[TECH웨이브] OLED 대체할 차세대 디스플레이 기술

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 대형 디스플레이 시장에서 LCD(Liquid Crystal Display, 액정표시장치)를 대체할 것으로 생각됐던 OLED(Organic Light Emitting Diode, 유기발광다이오드)는 비싼 제조원가와 설비투자비용 때문에 업계로부터 당초 기대보다는 저조한 선택을 받았다. LG디스플레이만이 대형 TV용 패널에 OLED를 사용했고, 삼성디스플레이는 QD(Quantum Dot, 양자점)-LCD에, 중국 기업들은 LCD에 주력했다.

OLED를 넘어, 차세대 디스플레이 기술이 등장할 시기가 다가온다. ‘번인(Burn-in)’이 개선된 미니(mini)LED 제품이 2019년부터 출시되고 있으며, OLED 이상의 품질과 수명을 실현하는 마이크로LED와 QD가 차세대 디스플레이 소자로 각광받고 있다.

마이크로LED

미니LED 소자를 사용한 TV가 본격 양산되면서, 마이크로LED TV의 가격 안정과 대중화에 대한 기대감이 확산되고 있다. 작년 12월 110인치(278㎝) 마이크로LED TV를 출시한 삼성전자 VD 사업부의 한종희 사장은 올해 4월 개최된 월드IT쇼에서 “마이크로LED 제품이 상당히 많이 팔리고 있다”며 “공장을 증설해야 할 정도”라고 언급한 바 있다.

마이크로LED는 미니LED보다 10% 정도 작은, 가로 세로 100마이크로미터(㎛) 이하 크기의 초소형 LED다. 전사(LED를 옮기는 것)와 접합(전사한 LED를 패널에 심는 것) 과정을 거쳐 패널로 만들어지는 마이크로LED는 소자의 크기가 매우 작고 빛과 색이 자체 발생(자발광)한다. 백라이트유닛(BLU)이나 컬러필터가 필요하지 않아 LCD와 OLED보다 대비, 응답시간 등 성능이 뛰어나고 전력 소모량은 낮다. 소재에 무기물을 사용하므로 번인(Burn-in) 없이 오래 사용할 수 있다.

마이크로LED 패널의 대중화는 전사 공정의 시간과 비용을 줄여 수율을 개선하는 데 달려 있다. 마이크로LED로 4K 디스플레이를 구현하려면 서브픽셀당 최소 약 2500만 개의 소자가 필요한데, 이는 픽앤플레이스(Pick and Place) 공정을 사용해 1㎛의 정확도로 시간당 약 1000개씩 전사할 경우 3년에 가까운 시간이 소요되는 수량이다.

한편, 한국전자통신연구원(ETRI)이 5월 25일 발표한 전사·접합 공정 통합 기술은 마이크로LED 패널 수율 개선의 열쇠가 될 것으로 전망된다. ETRI는 세기가 균일한 면 레이저를 마이크로 LED가 접착된 사이트랩(SITRAB) 필름에 수 초 동안 쏴서 전사와 접합을 동시에 수행하는 데 성공했다. 이 기술은 기존 공법 대비 장비 투자 비용과 공정 시간을 1/10, 소재 비용과 시간을 1/100 이하로 줄일 것으로 기대된다.

QD 디스플레이

QD 자체는 삼성전자의 QLED TV에 들어가는 QD-LCD 패널에 이미 적용된 기술이다. QD는 나노미터(㎚) 단위의 결정질 반도체(양자점)로, 전류를 받으면 스스로 발광하는 특성이 있어 차세대 발광소자로 주목받고 있다. 이는 ㎛ 수준의 기존 실리콘(Si)·질화갈륨(GaN) 반도체보다 크기(Scale)가 작아 전자의 움직임이 제한(양자구속효과)되는데, 그 정도에 따라 적·녹·청 등 발광 색상 영역이 다르게 나타난다. 즉, QD의 크기에 따라 발광색이 결정되는 것이다. 예를 들어, 7~8㎚ 크기에서는 적색광이 발현된다.

QD의 장점은 성능과 공정성이 모두 검증됐다는 것이다. 곽정훈 서울대학교 전기정보공학부 교수는 작년 11월 본지와의 인터뷰에서 “좁은 선폭의 소자 중 QD 외 대량생산이 가능한 건 아직 없다고 본다”며, “색 표현력 측면에서 OLED보다 우수하고, 합성이 간단해 가격 면에서도 경쟁력이 있을 것”이라고 말한 바 있다. 다만, 청색 효율성과 안정성을 높이는 데 기술적 한계가 있어 자발광 QD를 사용하는 QLED를 양산하기는 아직 어려운 상황이다.

대신 삼성디스플레이는 청색 OLED를 발광원으로 사용하면서 적·녹색 QD 컬러필터로 색을 내는 QD-OLED 디스플레이 패널을 양산해 내년 출시되는 삼성전자 TV에 공급할 예정이다. 흰색 BLU를 사용하는 OLED 패널(W-OLED)과 기본 구조(OLED발광+컬러필터)는 유사하지만, QD-OLED는 전면 발광 방식을 사용해 W-OLED보다 개구율(전체 면적에서 빛이 나오는 영역의 비율)이 높다. 따라서 휘도(밝기), 수명, 전력효율, 색재현율을 높이는 데 유리하다.

한편, NED(Nano-Rod LED)를 발광원으로 삼는 QNED(Quantum Nano Emitting Diode)가 차기 디스플레이 기술로 주목받고 있다. NED는 막대 모양의 LED로, 무기물인 GaN을 사용해 OLED보다 수명이 길다. 이를 각 화소에 심어 디스플레이를 구성하면 QD-OLED 발광원(청색 OLED)의 저효율·단수명 문제를 해소할 수 있다. 시장조사업체 유비리서치의 ‘QNED 기술 완성도 분석 보고서’에 따르면, 삼성전자와 삼성디스플레이가 차기 디스플레이 패널로 QNED를 연구·개발 중이다.