플렉서블 디스플레이 핵심 구성 요소 기술의 이슈 파악 선행돼야

국내 LCD, PDP 등의 평판 디스플레이 산업은 세계 최고의 기술력을 가지고 있으나 플렉서블 디스플레이는 초기 단계이며, 삼성디스플레이, LG디스플레이 등을 중심으로 플렉서블 AMOLED 상용화 기술 개발을 진행 중이다. 플렉서블 디스플레이 관련 분야의 기술 개발이 일부 진행 중이나, 소재 및 장비의 국산화율은 매우 낮으며, 본격적인 시장이형성되지 않은 상태이므로 원천 소재, 공정, 장비기술 등 경쟁력 강화에 집중할 필요가 있다.

플렉서블 디스플레이(Flexible Display)는 평면 디스플레이(Flat Panel Display)와 달리 접거나 휠 수 있는 등 형태를 변형시킬 수 있는 차세대 디스플레이를 지칭한다. 플렉서블 디스플레이는 형태의 변형을 통해 공간 활용성을 높일 수 있으며, 얇고 가벼우며 깨지지 않는 장점 등이 있다. 스마트폰을 비롯한 웨어러블 스마트 기기, 자동차용 디스플레이 및 디지털 사이니지(Digital Signage) 등의 분야에 적용 가능하다(그림 1).

▲ 그림 1. 플렉서블 디스플레이의 다양한 적용분야

접거나 휘는 것이 가능한 플렉서블 형태의 IT 기기는 휴대성, 공간 활용성 등을 높여 소비자에게 편의성을 제공할 것으로 기대되며, 이러한 차세대의 IT 기기가 개발되기 위해서는 플렉서블 디스플레이 등 변형이 가능한 부품 개발이 선행돼야 한다. 대표적 IT 기기인 스마트폰의 경우 디스플레이, 배터리, 회로 기판 등 다양한 부품으로 구성되며, 이를 구성하는 부품들을 플렉서블한 형태로 생산하는 기술이 필요하다.

디스플레이는 스마트폰, 태블릿 PC, 웨어러블 기기 등을 통해 일상생활과 밀접한 전자부품으로, 형태 변형이 가능한 플렉서블 디스플레이의 연구·개발 활동이 활발하게 이루어지고 있다.

플렉서블 디스플레이 발전 단계 및 유형

플렉서블 디스플레이는 휘는 정도에 따라서 Curved, Bendable, Rollable & Foldable 단계로 발전할 것으로 전망되며, 현재는 휘어진 형태로 고정되어 변형이 불가능한 Curved 단계 디스플레이만 상용화돼있다. Curved 단계의 플렉서블 디스플레이는 현재 스마트 폰 및 스마트 워치 등에 적용되고 있다(표 1).

▲ 표 1. 플렉서블 디스플레이의 발전 단계

Bendable 단계에서는 제품의 일부분만 구부릴 수 있는 정도의 플렉서블 디스플레이로 주로 웨어러블 기기에 적용 가능할 것으로 전망된다. Rollable &Foldable 단계의 플렉서블 디스플레이는 자유롭게 말거나 접을 수 있는 등 공간의 활용성이 크게 향상되며, 의류, 조명, 자동차 등과 융합한 다양한 형태로 응용 가능할 것으로 예상된다.

플렉서블 디스플레이는 OLED, LCD, E-Paper 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으나, 업계 내에서는 OLED 구동방식이 플렉서블 디스플레이에 적합한 방식인 것으로 인정되고 있으며, 이를 이용한 제품이 주로 개발되고 있다.

OLED 구동방식은 보조광원이 불필요하여 완전한 플렉서블을 구현할 수 있으나, 공정 난이도가 LCD 구동 방식 대비 높고 유기 발광 물질이 수분에 민감한 점 등의 단점이 있다.

LCD 구동 방식은 비교적 제조 공정이 간단하나, BLU2와 같은 보조 광원이 필요하여, Curved TV와 같은 대형 디스플레이에만 적용 가능한 수준이다. E-Paper는 시각적으로 종이와 유사하고 주로 e-book의 영상을 표시하는 구동 방식으로써, 플렉서블한 형태의 제작에는 유리하나 응답속도가 느리고 컬러의 구현이 어려운 단점이 있다(표 2).

▲ 표 2. 구동방식에 따른 플렉서블 디스플레이 유형

플렉서블 디스플레이 구조

OLED 구동 방식의 플렉서블 디스플레이는 유기 발광층에 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 자체발광형 디스플레이로, 크게 PI 기판, TFT Backplane, 유기 발광층, 봉지층 등으로 구성된다(그림 2).

▲ 그림 2. 플렉서블 디스플레이의 구조

PI 기판은 유연성을 보유한 플라스틱의 일종으로 평면 디스플레이가 유리기판을 사용하는데 반해, 플렉서블 디스플레이는 PI 기판을 사용하는 것이 가장 큰 특징이다.

TFT Backplane은 디스플레이의 각 화소를 구동하기 위한 TFT 소자 및 금속 배선, 절연막 등의 여러층을 총칭한다.

유기 발광층을 OLED라고도 하며 양극(Cathode)과 음극 (Anode)으로부터 정공과 전자가 주입되면 발광층에서 결합하면서 빛을 발생시킨다. 봉지층은 유기 발광층 및 TFT Backplane에 수분이 침투되는 것을 막는 역할을 한다. 현재 상용화된 플렉서블 디스플레이의 대부분이 OLED 구동 방식이고, 시장에서 플렉서블 디스플레이라 함은 OLED 구동 방식의 플렉서블 디스플레이로 통용되고 있다.

▲ 그림 3. 플렉서블 디스플레이 생산 공정

플렉서블 디스플레이 기술 동향

플렉서블 디스플레이 생산 공정은 PI 기판, TFT Backplane, 유기 발광층 및 봉지층을 형성한 후, Carrier Glass를 제거하는 순서로 진행된다. 플렉서블 디스플레이는 PI 기판, 봉지층 형성 공정에서 평면 OLED 디스플레이와 차별화된 생산기술이 필요하다. TFT Backplane 및 유기 발광층 형성은 공정조건의 차이는 있으나 평면 OLED 디스플레이와 유사한 공정으로 진행된다(표 3).

▲ 표 3. 플렉서블 디스플레이 구성요소 및 역할

PI 기판 형성: 플렉서블 디스플레이 생산기술의 핵심은 유연성을 보유하면서 고온에서 공정 수행이 가능한 기판 소재를 확보하는 것이며, 현재는 플라스틱 소재 중에서 300℃ 이상에서도 유리 전이 현상이 발생하지 않는 PI 소재가 사용되고 있다. PI 기판은 액체 상태의 PI 소재를 Carrier Glass 위에 얇게 도포한 후 경화시켜 형성되며, 기판 위에 TFT Backplane, 유기 발광층 등을 형성시켜 제품을 만든 후, Laser Lift Off 방법으로 Carrier Glass로부터 분리시킨다. PI 소재는 쉽게 휘어지고 열에 의한 수축·팽창이 유리기판보다 크기 때문에, 기판을 Carrier Glass에 고정시켜 공정이 수행된다(표 4).

▲ 표 4. 플라스틱 기판의 종류 및 특성

플렉서블 디스플레이의 기판소재로 다양한 플라스틱 소재가 거론되었으나, 내열성이 뛰어난 PI가 기판 소재로 채택되어 사용되고 있다. TFT Backplane을 형성하기 위해서는 진공 증착, 노광, 식각 등 다양한 공정이 진행되며 그 중에는 300℃ 이상의 고온 공정도 있어, 유리전이 온도가 낮은 소재는 사용이 불가능하다. PI 소재는 다른 소재에 비해 투과율이 떨어지는 단점이 있었으나, 현재는 투과율 90% 수준의 PI 소재가 개발된 것으로 조사됐다.

봉지층 형성: OLED 구동 방식의 유기 발광층은 수분에 취약하여 수분의 침투를 막아주는 봉지층 형성이 필요하며, 플렉서블 디스플레이에는 유연성을 확보하면서 수분 침투방지 성능을 향상시킨 TFE(Thin Film Encapsulation) 기술이 사용된다(표 5).

▲ 표 5. 평면 및 플렉서블 디스플레이의 봉지공정 비교

TFE 기술은 유연한 유기물층과 투습 방지 성능이 뛰어난 무기물층을 교대로 적층시켜, 유연하면서도 수분 침투 방지에 효과적인 봉지층을 형성하는 기술이다(그림 4). TFE는 [유기물 도포 → 경화 → 무기물 증착(Sputtering)] 공정이 반복적으로 진행되어 다층의 배리어막이 형성된다. 평면 OLED 디스플레이는 Glass Frit Sealing 기술을 사용 중이며, 유리 재질의 Frit은 깨지기 쉬워 플렉서블 디스플레이에는 적용이 불가능하다.

▲ 그림 4. TFE 형성 공정

삼성디스플레이와 LG디스플레이는 그 동안 LCD, 3D TV, OLED TV 등에서 차별화된 방식의 기술로 제품을 개발해 왔으나, 플렉서블 디스플레이의 경우에는 전반적으로 유사한 기술에 의해 생산된다. 세부적인 공정 조건, 설계, 구조 등에서는 양사 간에 차이점이 존재한다(표 6).

▲ 표 6. 플렉서블 디스플레이 기술 비교

기판은 동일하게 PI 소재를 이용해 코팅하는 방식을 사용하고 있다. TFT Backplane에는 LTPS 기술이 적용되고 있다. 기존에 삼성디스플레이는 LTPS, LG디스플레이는 Oxide 기술에 강점이 있어 각 회사의 주요 기술로 개발해왔으나, 플렉서블 디스플레이에는 LTPS 기술이 동일하게 적용된다.

OLED는 RGB 발광 방식 및 Top Emission 구조(빛이 기판의 정면을 통해 발산)가 동일하게 사용되고 있다. OLED 발광방식에는 RGB 방식과 WOLED 방식이 있으며, 삼성 디스플레이는 RGB 방식으로 모바일용 OLED 디스플레이를, LG 디스플레이는 WOLED 방식의 OLED TV를 양산 중이다. 봉지층 형성은 삼성디스플레이가 미국 Vitex의 TFE 기술과 관련된 특허를 매입하여 전용으로 사용하고 있으며, LG디스플레이는 TFE 기술과 적층수, 두께, 재료 등에서 차이는 있으나 유·무기 재료를 혼합해서 적층하는 유사한 방식을 사용한다.

플렉서블 디스플레이 기술 이슈

플렉서블 디스플레이 기술은 종이 인쇄물에 근접하는 저원가를 지향하면서, 디지털 디스플레이가 갖는 표시 특성을 유지 또는 극복하기 위해 기존의 기술과는 차별화된 고기능성 재료와 그 재료에 적합한 공정, 장비 기술의 개발이 필수적이며 많은 연구 개발이 따라야 한다.

경박단소 및 유연화를 특징으로 하는 플렉서블 디스플레이를 구현하기 위해, ▲ 기판 기술 ▲ 구동소자 기술 ▲ 표시소자 기술 ▲ 봉지 기술 ▲ 탈착 기술 분야에서 기존 디스플레이 구현 기술과는 다른 개념의 소재, 공정 및 장비 기술 개발이 필요하다.

기판 기술은 플렉서블 디스플레이를 구현하기 위한 가장 핵심적인 개발 요소이며 플렉서블 기판은 ▲ 무색 투과성이 좋아야 함 ▲ 찢어지거나 부서지지않고 단단해야 함 ▲ 저가격 및 성형성이 좋아야 함 ▲ 열 및 유기용매에 늘어나거나 수축되지 않는 Film 안정성이 좋아야 함 ▲ 산소의 투과 및 습기의 투과를 완벽하게 차단하여야 함과 같은 조건들을 충족해야 한다.

기판 기술은 단순히 특성이 좋은 재료를 개발하는 소재 기술을 넘어서 디스플레이 특성 및 공정성 확보를 위한 다양한 보호막이 저원가로 적층되는 기술이 복합적으로 개발돼야하는 핵심부품 기술이다(그림 5).

▲ 그림 5. 플렉서블 디스플레이 핵심 구성 요소 기술

플렉서블 디스플레이용 구동소자 기술은 모듈 측면에서 ▲ 유연한 기판의 특성을 반영한 저온(또는 상온), 저원가 기술 개발 ▲ 유기물을 기반으로 하는 유기 TFT 기술 개발 ▲ Solut ion Process 가능한 실리콘 TF T 및 산화물계 TFT 기술 개발 등의 방향으로 진행돼왔으며 최근 산화물계 TFT 기술의 발전을 통해 유연기판용 공정 온도에서 성능이 확보되고 있다. Solution Process가 아닌 Dry Process(진공공정 포함)는 공정을 단순화하고, 상온에 근접하는 저온화를 확보해 원가경쟁력 확보가 관건이며, Roll-to-Roll Process에 도입되기 위해서는 저온화와 동시에 대기압에 근접하는 비진공 기술의 확보가 필요하다.

▲ 그림 6. (a) 진공 증착 공정 (b) 용액형 공정

표시소자 관련 기술은 LCD와 OLED 기술을 플렉서블 디스플레이로 적용하는 것이 가장 큰 흐름이나 고가의 배리어 특성을 요구하지 않는 전자종이 형태의 표시소자가 또다른 형태의 큰 흐름으로 진행 중이다. 따라서 향후 플렉서블 디스플레이 표시소자의 발전은 LCD와 OLED를 기반으로 하는 TV형 디스플레이와 e-paper 형태의 모바일형 디스플레이로 구분돼 발전될 것이 예상된다.

봉지(Encap) 및 배리어 기술은 플렉서블 OLED와 같이 산소나 수분에 민감한 표시부 소자에 꼭 필요한 기술, 기판 기술과 함께 발전해야하는 기술이며 두 기술 중 한가지만이라도 문제가 발생할 경우 소자 신뢰성 및 내구성에 문제가 발생할 수 있다. 특히, 박막봉지(Thin film Encap)기술은 플렉서블 OLED를 위해서는 꼭 필요한 기술이나, 공정 속도 및 품질이 상호 모순적인 관계에 있어 추가적인 기술 혁신이 요구되는 상황이다.

플렉서블 디스플레이 기술 개발 동향

플렉서블 디스플레이는 향후 Rollable 또는 Foldable 단계의 모듈 기술이 개발될 것이며, 이와 함께 부품·소재 및 장비 기술개발이 활발히 이루어질 것으로 전망된다.

Cur ved 단계의 플렉서블 디스플레이는 과도기적인 제품으로, Rollable 및 Foldable 단계를 진정한 의미의 플렉서블 디스플레이로 볼 수 있다. 접고 펼 수 있는 Foldable 형태에서 늘릴 수 있는 Stretchable 형태의 디스플레이가 개발될 것으로 전망되기도 한다(표 7).

▲ 7. 플렉서블 디스플레이의 국내·외 기술개발 동향

현재 플렉서블 디스플레이는 일반적으로 플렉서블 소재를 Glass기판에 부착해서 공정을 진행한 후 탈착해 플렉서블 디스플레이가 제조되고 있다. 이때 유리 기판에 부착된 플렉서블 기판이 공정 조건을 견디다가 모든 공정이 끝난 후 탈착돼야 하는데 이러한 공정을 위한 고 선택비를 갖는 접착제 혹은 레이저와 같은 고에너지 공정이 요구되는 상황이다. 이를 해소하기 위한 저비용 고효율 공정 및 소재기술 개발이 요구되고 있다.

모듈기술: 디스플레이 분야 선도기업 및 연구소는 각종 전시회를 통해서 Foldable 단계의 디스플레이 시제품을 선보이는 등 가변형 플렉서블 디스플레이의 원천 기술은 확보한 것으로 보이나, 양산을 위한 수율 향상, 신뢰성 확보 등에서 개선점이 남아있는 것으로 판단된다.

삼성전자는 2014년 하반기 뉴욕에서 개최된 투자자 포럼에서 태블릿용(10인치), 스마트폰용(5.5인치)의 Foldable 디스플레이 시제품을 전시했다. 태블릿용 제품은 양쪽에서 1번씩 모두 2번 접히는 형태이고, 스마트폰용 제품은 반으로 접을 수 있는 형태로 두 제품 모두 5mm 수준의 곡률반경을 구현하는 기술이 적용됐다.

부품·소재 기술: Foldable 디스플레이는 곡률반경이 종이를 반으로 접었을 때와 유사한 1mm수준이어야 하며, 이를 위해서는 강화 유리, 터치센서, 박막 봉지층 등 부품·소재의 유연성을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 필수적이다. Curved 단계에서는 기판만 유연한 소재인 PI를 사용하고 있으나, 향후 강화 유리를 대체할 플라스틱 윈도우, 터치센서의 전극소재인 ITO를 대신할 유연전극, 박막 봉지층의 적층수 및 두께를 줄이는 기술 등의 부품·소재 기술 개발이 필요하다.

장비 기술: 플렉서블 디스플레이는 현재 LCD 대비 제조 원가가 높은 수준으로, 원가 절감을 위해 플렉서블 디스플레이에 적합한 장비 및 공정 기술이 개발돼 적용될 것으로 전망된다.

현재는 유기 발광층 형성에 유기재료를 기화시켜 기판에 증착시키는 방식이 사용되고 있으나, 향후 유기재료를 용액화시킨 후 프린팅하는 공정 기술의 개발로 제조 원가를 절감할 수 있을 것이다. 용액형 공정은 기존의 기화방식 대비 재료 사용의 효율성을 높이고, 초기 설비 투자 비용도 낮출 수 있다.

※ 출처가 표기 안 된 그림과 표는 KDB산업은행 보고서 인용

김진희 기자 (eled@hellot.net)