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양자점 LCD, OLED와 한 판 승부

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  • 2015.02.01 06:23
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[2015를 말한다Ⅱ] 디스플레이 기술 전망

양자점 LCD, OLED와 한 판 승부
TFT-LCD는 1980년대 초 일본의 세이코 엡손, 마쓰시타, 샤프 등이 상용화에 성공하며 본격적으로 성장하기 시작했다. 노트북을 중심으로 TFT-LCD는 연간 30% 이상 고속 성장해 1990년대 중반 10조 원 이상의 시장을 형성했다. 이후 LCD 시장은 모니터와 대형 TV를 중심으로 연간 20% 이상 성장을 지속해 2010년에 100조 원 규모의 거대 시장으로 발돋움했다. 특히 LCD TV는 고속 구동기술, 광시야각, LED 백라이트 기술 개발로 그동안 단점으로 지적돼 온 동영상, 시야각, 화질 특성이 대폭 향상됐다. 또 전체 시장의 40% 이상으로 급성장해 디스플레이 산업의 성장동력으로 자리매김했다.

하지만 2010년 이후 LCD 산업은 세계적인 경기 침체에 따른 수요 하락, LCD TV 보급률 확대에 따른 시장 포화, 중대형 LCD 공급 과잉, 가격 급락, 투자 축소 등으로 성장이 정체됐다. 삼성전자는 적자 사업부인 LCD 사업부를 분사했다. 대만은 수조원의 공적자금을 통해 구조조정을 진행했다. 일본의 도시바, 히타치, 소니는 LCD 분야를 통합해 정부 지분 70%를 차지하는 일본디스플레이(Japan Display)를 설립해 구조조정을 단행했다.

이 같은 상황에서 스마트폰에서 시작된 고해상도화는 모니터와 TV로 확대되며 LCD 시장 성장의 견인차 역할을 하고 있다. 2010년 애플이 3.5인치 960×640 화소의 326ppi(pixel per inch, 인치당 화소의 개수) LCD를 장착한 ‘아이폰4’를 출시하며 고해상도 경쟁이 시작돼 5인치 1920×1080(FHD) 화소의 440ppi LCD를 거쳐 5~6인치 2560×1440(QHD) 화소의 500ppi 이상 고해상도 스마트폰이 출시됐으며, 향후 3840×2160(4K UHD) 화소의 800ppi급 스마트폰이 출시될 전망이다.

LG전자의 양자점 LCD TV
LG전자의 양자점 LCD TV
LCD 고해상도화, 모니터·TV로 확대
태블릿 PC와 노트북 또한 2560×1600(WQXGA) 화소의 250~360ppi 해상도 제품이 출시되고 있으며, 향후 400ppi급 이상의 제품이 출시될 전망이다. LCD TV 또한 FHD 위주에서 4K UHD 화소 위주로 시장이 재편되고 7680×4320(8K UHD) 화소의 LCD TV 시제품이 개발되고 있다. 고해상도 LCD로 TFT 산업의 흐름도 변화하고 있다. 해상도가 높아짐에 따라 액정 충전, 화소가 차지하는 면적, 고속 구동 등의 기술적 이슈가 부각되고 있다. 이를 해결하기 위해 이동도가 높은 고성능 TFT가 필수적이다. 따라서 기존의 비정질 Si TFT에 비해 성능이 우수한 저온다결정 실리콘(LTPS, Low Temperature Poly-Si) TFT와 산화물 TFT의 비중이 확대되고 있다.

스마트폰에서는 초고해상도 실현을 위해 성능이 가장 우수한 저온다결정 실리콘 TFT의 비중이 크게 확대될 것으로 전망됨에 따라 이에 대한 투자 또한 증가하고 있다. IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 위주의 산화물 TFT는 이동도가 지속적으로 향상되고 있으며, 저가로 제조할 수 있기 때문에 화면 크기가 상대적으로 큰 고해상도 LCD에 유리하다. 따라서 태블릿 PC, 노트북, 4K UHD LCD TV에서 산화물 TFT의 비중이 크게 증가하고 있다.

특히 8K UHD LCD는 산화물 TFT가 화면 휘도와 고속 충전, 고속 구동 등에 있어서 매우 중요하기 때문에 이에 대한 투자는 필수적이다. LCD 해상도가 높아짐에 따라 화면 신호 전달 지연 현상이 심각해지면서 동시에 충분한 휘도를 낼 수 있는 기술이 중요해진다.

이에 따라 저저항 Cu 배선과 미세 패턴 형성 기술이 더욱 필요할 전망이다. LCD의 화면 해상도가 UHD급으로 향상됨에 따라 주력 화면 크기가 커지고 있으며 화질의 중요성이 높아지고 있다. 화소수가 증가하면 미세한 부분까지 정확하게 표시할 수 있기 때문에 색이 좋으면 화면을 더욱 생생하고 선명하게 표시할 수 있게 되며 대화면에서 공간감도 훨씬 풍부하게 느껴지게 돼 화질이 대폭 향상된다.

화면 해상도와 더불어 화질의 중요성이 증가함에 따라 색재현 능력이 좋은 양자점 형광체를 이용한 LCD가 관심을 모으고 있다. 양자점 형광체는 반도체 입자의 크기를 수~수십 나노미터 크기로 제조해 기존의 반도체에서 볼 수 없었던 특성을 나타내는 반도체 발광 재료를 말한다.

LG전자의 OLED TV
LG전자의 OLED TV
색재현성 좋은 양자점 LCD 관심 집중
양자점 형광체는 입자의 크기를 변화시키면 발광 색이 변하는 특징이 있다. 또 발광 스펙트럼의 폭이 좁고 대칭적이어서 포화된 색을 나타낼 수 있으며 높은 발광 효율이 가능하다. 양자점 형광체를 LCD의 백라이트 광원과 함께 사용하면 기존의 LED 백라이트보다 색재현성이 좋게 돼 기존의 LCD보다 좋은 색의 디스플레이를 제작할 수 있다.

색순도가 좋은 적색과 녹색의 양자점 형광체를 이용하고 청색 LED를 광원으로 이용해 백색 광원의 백라이트를 제작하고 컬러 필터와 결합해 높은 색순도의 LCD를 제작하는 방식이 일반적으로 이용되고 있다. 양자점 형광체를 고분자 필름에 분산시키거나 도광판의 측면에 부착해 LED로부터의 청색광을 백색광으로 변환시킨다. 양자점 형광체는 CdSe와 같이 카드뮴(Cd)을 함유한 반도체 재료를 코어로 사용하고 ZnS와 같이 CdSe보다 밴드갭이 큰 재료를 껍질로 사용하는 코어-셸 구조가 효율과 안정성이 높아 가장 널리 개발돼 왔다.

그러나 최근 양자점 형광체는 환경 유해물질인 카드뮴으로 인해 상용화의 한계점으로 지적돼 왔다. 최근 카드뮴을 포함하지 않은 InP 등의 반도체를 코어로 사용하는 양자점 재료의 개발이 제품화 단계에 접근함에 따라 스마트폰에서 TV에 이르기까지 광범위한 품목에서 양자점 형광체를 적용한 LCD가 출시될 것으로 전망된다. 3M, 다우케미컬 등 국내외 디스플레이 소재기업이 나노시스, 큐디비전 같은 양자점 재료 개발기업과 공동으로 고분자 필름 등 양자점 광학소재 양산을 계획하고 있다.

삼성, LG, BOE 등 거의 모든 LCD 패널 회사가 양자점 재료를 이용해 고색재현성 고해상도 LCD 출시를 계획하고 있어 2015년은 양자점 LCD의 원년이 될 것으로 보인다. 능동형 유기발광다이오드(AMOLED)는 1990년대 말부터 일본 기업을 중심으로 본격적으로 개발되기 시작해 2000년대 초 산요, 소니 등에 의해 제품화가 시도됐으나 생산의 어려움으로 인해 성공적으로 생산되지는 못했다.

유기발광다이오드(OLED)는 전류에 의해 휘도가 조절되기 때문에 화소 구조가 복잡하며 신뢰성이 높은 화소 구동 소자를 필요로 한다. 또 얇은 두께의 유기 박막에서 발광이 일어나며 수분 등에 취약하기 때문에 정교한 두께 조절, 오염 물질 제어, 수분 제어 등 높은 생산기술을 필요로 해 기술개발과 생산의 갭이 크고, 초기 생산 수율이 극히 낮았다.

2006년 삼성디스플레이는 수동형 유기발광다이오드(PMOLED) 생산 경험을 바탕으로 본격적인 투자를 진행해 AMOLED 시대를 열었다. 이 후 AMOLED는 스마트폰 수요 급증과 5.5세대 생산라인의 성공적인 투자에 의해 중소형 디스플레이 시장을 중심으로 급성장해 전체 디스플레이 시장에서 15% 이상으로 비중이 확대됐다.

OLED는 스마트폰에서의 성공을 발판으로 중형 디스플레이로 영역을 확장하고 있다. LED는 파인메탈마스크(FMM, Fine Metal Mask)를 사용하는 화소 형성 방식의 한계로 인해 고해상도의 구현이 어렵다는 기존의 인식을 뛰어넘어 500ppi 이상의 고해상도 AMOLED가 제품화됐으며, 향후 800ppi급의 고해상도 제품도 개발될 전망이다. 또 저온 다결정 Si TFT는 초고해상도 AMOLED 생산에서 필수적이고 절대적 비중을 차지할 것이다.

스마트폰에서 OLED 적용이 성공함에 따라 중국, 대만, 일본은 6세대 OLED 투자를 본격화하고 있다. 생산기술 또한 점차 확보되고 있어 스마트폰에서 AMOLED 비중은 더욱 확대될 것으로 예상된다. 초고해상도 AMOLED가 스마트폰에 성공적으로 적용됨에 따라 8~12인치급 태블릿 PC에 적용할 수 있는 수준의 OLED 화소 효율과 수명 또한 급격히 향상됐다. 삼성전자는 8.4인치와 10.5인치 태블릿 PC를 성공적으로 제품화했으며, 델 등 PC 업체 또한 AMOLED 태블릿을 제품화하고 있어 2015년에는 8~12인치급 AMOLED 생산이 증가할 것으로 보인다.

삼성기어VR
삼성기어VR
효율·수명 향상된 OLED 적용 확대
OLED는 효율과 수명이 대폭 향상돼 단위 화소가 켜져 있는 시간이 길어짐에 따라 그동안 적용할 수 없었던 10~20인치급 노트북과 모니터 등의 사무용 기기로 OLED가 확대될 수 있는 기술 기반이 확보됐다. 재료 특성과 생산 기술이 지속적으로 향상되고 있고 산업 생태계가 급속도로 확보되고 있어 국내 업체에서 시작된 중형 OLED 제품화는 일본의 OLED 합작 회사 ‘JOLED’ 등으로 확대되고 있으며, 아직까지 생산 기술이 충분하지 않은 대만과 중국 또한 중대형 AMOLED 생산 기반을 조기에 확보될 것으로 전망된다. 저온 다결정 Si TFT와 산화물 TFT가 중형 AMOLED의 TFT로 사용될 수 있으며, 업체에 따라 다르지만 제조비용이 상대적으로 적은 산화물 TFT의 비중이 확대될 것으로 예측된다.

OLED TV 또한 생산이 확대되고 있으며 양자점 LCD TV와 화질 경쟁을 할 것으로 전망된다. OLED TV는 제조원가와 생산수율의 한계로 인해 제품화가 지연돼 왔으며 2012년에 제품화에 성공했다. OLED TV는 화소 형성 방식에 따라 제조원가와 생산수율이 크게 달라진다.LG디스플레이는 생산수율 확보에 유리한 방식인 백색 OLED와 컬러 필터를 결합해 OLED 화소를 구성하는 방식과 제조원가에 유리한 산화물 TFT를 사용하고 있다.

백색 OLED·컬러필터 방식은 파인메탈마스크로 화소를 제작하는 방식에 비해 고해상도화가 쉽기 때문에 4K UHD TV에 대한 대응이 어렵지 않다. OLED TV 생산 초기에는 산화물 TFT와 백색 OLED 수율이 낮아 어려움이 있었으나, 생산기술이 확보되며 수율이 점차 개선됨에 따라 지난 1년간 패널 가격이 급격히 하락했다. 생산 규모가 확대됨과 동시에 파나소닉, 하이얼 등 일본과 중국의 세트업체 또한 OLED TV 제품화에 동참하고 있다.

OLED TV는 높은 색재현성, 응답속도, 얇은 두께 등을 마케팅 포인트로 삼고 있으며, 양자점 LCD 또한 우수한 색재현성을 앞세우고 있어 상호 치열한 경쟁이 예상된다. 웨어러블 기기를 위한 초소형 OLED 시장 또한 확대되고 있는 추세다. 소니, 삼성 등은 동영상 특성이 뛰어나 가상현실에 유리한 OLED 디스플레이를 헤드셋에 적용해 제품화하고 있으며, 손목 밴드 등의 스마트 웨어러블 기기에 초소형 OLED 디스플레이 제품이 지속적으로 확대되고 있다. OLED는 플렉서블 디스플레이에 가장 적합한 것으로 인식되고 있으며, 플렉서블 OLED를 이용한 스마트폰 시장이 확대될 것으로 전망되고 있다.

플렉서블 OLED는 유리 기판에 폴리이미드와 같은 고분자 필름, TFT, OLED 화소, 봉지재료를 순차적으로 형성해 제조되고 있으며, 고분자 필름과 봉지 방식으로 인해 생산 수율이 낮아 물량 확보에 어려움이 있었으나 수율이 지속적으로 향상돼 대량 생산 수준에 도달해 양산 투자가 활발히 진행되고 있다. 플렉시블 OLED는 생산기술 확보와 더불어 곡면 디스플레이를 거쳐 화면을 구부린 스마트폰으로 제품 단계에서도 진화하고 있다. 삼성, LG, 소니 등이 3단으로 접을 수 있는 형태의 OLED 시제품 개발을 완료한 상태로, 접을 수 있는 스마트폰과 스마트패드에 적용될 것으로 예상된다. 플렉서블 OLED는 스마트 워치, 스마트 밴드 등의 웨어러블 기기에서도 활발히 적용되고 있어 2015년을 기점으로 시장이 대폭 확대될 것으로 예상되고 있다.

글 문대규 순천향대학교 디스플레이신소재공학과 교수



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