도레이엔지니어링, 생산성 향상 기술 개발 … 접합소재 검증 본격화

도레이엔지니어링(Toray Engineering)이 디스플레이 구동기판에 직접 마이크로 LED(Light Emitting Diode) 칩을 배치하는 기술을 개발하고 있다.
실용화된다면 생산성이 향상되고 TV 등 대형 디스플레이에서도 마이크로 LED 디스플레이 보급이 빠르게 이루어질 것으로 기대된다.
앞서 출시한 고속 레이저 전사장치에서 기계적 기술을 거의 확립했으나 접합소재와 관련된 과제가 남아있는 것으로 알려졌다.
도레이(Toray) 등과 협업하면서 접합소재 검증을 진행하고 있으며 2022년에는 시험제품을 완성하고 2023년 수요기업 평가에 나서며 2025년까지 채용실적을 거두는 것을 목표로 하고 있다.
마이크로 LED 디스플레이는 수십마이크로미터 각의 극소 LED를 사용하며 대비가 높고 백라이트가 필요하지 않아 소비전력이 낮으면서 장수명이고 환경성이 뛰어나 차세대 디스플레이로 주목받고 있다.
그러나 생산성, 코스트가 보틀넥이고, 특히 사이즈가 커질수록 보틀넥 해소가 어렵다는 점이 단점으로 작용하고 있다. 4K TV용으로는 화소수 3840×2160에 RGB 3색 칩을 약 250만개나 배치해야 하기 때문에 과제 해결이 시급한 것으로 파악된다.
대부분의 디스플레이 생산기업들은 마이크로 LED 디스플레이의 과제 해결을 위해 매스 트랜스퍼 효율화에 집중하고 있다. 레이저 조사로 칩을 웨이퍼 상태로 사피이어 혹은 석영 기판(캐리어)에 일괄 전사시킨 다음 TFT(박막 트랜지스터) 구동기판에 다시 전사하는 방법으로 고속화에 역점을 두고 있다.
반면, 도레이엔지니어링은 양품 칩 수복과정 가속화에 총력을 기울이고 있다.
칩은 결함률이 일반적으로 1-2%이며 4K TV 1대당 약 25만개의 칩이 결함일 때 수복을 위해 구동기판에 배치하는 과정이 칩 1개당 약 5초는 걸리기 때문에 총 347시간 정도가 필요하다는 문제가 제기되고 있다.
도레이엔지니어링은 도레이 그룹의 반도체 외관 검사장치 기술을 응용해 레이저를 활용함으로써 캐리어 위에서 결함 칩을 제거하는 트리밍 장치를 개발한 바 있다. 결함 칩을 제거한 곳에 다른 캐리어(도너)로부터 양품을 옮겨 넣는 프로세스까지 제안함으로써 칩 1개당 수복에 걸리는 시간을 약 0.7초로, 4K TV 기준으로 전체 시간은 49시간으로 단축했다.
2021년 12월에는 고속 레이저 전사장치 RAP-LLO를 출시하고 생산성을 약 10배 높였다.
외관 검사장치에서 미리 캐리어상 데이터를 취득한 후 양품만을 실리콘(Silicone)계 점착제를 사용한 유리기판(캐리어2)에 초당 1만칩을 전사하는 속도로 1개씩 전사한 후 캐리어2를 구동기판에 전사하는 방식이다.
최근에는 RAP-LLO를 사용해 구동기판에 양품만을 직접 배치하는 기술 개발도 본격화하고 있으며 캐리어2에 전사하는 공정을 생략함으로써 생산성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
접합소재 과제를 해결하기 위해서는 구동기판에 도전성이 있는 은(Ag) 페이스트나 이방성 도전막(ACF) 등을 부착해 열, 압력을 가함으로써 칩을 전기적으로 접합하고 있다. 다만, 레이저로 시속 약 300km 속도로 날아오는 칩을 정확한 위치에 붙이는 것은 어려운 것으로 평가된다.
도레이엔지니어링은 도레이의 전자정보소재 연구소, 어플라이드 페이스트 기술부 등과 협력하며 접합소재를 개발하고 있으며 외부로부터 도입한 금속을 단독으로 혹은 금속과 수지를 혼합하는 방식으로 검증 작업을 진행하고 있다.
RAP-LLO는 2022년 봄 첫 수주실적을 확보했으며 2022년 말에는 해외 디스플레이 개발기업에게 납품해 시험개발용으로 사용돼 2022년 수주액 10억엔 달성을 기대하고 있다.
인공지능(AI) 기술을 응용한 칩 매핑 알고리즘도 탑재해 칩별로 휘도와 파장을 고려하면서 배치를 최적화하고 영상 왜곡을 저감할 수 있는 특징을 강화하고 있다.
구동기판에 직접 전사하는 것도 가능해지고 생산성을 높여 양산화에 속도가 붙음으로써 2025년에는 수주액이 50억엔에 달할 것으로 예상하고 있다. (K)