산업전망 - 소재

플렉시블 디스플레이 완성도의 향상
핵심 소재·공정 기술이 보완돼야…

미래창조과학부 산하 정보통신기술진흥센터(IITP)에 따르면 지난해 3천 700만 달러 규모였던 플렉서블 OLED 디스플레이 시장은 내년부터 본격적인 시장 확대를 통해 오는 2020년에는 234억 달러 규모로 성장, 연평균성장률 151%를 기록할 것으로 전망했다.
이어 플렉서블 디스플레이 시장은 커브드(곡면) TV 중심의 대형 플렉서블 시장과 스마트폰과 태블릿PC, 웨어러블 기기를 중심으로 한 소형 플렉서블 시장으로 양분돼 성장할 것으로 기대됐다.

<그림1> 삼성전자의 105인치 벤더블 UHD TV

■ 진정한 플렉시블 패널의 양산, 다양한 형태의 완성품 가능
기존 LCD 및 OLED(유기 발광 다이오드)에서 액정을 싸고 있는 유리기판을 플라스틱 필름으로 대체, 접고 펼 수 있는 유연성을 부여한 플렉시블 디스플레이는 얇고 가벼울 뿐만 아니라 충격에도 강하다. 또한 휘거나 굽힐 수 있고 다양한 형태로 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
최근 삼성전자가 플렉시블 OLED 디스플레이 패널을 탑재한 신형 스마트폰 갤럭시노트4를 공개하기 전, 해당 패널을 개발·공급하는 삼성디스플레이가 핵심 소재·공정 기술과 보완 과제를 소개했다.
박동건 삼성디스플레이 대표는 대구 엑스코에서 개막한 국제정보디스플레이학술대회(IMID)의 기조 연설자로 나서 “플렉시블 디스플레이의 완성도를 높이려면 많은 기술이 보다 성숙돼야 한다”며 “진정한 플렉시블 패널이 양산되면 다양한 형태의 완성품이 나올 수 있으므로 기존 평면형 디스플레이 시대의 한계를 넘을 수 있다”고 밝히며, 진정한 플렉시블 디스플레이를 내놓기 위해선 핵심 소재·공정 기술이 보완돼야만 한다고 강조했다.
이어 박 대표는 강화유리를 대체할 플라스틱 윈도, 구부렸다 펴도 접착력이 떨어지지 않는 접착제, 더 얇은 편광판, 차세대 터치 소재 등을 언급했다.

■ 높은 내구성과 경도 + 휘어짐의 유연성이 요구
플렉시블 디스플레이의 박막트랜지스터(TFT) 기판과 전면 보호 소재는 높은 내구성(Durability)과 경도(Hardness)를 갖추면서도 유연하게 휘어질 수 있어야 한다. 기존 휘지 않는(Rigid) 패널의 기판과 보호 소재로는 유리가 쓰였지만, 플렉시블 패널에는 플라스틱 소재가 적용된다.
박 대표가 소개한 플라스틱 윈도(Plastic Window)는 기존 강화 유리를 대체할 패널 전면 보호 소재다. 삼성디스플레이는 플라스틱 윈도의 경도를 높이는 방법으로 유기물(Organic)과 무기물(Inorganic) 재료를 혼합, 이를 플라스틱 표면에 코팅하는 방법을 제시했다. 플라스틱 윈도와 패널을 접착하는 접착제(Adhesive)는 휘어져도 접착력을 유지할 수 있도록 2개의 필름이 덧대지는 형태로 보완이 이뤄지고 있다.

<그림2> LG디스플레이의 플렉시블 디스플레이 제품

■ 편광판, 더 얇아져야 할 것!
편광판(Polarizer)의 경우 앞으로 두께가 더 얇아져야 한다.
편광판 아래에 위치하는 터치스크린패널(TSP)은 전극 소재를 기존 인듐주석산화물(ITO) 대신 은이나 구리 같은 금속(Metal Mesh)으로 변경하거나 은나노와이어(Silver Nano-Wire)로 교체해야 한다. ITO 필름의 경우 일반적 곡률반경(Bending Radius)이 8㎜로 휘어짐이 완만하다. 자꾸 구부리면 제 기능을 잃을 수도 있다. 대체 기술로 거론되는 메탈매시나 은나노와이어는 곡률 반경이 2㎜로 낮아 플렉시블 패널에 어울린다. 얇은 필름을 여러 겹 덧대는 봉지(밀봉, Encapsulation) 공정 역시 혁신이 이뤄져야 한다.
봉지 공정은 플렉시블 OLED 양산을 위해 꼭 필요한 기술이다. OLED의 주 원료인 유기EL은 산소나 수분에 노출되면 제 기능을 잃어버린다. 패널이 휘어지려면 봉지 공정에서도 기존에 사용하던 유리 대체 소재를 찾아야 한다.
삼성디스플레이는 박막봉지(TFE: Thin Film Encapsulation) 기술을 활용하고 있다. TFE는 TFT 기판 위에 유기EL을 증착한 후 또 다시 유기물과 무기물 층을 교차로 덮어 산소나 수분으로부터 유기EL을 보호하는 기술이다. 관건은 여러 겹인 유기물과 무기물 층(Layer)을 줄여 생산성을 높이는 것. 초기 삼성디스플레이는 7층의 유·무기물을 덮었으나 이날 발표에 따르면 이 층은 5개로 줄어들었다.
TFT의 구조도 변경해야 한다. 휘는 정도를 높이는 한편 구부렸을 때 TFT가 받는 스트레스를 최소화하기 위해서다. 삼성디스플레이는 TFT의 층간절연을 위해 사용하는 유전체막과 게이트절연막 조합체 간 일정 간격을 두고 설치하는 방안을 제안했다. 이럴 경우 더 휘어질 수 있고 휘었을 때 TFT가 받는 스트레스도 기존 대비 20분의 1로 줄어든다고 삼성 측은 설명했다.

■ 中·日 정부도 나서 플렉시블 OLED 개발 적극 추진
일본과 중국 정부는 플렉시블 디스플레이 구현을 목표로 자국 기업들을 적극 지원하며 OLED 개발에 속도를 내고 있다.
일본의 경우, 소니와 파나소닉, 재팬 디스플레이 등은 민관 공동투자펀드인 산업혁신기구(INCJ)와 JOLED를 설립하고 차세대 제품 개발을 추진중이며, 중국 BOE는 정부 지원 속 5.5세대 OLED 라인을 구축, 내년 가동을 목표로 8세대 OLED 신규 설비투자를 검토 중이다.
현재 일본 기업들은 소형 플렉서블 디스플레이 부문에서 곡률 반경 10㎜ 이하의 유연성이 뛰어난 시제품을 선보이고 있지만 양산에는 돌입하지 못한 상황이다. 지난해 삼성전자와 LG전자가 플렉시블 디스플레이를 탑재한 커브드 폰과 스마트워치를 출시하면서 차세대 시장 선두를 내줬다.
이에 일본은 정부차원의 R&D 지원·관리를 위한 NEDO(New Energy And Industrial Technology Development Organization)을 구축, 플렉서블 디스플레이 등 차세대 연구개발 프로젝트에 힘을 쏟고 있다.
우리 정부 역시 삼성디스플레이와 LG디스플레이 등 업체와 ‘미래 디스플레이 핵심기술 개발을 위한 투자 협력 양해각서’를 체결, 향후 5년간 총 300억 원을 투자해 미래형 디스플레이 원천기술을 개발한다는 계획을 밝혔다.

<본 내용은 월간 플라스틱기계산업 10월호에 게재되었습니다.>