오늘날 디스플레이는 사람들의 일상생활에 깊고 친숙하게 자리 잡고 있다. TV, PC와 같은 중-대형 디스플레이뿐만 아니라 태블릿, 스마트폰, 스마트워치, AR/VR 기기와 같은 소형 디스플레이까지, 다양한 디스플레이를 통해 OTT와 유튜브, 게임, AR/VR 서비스까지 각종 미디어 콘텐츠를 언제 어디서나 쉽게 소비할 수 있다.
이와 같은 편리함은 모두 디스플레이의 발전이 있었기에 가능한 것으로, 본 글에서는 디스플레이 기기와 기술의 발전 역사를 되돌아보고 미래 디스플레이 기술을 전망해보고자 한다.
부피가 크고 작은 화면의 옛날 TV를 생각하면 떠오르는 이미지인 CRT (Cathode Ray Tube)는 독일의 물리학자 카를 페르디난트 브라운이 발명해 ‘브라운관’으로 더 흔히 불려왔다.
CRT는 가장 역사 깊은 화면 장치로, 음극선에서 방출된 전자가 형광체가 발라진 면에 부딪히며 빛이 발생하는 현상을 활용해 화면을 표현하는 디스플레이로, 저렴한 가격과 응답시간이 빠른 장점이 있으나 디스플레이의 대형화, 슬림화가 요구되며 부피가 크고 무거운 단점으로 인해 1세대 디스플레이로서 자취를 감추게 된다.
2000년대에 들어서며 평판 디스플레이가 시장을 장악하기 시작했고, 벽걸이 TV로 인기몰이한 PDP(Plasma Display Panel)와 지금까지도 가장 널리 사용되고 있는 LCD (Liquid Crystal Display)가 개발되었다.
PDP는 플라스마의 전기방전을 이용한 화상표시 장치로 32인치 이상의 크기를 구현한 최초의 평면 디스플레이지만, 플라스마 방전을 이용해 빛을 내기 때문에 전력 소비량이 많고 발열이 크다는 단점으로 인해 빠르게 디스플레이 시장에서 사라지게 된다.
LCD는 백라이트에서 나오는 빛이 두 개의 편광판 사이의 액정과 컬러필터를 통과하며 빛의 세기와 색상이 조절되는 디스플레이로, 오늘날까지도 TV, 모니터, 노트북, 스마트폰과 같은 다양한 전자기기에 사용되고 있다.
또 다른 평판 디스플레이로 LED (Light Emitting Diode)와 OLED (Organic Light Emitting Diode) 등이 개발되고 있으며 LED TV는 LCD TV의 진화 버전으로 LCD 패널의 백라이트를 LED로 대체한 것으로, 기존 LCD 백라이트에 비해 수명이 길고 소비전력이 낮은 장점을 가진다.
OLED는 LCD나 LED와 같은 백라이트가 필요 없는 자체 발광 디스플레이로, 유기물의 전계발광을 통해 색상을 구현하기 때문에 초박형 제작이 가능하며, 가벼운 무게, 넓은 시야각, 우수한 색 표현력과 같은 장점을 바탕으로 최근 시장 규모 및 시장 점유율이 급속하게 확대되고 있다.
최근에는 접거나, 휘어질 수 있는 플렉서블 디스플레이에 대한 관심이 증가하고 있으며 특히 OLED 디스플레이의 경우 백라이트가 휘어지기 어려운 LCD에 비해 플렉서블 기판을 적용하면 원하는 형태로 자유롭게 변형이 가능한 장점이 있어폴더블∙롤러블∙벤더블 디스플레이 등 다양한 형태로 개발되고 있다.
LG전자에서는 몇 해 전 세계 최초로 롤러블 OLED (rollable OLED) TV를 제품화하기도 하였다.
플렉서블 디스플레이를 구현하기 위해서는 기존의 유리 기판이 아닌 휘어질 수 있는 플렉서블 기판 소재가 필요하며 유리 기판과 유사한 공정성을 구현할 수 있고 안정성이 우수하며 높은 광 투과도와 우수한 산소 및 수분 차단 특성이 요구된다. 특히 반복적인 변형에도 안정성을 유지하고, 변형 후 원상태로 돌아갈 수 있는 높은 탄성력이 필요하며 기계적 물성 뿐만 아니라 공정 측면에서 높은 열적 안정성과 화학적 안정성이 요구된다.
금속 기판, 박형 유리 기판, 플라스틱 기판과 같은 것들이 현재 플렉서블 기판으로 사용되고 있으며, 그중 특히 고분자 물질을 기반으로 한 플라스틱 기판이 가장 널리 사용되고 있다.
현재 가장 많이 사용되고 있는 플라스틱 기판은 폴리이미드 (Polyimide, PI) 기판으로 300도 이상의 내열성을 가지고 있어 AMOLED를 위한 TFT 공정에 적합하며 표면 평탄도가 우수하고 화학적 안정성도 우수한 특성을 가진다. 하지만 PI의 이미드 구조에 의한 가시광 영역 흡수 특성으로 인해 배면 발광 소자에는 적용하기 어려워 최근에는 이를 극복하기 위한 투명한 PI 개발도 활발히 진행되고 있다.
플렉서블 기판 상부에 디스플레이를 제작하기 위해선 새로운 플렉서블 OLED 공정이 요구된다.
지지기판과 희생 층위에 PI 기판을 형성하고, 플렉서블 기판 상부에 TFT, OLED 공정을 진행한 뒤 추가로 편광판, 터치 센서나 커버글래스를 부착하여 최종 패널을 완성하고, 마지막으로 레이저 탈착 공정을 통해 지지기판으로부터 탈착하고 보호필름을 부착하게 된다. 이때 수분과 산소 차단을 위해 PI 상부에 무기 봉지막을 형성하게 되는데 반복적인 변형 과정에서 안정성을 유지하기 위해 PI/무기막을 교대로 반복하는 구조를 도입하는 것이나 유연성과 접착력이 뛰어난 접착제를 사용하거나, 편광판 두께를 줄여 유연하게 만들거나 편광판이 필요 없는 구조를 개발하는 등 플렉서블 디스플레이를 위한 다양한 신공정 개발이 진행되고 있다.
최근에는 88인치와 같은 초대형 디스플레이나 AR/VR용 초소형 디스플레이와 같이 실생활 여러 영역에서 각각의 요구 특성에 맞게 디스플레이가 발전되고 있으며 초실감 디스플레이를 위한 고해상도 마이크로 LED, 마이크로 OLED가 개발되고 있다.
특히 초고해상도 자발광 디스플레이를 위한 마이크로 OLED 개발이 주목받고 있으며, 고해상도 구현을 위한 FMM(Fine metal mask) 개발이나 저온 컬러필터 개발과 같은 새로운 소재 및 공정 개발이 활발히 진행 중이다.
더욱 자연에 가까운 총천연색 구현을 위해 양자점(QD)이나 페로브스카이트와 같은 새로운 디스플레이 소재도 개발되고 있으며, 최근에는 OLED 상부에 양자점을 색 변환 층으로 활용한 QD-OLED가 개발되어, 올해 TV용 55인치와 65인치 패널이 생산되었고, 내년에는 77인치 대형 QD-OLED 패널 양산도 시작된다고 언론에 발표된 바 있다.
페로브스카이트 소재는 양자점보다 더 좁은 발광 반치폭과 큰 흡광계수를 가져 양자점을 뛰어넘을 소재로 주목받고 있으며, 낮은 안정성과 독성 문제가 해결되어 산업적 응용이 가능하다면 BT.2020을 만족하는 고색재현 소재로서 높은 가치가 예상된다. 또한 양자점이나 페로브스카이트 같은 차세대 소재의 고해상도 패터닝 기술 및 발광소자 기술 개발을 통해 마이크로 OLED 디스플레이를 뛰어넘는 고색재현, 고휘도 자발광 마이크로 디스플레이 개발을 기대해본다.
지금까지 살펴본 바와 같이 디스플레이는 실생활 여러 영역에서 사용되는 필수 요소로, 소재부터 소자까지 사용자의 요구 사항을 충족시키기 위해 꾸준히 성장해왔다. 이와 같은 디스플레이 발전 추세에 맞춰 디스플레이 패널 뿐만 아니라 최적화된 패널 구동을 위한 회로개발도 필수적이며 DDI나 T-CON과 같은 독보적 기술력을 자랑하고 있는 LX세미콘의 기여가 기대된다.
