미래디스플레이, 소재혁신에달려있다 더생생한영상, 투명하고휘는디스플레이, 친환경적이면서더값싼디스플레이, 심지어허공에영상을만드는홀로그램등미래의영상기술이현실로가깝게다가온것은사실이지만여전히해결해야할과제들은산적해있다. 무엇보다도디스플레이를구성하고있는소재의변화없이새로운디스플레이를꿈꿀수는없을것이다. 이우근책임연구원 wklee@lgeri.com 스마트폰과태블릿기기의대중화는디스플레이가단순한영상전달장치가아닌컴퓨터의기능을포괄하는포스트PC의시대의도래를가능케하였다. TV, 모니터, 노트북, 휴대폰간의뚜렷하던구분선이조금씩희미해지고있고, 구글글라스나스마트워치와같은새로운디스플레이기기의등장이예상되기도한다. 소비자들은기존의디스플레이자체의기능이나기술들뿐아니라직관적인사용자인터페이스에점점익숙해지고있는상황이다. 이렇게기대수준이높아지고있는소비자의요구에충분히대응하는디스플레이를구현하기위해서는무엇이필요할까? 아무리좋은컨셉과아이디어가있다고하더라도실질적으로제품으로구현하기위한소재가없다면불가능할것이다. 더생생한영상을위한소재에메랄드빛바다위의아름다운석양의모습이나 LA 다저스류현진선수의힘찬투구모습속땀방울하나까지담아내는실감나는영상을통해우리는마치아름다운자연속이나경기장의환호속에함께하는느낌을갖게된다. 이처럼디스플레이는시간과공간의한계를넘어생생한영상정보를제공해준다. 디스플레이에있어가장기본적인기능은현 실처럼느낄수있는생생한영상정보를전달해주는것이며, 다채로운자연의모습을그대로전달하기위해디스플레이기술은발전해오고있다. 그기술의중심에소재가자리잡고있다. 실감나는영상을구현하기위해가장활발히연구되는소재는 OLED 소재이다. OLED 기술은모바일용도로는이미대중화되었고, 최근 LG와삼성이 OLED TV를양산하며대형디스플레이로그영역을확장해가는중이다. OLED 기술은 LCD 대비색재현율, 명암비, 시야각등의측면에서우수한화질특성을발휘할수있다. 또한, 기존 LCD가액정소재와다양한필름, 백라이트를사용하는반면 OLED 는스스로빛을내고그세기를조절한다. 그렇다보니 OLED 소재가디스플레이제품의성능을크게좌우할수밖에없다. 소재가담당하는역할이커진만큼기존액정에비해합성의난이도는높아졌고, 소재에기인하는공정상의해결과제도산적한상황이다. 이에따라 OLED 소재기업들은더오랜수명, 더높은효율, 더깊은색감의재료를개발하기위해저마다신규소재발굴에힘을쏟고있다. 이와같이 OLED가스포트라이트를받고있는가운데기존 LCD에적용하여 OLED 수준의색재현율을달성할수있는소재인 LG Business Insight 2013 9 4 15
OLED 가스포트라이트를받고있는가운데기존 LCD 에적용하여 OLED 수준의색재현율을달성할수있는소재인 QD 도관심을끌고있다. 형광소재와인광소재 OLED 는 Organic Light Emitting Diode( 유기발광다이오드 ) 의약자로 Organic EL(Electroluminescence) 라고도불린다. EL 은전기에너지를통해빛을내는소자를말하는데, 여기에는형광 (Fluorescence) 과인광 (Phosphorescence) 의두가지방식이가능하다. 이론상형광방식이 25% 의효율을갖는데반해인광은 100% 효율을달성할수있어인광방식의소재개발이이상적이지만, 인광방식은일부특허이슈가걸려있고재료합성의기술난이도가높아상용화에제한적이다. 최근까지 OLED 소재는형광방식위주로적용되었다가부분적으로인광소재를적용하기시작했다. 인광소재를연구하는대표적인기업으로는미국의 R&D 전문기업인 UDC(Universal Display Corporation) 가있다. QD(Quantum Dot, 양자점 ) 1 도관심을끌고 있다. 3M 과 Nanosys 의 QDEF(Quantum Dot Enhancement Film, 양자점성능향상 필름 ) 는지난 5 월캐나다에서열린 국제정보디 스플레이학회 (SID) 2013 에서최고상을받은 바있다. 3M 은 QDEF 를내년 2 분기부터대량 생산할예정이다. 이필름은파란색의 LED 빛 을입자크기에따라빨강색과초록색으로바 꾸어주어, 원래의파란색 LED 빛까지포함하 여빛의삼원색 2 인 RGB 를모두구현하게된 다. QD 재료는 OLED 와마찬가지로자발광소 1 양자점 (Quantum Dot): 초미세반도체구조물에서고전물리에서관찰되지않았던양자구속효과 (quantum confinement effect) 가나타남에따라양자점으로불리고있다. 양자점은같은물질로이루어졌다고하더라도점의크기에따라무지개색깔처럼광흡수파장이달라진다. 입자의크기가작아질수록파란색계통의짧은파장빛을내며, 크기를조절하여원하는파장의빛을흡수할수있다. 양자점에대한활발한연구는광소자, 광전변환소자, 바이오이미징등여러분야에응용되어사용되고있으며끊임없는기술개발과연구가진행되고있다. 이분야의 R&D 가활발한기업으로 Nanosys, Nanoco, QD Vision 등이있다. 2 빛의 3 원색 (Primary Color) 은빨강 (Red), 초록 (Green), 파랑색 (Blue) 을말하며, 간단히 RGB 라고도부른다. 이중에서도가장만들기어려운색은파랑색이다. 파랑색은더낮은파장과높은에너지차이를가져야하는데, 이를구현하기위한재료설계가까다롭다. 이때문에파랑색중에서도깊은색감을갖는 Deep Blue 구현이관련소재기업들의주요과제이다. 재로서활용이가능하고이를 QLED 또는 QDLED라부른다. 기존 OLED가다른색깔을나타내려면유기물종류를바꿔야하는데반해 QD를활용한 QLED는 QD의크기만바꾸면되므로훨씬간단한구조로발광체를만들수있다. 하지만입자크기가수나노미터에불과하고그크기에따라색이바뀌는만큼정교한제작이요구된다. 또한아직대부분의소재들이중금속인카드뮴을기반으로하고있어, 카드뮴을사용하지않는소재로대체하기위한개발이진행중인상황이다. 투명 플렉서블을위한소재투명디스플레이, 플렉서블디스플레이는가전전시회등을통해시제품들이여러차례일반인들에게공개된바있다. 현재주로사용중인 LCD에서도투명디스플레이구현은가능하다. 그러나 LCD는비발광디스플레이로서백라이트가반드시필요한데, 투명디스플레이구현을위해서는백라이트대신외부광을활용해야한다. 하지만대부분의환경에서외부빛의세기는 LCD에서사용되는백라이트의밝기에비해어둡기때문에화면도어두울수밖에없다. 이처럼기존의 LCD로는제대로된투명디스플레이구현이어렵다. LCD로플렉서블은더욱어렵다. LCD는패널의동작특성이나색감유지를위해서액정의두께 (Cell gap) 를일정하게유지해야하기때문이다. 반면 OLED는 LCD에서의이러한제약사항이없어, 투명플렉시블분야야말로 16 LG Business Insight 2013 9 4
투명플렉서블분야는 OLED 가기존 LCD 와차별화하여강점을가질수있는영역이다. OLED가기존의 LCD와차별화하여강점을가질수있는영역이다. 최근 LG와삼성은각각 Curved형태의 OLED TV 양산을시작하였고, 플라스틱기판을적용한모바일제품도올하반기출시할예정이다. 디스플레이가투명하면서도플렉서블한특성을가지기위해서는 OLED와같은발광재료뿐아니라디스플레이를구성하는주변소재들도투명하고플렉서블해야한다. 투명전극소재로는현재까지인듐주석산화 물 (ITO) 이중심에자리매김하고있었다. 하지만 ITO 는플렉서블디스플레이에적합하지않아새로운투명전극개발이시급한상황이다. 탄소나노튜브, 그래핀, 은나노와이어, 투명전도산화물, 고분자전도체및하이브리드투명전극에이르기까지차세대투명전극의상용화를위해많은기업들이검토중이다. 이중특히그래핀과탄소나노튜브는탄소원자가 2차원적평면상에벌집모양으로결합된화학구조로이루어져있어다이아몬드보다강도가높으면서잘굽혀질수있고, 홀로그램과소재 실감영상을말할때입체영상기술을빼놓을수없다. 2009 년영화 아바타 열풍과함께몰아친 3D 영상이있고최근주목받고있는홀로그램이있다. 홀로그램은디스플레이기술은아니지만허공에영상을구현한다는점에서궁극의입체영상이라고할수있을것이다. 기존의일반사진이물체의밝고어두운모습만담았다면, 홀로그램은간섭무늬라고하는입체적인정보를추가로기록하여물체의입체적인영상정보를회절이라는광학적원리를통해 3 차원으로재생하는기술이다. 지난 1 월강남역한복 로 완전하다 라는의미의 Holo 와그림이라는뜻의 Graphy 의합성어로부터비롯되었다. Real 홀로그램기술은영화에서자동차나로봇같이복잡한제품의홀로그램을공간에띄워놓고다양한각도에서보면서디자인및기술회의를하거나각국정상이모이지않아도실제만난것처럼회의를하는장면을연상하면될것이다. 의료 우주기술등실제로실험환경을만드는것이어려운분야에서도상용화가이루어질전망이다. 이러한홀로그램을구현하기위해서는원하는물체의영상정보를저장할홀로그램기록매체 (Holographic Recording 판에서열린소녀시대의가상콘서트가크게화제 홀로그램을이용한소녀시대의가상콘서트 ( 출처 :KEIT, KOCCA) Media) 가중요한소재로서필요하다. 대표적으로광경화 가된바있다. 당시많은관람객들은눈앞에펼쳐진 가상의 소녀시대모습을카메라에담았다. 최근에는 YG엔터테인먼트가에버랜드와손잡고 K-Pop 홀로그램공연장 을개장하기도했다. 사실이홀로그램기술은플로팅방식의홀로그램으로완벽한형태의 360도영상을제공하는 Real 홀로그램은아니다. 하지만문화콘텐츠와함께홀로그램에대한관심을더욱높인것은분명해보인다. 홀로그램은홀로그래피기술원리를이용해만들수있는데홀로그래피 (Holography) 라는단어는, 그리스어 수지 (Photopolymer) 재료가있는데, 글로벌화학기업인듀폰 (DuPont), 바이엘 (Bayer) 과편광판과 ITO필름에서강점을가지고있는니토덴코 (Nitto Denko) 에서개발중에있다. 여전히홀로그램이테라바이트수준의엄청난데이터량과전송문제가남아있지만궁극적으로지향하는입체영상기술임에는분명하다. 현재는홀로그램기술을일부활용하여기존의광학소자를대체하는홀로그래픽광학소자 (HOE, Holographic Optical Elements) 에대한연구도활발하다. LG Business Insight 2013 9 4 17
플렉서블구현을위해서는발광재료뿐아니라디스플레이를구성하는주변소재의변화도필요하다. 플렉서블디스플레이 접히는디스플레이모습 투명하면서도전기가잘통하는등기존의다른소재들이갖지못한우수한특성들을갖고있다. 소자재료도미래의디스플레이가갖게되는특징인 `말랑말랑함 을위해서는딱딱한실리콘을벗어날필요가있다. 이를위해유기소재의유연성과실리콘의고성능을동시에갖춘소프트나노소재를연구중이다. 이기술은생체친화형전자소자, 전자콘택트렌즈, 자가진단바이오칩, 형태가자유롭게바뀌는단말기, 전자피부, 전자종이등으로확대도가능하다. 그중분자들의자기조립을이용한 분자전자소자 (Molecular electronics) 는개별분자들을전자소자의주요구성요소로이용하는개념으로크기가보통수나노미터 ( nm ) 이하로매우작은크기에서쌓아가며크기를늘려가는상향식 (Bottom-up approach) 공정이가능해고집적 저비용의전자소자를제조할수있다. 이때문에기존의실리콘반도체소자들을대체 보완할수있는가능성이있다고보고세계유수대학들과연구기관들에서활발한연구가진행되고있다. 이러한소재개발을통해접어지는디스플레이가현실화되면, 10 인치태블릿을가로와세로각각한번씩접으면 5인치로줄어들기때문에스마트폰과태블릿이하나로합쳐질수있다. 스마트폰과태블릿을각각가지고다 녔던소비자들이나이둘을각각가지고다니기번거로워패블릿을선택했던소비자에겐매우반가운소식이될것이다. 친환경적이고값싼디스플레이를위한소재코닝의 유리와함께하는하루 (A day made of glass) 동영상과같이우리주변에온통디스플레이가존재한다면편리함을주는것은말할것도없겠지만, 먼저전제되어야할것은친환경적이고값싼디스플레이가되어야할것이다. 값싸다는것은제조뿐아니라유지에대한부분을포함하고있다. 기존 LCD에서는진공및고온공정이많이사용되어왔기때문에저가디스플레이를구현하기위해서인쇄전자 (Printed Electronics) 기술이요구되고있다. 인쇄전자는인쇄기술을통해전자소자및부품혹은모듈을만들어내는것으로도전성 (Conductive) 또는기능성잉크를기판에찍어내는기술이다. 인쇄전자기술은기존의여러단계에걸친공정을단순화하여재료의손실을줄일뿐아니라고가의진공및고온장비가필요없어져서제조기업입장에서도싼가격에회로부품을만들수있게된다. 이러한변화는기존의공정을위해사용하던고온에안정적인값비싼주변소재들대신저렴한대체소재적용이가능하게되므로소비자들이느끼는가격은더욱낮아질수있다. 뿐만아니라, 공정과정중부산물로나오는폐수를줄일수있는일석이조의기술이다. 앞서살펴본플렉서블구현을위한소재들이대부분이 18 LG Business Insight 2013 9 4
OLED 소재연구는기존의디스플레이전문소재기업뿐아니라대규모석유화학기업도많은관심을가지고개발하고있다. 에속하고있다. 또다른예로용액형 (Soluble) OLED 재료가있다. OLED 는앞서살펴본바와같이실감영상, 투명플렉서블기술적용뿐아니라용액형재료가적용된다면보다값싼디스플레이제품이될것이다. 때문에많은소재기업들이현재증착방식의 OLED 소재뿐아니라용액형 OLED 소재에대한연구에힘을쏟고있다. 스미토모화학 (Sumitomo Chemical) 의경우 CDT(Cambridge Display Technology) 기술을인수하여고분자기반의용액형 OLED 재료를연구하고있으며, Panasonic 은이기술을바탕으로올해초국제전자제품박람회 (CES) 에서 56 4K OLED TV를전시한바있다. LCD 의핵심소재인액정을공급하던머크 (Merck) 는잉크젯프린팅기술을가지고있는엡손 (Epson) 사와의협력을통해기존의저분자재료기반을활용한용액형 OLED 재료를개발중에있다. 이는 OLED 기술입장에서는상대적으로저가인 LCD 에경쟁하기위한필연적인요소일지모른다. 이외에도디스플레이가비록전자제품이긴하지만기존의전기에너지를활용하지않는다면소비자입장에서는추가의전기비용없이값싸게이용가능할것이다. 이를위해외부의압력이나진동에의해전기에너지를발생할수있는압전 (Piezoelectric) 소재나현재태양광을활용한전기변색소자 (Electrochromic) 연구도진행중이다. 완벽하게전기공급원없이구현되지않는다하더라도적절히보완가능한하이브리드형태로라도구현된다면사용전력을크게줄일수있다. 소재혁신을통해 Wow Effect 를만들어주어야앞서본바와같이더생생한영상, 투명하고휘는디스플레이, 친환경적이면서더값싼디스플레이를위해서, 심지어허공에영상을만드는홀로그램이제대로구현되기위해서는소재기술이뒷받침되어야한다. 소비자들이꿈꾸는미래의디스플레이는마이크로에서나노를넘어양자소재로, 고전역학에서양자역학으로바뀌는것과같은기술패러다임의전환을요구하고있는지모른다. 또한아무리멋진기술이라고할지라도소비자에게가깝게다가서기위해서는충분히저렴한제품이어야할것이다. 이러한조건을제대로갖춘획기적인변화야말로소비자에게 Wow Effect 안겨줄수있다. 미래디스플레이소재의종류는다양해질가능성이있지만하나의디스플레이내에들어가는소재의종류는단순해질가능성이있다. OLED 소재가대표적인예이다. LCD의경우액정, 컬러필터, 백라이트가필요했다면 OLED는 OLED발광소자가그모든역할을대신한다. 그만큼디스플레이에서소재자체가차지하는중요성이커질가능성이있다. 이때문에 OLED 소재연구는기존의디스플레이전문소재기업뿐아니라바스프 (BASF), 스미토모화학 (Sumitomo Chemical), 이데미쓰고산 (Idemitsu Kosan) 과같은대규모석유화학기업도많은관심을가지고개발하고있다. 이와같이소재를중심으로한디스플레이기술의혁신은디스플레이분야의산업경계도허물어뜨릴것이다. www.lgeri.com LG Business Insight 2013 9 4 19