차량용 디스플레이 기술에 대한 최신 동향 및 분석

개요 

디스플레이 기술은 현대 산업에서 핵심 요소로 자리 잡고 있으며, 최근에는 자동차 디스플레이 시장이 새로운 성장 동력으로 주목받고 있다. 이번 연재에서는 차량용 디스플레이를 중심으로, LCD와 OLED의 기술적 특징과 구현 원리를 비교하고, LTPS-LCD와 P-OLED의 장점과 가능성을 분석한다. 이를 통해 차세대 자동차 디스플레이 기술의 방향성과 시장에서의 활용 가능성을 알아보고자 한다.



글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실

주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
송준범 (고려대학교 전기전자공학부 석사 과정)
노강현 (고려대학교 전기전자공학부 학사 과정)
우성현 (고려대학교 전기전자공학부 학사 과정)
정영일 (고려대학교 전기전자공학부 학사 과정)


목차

1. 서론
2. 액정 디스플레이(LCD, Liquid Crystal Display)와 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light-Emitting Diode)의 발광원리와 비교
    2-1. LCD 발광원리
    2-2. OLED 발광원리
    2-3. LCD와 OLED 기술 비교
3. 저온 다결정 실리콘 액정 디스플레이(LTPS-LCD, Low Temperature Polycrystalline Silicon Liquid Crystal Display)
    3-1. LTPS-LCD 기술적 특징과 개요
    3-2. LTPS-LCD 공정
    3-3. LTPS-LCD가 가지는 차량용 디스플레이로의 장점
4. 플라스틱 유기 발광 다이오드(P-OLED, Plastic-Organic Light Emitting Diode)
    4-1. P-OLED 기술적 특징과 개요
    4-2. P-OLED의 구현 기술
    4-3. P-OLED가 가지는 차량용 디스플레이로의 장점
5. 결론
6. 참고 문헌


1. 서론

차량용 디스플레이 기술은 차량 내 정보 제공과 사용자 경험을 높이기 위해 빠르게 발전하고 있다. 자동차 산업의 디지털화, 전기차 확산, 자율주행 기술 도입이 이러한 변화의 주요 동인으로 작용하고 있다. 특히 LCD, OLED, LTPS-LCD, P-OLED 기술은 각기 다른 특성과 장점을 지녀 자동차 제조사들의 다양한 수요를 충족시키기 위한 옵션으로 주목받고 있다.

차량용 디스플레이 시장은 최근 몇 년간 빠르게 성장하고 있다. 2020년 기준으로, 중앙 스택 디스플레이는 전체 시장의 약 41%를 차지하며 가장 큰 시장 점유율을 기록했고, 헤드업 디스플레이(HUD, Head Up Display) 부문은 자율주행 기술의 발전 덕분에 향후 5년 간 가장 빠르게 성장할 것으로 예상된다.^[1] 이러한 성장세는 전기차 및 자율주행 차량의 보급 확대와 더불어, 차량 디스플레이가 단순 정보 전달을 넘어 인포테인먼트 및 실내 환경 제어 등 다양한 역할을 수행하면서 중요성이 더욱 부각되고 있기 때문이다.

차량용 디스플레이의 발전 과정은 초기 단순 정보 표시에서 현재는 차량 전체를 제어하고 사용자 경험을 강화하는 중요한 요소로 발전해 왔다. 초기에는 흑백 LCD로 속도나 기본 상태 정보를 표시하는 수준이었지만, 디지털화와 함께 컬러 TFT-LCD, LTPS-LCD로 발전하면서 더 많은 정보와 다양한 그래픽을 표현할 수 있게 되었다. 특히, 자율주행과 차량 내 인포테인먼트 시스템의 중요성이 높아지면서, OLED 및 P-OLED 같은 첨단 디스플레이가 등장했다. 이 디스플레이들은 얇고 유연한 설계가 가능해 다양한 차량 내부 디자인을 가능하게 했고, 높은 해상도와 명암비로 운전자의 시각적 피로를 줄여준다. 또한, 플라스틱 기판을 사용하는 P-OLED는 차량 내부의 곡선형 대시보드에 맞춘 형태로 제작이 가능해 디자인 자유도를 극대화하였다.

최근에는 이러한 디스플레이 기술들이 운전자뿐만 아니라 승객을 위한 엔터테인먼트와 정보 제공, 실내 환경 제어까지 확장되면서 차량용 디스플레이는 단순한 화면을 넘어 차량의 주요 기능을 아우르는 중요한 부품으로 자리 잡고 있다. 이번 글에서는 차량용 디스플레이에 사용되어 왔던 LCD, LTPS-LCD, OLED, P-OLED에 대해서 알아봄과 동시에 해당 기술들을 이용한 차량용 디스플레이의 발전 과정에 대해 다루고자 한다.

2. LCD와 OLED의 발광 원리와 비교

먼저 LCD와 OLED의 발광원리에 대해서 이해하고 차이를 바탕으로 차량용 디스플레이 어떻게 적용되는지 알아보고자 한다. 

2-1. LCD 발광 원리

LCD는 백라이트 유닛(BLU, Back Light Unit)에서 나오는 빛을 액정을 통해 조절하여 화면을 구현하는 투과형 디스플레이다. 액정은 액체와 고체의 특성을 모두 가지며, 전기적 자극에 따라 상태가 변화하는 성질을 이용해 빛의 투과를 조절한다.

백라이트 유닛에서 생성된 빛이 편광판을 통해 한 방향으로 정렬된다. 이 빛은 픽셀 단위로 나누어진 RGB 서브 픽셀을 지나며, 각 서브 픽셀은 박막 트랜지스터(TFT, Thin Film Transistor) 스위칭 소자에 의해 전기 신호를 받아 밝기를 조절한다. 조절된 빛이 컬러 필터를 통과해 최종 색과 밝기를 형성하게 된다.

 

LCD는 고휘도 백라이트 덕분에 외부 밝기 조건에서도 시인성이 우수하며, 대형화 및 내구성이 뛰어나 차량용 디스플레이에 자주 사용되지만, 백라이트 사용으로 인한 높은 전력 소모가 발생하고, 비발광 디스플레이기 때문에 TFT, 액정 레이어, 컬러 필터 등 여러 요소에서 발생하는 편광화 효과로 인하여 명암비가 제한된다는 단점이 존재한다.

예를 들어, 상용화된 다중 도메인 수직 정렬(MVA, Multi-domain Vertical Alignment) LCD TV의 명암비는 약 5000:1에 불과하며, 다른 LCD 모드에서는 2000:1 수준이다. 또한 주변광의 영향을 고려하여 디스플레이가 어떻게 보이는지 평가하는 지표인 ACR에서도 LCD는 OLED에 비해 낮은 수준을 보인다.^[3]
 

2-2. OLED 발광 원리

OLED는 백라이트 유닛이 필요 없는 자가 발광 디스플레이다. 각 소자가 스스로 빛을 내는 구조로, 얇고 가벼운 설계가 가능하다.
양극과 음극 사이에 전압이 가해지면 양극에서 전자가 방출되며 정공이 발생한다. 음극에서 전자는 발광층(EML, Emission Material Layer)으로 주입되고, 전자와 정공이 결합해 에너지를 방출하며 빛을 낸다. 이러한 발광 과정은 전기적 신호에 따라 다채로운 색을 구현할 수 있게 한다.

OLED는 무한대의 명암비를 가지고(전류가 차단된 픽셀은 완벽하게 검정색 구현 가능), 0.1 ms 이하의 빠른 응답 속도, 그리고 178도 이상의 넓은 시야각을 자랑한다. 하지만 수명이 약 10,000~20,000 시간으로 LCD보다 짧고^[5], 화면에 정지된 이미지나 특정 픽셀이 장시간 동안 표시되었을 때 발생하는 영구적인 잔상 현상인 burn-in 현상이 발생한다는 문제가 있다.

2-3. LCD와 OLED 기술 비교

LCD는 백라이트를 사용하며, OLED는 자체 발광을 한다. 이로 인해 OLED가 더 얇고 유연한 디자인이 가능하게 된다. 또한, OLED는 디지털 시네마 표준 DCI-P3의 100% 이상을 구현이 가능하므로^[6], LCD보다 상대적으로 더 생생한 색을 표현할 수 있으며, 전력 소모 면에서 백라이트가 항상 켜져 있는 LCD에 비해 어두운 장면에서는 에너지 효율이 높다. 하지만 OLED의 제조 단가는 LCD에 비해 약 20~30%가 더 높기 때문에 고급 차량용으로 사용되기 더 적합하다. 

LCD는 일반 및 중저가 차량에 널리 채택되며, 고온 및 진동에 대한 내구성이 뛰어나기 때문에 신뢰성이 요구되는 상황에 적합하다. 반면 OLED는 고급 전기차 및 프리미엄 모델에서 미래형 디지털 콕핏(Digital Cockpit)의 기준으로 자리를 잡고 있다. 디지털 콕핏은 차량 내 운전석과 조수석 앞에 설치된 인포테인먼트 시스템으로 각종 주행정보와 영상을 제공하고, 외부와 통신하는 역할을 한다.

3. LTPS-LCD

높은 전하 이동도와 전기적 안정성을 가진 LTPS-TFT (Low Temperature Polycrystalline Silicon Thin Film Transistor) 기술을 디스플레이에 적용함으로 디스플레이의 높은 효율성을 보장할 수 있다. 이번 주제에서는 차량용 디스플레이로의 LTPS-LCD에 대해 알아보고자 한다. 

3-1. LTPS-LCD 기술적 특징과 개요

비정질 실리콘(a-Si)이란 말 그대로 비결정적인 구조를 가지고 있는 소재로 규칙적이지 않은 무질서한 형태의 물질을 의미한다. 이러한 비결정적인 구조를 가지게 되면 결합되지 않는 전자, 즉 dangling bond가 형성되게 되는데 dangling bond가 형성되면 전하가 포획되어 낮은 전자 이동도와 TFT의 성능을 저하시키는 단점이 존재한다.^[7] 이와 달리 LTPS-TFT 기술이란 앞서 언급한 비정질 실리콘(a-Si)을 다결정 실리콘(Poly Si)으로 변환하여 전자의 이동도를 높이는 TFT 기술이다.^[7] 



표 1을 살펴보면 a-Si TFT의 경우 전자이동도가 0.5~1 cm²/V*s로LTPS TFT보다 100배 이상 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이 차이는 트랜지스터 설계에 있어 매우 효율적으로 작용할 수 있으며 트랜지스터 소형화를 가능하게 만든다.
  또한 Mask의 개수에서도 차이를 볼 수 있는데, a-Si TFT의 경우 Mask 개수가 4~5개인 반면 LTPS-TFT는 5~10개로 나타난다. Mask의 개수가 많으면 각 레이어를 세밀하게 조작하며 제어할 수 있으며 면적을 최소화할 수 있게 된다. 이는 트랜지스터의 면적을 낮추면서도 안정적인 성능을 유지할 수 있게 할 수 있다.

3-2. LTPS-LCD 공정

LTPS-LCD의 주요 핵심 공정으로 ELA(Excimer Laser Annealing) 공정이 자리잡고 있으며 이는 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변환하는 방법으로 손꼽히고 있는 기술이다. 공정방식은 Excimer라는 레이저를 사용해서 국소적으로 비정질 실리콘을 결정화하여 높은 전자 이동도와 전기적 특성을 가진 다결정 실리콘으로 층을 형성하는 방식이다. 

Eximer 레이저는 주로 크립톤 플로라이드(KrF), 제논 클로라이드(XeCl)와 같은 짧은 파장을 가진 자외선 레이저를 사용하며 이는 짧은 시간 안에 수십 초의 시간 안에 높은 에너지를 방출한다. 이것을 바탕으로 비정질 실리콘 기판을 선택적으로 가열시킬 수 있게 된다. 즉, 기판 전체의 면을 고온으로 가열시키지 않으며 a-Si의 특정 영역에서만 국소적으로 녹는점(1414 °C)까지 가열시킬 수 있게 된다. 이것이 가능한 이유는 Excimer 레이저의 특징을 통해 알 수 있는데 Excimer 레이저는 일반적으로 248nm~308nm의 파장 사이에서 이루어져 있으며 이는 비정질 실리콘에 강하게 흡착하여 높은 효율을 만들어 낼 수 있게 된다.^[10] 

ELA 공정을 통해 다결정 실리콘층을 형성한 이후에는 LTPS-LCD 제조의 나머지 주요 공정이 진행된다. 먼저, TFT(박막 트랜지스터) 패턴이 형성되어 각 화소의 전기적 신호를 제어할 수 있는 기반이 마련된다. 이어서, 컬러 필터를 제작하고 이를 TFT 기판과 정렬하여 결합하는 공정이 이루어진다. 그런 다음, 두 기판 사이에 액정을 주입하고 밀봉하여 셀 구조를 완성한다. 최종적으로 BLU, 드라이버 IC 및 기타 부품을 조립하여 디스플레이 모듈 형태로 조립된다. 이러한 공정은 초정밀 클린룸 환경에서 이루어지며, 높은 품질의 디스플레이 생산을 위해 정밀한 공정 제어와 광학 검사가 동반된다. 

3-3. LTPS-LCD가 가지는 차량용 디스플레이로의 장점

이러한 LTPS-LCD는 차량용 디스플레이로 사용될 경우 여러 장점을 제공한다. 전하 이동도가 높은 LTPS-TFT 기술 덕분에 해상도가 400 ppi 이상 구현되어 내비게이션 지도, 계기판 정보, 그리고 엔터테인먼트 시스템에서 선명한 화질을 제공한다.^[9] 또한, 빠른 응답 속도를 갖추어 주행 중 실시간으로 변화하는 정보, 예를 들어 속도나 경고 표시 등을 5ms 이내로 정확하고 즉각적으로 보여줄 수 있다. LTPS 기술의 전력 효율성은 전력 소모를 약 15%까지 줄이는 데 기여하여 차량 전력 관리에 효과적이다.^[10],[11] 이러한 특성들이 LTPS-LCD를 차량용 디스플레이에 적합한 선택으로 가능하게 만든다. 
 
4. P-OLED

P-OLED (Plastic-Organic Light Emitting Diode)는 유기 고분자 물질을 기반으로 한 차세대 디스플레이 기술로, 기존 LCD와 OLED의 한계를 보완하며 새로운 응용 가능성을 제시한다. P-OLED는 특히 유연성과 경량화라는 특징을 통해 디자인 자유도를 극대화하고, 다양한 산업 분야에서 주목받고 있다.

4-1. P-OLED 기술적 특징과 개요

P-OLED는 기존의 OLED 기술에 비해 유연성과 내구성 등 여러 측면에서 우수한 장점을 지닌다. P-OLED는 플라스틱 기판을 활용하여 기존의 유리 기반 OLED 디스플레이가 가진 한계를 극복하며, 보다 유연하고 가벼운 디스플레이 솔루션을 제공한다. 이를 통해 자동차와 같은 복잡한 디자인을 요구하는 응용 분야에서 새로운 가능성을 열어주고 있다.

 

P-OLED의 핵심 기술적 특징으로는 유연성, 경량화, 내구성, 그리고 고화질이 있다. 유연성은 곡면 디스플레이나 말굽형과 같은 복잡한 형태의 디스플레이 구현을 가능하게 하며, 기존 OLED와 마찬가지로 백라이트가 필요하지 않다. 이를 통해 고품질의 화면을 제공하면서도 에너지 효율성을 향상시키는 장점을 가진다. 이러한 특성은 자동차, 스마트폰, 웨어러블 디바이스 등 다양한 전자기기에서 중요한 역할을 한다.

 

4-2. P-OLED의 구현 기술

P-OLED 구현은 소재 개발, 제조 공정, 소자 설계의 세 가지 핵심 축을 중심으로 이루어진다. 이들 요소는 P-OLED의 성능과 상용화 가능성을 결정짓는 주요 요인이다. 

그 중에서도 P-OLED의 생산 공정은 크게 두 가지 주요 단계로 구분된다. 첫 번째 단계는 플라스틱 기판을 준비하는 과정으로, 주로 PI(Polyimide), PET(Polyethylene Terephthalate), PC(Polycarbonate)와 같은 다양한 폴리머 소재가 사용된다. 이러한 소재는 압출 또는 코팅 기술을 통해 필름 형태로 제작된다.

두 번째 단계는 OLED 층을 기판에 증착하는 과정으로, 주로 증발 증착 또는 슬릿 코팅 기술을 활용하여 유기 물질을 기판에 증착시킨다. 이 단계에서는 OLED의 발광층과 전극층 등이 형성되며, 열처리 또는 플라즈마 처리와 같은 추가 공정을 통해 디스플레이의 성능이 최적화된다.

 

이러한 공정은 유연한 플라스틱 기판을 사용하기 때문에 기존 유리 기판을 사용하는 공정에 비해 비용과 시간 면에서 효율적이다. 또한, 대형 디스플레이 제작 시 중요한 기술적 과제를 해결하는 데 기여하고 있다.

4-3. P-OLED가 가지는 차량용 디스플레이로의 장점
 

P-OLED는 차량용 디스플레이 기술에서 유연성과 경량화를 통해 기존 기술과 차별화된 가능성을 제시한다. 플라스틱 기판을 사용해 곡면 디스플레이를 구현할 수 있으며, 이를 통해 대시보드와 중앙 디스플레이 시스템에 맞춤형 디자인을 적용할 수 있다. 곡면 설계는 차량 내부 공간 활용도를 극대화하며, 대시보드를 하나의 패널로 통합하거나 운전자를 감싸는 몰입형 디스플레이를 구현하는 데 활용된다.

이러한 특성은 최근 고급 전기차 모델에서 계기판과 내비게이션을 통합한 대형 곡면 디스플레이로 구현되고 있다. 얇고 가벼운 특성 덕분에 차량의 중량을 줄이고 배터리 효율성을 높이는 데도 기여한다. 플라스틱 기판의 내구성은 충격에 강하고 깨지지 않아 차량 환경에서 요구되는 안정성을 제공한다.^[16]

P-OLED는 뛰어난 화질과 응답 속도를 통해 차량 디스플레이의 시각적 경험을 한층 향상시킨다. 명암비는 10,000:1 이상을 유지하고, 색 재현율은 NTSC 기준 100% 이상으로 선명한 색상 표현을 가능하게 한다. 응답 속도는 0.1ms 이하로, 실시간 정보 처리와 정확성이 중요한 차량 환경에서 강점을 발휘한다^[18]. 이러한 성능 덕분에 P-OLED는 헤드업 디스플레이(HUD), 디지털 클러스터, 인포테인먼트 시스템 등 다양한 구성 요소에서 활용된다.

특히 HUD에서는 시야각이 기존 기술보다 20% 넓고, 고해상도를 지원하여 주행 정보를 운전자 시야에 명확하게 투영한다. 곡선 유리나 곡면 구조에도 유연하게 적용 가능해 다양한 디자인 요구를 충족시킬 수 있다.^[17]

인포테인먼트 시스템과 디지털 클러스터에서도 P-OLED의 장점은 두드러진다. 디지털 클러스터는 운전자가 속도, 연료 상태, 내비게이션 정보를 직관적으로 확인할 수 있도록 돕는 핵심 인터페이스로, P-OLED는 넓은 색역과 빠른 응답 속도를 통해 이를 효과적으로 지원한다.

전력 소비가 낮아 전기차와 같은 에너지 효율이 중요한 차량에서도 적합하며, 인포테인먼트 시스템에서는 대형 화면과 고해상도로 탑승자에게 우수한 엔터테인먼트 경험을 제공한다. 전력 소비를 기존 기술 대비 15~20% 줄일 수 있어 에너지 관리에도 유리하다. 이러한 장점 덕분에 P-OLED는 고급 차량에서 널리 채택되고, 미래 자동차 디스플레이 기술의 핵심으로 자리 잡고 있다.^[18]

5. 결론

차량용 디스플레이 기술은 다양한 기술들이 상호 보완적으로 발전하면서 혁신적인 경험을 제공하고 있다. 특히 OLED, LCD, LTPS-LCD, P-OLED 기술은 각기 다른 특성과 장점을 지니고 있으며, 이를 통해 차량 내 디스플레이 시스템의 성능과 디자인의 가능성이 크게 확장되었다.

OLED는 뛰어난 색상 표현력과 고대비를 제공하며, 얇고 유연한 특성 덕분에 다양한 형태의 디스플레이 디자인을 가능하게 한다. 특히, P-OLED는 유기물 기반의 디스플레이로 더 나은 내구성과 가벼운 특성을 제공하여, 차량의 곡선형 또는 대형 디스플레이에 적합하다. 반면, LCD는 비용 효율성과 높은 내구성 덕분에 여전히 많은 차량에서 사용되고 있다. 특히 LTPS-LCD는 고해상도와 낮은 소비 전력을 자랑하며, 높은 화면 품질을 제공하면서도 제조 비용을 줄일 수 있어, 고급 차량뿐만 아니라 다양한 차급에서 채택되고 있다. 

이와 같이, 각 기술은 차량의 요구 사항에 맞춰 선택되며, 제조사들은 OLED, LCD, LTPS-LCD, P-OLED의 특성을 고려하여 최적의 디스플레이 솔루션을 구현하고 있다. 향후 AI와 스마트 기술이 통합된 차량용 디스플레이는 더욱 직관적이고 사용자 맞춤형 인터페이스를 제공할 것으로 예상된다. OLED, LCD, LTPS-LCD, P-OLED 기술 모두 지속적인 발전을 통해 차량용 디스플레이의 미래를 이끌어 갈 중요한 축이 될 것이다.


6. 참고 문헌

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[2] Gao, Z.; Ning, H.; Yao, R.; Xu, W.; Zou, W.; Guo, C.; Luo, D.; Xu, H.; Xiao, J. Mini-LED Backlight Technology Progress for Liquid Crystal Display. Crystals 2022, 12, 313
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[18] Tarnowski, T., Kreuzer, M., Haidenthaler, R., Aichholz, M., Pohl, M. and Pross, A. (2022), 61-1: Invited Paper: OLED Technology for Automotive Display Applications. SID Symposium Digest of Technical Papers, 53: 794-797