플렉서블 디스플레이 : 시판이 지연되는 이유

디스플레이 제조업체들은 지난 몇 년간 기술박람회에서 흥미로운 플렉서블 전자 스크린의 프로토타입들을 내보여 왔다. 그러나 우리는 왜 아직도 딱딱하고 평면 패널의 LCD를 사용하고 있는 것일까? 구부릴 수도 있고 신문처럼 접을 수도 있는 혹은 사용한 다음에는 간단히 돌돌 말 수 있는, 곡면으로 이루어진 디스플레이에는 무슨 일이 생긴 것일까?

플렉서블 디스플레이가 시장에 보이지 않는 것은 대개 제조 공정 상의 문제로, 얇은 트렌지스터 배열을 어떻게 휘어지는 기판에 삽입할 것이며, 어떻게 비용 대비 효과가 높게 그러한 디스플레이들을 대량으로 생산할 수 있을지 등에 관한 것 등이다.

UDC의 두루마리형(rollable) OLED 디스플레이의 프로토타입. 출처 : UDC

그 다음은 기기 안에 있는 나머지 전자 장비들과 관련된 문제가 존재한다. 스마트폰에 내장된 플렉서블 디스플레이는 나머지 전자 장비와 그 주변의 하우징이 함께 움직일 수 있지 않는 한 구부러질 수 없다. 그렇지만 플렉서블 디스플레이는 UDC(Universal Display Corp.)가 튜브 모양의 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, 이하 OLED)폰 프로토타입에서 보여주었듯, 새롭게 디자인 된 휴대폰에서 굴러 나오게끔 설계될 수 있다.

더 좋은 백플레인 설계하기

퍼스널 컴퓨터 작업과 통신 제품들에 사용되는 고성능의 디스플레이 미디어는, LCD를 사용하든 혹은 OLED나 전자종이(e-paper) 기술을 사용하든, 그것을 구동하기 위해 능동형(active-matrix) 박막 트랜지스터 배열(thin film transistor array)를 필요로 한다. 이를 위한 기존의 방법은 박막 트랜지스터(TFTs) 레이어를 유리 패널에 패브리케이션하는 것으로 기본적으로 기판을 만들고, 디스플레이의 나머지 부분들은 이 위에 패브리케이션한다.

플렉서블한 백플레인은 스크린이 휘어지면 이미지를 왜곡하는 경향이 있는 LCD로는 잘 작동되지 않겠지만, 반면에 OLEDs나 전자종이 디스플레이로는 작동할 수 있다. 애리조나 주립대(Arizona State University)에 있는 플렉서블 디스플레이 센터(FDC; Flexible Display Center)의 책임자인 니콜라스 콜래너리는 “어려운 부분은, 휘어지는 것 위에 어떻게 TFT 배열을 만들 수 있겠느냐는 것이다”고 말한다.

현재로서는 이에 대한 두 가지 접근법이 있다. 하나는, 삼성과 LG 디스플레이, 그리고 몇몇 다른 디스플레이 제조 업체들이 지지하는 것으로, LCD공장에서 사용되는 기존의 SoG(silicon-on-glass) 에칭 공정을 이용하여 이를 플렉서블 기판에 적용하는 것이다. 하지만 실리콘이나 다른 비탄소 원소들에 기반한 기존의 비유기 반도체들은 고온에서 기판에 증착(deposit)되어야 하는데, 이러한 공정은 유리에서는 잘 되지만, 일반적인 플라스틱은 녹아 버린다.

이 플렉서블 OLED 디스플레이는 고온에도 잘 견디는 플라스틱 기판을 사용하는 ITRI의 플렉스UPD(FlexUPD) 기술을 이용하여 만들어졌다. 출처 : ITRI

대신에 이러한 제조업체들은 스테인리스로 만들어진, 종잇장처럼 얇은 호일과 같이 열에 잘 견디는 물질로 작업하고 있다. 대만의 리서치 조직인 공업기술연구소(ITRI; Industrial Technology Research Institute)은 증착 공정의 고온에도 녹지 않고 잘 견디는 플라스틱을 개발했다. 플라스틱 레이어는 패브리케이션 공정 동안 유리로 된 뒤 판에 부착되고, TFT 배열이 삽입되고 나면 벗겨진다.

ITRI에 따르면, 이 접근법의 장점은 완전히 새로운 패브리케이션 공장을 짓는 거에 비하면 상대적으로 작은 변화만으로도, TFT를 글래스에 패브리케이션하던 기존의 LCD 생산 라인에 적용될 수 있다는 점이다.

플렉서블 디스플레이 기판의 개발업체인 플라스틱 로직(Plastic Logic)이 주창하는 또 다른 접근법은, 플렉서블 플라스틱 필름에 트레지스터를 증착하는 과정을 수반한다. 이 기업은 실리콘 반도체를 유기 반도체로 대체함으로써, 온도가 낮은 증착 공정을 사용하여, 열 문제를 극복해가고 있다.

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플라스틱 로직은 유기물질을 이용하여 유기 반도체를 만들었다. 탄소 물질이나 고분자 사슬을 말한다. 용매를 이용하여 유기 물질을 용액으로 바꾸고, 이 용액을 사용하여, 실온에서 기판에 장착될 수 있는 유기 반도체를 만들어낸다.

플라스틱 로직에서 디스플레이 엔지니어링의 책임자를 맡고 있는 시머스 번스는 “실리콘 트랜지스터가 아닌 유기 트랜지스터를 플렉서블 플라스틱에 장착시켜 OLED를 구동시키지 못할 근본적인 이유는 없다”고 말한다.

분리형 vs 롤-투-롤형 제조 공법

플렉서블 디스플레이 제조업자와 연구자들이 직면하고 있는 또 다른 선택은 현재 LCD를 만드는데 사용되고 있는, 마스크 정렬(mask alignment)이라고 불리는 기존의 분리형 제조 공법을 유지하면서 비용 효율을 높일 것인지, 혹은 롤-투-롤 프로세스(roll-to-roll process)라고 불리는 새로 나온 프린트 형식의 연속된 기술을 사용할 것인지에 관한 것이다.

ITRI와 FDC가 추구하고 있는 첫 번째 방법은 유리로 된 뒤 판에 유연한 플라스틱 기판을 접착한 뒤 TFT 배열이 삽입되면 플라스틱 레이어를 벗겨내는 방식이다. 이 방법을 이용할 경우, 제조업자들은 기존에 평면 패널 LCD를 만드는데 이미 사용하고 있었던 공정을 약간 수정해서 사용할 수 있다. 그들의 LCD 패널 패브리케이션 시설들에 대한 투자가 대부분 보존되고 그들은 시장에 더 빨리 진출할 수 있다.

하지만 HP의 정보 표면 랩(Information Surfaces Lab)의 책임자인 칼 타우시그는 이러한 접근법으로는 텔레비전 등에 이용되는 아주 큰 기판까지 크기를 늘리는 것이 어렵고 아마도 기존 유리 기반의 디스플레이들보다 제조 비용이 높아지게 될 것이라고 설명한다.

HP의 SAIL 기술을 예로 들 수 있는 대안적인 방법은 업계에서 롤-투-롤 프로세스라고 부르는 것으로, 디스플레이의 TFT레이어를 형성하는 트렌지스터 배열이 연속적인 플라스틱 필름에 프린트되듯 장착되는 방법이다. 타우시그는 “HP의 SAIL기술은 오늘날의 분리된 제조 공정보다 훨씬 낮은 비용으로 만들 수 있고, 아주 큰 크기까지 늘릴 수 있는 능력을 제공한다”고 말한다.

타우시그는 오늘날의 능동형 디스플레이 공장들을 짓는 데에는 “엄청난 돈이 든다. 그러한 공장을 짓는 것은 아마 50억 달러 이상이 들 것이다. 만약 우리가 SAIL처럼 프린트와 유사한 기술로 디스플레이를 만들 수 있게 되면, 자본 설비 비용이 현저하게 감소할 것이고, 처리량은 훨씬 늘어나고 재료 비용은 크게 감소할 것이다. 디스플레이의 가격이 지금보다 약 십 분의 일이 될 수 있다”라고 설명한다.

FDC의 콜래너리는 이러한 개념에 의문을 갖고 있다. 그는 “롤-투-롤 프로세스로 인한 비용 이점들에 대해 무심한 여러 가지 주장들이 있지만, 그럼에도 나는 그것이 어떻게 사실일 수 있는지를 보여주는 진지한 분석을 보지 못했다”고 지적한다.

타우시그가 말하는 SAIL이 부딪힌 가장 큰 문제는, 기존의 제조 인프라 시설에 영향을 미치지 못하는 완전히 새로운 기술이라는 점이다. 그는 “SAIL은 평면 패널 산업이 15년에서 20년쯤 전에 있었던 위치에 서 있다. 모든 것들이 새로운 재료와 개발된 기술로부터 새롭게 지어져야 한다”고 설명한다.

콜래너리는 만약 플렉서블 디스플레이를 만드는 데 롤-투-롤 제조 공정이 인정 받게 되면, HP의 기술이 주도하게 될 것이라 말한다. 그는 현저하게 낮은 제조 비용에 대해, “HP 랩에서 했던 것 과 같이 포토리소그래피(photolithography)를 사용하지 않고 트렌지스터 배열을 생산하기 위해서는 HP 랩과 같이 아주 독창적인 무언가가 필요하다”고 덧붙인다.

콜래너리가 보기에 SAIL과 같은 기술들은, 제조업자들이 기존의 인프라 시설을 갱신해서 사용하는 대신 완전히 새로운 패브리케이션 시설에 투자할 만큼, 충분한 이익을 제공하면서 비용 곡선을 더욱 내려야 한다. 그는 “새로운 디스플레이 기술은 제조업자들이 이미 유리 패널을 사고 있는 가격 수준에 [가깝게] 맞춰져야 한다”고 설명한다.

이에 타우시그는 “나는 우리가 HP에서 적용하고 있는 방법이 판도를 바꿀 수 있을 거라 믿는다. 그렇지 않으면 나는 내 커리어를 여기에 걸지는 않을 것이다”고 응수한다.

마지막 과제

패브리케이션 방법과 기질 재료의 문제가 해결되고 나면, 제조업체들은 플렉서블 매질을 디스플레이 매체에 적용시키는데 여전히 어려움을 느낄 것이다. E잉크(E-ink)의 일렉트로포레틱(electrophoretic) 디스플레이와 같은 전자종이 기술들은 쉽게 받아들일 수 있다. 콜래너리는 “우리는 시장에서 이 것을 첫 번째 플렉서블 타입 디스플레이로 보게 될 것이다”고 말한다.

하지만 OLED는 산소와 습도에 민감해서, 플렉서블 OLED 디스플레이를 구부러지도록 하는 동안 환경으로부터 밀봉해놓는다는 것은 까다로운 가정이다. 게다가 콜래너리 말에 따르면 열을 방출하는 OLED 디스플레이 매질은 액정보다 더 많은 전류를 필요로 한다. 그 것은 디스플레이 매체를 구동하는 TFT 회로에 더 엄청난 제약을 부과한다.

(OLED 디스플레이 매체 그 자체는 LCD보다 더 많은 전력을 소비하지만, LCD의 후광에 대한 의존도는 LCD로 하여금 전반적으로 전력을 더 필요로 하게 만든다. 그런 면에서 완전히 만들어진 디스플레이에서는, OLED가 훨씬 에너지 효율이 높다.)

콜래너리는 “아마도 이는 비결정질실리콘(a-Si; amorphous silicon)으로부터 트랜지스터 기술의 변화를 요구할 것이다. 투자를 해야 하지만 TV 시장에서 매우 큰, 고성능의, 선명도가 높은 디스플레이에 대한 수요는 업계로 하여금 고성능의 대안적인 트랜지스터를 찾게끔 만든다. 따라서 그들의 필요와 OLED의 필요가 수렴하게 되는 것이다”라고 말한다.

소니는 휘어지고 돌돌 말 수 있는 OLED 디스플레이를 지난 5월 박람회에서 선보였다. 출처 : 소니

플렉서블 디스플레이를 대량 생산하기 위해 마지막 남은 관문이 하나 있다. 아무도 킬러앱(killer app)이 어떤 것이 될 것인지 아직 확신할 수 없다는 것이다. 비록 제조업체들이 기술적 장벽을 넘어 대량으로 구부러지고 휘어지고 돌돌 말 수 있는 디스플레이들을 생산하게 된다 하더라도, 패브리케이션 시설들을 만들기 위해 필요한 상당한 투자들은, 곧 플렉서블 디스플레이가 앞으로 나아갈만한 상당한 크기의 시장이 필요함을 의미한다.

FDC의 콜래너리는 “문제는 이러한 것들을 당장 만들어낼 수 있는지 없는지가 아니다. 플렉서블 디스플레이를 비용 효율적인 방법으로 만들어낼 수 있느냐 없느냐의 문제이다”고 지적한다. 그는 오늘날의 제조업체들이 닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐 하는 상황에 빠져있다고 비유하면서, “생산에 있어서 규모의 경제를 갖지 않고, 그것이 만들어지고 사용될 가격이 아직 결정되지 않았다면 어떻게 그것이 나올 수 있겠는가?”라고 반문한다.

구부러지고 휘어지도록 설계된 디스플레이들이 인기 있는 응용 분야를 찾을 때까지, 플렉서블 디스플레이는 박람회에서만 볼 수 있는 기술 전시의 견본으로밖에 존재하지 않을 것이다. 하지만 그러한 상황은 언제든지 바뀔 수 있다. 아이패드가 출시되기 전인 2년 전만 해도, 태블릿 PC 역시 새로운 영역의 기술 발견에 불과했다. 플렉서블 디스플레이의 응용 역시 반드시 찾아올 것이다. 다만 우리는 그것이 무엇이 될지 아직 모를 뿐이다.

◆ 디스플레이 기술 약어 안내

FDC :  플렉서블 디스플레이 센터(The Flexible Display Center), 아리조나 주립 대학교의 연구 프로젝트

ITRI :  공업기술연구(Industrial Technology Research Institute), 대만에 기반을 둔 첨단 기술 연구 및 개발 기관

LCD : 액정표시장치(Liquid crystal display), 오늘날 대부분의 스마트폰, 태블릿, 노트북 스크린 뿐 아니라 데스크톱 모니터와 HDTV 등에 사용되는 디스플레이 매체이다. LDC는 후광을 이용하여 변환할 수 있는 작은 구멍으로 빛을 투과시킨다. 컬러 필터 레이어가 위에 더해진다.  LCD 레이어를 구부리면 디스플레이 이미지를 만들어 내는 빛 패턴을 왜곡시키기 때문에 액정 매질은 플렉서블 디스플레이에 사용되기에 적합하지 않다.

OLED : 유기발광다이오드(Organic light-emitting diode), 후광을 필요로 하지 않는 자체 발광 디스플레이 물질로 밝고 에너지 효율적인 스크린을 만들 수 있다. OLED는 플렉서블 디스플레이에 사용될 수 있다.

SAIL : 셀프 얼라인드 임프린트 리소그래피(Self-aligned imprint lithography), HP 랩에서 개발한 롤-투-롤(roll-to-roll) 제조 공법으로 긴 플라스틱 필름 상에 프린터로 인쇄하듯 트랜지스터를 정착시키는 방식이다.

TFTs : 박막 트랜지스터(Thin film transistors), 디스플레이를 더욱 고성능의 능동형(active-matrix) 스크린으로 만들 수 있는 반도체 레이어

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