궁극의 플렉서블 디스플레이로 주목받고 있는 OLED
플렉서블 디스플레이는 휘어지는 특성을 가진 디스플레이로, 평면 상태에 한정된 기존 디스플레이의 디자인 자유도를 높여 새로운 디자인의 전자제품 제조를 가능하게 한다. 이러한 디자인 자유도는 몸에 지니는 모바일 전자기기의 웨어러블화에 크게 기여할 수 있으며 더 나아가 보관은 작게, 사용은 크게 할 수 있는 궁극적인 디스플레이에도 적용될 수 있다.
플렉서블 디스플레이의 특징
플렉서블 디스플레이는 크게 언브레이커블(Unbreakable), 벤더블(Bendable), 폴더블(Foldable), 롤러블(Rollable)의 4단계로 나눌 수 있다. 여기서는 각각의 특징 및 장단점에 대해 살펴본다.
1. Unbreakable
휘어진 상태로 고정된 것을 의미하는 언브레이커블은 기존의 디스플레이에 사용되던 유리 대신 플라스틱 기판을 그대로 적용한 상태로, 비록 휘어져 있지는 않지만 깨지지 않는 특성과 얇고 가벼운 특성이 모바일용 디스플레이에 잘 맞는다고 할 수 있다.
얇고 가벼워진 덕분에 확보된 공간과 무게를 배터리에 투자하면 모바일 기기의 충전 후 사용 시간이 더욱 길어진다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 휴대 도중 떨어뜨리거나 하는 등에 의한 충격 파손을 원천적으로 제거할 수 있어 깨지지 않는 전자제품의 태동을 가능하게 할 수도 있다.
2. Bendable
벤더블은 휘어진 채로 고정된 형태를 의미하며 언브레이커블이 갖고 있는 얇고 가벼우며 깨지지 않는 특성과 함께, 눈에 좀 더 편안하게 보이는 특성을 갖고 있으며 모바일 기기의 측면까지 감싸 안는 형태가 가능하다는 점에서 유효 디스플레이 면적을 증가시킬 수 있다.
최근 출시된 Curved OLED, 갤럭시 라운드가 이러한 형태의 디스플레이 중 대표적인 예라고 할 수 있다. 인간의 눈은 기본적으로 곡률을 갖고 있는 수광소자이므로, 평면상의 디스플레이를 바라보는 것보다 곡면상의 디스플레이를 바라볼 때 덜 왜곡된 화면을 볼 수 있다는 점에서 벤더블 디스플레이로도 고객에게 진보된 가치를 제공할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
더 나아가 인간의 몸은 직선이 아닌 곡면이므로 통화할 때 얼굴 표면에 닿거나 바지주머니에 보관할 때 둔부에 닿는 등의 경우, 가장 편안하게 부착되는 곡률의 디스플레이는 웨어러블 특성을 극대화할 수 있을 것이다.
3. Foldable
또한 폴더블은 말 그대로 접은 상태로 보관하다가 사용 시 펼쳐서 사용할 수 있어 모바일 기기에 최적화된 모드라고 할 수 있다. 기존의 책이 갖는 특징이 반으로 접었다가 펼쳤을 때 보관 면적의 두 배로 펴지는 데 있다고 보면, 폴더블 디스플레이는 같은 효과를 발휘할 수 있다. 두 번, 세 번 접는 방식으로 하게 되면 면적을 계속해서 줄여나갈 수 있으나, 점점 두꺼워진다는 단점을 피할 수 없다.
기존의 PCB 분야에서 Rigid-Flexible 방식의 PCB를 사용하는것과 비슷한 개념으로, 글라스 기판 두 장 사이의 좁은 면적에서만 플렉서블 디스플레이를 구현할 수 있다면 좀 더 효과적으로 폴더블 디스플레이를 구현할 수 있을 것이다. 하지만 이 경우, 좁은 면적의 플렉서블 디스플레이에 높은 스트레스가 가해지므로 신뢰성에 문제가 생길 가능성이 높다는 단점을 해결해야 한다.
4. Rollable
마지막으로 롤러블은 기존의 파피루스, 양피지 등의 문서를 둘둘 말아 보관하던 것과 마찬가지로 폴더블보다 더 좁은 면적에서 디스플레이를 보관할 수 있다. 이 경우, 큰 면적의 디스플레이를 아주 작은 면적에 보관하여 이동할 수 있으므로 무궁무진한 응용 기술이 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
뿐만 아니라 3D-deformable, 즉 한 방향으로만 접히는 것이 아닌 모든 방향으로 접히는(3차원적으로 변형할 수 있는) 디스플레이가 가능해진다면, 디스플레이는 전자제품의 표시부에서 벗어나 스스로 제품이 됨으로써 패션 및 건축물 외장 등을 담당할 수 있게 될 것이다.
연속 공정으로 생산성 극대화
플렉서블 디스플레이는 생산 공정 측면에서도 장점을 갖고 있다. 기존의 디스플레이에서는 생산성을 확보하기 위해 1회 배치 공정에서 생산되는 디스플레이의 개수를 최대화하는 방법으로 큰 유리 기판을 사용해야 했지만, 플렉서블 디스플레이는 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 적용할 수 있어 연속 공정을 통한 생산성 극대화를 확보할 수 있다.
그 결과 공정 혁신이 일어나 기존 디스플레이의 가격보다 훨씬 저렴한 가격에 제품을 생산할 가능성을 갖는다.
플렉서블 디스플레이 대응 기술
디스플레이에는 여러 가지 종류가 있다. 최초의 디스플레이였던 CRT를 비롯하여 최근 가장 높은 점유율을 보이고 있는 TFT-LCD와 가장 좋은 특성을 보유하고 있는 OLED(유기 발광 다이오드)에 이르기까지 다양한 종류의 디스플레이가 개발되어 왔다. 그러나 기술적인 어려움으로 인해 TFT-LCD, 전자종이(e-paper), OLED는 플렉서블 디스플레이의 대응 기술로 검토되어 왔다.
하지만 LCD를 플렉서블화하여 만들 경우 상부 전극과 하부 전극 사이의 두께가 변화하면서 뉴턴링 등 광학적 불량 현상이 발생했다. 때문에 디스플레이의 특성이 열화되는 관계로 언브레이커블화까지는 가능하나 그 다음 단계로는 진행시키기 어려웠다.
그러나 최근 IFA2013에서 소니社가 플렉서블 TFT-LCD를 사용하여 Curved-LCD TV를 공개함에 따라 그 기술적 가능성이 다시 고려되고 있는 상황이다.
다른 대안 기술인 전자종이 기술은 롤러블까지도 구현 가능하여 플렉서블 특성을 최대한으로 구현할 수 있다. 반사형 디스플레이의 장점을 그대로 가져와 밝은 대낮에도 시인성이 우수하다는 장점을 동시에 갖고 있다는 점에서 야외용 모바일 디스플레이로 더욱 주목받고 있다. 그러나 반사형 컬러 필터 기술의 한계상 응답속도가 느리다는 특성 때문에 보조 디스플레이로는 대응할 수 있지만 메인 디스플레이로는 채택되기 어려워 니치 마켓위주로 적용되어 왔다.
OLED의 경우, 플렉서블화할 경우에도 특성 열화가 적고 유리기판과 비슷한 수준의 특성을 확보할 수 있어 플렉서블 디스플레이의 궁극은 플렉서블 OLED라고 생각되고 있다.
플렉서블 OLED의 기술적 난제 및 해결 방법
플렉서블 OLED는 기존의 OLED 구조에서 유리기판을 플라스틱 기판으로 대체함으로써 제조할 수 있다. 그러나 다음과 같이 몇 가지 기술적인 난제들도 있다.
1. 플라스틱 기판의 낮은 내열 온도
기존의 AMOLED 제조 공정에서는 구동소자로 사용되는 TFT를 제조하기 위해 최소 450도 이상의 높은 온도가 요구되는데, 그 이유는 가장 내열성이 높은 플라스틱으로 알려진 폴리이미드조차 내열 온도가 300도 내외이기 때문이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 높은 공정 온도가 요구되는 LTPS(Low Temperature Poly Sillicon, 저온 폴리실리콘) 어닐링 공정을 최대한 낮춰 진행하거나, 낮은 어닐링 공정에서도 높은 성능을 낼 수 있는 Oxide계 TFT를 이용하는 연구개발이 진행되고 있다.
하지만 LTPS 공정 온도를 낮출 경우 TFT의 특성 열화가 발생하며, Oxide계 TFT의 경우에도 온도를 낮춤에 따라 성능 열화가 발생하는 현상이 있어 플라스틱 기판에 대한 완전 적용은 어려운 상태이다.
그러나 최근 광조사 경화 기술 등을 통해 저온에서도 높은 성능을 발휘하는 Oxide TFT 기술 개발이 활발히 이루어지고 있어 가까운 미래에 문제가 해결될 것으로 보인다.
2. 플라스틱 기판의 높은 산소 수분 투과도
플라스틱 기판의 경우 높은 산소 수분 투과도 문제로, OLED 소재가 산소와 수분에 취약하기 때문에 디스플레이의 신뢰성을 저하시킬 수 있다는 점을 들 수 있다. 이를 해결하기 위해 바이텍스 구조(플라스틱 기판 사이사이에 무기물 박막을 삽입시켜 산소와 수분을 차단하는 막으로 사용)가 제안되어 채택되고 있다. 하지만 이러한 바이텍스 구조로도 기존 유리의 물성을 확보하기 어려울 뿐만 아니라, 제조공정이 복잡하여 제품 단가가 상승한다는 단점도 있다.
이와 같은 기술적 난제를 해결하기 위해 금속기판, 휘어지는 유리기판 등 다양한 대안이 제시되어 왔지만 각 기술별 단점도 함께 갖고 있어 플렉서블 디스플레이의 상용화를 어렵게 하고 있다. 그러나 이러한 기술적 장벽들을 해결할 수 있다면 후발 주자에 대한 진입 장벽으로 작용할 수도 있으므로, 부단한 기술개발을 통해 해결해 나가야 할 것이다.
3. 높은 열팽창 계수로 인한 공정 도중 치수 오차 발생
세 번째 문제인 높은 열팽창 계수에 의한 치수 오차 발생 문제는, 플라스틱 기판을 직접 사용하지 않고 낮은 열팽창 계수를 갖고 있는 유리 기판에 접착시켜 사용한 후 탈착시키는 방식을 사용하면 해결할 수 있다.
그러나 유리기판에 접착하는 것은 상대적으로 용이하나 탈착 공정이 문제로 등장하고 있다. 레이저 등 고출력 광원을 이용한 탈착의 경우 장비 가격과 택 타임 등의 문제가 있어 선택적 접착력을 가진 새로운 접착제의 출현이 요청되고 있는 상황이다.
플렉서블 디스플레이는 소비자와 생산자 측면에서 모두 장점을 발휘할 수 있는 궁극의 디스플레이다. 이러한 디스플레이는 강한 개발 원동력을 갖고 있기 때문에 비록 달성하는 데 어려움이 있다고 하더라도 결국에는 개발될 것으로 생각된다. 때문에 미래의 먹거리를 준비하는 국내 디스플레이 업계에서는 많은 연구개발과 투자가 이루어지고 있지만 아직도 미국, 일본, 유럽 등 선진 국가들에 비해서는 특허 및 노하우에 대한 대비가 부족한 실정이다.
따라서 이 글을 통해서 조금이나마 플렉서블 디스플레이에 대한 장점과 산업적 가치가 널리 알려지기를 바라며, 국내 디스플레이 산업을 이끌 차세대 디스플레이로서 플렉서블 디스플레이가 자리매김할 수 있기를 바라는 바이다.
한철종 센터장 전자부품연구원 플렉서블디스플레이연구센터
