[디스플레이 산업리포트] 2018 10 12 한국투자 - 디스플레이 장비/소재

LCD와의 차별화

• 삼성디스플레이가 2019년부터 프리미엄 TV 패널 투자를 시작할 것으로 예상
  • QD 기술을 기반으로한 QD-OLED 패널을 준비할 것
• 대형 LCD 패널 시장에서 중국이 한국을 추월할 것이란 전망은 2015년에도 있었으며, 국내 패널업체들은 LCD 출하량 경쟁 대신 새로운 OLED TV 패널 생산으로 대응했다.
• 국내 패널업체들은 32~40인치 TV 패널은 중국이 쉽게 시장에 진입해 경쟁이 심화될 수 있어 55인치 이상 패널에 중점을 둔다.
• 프리미엄 TV에서 삼성전지(QLED TV)와 LG전자(OLED TV)의 점유율이 높은 이유는, TV 패널 업체(삼성디스플레이, LG디스플레이) 기술 수준이 해외 패널업체 대비 높기 때문이다.
• 삼성디스플레이는 플렉서블 OLED 패널 점유율 98%, LG 디스플레이는 대형 OLED TV패널 점유율 100%로 양산 능력도 차이가 크다.

TV 시장 히스토리

• LCD TV 시장이 성장하기 시작한 04년부터 07년 사이 달러기준 TV 시장은 연평균 14%씩 성장했다. 같은 기간 전세계 TV의 대수기준 성장률은 연간 3%에 그쳤고, 이는 Display 방식 변화로 인한 ASP 상승에 기인했다.
• LCD TV가 전에 없던 초대형 TV 시장을 만들어낼 수 있었던 이유
  • LCD TV가 CRT TV 대비 부피가 줄어들어 거실에서 차지하는 공간이 줄었고, TV가 더 커질 수 있었다.
  • CRT의 기술 혁신이 정체되며 ASP가 지속적으로 하락하여 TV 가격이 소비자들 소득 수준에 비해 크게 낮아져 있었고, LCD TV라는 새로운 기술에 대해 소비자들이 더 높은 가격을 지불할 잠재적 용의가 충분했다.
• 2005년, 삼성전자가 전세계 최초로 40인치대 TV를 양산 판매했고, 2006년 LG디스플레이가 7세대 LCD라인을 가동하기 시작했다.
  • 2006년 LG디스플레이가 7세대 라인을 가동하면서 1년간 패널공급 과잉과 가격하락으로 손실이 발생했지만 2007년에는 큰 폭의 이익을 내기 시작했다.
• 지금도 삼성과 LG가 가려는 방향은 프리미엄 TV 시장 확대이다.
• 하지만 OLED TV의 가장 큰 한계는 현재 시장의 주류인 LCD 기술 대비 차별화가 쉽지 않다는 점이다.

OLED는 LCD 대비 기술적 진입장벽이 높아 선두업체들이 시장 선점을 통해 이익을 독점할 수 있는 기간이 LCD 대비 상대적으로 길 수 있다는 장점이 있다.

OLED TV를 가장 많이 판매하고 있는 LG전자의 TV사업 수익성이 TV 시장 1위 업체이는 삼성전자보다 높게 유지되고 있는 것도 OLED TV의 판매에 기인한 것이다. 패널 산업은 생산물량이 증가할 수록 원가하락 속도가 빠르기 때문에 공급물량이 증가하면서 수익성이 개선될 수 있다.

삼성전자 2019년 QD-OLED 투자 재개 예상

삼성디스플레이는 8세대 LCD 라인을 QD-OLED로 전환할 것으로 예상한다. 전환투자는 기존 LCD 장비를 활용할 수 있어 삼성 디스플레이는 장비 투자액과 감가상각을 최소화해 원가 경쟁력이 높다. 전환투자시 경쟁력이 약화된 LCD TV 패널 사업 비중도 줄일 수 있어 효과적이다.

(2020-12-24 기사)

• 2020년 초에는 양산라인 전환투자가 시작될 것으로 전망
• 2020년 중 삼성디스플레이 A5 공장도 건설을 완료해 QD-OLED 라인 투자 본격화도 예상한다. A5 공장은 공장 부지 규모상 초대형 패널 공장이 될 전망이다. 생산할 TV 패널 크기에 따라 최대 11G까지 원장 크기가 커질 수 있다.
• 생산 tact time의 경우 OLED 증착 라인은 원장 1장에 최소 48 ~ 70초, 잉크젯 프린터는 90 ~ 180초 수준으로 알려져 있다.
• 퀀텀닷 컬러필터는 삼성디스플레이 이외의 패널 업체가 연구하고 있지 않은 것으로 보인다.
• 궁극적으로 A5 공장에는 플렉서블 OLED 투자보다 10.5G 이상 QD-OLED 패널이 유력하다.
  • A5 공장에 플렉서블 OLED 투자가 어려운 실질적 이유는 중국 패널업체들이 대규모로 양산을 준비하고 있기 대문이다.
  • 즉, 스마트폰 OLED 패널의 경우 수요는 약한데 공급은 늘어나게 된다.
  • 가장 큰 고객인 애플도 패널 벤더를 다변화하고 있다는 점, OLED 패널 수요 증가 속도가 공급 증가 속도보다 느리다는 점도 신규 투자를 어렵게 하고 있다.
  • 다만 중국이 플렉서블 OLED 양산이 불가능하다고 확인되면 그때 삼성디스플레이가 신규투자를 A5 공장에서 재개할 가능성이 생긴다.
• QD-OLED 투자금액은 2021년까지 최소 10조원규모일 것이다.
• 삼성디스플레이의 QD-OLED 투자 비용은 파일럿 라인을 제외하고 2020년 전환 투자 라인(8G 총 60K/월 이상)에 최소 3조원, A5 신공장 10.5G QD-OLED 신규투자(10.5G 신규 60K/월)에 최소 7조원을 예상한다.

왜 퀀텀닷과 OLED인가

퀀텀닷이란 크기가 매우 작은 반도체 입자로, 빛 에너지나 전류를 공급하면 퀀텀닷 입자의 특성에 따라 특정 주파수(색)의 빛을 낸다. 원하는 주파수의 빛을 선택적으로 조절할 수 있어 색 재현성이 뛰어나다.

OLED는 기존 LED의 BLU를 없애고 OLED를 발광원으로 사용하게 돼 두께를 줄일 수 있고 pixel별로 동작할 수 있다. 퀀텀닷의 기술개발 순서는 QD-LCD, QD-OLED, QD-LED으로, 궁극적인 목표는 백라이트가 필요 없는 자발광 퀀텀닷 패널이 되겠다.

LGD의 White OLED나 SDC의 QD-OLED 방식에서 OLED는 자발광이긴 하지만, 단색의 백라이트로 사용되며, 자체적으로 원하는 색을 낼 수는 없다. OLED 백라이트는 OLED 증착 공정의 높은 비용 때문에 원가가 상승하고 여전히 컬러 필터도 필요하다.

QD-LED 패널은 백라이트와 컬러필터가 모두 필요 없고, 증착공정도 잉크젯 프린팅 공정으로 대체돼 생산비용이 크게 감소하는 이점이 있다. QD-LED는 OLED보다도 색순도가 높고 광전환 효율이 높으며, 공정도 최소화해 주목받고 있는 기술이다.

OLED 기술을 채택하면 현존하는 OLED TV 패널의 이점인 무한대의 명암비를 얻을 수 있고 시야각과 반응속도가 향상된다. 하지만 낮은 휘도와 번인 현상은 단점이다. QLED가 양산용 패널에 적용되기까지 필요한 연구 시간은 10년 이상 필요한 것으로 생각된다.

• 색순도 : 광원이 얼마나 단색광에 가까운가 (색의 밝고 선명한 정도)
• 휘도 : 어떤 표면에서 방사되거나 반사된 빛이 우리의 눈에 얼마나 들어오는가 (발긱)

SDC가 QD-OLED를 적용하면 LGD의 W-OLED 방식패널과의 경쟁 포인트는 색 재현력을 높이는 고색재현과 초고화질 8K 패널 생산이 될 것이다. 고색재현이란 디스플레이가 표현할 수 있는 색 영역이 넓어 현실에 가까운 색을 재현할 수 있는 기술을 의미한다. 8K 해상도의 초고화질 패널 시장에서는 OLED보다 생산이 쉬운 QD-LCD 패널로 시장을 선점하려고 하는 것으로 보인다.

SDC가 QD-OLED 투자 결정을 쉽게 하지 못하는 이유는 기술적 한계와 양산성 확인 때문이다. 퀀텀닷 소재의 낮은 내구성, blue OLED 백라이트의 컬러필터 빛샘현상, 비카드뮴계 퀀텀닷 재료의 낮은 광효율성, 퀀텀닷에서 방출된 빛의 재결합 문제, 잉크젯 프린팅 공정의 효율화와 공정용 퀀텀닷 및 잉크 개발 등이 그 예이다.

역설적으로, QD-OLED 양산을 가능케 하는 신규 장비/소재 공급을 성공하는 업체가 나온다면 최소 5년간은 독점적 지위를 누릴 수 있을 것으로 예상한다.

CRT → LCD가 일어났듯이, OLED와 QD 기술이 LCD를 대체할 것이다. OLED 패널은 아직 국내 패널업체들이 독점하고 있고, 퀀텀닷 패널은 QD-LED 기술까지 도달하기 위한 SDC와 국내외 업체들의 연구개발이 진행중이다.

장비/소재업체들에게 시장 확대의 기회

생산 라인 투자의 기본인 물류장비 공급업체인 SFA, OLED 기술의 TV 패널 도입에 따라 OLED 소재 출하가 증가하는 덕산네오룩스, QD를 독점 공급할 수 있는 한소케미칼 등이 수혜를 받는 장비/소재업체들이다.

QD-OLED에 필요한 신규 장비는 4가지가 있다.

• 잉크젯 프린터
• Blue OLED용 증착기
• Oxide TFT 전환에 필요한 IGZO 스퍼터링/열처리 장비
• 봉지장비

TFT/Cell 공정 장비는 기존 장비를 사용해도 무리가 없을 것이다.

QD-OLED 핵심장비는 Blue OLED용 증착기와 퀀텀닷 컬러필터용 잉크젯 프린터이다.

Blue OLED 증착기에는 기존 중소형 OLED에서 사용된 FMM(Fine Metal Mask) 방식과 클러스터(Cluster) 시스템이 아닌 Open maks(마스크가 필요 없는) 방식과 인라인(In-line) 시스템이 사용될 것이고, 이는 Canon Tokki가 수주할 가능성이 높다.

퀀텀닷 컬러필터용 잉크젯 프린터는 양산에 적용가능한 기술 수준을 보유하고 있는 장비 업체가 USA Kateeva와 일본 Tokyo Electron 밖에 없으며, SDC와 협업해온 Kateeva가 수주할 가능성이 높다.

Blue OLED 증착 시스템

OLED 증착공정은 증착에 사용되는 전체 시스템의 신뢰성은 물론, 소재를 증발시키는 증발원과 증착시스템이 조화를 이뤄야 하고, 실제 양산 적용시 수율이 주용하다. 인라인 방식의 증착 시스템은 클러스터 방식 대비 요구 정밀도가 상대적으로 낮다.

• 인라인 방식 : 패널 원판이 일렬로 놓여진 증착 챔버들을 통과하면 증발원에서 기화된 OLED 유기/메탈 소재가 기판에 달라붙는 방식
• 클러스터 방식 / FMM 방식은 패널이 크면 조작이 어려워 mask 적용시 정밀도가 떨어져 수율에 문제가 발생하고 증착에 걸리는 시간도 길다.

OLED 소재는 수분과 산소에 의해 이로부터 보호할 수 있는 봉지(encapsulation) 공정을 반드시 요구하는데, 공정 수율에 따라 OLED 소재와 패널의 내구성과 신뢰성이 결정된다. 양산에 적용되는 봉지 공정은 Glass, TFE, Metal 방식이 있는데, SDC는 Glass 방식을 우선적으로 채택할 것이라 예상한다.

• AP시스템, 원익 IPS

Glass 방식은 유리를 사용해 신뢰도가 높고 투명도가 높다. 높은 투명도는 고해상도 패널에서 유리한데, 8K 패널 등 화소의 크기가 세밀해질 때 발생하는 개구율 감소 효과를 최소화할 수 있고, 전면발광이 가능해 초고화질 패널에 적합하기 때문이다.

• 개구율 : 화소에서 실제 빛이 나오는 영역의 비율

TFE 방식은 유기/무기 박막층을 이용해 유연성을 요구하는 flexible OLED에 사용되는데 대면적에서는 공정 효율성 및 신뢰도가 낮은 문제점이 있고, Metal 방식은 양산에 사용되고 있는 방식이나 불투명한 금속 때문에 전면발광이 불가능해 향후 8K 패널에 적용이 어려워 확장성이 낮다는 특징이 있다.

다만 LGD가 대형 OLED에서 봉지 필름(metal foil)을 양산에 적용했던 사례가 있어 SDC는 봉지 공정에서 어떤 기술을 사용할지의 확정까지는 기다려야 하는 상황이다.

잉크젯 프린터

잉크젯 프린터의 원리는 문서 인쇄에 사용되는 일반 프린터와 동일하게 프린터 헤드를 통해 잉크를 토출하는 방식이다. QD 컬러 필터 공정에선 각 sub-pixel 마다 균일하게 퀀텀닷 잉크를 떨어뜨려야 한다. 잉크젯 프린터의 장점은 공정 수가 감소해 패터닝이 용이하고 단순하다는 점이다. sub-pixel 별로 다른 성질(Red, Green)의 QD를 적용해야 해 FMM 방식이 검토될 수 있으나 대면적 패널(8G 이상)에서의 마스크 처짐이나 QD 소재의 부족한 내열성 문제로 어렵다.

잉크젯 프린터가 반드시 필요한 이유는 기존 mask 방식(Photoresist 염료를 사용한 RGB 구현) 적용시 버려지는 QD 소재가 많아 비용 측면에서 비효율적이기 때문이다. LCD 패널에서 버려지는 컬러필터는 Mask 공정을 적용한다. RGB 색을 가진 컬러필터용 감광재(Photoresist)를 패터닝 하는데, 원하는 패턴 외에 노광 및 현상되지 않은 거의 대부분의 감광제는 모두 세정되어 버려진다.

이런 방식을 QD에 적용하면 비싼 QD 소재가 대부분 세정되어 버려져 원가가 크게 상승한다는 것이 문제이다. 따라서 mask 방식 대신, 패터닝 시 재료 효율성이 가장 높은 잉크젯 프린팅 방식이 장기적으로 채택될 것이다.

55인치 8K 패널은 160PPI 수준을 요구한다.

현존하는 잉크젯 프린터가 양산 구현 가늫안 PPI는 100 ~ 200 PPI로 알려져 있다. 향후 8K 이상 초고화질 패널 생산 고려시 55인치 패널에는 160PPI 이상이 필요하므로 적용이 가능하다.

스마트폰 OLED 패널은 최대 570PPI 수준까지 요구하기 때문에 기술 수준이 부합하지 못한다. 차후 잉크젯 프린팅 공정을 중소형 패널에도 적용하기 위해 최신 노하우와 기술 개발이 필요하므로 우선 대형 패널에서 잉크젯 프린팅이 사용될 것이다. 추가적으로, 유기물(OLED)보다 무기물(QD)에서 잉크젯 프린팅 적용 난이도가 쉬운 것으로 알려져 있어 향후 RGB OLED에 적용하기 전에 먼저 QD 컬러필터에서 사용될 것이다.

Oxide TFT 형성, 열처리 장비

Oxide TFT의 IGZO 증착용 sputtering 장비와 열처리 장비가 추가 필요할 것이다.

SDC의 LCD TV 패널 라인은 전부 a-Si TFT 기반이어서 Oxide TFT로 전환하기 위한 신규 장비와 공정 도입이 필요하다. Oxide TFT는 a-Si TFT 대비 전자 이동 속도(mobility)가 빨라 고해상도에 따른 화소 크기 소형화, 저항 증가, 반응 속도 감소 문제를 해결할 수 있다.

잉크텟 프린팅 공법을 사용하게 되면 열처리 장비가 필수적이다. QD 잉크는 기본적으로 QD 입자와 이를 잉크화 하는데 필요한 용매가 같이 사용되어야 한다. 용매는 잉크화를 위한 base 소재로 일종의 불순물이기 때문에 열을 가열하는 drying 공정을 통해 없애야 하므로 열처리 장비가 사용된다. 잉크를 필름화/고체화 하는 베이킹 (baking) 공정 역시 특수한 열처리 장비가 필요하다. 이외에도 공정 온도 제어에 여러 열처리 장비가 쓰인다.

• 테라세미콘, 일본 koyo

특히 QD 잉크에 알맞은 열처리 장비 개발이 필요하며, 열처리 공정은 기본적으로 긴 공정 시간이 소요되기 때문에 생산 속도 향상을 위해 개선되어야 하는 중요한 부분이어서 예상보다 많은 열처리 장비가 필요할 가능성이 있다.

장비 측면에서 QD-OLED 전환 투자를 위해서는 선행투자가 필요하다.

• 물류장비, 검사장비, 리페어 장비, 기반 시설 투자

물류 장비는 기본적으로 QD-OLED에서 공정 수가 증가하고 생산라인의 수정이 필요하므로 추가 투입이 예상된다. 검사/측정 장비는 새로운 OLED/QD 컬러필터 공정 검사와 품질 개선을 위한 장비 공급이 가능한 업체의 수혜가 기대된다.

QD-OLED 소재

TV패널에 OLED 적용시 단위 면적당 소재 수요가 감소하지만 면적효과가 발생하여 결과적으로 더 많은 소재가 필요로 한다.

만약 tandem 구조 (2개 이상의 OLED stack을 쌓는 방식)을 사용할 경우 단위 면적당 OLED 소재 사용량에 업사이드가 존재한다.

OLED의 문제는 수분, 산소, 열, 구동스트레스, 열화 등 다양한데 특히 Blue OLED의 수명은 소재 특성 상 상대적으로 R G 보다는 빨리 단축되는 것으로 알려져 있다.

Blue 층 밝기를 낮추는 대신 여러 층을 쌓아 밝기의 총 합은 유지하는 방식을 채용할 것으로 예상된다. 소재 업체들의 출하량 증가가 기대되는 이유이다.

Blue OLED의 수명 문제 해결 위한 TADF(열활성지연형광, Thermally Activated Delayed Fluorescence) 기술로 OLED 개선 목표

삼성종합기술원의 IP를 사용할 수 있는 업체는 한솔케미칼뿐이라 후발 업체의 진입은 어려울 것이다.

청색 QD 소재 개발은 QD 패널의 최종 목적지가 될 것이다. 청색을 표현하기 위해선 QD 입자 크기가 매우 작아야 하는데, 수명이 매우 짧고 생산이 어렵다. QD-OLED 기술이 Blue QD가 아닌 Blue OLED를 사용할 수밖에 없는 이유이다. Blue QD 개발에 성공하면 QD 패널의 최종 단계인 QD-LED 패널이 생산 가능하고 OLED와 LCD 패널의 경쟁력은 감소할 수 있다.