EPNC(월간 전자부품 뉴스) UPDATED. 2018.7.18 수 09:42

상단여백
HOME 포커스 포커스 뉴스레터
새로운 디스플레이 반도체가 미래를 약속한다휘어지고 늘어나고 투명한 디스플레이로 적용 영역의 확대 예고
신동윤 기자 | 승인 2018.06.20 09:21

[EPNC=신동윤 기자] 디스플레이 기술은 날이 다르게 발전하고 있으며, 적용 분야가 다양해짐에 따라 용도에 따라 다른 특성을 요구하고 있다. 이에 디플레이 제조업체들도 서로 다른 특징을 갖는 디스플레이를 개발하기 위해 총력을 기울이고 있다.

우선 디스플레이의 적용 분야가 이전과 다르게 확산되고 있다. 실내뿐 아니라 옥외 사용까지 동시에 지원해야 하며, 장시간 사용이 불가피한 디지털사이니지, 온도와 진동, 충격 등 극한 상황에서 사용해야 하는 자동차, 그리고 한정된 배터리로 인해 저전력 소모가 필수이면서 가능한 얇고, 충격에 깨지지 않아야 하는 모바일용 디스플레이 등 적용 분야에 따라 서로 다른 조건을 요구하고 있는 것이다.

이를 모두 만족시킬 수 있는 디스플레이 기술이 있다면 좋겠지만, 아마도 그 같은 기술이 등장하기 까지는 많은 시간이 걸릴 것으로 예상되며, 따라서 당분간은 서로 다른 여러 기술이 각각 특화된 영역에서 차세대 디스플레이로 자리잡게 될 것으로 예상된다.

OLED에 기반한 플렉서블 디스플레이와 투명 디스플레이, 그리고 마이크로 LED등 차세대 디스플레이 기술이 현재 어느 수준에 도달해 있으며, 향후 어떻게 발전해 나갈 것인지 점쳐 보자.

스트레처블 향해 진화 중인 플렉서블 디스플레이

플렉서블 디스플레이는 말 그대로 형태에 구애받지 않고 구부러지거나 휘어지고, 접거나 말 수 있는 디스플레이를 말한다. 이제는 여기에 늘어날 수 있는 스트레처블 디스플레이까지 등장하고 있다. 이런 기술은 별도의 백라이트와 편광 필름, 컬러 필터 등 여러 레이어로 구성된 LCD에서는 구현할 수 없었지만, OLED와 같은 자발광 소자를 이용함으로써 단순화 할 수 있었고, LCD에서 일반적으로 사용하는 유리 기판 대신, 휘어지는 플라스틱 기판을 사용하면서 이런 유연성을 확보할 수 있게 됐다.

현재 플렉서블 디스플레이는 끝 부분만 살짝 휘어주는 커브드(Curved) 형태가 대부분이지만, 휘어지는 정도에 따라 구부릴 수 있는 벤더블(Bendable), 둘둘 말 수 있는 롤러블(Rollable), 반으로 접을 수 있는 폴더블(Foldable) 등으로 구분할 수 있으며, 디스플레이의 크기를 늘리거나 줄일 수 있는 스트레처블(Strechable)까지 개발이 진행되고 있다.

[그림 1] LG디스플레이의 플렉서블 디스플레이 기술

이런 플렉서블 디스플레이는 휘어진다는 것 외에 또 다른 장점을 갖고 있다. 우선 잘 깨지지 않는다는 것이다. 현재 전체 플렉서블 OLED 수요에서 스마트폰이 차지하고 있는 비중은 80%를 넘어서고 있는 것도 바로 이런 이유때문이다. 스마트폰의 디스플레이는 항상 낙하나 충격으로 인해 쉽게 깨질 수 있다. 하지만 플렉서블 디스플레이는 충격을 휘어지면서 흡수함으로써 파손을 방지한다. 이런 특성 때문에 현재는 이런 플렉서블 디스플레이의 대부분이 스마트폰이나 스마트 워치 등에 사용되고 있지만, 향후 스마트카 등 새로운 영역에서도 큰 힘을 발휘할 것으로 예상되고 있다.

플렉서블 OLED는 유기 발광층에 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 자체발광형 디스플레이로, 크게 PI(Polyimide) 기판과 TFT 백플레인, 유기 발광층, 봉지층으로 구성된다. 여기서 핵심은 바로 기존의 유리 기판을 대체하는 PI 기판이다. 이는 플라스틱의 일종으로 유연하면서도 고온에서 변형이 일어나지 않아야 한다. 따라서 플렉서블 디스플레이를 구현하기 위해서는 유연성을 제공하면서도 고온에서 공정수행이 가능한 기판 소재를 확보하는 것이며, 현재는 플라스틱 소재 중, 300도 이상의 고온에서도 유리 전이 현상이 발생하지 않는 소재가 사용되고 있다. PI 소재는 다른 소재에 비해 투과율이 떨어진다는 단점이 지적됐으나, 현재는 투과율 90% 수준의 소재까지도 개발된 상황이다.

PI 기판은 유리 기판에 비해 또 다른 장점을 갖고 있는데, 이는 두께와 무게다. PI 기판은 소재 자체의 무게도 유리보다 가볍지만, 두께를 기존 유리 기판의 절반 수준인 0.5mm까지 줄일 수 있어 더욱 큰 차이로 무게를 줄일 수 있다. 따라서 이런 가벼운 무게를 적극적으로 활용할 수 있는 웨어러블 기기 등에도 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

최근 많은 개발이 이뤄지고 있는 폴더블 디스플레이는 곡률반경이 1mm 수준이어야 하며, 이를 위해서는 강화유리와 터치센서, 박막 봉지층 등 부품 소재의 유연성을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 필수적이다. 현재의 커브드 디스플레이 단계에서는 기판만 PI 소재로 바꾼 수준이지만, 향후 강화유리를 대체할 플라스틱 윈도우, 터치센서의 전극 소재인 ITO(Indium Tin Oxide)를 대신할 유연전극, 박막 봉지층의 적층 수와 두께를 줄이는 기술 등의 개발이 필수적이다.

향후 플렉서블 디스플레이의 목표가 되고 있는 스트레처블 디스플레이는 기판과 전극, TFT, 봉지층까지 모든 소재와 공정에서 물리적 신축성을 가지도록 변화해야 한다. 기존의 플렉서블 디스플레이는 형태 변형은 가능하지만 신축성은 없는 플라스틱 소재를 사용하고 있기 때문에 이를 이용한 스트레처블 디스플레이의 구현은 거의 불가능에 가깝다.

현재 스트레처블 디스플레이 구현을 위한 방법으로 고려중인 기술로는 기판에 주름을 잡아 이를 이용해 늘리거나 펴는 방법과 나노 와이어를 그물 형태로 직조해 패널을 구성하는 방안이다. 하지만 이런 기판 외에도 트랜지스터 배치나 전극 형성 등의 구현은 아직도 해결해야 할 문제다. 패널을 당기거나 누르더라도 전기가 문제없이 통해야 하기 때문이다. 특히 패널에 변형이 발생했을 때 일어나는 저항의 변화와 전자 이동도 축소 등의 문제를 해결하는 것도 쉽지 않은 작업이다.

화소를 구현하는 유기재료 발광층과 이를 보호하는 봉지층 역시 새로운 구조나 기술이 도입돼야 한다. 화면을 늘렸을 때, 화상이 일그러지지 않고 크기에 맞는 해상도를 구현해야 하기 때문이다. 또한 산소나 수분으로부터 유기 발광층을 보호하는 봉지층 역시 신축성을 가지면서도 내구성을 높여야만 한다.

삼성디스플레이가 지난 2017년 SID(Society for Information Display)에서 9.1인치 스트레처블 디스플레이를 공개한 바 있다. 이 디스플레이는 OLED 기반으로 최대 12mm로 화면이 늘어나면서도 기존 화질은 그대로 유지하는 기술을 선보인 바 있다.

[그림 2] 삼성디스플레이의 스트레처블 디스플레이

LG디스플레이도 20% 이상의 신축성을 갖는 백플레인과 발광 화소용 소재, 소자, 공정 원천 기술 2021년까지 개발할 예정이라고 발표한 바 있다. 현재 스트레처블 관련 기술은 양산 수준에 이르지 못하고 있으며, 연신율 5% 수준에 불과하고 반복 스트레칭 횟수도 제한돼 있다.

하지만 이런 스트레처블 디스플레이의 본격적인 등장은 향후 의료, 패션 등 새로운 분야에 적용 가능성을 한 차원 더 높여줄 것으로 기대되고 있다.

AR과 자동차 시장 겨냥 중인 투명 디스플레이

OLED의 등장 초기부터 많은 기대를 모았고, 심지어 제품화도 성공했음에도 불구하고 시장에서 큰 반향을 일으키지 못하고 있는 디스플레이 기술이 바로 투명 디스플레이다.

비싼 가격에 비해 이렇다 할 활용처를 찾지 못한 것이 가장 큰 원인으로 지적된다. 현재도 주로 디지털 사이니지 등에 일부 적용됐을 뿐이다. 하지만 AR/VR과 같은 새로운 정보 전달 방식이 등장하고 있기 때문에, 스마트카나 HMD(Head Mount Display), HUD(Head Up Display) 등 새로운 적용 분야를 개척해 나갈 것으로 기대되고 있다.

[그림 3] 삼성디스플레이의 OLED 기반 투명 디스플레이

특히 많은 기대를 모으고 있는 부분은 오토모티브 분야다. 4차 산업혁명과 IoT 등의 새로운 기술 트렌드가 등장하면서 차량 내에서 운전자에게 제공되는 정보가 점차 많아지고 있으며, 점점 더 많은 디스플레이, 더 큰 디스플레이가 장착되고 있는 상황이다. 차량의 IVI(In Vehicle Infotainment)가 제공하는 정보는 이제 속도나 냉각수 온도 정도가 아니라, 각 타이어의 압력, 도로 상황, 목적지까지의 거리와 도착 예상 시간, 길 안내 등 다양해지고 있으며, 자율주행이 가능해질 경우, 더욱 다양한 정보를 전달하게 될 것이다.

[그림 4] 자동차는 향후 디스플레이의 핵심 시장 중 하나가 될 것으로 예측되고 있다.

그러나 이런 정보를 제공하면서 운전자의 시야를 전면에서 떨어지 않게 하기 위해서는 HUD 방식이 가장 적합하다. 이미 일부 HUD가 장착된 차량이 있지만, 현재는 전면 유리나 별도의 반사판을 이용한 프로젝션 방식이 일반적이다. 최근 DLP(Digital Light Display) 등 이런 프로젝션 방식도 많은 발전을 이루고 있으나, 진동이나 주변 광원 등으로 인한 시인성 하락 등 아직 해결해야 할 문제도 많다.

이런 문제점을 해결하기 위해 투명 OLED 디스플레이를 활용한 HUD가 고려되고 있다. 하지만 차량 내부는 전자제품 특히 디스플레이와 같은 섬세한 제품에는 매우 열악한 환경이다. 온도 또한 -40도에서 90도에 이르며, 휘도와 명암비도 극한 조명 상황에서도 충분히 인지할 수 있을 정도로 뛰어나야 한다. 더구나 가장 큰 문제는 일반적인 디스플레이의 경우와 제품의 내구 연한 자체가 판이하게 다르다는 점이다. 일반적으로 자동차는 5년에서 10년 이상의 내구 연한을 갖기 때문에 이런 장시간의 극한 사용 환경에서 충분히 버티기 위한 뛰어난 내구성이 필요하다.

하지만 분명 장점도 있다. OLED는 기존의 LCD에 비해 응답속도, 야외시인성과 광시야각 등에서 월등한 성능을 보인다. 특히 저온에서 LCD는 응답속도가 크게 떨어지지만, OLED는 0.01ms를 그대로 유지할 수 있기 때문이다.

또한 OLED가 디자인의 자유도 높은 것도 장점이다. 현재는 대시보드와 인포테인먼트 시스템 정도가 차량용 디스플레이의 적용 분야로 고려되고 있지만, 향후 HUD와 리어뷰미러, 사이드미러는 물론이고 궁극적으로 전체 창과 천장까지 모두 디스플레이로 구현할 수 있기 때문이다.

OLED에 대한 대안으로 떠오르는 마이크로 LED

LCD와 같은 비자발광 디스플레이의 한계를 극복하기 위해 등장한 OLED는 많은 장점을 갖고 있지만, 한가지 큰 단점, 즉 유기 인광 소재를 사용함으로써 인한 짧은 수명으로 인해 다양한 용도로 적용하기 힘든 한계를 갖고 있다. 이를 극복하기 위해 짧은 수명을 갖는 청색 인광 소재를 대체할 물질을 찾는 데 많은 노력을 기울이고 있지만, 쉽게 해결될 문제는 아니다.

[표 1] 주요 디스플레이 기술 특징 비교

이를 다른 측면에서 해결하기 위한 노력이 바로 마이크로 LED다. 마이크로 LED는 기존 LED의 1/10 수준인 100μm 이하(5~100μm)의 크기를 갖는 초소형 LED를 이용하는 디스플레이를 말한다. OLED와 비교해 화학적, 기계적 안정성이 월등히 뛰어나며, 긴 수명과 높은 휘도, 낮은 소비전력 등 궁극의 디스플레이 기술로 기대를 모으고 있다.

마이크로 LED는 아직 양산 수준의 결과물을 보여주지는 못하고 있으며, 시장도 형성되지 않은 상황이지만, 많은 업체들이 관련 소재와 공정 기술 개발이 주력하고 있어 향후 스마트워치 등의 소형 제품에서부터 TV나 디지털 사이니지와 같은 대형 제품까지 적용될 것으로 예상되고 있다.

특히 마이크로 LED는 OLED와 마찬가지로 자발광이라는 특성으로 인해 플렉서블 디스플레이나 투명 디스플레이 기술도 적용할 수 있기 때문에 적용 가능성은 무궁무진하다는 평가를 받고 있다.

특히 광원인 마이크로 LED 소자를 제작하기 위해, RGB 삼원색 요소에 따라 다양한 기판에서 다양한 소재를 이용해 소자를 생산할 수 있다. GsAs(갈륨비소), 사파이어, Si(실리콘) 기판 위에서 발광 색상에 따라 GaN(질화갈륨), GaP(인화갈륨), AlGaAs(알루미늄 갈륨비소) 등의 무기물 기반의 인광 소재를 사용하기 때문에 유기물 기반의 OLED가 갖는 인광 소자의 수명 문제에서 비교적 자유롭다. 또한 웨이퍼에서 만들어져 디스플레이 픽셀에 배치하는 방식이기 때문에 대형화에 유리하다.

[그림 5] LCD와 OLED, 마이크로 LED 디스플레이 패널 구조 비교

하지만 아직 해결해야 할 문제는 남아있다. 마이크로 LED를 디스플레이에 적용하기 위해서는 마이크로 LED 소자를 플렉서블한 소재나 소자를 기반으로 하는 맞춤형 마이크로칩을 개발해야 한다. 특히 스마트폰 등에 마이크로 LED를 활용하기 위해서는 26μm 이하의 크기를 갖는 칩을 개발해야 하는 데, 현재 업계에서 구현 가능한 크기는 60μm 수준으로 소형화를 위한 기술 개발이 필요하다. 또한 마이크로 LED 칩을 전사하고 디스플레이 픽셀 전극에 정확하게 실장하는 부분에 있어서도 기술적인 난점이 남아있다. 더구나 전사 부분에 대한 표준화된 기법이 아직 개발되지 않아 전사 방법이 먼저 개발 된 후, 이에 따라 칩을 제작하거나, 혹은 칩 제작과 전사를 한 공정으로 진행하는 방법 등이 개발 중이다.

[그림 6] 마이크로 LED는 플렉서블, 투명 등에서 OLED와 거의 흡사한 특성을 갖는다.

마이크로 LED는 OLED와 거의 비슷한 특성을 갖고 있기 때문에, 많은 영역에서 OLED를 대체할 미래의 디스플레이로 관심을 모으고 있다. OLED의 대체 기술로 대두되고 있는 QLED(Quantum Dot LED)와 비교해도 저전력, 소형화, 경량화 측면에서 마이크로 LED가 더 유리하다는 평가를 받고 있다. 특히 OLED에 비해 5배 수준의 전력효율 향상이 기대되기 때문에 모바일이나 웨어러블 분야에서 먼저 적용이 예상되고 있다.

 

#디스플레이#OLED#마이크로LED#LED#LCD#AMOLED#플렉서블#플렉시블#스트레처블

신동윤 기자  dyshin@techworld.co.kr

<저작권자 © EP&C News, 무단 전재 및 재배포 금지>

신동윤 기자의 다른기사 보기
icon인기기사
PREV NEXT

여백
여백
여백
여백
여백
Back to Top