일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.10.27

마이크로 LED를 헤드램프에
니치아화학과 교세라 등 신기술 개발

차세대 디스플레이로 기대를 받고 있는 마이크로 LED를 다른 용도로 이용하는 움직임이 활발해지기 시작했다. 니치아화학공업(日亜化学工業)은 독일 인피니언(Infineon Technologies)와 공동으로 헤드램프를 제품화하여 시판 차량에 탑재했다.

교세라는 마이크로 LED 재료인 갈륨나이트라이드(GaN)를 고품질로 결정 성장시키는 신기술을 개발. 헤드램프나 검사기, 3D프린터, 가시광 통신 등 마이크로 LED의 용도 확대를 위한 고휘도화를 촉구한다.

니치아화학과 인피니언이 개발한 것은 배광(配光)을 동적으로 제어하는 ‘ADB(Adaptive Driving Beam)’로 불리는 타입의 LED 헤드램프다. 마이크로 LED에 의해 조사 패턴을 치밀하게 제어함으로써 예를 들어 사람이나 대향차 등의 밝기를 떨어뜨려야 하는 영역만 휘도를 떨어뜨리고 주위는 밝게 비춤으로써 시야를 확보한다.

기존에는 일반 사이즈의 LED를 이용해 왔다. 초미세 마이크로 LED를 이용함으로써 보다 치밀한 배광 제어가 가능해진다.

니치아화학 등이 제품화한 것은 약 1만 6000개의 마이크로 LED를 탑재한 헤드램프다. 독일 포르쉐의 전기자동차(EV) ‘타이칸’에 채택되었다. 마이크로 LED를 전개한 것은 니치아화학이다.

인피니언은 마이크로 LED를 구동하는 드라이버 IC를 개발했다. 마이크로 LED 1개당 1개의 드라이버 IC를 이용한다.

구현 면적을 억제하기 위해 드라이버 IC는 마이크로 LED에 3차원(3D) 적층했다. 니치아화학이 마이크로 LED와 드라이버 IC를 붙여서 제품으로 출하한다.

-- GaN 결정의 품질 향상으로 고전류 밀도 구동 --
교세라가 개발한 것은 마이크로 LED의 재료인 GaN 결정을 고품질로 성장시키는 기술이다. 헤드램프에 이용하는 LED는 일반적으로 청색 LED 칩과 형광체를 조합해 백색으로 만들고 있다. 청색 LED 칩은 GaN계 반도체로 구성하고 있으며, 그 제조 공정에서 교세라의 결정 성장 기술을 이용하는 것을 상정한다.

디스플레이 용도라면 사람의 눈이 직접 마이크로 LED 빛을 보기 때문에 광출력은 낮아도 된다. 즉, 마이크로 LED에 투입하는 전류 밀도는 낮다. 한편, 다른 용도에서는 자릿수가 다른 전류 밀도가 요구된다.

예를 들어 헤드램프의 경우는 운전자가 직접 보는 것이 아니라 차량이나 노면에서 반사되는 반사광을 보기 때문에 휘도를 높일 필요가 있다. 교세라에 따르면 디스플레이 용도에서는 수~수십 A/cm2 정도의 전류 밀도였지만, 헤드램프에서는 수백 A/cm2, 3D프린터 광원에서는 1000A/cm2 이상으로 크게 증가한다.

전류 밀도를 높이기 위해서는 GaN의 결정 결함을 한층 줄일 필요가 있다. 그래서 교세라는 GaN 결정의 결함을 대폭 줄이는 기술을 개발했다. ‘EGOS’라고 부른다. 수직 방향으로 결정을 어느 정도 성장시킨 후에 결정면의 일부분을 마스크한다.

그 후 재성장시키면 마스크의 개구부에 GaN의 성장핵이 생긴다. 그 성장핵을 수평(가로) 방향으로 성장시켜 나간다. 성장핵에는 결정 결함이 많이 존재하지만 가로 방향으로 뻗은 부분의 결정 결함은 크게 줄어든다. 이 저결함 영역에 소자를 형성한다.

-- '수평 성장'으로 슬림함을 유지 --
이 교세라의 결정 성장 기술은 ‘수평 성장’ 기술의 일종이다. 지금까지의 수평 성장과 크게 다른 것은 결정이 수직 방향으로는 거의 성장하지 않고, 수평 방향으로 성장해 간다는 것이다. 그 때문에 웨이퍼(기판)의 구경이 커져도 슬림함을 유지할 수 있다.

웨이퍼로부터 GaN 층을 박리하기 쉬운 점도 특징이다. 청색 LED 칩의 경우는 제조에 일반적으로 사파이어 기판을 이용한다. 실리콘(Si) 기판을 이용하는 경우도 있다. 마스크를 통해 GaN 층과 기판의 결합을 억제하고 있기 때문에 박리가 쉬워진다고 한다.

교세라는 23년 10월에 열린 'CEATEC 2023'에서 EGOS를 적용한 웨이퍼와, 이 웨이퍼 위에 형성한 마이크로 LED를 선보였다. 구경 100mm(2인치)의 Si 기판과 사파이어 기판에 EGOS 기술로 GaN 층을 성장시킨 것을 전시했었다. 현재, 구경 150mm(6인치) 기판에서도 EGOS 기술을 적용할 수 있도록 한창 개발 중이다.

현재, EGOS 기술은 연구개발 단계다. EGOS 기술을 적용한 기판을 24~25년에 사업화하는 것을 목표하고 있다.

■ 키워드
마이크로 LED: 마이크로미터(μm) 크기의 미세한 발광 다이오드. 명확한 정의는 없지만 한 변이 100μm 이하인 LED를 가리키는 경우가 많다.

휘도가 높아 옥외 용도에 적합하고, 콘트라스트 비율이 높은 유기 EL의 특징을 갖고 있으면서도, 무기 재료이므로 유기 EL에 비해 수명이 길어 차세대 디스플레이로서 주목을 받고 있다. 이미 업무용 대형 디스플레이에서는 실용화되고 있으며 TV, PC, 스마트폰, 스마트워치 등 민생기기에 탑재하기에 적합한 기술 개발이 이루어지고 있다.

비용이 비싼 점이 과제다. 비용 삭감을 위한 새로운 제조 기술의 연구개발이 활발하다. 디스플레이 용도에서는 RGB(빨간색, 녹색, 파란색)의 3원색이 요구된다. 다만 청색 및 녹색 LED와 적색 LED는 일반적으로 재료계가 다르기 때문에 생산성을 높이기 어렵다.

최근에는 마이크로 LED를 헤드램프 등 디스플레이 이외에 이용하는 경우도 많아졌다.

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