[특집] 당분간 OLED와 퀀텀닷은 공존한다

디스플레이의 지각변동 ②
  • 2016년 10월호
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr


향후 디스플레이의 흐름은 OLED로 가닥을 잡아가는 듯하다. 특히 TV뿐만 아니라 스마트폰이나 웨어러블 워치와 같은 소형 전자기기에도 OLED가 채택되면서 향후 디스플레이 시장은 LCD를 대신해 OLED가 새로운 주인공으로 자리 잡을 전망이나, 퀀텀닷의 기세도 만만치 않다.

현재의 분위기는 OLED와 퀀텀닷(quantum dot) 중 어떤 디스플레이 기술이 시장을 주도하느냐를 놓고 삼성전자와 LG전자가 경쟁을 펼치고 있다.
삼성디스플레이가 5.5세대 중소형 생산라인에 2011년 대규모의 투자를 단행한 후 OLED 디스플레이 산업에 대한 긍정적인 반응이 나타나기 시작했다. 삼성디스플레이가 중소형 OLED디스플레이(스마트폰 등)에 주목했다면, LG디스플레이는 가전용 디스플레이(TV 등)에 주력하면서 각종 전시회에서 OLED TV와 플렉시블 또는 플라스틱 OLED 제품을 선보이며 OLED는 차세대 디스플레이로 주목 받기 시작했다.

또한 애플을 비롯해 샤오미, 화웨이 등이 스마트폰에 OLED 디스플레이를 채용할 것이라는 소식이 전해지면서 업계는 대형 OLED 디스플레이뿐만 아니라 소형 OLED 디스플레이 역시 미래 전망이 밝을 것으로 내다보고 있다.


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주춤할 것 같은 LCD, 퀀텀닷으로 반등?

미국 특허청은 지난 3월 22일, 애플이 다중센서를 이용한 다중 제스처 감지기와 애플워치, 아이폰, 아이맥 등에 사용된 새 디자인 56개 특허를 등록했다고 발표했는데, 이 특허 중에는 AMOLED 구동을 향상시키기 위한 디바이스와 방법에 관한 특허가 포함되어 있었다.

이는 애플이 LCD 대신 휘어지는 OLED를 탑재할 것이라는 업계 관측을 확신으로 만들기에 이르렀고, 해외 전문가들은 2017년 애플이 곡면 디스플레이 모델을 추가해 모두 3가지 아이폰 모델을 출시할 것이라고 분석했다.

이처럼 OLED의 활용도는 점차 증대되고 있다. 그렇다고 LCD가 한순간에 과거의 기술이 되지는 않을 것으로 보인다. LCD 패널 생산 기술은 색감, 해상도, 휘도 등이 개선되며 현재까지도 꾸준한 발전을 거듭하고 있다. 특히 퀀텀닷 기술은 4K, UHD, HDR이 각각 고급 LCD 제품의 표준으로 자리 잡고 있는 상황이다.

이는 특허 추세만 봐도 알 수 있다. 퀀텀닷과 관련한 특허출원(출원일 기준)은 최근 10년(2006~2015년)간 총268건으로, 2014년(63건)과 2015년(84건)을 기록하며 해당 기간 출원량의 54.8%(147건)을 차지했다.

다출원 순위로는 삼성디스플레이 81건, LG디스플레이 40건, 삼성전자 38건, LG이노텍 29건, LG전자 25건 순이다. 퀀텀닷이 LCD에 구현되는 방법에 따른 분류로는 필름타입 159건, 튜브타입 62건, 패키지타입 26건이며, 컬러필터 적용 타입은 21건으로 나타났다.

이 중에서 출원 건이 가장 많았던 필름 타입은 도광판 위에 퀀텀닷 필름을 배치하는 것으로 기존 LCD 공정을 적용하는 데 쉽고 다양한 크기의 화면 구현에 적합해 디스플레이 제조사들이 선호하는 방법으로 알려져 있다.

퀀텀닷, 필름방식이 대세 

업계 전문가들의 의견을 모아보면 향후 OLED와 퀀텀닷은 디스플레이 시장에서 공존하되, 시장 지배력은 OLED가 가져가는 양상을 보일 것이라는 의견이 많다. 이는 디스플레이의 근본적인 구조면에서 OLED가 LCD보다 단순하기 때문이다. 특히 OLED는 플렉시블 디스플레이 구현에 적합한 기술로, 향후 플렉시블 디스플레이 시장 확장에 따라 적용범위 역시 확대될 것으로 기대를 모으고 있다.

LCD의 경우 빛에너지를 방출할 광원이 필요한데, 광원으로는 보통 형광등과 LED 칩이 사용된다. 시각 정보를 대면적으로 표현하려면 형광등의 선 또는 LED의 점 광원을 면 광원으로 변경해줘야 하는데, 이때 필요한 것은 BLU(Black Light Unit)다.

최근 삼성전자에서 밀고 있는 퀀텀닷은 2~10 nm 크기의 작은 반도체로 양자구속효과가 나타난다. 양자구속효과란 입자 크기에 따라 에너지 갭(밴드갭)이 달라지는 것을 말하며, 에너지 갭은 가전자 대역과 전도 대역의 차이를 의미한다. 에너지 갭이 넓을수록 빛으로 방출되는 에너지가 커지며, 반대로 작을수록 낮은 에너지의 빛이 방출된다. 빨강, 파랑, 초록 중 빨강이 가장 긴파장을, 파랑이 가장 짧은 파장을 지니고 있다.

파장과 에너지는 반비례 관계이므로 빨강은 가장 적은 에너지를, 파랑이 가장 큰 에너지를 방출한다. 따라서 퀀텀닷은 입자가 작을수록 파랑, 클수록 빨강을 구현한다.

퀀텀닷은 광여기를 통해 빛을 내는 방식(PL; Photoluminescence)과 전기적으로 빛을 내게 하는 전기발광(EL;Electroluminescence) 방식이 있다.
PL 방식은 액정표시장치(LCD)에 있는 BLU에 퀀텀닷 소재를 삽입한 후 LCD의 색순도와 색재현 범위를 개선하는 기술이다. PL 방식으로는 청색 LED 패키지에 주황색, 적색 퀀텀닷 소재를 넣거나 퀀텀닷을 유리관에 넣어 측면에서 청색 LED를 발광시키는 측면 방식과 고분자 필름에 분산시켜 LED BLU로 발광시키는 필름 방식이 있다.

EL 방식은 OLED와 같은 소자구조에서 발광층을 퀀텀닷으로 대체한 양자점 발광다이오드(QLED)를 말하며, 이미 상용화된 OLED 생산 인프라를 활용할 수 있고 OLED용 유기인광 재료보다 단가가 낮은 발광재료를 사용할 수 있다는 장점이 있다.

삼성전자의 경우 퀀텀닷을 고분자 시트에 분산시켜 LED BLU로 발광시키는 필름 방식을 채택하고 있다. 퀀텀닷 기술이 적용된 삼성전자 TV(SUHD 등)의 디스플레이는 BLU 앞에 퀀텀닷 필름을 붙이게 되는데, 이는 베리어 필름 2장 사이에 퀀텀닷을 넣고 합지한 것이다.

기존의 BLU가 하얀 빛을 냈다면, 퀀텀닷 TV는 파란 빛을 송출한다. 에너지가 비교적 높은 파란 빛으로 퀀텀닷 필름속의 퀀텀닷에 에너지를 전달하는 것이다. 이렇게 에너지를 받은 퀀텀닷 내부에서 전자는 들뜬 상태가 됐다가 제자리로 돌아가게 되는데, 이렇게 들떴다가 내려오는 그 차이가 바로 에너지 갭이다.



OLED, 기술에 이어 가격경쟁력도 확보했다

한편 OLED 디스플레이의 핵심 구성요소는 형광성 유기 화합물이다. 이 형광성 유기 화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 자체 발광 현상을 이용해 만든 것이 OLED이며, 화질 반응 속도가 초박막액정표시장치(TFT-LCD)에 비해 1,000배 이상 빨라 동영상 구현 시에도 잔상이 거의 남지 않는다. 따라서 OLED에는 빛에너지를 방출하는 광원이 필요 없으며, 형광성 유기 화합물 성분인 기능성색소가 LCD의 광원과 컬러필터 기능을 대체하게 된다.

다만 대면적 OLED 디스플레이를 양산할 경우에는 컬러필터가 사용되는데, 이는 유기 화합물의 대면적 증착이 어렵기 때문이다. 대면적 OLED생산 라인에서 증착이 완료된 유기 화합물은 발광 기능만 수행하며 발색 기능은 수행하지 않게 되는데, 이러한 방식을 ‘백색 OLED 증착’이라 부른다.

LG전자의 OLED TV는 SUHD TV와 달리 백라이트 없이 박막트랜지스터(TFT)기판 위에 유기물질을 올려놓는 구조로 이뤄졌다. 얇고 가벼운 무게와 플렉시블ㆍ롤러블 등 다양한 형태로 디자인이 가능할 수 있다. 더불어 응답속도도 LCD 대비 1,000배 이상 빨라 잔상이 남지 않는 선명한 화질도 제공한다.

OLED는 화면 크기에 따라 중소형, 대형으로 구분할 수 있다. 대형은 LG디스플레이가 WOLED(White OLED)를 통해 시장을 주도하고 있다. 중소형의 경우 스마트폰, 웨어러블 기기 등에 활용되고 있는데 삼성디스플레이가 소형 OLED 시장의 97% 가량을 점유하고 있다.

OLED 특성상 LCD에 비해 더 얇고 우수한 화질을 보장하고 있어 스마트 기기에 활용 가치가 높다. 원가 측면에서도 OLED는 LCD보다 저렴한 수준에 도달했다. 삼성디스플레이의 경우, 2016년 1분기 5인치 풀 HD 스마트폰에 사용되는 AMOLED 제조원가는 14.3달러로, 저온실리콘다결정화(LTPS) LCD의 14.6달러보다 낮았다. 비정질실리콘(a-Si) LCD는 전년 동기 대비 -10% 성장을 기록했다.

결국 OLED는 향후 기술 경쟁력, 가격경쟁력 등의 요인으로 TV 시장에서는 LED TV를 대체하고, 웨어러블 시장에서도 LCD 디스플레이를 대체해 나아갈 전망이다. 하지만 최근 퀀텀닷 등 발광 소자가 OLED 유기 화합물과 공존할수 있는 기술이 개발되는 등 LCD 디스플레이도 자체적으로 생명을 유지해 나갈 것으로 보인다. 특히 OLED 소자와 컬러필터에 각각 발광층을 구현해 소자 수명을 개선한 하이브리드 OLED도 부각되고 있어 퀀텀닷은 OLED 소자와 공존할 전망이다.



애플의 LTPO 기술 확보는 OLED 때문

퀀텀닷이 OLED와 공존하더라도 OLED의 성장세를 따라가지는 못할 것이다. OLED 디스플레이가 기존의 TV시장에서 모바일 시장으로 확대되고 있으며, 플렉시블과 같은 새로운 애플리케이션이 대중화에 접어들 것으로 예상되기 때문이다.

특히 애플의 LTPO 기술(AMOLED 내의 LTPS에 산화물 반도체라 불리는 재료를 이용한 기술) 확보와 함께 LG디스플레이와 삼성디스플레이에서는 중소형 OLED 패널에 최적 성능을 제공하기 위해 새로운 옥사이드 기술을 개발 중이다.

또한 디스플레이 박막트랜지스터(TFT) 소재는 고해상도 수요 증가로 전통 비정질실리콘 대신 저온폴리실리콘(LTPS)이 떠오르고 있다. 전자 이동 속도 측면에서 전통 비정질실리콘보다 LTPS와 옥사이드가 빠른 속도를 자랑한다. 전자 이동 속도가 빠를수록 전기 신호 처리가 빨라져 고해상도 디스플레이 구현이 가능해진다. LTPS와 옥사이드의 차이는 마스크 공정 단계의 활용에 있다.

 

옥사이드는 비정질실리콘과 비슷한 마스크 공정 단계를 거쳐 추가적인 설비투자가 적어 제조 단가를 낮출 수 있다. 반면 LTPS는 마스크 공정 단계가 두 경우 보다 약 두 배가량 높아 제조 비용이 비싸다.

제조 비용이라는 부담감에도 불구하고 상용화 시장에서는 LTPS가 TFT 균일도와 기술 완성도가 높아 더 주목을 받고 있다. 때문에 애플은 OLED에 새로운 옥사이드 기술을 적용하기 위해 LTPO기술을 확보한 것으로 이해해 볼 수 있다. 따라서 LTPO는 저전력에 적합한 옥사이드에 LTPS 장점을 결합해 OLED를 모바일용에 최적화할 기술이 될 것으로 기대를 모으고 있다.



접는 스마트폰 나온다

디스플레이 업계의 또 다른 이슈는 플렉시블 디스플레이(flexible display)다. 플렉시블 디스플레이는 양끝이 오목하게 휘어지는 형태에서 점차 더 유연하게 휘어지는 형태로 발전하고 있다. 보통 휘는 정도에 따라 종류를 구분하는데, 측면이 휘는 커브드(curved), 자유롭게 구부릴 수 있는 벤더블(bendable), 종이처럼 둘둘 말 수 있는 롤러블(Rollable), 반으로 완전히 접을 수 있는 폴더블(folderble) 등이 있다.

또한 완벽한 곡면을 구현할 수 있는 스트레처블(strechable)은 디스플레이의 크기를 자유자재로 바꿀 수 있어 플렉시블 디스플레이의 정점으로 꼽힌다.

 

플렉시블 디스플레이는 OLED뿐만 아니라 LCD와 E 페이퍼로도 구현할 수 있다. 하지만 LCD의 경우 완전한 구현이 어렵고, E 페이퍼의 경우는 컬러나 색체구현이 어렵다는 단점이 존재해 현재로서는 OLED가 플렉시블 디스플레이에 적용할 수 있는 가장 유망한 디스플레이로 꼽히고 있다.

OLED 구동방식의 플렉시블 디스플레이는 유기 발광층에 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 자체발광형 디스플레이로, 크게 폴리이미드(PI), 기판, TFT 기판 후면, 유기발광층, 봉지층으로 구성되어 있다. 생산공정은 PI 기판 형성, TFT 기판 후면, 유기발광층 및 봉지층 형성 후 carrier glass를 제거하는 순으로 진행된다.

전체적인 공정은 OLED 디스플레이 공정과 비슷하나 플렉시블 디스플레이는 PI 기판, 봉지층 형성 공정에서 평면 OLED와는 차별화된 생산기술이 필요하다. 기판 형성 시 유연성을 보유하면서 고온에서 공정수행이 가능한 기판소재 확보가 중요한데, 현재는 플라스틱 소재 중 300 ℃ 이상에서도 유리 전이(고분자 물질을 가열할 경우 유리상의 딱딱한 상태에서 고체와 액체의 중간인 고무상으로 바뀌는 현상) 현상이 생기지 않는 PI 소재가 사용되고 있다.

참고로 TFT 기판 후면을 형성하기 위해서는 진공 증착, 노광, 식각 등 다양한 공정이 진행되며 그 중에는 300 ℃ 이상의 고온 공정도 있어, 유리전이 온도가 낮은 소재는 사용이 불가능하다.

OLED의 유기 발광층은 수분에 취약해 수분 침투를 막아주는 봉지층 형성이 필요하다. 평면 OLED 디스플레이에는 Glass Frit Sealing 기술이 사용되는 반면, 플렉시블 디스플레이에서는 TFE(thin film encapsulation) 기술로 유연성을 확보하면서 수분 침투 성능을 향상시킬 수 있다.

플렉시블 디스플레이는 현재 LG전자의 커브드 TV처럼 TV나 삼성전자의 갤럭시S6엣지와 같은 스마트폰과 웨어러블 기기에 적용되고 있는 상태다. 벤더블과 롤러블은 기술개발이 어느 정도 진행됐고, 폴더블은 현재 개발 중이다.

 

벤더블은 제품의 일부만 구부릴 수 있는 디스플레이로 주로 웨어러블 기기에 적용될 것으로 기대를 모으고 있고, 롤러블과 폴더블은 스마트폰을 비롯해 의류, 조명, 자동차 등과 융합한 다양한 형태로 응용이 가능할 것으로 보인다.

LG전자의 경우, 2015년 2월에 미국에서 열린 국제정보디스플레이학회 전시회에서 세계 최초로 곡률반경 30R, 최대 30 mm 반지름으로 스크린을 말수 있는 롤러블 형태의 플렉시블 디스플레이를 공개했다.

커브드에 이어 폴더블 기술도 상당한 수준에 도달한 것으로 예측되고 있다.

과거 개발을 추진하던 폴더블 패널은 한번 안으로 접히는 인폴딩의 단순한 제품구성에 불과했지만, 최근에는 밖으로 접히는 아웃폴딩 및 양쪽으로 접히는 양면 폴딩까지 개발이 완료단계에 들어섰다. 이에 따라 폴더블 패널은 스마트폰부터 태블릿, 노트북에 이르기까지 다양한 라인업 구성이 가능해질 전망이며, 2018년부터는 삼성, LG, 애플등에서 치열한 출시 경쟁을 예상해 볼수 있다. 따라서 앞으로 플렉시블 디스플레이는 모바일은 물론 안정성이 중요한 자동차 내장 디스플레이, 태블릿 PC, 스마트 워치 등 다양한 영역에서 생활의 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

VR/AR, 디스플레이 업계 호재로 작용 

가상현실(VR), 증강현실(AR) 분야는 하드웨어, 플랫폼, 콘텐츠 등 관련 시장창출을 이끌어내며 생태계를 구축해 나가고 있다. 디스플레이와 관련해서는 HMD(head mounted display), 홀로렌즈, 투시형 글래스 등과 같은 착용형 디스플레이가 사용자에 최적화된 몰입감을 제공하며 성장할 것으로 예상된다.

착용형 디스플레이와 관련한 주요기업은 삼성전자, 페이스북(오큘러스), 소니(프로젝트 모피어스), 마이크로소프트(홀로렌즈) 등이 있다.
초기의 VR 기기를 체험한 사람이라면 공통적으로 ‘어지러움’을 호소한다. 이는 평면 디스플레이에서 360도 디스플레이로 확장돼 인간의 눈과 뇌가 처리해야 하는 장면이 많은 반면, 디스플레이의 선명도는 이를 따라가지 못해 발생하는 현상이다.

디스플레이의 화질을 좌우하는 것은 인치당 픽셀 수인데, 현재 출시된 VR 제품의 인치당 픽셀 수는 500~600 ppi다. 이 중 스마트폰을 VR 기기 앞면에 장착해 스마트폰의 화면을 이용하는 경우는 500 ppi 안팎이며, 별도의 디스플레이를 장착한 제품은 600 ppi를 넘어선다. 그렇다고 VR 기기의 화질을 높이기 위해 스마트폰의 화질을 무작정 올리기에는 제조 단가 문제가 발생한다.

결국 별도의 디스플레이를 장착한 제품을 활용해야 하므로, VR과 AR 시장 성장은 디스플레이 업계에 긍정적인 영향을 끼칠 것으로 전망된다.

VR/AR에 사용되는 디스플레이는 HMD, 대형 및 소형 디스플레이, HUD(head-up display) 등 다양하며, 이를 위한 패널 역시 강유전성 액정을 사용한 순차구동방식의 LCoS(Liquid Crystal on Silicon), OLEDoS(OLED on silicon), DLP(digitallight processing) 등 다양하다. 현재 VR에서 가장 많이 사용하는 패널은 LCoS, 프로젝션 등이 있으며, OLED의 경우도 개발이 빠르게 진행되고 있다.

현재 가상현실 기기에서 사용되는 디스플레이는 일반적으로 LCD, DLP, LCoS 등의 마이크로 디스플레이를 영상 투영해 사용하는 방법과 스마트폰용 고해상도 디스플레이가 있다. 이들 가운데 마이크로 디스플레이는 완전 몰입형이나 투시 착용형 등에 다양하게 사용이 가능하다.

LCoS는 실리콘 웨이퍼에 소자를 형성한 후 LCD 공정과 유사하게 전극과 화소형성 및 액정 주입을 하는 어셈블리 공정을 진행해 패널을 완성한다.
마이크로 OLED 디스플레이(OLEDoS)는 실리콘 웨이퍼에 반도체와 유사한 공정으로 소자를 형성하고 그 위에 OLED 화소 형성공정으로 마이크로 디스플레이를 만드는 공정으로, OLED의 높은 광휘도, 우수한 전류전력, MHz 급의 빠른 동작속도의 장점을 지니고 있다.

VR/AR 분야에서 디스플레이는 고해상도 투명 디스플레이 기술도 주목 받고 있는데, 게임뿐만 아니라 자동차, 의료, 교육 등 분야와의 융합을 통해 새로운 시장을 창출하고 있는 추세다.

VR/AR 디스플레이는 기존의 몰입형의 경우 고해상도 평판 디스플레이, 마이크로 디스플레이 등으로 발전하고 있으며, 향후 3D 디스플레이인 홀로그램등을 통해 현실의 한계를 넘는 새로운 유형의 디스플레이가 요구될 것으로 보인다. 

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