션을 결합하는 것은 시스템 수준에서 엔지니어들이 직면하는 중요한 문제입니다.

이제 고해상도 디스플레이 화면을 채우는 데 필요한 엄청난 수의 MicroLED를 생각해 보십시오. 수백만 개의 작은 모래 알갱이를 마이크로미터의 정확도로 배치해야 하는 어려운 작업을 상상해 보십시오. 많은 제조업체들이 수백만 개의 MicroLED 다이스를 도너 웨이퍼에서 분리하여 전사 스탬프에 부착한 다음 디스플레이 기판의 정확한 위치에 옮겨지도록 하기 위해 효율적이고 확장 가능한 대량 전사 프로세스에 막대한 투자를 해왔습니다. 대량 전사 프로세스와 장비를 사용하면 이러한 수백만 개의 MicroLED가 디스플레이 백플레인으로 전사되고 어레이로 조립되어 디스플레이 내의 하위 픽셀을 형성합니다. 그런 다음 금속 인터커넥트를 사용하여 관련 스위칭 및 구동 회로와 함께 MicroLED를 활성화된 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, 상보형 금속산화 반도체) 백플레인에 전기적으로 연결합니다. 서브픽셀 크기가 작아지는 것을 감안할 때, 각 픽셀을 개별적으로 정밀하고 빠르게 제어할 수 있는 매우 작고 전력 효율적이며 복잡한 TFT(박막 트랜지스터) 드라이버를 만드는 문제를 해결하는 것은 극복해야 할 주요 장애물입니다.

결함은 MicroLED의 생산 수명 주기 전반에 걸쳐 어느 단계에서나 발생할 수 있습니다. 800만 개 이상의 픽셀이 있는 4K 디스플레이를 생각해 보십시오. 제조 공정의 수율이 99.99%라고 해도 디스플레이에 데드 픽셀은 1,000개가 넘을 수 있습니다. 이 규모의 결함을 식별하고 복구하는 것은 매우 어려울 수 있습니다. 따라서 결함을 해결하고 높은 수율을 달성하기 위한 방법과 기술은 면밀히 검토해야 합니다.  

MicroLED 기술의 주요 이점

MicroLED 기술은 다음과 같은 몇 가지 주요 이점을 제공합니다.

고휘도: OLED와 같은 발광 장치의 휘도는 입력 전류를 높이면 어느 정도 증가할 수 있으나, 그 이후에는 장치가 효율 롤오프와 빠른 노후 현상이 나타나기 시작하고, 이에 세심한 열 관리가 필요할 수 있습니다. MicroLED는 더 얇은 프로파일을 유지하면서 큰 전류 밀도를 전달하고 고효율로 훨씬 더 높은 휘도를 달성할 수 있습니다.

빠른 응답 시간: MicroLED에 사용되는 반도체 소재는 빠른 전기적 및 광학적 응답 특성을 나타내므로 OLED에 사용되는 유기 재료에 비해 픽셀 응답 시간이 더 빠릅니다.

독립적인 픽셀 제어: MicroLED 디스플레이의 각 픽셀은 독립적으로 구동되어 켜짐 및 꺼짐 상태를 직접 제어할 수 있는 반면, OLED는 유기 물질을 사용하여 빛을 방출하거나 꺼집니다.

안정성과 견고성: MicroLED는 안정성이 뛰어난 질화갈륨(GaN)과 같은 반도체 소재로 구성되어 복잡한 캡슐화 방법이 필요하지 않습니다. OLED는 영하의 온도에서도 잘 작동하지만, 높은 온도에서는 노후화가 빠르게 진행됩니다. 열 관리는 디스플레이 효율성에 영향을 미치기 때문에 LCD에서도 어려운 일이며, 온도가 낮아지면 성능이 저하될 수 있습니다. 탄탄한 기본 LED 기술은 MicroLED에 탁월한 휘도와 수명을 제공하기 때문에 습도나 광범위한 작동 온도와 같은 까다로운 조건의 응용 분야에 적합합니다.

MicroLED의 응용 분야

앞서 언급한 장점을 통해 MicroLED는 각종 응용 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다.

헤드업 디스플레이(HUD) 및 중앙 클러스터 디스플레이: MicroLED의 고휘도는 HUD 및 자동차 및 항공기의 중앙 클러스터 디스플레이에서 운전자 안전을 위해 매우 중요합니다. 햇빛 아래서도 잘 보이며 다양한 조명 조건에서 중요한 정보를 볼 수 있습니다.

자동차 헤드라이트: 고휘도의 MicroLED는 픽셀 수준에서 광 세그먼트를 선택적으로 제어하여 자동차 헤드램프 분야에서 조명의 분배와 강도를 정밀하고 실시간으로 제어할 수 있습니다. MicroLED 기술은 조명 시스템에서 디지털 광원 처리(DLP) 기술이 적용된 현재 마이크로미러를 대체할 수 있으며 헤드라이트의 제어 가능한 광원 세그먼트 수를 DLP보다 늘릴 수 있습니다. 이러한 높은 픽셀 수 덕분에 눈부심이 없는 첨단 하이빔 헤드라이트가 구현되어 운전 경험을 향상시킬 수 있습니다.  

가전제품: MicroLED는 휘도가 놓고 설치 면적이 작아 스마트워치나 증강 현실(AR) 디스플레이와 같이 주변광이 강한 환경에서 작은 영역에 정보를 표시해야 하는 애플리케이션에서 사용자 경험을 향상시키는데 중요한 이점을 제공합니다

빠른 응답 시간과 직접 결합된 픽셀 제어 기능은 특히 유동적인 모션 렌더링이 필요한 게임, 스포츠 및 액션 콘텐츠, AR/VR과 같이 빠르게 움직이는 콘텐츠를 포함하는 애플리케이션에서 모션 블러 및 고스트 아티팩트를 줄이는 데 유리합니다.

고속 광 기반 통신: 전환 시간을 빠르게 하기 위해 MicroLED를 최적화하면 가속 컴퓨팅과 같은 고속 광 기반 통신 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.

유연하고 신축성 있는 디스플레이: MicroLED‍는 안정성과 견고성 덕분에 유연하고 신축성 있는 디스플레이 응용 분야에서 경쟁 우위를 가지며 복잡한 캡슐화 방법이 필요가 없어집니다..

MicroLED의 야심차고 유망한 미래

Sony, 삼성, Konka와 같은 일부 회사에서는 MicroLED 비디오 월을 판매하고 다른 회사에서는 고급 TV와 다양한 크기의 투명하고 유연한 디스플레이와 같은 다양한 MicroLED 기반 프로토타입을 시연했지만 아직 널리 채택되지는 않았습니다. 한 가지 어려움은 이미 확립되고 비용 효율적인 OLED 기술로 인해 진입 장벽이 크게 높아졌다는 것입니다. OLED는 재료, 장치 및 제조 개발에 수십 년 동안 상당한 투자를 받아 TV 및 스마트폰 분야의 강력한 경쟁자입니다.

 일부 분야에서 OLED와 차별화되는 것은 매우 어려울 수 있지만, 고휘도, 고해상도 밀도, 응답 시간, 전력 소비 및 극한 조건에서의 견고성과 관련된 요구 사항이 까다로운 응용 분야에서는 MicroLED를 널리 채택할 가능성이 높습니다.

Optica의 최고 기술 책임자(CTO)인 Jose Pozo는 “소비자 가전 제품에서 MicroLED의 잠재력은 상당합니다.”라고 하면서 “기술 리더들은 의도적으로 '차세대’ 제품에 대해 계속 기대하게 했습니다. 스마트폰이 새로 출시될 때마다 어떻게 최신 기능이 추가되고 더 나은 경험을 자랑하는지 생각해 보십시오. 이러한 사고방식은 이제 업계에 진출하는 모든 새로운 기술에 적용됩니다. 웨어러블 기술과 증강 현실 및 가상 현실이 비교적 초기 단계인 분야에서 MicroLED는 지속적인 제품 진화를 위해 매우 매력적인 특성을 제공합니다.”라고 말했습니다. 1916년에 설립된 Optica는 광학 산업에 관심이 있는 과학자, 엔지니어, 비즈니스 전문가, 학생 등을 위한 선도적인 조직입니다. 광학 분야 지식의 생성, 응용, 아카이빙 및 보급을 촉진하는 데 전념하고 있습니다.

OLED 기술을 지속적으로 발전시키는 신소재 및 기술의 연구 개발에 대한 투자도 지속적으로 이루어지고 있습니다. 매년 새로운 디스플레이 제조업체, 스타트업, OEM(Original Equipment Manufacturer) 및 장비 제조업체가 MicroLED 분야에 계속 진출하고 있으며, 기술 산업의 주요 업체들이 MicroLED 개발에 수십억 달러를 계속 쏟아붓고 있습니다. 이는 새로운 디스플레이 기술이 상당한 투자와 성장 잠재력을 가지고 있다는 징후입니다.

추가 리소스

MicroLED 설계를 위한 Ansys Optics의 시뮬레이션 기능에 대해 자세히 알아보려면 다음 애플리케이션 갤러리 예를 참조하십시오. MicroLED 멀티피직스 설계.