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"OLED, 중국이 쫓아오면 더 달아나면 된다"
"OLED, 중국이 쫓아오면 더 달아나면 된다"
  • 이기종 기자
  • 승인 2020.03.05 16:56
  • 댓글 0
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김현재 연세대 교수 "한국 디스플레이 기업은 강하다"

김현재 연세대 교수(전기전자)가 "한국의 유기발광다이오드(OLED) 기술을 중국 업체가 쫓아오고 있지만 더 멀리 달아나면 된다"고 말했다. 또 "국가 차원의 기술 개발 지원과 디스플레이 생태계 전반에 학생들이 관심을 가질 수 있는 풍토 조성이 필요하다"고 강조했다.

디스플레이 TFT(Thin Film Transistor) 분야 권위자인 김현재 교수 인터뷰는 지난 2일 김 교수 연구실에서 진행했다. 그는 1996~2005년 삼성전자 액정표시장치(LCD) 사업부에서 근무한 뒤 2005년부터 연세대 교수로 재직 중이다.

- TFT란 뭘 말하나

"TFT는 'Thin Film Transistor' 줄임말이다. 디스플레이용 유리 기판 위에 박막 형태로 만들기 때문에 TFT라고 부른다. 반도체 소자는 웨이퍼 기판에서 메모리·비메모리 반도체, 트랜지스터 등을 만든다. 디스플레이는 유리 기판이나 투명 기판에서 만들기 때문에 웨이퍼를 사용하지 않는다.

TFT는 LCD, OLED, 마이크로 발광다이오드(LED) 등의 핵심 기술이다. TFT는 모든 종류의 디스플레이 패널은 물론 전자종이에도 필요하다. TFT는 청정룸(클린룸)에서 만들기 때문에 투자가 많이 필요하고 쉽게 만들 수 있는 것도 아니다. 지금은 아시아 회사들만 만들고 있다."

- TFT-LCD, AM-OLED에서 'TFT'와 'AM'은 무엇을 의미하나

"디스플레이 구동에 필요한 요소를 말한다. 과거에는 TFT-LCD라고 했지만 요즘은 TFT를 생략하고 LCD만 표기한다. AM-OLED에서 AM은 'Active Matrix'(능동형)라는 TFT를 뜻한다. 예전에 있던 PM(Passive Matrix:수동형)-OLED와 구별하기 위해 사용한다. PM-OLED는 TFT가 필요 없고 싸게 만들 수 있는 제품이다. PM-OLED는 더 이상 사용하지 않기 때문에 'AM' 없이 'OLED'만 사용해도 의미가 통한다."

- TFT 종류는 어떻게 되나

"TFT는 비정질 실리콘(a-Si:amorphous Silicon), 저온 폴리실리콘(LTPS), 옥사이드(산화물) 등 세 물질이 대표적이다.

트랜지스터를 구성하는 가장 중요한 박막 물질에 따라 TFT가 결정된다. 물질에 따라 트랜지스터 성능 차이도 크다.

세 물질은 전자이동도가 각기 다르다. 전자이동도는 트랜지스터에선 모빌리티라고 한다. 빠를수록 좋다. 비정질 실리콘이 0.5㎠/Vs(1초에 전자가 이동할 수 있는 면적), LTPS는 100㎠/Vs 정도다. 200배 빠르다. 옥사이드는 10㎠/Vs 정도다. 트랜지스터 이동도 빠르고 성능이 좋아 작게 만들 수 있다. 이동도가 빠르면 해상도가 높고 픽셀 사이즈도 작아진다."

- 중소형 OLED 디스플레이는 LTPS를 적용한다

"LTPS는 저온에서 고해상도 디스플레이를 위한 TFT를 만드는 공정을 말한다. LTPS는 'Low Temperature Polycrystalline Silicon' 약자다. 저온 다결정 실리콘을 뜻한다. OLED는 유리 기판이나 폴리이미드(PI) 기판을 사용하기 때문에 온도가 낮아야 한다. 

LTPS는 450~500도다. 비정질 실리콘(a-Si)와 을 만드는 온도는 대략 300도, 옥사이드 반도체를 이용한 TFT는 300도다. LTPS가 나머지 둘보다 온도가 높은데 저온이라는 말이 붙은 것은 반도체와 비교하기 때문이다. 반도체에서는 600~700도에서 폴리실리콘을 만든다.

폴리실리콘은 1970년대부터 사용했다. 과거에는 반도체에만 폴리실리콘을 적용할 것으로 예상했다. 하지만 OLED 디스플레이 개발이 확대되면서 지금은 소형 고해상도 디스플레이에서 폴리실리콘이 없어서는 안 된다. 최근 기술인 옥사이드(산화물) TFT도 넘볼 수 없는 영역이다."

- LTPS 공정 수행에 필요한 장비나 재료가 따로 있나

"기존 LCD 및 OLED처럼 증착, 세정, 포토 등이 모두 필요하다. 추가로 엑시머 레이저 어닐링(ELA:Eximer Laser Annealig) 설비가 필요하다. 반도체처럼 이온을 주입해야 한다.

포토 에칭도 기존 비정질 실리콘보다 훨씬 미세하게 할 수 있다. 포토 장비도 비정질 실리콘 대비 약간 고성능 장비가 필요하다. 공정 수가 소폭 늘어난다.

결정적 장점이자 단점도 있다. 트랜지스터를 만드는데 N형과 P형이 있다. LTPS는 N형도 되고 P형도 된다. N형과 P형 다 하는 것을 CMOS라고 하는데 CMOS가 유일하게 된다. 대신 공정이 더 많아진다. 포토마스크가 많아 지는 것이 단점이지만 고성능 디스플레이를 만들 수 있다."

- 장비를 사면 다할 수 있나

"그렇진 않다. 물론 장비를 사면 장비 안에 노하우가 있기 때문에 따라잡기는 쉬워진다.

삼성전자와 협력 중인 한 업체는 삼성과 함께 개발하고 레이저 소스는 미국에서 가져왔다. 엑시머 레이저는 유리 기판이 있으면 빔 사이즈가 중요하다. 삼성전자에는 초반 몇년은 다른 크기는 팔지 않는 것으로 했는데 다른 업체가 장비를 사고 시간이 지나면 가능할지도 모른다. 

결정질이 아닌 것을 레이저를 이용해서 결정질로 바꿔 놓을 때 라인빔을 스캔한다. LTPS 라인은 6.5세대가 최대 크기인데 그것이 꼭 레이저 때문만은 아니다. 지금은 6.5세대가 최대인데 LTPS는 소형이다. 레이저빔이 길면 그만큼 택트 타임(제품 하나를 생산하는데 필요한 시간)을 줄일 수 있지만 그것 말고는 그렇게 중요한 것은 아니어서 스캔하면서 지나간다

레이저는 1초에 300~500번 발사된다. 순간 온도는 700도로 올라가지만 유리 기판은 멀쩡하다. 순간적인 펄스빔이어서 라인 스캔해서 가는 것인데 6.5세대가 최대다. 모바일이어서 큰 문제는 없다. 전자이동도는 대형용은 10㎠/Vs, LTPS는 100㎠/Vs이다."

- 굳이 작은 기판에서 이동도가 100㎠/Vs인 것을 사용할 필요가 있나

"이동도가 높으면 LCD나 OLED를 만들 때 설계나 자유도가 높아진다. 학회에서 산화물 연구도 하기 때문에 10배 이상 좋은 것이 필요하다. 최근 휴대폰에서 중요한 것은 베젤리스, 풀스크린이다. 이것은 LTPS 아니면 어렵다. 트랜지스터를 1마이크로미터(㎛) 크기로 작게 만든다. 증강현실(AR), 가상현실(VR)은 더 작다. 2000ppi 이상이다. 

애플 기존 LCD 아이폰은 LTPS를 적용한다. 삼성전자 OLED 갤럭시 스마트폰도 LTPS를 사용한다. 모바일 고해상도에서는 옥사이드 침투가 어렵다. LTPS는 휴대폰에서 노트북, 모니터로 확장하는 추세다. OLED를 탑재한 노트북 나오고 있다.

LG는 옥사이드를 사용하고 있다. 굳이 대형에서 LTPS를 쓸 필요는 없다.

LTPS는 추가 공정, 레이저가 필요하다. 지금은 10세대 이상 대형에서는 LTPS는 어려워졌다. LG가 옥사이드는 굉장히 잘하고 있다. 양산한지 7~8년 됐다."

- LTPO라는 기술도 있던데

"휴대폰과 노트북, 태블릿을 만드는 유명 미국 기업에서 주도하고 있다. 해당 기업이 자사 휴대폰에 적용할 목적으로 LTPO(Low Temperature Polycrystalline Oxide)를 제안했다. LTPO라는 것은 LTPS와 옥사이드를 같이 하는 것이다. 

LTPO는 최근 주목받는 기술이다. 반도체나 디스플레이 공정은 마스크 수와 공정이 많아지면 수율이 낮아지고 어려워진다. 때문에 마스크 수를 줄이려고 하는데 옥사이드와 폴리실리콘을 함께 한다는 얘기는 (마스크가 늘어나기 때문에) 충격이었다. 미국 업체는 강하게 추진했고 우리나라 패널 업체는 따를 수밖에 없었다.

이미 미국 업체의 워치 제품에 상용화 됐다. 휴대폰은 조만간 가능할 것으로 본다. LTPO 기술이 휴대폰까지 적용되면 영향이 클 것이다. 디스플레이 업계나 학계에서 주목해야 할 기술이다. 세계를 이끄는 국내 두 패널 업체도 개발하고 있다. 하지만 두 업체는 LTPO가 아니라 다른 기술명으로 개발 중이다.

LTPS 패러다임이 많이 변하고 있다. 마스크는 특성이 중요하다. 이 기술을 써서 디스플레이 특성이 좋아지면 쓴다. 지금 해당 업체에서 말하는 LTPO, 즉 LTPS와 옥사이드를 합친 TFT가 워치 제품에 들어가면 좋아지는 특성이 있다.

옥사이드 TFT의 모빌리티가 10㎠/Vs밖에 안 되지만 제품을 껐을 때 결정적 장점이 발휘된다. 트랜지스터를 껐을 때 전류가 엄청나게 낮다. 디램이나 플래시 반도체를 연구하는 이들도 옥사이드 반도체를 주목하고 있다.

트랜지스터를 끄면 전류가 안 흘러야 하는데 굉장히 낮다. 워치에서 디스플레이 크기를 30% 키웠는데 배터리 수명이 같았다. 일반인들은 배터리 불만이 많기 때문에 중요한 시사점이다. 

모든 스크린의 정지 화면은 1초에 데이터를 60번 사용한다. 옥사이드는 소비전력이 낮고 1초에 데이터를 60번씩 쓰지 않는다. 일본의 한 업체는 1초에 한 번씩 쓴다. 일반인은 화면 깜빡임을 못 느낀다."

- 추가로 들어가야 할 장비는 무엇이 있나

"LTPO로 한다는 얘기는 LTPS와 옥사이드를 다 한다는 얘기다. 두 가지를 만드는 설비가 다 있어야 한다. TFT 쪽에 장비를 넣었던 업체에는 나쁘지 않은 소식이다."

- 중국 업체 추격이 거세다

"LCD보다 OLED는 따라잡기 어렵다. LCD는 마스크 숫자도 많지 않다. 패널 회사에서 팹-인부터 팹-아웃까지 약 1주일 걸린다. OLED는 2주는 필요하다. 디램 공정은 석 달 이상이다."

- 중국 CSOT가 최근 출시한 패널은 홀 디스플레이, 곡면(커브드), 터치 일체형을 적용했다

"우리나라 두 업체가 기술 이끌고 있고 아직 격차(리드 타임)가 있다. 경쟁사가 역설계(Reverse Engineering) 등을 통해 성분 분석 등을 진행해도 기술 속성을 다 알기는 쉽지 않다. CSOT가 따라오는 것은 피할 수 없지만 그만큼 한국 업체가 더 도망갈 것 같다.

'앞으로 시간이 더 지나면 OLED도 LCD 같은 결과가 나오지 않겠느냐'는 시각도 있지만, 아직 우리나라 업체 잘하고 있다. 기술력이 압도적으로 앞서 있다. CSOT보다 BOE가 물량 등에서 더 위협적이다. 그래도 OLED 수준은 따라오기 힘들다."

- 삼성전자가 폴더블폰처럼 새로운 폼팩터 제품 내놓고 있다

"(늘어나거나 형태가 자유롭게 변하는) 스트레처블이나 투명으로 가려면 TFT도 많이 바뀌어야 한다. 도전 과제도 많다. 접히는 부분에서 특성 변화가 없어야 하고 TFT 외에도 힌지, 커버윈도도 중요하다. 

(삼성전자가) 그런 것을 잘하는 것 같다. TFT 성능이 달라지면 디스플레이 특성이 달라진다. 물리적으로 다양하게 펼치고 접었을 때 원래 수준으로 복귀해야 한다.

국내 패널 업체도 대비하고 있다. 하지만 일반인이 생각하듯 급진적 수준의 기술 발전은 시간이 걸릴 것이다.

휴대폰은 우리나라 업체가 잘 이끌고 있다. 중국이 쫓아온 만큼 빨리 도망가면 된다. 우리나라가 반도체는 물론 디스플레이도 1위다. LCD에서는 중국 업체가 추격해왔지만 OLED에서는 한국이 보유한 기술이 압도적으로 앞선다."

- 국가 지원 필요하지 않나

"전폭적인 국가 지원이 필요하다. 정부에서도 인지해서 예타 산업을 지난해부터 시작했다. 동시에 한국이 세계 시장을 주도하는 디스플레이 분야의 장비·재료 업체에도 학생들이 관심을 갖고 취업할 수 있는 풍토를 만들어야 한다."

- 마이크로 LED도 TFT가 필요하나

"마이크로 LED도 TFT가 필요하다. TFT가 필요 없을 수도 있지만 굉장히 제한적일 것이다. 미니 LED도 TFT가 들어가야 한다.

밝고 휘도가 높은 마이크로 LED는 어쩔 수 없이 고가가 될 확률이 높다. 아주 소형 아니면 아주 대형으로 활용할 가능성이 크다.

대형에는 한계가 있어 보인다. 지금도 100인치 이상 제품 가격은 1억원을 웃돈다. 물론 예전에 OLED TV가 처음 나왔을 때도 비싸다는 평가가 있었다. 하지만 마이크로 LED TV는 OLED TV보다 더 강력한 기술 혁신(Breakthrough)이 있어야 가정용 제품으로 확산할 수 있을 것이다. 현재로서는 디지털 사이니지나 색다른 애플리케이션에는 적용 가능하지만 일반인이 마이크로 LED TV를 사기는 어려울 것 같다. 마이크로 LED 전사(Transfer)가 특히 어렵다."

- 마이크로 LED TV 상용화가 가능해지면 디스플레이 판이 바뀔 수가 있나

"획기적 기술이 나온다면 디스플레이 판이 바뀔 가능성도 있다."


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