[e돋보기] 플렉서블 디스플레이

[양태훈기자] 차세대 디스플레이로 유기발광다이오드(OLED)를 응용한 '플렉서블(Flexible)'이 디스플레이 업계의 주목을 받고 있다.

글로벌 경기 침체가 계속되는 가운데 액정표시장치(LCD) 디스플레이의 공급과잉으로 수익률이 감소하고 있기 때문. 백라이트(BLU)를 필수 광원으로 사용해야하는 LCD 디스플레이의 특성상 차별화된 디자인을 갖춘 고부가 제품 개발이 어려운 것도 이유다.

반면, 플렉서블 디스플레이는 플라스틱 등 유연성이 높은 기판을 활용해 자유롭게 휘고 구부리며 둥글게 말 수 있는 기능성을 제공, 또 다양한 모양의 크기로 제작할 수 있어 수요가 꾸준히 증가하고 있다.

시장조사업체 디스플레이서치에 따르면 플렉서블 OLED 디스플레이 시장은 올해를 기점으로 큰 폭의 성장이 예상, 오는 2021년 48억 달러(한화 5조 5천915억2천만 원)로 증가할 전망이다.

현재 세계 유일의 플렉서블 OLED 디스플레이 양산 기술을 확보삼성디스플레이와 LG디스플레이는 시장 선도 기업의 위상을 더욱 공고히 하기 위해 폴더블·롤러블 등의 시장 진입을 눈앞에 두고 있다.

◆ 플렉서블 디스플레이의 역사

디스플레이 업계에서는 플렉서블의 본격적인 개발을 지난 2004년 미국의 E-잉크사(社)가 전자잉크를 기반으로 50dpi(dot per inch, 1인치당 도트 수) 해상도의 전자종이를 공개한 것을 시작으로 본다.

최근에는 동영상 구동이 쉽지 않다는 전자잉크 디스플레이 특성 때문에 자체발광 소자인 OLED를 중심으로 한 플렉서블 디스플레이 개발이 활발히 이뤄지고 있는 상황.

이는 OLED가 스스로 빛을 내 백라이트와 컬러필터가 필요 없고, 시야각의 제한이 없으며, LCD 대비 전력을 적게 소비하는 등 플렉서블 구현에 최적화된 구조적인 특성을 지니고 있기 때문이다.

예컨대 박막트랜지스터 LCD가 백라이트, TFT 백플레인(광학 신호를 보내는 소자에게 전기적 신호를 전달하는 장치), 컬러필터로 구성된 데 반해 OLED는 TFT 백플레인과 전기적으로 빛을 내게 하는 유기 전기발광(EL, Electroluminescence)소재로만 구성됐기 때문.

LCD 디스플레이가 플렉서블 기술 접목이 어려운 것은 LCD는 구부릴 경우, 액정(Liquid Crystal)이 흐름 현상으로 화질에 악영향을 미친다는 단점도 있다.

반면, OLED 디스플레이는 LCD와 달리 백라이트와 컬러필터가 없어 화면을 구부려도 화질에 영향을 주는 요소가 적어 플렉서블에 유리한 이점을 발휘한다.

플렉서블 디스플레이는 유연성을 기준으로 '언브레이커블(깨지지 않는 패널)', '벤더블(구부릴 수 있는 패널)', '롤러블(돌돌 말 수 있는 패널)', '폴더블(접을 수 있는 패널)'로 개발 단계가 구분된다.

유연성은 휘어지는 정도를 의미, 이는 디스플레이를 둥글게 말았을 때 원기둥의 밑면에 해당하는 원의 반지름인 곡률반경으로 나타낸다.

예컨대 곡률반경 100R은 반지름이 100밀리미터(mm)인 원의 휜 정도를 의미한다.

업계에서는 완벽한 의미의 플렉서블 디스플레이를 화면 자체를 둘둘 말거나 접었다 펼 수 있는 수준으로 본다. 현재 이를 위한 해결과제로는 높은 공정온도를 견디면서 완벽한 유연성을 갖춘 기판재료의 혁신과 습기·산소의 침투를 막는 보호막(Passivation), 봉지(Encapsulation) 공정의 개선 등이 꼽히고 있다.

◆ 플렉서블 디스플레이의 기본 기술은?

플렉서블 디스플레이 구현의 핵심은 기판·구동소자 기술 등을 꼽을 수 있다.

기판 기술은 각 부품을 전기적 신호로 연결해주는 역할을 담당하는 기판(Substrate)에 대한 부분을 말한다.

평면 디스플레이의 경우, 내열성과 투명성 등을 갖춘 유리 기판이 주로 사용됐지만, 플렉서블 디스플레이는 형태 변화가 자유로워야하는 만큼 내구성과 유연성 등을 요구해 플라스틱(고분자 필름)이나 금속박막(메탈 포일) 등이 대체 기술로 주목받고 있다.

플라스틱은 높은 내구성과 낮은 생산비용, 가공 용이성 등의 갖춰 플렉서블 디스플레이 가장 적합한 기판으로 여겨지고 있다.

다만, 현재 디스플레이 제조 과정에서 TFT 공정온도를 견딜 수 있는 기초소재(Base Film) 개발 및 백플레인의 내열성 등을 만족하는 코팅·소자 기술 확보가 필요한 상황.

이는 플라스틱 기판의 구조가 기초소재를 양면으로 코팅해 유연성을 유지하면서 기존 유리 기판의 강점인 투과도와 내열성을 동시에 갖춰야하기 때문.

금속 박막 기판 역시 산소와 습기에 차단성이 우수하고 내열성이 뛰어난 강점을 갖고 있지만, 표면이 거칠어 평탄화 작업이 필요하고 단열코팅을 해야 한다는 점에서 기술개발이 요구되고 있다.

구동소자 기술을 색의 표현력, 응답속도, 밝기 등 디스플레이의 성능을 결정짓는 기본적인 것들을 의미한다.

플렉서블 디스플레이의 구동소자 기술은 저온폴리실리콘(LTPS) TFT와 산화물(Oxide) TFT 등이 주목받고 있다.

LTPS TFT는 기존 비정질실리콘 대비 100배 빠른 전자 이동도를 가진 저온풀리실리콘을 활용, 배선 통합에 유리해 TFT 크기를 줄일 수 있는 이점을 제공하는 기술이다.

구동 회로가 하나의 기판에 집적돼 외부 연결되는 부품이 줄고, 완제품의 크기도 작아져 전체적인 픽셀의 고밀도화, 시스템의 신뢰도 향상, 비용 절감 등을 제공한다.

현재 업계에서는 LTPS TFT의 균일도 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

산화물 TFT는 기존 비정질실리콘 대비 전자 이동도가 수십 배 이상 빠르고, 누설 전류가 절반이상 적은 산화물을 활용하는 기술을 말한다. 인듐·갈륨·아연·산소화합물을 합한 것으로, 일본의 샤프가 최초 상용화했다.

업계에서는 산화물 TFT를 LTPS 대비 성능은 조금 못 미치지만, 기존 비정질실리콘 대비해서는 고해상도·저전력 구현이 용이하고 LTPS 대비 비용절감에 유리한 기술로 보고 있다. LCD 라인에서 양산이 가능해 설비투자 규모를 줄일 수 있다는 것도 장점이다.