2019년 7월 15일 (월), 미래컴퍼니, Future Display

Future Display 5-보호됨.pdf (2019년 4월 21일, 12:12)

(Display 교안 참조)

+ 2 supplementaries

1. OLED, 생산 자동화, 검사와 측정, 그리고 센서 이슈

 

시작하며 

2천년대 들어서면서 한국은 LCD(Liquid Crystal Display)의 도약과 OLED(Organic Light Emitting Diode)의 본격적인 착수로 세계 디스플레이 산업에서 선점자(first mover)가 되었습니다.  10여년의 황금빛 세월이 흘러왔고, 이제는 빠른 추격자(fast follower)들, 특히 중국에 의하여 선두를 위협 받고 있으며, 여기에 최근에 소재 확보의 어려움과 같은 일본의 견제 심리가 발동을 하고 있습니다.  LCD의 경우, 생산 면적에서 금년은 중국에게 1위를 내어주어야만 하는 시기가 될 것입니다.  어떻게 하여야만 할까요? 

경쟁의 요소들 

디스플레이의 경쟁력은 네 가지 변수로 생각해볼 수 있습니다.  첫 번째 변수는 ‘성능’입니다.  컬러와 해상도로 대변되죠.  컬러에서 NTSC(National Television System Committee) 규격 100%를 넘어선지는 이미 오래 전이고, 해상도는 8K의 TV에 이르렀으며, 모바일은 스티브 잡스가 명명하였던 망막(retina) 디스플레이의 두 배를 훌쩍 넘어서고 있습니다.  성능에서 더 나아갈 길을 찾기란 만만치 않습니다.  두 번째로 ‘모양(form factor)’입니다.  2019년은 접을 수 있는(foldable) 폰과 두루마리로 말 수 있는(rollable) TV가 등장하는 해가 될 것입니다.  그러면, 말 수 있는 폰과 접을 수 있는 TV가 필요할까요?  더 나아가서는 인체에 붙이거나(attachable) 체내에 삽입할 수 있는(implantable) 디스플레이들, 즉, 탄성(stretchable) 혹은 생체친화성(bio-compatible) 디스플레이가 필요할까요?  필요하다고 보기에는 기술보다도 응용 분야가 떠오르지 않습니다.  생김새도 이제 올만큼 왔습니다.  물론, 유연 기판 소재와 투명 전극, 응력이 가해져도 잘 동작하는 백플레인 등이 할 일이라고 하지만, 약간의 높이가 있는 허들일 뿐입니다. 

세 번째 변수로는 ‘응용’입니다.  디스플레이 시장은 크게 TV의 스크린(대형), 컴퓨터 등의 모니터(중형), 그리고 모바일 기기의 화면(소형)으로 구분되며, 이들이 전체 시장 규모의 80% 정도를 차지합니다.  그런데 이제는 성능의 한계가 없어지고, 형태를 다양하게 취할 수 있고, 그리고 화면의 크기도 1인치 이하로부터 100인치 이상에 이르기까지 만들 수 있으니, 이를 통하여 새로운 응용 분야를 창출할 여지는 매우 큽니다.  언뜻 생각해보면, 구글의 ‘Arts & Culture’ 프로젝트의 맞춤형이 될 수 있는 예술용 디스플레이, 사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 시대, 웨어러블 기기에 효과적으로 적용될 수 있는 착용형 혹은 부착형 디스플레이들, 의료 현장에서 의료진의 두 팔에 더욱 자유를 주는 HMD(Head Mounted Display)나 HUD(Head-Up Display), 로봇 수술을 모니터링하기 위한 고정세 초정밀 의료용 디스플레이, 수요자의 욕구와 아이템에 최적화된 스마트 사이니지, 투명 디스플레이를 활용하는 스마트 윈도우, 그리고 곡면과 유연성을 적극 활용할 수 있는 자동차용 디스플레이들이 새로운 기회를 줄 것입니다. 

네 번째 변수로 ‘가격’입니다.  인간의 값싼 노동력으로 가격을 경쟁하던 시대는 지나고 있습니다. 엊그제 사용자와 근로자 사이에서 어렵게 조정된 2020년도 최저 임금은 비단 우리나라의 일만이 아닙니다.  인건비가 더 낮은 땅을 찾아서 언제까지 전전하여야 할까요?  이제는 지능과 판단력을 가진 기계와 로봇들이 생산 현장에 더욱 강하게 투입되어야 합니다.  인건비를 줄이고 생산성을 높이는 일이죠.  생산성이 향상된다면 성능이나 규격이 대등하여도 중국 제품을 가격으로 이길 수 있습니다.  그래서 필요한 생산 자동화입니다.  이제, 디스플레이 중에서도 선점자 유지에서 더욱 절실한 OLED에 대하여 생산과 자동화의 이야기로 들어가보죠. 

OLED, 생산 자동화 

사실 OLED는 현재 상태도 준 생산 자동화 단계라고 볼 수 있습니다.  박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT) 백플레인과 양극인 ITO(Indium Tin Oxide)가 형성된 기판이 OLED 증착기에 투입되는 순간, 세정부터 전자와 정공의 주입층과 전송층, 캐리어 차단층, 그리고 발광층과 같은 유기물 층들의 증착, 스텝별 인 라인 검사와 측정, 그리고 패널의 끝 공정인 봉지(encapsulation)에 이르기까지 외부로 전혀 노출되지 않고 클러스터 안에서 이루어집니다.  유기물, 그리고 유기물과 전극 계면이 산소와 수분에 취약하다는 점이 주된 이유가 되죠.  즉, 백플레인 공정, OLED 증착 공정, 봉지 공정으로 이루어지는 OLED 패널 생산에서 OLED 증착과 본지 공정이 무인 자동화가 된 셈입니다. 

물론 몇 가지 개선과 보완이 필요한 이슈들은 있습니다.  즉, 형광 물질을 인광 물질로 대체하는 과정, 그리고 양자점을 적용하게 될 과정들은 더욱 까다로운 맞춤형 증착 공정과 검사를 요구하며, 해상도가 높아질수록 FMM(Fine Metal Mask) 기반 공정은 더욱 정밀하게 제어되어야 합니다.  그리고 소자의 택트 타임이 짧아질수록, 즉 소자가 클러스터 챔버 내에 머무는 시간이 줄어들수록 양질의 소자가 만들어져서 수명이 증가한다는 연구 결과가 발표되었죠.  봉지 공정에 있어서도 종래의 캔 방식이나 하이브리드 방식에서 완전한 박막 봉지(Thin Film Encapsulation, TFE)방식으로 전환하면서, 유무기 다층 박막들의 증착과 검사 라인도 보완되어야 하고, 특히 유기물 층 도포를 위한 작업 라인을 어떻게 배치할지도 관건입니다.  패널의 마무리 단계인 인셀형 터치 패널의 탑재도 가급적 클러스터 안에서 해결이 되어야 합니다.  요약하자면, OLED 생산에서 주목할 점은 클러스터 내에서 무기와 유기층들의 연속적인 증착과 봉지 공정, 그리고 인셀형 터치 패널 작업까지 이루어지며, 이와 함께 표면의 결함이나 오염, 형성된 유무기 층들의 특성, 제조된 소자의 전기광학적 성능, 모두가 인 라인 검사와 측정으로 수행되어야 한다는 점입니다.  이제, 생산 자동화의 중요한 이슈인 인 라인 검사와 측정 부분으로 설명을 이어가 보죠. 

OLED 생산, 검사와 측정 

백플레인 기판이 클러스터에 들어가면 먼저, AOI(Automated Optical Inspection) 장비를 이용하여 표면의 결함과 오염 상태를 검사합니다.  기판 표면에 레이저를 입사하고 먼지나 결함 등에 의하여 산란되는 빛을 관찰하죠.  증착 과정에서는 각종 유기층(organic layer)들의 형성 과정마다 ICE(In Chamber Ellipsometer)를 설치하여 막의 두께와 균일도, 증착 정확도(Pixel Position Accuracy, PPA)와 함께 필요하다면 막의 광학적 상수들에 관한 데이터를 얻을 수 있습니다.  이러한 ICE는 기판이 지나가는 경로에 설치되는데, 한쪽에서는 레이저 광원과 편광자(polarizer), 그리고 반대쪽에서는 또 다른 편광자, 즉 검광자(analyzer)와 검출기(detector)가 설치되어 막의 표면에서의 편광 변화를 측정하고, 이로부터 증착된 유기층들의 물성과 광학적 특성들을 도출합니다.  여기에 더하여 별도의 챔버가 필요하지 않은 인 라인 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope), 즉 대기형 SEM(air SEM)도 요소에 설치, 운영되어야 합니다.   증착 과정을 거쳐 소자가 만들어지면 ICP(In Chamber Prober)를 이용하여 RGB 화소들의 색도와 특성들을 검사합니다.  이 때 화질과 균일도 등을 검사하기 위한 AOI 장비도 함께 적용됩니다.  특히, 유연 OLED 패널을 위해 플라스틱 기판을 적용할 경우, 필수적으로 박막 봉지가 요구되는데, 이 경우에는 보다 성능이 강화된, 즉 고분해능 AOI와 다기능 ICE가 요구되죠. 

패널의 완성단계에서 적용되는 AOI의 경우, 단순한 이물질 검출 수준을 훨씬 뛰어넘어야 합니다.  즉, 작동 되는 각각의 화소, 부 화소(sub-pixel)들에 대해서 오염이나 결함에 더하여 긁힘이나 균열, 핀 홀, 패턴 정확도(pitch), 단선과 쇼트, 색도, 색채 불균일, 얼룩(mura, stain), 잡음 영상, 계조 변화 등을 국부, 혹은 전체적으로 검사, 측정, 평가하여야 하며, 이를 위해서는 심층 학습(deep learning)과 빅 데이터 분석, 처리 기능이 보다 강화되어야 합니다.   단파장 혹은 좁은 반치폭의 RGB로 이루어진 백색 강원과 높은 해상도의 카메라, 그리고 진동이나 왜곡, 교란이 없는 반송 시스템도 부가적으로 구비되어야 하죠.  봉지 과정에서 배리어 막의 성능 평가를 위해 산소와 습기 차단성, 즉, 투습률(Water Vapor Transmission Ratio, WVTR)의 인 라인 측정까지 요구될지는 모르지만, 특히 인 라인 개념과 센서 소자의 성능 향상에는 신경을 쓸 필요가 있습니다.  

이와 함께, 검사와 측정 평가 이후에 복구(repair)가 수반된다면, 생산성과 수율을 한결 향상시킬 수 있을 것입니다.   즉, 어드레스 라인에서의 단선은 잇고, 쇼트는 끊는 단순 기능부터 나아가서는 부화소와 TFT 영역의 복구까지 확장될 수가 있겠지요.  이를 위해서는 VRS(Verification and Repair Station)이 필요로 하며, 여기에서도 디스플레이 패널과 각 화소들의 정밀 검사의 중요성은 더욱 강조가 되고 있습니다.  이에 더하여서 CRP(cell laser repair)와 AVI(Auto Visual Inspection) 장비의 결합, 국부적인 레이저 CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 인 라인 설치도 중요합니다. 

센서 이슈

검사나 측정, 그리고 평가 장비의 핵심은 센서입니다.  그리고 디스플레이는 빛을 다루는 기기인 만큼 패널 검사에 적용되는 센서류는 주로 광센서와 카메라용 이미지 센서입니다.  제조나 조립 공정에서의 정렬(alignment)뿐만이 아니라, AOI와 AVI 그리고 ICE까지 광센서와 이미지 센서가 핵심 역할을 하죠.  광 다이오드나 CIS(CMOS Image Sensor) 기술은 이미 충분히 발달되어 있습니다.  이 외에도 디스플레이의 성능 평가의 주요 인자들인 광 투과도, 혼탁도(haze), 필름 점착력, 열 안정성, 곡률 반경과 반복 휨에 대한 내구성 등을 측정하는 기기와 센서류도 비교적 완성도가 높습니다.  다만, 이러한 센서나 측정 부품들을 클러스터 내에 어떻게 설치하고 인라인, 실시간 측정으로 운영하며, 얻어진 데이터들을 단시간에 정확히 분석하여 생산 라인으로 피드 백을 시켜야 하는지에 대해서는 추가 개발이 필요합니다.  이는 기계적인 하드웨어와 자동화뿐만 아니라, 빅 데이터와 심층 학습 기능과 같은 소프트웨어 기술을 크게 요구하지요.  이에 더하여 최근, 일본으로부터의 소제 공세를 겪으면서 절감할 수 있듯이 핵심 센서의 국산화도 간과되어서는 안됩니다. 

그리고 정밀도나 객관적인 신뢰도, 즉, 표준화면에서 여전히 개발 여지가 남은 센서들도 있습니다.  예를 들어 산소와 습기를 차단하는 배리어 막에 대해서 투습률을 높은 신뢰도로 제시할 수 있는 측정 기기와 센서는 아직 완성이 되지 않은 상태입니다.  칼슘의 산화 반응에 따른 광 투과도나 전기전도도의 변화를 이용하는 방법, 삼중 수소를 갖는 물 분자로부터 나오는 방사능 측정을 이용하는 법, 그리고 질량 분석기나 혹은 감도가 높은 전기화학 방식의 산소 센서를 구비한 측정기 등이 있으나, 여전히 OLED가 요구하는 투습률 10^-6 g/(m² day)의 수준을 높은 신뢰도로 편리하게 측정할 수 있는 센서는 개발 초기 단계에 있습니다. 

최근에 이르러 4차 산업 혁명, 공장 및 생산 자동화 개념이 강조되면서 디스플레이 패널 생산에도 자동화 바람이 불고 있습니다.  LG는 파주의 OLED 생산 라인에 인공 지능 기반의 스마트 팩토리 플랫폼, ‘팩토바’ 탑재를 발표하였습니다.  또한, 디스플레이의 이송 설비 라인에서 공유 공간을 줄이고 강화학습 알고리즘이 생산라인의 이동을 이미지화해 스스로 학습하도록 함으로써 생산성을 증가시키고, 자동화 기계를 통한 부품의 장착과 로봇 팔을 이용한 조립, 그리고 자동 검사기에 의한 품질 제어 과정으로 생산 시간을 극도로 단축하는 등의 방법이 실효를 거두고 있습니다.  이러한 과정에서 불완전성의 검출, 공정 에러의 검사, 그리고 성능 평가를 담당하는 검사 및 측정 장비들, 이들의 눈과 촉감인 생산 자동화용 스마트 센서의 필요성은 더욱 증가할 것입니다. 

2. 한국의 디스플레이 산업, 선두 지키기 

1990년대 초에 일본은 디스플레이 선진국이었습니다.  한국과 대만은 각각, 1995년과 1997년 무렵, 일본의 디스플레이 기술을 도입, 즉, 학습, 모방 등을 통하여 획득하여 디스플레이 산업을 시작하고, 2000년대에 들어서면서 생산량과 시장 점유율에서 한국이 선두가 되고, 일본은 3위국으로 추락합니다.  그리고 비슷한 시기에 중국이 한국, 대만, 일본으로부터 역시 디스플레이 기술을 획득하고 발전과 투자를 거듭하여 2019년 지금은 한국의 세계 1위 자리를 위협하고 있습니다.  정확히 표현하면 LCD 분야에서는 금년부터 1위로 등극하며, OLED 분야는 한국과의 간격을 좁혀오고 있습니다.  중국의 발전, 일본과 대만의 견제로 인하여 10여년을 유지하여 온 한국 디스플레이의 선두 자리가 위태롭습니다.  빠른 추격자(fast follower)는 있는 길을 질주하면 되지만, 선점자(first mover)는 없는 길도 만들어 가야 합니다.  한국 디스플레이의 앞길은 어디에 있을까요? 

성능에 있어서, 해상도는 8K(가로 8,000라인), 1000ppi를 넘어서고 있으며, 칼라도 이제는 눈으로 구별하기가 어려울 정도의 자연색을 구현한다.  형태(form factor)도 휠 수 있고 말 수 있고, 그리고 접을 수 있는 디스플레이로 발전하였으며, 화면 크기도 TV로서도 충분한 크기인 100인치급에 육박하고 있습니다.  즉, 선점자가 도약할 수 있는 길이 명확하지 않습니다. 성능면에서는 더 나아갈 길이 딱히 보이지 않고 발전의 여지가 작죠.  형태나 크기면에서도 말 수 있는 폰, 접을 수 있는 TV, 그리고 늘리거나 줄일 수 있는 탄성 디스플레이 정도가 보일 뿐입니다.  즉, 발전의 여지가 크지는 않지만 어느 정도는 남아있다고 해야 할까요?  결국은 응용 부분입니다.  즉, 최근까지는 디스플레이가 모바일 기기(소형), PC의 모니터(중소형), 그리고 TV(대형) 부문에 70~80퍼센트 이상이 사용되어 왔습니다.  그런데 이제는 성능의 한계가 없어지고, 형태를 다양하게 취할 수 있고, 그리고 화면의 크기도 1인치 이하부터 100인치 이상에 이르기까지 만들 수 있으니, 이를 통하여 새로운 응용 분야를 창출할 여지는 매우 큽니다. 

즉, 디스플레이의 응용 분야의 확대나 새로운 제안을 통하여 시장을 확장하거나 만들어가는 것입니다.  이를 위해서는 수요자들의 소비 심리를 잘 분석하거나 혹은 새로운 동기를 적극 유도할만한 분야를 만들거나 키우는 것이죠.  가능성 있는 몇몇 후보들을 살펴볼까요?  먼저, 예술용 디스플레이입니다.  구글의 ‘Arts & Culture’ 프로젝트처럼 온라인 겔러리에 필요한 디스플레이로 원본 그림의 색과 느낌을 고해상도로 재현할 수 있는 디스플레이.  혹은 아예 복고풍으로 회귀하여  옛날을 장식하기에 알맞은 디스플레이가 생각이 납니다.  4차 산업 혁명, 특히 사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 시대는 웨어러블 기기의 주요성을 높입니다.  VR과 AR을 비롯하여 여러 착용형이나 부착형 기기들에 필요한 디스플레이도 지평을 넓혀갈 것입니다. 의료 현장에서 두 팔을 자유롭게 할 수 있는 HMD나 HUD, 그리고 로봇 수술을 모니터링하기 위한 고정세 초정밀 디스플레이의 수요도 증가할 것입니다.  수요자의 욕구와 아이템에 최적화된 스마트 사이니지, 투명 디스플레이를 활용하는 스마트 윈도우는 새로운 문화를 만들어갈 것입니다.  곡면과 유연성을 적극 활용할 수 있는 자동차용 디스플레이와 감성 조명, 시간과 계절, 그리고 공간에 따라 적합한 파장과 색온도를 제공하는 OLED 면광원, 조명은 외려 디스플레이에 가깝습니다. 

더 미래를 볼까요?  사람과 환경에 친화적인 디스플레이, 즉, 사용자의 동작, 머무는 공간, 위치와 환경, 그리고 활용하는 컨텐츠에 걸맞도록 밝기와 화질, 형태까지도 변화할 수 있는 디스플레이, 소비 전력과 유해 물질면에서 환경 보호에 최적인 디스플레이도 필요합니다.  뇌파와 연동하여 꿈을 보여줄 수 있는 디스플레이, 콘텍트 랜즈나 스마트 타투(tattoo)처럼 인체와 일체화될 수 있는 디스플레이, 시력을 보정하거나 시력에 맞춘 초점 조절이 가능한 디스플레이, ‘따로 또 같이,’ 즉, 하나의 화면으로 여러 명이 여러 화면을 볼 수 있는 디스플레이는 고성능 지향성 스피커의 등장으로 훨씬 더 가능성이 높아졌습니다.  포스트잇과 같은 스티커나 티슈형 디스플레이는 식탁 위에 놓아두기가 편하겠죠.  그리고 4차원 디스플레이를 향하는 시도들, 예를 들어 사용자가 칼라나 해상도를 선택적으로 조절하고, 디스플레이 블록별로 소리와 향기를 조절, 선택할 수 있는 디스플레이 등도 충분한 매력이 있습니다. 

빠른 추격자와 거리를 두거나 따돌리기 위하여, 더 빨리 뛰는 것도 중요하지만, 없는 길을 만들어가며 새로운 주법을 개발하는 것도 퀀텀 점프의 방법입니다.  그런 면에서 연구, 개발 부서나 생산 라인에서의 아이디어만큼, 밖의 사람들, 다른 분야의 전문가들의 의견에서도 가치있는 아이디어와 힌트를 얻어, 한국의 디스플레이가 선두를 지키는 데 활용할 수 있기를 기대합니다. 

3. 마이크로 LED 기술이 당면한 이슈들 

사실, 마이크로 LED 기술이 당면한 이슈들을 서술하는 것이 썩 내키지는 않습니다.  기존에 진행되어오던 디스플레이 기술과는 확연히 다르기 때문이죠.  유리 기판 위에 대면적 일괄 공정을 추진하기 보다는 반도체 소자들을 만들어 디스플레이 기판으로 전이, 전사하는 공정으로 지금껏 공부하고 연구하여 온 디스플레이 틀보다는 밖에서 오고 있는 기술입니다.  또 하나의 이유로는 당면하였다고 표현하기에는 이른 감이 있지요.  사실 산적한 문제들을 이제야 하나 둘 풀어가기 시작하는 현실입니다.  그래서, 더 깊이 공부하고 분석하고 싶은 동기, 즐거움이 크지는 않죠. 여하튼 S사에서 (초)대형 TV가 출시되고는 있으니, 냉담만 할 수도 없고… 지금껏 알고 있는 지식, 아니 상식으로만 짧게 정리하여 보고, 후일, 동기나 즐거움이 생기면 더 깊고 넓게 보완하기로 하죠. 

칩의 크기가 수백 마이크론 이상, 전형적인 LED 칩들은 광 반도체 영역을 더욱 확장하여 조명, LCD의 광원, 혹은 광화문 건물들 옥상 위의 LED 디스플레이 등을 통하여 디스플레이 영역으로 들어왔습니다.  그리고 미니(mini) LED라는 표현이 만들어지죠.  주로 100마이크론 내외의 크기를 갖는데, 이 시점부터 비디오 월을 기점으로 디스플레이 패널 적용이 시작됩니다.  그리고 100마이크론, 아니 50마이크론 이내의 수준에 이르면서 이제는 TV와 스마트 폰 시장까지를 타겟으로 하며, 특히 TV 시장으로의 진입은 시작되었습니다.  이에 더하여 사이니지, HMD(Head Mounted Display), 그리고 웨어러블 기기까지 들여다 보고 있죠.  마이크로 LED 기술의 장점과 특징, 동향과 방향 등은 핫 이슈인 만큼 워낙 많이들 이야기가 나오니 여기서는 주관적인 이슈 제기만 하여봅니다. 

먼저, 소자의 성능을 생각해보죠.  디스플레이에 쓰이는 만큼, 사용되는 칩의 크기가 부화소로써 10마이크론 혹은 그 이하로 내려가면서 색상은 물론, 작은 칩이 감당하여야만 하는 밝기, 효율에 대한 요구가 커지며, 사용자의 까다로운 눈길을 마주할 것입니다.  이제는 기기의 배후에서 전면에 나서야 할 상황이니까요.  다음으로 어셈블리 이슈입니다.  반도체 칩에서 디스플레이 화소가 되기 위한 이동, 즉, 칩들의 전사(transfer) 과정은 생산성과 직결됩니다.  가능 여부의 문제가 아니라, 수율 90% 이상, 끊어짐이 없는 전기적인 연결성, 짧은 제조 시간과 대량 생산 등이 라인 환경에서 만족되어야 합니다.  그리고 구동과 화질 이슈가 있죠.  높은 휘도는 높은 전류를 요구하고, 이와 함께 큰 화면은 균일성을 더욱 까다롭게 요구합니다.  극히 좁은 영역, 심지어 한 개 화소의 불완전성도 눈에 뜁니다.  전사 후 모듈이 된 후에 리페어링은 만만치 않을 것이고 

전사와 관련된 생산성 이야기를 조금 더 나가보죠.  일단, 에피텍시와 칩 공정에서 야기되는 수율 저하는 반도체 쪽이니, 그 쪽에 부담을 두기로 하고.  사실 마이크로 LED 디스플레이가 본격적으로 출시되어도 디스플레이 패널 메이커가 할 일은 별로 없어 보입니다.  결국은 반도체 메이커와 세트 메이커간의 일이니만큼.  여하튼 디스플레이 기판으로의 전사와 배선 연결은 만만치 않아 보입니다.  한 웨이퍼에서 RGB를 모두 만들 수는 없을 터이니, R, G, B 각각의 칩들 번갈아 전사하여야 하는 문제도 그렇고.  가장 활용도가 높을 10마이크론 내외의 칩들 생각해본다면, 이는 곰팡이 포자, 가라앉는 먼지, 날아다니는 재와 비슷한 크기입니다.  이러한 칩들을 수천만개, 언젠가는 1억개 이상까지 마이크론 영토에 완벽하게 안착시켜야 하는 과정이 남아있죠.  그러나 해결이 될 것입니다.  답이 없으면 문제도 아니므로 

끝으로 시장 상황을 볼까요?  비디오 월, 사이니지, 그리고 TV야 나름 경쟁력이 인정될지라도 소형 모바일 분야에서의 경쟁력은 여전히 의문시됩니다.  LCD에 더하여 OLED마저 마이크로 디스플레이에 눈길을 둘 경우, 성능은 물론, 기판의 다양성, 그리고 가격면에서 얼마만큼의 여지가 남아있을지, 장담하기는 만만치 않습니다.  플라스틱 기판이 아닌 고무나 천 위에 만들어지는 디스플레이가 굳이 필요할까요?  이상 긍정도 부정도 아닌, 낙관도 비관도 아닌 이슈 제기였습니다. 

4. QLED 기술이 당면한 이슈들 

QLED(Quantum Dot LED, 양자점 발광 다이오드)는 전계 발광으로 동작하며, 양자점에서 나오는 RGB 칼라가 직접 디스플레이 영상을 구현하는 QD-LED이어야 합니다.  이 기술이 QLED의 최종 목표가 되겠지만, 아직은 이루어지지 못하고 있습니다.  지금은 QD-LCD, 즉, 양자점을 광원에 이용한 LCD입니다.  LCD에 양자점을 이용하는 방법은 계속 진화되고 있습니다만, 여전히 전계 발광(EL)이 아닌 광 발광(PL) 방식입니다.  즉, QD가 전기장에 의해 빛을 만들지 못하고, 파장이 짧은 청색광 등에 의해 빛을 만들죠.  다만, 종래의 LED BLU(Back Light Unit)를 적용한 LCD에서는 LED에서 나오는 백색광을 이용하지만, QD-LCD에서는 청색 LED를 이용, QD로부터 더욱 품질이 좋은 RGB를 얻을 수 있죠.  초기에는 QD Dot(인칩 방식)으로 LED 칩 안에 QD를 내장하였는데, QD가 섭씨 200도가 넘는 온도에 노출되어 성능과 수명에 문제가 있어 대량 생산으로 이어지지 못하였습니다.  연이어 적용된 Rail QD(온칩 방식)에서는 LED 옆에 QD들을 배열하였는데, 역시 열 문제에서 완전히 자유롭지 못하였습니다.  이후, QD는 QDEF(QD Enhancement Film), QDoG(QD on Glass), QDCC(QD Color Conversion) 방식 등으로 적용되면서, 발전, QD-LCD의 제품화를 이루어왔습니다. 

QDEF와 QDoC(이상, 온 패널 방식)에서는 도광판(Light Guide Plate, LGP) 위에 QD 필름(시트)를 배치하거나 아예 바로 형성하기도 합니다.  이러한 배치를 통하여 QD를 LED의 열로부터 보호할 수 있습니다.  여기에서는 청색 LED의 빛이 QD에 입사되어 반치폭이 좁은 RGB의 고순도 백색광을 만들어 내죠.  백색을 내기 위해서는 청색 LED와 적색과 녹색 QD가 필요합니다.  물론, 컬러 필터를 통과하면서 R, G, B 각각의 빛을 얻게 되죠.  현재 판매 중인 QD-LCD(QLED)의 대부분은 이 기술을 따르고 있습니다.  그리고, QDCC(인패널 방식)는 QD 화소로도 표현되는데, 용어 그대로 컬러 필터 대신에 QD 화소가 패널 내에 내장되는 것이며, 현재 활발히 개발되고 있습니다. 이 기술이 적용되면, 기존보다 50% 이상 높은 효율이 가능하며, 시야각과 색 영역에서도 급격한 향상을 이룰 것입니다.  이상이 PL을 이용한 QD-LCD들이며, 이러한 접근 방식의 최종 목표가 EL 방식인 QD-LED, 혹은 QLED입니다.  전기장에 의하여 QD 화소가 빛을 내는 것이죠.  여기까지는 조금 더 시간이 필요합니다. 

최근에, QD-OLED, 즉, 양자점을 이용한 OLED 기술이 회자가 되고 있습니다.  다양한 접근법이 있지만, 주로 청색 OLED에 적색과 녹색의 QD 화소(컬러 필터)를 적용하는 방식에 무게가 실리고 있습니다.  상당 부분 기존 기술들을 활용할 수 있기 때문에, 지금으로써는 빠른 시간에 제품를 만들어 낼 수 있는 접근법이죠.  다만, 이 또한 전계 발광이 아닌 광 발광으로, 기존의 백색 OLED에 RGB 컬러 필터를 적용한 대형 OLED 기술의 연장선, 혹은 진화로 볼 수 있습니다.  이러한 진화의 과정에서, QD-LED에 이르기 위한 기술적 이슈들을 이야기해 보죠. 

일반적으로 직접 천이형 반도체의 경우, 광이나 전기장 등에 의해 전자가 들뜸과 이완 과정을 거치면서 빛을 만들 수 있는데, 생성되는 빛의 파장은 밴드갭에 해당하는 에너지에 해당합니다.   QD, 즉, 양자점은 지름이 2~10nm 정도의 반도체 입자이죠.  이러한 QD 반도체는 원자의 수가 15~150개 정도이고, 크기도 여기자의 보어 반경보다 작게 되어 에너지 준위가 밴드(띠)가 아니라 모든 방향에 대해 불연속적인 값, 즉 양자화된 값을 가지면서 양자 구속 효과(quantum confinement effect)가 나타납니다.  이는 입자의 구조나 크기가 에너지 준위에 영향을 주는 현상으로, 에너지 준위간의 전이 에너지가 커지게 되며, 전이 에너지는 양자점 크기의 제곱에 반비례하계 되죠.  따라서, 양자점의 크기가 작아질수록, 큰 에너지, 짧은 파장의 빛이 만들어집니다. 

인간의 눈은 380~750nm 파장, 주파수 범위로는 784-400THz에 해당하는 빛을 볼 수 있으며, 이에 해당하는 광자 에너지를 생성하기 위해서는 3.26 ~ 1.65eV의 에너지가 필요합니다.  QD의 크기를 조절함으로써 이 범위에서의 발광 색상을 얻는데, 적색을 위한 QD의 코어는 직경이 7nm(원자 150개 정도) 정도입니다.  녹색 QD는 직경 3nm(원자 30개 정도), 가장 작은 청색 QD의 코어 크기는 직경이 약 2nm(원자 15개 정도)입니다. 각각의 RGB QD는 한 가지의 색상만을 방출하며, 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)dl 30 ~ 54nm 정도로 좁아서 원색을 만들 수 있으므로, 넓은 색 영역을 제공하는 것이 가능해집니다.   다만, 청색 QD는 크기가 작아서 취약하며, 작업이 어려워서, 디스플레이 패널에서는 주로 청색 LED를 광원으로 하여, 적색과 녹색 QD를 여기시키고 있습니다.  디스플레이로써의 완성도를 높이기 위해서는 2nm 크기의 청색용 QD가 균일하게 대량 생산될 수 있어야 합니다. 

디스플레이용으로써 QD 코어의 합성에는 주로 셀렌화 카드뮴(CdSe), 인화 인듐(InP), 규소(Si)를 이용합니다.  카드뮴 기반 QD는 업계에서 처음 적용되기 시작하였고, 넓은 색 영역을 얻을 수 있으며, 90% 이상의 내부 양자 효율이 가능합니다.  다만, 독성으로 인한 유해물질 제한지침(Restriction of Hazardous Substances, RoHS) 대상 물질이라는 한계가 있습니다.  인듐 기반의 QD는 카드늄 기반 QD 대비, 90-96% 정도의 색 영역을 얻을 수 있으며, 80%의 내부 양자 효율이 가능합니다.  다만, 국내 S 사의 경우, 연구 개발을 통하여 인듐 기반 QD의 성능을 카드늄 기반 QD에 뒤지지 않을 정도로 많이 끌어올렸습니다.  다만, 아직 가격이 높다는 점이 핸디캡입니다.  규소 기반 QD는 안전하지만 효율이 매우 낮아 30-50% 수준의 내부 양자 효율만을 얻을 수 있으며, 색 영역 측면에서도 다른 QD와는 경쟁하기는 어렵습니다.  카드늄을 사용하지 않으면서도 효율과 색상이 우수한 QD의 저가격, 대량 생산 기술이 더욱 개발되어야 합니다. 

양자점을 합성하는 방법에는 ‘top-down’ 방식과 법과 ‘bottom-up’ 방식이 있는데, 크기가 10nm 이하일 경우에는 주로 ‘bottom-up’ 방식을 이용합니다.  그리고, 양자점은 표면에 위치한 원자들로 인하여 결정 결함이 많고, 또한 에너지 상태가 높아서 전자를 잃기가 쉽죠.  몇 가지 문제가 되는 현상들을 살펴볼까요?  먼저 광퇴색(photobleaching)입니다.  이는 양자점의 비가역적인 분해로, 양자점이 고주파, 습기나 열이 있는 상태에서 빛에 노출되면 일어납니다.  즉, 양자점의 부식과 산화로 인해 표면 결함이 만들어지고, 이는 발광에 영향을 주죠.  극단적으로 보호를 받지 못하는 양자점의 수명은 대략, 1,000초 정도로 이용하기에 턱없이 짧습니다.  빛을 만드는 디스플레이 안에서 빛에 약한 양자점들이 제대로 보호를 받아야만 하는 상황입니다.  다음으로, 광 발광 깜박거림(photoluminescence blinking), 혹은 광 발광 중단(PL intermittency) 현상입니다.  이는 들뜬 상태의 캐리어들이 양자점의 밖으로 이탈하면서 발생하죠.  휘도의 저하, 효율 감소를 초래합니다.  이와 함께 오제 재결합(Auger recombination)도 일어납니다.  이는 반도체에서 발생하는 오제 효과와 유사합니다.  즉, 들뜬 상태의 전자가 돌아오지 않고 들뜬 상태에서 다른 정공을 만나서 재결합을 하는 현상으로, 비발광 과정이며 효율을 감소시키는 빛의 손실에 해당하죠. 

이러한 문제점들로 인하여 안정성을 높이고 광 반응에 대한 내구성을 확보하기 위해 코어 쉘(core shell) 디자인이 적용됩니다.  즉, 코어인 양자점을 쉘이 둘러싸는 이종 구조이죠. 쉘은 코어보다 큰 밴드갭을 가지며, 쉘 위에는 표면 리간드가 있습니다. 쉘은 전자 및 정공과 같은 전하 캐리어가 표면으로 빠져나가지 못하도록 에너지 장벽을 만들어서 구속시키며, 효율과 안정성을 향상시킬 수 있습니다.  그리고 양자점을 가혹한 환경 변화 및 광 산화 분해 등으로부터 보호하는 역할도 합니다.  표면 개질에 해당하는 리간드는 주변 환경으로부터 나노 결정을 물리적으로 보호할 뿐만 아니라 전자 트랩을 제어하여 오제 재결합을 방지합니다.  최근에는 QD의 코어와 쉘 사이에 중간 쉘(middle shell)이라는 또 다른 보호층을 도입하여 밴드 내 전이를 감소시키고 더불어 오제 결합을 줄이는 등이 개발이 이어지고 있습니다.  쉘 재료로는 카드듐 기반 QD에서는 황화 아연(ZnS), 인듐 기반 QD에서는 중간 쉘이 필요하며, 주로 셀렌화 아연(ZnSe)을 사용합니다.  코어 쉘 구조가 문제 해결에 도움은 되고 있지만, 여전히 일부의 불안감은 남아 있습니다.  QD 소재나 구조 자체에서 해결하든, 혹은 QD 밖에서 해결의 실마리를 찾든, 노력을 더 필요로 하는 부분임에는 틀림이 없습니다. 

이상과 같이 양자점의 특징들을 설명하면서 기술적인 문제점과 이슈들을 자연스럽게 드러내 보였습니다.  조금 더 이야기를 진행하며 정리하여 보죠.  QD 기반의 디스플레이가 가질 수 있는 장점들은 자명합니다.  즉, 높은 색 정확도와 피크 휘도, 우수한 색 재현성 및 넓은 색 영역, 낮은 소비 전력 등이죠.  그리고는 기술적 문제점들과 이슈입니다.  먼저, 환경에 대한 QD의 취약성입니다.  앞서 말하였듯이 QD 입자는 물, 열, 습기의 영향을 받으며, 이런 요소들로부터 철저하게 격리되어야 합니다.  현재는 QD가 습기로 인해 분해되지 않도록 격리층으로 차단성 필름을 이용하고 있습니다.  나아가, QD는 고온에 매우 민감하며, 양자 효율을 유지하기 위해서는 열원에서 멀리 배치해야 합니다.  섭씨 100도 이상의 온도에서 양자 효율은 50% 미만으로 떨어집니다.  그러므로 QD를 이용한 디스플레이는 아주 더운 기상 조건에서는 운영할 수 없습니다.  패널 및 패키징 내에서 LED와 QD의 배치 거리는 디스플레이의 성능에 중요한 영향을 끼칩니다.  다음으로 카드뮴 솔루션에 대한 규제 장벽, 역시 앞서 언급한 RoHS 이슈입니다.  카드뮴 기반 QD가 우수한 성능 및 넓은 색 영역을 갖고 있음에도, 이 재료는 독성을 함유하고 있어, 현재 승인을 받지 못하고 있습니다.  세계의 규제 기관들은 카드뮴 솔루션을 주시하고 있어, 업계는 인듐 기반 기술로 유사한 성능 및 효율을 내기 위해 노력하고 있습니다.  끝으로 높은 제조 원가입니다.  QD 기술은 기존의 LCD 제조에 비해 제조 비용이 높습니다.  하지만, QD는 OLED 디스플레이보다는 여전히 싸며, 대량 생산이 이뤄진다면 QD 디스플레이 생산도 상대적으로 저렴해지기에 가격 측면에서 충분한 효율을 달성할 것 입니다. 

QLED 패밀리에서 QD-LCD 기술은 대부분 확보되고, 제품화에도 성공하였지만, QD-OLED와 QD-LED는 앞으로도 연구 개발이 더 보완, 수행되어야 하는 기술입니다.  앞서 설명한 양자점이 겪는 다양한 문제들과 함께, QD의 균일성, 재현성, 생산성도 적지 않은 이슈입니다.  즉, 양자점의 크기 및 형태는 합성 과정에서의 시간, 온도, 리간드 분자 등, 반응 시간과 조건에 따라 정밀하게 통제되어야 합니다. 나노급 정밀도의 소재의 저가격 대량 생산, 분산, 블랜딩 등의 공정 기술의 확보, 기존 디스플레이 생산 공정과의 친화성 등이 해결되어 가면서 QD-LED, 진정한 QLED를 향한 꿈도 한층 여물어 갈 것입니다. 

5. OLED기술이 당면한 이슈들 

OLED, 현재 모바일용 소형 디스플레이 시장을 맹렬히 점령하고 있으며, TV용 대형 디스플레이 시장에서는 QLED(현재는 양자점 BLU 적용 LCD)와 치열한 전쟁을 치르고 있는 최고의 디스플레이입니다.  소형의 주도권은 S사가 대형의 주도권은 L사가 쥐고 있으며, 아직은 우리나라가 1위로 2위 그룹과의 격차를 유지하고 있죠.  OLED 패널 기술이 당면한 이슈, 넘어야 할 허들을 정리하여 봅니다. 

형광 발광 소재의 탈피입니다.  처음 발표된 OLED는 형광에 의한 발광 소자였습니다.  형광은 내부 양자 효율, 즉 주입된 캐리어가 광자를 만들어내는 비율이 25%에 불과하죠.  그리하여 효율을 높이고자 인광 소재를 비롯하여, 열 활성화 지연 형광(Thermally Activated Delayed Fluorescence;. TADF), 초형광(hyper fluorescence) 발광 소재들의 개발, 적용을 위해 노력하고 있습니다.  이는 열화(burn-in), 혹은 화소 열화 현상(image sticking)의 해결을 위해서도 시급합니다.  특히, 여전히 형광 소재에 머무르고 있는 청색에 대한 개선이 관심을 끌고 있습니다. 

RGB 미세 패터닝 공정의 개선입니다.  FMM 공정으로 과연 어느 정도까지의 화소 피치(pixel per inch, ppi)에 이를 것인지, 기판의 크기와 수율 확보에 문제는 없는지, 아니라면 새로운 RGB 패터닝 공정이 개발되어야 하는지, 이는 꾸준한 고민입니다.  특히 AR/VR 용으로는 3,000ppi급 이상의 고해상도가 요구되기에 향후를 위해서도 마이크론 급 미세 패터닝은 필요합니다.  FMM 기술의 개선과 함께 마이크로 컨택 프린팅, 잉크 젯 프린팅(Ink Jet Printing, IJP), 나아가서는 3D 프린팅 등, 프린팅 기반 기술이 관심을 끌고 있습니다.  이 외에도 독일, 프라운호퍼에서 개발 중인 전자선(electron beam)을 이용한 패터닝 등도 일례에 해당됩니다. 

곡률 반경(Radius of Coverture, RoC), 1mm 수준의 유연 투명 전극의 확보입니다.  이는 접을 수 있는 폰과 말 수 있는 TV가 출시되면서 더욱 관심을 끌고 있습니다.  현재로서는 기존의 ITO 두께를 줄이고 버퍼층을 덧댄 무기물 전극 구조, 은 나노선의 블랜딩을 동한 유기물 전극, 그리고 금속 격자(metal mesh) 보조 전극의 적용 등이 유력한 후보군입니다만, 여기에 국한될 필요는 없습니다.  1mm의 RoC, 수만회 이상의 반복 변형에도 충분한 내구성과 재현성, 여기에 생산성과 경제성까지 갖춘 유연, 투명 전극은 플리스틱 OLED의 장점 부각을 위해서도 꼭 필요합니다. 

박막 봉지(Thin Film Encapsulation, TFE)는 플라스틱, 유연 OLED 시대에는 선택이 아니라 필수입니다.  기존의 캔 봉지 방식은 물론이고, 하이브리드 봉지 방식도 RoC, 패널 두께, 그리고 생산성 등에서 경쟁력을 잃어갑니다.  지금은 OLED 상부 전극 위에 무기-유기-무기 등으로 이어지는 5층 구조이지만, 이제는 생산성과 가격을 고려하여 3층 구조로 가야 합니다.  단일층 박막 봉지는 당장은 현실성이 부족하더라도, 꾸준한 개발 이슈는 가지고 갈 것입니다.  고속의 저온 원자층 증착(Atomic Layer Deposition), 플라즈마 기상 화학 증착(Plasma-Enhased Chemical Vapor Deposition, PECVD), 그리고 유기물의 잉크 젯 프린팅 등이 유망합니다.  이와 함께 투산소율(Oxygen Transmission Ratio, OTR), 투습률(Water Vapor Transmission Ratio, WVTR) 측정을 위한 기술도 확보되어야 합니다. 

# 참고로 하고 있는 여러 자료들의 제공에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.

# 의견과 조언, 수정과 요청은 늘 환영합니다.  댓글이나 전자메일로~ bkju@korea.ac.kr

# 저작자, 본 사이트를 반드시 표시, 비영리적으로만 사용할 수 있고, 내용 변경은 금지합니다.