인 경기불황과 넘쳐나는 달러로 중무장한 중국의 협공을 받으면서 어려운 싸움을 이어나가고 있는 2011년 오늘, 한국이 절대로 포기할 수 없는 디스플레이 산업을 살려 내고, 후발 주자가 넘볼 수 없는 절대 강자의 위치 확보 를 위한 돌파구를 찾아야 할 시점에서, 대표적인 차세대 디스플레이로 평가되고 있는 플렉서블 디스플레이의 정 의와 현황을 간략하게 돌아보고자 한다.
지난 60년 동안 디스플레이 시장 전반을 장악해왔던 CRT 디스플레이는 최근 10년 동안 LCD, PDP 등 평판 디스플레이로 급속히 대체되어 모니터, 노트북, 휴대폰
급속도로 발전해 가는 정보화 기술로 인하여 언제 어디 서나 쉽게 정보를 얻을 수 있는 유비쿼터스 시대로 접근 해가고 있는 지금, 더 얇고 더 가벼우며 휴대하기 쉬운 경박·단소한 디스플레이가 휴대용 기기의 기본적인 요 구사항이 이며, 더 나아가 유비쿼터스 시대를 실현하는 정보기기로서 디자인 변형이 자유로우며, 떨어뜨려도 깨 지지 않고 유연하면서도 질긴 특성을 바탕으로, 때론 종 이처럼 접거나 휘어지거나 두루마리처럼 말을 수 있는
‘플렉서블 디스플레이’의 출현은 그 동안의 디스플레이 기술의 발전과정을 볼 때 필연적 귀결이다. 1-6또한, 60
inch급 대형 LCD 판넬 생산을 위한 가로 ~2m, 세로
~3m 급의 유리기판을 사용하는 일본 Sharp사의“10세 대급”TFT-LCD 생산라인 건설 이후 초대형 유리기판 을 이용한 대면적 판넬 양산의 기술적 난이도 증가, 경제 성 하락 등의 이유로, 기판 대형화를 기조로 하는 기존의 디스플레이 생산기술 혁신의 페러다임이 한계에 점차로 근접하고 있다. 그러나, 더 크고, 더 우수한 성능의 디스 플레이를 보다 자연 친화적으로, 더 싼 가격으로 만들어 야 하는 현실적 요청을 만족시키고 시장에서 살아남기 위해서는, 지금의 생산 페러다임을 뛰어넘는 새로운 디 스플레이 생산기술의 확립이 필요한데, 가장 유력한 대
디스플레이 세상의 새로운 출발, 플렉서블 디스플레이
홍문표*
특집■차세대 디스플레이 기술 특집■차세대 디스플레이 기술
그림 1. 디스플레이 산업 발전의 메가트렌드 (Source: Display Bank)
디스플레이 세상의 새로운 출발, 플렉서블 디스플레이 특집■차세대 디스플레이 기술
안이 1차원적으로 무한확대가 가능하고, 연속 공정, 저 온-저압 신공정을 토대로하는 Roll-to-Roll (R2R) 기술 이다. 이와 같은 R2R 기술은 기판을 Reel형태로 처리할 수 있는 유연한 기판, 즉 Plastic Film을 기판의 사용을 전제로 하며, 이는 지금까지 유리기판을 기반으로 발전 해온 지금까지의 평판디스플레이 기술과는 전혀 다른 차 원의 새로운 시대가 시작됨을 의미하며, 현재의 강자의 몰락과 새로운 챔피언의 출현을 가능하게 하는 새로운 질서가 형성될 가능성을 의미한다. 이처럼 향후 Display 발전에 있어서 매우 중요하며, 새로운 디스플레이 세상 의 시작을 의미하는 Plastic Film기반의 Flexible Display에 대해 살펴보도록 하자.
본론
플렉서블 디스플레이를 소개함에 앞서 우리는 그 정의 를 명확히 할 필요가 있다. 플렉서블 디스플레이를 이해 할 때 기능적인 특성을 바탕으로 다양한 개념으로 받아 들여지고 있다. 즉, 혹자는 두루마리 형태로 말 수 있는 (Rollable) 디스플레이로, 혹자는 종이처럼 접거나 구부 릴 수 있으며 (Curved, Bendable) 외곽 디자인이 자유로 운 디스플레이로, 또는 기판이 유연성(Flexibility)을 갖 고 있어서 깨지지 않는 튼튼한 디스플레이로, 혹자는 플 라스틱처럼 얇고 가벼운 기판을 사용하여 가볍고 얇은 (Thin & Light) 디스플레이로 이해하기도 한다. 이러한 특성으로 인하여 현재의 모바일 디스플레이를 대체할 수 있는 디스플레이로 고려되기도 하며, 종이를 대체할 수 있는 e-Paper 개념의 디스플레이로 고려되기도 한다.
플렉서블 디스플레이는 현재 Device 위주로 논의되고 개 발되고 있으며 다양한 기술개발에 따라 그 개념 및 기술
개발현황들을 살펴보도록 하자.
우선, 플렉서블 디스플레이의 가장 기본적인 정의를 위 해서 우리가 즐겨 마시는 맥주를 그 예로 설명 하고자 한 다. 탄산가스를 많이 함유한 맥주는 초기에는 보관상의 기술적 한계로 유리병 형태로만 판매되었으나, 현대에 이르러 보관성과 이동성에 대한 소비자의 욕구를 충족하 기 위하여 캔맥주나 PET병 형태로도 판매 되고 있다. 그 러나 중요한 것은 보관 용기에 관계없이 맥주라는 내용 물은 변함이 없고, 맥주의 맛과 향기라는 품질은 차이가 있어서는 안 된다. 플렉서블 디스플레이도 맥주와 마찬 가지로 기본적인 출발은 유리기판을 기반으로 하는 디스 플레이 Device 및 생산 기술이 Plastic Film과 같은 유 연한 필름을 기반으로 하는 디스플레이 기술로 변화한 것이다. 즉 하드웨어 기술의 본질적 변화를 의미하며 그 내용물인 디스플레이의 품질인 화질은 기존 유기기판 기 반의 디스플레이와 동일하거나 또는 향상된 품질 수준을 전제로 하여야 한다.
플렉서블 디스플레이가 만들어가는 제품시장
플렉서블 디스플레이의 향후 Business 응용분야를 살 펴보면, 앞서 기술한 가볍고 얇고 깨지지 않는다는 장점 으로 인하여 휴대폰 제품 (아이폰, 갤럭시S)과, Tablet PC (아이패드, 갤랙시탭) 제품과 같은 중소형 디스플레 이가 채용된 Mobile 제품에 우선적으로 적용될 것으로 기대되며, 플렉서블 디스플레이의 대면적화 기술이 확보 되면 기존 디스플레이가 적용된 휴대폰, 노트북, 모니터, TV 등의 모든 분야에 대체 적용 가능하여, IT산업 전반 에 걸쳐 크게 확산 될 수 있을 것이다. 이뿐 아니라, 기존 의 유리기판 기반의 디스플레이로는 적용이 제한적이거 나 불가능 했던 새로운 영역의 창출이 가능하다. 예를 들
그림 2. 플렉서블 디스플레이의 의미 그림 3. 플렉서블 디스플레이의 기초정의
것이다. 이외에도 유연한 플라스틱 기판을 사용하여 질 기고 구부림이 자유로워 여러 디자인을 표현할 수 있어 입고 다닐 수 있는 의류용 Fashion, 의료용 진단 분야에 까지도 확대되어 적용될 수 있다. 또한 Roll-to-Roll 공 정을 기반으로 한 대면적, 저원가 기술이 실현되면 실내 외 광고용 간판 및 각종 장식용 용도로 새로운 수요를 창 출 할 수 있을 것이다. Tablet PC나 차세대 스마트폰과 같은 대표적 휴대기기에 플렉서블 디스플레이가 채용되 는 경우 우선적으로 Glass LCD나 OLED를 채용한 제품 에서 디스플레이 보호용 플라스틱 창을 제거 할 수 있고 휴대기기 자체를 혁신적으로 가볍고 얇게 설계 할 수 있 으며, 필요한 경우 휴대기기의 외곽 전체를 고무와 같은 연성의 재료로 설계하여 외력에 의한 변형에 내성이 크 고 잘 부숴지지 않는 기기를 개발 할 수 있다. 또한 휴대 기기의 보는기능을 극대화한 기기 전체가 디스플레이인 접이식 전화기도 구현 가능하다. 휴대성을 생명으로 하 는 e-Book제품과 Tablet PC의 특성 상 내구성이 강하 고 훨씬 가벼운 플렉서블 디스플레이가 채용될 경우 시 장이 지금보다 더 빠르게 성장 할 것으로 기대된다. (실 제로 iPad 2의 애용자인 필자의 경우에도 적지 않은 기 기의 무게로 인해 팔의 통증을 피하기가 어려움)플렉서 블 기반의 e-Paper 기술이 적용된 e-Book의 경우 가볍 고 얇은 특징 외에도 일반 책과 같이 접거나 말아서 휴대 할 수 있고, 소비전력이 매우 적어 종이 출판물을 대체 할 수 있다.
그러나, 얇고 유연한 Plastic Film을 기반으로 하는 플 렉서블 디스플레이는 무한한 기술적 가치와 잠재된 시장 의 폭발성에도 불구하고 제품출현을 간절히 기다리는 소 비자들의 손에 전달되기 까지는, 아직도 해결되지 않은 기술적 난관을 극복하기 위한 시간이 필요하며, 그림 4.
에서 설명하고 있는 것처럼, 단계적인 발전이 이루어 질 것으로 예상된다.
플렉서블 디스플레이 구현을 위한 요소기술
플렉서블 디스플레이는 앞서 정의 한대로 유연한 기판 을 기반으로 하는“디스플레이 Device 및 생산 기술”이 나 그 내용물인 디스플레이의 품질이 현재의 유리기판 기반의 디스플레이 대비 동일 또는 그 이상의 수준을 유 지하는 것으로 정의하였다. 따라서, 기술적으로는 유연 한 형태로 쉽게 접근이 가능한 수동형 구동 (Passive Matrix) 방식의 디스플레이 기술은 향후 논의의 영역에 서 제외한다. 따라서, 플렉서블 디스플레이는 유연한 기 판에 구동 소자 어레이(Array)를 형성하고 필요한 디스 플레이 모드기술을 적용한 형태를 기본적인 구조로 구동 기술 및 적용 어플리케이션에 따라서 여러 가지 형태로 나눌 수 있다.
플렉서블 디스플레이와 관련된 기본기술은, 크게 기판 기술, 구동소자 기술, 디스플레이 모드기술 3가지 영역 으로 구성되며, 각각의 기술영역은 다음과 같이 세부기 술로 구성된다.
1) 기판 기술 (Substrate) : Plastic Film
2) 구동소자 기술 (TFT Array) : Si based TFT, Oxide TFT, Organic TFT, New TFT
3) 디스플레이 모드 기술 (Display Mode) : Color LCD, Color e-Paper, OLED
단위 제품으로서 플렉서블 디스플레이의 최종 형태는 채용되는 Display Mode에 의해 결정되며 위에서 설명한 바와 같이 Color LCD, Color e-Paper 그리고 OLED 등 의 기술이 현재까지 개발되고 있는 Mode기술로, 상대적 으로 플렉서블 디스플레이 구현에 유리하나 기술적 난이 도가 가장 높은 OLED기술을 중심으로 살펴 보고자 하 며, 지면의 제한으로 본 기고는 기판기술에 한정하였다.
필자의 주 전공 분야로 현재 활발한 연구가 진행 중인 구
그림 4. 플렉서블 디스플레이의 발전 단계 (Source: Display Bank)
디스플레이 세상의 새로운 출발, 플렉서블 디스플레이 특집■차세대 디스플레이 기술
동소자 기술 부분은 다음 기회를 이용하여 상세히 설명 하도록 하겠다.
AM-OLED 기반 플렉서블 디스플레이를 위한 기판기술
TFT-LCD 이후의 평판디스플레이 유력기술로 기대되 는 능동형 유기발광소자 (AM-OLED)는 최근 중소형 모 바일 기기용 프레미엄 디스플레이로 제품적용에 성공하 여 수요가 폭발적으로 증가하고 있지만, 대 면적화, 저 원가화에 대한 기술적 난제들을 계속적으로 극복하여야 하며, 플렉서블 디스플레이로 진화하기 위해서는 그림 5. 에서와 같은 핵심적인 기술적 한계를 반드시 돌파 하 여야 한다.
플렉서블 디스플레이는 단순하게 생각하면, 제조기술 의 기반인 기판이 단단한 유리에서 유연한 플라스틱으로 바뀐 것 이다. 즉, 유연한 기판기술은 플렉서블 디스플레 이의 원초적인 출발점이다. 예를 들어 TFT-LCD를 플라 스틱 기판으로 만들면 플렉서블 TFT-LCD가 되는 것이 다. 매우 단순한 이야기지만 바위 위에 저택을 짓는 것과 물위에 수상가옥을 짓는 것만큼이나 기술적으로는 전혀 다른 이야기가 된다. 특히, 반도체 기술 기반의 능동형 구동 (Active Matrix) 소자를 유연한 기판 위에 미크론 단위의 범위에서 정밀하게 형성하려면, 습기와 산소에 대해 차단 기능이 필요하고, 온도가 가해져도 수축되거 나 이완되지 않는 탁월한 성능의 기판이 개발 되거나, 현 재의 유연한 기판의 물성한계 범위 내에서 구동소자를 쉽게 형성하는 새로운 구동소자 기술이 확보 되어야 하 나 2가지 모두 쉽게 얻어질 수 있는 기술이 아니다. 즉, 플렉서블 디스플레이를 위한 기판기술과 능동형 구동소
자 기술은 서로 직접적으로 연관되어 있으며, 현재 플렉 서블 디스플레이를 현실화 하는데 가장 큰 장애물이고 많은 연구기관과 회사에서 집중적으로 연구자원을 투입 하는 영역이다.유연한 기판의 경우 0.1mm 이하의 매우 얇은 유리판과 금속박판, 플라스틱 필름이 검토될 수 있 으나, 얇고 가볍고, 깨지지 않는 특성 때문에 Plastic Film 최종 소재이나, 아직 플렉서블 디스플레이를 구현 하는데 필요한 열적, 기계적 성능을 충분히 만족하는 기 판이 아직 확보되지 않고 있으나, 최근 유리섬유 Network을 이용한 신기술 등의 개발로 발전속도가 빨 라지고 있다.
또한, 고분자 수지를 사용하는 플라스틱 기판은 본질적 으로 산소 및 수분을 완벽하게 차단하기가 어렵기 때문 에 다양한 박막 Barrier 구조가 반드시 필요하게 된다.
특히, OLED 소자는 수분과 산소에 매우 취약하기 때문 에 매우 높은 수준의 Water Vapor Transmission Rate (WVTR), Oxygen Transmission Rate (OTR) 의 확보 가 필요하다. 그림 6. 에서 설명한 바와 같이 OLED 소자 에 요청되는 WVTR값은 10-6g/m2.day 이하가 되어야 하는데, 이는 물리적으로 달성이 쉽지 않는 양으로 하룻 동안 월드컵 축구장 6개의 면적에 통과되는 물의 양이 한 방울 이하여야 함을 의미한다.
현재까지 Pilot Line 개념에서 이와 같은 수치를 달성 한 것으로 보고된 기술은, 다층 박막 구조인 Vitex사의 BarixTM기술로, 그림 7(a). 에서와 같이, 열증착 공정기 반의 아크릴릭 유기층과 Reactive Sputtering 공정기반 의 무기 박막 (실리콘산화막, 알루미늄산화막 등)의 반복 적인 구조로 이루어진다. 현재까지의 Sputtering 공정 기술로는, 증착된 무기 박막 내에 Pin Hole, Micro Void
그림 6. OLED 소자에 필요한 Water Vapor Transmission Rate 기준 및 물리적 의미
그림 5. 플렉서블 AM-OLED의 핵심 한계 기술
Gas Barrier기능을 하는 무기박막 사이에 Buffer기능을 하는 유기물 층을 삽입하고, 이와 같은 구조를 여러층 반 복하여 외부로부터 침투한 수분이나 산소가 소자에 까지 도달하는 시간을 최대한 연장시켜 제품의 사용연한 기간 동안 신뢰성을 확보하는 개념이다. 이와 같은 이유로 Vitex사의 BarixTM기술은 일반적으로 최대 20 Pair, 최 소 5 Pair 의 다층 박막 적층구조를 사용하여 공정시간이 길고, 공정관리가 어려워 현재까지 양산성 확보가 않되 고 있는 상황이다.
박막 Barrier 기술의 핵심은 Micro/ Nano Size의 Defect까지 억제된 고특성의 고밀도 무기박막의 확보가 관건이다. 최근 프린스톤 대학에서는, Atomic Layer Deposition (ALD) 공정을 이용하여 치밀한 Al2O3박막 을 Nano Size 두께로 형성하고 연속공정으로 다층의 Al2O3 /ZrO3 박막을 연속으로 증착하는 Nano- laminated Inorganic Barrier기술로 10-5 g/m2.day에 근접하는 WVTR결과를 보고하고 있다. (그림 8. 참고) 7
최근 본 연구실에선 새로운 Neutral Beam Assisted Sputtering (NBAS)기술을 (그림 9. 참고) 이용하여
Micro/ Nano Size의 Defect이 억제된 Nano-Size Network구조의 고밀도 Al2O3박막을 개발하여, 고특성 무기박막을 Gas Barrier에 적용하였으며, 100nm의 Al2O3단일박막으로 WVTR ~10-5g/m2·day 를 확보하 였다.8-10
Plastic 기판기술은, 플렉서블 디스플레이 산업의 핵심 요소기술로, 무엇보다 중요한 기반기술 임에도 불구하 고, 그 동안 우리나라의 소재산업의 역량부족으로 인해 일본, 미국, 유럽 등의 선진 경쟁국들 대비 가장 뒤떨어져 있는 분야로, 향후 플렉서 블 디스플레이 시장이 활짝 열렸을 때 전 략적 핵심소재인 플라스틱 기판수급을 해 외에 의존해야 하는 고질적 병폐가 반복될 우려가 컸다. 그러나, 2010년 지식경제부 주도로 산·학·연·관이 유기적으로 움 직이는 연구-개발-사업화 체계를 확보하
그림 8. Nano-laminated Inorganic Barrier (Princeton University)
그림 9. Neutral Beam Assisted Sputtering (NBAS) 기반 봉지막박 증착기술 (Source: Korea Univ. Plasma Device Lab.)
디스플레이 세상의 새로운 출발, 플렉서블 디스플레이 특집■차세대 디스플레이 기술
여, 향후 10년 이내에 매출 1조원 이상, 세계시장 점유율 50% 이상이 가능한, 세계 최고수준의 부품소재 원천기 술 확보를 목표로 한 World Premium Materials (WPM) Project에서“플렉서블 디스플레이용 고분자 기 판소재 개발”과제가 선정되었고, 향후 정부는 2018년까 지 1조2000억 원을 투입, 플렉서블 디스플레이 소재 개 발에 적극 나서, 그 동안 뒤떨어져 있던 한국의 플렉서블 디스플레이 기판기술을 선진국 수준으로 올려놓을 예정 이며, 2011년 8월 현재, 지난 1년 동안 괄목할 만한 개발 성과들이 쏟아져 나와 한국의 차세대 디스플레이 미래에 희망이 보이고 있다.
최근 2010년 FPD 학회에서 Samsung Mobile Display (SMD)에서 800 X 400 (WVGA)의 플렉서블 AM-OLED를 발표하였다. (그림 10. 참고) 이 디스플레 이의 특징은 Curvature Radius 10mm를 유지할 수 있 으며, 240 um 두께로 매우 얇다. 또한 250 cd/m2과 100,000:1의 Contrast Ratio를 보여 주었다. 삼성의 전 략 스마트폰인‘갤럭시S’에 채택된 AM-OLED 패널과 동일한 WVGA(800×480) 해상도의 4.5인치 플렉서블 패널을 개발, 양산에 가장 근접한 제품이라는 평가를 받 았다. 본 시제품의 유리기판에 폴리이미드(PI)를 Coating하여 AM-OLED공정을 진행 후 박리시키는 기 술을 사용하여 아직 Roll-to-Roll 단계에 까지는 이르지 못했지만, 성능 측면에서 기존 디스플레이와 동등한 화 질을 갖춘 것으로 평가되어 앞서 설명한 1~2세대 제품으 로 사용이 가능할 것이며, 관련 업계에서는 SMD 주도로 내년부터 본격적인 플렉서블 디스플레이 시장이 열릴 것 으로 기대하고 있다.
본 기고에서 중점적으로 다룬 플렉서블 AM-OLED와 비교하여, 대 면적화와 양산성 측면에서 유리할 것으로
분석되는 Plastic TFT-LCD도 계속적으로 발표되고 있는데11-12, SID 2011에서 삼성전자 는 세계최대 크기의 고해상도 10.1 인치 플라 스틱 LCD를 선보였다. (그림 11. 참고) 이 디 스플레이는 WSVGA (1024 X 600) 해상도로, 50% Color Gamut, 250 cd/m2Brightness, 700:1의 대비비를 가지고 있다. 또한, 두께가 1.8mm로 기존 Glass기반 TFT-LCD 의 1/5 무게인 28g을 실현하였고, 삼성전자의 Tablet PC인 갤럭시 탭의 10.1 inch 사이즈 로도 만들어져 향후 모바일 기기에 적용되는 경우 앞으 로는 더욱 가벼운 Tablet PC를 쓸 수 있을 것이다.
맺음말
평판디스플레이 산업이 CRT 디스플레이 산업을 대체 해 나간 지 10년도 채 안되어서 평판디스플레이를 대체 할 또 다른 차세대 디스플레이인‘플렉서블 디스플레이’
가 거론되면서 또 다시 디스플레이 산업의 기술 혁신을 예고하고 있다. 플렉서블 디스플레이의 가치는 단순히 디스플레이 제품의 유연화, 박형화, 경량화뿐 아니라, 현 재의 디스플레이 산업이 직면한 대 면적화, 저 원가화의 한계를 근본적으로 뛰어넘는 새로운 디스플레이 세상을 여는 혁명이며, 현재의 가치로는 정확한 예측이 불가능 한 변화가 이미 시작되었다. 이미 우리나라와 미국, 일 본, 유럽, 대만 등의 주요 평판 디스플레이 업체 및 관련 업체들이 플렉서블 디스플레이와 관련하여 활발한 연구 활동을 벌이고 있으며 몇몇 업체들은 상용화 제품을 생 산할 계획도 가지고 있어, 2014년에는 e-Book 시장을
그림 10. 4.5 inch Flexible AMOLED Display with Galaxy Phone (2010. FPD) (Source: Samsung Mobile Display)
그림 11. 10.1 inch LCD plastic substrate with (a) Samsung Notebook (Sens) and (b) Galaxy Tap. (2011. SID)
(Source: Samsung Mobile Display)
중심으로 본격적인 시장이 형성 될 것으로 예상되고 있 다. 플렉서블 디스플레이가 제대로 자리 잡기 위해서는 성능 면에서는 기존 디스플레이와 최소한 동등해야 하 며, 원가 경쟁력을 갖춰야 하며, 기반 기술이 완성되어야 하고, 생산 공정성 확보가 우선되어야만 한다. 이뿐 아니 라 신규 어플리케이션 이 창출되고 플렉서블 디스플레이 가 기존 디스플레이를 대체해 나갈 수 있을 때, 플렉서블 디스플레이가 진정으로 차세대 디스플레이로 자리매김 할 수 있을 것이다. 앞으로 플렉서블 디스플레이의 핵심 원천 기술과 특허를 확보해 나가며, 플렉서블 디스플레 이는 경박 단소 특성과 저 원가화 및 대 면적화 생산기술 을 차근차근, 그러나 확실하게 확보해 나가면 상상의 세 계에서나 가능했던 일들이 최대 10년 아니 그 이전의 그 리멀지 않은 미래에 우리 생활에 깊숙히 들어와 있을 것 이다.
참고문헌
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약 력
홍문표
2006. 02 ~ 현재 : 고려대학교 디스플레이반도체 물리학과, 교수
2000. 02 ~ 2006. 02 : 성균관대학교 전자공학과, 겸임교수
1995. 12 ~ 2006. 02 : 삼성전자 LCD연구소, 그룹장/ 수석연구원
1995. 05 ~ 1995. 12 : University of Wisconsin- Madison, Research Associate 1990. 09 ~ 1995. 05 : University of Wisconsin-
Madison, Engineering Physics, Ph.D.
1987. 03~ 1989. 06 : 한양대학교, Neutron Physics, MS
1983. 03 ~ 1987. 02 : 한양대학교 원자력공학과, BS
goodmoon@korea.ac.kr 그림 12. Flexible Display with Tablet PC.
