주성빈 위브 대표 "미래 제조업 공정의 '표준' 제시할 것"

투명한 모니터, 섬유처럼 유연한 디스플레이 등 자유로운 형태를 한 디스플레이 제품이 속속 세상에 나오고 있다. 미래 사회를 그린 콘텐츠에 단골로 등장하는 스크린이 달린 옷이나 앞유리에서 그래픽이 나타나는 자동차를 실제로 보게 되는 일도 머지않았다. 가상현실(VR) 기기가 대중화되면 고글이 모니터 스크린을 상당 부분 대체할 가능성도 있다. 앞으로 '화면'이라는 말을 들었을 때 사람들이 떠올리는 까만 사각형도 점차 존재가 희미해질 수 있다.

소개한 기술들은 모두 마이크로 LED에 기반한다. '꿈의 디스플레이'라 불리는 것들이다. 지금 양산하는 제품 중 가장 좋은 성능을 보이는 OLED 대비 밝기·수명·전력 효율·내구성 등 모든 면에서 월등하다. 마이크로 LED 개발로 초대형·초소형 스크린에서도 고화질을 추구할 수 있게 됐으며, 디스플레이 형태에도 제한이 사라지고 있다.

원리는 LED와 크게 다르지 않다. 다만 발광 소자 두께가 머리카락보다 가늘다는 점이 다르다. 그래서 아직 누구도 양산에 성공하지 못했다. 높은 제조비용 탓이다. 같은 면적에 심어야 하는 소자 개수가 더 많아 생산 속도가 더디다는 점을 차치하더라도, 높은 화소 불량률에 제조사들은 골치가 썩는다. 100인치 TV 한 대 가격을 초고급 외제차 수준으로 책정하는 이유다.

전문성 높은 디스플레이 산업 시장조사기관 '욜 인텔리전스'는 올해 마이크로 LED 산업을 총망라한 리포트를 발간했다. 글로벌 유수 제조사뿐 아니라, 이들에게 장비를 납품하는 서드파티 업체 근황까지 모조리 분석할 정도로 자세하다. 업체는 11월 공개한 리포트에서 마이크로 LED 시장이 머지않아 개화할 것으로 전망했다. 2026년 본격적인 양산이 이뤄지고 2029년 10억 달러 규모에 도달하는 시나리오다.

폭발적인 성장을 위한 목표로 이들은 제조 공정 혁신을 주장했다. 대량 생산에 적합한 공정을 개발하는 일이 우선이라는 의견이다. 특히 웨이퍼 공정에서 나타나는 높은 불량률이 가장 큰 허들이라고 꼬집었다. 이런 이유로 2024 보고서에서는 수많은 불량 검사 장비에 대한 분석이 실렸다.

그 중 산업에 입성한 지 5년이 채 안 된 국내 스타트업이 관심을 받았다. 빛을 활용해 LED 소자 품질을 검사하는 광발광(PL) 분석 기술에 기반한 계측 장비 분야에서 일본 기업 도레이, 하마마츠와 함께 글로벌 대표 사례로 소개됐을 뿐 아니라, 이들 중 유일하게 한 페이지 전체를 할애한 세부적인 분석으로 유망성을 인정받았다. 광분석 기술 스타트업 위브를 두고 욜인텔리전스는 '마이크로 LED 검사 분야에서 높은 해상도와 빠른 검사 속도를 모두 만족시키기 위한 차세대 검사 장비'라고 평했다.

주성빈 대표에 따르면 위브는 이미 업계에서 주목받을 만한 역량을 10년 전부터 차근차근 쌓아 올리고 있었다.

"위브는 2014년 연구용 라만분광기에서 시작했습니다. 지금까지 국내외 유수 대학, 연구기관, 기업 연구소에 장비를 납품해 왔고, 2020년부터 마이크로 LED 검사 장비 개발을 시작했습니다. 해당 분야는 이제 태동 단계에 도달해 앞으로 성장 가능성이 매우 높고, 위브의 광분석 기술을 가장 잘 활용할 수 있는 분야이기도 하다고 판단했습니다.“

라만분광기는 재료과학, 화학, 생물학 등 연구 분야에서 물질을 분석하기 위해 활용하는 장비다. 빛을 물질에 조사하면 미약한 신호가 산란한다(라만산란). 산란하는 빛의 파장을 분석해 물질 속성을 파악하는 원리다. 물질을 파괴하지 않고 비접촉에 빠른 속도로 분석이 가능하다.

욜 인텔리전스가 소개한 PL 계측 장비 대표 기업 4선_위브, 도레이, 하마마츠, 알파베터

PL 검사도 비슷한 특성으로 최근 업계에서 조명받고 있다. 전극을 각 소자에 직접 연결시키는 물리적 검사 대비 속도가 빠르고 소자를 파손시킬 위험이 적다는 장점이 마이크로 LED 공정에서 요구하는 계측 장비 조건에 들어맞는다는 평가다. 일반적인 LED 대비 생산과 품질 검사 속도를 대폭 향상시켜야 제조 단가를 맞출 수 있고 소자 파손에도 더욱 주의해야 하는 마이크로 LED 공정 특성 상, 앞으로 검사 정확도만 갖추면 업계 표준적인 입지를 다질 가능성이 충분하다.

마이크로 LED 제조 공정은 일반적인 LED와 크게 차이나지 않는다. 반도체 성질을 지닌 준금속으로 만든 동그란 원판, 웨이퍼에서 시작한다. 웨이퍼 위에 전기가 통하면 빨강, 초록, 파랑 3원색 빛을 내뿜는 또다른 반도체 물질을 안착시키고 원하는 모양으로 깎아 내면 LED 소자가 완성된다.

하지만 높은 제조 난이도와 파손 위험은 양산을 어렵게 한다. 동일 면적에 더 많은 소자가 들어가기 때문에 기존 LED 생산 속도보다 더 빠르게, 불량률도 더 줄여야 한다. 주 대표는 양산화를 위한 공정 개선에서 계측이 가진 중요성을 역설했다.

"저는 마이크로 LED에 맞게 모든 제조 공정을 개선해야 한다고 주장하는 입장입니다. 마이크로 LED는 제조 원리가 기존 제품과 크게 다르지 않기 때문에 지금까지는 '에피택시'(EPI, 웨이퍼 위에 각각 다른 색으로 빛을 발하는 반도체 물질을 입히는 공정 기술) 단계보다는 '칩온웨이퍼'(COW, 에피택시 공정 이후 소자를 성형하는 공정) 기술을 발전시키는 데 집중했습니다. 표면적으로 보면 일리가 있습니다. 기존 LED에서 사이즈만 작아진 것이기 때문에 성형 기술만 뒷받침 되면 양산이 가능하다고 생각할 수 있습니다. 계측기 제조사들도 자연스럽게 COW 단계에서 소자를 검사하는 기술 위주로 제품을 개발했습니다. 이 단계에서 불량이 나지 않으면 그 이후에는 기판에 잘 옮겨심기만 하면 양품을 만들 수 있다는 전제가 깔려 있습니다.“

마이크로 LED 계측 장비를 개발하는 과정에서 주 대표는 관련 국책 과제와 기업 협동 연구에 참여했다. 제조 현장을 탐방하며 차세대 장비만이 해결할 수 있는 문제점을 몇 가지 발견했다. COW 단계 전후에 존재하는 잠재 불량요소다. 기존 계측기로는 확인할 수 없다.

"실제로 제가 현장에서 확인한 것은 COW 단계 전후에 존재하는 불량입니다. 그 전에는 간과하고 있던 문제입니다. 일단, COW 단계 이후 기판에 소자를 옮겨 심는 단계에서 파손 위험이 매우 큽니다. 공급받는 웨이퍼 표면의 미세한 흠집도 잠재 위험 요소입니다. 이후 공정에서 불량을 일으킬 수 있습니다. 내부에 크랙이 생긴 도자기는 외형에서 이상을 확인할 수 없지만 조금만 충격을 줘도 쉽게 깨져버리죠. 이와 같은 원리입니다. 웨이퍼에 존재하는 흠집들은 소자가 큰 일반적인 LED 제품을 만들 때에는 별다른 위협이 되지 않지만, 마이크로 LED에서는 잠재적인 불량 요소가 되기에 충분합니다. 균열을 품은 소자는 이후 공정에서 빛이 나지 않거나, 발광 형태가 불완전하거나, 색표현에 이상이 있을 위험성을 가집니다."

이러한 경험에 기반해 그는 마이크로 LED에 특화된 계측 장비를 2020년 개발했다. '반디'는 마이크로 LED 제조 전 공정에서 활용할 수 있도록 설계됐다. 기존 장비가 LED 소자 외형과 발광 여부만을 검사하는데 비해, ▲웨이퍼 표면 균일도 ▲소자 외형 ▲발광형태 ▲발광세기 ▲색도(색깔에 대한 객관적 수치)에 대한 검사 기능을 제공한다. 공정 초반에 웨이퍼 흠집을 확인하는 단계부터, 기판에서 최종적으로 소자 불량 여부를 판별하기까지 모든 단계에서 활용할 수 있다. 특히, 기판에 옮긴 이후에도 소자 파손 여부를 확인할 수 있는 기능은 마이크로 LED 공정의 페인 포인트를 고려한 선택이다. 욜 인텔리전스 보고서에 의하면 6인치 웨이퍼를 기준으로 이 모든 검사를 12분 만에 마칠 수 있다.

특히 높은 해상도로 웨이퍼 품질을 검사하고 LED 소자 발광 정보에 대한 자세한 분석을 할 수 있는 점은 기존 장비들과 위브를 차별 짓는 가장 큰 요소다. 주 대표는 마이크로 LED 공정에 걸맞은 정밀한 계측 기능을 강조했다.

"웨이퍼 품질을 검사하는 기능만 봐도 반디는 기존 장비보다 월등히 높은 해상도를 갖췄습니다. 마이크로 LED가 2~30 마이크론(밀리미터 1/1000 길이) 정도 크기입니다. 그러면 웨이퍼 흠집은 10마이크론 미만의 미세한 부분까지 볼 수 있어야 하죠. 정밀한 계측으로 양품의 웨이퍼만 공정에 투입한다 해도 불량률을 기존 대비 획기적으로 줄일 수 있고, 버려지는 자재 비용도 그만큼 아낄 수 있습니다. 더불어, 전 공정에서 LED 외형, 발광 형태, 발광 세기와 색도까지 검사할 수 있는 폭넓은 기능 또한 기존 장비에서 구현하지 못한 요소입니다. 마이크로 LED 양산에 필수적이라고 생각해 위브에서 독자 개발해 탑재했습니다."