이제는 디스플레이 영상시대다.
TV, 모니터에 휴대폰의 화면창에 이르기까지 첨단 디스플레이가 자리잡고 있다. 브라운관에서 액정표시장치(LCD) 플라즈마디스플레이패널(PDP)을 거쳐 유기EL까지 진화하고 있는 디스플레이는 우리나라가 세계 1위를 구가하는 산업 중 하나다.
우리나라가 차세대 성장 동력산업으로 선정한 디스플레이산업의 현주소와 미래를 점검한다. <편집자 註>
두루마리 휴지처럼 둘둘 말아 휴대할 수 있는 플렉시블 디스플레이(Flexible Display) 기술개발 경쟁이 치열해지면서, 차세대 플렉시블 디스플레이에 대한 관심이 고조되고 있다.
플렉시블 디스플레이가 현실화되면 디스플레이에 네트워크 기능이나 저장 기능을 구현해 언제 어디서나 편리하게 필요한 정보를 눈앞에서 볼 수 있는 시대가 도래할 수 있을 것으로 전망된다.
영상 시대의 개막은 인류의 문명에 커다란 변화를 안겨주었다. 사진에 만족해야 했던 각종 정보를 눈앞에서 생생하게 감상한다는 디스플레이 개념은 그야말로 엄청난 혁신이라고 할 수 있다.
특히 다양한 멀티미디어 정보가 넘쳐나는 현대 사회에서의 디스플레이의 중요성은 두말 할 나위 없이 크다.
1897년 독일에서 최초의 브라운관(이하 CRT)이 발명된 지 100년이 지난 지금, PC의 모니터로는 LCD, 대형 TV로는 PDP가 재인식될 만큼 차세대 디스플레이 산업에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
기존의 CRT를 대형화하기 위해서는 그만큼 공간이 커져야 하기 때문에 부피가 커지고 무게가 많이 나간다. LCD, PDP, 유기 EL로 대표되는 평판 디스플레이는 이러한 단점을 극복하기에 알맞기 때문에 기존 디스플레이 시장의 주류를 이루었던 CRT에 대한 대안으로 주목받고 있다.
이와 같이 급변하고 있는 정보디스플레이 분야를 선점하기 위하여 선진 각국에서는 매년 수천억 이상의 연구 및 설비 투자를 하고 있으며 우리나라 또한 이러한 국제경쟁에서 뒤처지지 않기 위해서 산업체와 학계ㅡ 연구계의 전문 인력들이 많은 노력을 하고 있는 실정이다.
학계나 산업계에선 이같은 플렉시블 디스플레이의 초기 단계시장이 내년부터 시작돼 2010년쯤에는 실생활에 보다 밀접하게 다가올 것으로 내다보고 있다.
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플렉시블 디스플레이의 구현 방식은 크게 기존 디스플레이를 활용하는 방법과 전자종이(e―paper) 등 2가지로 분류할 수 있다.
기존 디스플레이는 TFT LCD와 OLED(유기발광다이오드)의 재질을 유연성 있게 하는 방법이다. 전자종이는 정전하가 충전된 반구형 트위스트볼을 이용하는 방법과, 전기영동법과 마이크로캡슐을 이용한 전기영동 디스플레이, 콜레스테롤 액정을 이용한 디스플레이 등이 개발되고 있다.
전자종이의 경우 풀 컬러의 구현이 힘들고, 동작속도가 느려 동영상을 구현하는데는 한계가 있다는 단점이 있다.
반면 전원을 꺼도 화면이 사라지지 않는다는 점에서는 TFT LCD나 OLED를 이용한 플렉시블 디스플레이보다 강점이 있다. 전자종이의 경우 화면을 바꾸고자 할 때만 전원을 가하면 되기 때문에 기존 종이와 같은 특성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
현재 국내에서 집중적으로 연구되고 있는 분야는 기존 디스플레이를 이용한 플렉시블 디스플레이의 구현이다. 이를 위해선 표시부와 구동부ㆍ스위칭부로 구성된 기존 디스플레이의 핵심부품 중 표시부와 스위칭부가 유연성(Flexibility)을 갖게 하는 것이 연구과제다.
표시부는 현재 유리기판으로 사용하던 것을 플라스틱으로 바꿔 유연성을 확보하고, 스위칭부는 현재 무기재료를 이용한 TFT를 유기반도체로 바꾼 OTFT(Organic Thin Film Transistor)로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
한국전자통신연구원 서경수 정보표시소자팀장(박사)은 "TFT LCD나 OLED를 이용한 플렉시블 디스플레이의 기본 개념은 플라스틱 기판에 OTFT로 회로를 구현하고, 유기물질을 넣는 방식 등이 될 것"이라고 말했다.
현재 과제로는 기존 TFT LCD의 구현방식인 아몰포스 방식이 300∼400℃의 고온에서 TFT를 형성할 때 플라스틱 기판이 녹는 단점을 해결하는 것이다. 이를 위해 유연성을 갖는 OTFT를 상온에서 패터닝하는 방법을 찾는 것이 과제다.
◆FED가 2010년경 PDP시장 앞지를 것
오는 2010년에 전세계 전계발광디스플레이(FED) 시장 규모가 플라즈마표시장치(PDP) 시장 규모를 넘어설 것으로 전망되고 있다.
대만 전자시보는 일본 경제산업성(METI)을 인용해 한국과 일본의 관련 기술 연구개발 강화 추세를 기반으로 오는 2010년에는 전세계 FED 매출액이 5000억~2조4000억엔(미화 50억~220억달러)에 달해 PDP 매출액을 웃돌 것으로 보인다고 전망했다.
신문은 이에 따라 한국과 일본 업체들이 탄소나노튜브(CNT) FED 등 보다 진보된 기술 개발에 나서고 있으나 치메이옵토일렉트로닉스 등 대만 업체들은 상이한 견해를 가지고 있다고 설명했다.
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신문은 대만 업체들은 초박막액정표시장치(TFT-LCD)와 PDP 시장이 이미 상당 부분 성장을 이룬 상황이기 때문에 FED가 대형 텔레비전(TV) 시장에서 입지를 늘려갈 여지가 충분치 않다는 것을 상기 전망의 근거로 내세우고 있다.
차세대 디스플레이로 각광받고 있는 FED(Field Emission Display)는 기존의 CRT와 유사한 원리를 이용한 디스플레이로, 차이는 CRT가 하나의 전자총에서 방출된 전자들의 주사를 통해 영상을 표시한다면, FED는 아주 작은 크기의 수많은 전자총들에서 방출된 전자가 전면에 있는 각각의 형광체를 여기시켜 발광시킴으로서 영상표시를 하게 된다.
이러한 FED는 CRT의 광시야각, 광작동온도 범위와 고휘도 특성을 그대로 가지면서 박형이라는 장점을 가지고 있어 차세대 디스플레이로서 주목받고 있다.
그러나 FED는 업계의 사업 표준화 즉 주도적인 FED의 구조나 방식이 결정되지 않은 상태로써 개발이 계속 진행중이며 사업화를 위해선 많은 인력과 연구투자가 필요한 분야이다.
가장 일반적이고 상업화에 가까이 있는 FED 방식은 마이크로팁 FED이며 동작 원리를 그림을 참고로 설명하면 페이스플레이트(Anode, 양극)에 전압이 걸리면서 마이크로팁(Cathode,음극)으로부터 전자가 방출된다.
이 전자들은 Gate 전극에 의해 집속되고 Anode 전압에 의해 가속되어 Faceplate에 있는 형광체를 발광시키게 된다. 이는 CRT와 동일한 원리이며 또한 CRT와 같이 Anode와 Cathode Plate는 밀봉시켜 진공을 유지하고, 상하 Plate 사이에 Spacer라고 하는 물체를 삽입시켜 고진공에서도 일정한 간격을 유지시킬 수 있게한다.
현재 고전압 FED에서 사용되는 형광체는 CRT용 RGB 형광체가 사용되고 있으나, 저전압 FED의 경우 새로운 저전압 고효율 형광체 개발이 필요하다.
Cathode 부분은 보다 복잡한 반도체 공정기술들을 적용되어 제작되며 Microtip의 균일성이 핵심이고, 이외에도 진공실장기술과 Arc 방지기술 개발이 요구되고 있다.
◆차세대 디스플레이 나노기술이 결정
손톱 만한 디스플레이, 두께 1㎝의 초박형 TV, 두루마리 디스플레이. 소위 차세대 디스플레이의 전형적인 특장점이다.
이러한 차세대 디스플레이 구현에 필수 불가결한 기술이 바로 나노기술이다. 전력사용량을 PDP나 LCD에 비해 크게 줄이고 두께는 브라운관에 비해 얇게 하면서도 자연스런 색감을 낼 수 있어 대표적인 차세대 디스플레이로 주목받고 있는 전계방출디스플레이(FED)는 직경이 수 나노미터에 불과한 `탄소나노튜브'라는 나노소자를 전자방출원으로 사용한다. 탄소나노튜브를 브라운관의 전자총처럼 사용하는 셈이다.
탄소나노튜브가 각광받고 있는 이유는 전계방출원의 크기가 작을수록 발광효율이 좋고 동작개시 전압이 낮다는 점 때문이다.
또 기존에 사용했던 금속팁이 수명이 짧은데다 관련 장비가 고가였던 점도 탄소나노튜브로 눈을 돌리게 하고 있다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)란 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터(nm=10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다.
탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니며 현존하는 물질중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있습니다. 고도의 합성기술에 의해 제조되며, 합성방법으로는 전기방전법, 열분해법, 레이저증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법, 열화학기상증착법, 전기분해방법, Flame합성방법 등이 있다.
탄소나노튜브는 21C 꿈의 신소재라 불리며 과학의 발전정도에 따라 항공우주, 생명공학, 환경에너지, 재료산업, 의약의료, 전자컴퓨터, 보안안전, 과학교육 등 거의 모든 분야로 응용의 범위가 넓혀지고 있다.
FED는 경쟁제품인 PDP보다는 전력사용량 면에서, LCD와는 가격경쟁력 면에서 우수하면서도 화질도 뛰어나다고 전문가들은 입을 모은다.
다만 현재까지 고품질의 탄소나노튜브를 대량 생산하는 기술이 부족한데다 이를 FED에 균일하게 분포시키는 기술이 미흡해 대부분의 기업들이 시제품을 선보이는데 그치고 있는 점이 넘어야할 한계로 지적되고 있다.
국내에서는 LG전자·삼성SDI·삼성종합기술원·일진나노텍 등이 탄소나노튜브 및 이를 이용한 FED를 개발중이다. 또 다른 차세대 디스플레이로 각광받는 유기EL에도 나노기술이 활용되고 있다.
유기EL은 자체 발광하는 유기물을 이용한 고속응답·고휘도가 가능한 데다 백라이트가 필요 없어 LCD보다도 더 얇게 만들 수 있는 디스플레이다.
유기EL은 LCD와 달리 유기물이나 전극층을 입히는데(증착) 수십 나노미터의 공정 제어 기술을 요구한다.
LCD의 경우에는 그다지 증착층의 두께가 문제되지 않지만 유기EL은 증착의 두께와 편차가 성능을 좌우하기 때문에 이를 정밀하게 제어하는 것이 필수 기술이다. 그러다 보니 나노 스케일로 유기물과 전극층을 입힐 수 있는 증착장비 및 공정기술 개발이 선행돼야 하는 셈이다.
유기EL 증착기술은 삼성SDI가 세계 최고 수준의 기술을 보유하고 있으며 국내 장비업체들도 LCD분야와 달리 세계 선진업체들과 초기부터 경쟁할 정도로 기술 수준이 높다는 평이다.
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양자점 디스플레이는 수 나노미터의 반도체 막대를 형성해 터널링 효과를 이용, 빛을 내는 기술로 발광다이오드(LED)의 크기가 수 나노미터로 조밀하게 분포돼 각각이 빛을 발산함으로써 발광효율을 획기적으로 개선할 수 있는 것이 장점이다.
반도체 나노막대는 4v의 낮은 전압에도 빛을 발광할 수 있어 이를 활용하면 고온폴리(HTPS), LCos 등과 같은 마이크로디스플레이보다도 훨씬 작은 사이즈에 더욱 뛰어난 해상도를 갖춘 나노 디스플레이를 만들 수 있는 길이 열릴 전망이다.
이처럼 나노기술은 국내 디스플레이 업계가 미래를 위해 반드시 선택해야 하는 필수기술로 자리 잡은 지 오래다.
◆차세대 FED, 한국과 일본이 주도 개발
새로운 개념의 디스플레이인 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 전계방출 표시소자(FED)가 차세대 디스플레이로 떠오르고 있다.
특허청에 따르면 LG전자 및 LG필립스디스플레이는 20인치 FED 제품개발에 성공, 제품생산을 위한 시험라인 가동을 2004년 착수할 예정이고 삼성SDI도 30인치급 디지털TV를 2004년까지 상용화하기 위해 고휘도 저가격 대형 평판소자의 개발을 진행하고 있다.
플라스마디스플레이패널(PDP) 특허 문제로 논쟁을 벌이고 있는 한국과 일본의 디스플레이 업계가 이번에는 ‘전계방출디스플레이(FED)’ 분야에서 경쟁을 본격화하고 있다.
FED는 브라운관처럼 밝고 넓은 노출각을 갖고도 액정표시장치(LCD)처럼 평판으로 제작할 수 있는 차세대 디스플레이. 비슷한 특성을 가진 유기발광다이오드(OLED)보다 대형화하기 쉬워 업계 일부에서는 차세대 모바일과 모니터는 OLED가, 대형 TV는 FED가 주도할 것으로 전망하고 있다.
FED는 일본 업체들이 먼저 개발을 시작했지만, LGㆍ삼성 등 국내 업체들이 앞선 제품 개발로 상품화를 추진할 경우, 차세대 디스플레이 시장 선점 가능성도 기대할만 하다고 관련 전문가들은 전망하고 있다.
삼성SDI에 따르면 탄소나노튜브를 이용한 30인치급 FED 개발이 거의 막바지 단계에 이르렀으며 2007년 이후 양산할 계획이다.
한양대 이철진 교수팀은 FED 핵심기술인 촉매를 이용한 화학기상성장법으로 불순물이 거의 없는 고품질 및 고수율의 이중벽 CNT를 대량 합성하는 기술을 세계 처음으로 개발하는 등 FED기술에 대한 개발이 활발하다.
FED는 화질과 가격, 대화면 등에서 많은 장점을 갖고 있어 노트북PC와 모니터는 물론 크기제한이 없는 TV 등에 적합하다.
또한 국내 디스플레이 업체들이 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 FED(전계발광소자) 개발을 완료하고 조만간 양산에 나설 계획이어서, 일본 업체들과 치열한 시장 선점 경쟁이 예상된다.
이같은 시장형성에 대비해 국내에선 삼성전자가 경희대와 아몰포스실리콘(a―Si) TFT를 기반으로 한 플렉시블 디스플레이의 후면판 개발에 협력하고 있으며, 삼성SDI는 자사 중앙연구소와 독일 베를린 연구소에서 LITI(Laser―induced thermal imaging)로 불리는 레이저 전사공정에 기반을 둔 플렉시블 OLED 후면판을 개발 중인 것으로 알려져 있다.
또 국내 첨단 벤처기업들도 초기 틈새시장 공략을 위해 초기단계의 플렉시블 디스플레이를 준비하고 있다.
플렉시블 디스플레이 업체인 소프트픽셀은 플라스틱 필름을 이용해 휘어지는 플렉시블 디스플레이를 개발, 상용제품 공급을 준비하고 있다.
이 회사의 플라스틱 필름형 디스플레이는 곡선으로의 구현이 가능한 초기단계의 플렉시블 디스플레이다.
프론티어 사업 및 선도기술개발 프로젝트에 참여한 아이컴포넌트도 광학용 PES & PC 필름 및 기능성 코팅이 부가된 디스플레이용 플라스틱 기판을 개발ㆍ생산하고 있다.
국내 업체보다 한발 앞서 기술 개발과 생산체제를 갖추고 있는 외국 기업들의 움직임도 활발하다.
일본의 소니는 E―lnk의 표시부와 필립스의 구동IC를 채용한 아몰포스 방식의 전자책을 지난 2003년 4월 내놓았다. 현재 일본 시중에서 4만2000엔에 판매되는 8인치 크기의 이 제품이 사실상 플렉시블 디스플레이의 첫 상용 제품으로 꼽힐 정도로 아직은 시장 초기단계다.
이밖에 미국 켄트디스플레이나 필립스ㆍ도시바마쓰시타디스플레이(TMD)ㆍ샤프ㆍDNP(다이니폰프린팅)ㆍ듀퐁디스플레이ㆍ엡손ㆍ파이오니어ㆍ유니버셜 디스플레이 코퍼(UDC)ㆍ브릿지스톤ㆍ캐논ㆍE―lnkㆍGyriconㆍSiPixㆍRicohㆍ소니ㆍ세이코엡손ㆍ플라스틱로직ㆍ롤트로닉스ㆍ나노레이어 등이 플렉시블 디스플레이나 관련 재료 개발에 나서고 있다.
미쓰비시는 최근 ‘FED 프로젝트 그룹’을 발족하고 내년까지 10인치 FED를, 2007년에는 30인치 FED를 개발할 계획이다.
또 소니는 올해 안에 15∼40인치 FED를 개발할 계획이다. 도시바와 캐논도 1998년 합작법인을 설립해 32인치 FED 표준 타입을 공동 개발하고 있다.
일본 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)는 지난해 6월 탄소나노튜브 FED 프로젝트 등 7개 신규 과제에 30억엔의 예산을 배정했다.
