[필독] 디스플레이 산업 리포트 : XR, 활짝 피어나는 확장현실 - 개화하는 XR 시장

 

 

 

 

▼ 흥국증권 'XR, 활짝 피어나는 확장현실' 시리즈

① 시장이 XR에 주목하는 이유 

디스플레이 산업 리포트 : XR, 활짝 피어나는 확장현실 - 시장이 XR에 주목하는 이유

② 개화하는 XR 시장 

디스플레이 산업 리포트 : XR, 활짝 피어나는 확장현실 - 개화하는 XR 시장

 

 

 

디스플레이 - XR, 활짝 피어나는 확장현실 ② (흥국증권 : 이의진)

 

 

 

XR 개화의 초입에서 찾아올 기회

 

1) 시장이 본격적으로 개화하기 위한 하드웨어와 콘텐츠, 인프라 기반이 아직 마련되지 못한 탓에 XR 디바이스의 개화 시점에 대한 시장의 회의론이 존재하는 상황임.

 

2) 지금까지 하드웨어 측면에서는 기술적인 어려움과 높은 가격 접근성으로 인해 대중화되기 어려웠던 것이 사실이지만 메타, 애플, 소니를 포함한 글로벌 빅테크 업체들의 참전으로 대중화의 문턱은 대폭 낮아질 전망임.

 

3) 2014년 메타는 VR 디바이스 업체인 오큘러스는 23억 달러(3조원)에 인수하여 메타버스 관련 투자를 지속해왔음.

 

4) 오큘러스 퀘스트 2는 $299 라는 낮은 가격을 내세워 누적 출하량 1,040만대(2020년 10월 ~ 2021년)로 아이패드 프로의 연간 출하량보다 높은 수준의 출하량을 기록했음.

 

5) 이는 15개월만에 달성한 수치로 VR 기기 중 유의미한 출하량을 기록한 첫번째 디바이스인 것으로 판단됨.

 

 

 

 

메타가 주도하는 보급형 VR 시장

 

1) 메타는 2016년 메타 최초의 VR 헤드셋인 오큘러스 리프트를 출시했으며, 누적 판매량은 210만대 수준이지만 최초의 보급형 VR 헤드셋의 의미를 가짐.

 

2) 이후 2020년 출시한 메타 퀘스트 2가 VR 헤드셋이 본격적으로 대중들에게 침투했는데, 약 1년 3개월만에 1,040만대의 판매량을 기록했음.

 

3) 2007년 처음 출시된 아이폰의 판매량이 600만대 수준이었으며, 2008년 애플의 연간 아이폰 출하량이 1,163만대 수준임을 고려했을 때 유의미한 판매량으로 판단됨.

 

 

4) 메타 퀘스트2 모델이 VR 기기로서 유의미한 판매량 기록한 이유는 코로나로 인한 IT 수요 증가, 전작 대비 가벼운 무게와 개선된 하드웨어 스펙, $100 낮아진 판매가가 주요 원인인 것으로 판단됨.

 

5) 2016년에 출시한 메타 리프트 모델의 BoM Cost가 $200 수준으로 파악되는 만큼 원가 부담에도 초기 시장에 대한 소비자들의 진입 장벽을 낮춰 시장 점유율을 높이기 위한 전략임.

 

6) 반면 작년 말 출시한 메타 퀘스트 프로 모델의 출시가는 $1,499로 공개되었는데, 5개월만에 $999로 공식 가격을 인하했음.

 

7) VR 기기의 높은 가격을 소비자에게 설득시키기 위해서는 하드웨어 측면에서 다른 디바이스를 대체할 수 있는 몰입감이 제공되어야 하며, 다양한 콘텐츠가 존재해야 하는 상황임.

 

8) 주요 VR 기기들은 현재 LCD가 절반 이상을 차지하고 있는 상황이지만, 고가 라인업을 중심으로 OLED로 전환되는 움직임을 보일 것으로 예상됨.

 

9) VR 기기의 경우 외부광이 차단된 상황에서 콘텐츠를 시청하기 때문에 상대적으로 높은 명암비가 필요하고, 낮은 휘도도 충분히 사 용 가능함.

 

10) 먼저 OLED는 자발광 소자이기 때문에 무한한 명암비 표현이 가능하므로 콘텐츠 시청에 적합하며, 팬케이크 렌즈의 광효율은 7% 수준까지 낮아지는 것으로 파악됨.

 

11) 따라서 1,000nit의 OLED를 사용할 경우 디스플레이의 실제 휘도는 70nit 수준이며, 이는 일반적으로는 낮은 수준의 휘도지만 어두운 환경에 VR 콘텐츠를 시청하는데 무리가 없는 수준인 것으로 판단됨.

 

 

 

 

결국 마이크로 디스플레이로 가야하는 길

 

1) XR 디바이스는 PPI(Pixel Per Inch)가 높아야 하기 때문에 마이크로 디스플레이 채용은 필연적이며, 일반적으로 사람의 눈과 디스플레이가 가까울수록 PPI는 높아져야함.

 

2) 실제로 TV는 100ppi, 노트북은 200ppi 수준인 반면, 스마트폰은 500ppi 수준의 디스플레이를 사용하며, XR 기기는 안경이나 HMD 형태로 눈과 매우 가깝기 때문에 최소 2,000ppi 수준의 디스플레이를 채택해야함.

 

3) 초기 XR 기기는 스마트폰 수준의 PPI를 가지는 디스플레이를 채택했으나, PPI가 낮을 경우 격자무늬 형태의 패턴이 눈에 보이거나 사 용자의 몰입감이 낮아지고 어지러움을 유발한다는 단점이 존재함.

 

4) 실제로 최근 공개되고 있는 XR 기기들은 1,000ppi 수준의 해상도를 채용하고 있으며, 주로 LCD나 명암비 향상을 위해 OLED를 사용함.

 

5) 향후 2,000ppi 이상 구현을 위해서는 마이크로 디스플레이로 전환되어야하며, 현재 GOOVIS, Arpara, Varjo 등의 업체는 마이크로 OLED 업체인 Seeya, Sony의 OLEDoS을 탑재해 VR 기기를 출시하고 있음.

 

6) GOOVIS는 2021년 4,500ppi 디스플레이를 탑재한 VR 기기를 공개했으며, Arpara 또한 3,500ppi 수준의 VR 기기를 공개했고 향후 출시될 Apple의 MR 기기 또한 Sony의 OLEDoS를 채택해 출시할 예정임.

 

 

 

 

마이크로 디스플레이의 필요성 대두

 

1) XR 기기에는 마이크로 디스플레이가 필수적으로 마이크로 디스플레이는 각 픽셀의 크기가 100μm 이하인 것을 의미하며, 일반적으로 CMOS 공정을 사용함.

 

2) 이는 미세한 패턴 공정이 가능하기 때문에 수십μm 이하의 픽셀 사이즈를 집적할 수 있으며, 마이크로 디스플레이는 LCoS(LC on Silicon), OLEDoS(OLED on Silicon), LEDoS(LED on Silicon)가 있음.

 

3) LCoS는 LCD와 마찬가지로 휘도가 매우 높고 성숙된 기술로 양산에 유리하다는 장점이 있으나, OLEDoS는 LCoS 대비 휘도는 낮지만 자발광 소자이기 때문에 명암비가 높아 VR 기기에 적합함.

 

4) 마이크로 LED는 수명이나 휘도 측면에서 장점이 존재하지만 현재는 기술적으로 양산되기 어려우며, 전사 공정에서 수율이 낮고 공정 Tact Time이 길기 때문에 생산 단가가 매우 높음.

 

5) 이러한 마이크로 LED의 공정상 한계로 인해 당분간 마이크로 디스플레이는 주로 OLEDoS(OLED on Silicon)를 중심으로 성장할 것으로 예상됨.

 

6) 또한 OLEDoS는 FMM이나 DPD 방식이 성숙하지 못한 상황이기 때문에 White OLEDoS 방식으로 제품 개발이 진행되고 있는 상황임.

 

 

 

 

LCoS(LC on Silicon) : 양산 가능한 고휘도 디스플레이

 

1) AR 기기는 일반적으로 실외에서 작동해야 하며, 기기에 Wave guide 등을 사용하여 광학계 효율이 매우 낮은 상황임.

 

2) VR 기기의 팬케이크 렌즈의 효율이 10% 수준인 것에 대해비 AR에 사용되는 광학계는 1% 수준이기 때문이며, 현재 VR 시장에 유통되고 있는 OLEDoS의 휘도는 1,800nit 수준임.

 

3) 만약 이를 AR에 사용한다면 18nit 수준의 디스플레이가 구현되어 사용하기 어려우나, LCoS는 현재 수십만nit의 휘도를 구현 가능하기 때문에 낮은 광학계 효율에도 불구하고 외부 환경에서도 사용 가능함.

 

4) 고휘도 출력을 위해서는 소자의 수명 또한 충분히 길어야 하기 때문에 LCoS는 AR 기기에 사용되기 매우 적합한 디스플레이이며, 마이크로 LED는 휘도, 명암비, 수명 측면에서 장점을 가지고 있음.

 

5) 그러나 앞서 언급한 공정 수율과 생산 단가 측면에서 마이크로 LED가 대량 양산되기에 아직 어려운 상황이며, XR 기기에 본격적 으로 침투하기 전에는 AR 기기에서 LCoS가 지배적인 기술이 될 것임.

 

 

 

 

OLEDoS(OLED on Silicon) : VR에 적합한 마이크로 디스플레이

 

1) MR과 VR 기기에서는 명암비가 높은 OLEDoS가 향후 지배적인 디스플레이 형태가 될 것으로 예상됨.

 

2) 외부 조도에 크게 영향을 받는 AR 기기에서는 OLEDoS가 낮은 휘도와 짧은 수명이 극명하게 드러나지만, VR 기기는 명암비 등 사용자가 느끼는 몰입감이 더 중요함.

 

3) 소니는 2017년 SID 학회에서 3,300ppi OLEDoS를 발표하는 등 현재 OLEDoS 개발에 가장 앞서 있으며, 국내 업체들이 후발 주자로 관심을 가지고 개발하고 있는 국면임.

 

4) 올해 출시될 것으로 예상되는 Apple MR 기기 역시 소니의 OLEDoS 패널을 사용하는 것으로 파악되며, GOOVIS와 Arpara는 소니 와 Seeya로부터 패널을 공급받음.

 

5) 현재 양산되고 있는 패널은 White + 컬러필터 방식의 OLEDoS 인데, 기존의 W-OLED TV와 같은 생산 방식을 사용하며, OLED를 전면에 증착한 뒤에 컬러필터를 통해 RGB를 구현함.

 

6) 현재도 컬러필터 제작 기술은 3,000ppi 이상 해상도에 대응이 가능하기 때문에 양산에는 문제가 없으나, 컬러필터의 투과도는 20~30% 수준이기 때문에 컬러필터를 사용하게 되면 광효율이 매우 낮아짐.

 

7) 스마트폰 OLED 패널의 구조와 유사한 RGB 방식의 OLEDoS가 XR 기기에서 효율적이지만 현재는 2,000ppi 이상 패터닝 할 수 있는 FMM(Fine Metal Mask) 이 구현되지 못한 상황임.

 

 

8) RGB 방식 OLEDoS 제작 방식에는 크게 두 가지가 있는데, 그 중 OLEDoS용 FMM은 APS홀딩스를 중심으로 국내에서 가장 활발하게 진행되고 있음.

 

9) 기존 FMM(Fine Metal Mask)은 인바를 얇게 압연하여 Etch 공정을 이용해 FMM을 제작하는데, Etch를 이용한 FMM은 1,000ppi 이상 해상도에 대응하기 어렵다는 단점이 존재함.

 

10) 미세홀을 구현하기 위해서 현재는 Laser와 전주도금 방식을 주로 사용하며, 그 중 전주도금 방식은 ITO 기판에 PR을 코팅하고 패터닝 한 이후 Ni-Fe을 함유한 용액에 Dipping 하고 원하는 두께의 금속을 도금하고 PR을 제거함.

 

11) 그러나 이러한 방법은 공정 파라미터를 균일 하게 제어하기 어렵고 열팽창 계수 이슈로 인한 FMM 형태 변형으로 양산에는 다소 시간이 걸릴 것으로 파악됨.

 

12) Laser 방식의 가공법은 APS홀딩스에서 개발 중인데, APS홀딩스는 2022 년 12월 3,000ppi 수준의 RGB OLEDoS 개발을 완료했음.

 

 

13) RGB 방식의 OLEDoS를 제작하는 두 번째 방식은 DPD(Direct Patterning Display) 기술이며, 미국의 eMagin이 주도하여 기술을 개발하고 있는 상황임.

 

14) DPD 방식은 FMM을 사용하지 않으며, 반도체 공정에서 사용되는 노광 공정을 이용하여 기판 위에 마스크 역할을 수행하는 패턴을 만들어 유기물을 증착하는 것임.

 

15) 노광 공정을 이용하는 만큼 Alignment나 정밀도 측면에서 FMM 방식보다 우위에 있을 것으로 판단되나, 유기물의 화학 반응 안정성을 확보해야함.

 

16) 또한 서브픽셀을 증착할 때마다 노광 공정을 거쳐야 하기 때문에 비용이나 생산성 이슈가 발생할 가능성이 높음.

 

17) FMM을 활용한 방식은 오랜 기간 RGB OLED를 생산하며 양산성이 이미 검증된 방식이며, FMM에 홀을 형성하는 정밀도와 혼색 이슈만 해결된다면 양산 채택은 시간 문제일 것임.

 

18) 반면 DPD 방식은 노광 공정을 활용하기 때문에 발생되는 비용과 생산성에는 검증이 필요할 것으로 예상되나, 혼색 등의 이슈는 적을 것이며 완성도 측면에서 FMM 대비 우위에 있을 것임.

 

 

 

 

XR 디스플레이, 결론은 마이크로 LED

 

1) LED는 P-N 접합 구조로 되어있는 화합물 반도체이며, 전기에너지를 빛에 너지 형태로 변환시켜주는 광반도체로 쉽게 말해 빛이 나는 반도체임.

 

2) OLED(Organic Light Emitting Diode)와 기본적인 원리나 구조는 같지만, OLED는 발광소자가 유기물이고 LED는 무기물이라는 차이점이 존재함.

 

3) 이러한 차이점으로 인해 LED는 OLED 대비 장수명 특성을 가지고 있으며, 장수명이기 때문에 소자에 가해지는 전기적 스트레스에 대한 부담이 적어 고전류 구동을 통해 고휘도 구현이 가능함.

 

4) 고휘도에서도 높은 소자 수명을 유지할 수 있기 때문에 마이크로 LED는 LCD나 OLED 대비 야외에서 디스플레이 시인성이 뛰어나 워치, 스마트폰, XR과 같은 디바이스에 적합함.

 

 

 

 

애플워치는 마이크로 LED의 초석이 될 것

 

1) 애플은 2014년 마이크로 LED 스타트업 럭스뷰(LuxVue)를 인수했으며, 최근 애플에서 애플워치 울트라에 마이크로 LED를 탑재하겠다는 계획이 보도됐는데 이는 2014년 럭스뷰 인수 시점부터 계획되어 있었음.

 

2) 애플은 디스플레이 백플래인을 자체 개발했던건 오래전부터였으며, 2018년에 공개된 애플워치4 시리즈에는 애플이 2014년 특허 출원한 LTPO 디스플레이를 탑재함.

 

3) 현재는 아이폰 프로 모델까지 LTPO를 채택하여 판매하고 있으며, 이처럼 애플은 사용자 경험을 극대화하기 위해 자체 디스플레이 개발에 높은 관심을 가지고 있었음.

 

4) 마이크로 LED는 OLED 대비 소자 수명이 높기 때문에 고휘도 구동에 매우 유리하다는 장점이 존재함.

 

5) 외부환경에서 사용빈도가 높은 스마트워치, 스마트폰과 같은 디바이스에서는 자연광 보다 높은 휘도의 디스플레이가 필요하기 때문에 마이크로 LED는 스마트워치, 스마트폰, XR 기기에 매우 적합함.

 

6) 하지만 마이크로 LED는 제조공정이 까다로워 아직 상용화되지 못했으며, 전사과정에서 매우 낮은 수율과 높은 Tact time으로 마이크로 LED 생산에 비용 부담이 존재함.

 

7) 삼성전자에서 공개한 마이크로 LED TV는 1억원 이상에 출시되었는데, 이 또한 전사공정에서 발생하는 수율 문제로 인한 것으로 파악됨.

 

 

8) 애플의 애플워치 울트라 모델의 마이크로 LED 탑재 계획은 XR 디바이스에 활용하기 위한 초석일 것으로 판단됨.

 

9) 소자 수명과 휘도, 그리고 높은 명암비와 낮은 전력 소모 특징을 가진 마이크로 LED는 XR 디바이스에 적합하므로, 결국 마이크로 LED는 XR 디바이스로 확장될 것으로 예상됨.

 

10) 특히 전사 공정의 수율이 안정화 된 이후 적용될 것으로 판단되며, 전사공정은 Pick & Place, Stamp, Laser 방식이 있는데, Pick & Place와 Stamp 방식은 공정 시간이나 수율이 낮음.

 

11) 따라서 현재는 레이저 방식으로 전사공정을 주로 진행하고 있는 것으로 파악되며, Micro LED 수율이 증가하고 생산 비용이 낮아진 이후 XR 디바이스에 마이크로 LED 침투가 본격적으로 이뤄질 것임.