MicroLED란?

광학 및 포토닉스 기술은 디스플레이 응용 분야에서 빠르게 진화하고 있습니다. OLED TV는 현재 가장 큰 상용 시장이지만 MicroLED는 더 나은 응답 시간, 낮은 전력 소비, 높은 에너지 효율 및 높은 해상도로 인해 차세대 LED 디스플레이로 간주됩니다. 

MicroLED(μLED)는 III-V 화합물(주기율표의 3족과 5족 원소)로 만든 마이크로미터 크기의 장치로, 예를 들어 질화인듐갈륨(InGaN) 및 인화인듐알루미늄갈륨(AlGaInP)이 있습니다. MicroLED는 대비가 매우 높은 어레이에 내장할 수 있는 작고 평평한 정사각형 광원입니다. MicroLED 디스플레이의 각 LED는 픽셀(적색, 녹색 또는 청색)로 작동하며 MicroLED TV 및 고급 디스플레이가 필요한 기타 기술에 사용할 수 있습니다.

MicroLED는 LCD 기반 디스플레이와 다르게 작동합니다. 기존 LCD 시스템은 LED 백라이트와 액정 레이어를 사용하여 빛의 특정 부분을 차단하여 이미지를 생성합니다. 반면, MicroLED 및 OLED 디스플레이는 LCD에 의존하지 않기 때문에 훨씬 간단합니다. 대신 각 LED는 자체 빛을 방출하여 각 개별 픽셀에서 이미지를 생성합니다. 

이상적인 시나리오에서는 에피택셜 성장, 즉 단일체 집적을 통해 백플레인에 직접 LED를 성장시키는 것이 MicroLED 제조에 가장 적합한 경로가 될 것입니다. 이는 현재 기업들이 프로토타입 전략을 개발하고 있는 진행 중인 분야이지만, 현재 이러한 방식은 상업적으로 실현하기에는 비용이 너무 높습니다.

오늘날 MicroLED는 픽앤플레이스(pick-and-place) 전사 방식을 사용하여 제조되는 것이 더 일반적입니다. 이 방식에서는 적색, 녹색, 청색 LED를 웨이퍼에 직접 제조한 후, 기판과 광 제어에 필요한 전자 부품이 포함된 백플레인으로 개별적으로 전사합니다. 질량 전이 공정은 빠르고 정밀하며 신뢰할 수 있어야 하며, 이를 통해 모든 LED가 백플레인에 올바르게 정렬될 수 있습니다.

대량 생산의 어려움에도 불구하고 LG, 소니, 삼성은 대형 프리미엄 MicroLED TV를 개발하고 있습니다. 하지만 일반 소비자에게 출시되기까지는 디자인 및 크기 측면에서 해결해야 할 과제가 많습니다. 현재 이러한 TV는 시간과 비용이 많이 드는 픽앤플레이스(pick-and-place) 제조 공정으로 인해 매우 비쌉니다.

MicroLED 기술은 아직 성숙 단계에 이르지 않았으며, 설계자는 제조 공정에 다양한 반도체 제조 방법을 적용할 수 있습니다. MicroLED 설계 시 개발자가 고려해야 할 주요 사항은 다음과 같습니다.

• 대형 픽셀 배열에서 거시적인 수준의 비정합 발광. 이를 방지하기 위해 필터, 렌즈, 색 변환층, 산란 구조, 편광판, 격자 등 다양한 광학 요소를 활용하여 디스플레이의 색상 정의를 개선할 수 있습니다.
• 작은 LED 크기에서 더욱 엄격한 공차 요구 사항. 특히 픽셀 밀도가 증가함에 따라 소형 LED의 치수 변화 및 정렬 불량에 대한 허용 오차가 더욱 엄격해집니다.
• LED 가장자리의 원자 단위 결함 및 불완전성으로 인해 장치의 내부 효율이 저하될 수 있습니다.
• 점점 작아지는 서브픽셀 크기를 수용하기 위해 매우 작고 전력 효율이 높으며 복잡한 박막 트랜지스터(TFT) 드라이버에 대한 수요가 증가했습니다. 서브픽셀에는 디스플레이에서 색상을 생성하는 데 필요한 RGB 요소가 포함되어 있으므로 TFT는 각 픽셀을 빠르고 정밀하게 제어해야 합니다.
• 생산의 모든 단계에서 발생할 수 있는 결함을 방지합니다. 제조 공정에서도 여전히 처리해야 할 데드 픽셀이 발생할 수 있습니다.

OLED 디스플레이와 OLED 기술은 최근 몇 년 동안 최고의 표준이 되었지만, MicroLED와 비교할 때 어떤 차이가 있을까요? OLED, MicroLED, LCD 및 미니 LED 성능을 측정하는 다양한 지표가 있습니다. 전반적으로 MicroLED 기술은 구조가 단순할수록 명암비가 높고 응답 속도가 빠르기 때문에 더 높은 화질을 구현합니다. MicroLED 디스플레이는 OLED 디스플레이처럼 플렉서블하게 제작할 수도 있습니다.

MicroLED는 다음과 같은 점에서 다른 LED 기술과 차별화됩니다.

• 더 작고 밝은 픽셀로 개선된 색 영역. MicroLED는 OLED의 500~1,000니트, LCD의 3,000니트에 비해 100,000니트 이상의 휘도를 제공합니다. 일부 MicroLED 디스플레이는 250,000니트 이상의 휘도에 도달할 수 있습니다. 휘도가 높아도 효율 저하, 노화 또는 열에 대한 부정적인 영향이 발생하지 않습니다.
• OLED 대비 약 10%의 이론적 외부 양자 효율(EQE) 향상
• 무기 소재 사용으로 유기 소재에 비해 수명이 더 긴 LED 생산
• 산화 및 기타 환경적 영향에 대한 내성
• 더 넓은 작동 온도 범위(-100~120°C)
• 햇빛 아래에서 더 나은 가시성과 더 넓은 시야각
• 마이크로초 또는 밀리초에 비해 나노초 단위의 빠른 응답 시간
• 청색 LED에서 QLED TV 내부 양자점의 여기 광원으로 활용될 가능성

아직 상업적으로 성숙 단계에 이르지 않았음에도 불구하고, 다른 LED 기술에 비해 특히 밝기, 유연성, 화질, 수명 측면에서 뛰어난 성능을 보이는 MicroLED는 다양한 첨단 디스플레이 기술에 활용될 수 있는 가능성을 열었습니다. MicroLED의 주요 활용 사례는 다음과 같습니다.

• 스마트 워치 및 피트니스 밴드와 같은 웨어러블 기술
• MicroLED TV
• 증강/가상 현실(AR/VR) 안경 및 헤드셋
• 자동차 및 항공우주 산업의 헤드업 디스플레이(HUD)
• 중앙 클러스터 디스플레이
• 자동차 헤드라이트
• 고속 광 기반 통신
• 유연하고 신축성 있는 디스플레이

엔지니어는 먼저 시뮬레이션 방법을 사용하여 LED 또는 디스플레이의 동작을 시각화함으로써 MicroLED의 여러 설계 과제를 해결할 수 있습니다. Ansys는 실제 제작 전에 MicroLED의 성능을 시뮬레이션할 수 있는 다양한 도구를 제공합니다.

Ansys Lumerical STACK 솔버: MicroLED의 다양한 재료 층을 시뮬레이션하여 빛이 반사, 굴절, 투과되는 방식을 보여줍니다. STACK 솔버는 또한 LED의 방출 전력과 전력 밀도를 계산합니다.

Ansy Lumerical FDTD 솔버: LED의 원거리장 방출 패턴과 추출 효율을 시뮬레이션합니다. FDTD 솔버는 또한 Ansys Speos 설계 도구와 함께 사용할 수 있도록 코노스코픽 좌표에서 스펙트럼 강도를 계산합니다.

Ansys Lumerical CHARGE 및 Ansys Lumerical MQW 솔버: LED의 전류-전압(I-V) 곡선, 자발 방출 전력 스펙트럼, 내부 양자 효율을 시뮬레이션합니다.

Ansys Speos 소프트웨어: Lumerical 제품군 솔버의 스펙트럼 강도 데이터를 사용하여 시스템 수준 시뮬레이션을 수행하고 가상 광도 측정 실험실 역할을 합니다. 엔지니어는 Speos 소프트웨어를 통해 전체 색 영역을 검사하고 방사 측정 테스트를 수행할 수 있습니다.

복잡한 제조 공정을 시작하기 전에 MicroLED 기술의 설계 과제를 해결하는 방법을 알아보려면Ansys 기술팀에 문의하십시오.

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