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BK 우정교수의 디스플레이 이야기 NO.6
[플라스틱사이언스] 기사입력 2020-10-15 09:45:17


고온 다결정 실리콘 TFT LCD(HTPS TFT LCD) >>
능동 구동형 디스플레이에서는 각각의 부화소에 트랜지스터와 커패시터가 들어갑니다. 트랜지스터는 특정 화소를 지정하고 그 화소에만 전기적 신호가 들어갈 수 있도록 on/off를 선택하고, on 상태에서는 신호를 전달해주는 역할을 하죠. 따라서, 누설 전류가 작아서 신호의 손실이 없어야 하고, 또한 캐리어 이동도가 커서 신호의 전달 속도가 빨라야 합니다. 그런데, 디스플레이의 기판인 유리 위에 만들어지는 실리콘은 비정질층(amorphous layer)이어서 특히 이동도가 매우 작은데, 이 값을 증가시키기 위하여 레이저 열처리 등으로 실리콘 층의 결정성을 향상시키며, 이러한 과정을 결정화(crystallization)라고 합니다. 결정화 공정을 거친 실리콘 층은 단결정 실리콘 결정립(crystal grain)들이 모여서 이루어진 다결정층(poly-crystal layer)이 되어 이동도가 향상되는데, 그 정도는 결정립의 크기에 의존합니다. 결정립의 크기는 당연히 레이저 열처리 온도가 높고 시간이 길수록 증가하겠지요.

이때, 결정화 온도는 유리 기판이 손상을 입지 않는 한도 내에서 정해지며, 만일 이동도를 더 높이기 위하여 섭씨 1,000도 이상의 결정화 온도가 요구된다면, 열 내구성이 강한 석영 기판을 사용합니다. 이와 같이 이동도를 증가시키기 위하여 높은 온도에서 결정화 공정을 수행하여 결정립이 큰 다결정 실리콘 층을 형성하고, 여기에 만들어진 트랜지스터를 고온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터(High-Temperature Poly-Silicon Thin Film Transistor, HTPS TFT)라 하며, 이를 스위칭 소자로 내장한 LCD를 HTPS TFT LCD, 혹은 HTPS LCD라고 합니다.



석영 기판은 크기를 증가시키는 데에 한계가 있고, 가격 또한 높아서 HTPS TFT LCD는 대면적 디스플레이보다는 주로 화면 크기가 작고 해상도가 높은 마이크로 디스플레이용으로 만들어지며, 투사형이나 가상형 디스플레이 기기, 혹은 2 ~ 3인치급 이하의 뷰 파인더와 같은 특정 용도의 직시형 디스플레이로 사용됩니다. LCD 계열 내에서의 경쟁 기술로는 ‘실리콘 위의 액정’, 즉, LCoS가 있는데, 이는 이동도가 다결정 실리콘보다도 큰 단결정 실리콘 웨이퍼 자체를 스위칭 소자로 사용하는 것입니다. 두 경우 모두, 높은 이동도를 갖는 트랜지스터의 제작을 이용한다는 점과 더불어서, 드라이브 회로와 같은 주변 회로들을 디스플레이 기판 위에 함께 집적화할 수 있어서 SoD(System on Display)가 가능하다는 장점도 있습니다.


실리콘 위의 액정(LCos)소개 >>


LCoS는 ‘실리콘 위의 액정,’이라는 용어 그대로, 실리콘 웨이퍼에 만들어진 백플레인 위에 액정을 설치하여 LCD를 구성한 것입니다. 실리콘 웨이퍼에 만들어진 트랜지스터는 스위칭 소자로서 최고의 성능을 가지며 이와 함께 상보 금속 산화막 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 집적 회로(Integrated Circuit, IC)를 구성하여 디스플레이 구동 회로까지 함께 집적화할 수 있어서 초소형, 고성능 LCD의 구현이 가능합니다. 디스플레이 패널의 크기는 1인치 이하, 두께는 1~2mm, 그리고 해상도를 결정하는 피치는 2마이크론 이하까지도 가능하죠. 패널 크기로 미루어 짐작할 수 있지만, 마이크로 디스플레이로써 투사형이나 가상형 디스플레이로 사용하게 되죠. 물론 패널 자체는 실리콘의 불투명 요인으로 인하여 반사형으로 동작합니다.

LCoS는 1970년대 말에 미국의 GE(General Electric)에 의해서 최초로 시연됩니다. 정체기를 거쳐 1990년대에 이르러서야 비로소 투사형 및 가상형 디스플레이의 필요성이 커지면서 여러 회사가 개발, 생산에 참여하게 되죠. 2005년 겨울, 일본의 소니가 높은 해상도와 대조비(contrast ratio)를 갖는 LCoS로 프로젝터 시장에 불꽃을 당깁니다. 연이어 일본의 JVC(Japan Victor Co.), 캐논 등이 프로젝션 TV 등으로 응용 분야를 확장하였고, 뒤를 이어 미국의 인텔, 네덜란드의 필립스 등도 합류하였지만 경쟁 기술들과의 가격과 성능 싸움, 응용 분야의 새로운 발굴 과정 등에서 부침을 겪으면서 명맥을 유지하여 오고 있습니다.

2010년 이후는 LCoS의 재도약 시기로써, 소니는 여전히 의지를 가지고 가고, 이에 더하여 대만의 하이맥스, 미국의 오로라 시스템즈와 Syndiant, 중국의 Splendid Optronics Technology 등에서 피코 프로젝터, 데이터 보드, 그리고 AR과 VR 제품 등을 겨냥하여 제품화 및 시장 개척 속도를 높이고 있습니다. 이에 더하여 JDC는 미국 eLCOS의 특허 등을 라이센싱하여 새로운 도약을 시작하였습니다. LCoS에 대해서는 지속적인 관찰과 분석의 묘미가 충분합니다. HTPS TFT LCD, 그리고 뒤를 이어서 기술한 ‘실리콘 위의 OLED,’ ‘마이크로 LED’등과의 경쟁 구도 또한 기대가 큽니다.


실리콘 위의 OLED(OLEDos) 소개

OLED는 현재, 직시형 디스플레이로써 모바일 기기, 태블릿, 그리고 TV 등의 제품에 폭발적으로 적용되고 있으며, 이들의 수요를 감당하기에 여념이 없습니다. 이러한 상황에서도 OLED를 실리콘 웨이퍼상에 제작하여서 특히, 가상형으로써 근안용 디스플레이(Near-to-Eye Display, NED)로 이용하고자 하는 시도는 진행이 되고 있습니다. 실리콘 웨이퍼에 만들어지는 백플레인과 구동 회로부를 사용하고자 하는 의도는 LCoS의 경우와 같습니다. 즉, 고속의 응답 시간과 높은 개구율에 따른 고해상도, 그리고 컴팩트한 마이크로 디스플레이를 구현하기 위해서이죠. 물론 회로는 높은 집적도, 낮은 전력 소비의 CMOS 위주로 하고, 이 위에 올라가는 OLED는 투명 전극을 위로 배치한 상부 발광(top emission) 구조를 가집니다.

2011년에 일본의 소니는 CMOS 실리콘 백플레인 위에 빛을 위로 반사하는 양극, 투명한 음극을 갖는 백색 OLED, 그리고 그 위에 RGB 칼라 필터를 설치한 OLEDoS를 발표한 바 있습니다. 제작 과정은 아래에서 위로 적층하는 순서를 따르고 있죠. 즉, 반도체 파운드리에서 제작된 실리콘 백플레인 위에 웨이퍼 레벨로 OLED 박막들을 증착하고, 박막 봉지(Thin Film Encapsulation, TFE)를 한 후, 칼라 필터를 설치하고, 커버 글라스를 덮은 뒤 마지막으로 패널들을 하나씩 잘라내는 과정(singulation)을 거쳐 완성됩니다. 물론 백색 OLED 대신에 칼라 화소들이 별도로 형성된 RGB OLED를 넣는 것도 가능합니다. 2013년 무렵에 독일의 프라운 호퍼에서 FMTL(Flash-Mask-Transfer-Lithography)라는 전사 공정을 발표한 바 있죠. 독일의 드레스덴 디스플레이에서는 2016년에 안경형 QVGA(Quarter Video Graphics Array)급 마이크로 OLED를 발표하였으며, 2017년에 미국의 eMagin은 이를 2K x 2K 수준의 해상도를 갖는 헤드셋 용으로 끌어올렸습니다. 비슷한 시기에 미국의 코핀은 유사한 수준, 약 3,000 ppi(pixels per inch) 해상도의 OLEDoS와 이를 이용한 스마트 글래스를 시연하였습니다. 2017년 이후로 보고되는 바에 의하면, 소니는 OLEDoS를 적용한 스마트 안경(eye glass)이 부착된 헤드셋을 개발 중으로 이를 CES 2017에서 발표한 바 있으며, eMagin은 VR/AR용으로 화소의 피치가 10 마이크론 이하로 내려가는 초고해상도의 마이크로 디스플레이를 제작하고 있습니다.

OLED가 OLEDoS를 통하여 마이크로 디스플레이 시장으로 들어오는 날, 완성된 기술을 통한 강력한 힘은 응용 분야와 시장의 판도를 흔들 수 있습니다. 이미 화소 크기는 10 마이크론 이하로 내려왔으며 3,000 ppi를 넘어서 5,000 ppi의 해상도를 향하고 있는 수준, 아직은 미래 디스플레이로써 구분되는 마이크로 LED와 함께 초고해상도, 기판 자유도를 갖춘 고급형 마이크로 디스플레이로써, 무섭게 확장되고 있는 VR/AR용 NED의 현장에서 멋진 경쟁을 펼칠 날을 기대합니다.


기다려지는 디스플레이들 >>

지금까지 소개한 디스플레이들은 제품이 시장에 등장, 한 시기를 풍미하다가 사라진 디스플레이들, 발전과 진화를 거치면서 여전히 존재, 혹은 성장하고 있는 디스플레이들입니다. 그 다음 이야기로, 지금은 개발 단계로 수년 정도의 시간이 흐른 뒤 제품으로써 시장에 진입할 가능성이 높은 디스플레이들, 그리고 기존 혹은 등장할 디스플레이들의 발전과 진화 형태를 예측하여 보고자 합니다. 10년 이후의 디스플레이 기술, 제품들에 관한 상상과 예측은 범위를 벗어납니다. 내가 현역에 있을 시간은 7년여가 남았으니까요.

먼저, 현재 기술적으로는 가장 앞서고, 시장에서는 LCD와 겨루고 있는 OLED를 보죠. OLED는 2,000년대 초반에 모바일 기기로 시장에 본격적으로 등장한 이래로, TV에 이르기까지 질풍노도의 속도로 발전하여 왔습니다. 색깔과 해상도로 대표되는 성능은 물론, 소비 전력, 가격과 같은 경제적인 장애도 훌쩍 넘었고, 조만간에 휘고, 접고, 말 수 있는, 즉 생김새(form factor)에서 일대 전환을 이루어 접는 폰(foldable phone)과 말 수 있는 TV(rollable TV)까지 시장에서 볼 수 있을 것입니다. 기술적인 면에서 볼 때, 발광 방향은 후면 발광에서 전면 발광, 그리고 양 방향 발광이 가능한 투명 디스플레이까지 진화 중이며, OLED가 만들어지는 기판은 딱딱한 유리에서 유연한 플라스틱에 이르기까지 선택의 폭이 넓어졌습니다. OLED 소재도 효율 면에서 불리한 형광(fluorescence) 소재에서 효율이 높은 인광(phosphorescence) 물질로 급격히 전환되고 있으며, 제작 과정은 이미 확보되어 있는 진공 증착 기반의 건식 공정(dry process)에 더하여 프린팅 방식을 중심으로 한 습식, 혹은 용액 공정(soluble process)도 개발 중입니다.

물론, OLED가 가는 길에 장애물이 없는 것은 아닙니다. 예를 들어 대면적, 고해상도로에서 기존의 백색 OLED에 칼라 필터를 덧댄 방식(White OLED, WOLED)이 아닌 독립적인 RGB 부화소들로 패터닝된 방식(RGB OLED)을 구현하는 FMM(Fine Metal Mask) 공정, 상부 발광, 혹은 투명 OLED에 쓰일 수 있는 투명하면서도 전기 전도도가 높고 일함수 매칭이 원활한 음극 구조, 형광 재료들에서 인광 재료로의 완전한 대체, 용액 공정이 가능하며, 미세 패턴을 구현할 수 있는 잉크 소재와 패터닝 방법 등이 선뜻 생각납니다. 이에 더불어 점점 더 응용 영역을 넓혀가는 플라스틱 OLED, 즉, 혹은 휘고 접고 말 수 있는 OLED의 완전한 구현과 관련된 기술적 이슈들, 즉, 기존의 폴리이미드 바니쉬 공정보다도 쉽고 경제적인 공정이 가능한 일반 플라스틱 기판의 적용, 숱한 변형에도 특성을 유지하는 유연, 투명 전극들, OLED의 변형 자유도에 지장을 주지 않은 박막 봉지 기술, 이러한 기술들을 통하여 OLED를 생산할 수 있는 최적의 솔루션, 롤투롤(Roll-to-Roll, R2R) 제조 방법 등도 넘어야 할 장벽입니다. 그럼에도 불구하고 OLED는 이제 완성형에 가까운 디스플레이임은 자명하죠.

다음으로 당장, OLED TV와 전쟁을 치르고 있는 QLED TV, 과연 QLED란 용어가 적절한지에 대한 논란도 있습니다. 정확히 말하자면, 지금의 QLED는 기존의 LCD에 양자점(QD)을 적용한 BLU(Back Light Unit)를 활용하고 있는 기술입니다.

물론 양자점의 적용 방식도 나날이 발전하고 있죠, 예를 들어, QDEF(Quantum Dot Enhancement Film), QDOG(Quantum Dot on Glass), 그리고 QDCC(Quantum Dot Color Conversion) 등으로. 다만, 이는 어디까지나 LCD의 진화형이며, LED 광원으로 작동하는 광 발광(PL) 현상을 이용한 방식입니다. 진정한 QLED는 후면 광원이 사라지고, 순수한 전계 발광(EL)으로 동작하는 방식으로 이 기술의 완성에는 앞으로도 수 년 정도가 걸릴 듯 합니다. 따라서 지금은 OLED로 성장하는 시기인데, 어른이 되면 불려질 이름을 미리 사용하는 것이 맞고 틀린지는 독자들의 판단에 맡깁니다. 그리고, 마이크로 LED를 들 수 있습니다. 연륜이 오래된 LED 칩, 발광 소자가 디스플레이까지 발전한 경우입니다. 칩의 크기를 100~50 마이크론 이하로 줄여서 각각을 별도의 디스플레이 부화소들로 사용하겠다는 전략이죠. 가능성은 충분히 입증되었고, 현재 시연은 물론 대형 TV나 사이니지로 소량 생산까지 이루어지고 있습니다. 이미 시장 진입에는 성공하였죠. 반도체 웨이퍼에 만들어진 작은 칩들을 디스플레이용 대형 기판으로 어떻게 옮길 것인지가 숙제이지만, 초소형 칩들을 통한 높은 해상도, 화소들이 만들어진 후에 기판을 선택할 수 있는 기판의 자유도 등의 특징, 장점들이 남은 문제들을 해결하여야만 하는 동기를 충분히 부여하고 있습니다. QLED와 마이크로 LED는 여전히 나아가고 있습니다. OLED 보다 더 넓은 미개척 영토, 즉 더 많은 장애 극복을 위하여 빠른 속도로. 이상은 주로 직시형 디스플레이 패널들에 관한 이야기였습니다. 이와 함께 더욱 환상적으로 발전할 생김새(form factor), 즉, 휘고(flexible), 말고(rollable), 접고(foldable), 늘리고 줄일 수 있고(stretchable), 생체친화적이며(biocompatible), 투명하기도(transparent) 한 디스플레이들, 그리고 이들로 인하여 입고(wearable), 붙이고(attachable), 인체에 삽입하고(implantable), 건물이나 자동차 등에 내장할 수 있는 전기 전자 기기들이 가능한 세상도 함께 생각해 볼 수 있습니다. 또한 이러한 디스플레이들을 충분히 활용한다면, 실공간에 띄울 수 있는 3차원 디스플레이도 실생활로 들어옵니다. 일단은 이 정도, 즉 수년 내에 승부가 날 수 있는 디스플레이들의 이야기로 마무리하며, 더 긴 시간, 오랜 이야기가 필요한 내용들은 뒷 부분에서 미래의 디스플레이 주제로 풀어갈 생각입니다.


한국의 디스플레이 산업, 선두지키기 >>

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 10여년을 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? 성능에 있어서, 해상도는 8K(가로 8,000라인), 1000 ppi를 넘어서고 있으며, 칼라도 이제는 눈으로 구별하기가 어려울 정도의 자연색을 구현합니다. 형태(form factor)도 휠 수 있고 말 수 있고, 그리고 접을 수 있는 디스플레이로 발전하였으며, 화면 크기도 TV로서도 충분한 크기인 100인치급에 육박하고 있습니다.


즉, 선점자가 도약할 수 있는 길이 명확하지 않습니다. 성능면에서는 더 나아갈 길이 딱히 보이지 않고 발전의 여지가 작죠. 형태나 크기면에서도 말 수 있는 폰, 접을 수 있는 TV, 그리고 늘리거나 줄일 수 있는 탄성 디스플레이 정도가 보일 뿐입니다. 다만, 유연하고 탄성이 있는 디스플레이를 구현하기 위한 세부 기술들은 아직 성숙되지 못하였습니다. 발전의 여지가 크지는 않지만 어느 정도는 남아있다고 해야 할까요? 결국은 응용 부분입니다. 즉, 최근까지는 디스플레이가 모바일 기기(소형), PC의 모니터(중소형), 그리고 TV(대형) 부문에 70~80퍼센트 이상이 사용되어 왔습니다. 그런데 이제는 성능의 한계가 없어지고, 형태를 다양하게 취할 수 있고, 그리고 화면의 크기도 1인치 이하부터 100인치 이상에 이르기까지 만들 수 있으니, 이를 통하여 새로운 응용 분야를 창출할 여지는 매우 큽니다.

즉, 미지의 길은 디스플레이의 응용 분야의 확대나 새로운 제안을 통하여 시장을 확장하거나 만들어가는 것에 있습니다. 이를 위해서는 수요자들의 소비 심리를 잘 분석하거나 혹은 새로운 동기를 적극적으로 유도할만한 분야를 만들거나 키우는 것이죠. 가능성 있는 몇몇 후보들을 살펴볼까요? 먼저, 예술용 디스플레이입니다. 구글의 ‘Arts & Culture’ 프로젝트처럼 온라인 갤러리에 필요한 디스플레이로 원본 그림의 색과 느낌을 고해상도로 재현할 수 있는 디스플레이. 혹은 아예 복고풍으로 회귀하여 옛날을 장식하기에 알맞은 디스플레이가 생각이 납니다. 4차 산업 혁명, 특히 사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 시대는 웨어러블 기기의 중요성을 높입니다. VR과 AR을 비롯하여 여러 착용형이나 부착형 기기들에 필요한 디스플레이도 지평을 넓혀갈 것입니다. 의료 현장에서 두 팔을 자유롭게 할 수 있는 HMD나 HUD, 그리고 로봇 수술을 모니터링하기 위한 고정세 초정밀 디스플레이의 수요도 증가할 것입니다. 수요자의 욕구와 아이템에 최적화된 스마트 사이니지, 투명 디스플레이를 활용하는 스마트 윈도우는 새로운 문화를 만들어갈 것입니다. 곡면과 유연성을 적극 활용할 수 있는 자동차용 디스플레이와 감성 조명, 시간과 계절, 그리고 공간에 따라 적합한 파장과 색온도를 제공하는 OLED 면광원, 조명은 외려 디스플레이에 가깝습니다.

더 미래를 볼까요? 사람과 환경에 친화적인 디스플레이, 즉, 사용자의 동작, 머무는 공간, 위치와 환경, 그리고 활용하는 컨텐츠에 걸맞도록 밝기와 화질, 형태까지도 변화할 수 있는 디스플레이, 소비 전력과 유해 물질면에서 환경 보호에 최적인 디스플레이도 필요합니다. 뇌파와 연동하여 꿈을 보여줄 수 있는 디스플레이, 콘텍트 렌즈나 스마트 타투(tattoo)처럼 인체와 일체화될 수 있는 디스플레이, 시력을 보정하거나 시력에 맞춘 초점 조절이 가능한 디스플레이, ‘따로 또 같이,’ 즉, 하나의 화면으로 여러 명이 여러 화면을 볼 수 있는 디스플레이는 고성능 지향성 스피커의 등장으로 훨씬 더 가능성이 높아졌습니다. 포스트잇과 같은 스티커나 티슈형 디스플레이는 식탁 위에 놓아두는 생활형 디스플레이가 될 수 있겠죠. 그리고 4차원 디스플레이를 향하는 시도들, 예를 들어 사용자가 칼라나 해상도를 선택적으로 조절하고, 디스플레이 블록별로 소리와 향기를 조절, 선택할 수 있는 디스플레이 등도 충분한 매력이 있습니다.

빠른 추격자와 거리를 두거나 따돌리기 위하여, 더 빨리 뛰는 것도 중요하지만, 찾지 못한 길을 찾고, 없는 길을 만들어가며 새로운 주법을 개발하는 것도 퀀텀 점프의 방법입니다. 그런 면에서 연구, 개발 부서나 생산 라인에서의 아이디어만큼, 밖의 사람들, 다른 분야의 전문가들의 의견에서도 가치있는 아이디어와 힌트를 얻어, 한국의 디스플레이가 선두를 지키는 데 활용할 수 있기를 기대합니다. ..다음호에 이어서 계속


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