2019년 10월 8일 (화), 마이스 포럼 - 유연 OLED

 

2019-09-15 강연과 논의) OLED의 유연함, 투명전극과 박막봉지 기술-복사.pdf

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이야기에 들어서며

 

1990년대 초에 일본은 디스플레이 선진국이었습니다.  한국과 대만은 각각, 1995년과 1997년 무렵, 일본의 디스플레이 기술을 도입, 즉, 학습, 모방 등을 통하여 기술을 획득하여 디스플레이 산업을 시작하고, 2000년대에 들어서면서 생산량과 시장 점유율에서 한국이 선두가 되고, 일본은 3위 이하로 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 10여 년을 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?

 

먼저, 중국의 도약과 위협부터 살펴봅니다.  LCD의 경우, 2018년 중국의 생산량은 9천 4백만 평방미터로 9천 백만 평방 미터인 한국을 추월하였으며, 한국은 중국, 대만에 이어 3위국으로 내려앉았습니다.  10.5세대급으로 판을 키운 중국의 도약을 계속되어 2019년에는 1억 평방 미터를 넘길 것으로 전망되며, 반면에 한국은 LCD 투자를 접으면서 향후 5년 이내에 중국 생산량의 4분지 1에도 미치지 못할 것으로 예상됩니다.  이는 시장 점유율로도 이어져서, 2018년을 기점으로 하여 중국이 LCD 패널 세계 시장의 30.6%를 점유하면서 1위로 등극하였고, 한국은 29.3%로 2위로 내려앉았습니다.  그리고 대만이 23.7%로 3위, 일본이 15%로 4위로 나타났으며, 금후 2위 자리도 대만에게 넘겨줄 가능성이 큽니다.  OLED에 있어서는 여전히 선두를 유지하고 있는데, 중국이 따라오는 속도가 빠릅니다.  생산량을 보면 2018년에는 한국이 천 4백만 평방 미터로 중국의 열 배 정도를 유지하고는 있으나, 향후 5년 정도가 지나면 한국 5천만 평방 미터, 중국 2천 5백만 평방 미터로 절반 수준까지 따라올 전망입니다.  일본이나 대만은 여전히 OLED 투자에는 적극적이지 못한 상황으로 당분간은 한국과 중국의 2파전이 이어지겠죠.  시장 점유율 관점에서는 한국의 강세가 더욱 두드러져서 중소형과 대형 모두 2018년 기준, 세계 시장의 95% 이상을 점하고는 있지만 약 2 ~3 년 전부터 중국의 성장률이 매년 두 배 이상을 보이고 있다는 점은 충분히 경계하여야 합니다.  특히, 한국은 삼성 디스플레이와 LG 디스플레이, 두 회사만이 OLED 패널을 생산 중이지만, 중국의 경우, BOE를 비롯하여 비젼옥스, 차이나스타, 로욜, 에버디스플레이 등이 적극적인 개발과 생산 투자를 진행하고 있습니다.

 

한국의 디스플레이 수출 동향을 살펴보면, 2018년 기준 총 246억불로 LCD 143억불, OLED는 103만불 규모인데, LCD의 경우 4년 전인 2014년과 비교하여 절반으로 감소한 반면에 OLED는 두 배 이상으로 늘었으며, 이러한 경향은 앞으로는 더욱 가속화될 것으로 보입니다.  결과적으로 향후 한국 디스플레이의 중심은 OLED에 있으며, LCD는 점차로 축소, 정리되는 방향으로 진행하겠지요.  물론 이 자리는 전계 발광형 OLED나 마이크로 LED 등이 대체할 가능성이 높습니다.

경쟁력을 위하여

앞서 논의하였듯이 중국을 비롯한 경쟁국들의 도약과 위협에 대응하여 한국이 선택하여야만 하는 디스플레이는 현재로서는 OLED라 할 수 있습니다.  그러면 OLED의 앞길에서 어떤 전략을 구사여야 할 지를 고민해 보겠습니다.  약 2년 전인 2017년 9월, 미국의 Applied Materials가 발표한 디스플레이 발전 로드 맵을 보면, 당시 기준으로 TV의 해상도는 4K에 도전하고 8K, 그리고 폰과 va/VR은 각각 600 ~ 1,000 ppi를 넘어서 700 ~ 2,500 ppi에 이를 것으로 예측하고 있습니다.  이와 함께 폼 팩터는 평판 구조를 탈피하여 커브드 구조에서 롤러블과 폴더블로 나아갈 것으로 보았으며, TV를 대상으로 한 크기는 60인치대를 추진하면서 70인치 이상의 시기를 예상하고 있었죠.  이는 각각 성능과 폼 팩터, 그리고 응용도에 대한 가이드 라인을 어느 정도 제시해주었으며, 2년이 지난 2019년 현재, 이러한 로드 맵은 완성이 되었습니다.  성능에 있어서, 해상도는 8K, 폰은 1000 ppi를 겨냥하고 있으며, VA/VR은 3,000 ppi를 훌쩍 넘어서고 있죠.  이와 함께 컬러도 이제는 NTSC 100%를 훨씬 넘어서 구별하기가 어려울 정도의 자연색을 구현하는 중입니다.  폼 팩터도 휠 수 있고 말 수 있고, 그리고 접을 수 있는 디스플레이로 발전하였으며, 2019년 중에는 롤러블 TV와 폴더블 폰 제품들이 등장할 전망입니다.  화면 크기는 TV로서도 충분한 크기인 100인치급이 판매장에 전시가 되고 있으며, 수요만 따라온다면 이 이상도 충분히 가능합니다.

 

이제, 선점자가 도약할 수 있는 길이 명확하지 않습니다.  8K 이상의 해상도와 현재 수준 이상의색 재현율, 컬러가 필요할까요?  물론 어느 정도의 수요는 있겠지만, 성능면에서는 더 나아갈 길이 그리 넓지는 않고 발전의 여지도 작죠.  폼 팩터, 즉, 휘거나 말고, 혹은 접을 수 있는 OLED는 아직 해결하지 못한 부분들이 적지 않습니다.  예를 들어 롤러블 OLED TV는 여전히 유리 위에 만들어지고 있는데, 이러한 얇은 유리는 곡률 반경이 50R이나 되어서 TV 하단에 화면을 말아서 넣어야만 하는 큰 통?이 필요합니다.  기판은 유리가 아닌 플라스틱으로 전환되어서 곡률 반경 또한 대폭 줄어들어야 하죠.  백플레인으로는 LTPS TFT를 적용하였는데, 이는 휨에 대한 안정성이 상대적으로 좋은 산화물 TFT로 대체되는 것이 바람직하며, 이를 통하여 가격 절감의 효과도 더해질 것입니다.  또한 얇은 금속 판을 이용한 봉지 구조는 박막 봉지로 꼭 대체되어야 합니다.  곡률 반경은 물론 두께와 무게에 대한 부담감을 줄일 뿐만 아니라 현재의 배면 발광 방식을 전면 발광으로 개선하기 위해서는 선택이 아닌 필수 조건이죠.  폴더블 폰 또한 앞서 문제가 된 봉지 부분이나 커버 플라스틱 쪽에서의 내구성과 안정성이 더욱 확실하게 확보되어야 합니다.

 

유연(flexible)을 넘어 탄성(stretchable) 디스플레이가 꼭 필요한지, 전자 피부나 스마트 타투(tattoo)로 불기기도 하는 부착형(attachable) 기기가 어느 정도의 활용도와 시장 확보가 가능한지는 여전히 의문으로 남습니다.  그리고, 더 나아가서 컨택트 랜즈와 같은 생체 삽입형(implantable) 기기가 얼마나 가능성과 효용성이 있는지, 이를 위한 생체 친화성(bio-compatible) 디스플레이 패널이 기술성과 경제성이 보장될 수 있는지 여부는 아직은 고려하기에 이릅니다.  다만, 현재에 이르기까지 모바일 기기용 소형 디스플레이, 모니터용 중형, 그리고 TV용 대형 디스플레이 3각 편대가 누려온 80% 대의 시장 점유 구조는 분명 탈피되어야 합니다.  즉, 이에 더하여 새로운 응용 분야들이 한껏 창출되어야 한다는 점이죠.  그렇게 하여야 응용 분야도 넓어지고 시장도 키우며, 따라서 새로운 성능, 새로운 폼 팩터를 가지는 디스플레이들이 적극적으로 개발, 등장하게 되죠.  이러한 후보군으로서 인간의 감성을 파고 드는 예술용 혹은 빈티지용 디스플레이, 4차 산업 혁명, 특히 IoT와 연동되는 웨어러블 디스플레이, 특히 VR과 AR을 적극 활성화 시킬 수 있는 착용형이나 부착형 디스플레이, 의료용 HMD나 HUD, 그리고 초고정세 디스플레이, 수요자의 욕구와 아이템에 최적화된 스마트 사이니지, 투명 디스플레이를 활용하는 스마트 윈도우, 곡면과 유연성을 적극 활용하는 자동차용 디스플레이 등을 앞서 제시한 바 있습니다.

 

향후 10여 년간, 이제는 성숙 단계에 이르고 있는 OLED와 여전히 진화 중인 QLED, 이제 막 걸음마를 시작한 마이크로 LED, 주로 세 가지 디스플레이 기술들이 경쟁과 대체 과정을 겪으면서 발전하여 갈 것입니다.  LCD는 QD-OLED로 인하여 정체되거나 혹은 뒤안길로 들어갈 확률 또한 큽니다.  따라서 향후 10년 동안의 세 가지 디스플레이 기술에서 한국의 선두 질주는 게속 되어야 하며, 이를 위한 개발 방향과 전략들이 잘 마련될 수 있기를 바랍니다.  다음 순서에는 이들 중에서 현재 가장 앞서고 있는 OLED 기술의 이슈에 관하여 보다 자세히 다루어 보겠습니다.

OLED 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, 앞서 언급하였듯이 아직은 우리나라가 1위로 2위와 격차를 유지하고 있죠.  OLED 패널 기술이 당면한 이슈, 넘어야 할 허들을 정리하여 봅니다.  당면한 제품군인 롤러블 TV와 폴더블 폰에 남아있는 이슈들과 함께 보다 안정적이며 장기적인 기술, 응용도까지 고려하여, 소재, 공정, 유연함, 그리고 제조 부문으로 구분하여 생각해보겠습니다.  이에 더하여 최근 일본과의 수출입 규제 문제로 부각된 아이템들 중에서 특히 OLED와 직접적인 연관이 있는 품목들, 즉, 투명 폴리이미드, 컬러 포토 레지스트, 그리고 쉐도우 마스크도 염두에 두고자 합니다. 

 

우선적으로 보다 긴급하고 제품화와 직결되어 있는 핵심 이슈들로 시작하여 보죠.  즉, 소재 부문에서는 인광을 비롯한 보다 향상된 발광 기구들과 양자점 활용 이슈, 공정 부문에서는 RGB 컬러 패터닝 공정, 택트 타임 단축, 그리고 롤투롤에 더하여 용액 공정 이슈를 제기하고자 합니다.  다음으로 유연함 부문에서는 유연성과 변형을 원활하게 하기 위하여 필요한 유연 투명 전극과 박막 봉지 이슈, 제조 부문에서는 특히 검사 장비와 이에 필요한 센서류, 그리고 공장 자동화 이슈를 언급합니다.

유연함에 관하여

곡면형, 웨어러블 기기 등이 이슈가 되면서 OLED의 기판은 유리에서 플라스틱으로 변화되고 있습니다.  터치 스크린은 별도(add-on)에서 셀의 바로 위(on-cell), 그리고 셀 안(in-cell)으로 들어가고 있으며, 고정된 휨이 아니라 변형되는 휨으로 접어들면서 커버 글라스는 커버 플라스틱으로 전환되고 있습니다.  봉지(encapsulation) 구조도 캔이나 리드 구조, 하이브리드 구조에서 다층막 구조로 진화됩니다.  이는 생산 라인의 변화도 가져오죠.  즉, 별도의 봉지용 시설 라인이 필요하였지만, 이제는 음극 증착 후에 무기막과 유기막 서너층을 코팅할 수 있는 장비만 추가되면 됩니다.  유연함이 대세를 향하고 있죠.  변형이 가능한 유연, 플라스틱 OLED의 기초가 되는 부분들로는 플라스틱 기판, 유연성과 고성능을 겸한 백플레인과 유기물 층들, 상부 발광을 위한 유연, 투명 전극, 박막 봉지, 그리고 커버 플라스틱 등을 들 수 있습니다.  시작에서는 유연하고 투명한 전극 기술과 박막 봉지 기술을 먼저 다루어 보고자 합니다.

 

유연하고 투명한 전극, 얇은 ITO 박막으로도 가능하나 반복적인 휨과 꺾임에 의한 크랙 발생, 내구성이 여전히 불안합니다.  당장으로는 금속 격자(metal mesh) 구조와 은 나노선을 블랜딩한 유기물 전극이 앞서갑니다.  유연 투명 전극은 광 투과도와 전기 전도도가 높아야 하는데, 불행하게도 두 값은 반대로 움직입니다.  이를 이율배반(trade-off)이라고 하죠.  따라서 적정선에서 두 값을 최적화시켜 타협을 하게 됩니다.  이와 함께 가격과 생산성도 중요하죠.  그래핀을 비롯한 2차원 물질들, 탄소 나노 튜브, 그리고 전도성 폴리머들 각각 전도도와 가격 등에서 제품에 적용하기에 아직은 부족합니다.

 

은 나노선을 기반으로 하는 전극 개발의 예를 들어봅니다.  용액 공정으로 은 나노선 앙상블을 도포할 경우, 표면 거칠기와 나노선들간의 연결(interconnection)이 문제가 되죠.  이의 해결을 위하여 은 나노선 위에 인듐 아연 산화물(Indium-doped Zinc Oxide, IZO)과 전도성 고분자를 코팅한 하이브리드 구조가 제안되었습니다.  여기에서 IZO 막은 은 나노선을 산화로부터 보호하고 나노선들간의 연결, 그리고 기판과의 접착을 강화시키는 역할을 하며, 전도성 고분자 층은 표면 거칠기를 줄이고 광 투과율을 높이는데 기여를 합니다.  이러한 하이브리드 전극 구조를 적용하여 만들어진 유연 OLED는 효율이 증가하였고 유연성은 물론 향상되었죠.  다음 연구로 코팅된 나노선들에 대해 광 소결(light sintering) 과정을 거친 뒤, PVB(PolyVinyl Butryal) 내에 함침, 전사시켜서 나노선 연결성, 전도성, 그리고 표면 평탄도를 더욱 개선시킨 결과도 보고된 바 있습니다.  그리고, 고분자의 전기방사(electrospinning)를 이용하여 연결 포인트가 필요하지 않고 길이에 제한이 없는 나노 파이버 전극을 제조하여 연결 부위에서의 아킹 우려를 없애고 표면 평탄도를 개선한 결과도 제시되었습니다.  은 나노선이나 파이버를 적용하는 유연, 투명 전극에 관한 연구 개발과 제품에 적용하기 위한 노력을 계속될 것으로 판단됩니다.

 

다음으로 OLED의 박막 봉지에 관한 이야기를 풀어가 보겠습니다.  산소와 습기로부터 OLED 소자를 보호하는데 필요한 봉지 기술은 금속 캔과 유리 리드를 부착시키는 캔/리드 방식으로 시작하여서 금속이나 플라스틱 시트를 합착시키는 하이브리드 방식, 그리고 다층막 배리어(Multi-Layer Barrier, MLB) 방식이나 박막 봉지 방식 등으로 발전하여 왔습니다.  성능과 경제성을 고려할 때 나름대로의 장단점들이 있지만 유연함을 목표로 하게 되면 다층막 배리어나 박막 봉지가 필수적으로 되죠.  무기층의 배리어 성능과 함께 유기층의 평탄화, 스트레스 완화, 그리고 유연성 향상 기능도 중요합니다.  만일 잉크 젯 방식으로 유기물을 도포하면 두께가 1 마이크론 이상이 가능하게 되어 먼지와 같은 입자들을 커버링하는 효과도 얻게 되죠.  봉지막은 기본적인 투산소율, 투습률 성능과 함께 유연성은 물론 광 투과도, 부착력, 열 안정성, 헤이즈 성능도 일정 이상을 만족시켜야 하며, 수율과 경제성은 당연히 고려되어야 하죠.  또한 투습률을 OLED에서 요구하는 규격과 신뢰성에 적합하도록 측정할 수 있는 기술도 표준화가 되어야 합니다.  최근에는 용액 동정을 기반으로 하는 후막 봉지 연구도 관심을 끌고 있습니다.

일단, 마치며

 

읽으신 분들은 발견하셨겠지요.  언급하고자 한 이슈들에서 ‘유연함, 투명 전극과 박막 봉지 기술’에 관하여 이야기를 나누었고, 소재와 공정 이슈, 그리고 제조 부문에 관한 이야기는 다루지 못하였습니다.  왜냐하면, 40분 동안의 발표를 위해 만들어진 내용이기 때문입니다.  이 내용은 10월 8일에 발표될 예정이고, 여기에 소재와 공정 이슈, 그리고 제조 부문의 이야기까지 더해져 90분간의 발표도 준비되고 있습니다.  이에 대해서는 다음 순서로 공지를 하고, 더하여진 내용들 또한 원고로 준비될 것입니다.  그 날을 또 약속하지요.

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

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