[디스플레이 산업 리포트] 2019 02 27 키움증권 - OLED 기초 설명서

삼성디스플레이 CAPEX 성장 재개

• SDC의 CAPEX 증가세가 재개될 전망
• 16년도부터 17년도의 투자는 이미 경쟁우위에 있던 스마트폰용 OLED 패널 시장에서 신규 고객 확보를 위해 단기간 내에 급격히 진행되었다.
• 반면 이번 투자는 TV패널 산업 내 자사의 포지셔닝 변경과 중소형 OLED 패널의 전방 수요 확대를 목적으로 하고 있어, '시간을 두고 서서히 진행'될 것이다.
• 19년도 20년도 CAPEX 증가분은 QD-OLED TV 패널의 장비 증설과 A5 공정 건설에 사용될 전망이다.

QD-OLED TV의 투자는 기존 LCD 공장의 클린룸 공간이 확보되는 1H19부터 향후 3년간 누적되어 진행될 전망이다. 이는 TV패널향 장비 업체의 수주 금액 증가를 의미한다.

SDC, LGD OLED supply chain

OLED의 구분 - 발광 / 발색 / TFT

Flexible OLED, WOLED, QD-OLED 모두 LCD와 달리 빛을 비출 때 BLU를 사용하지 않고 OLED를 통해 자체 발광한다는 공통점이 있지만, 각각의 발광 방식에는 차이가 있다.

Flexible OLED에는 LTPS TFT, WOLED에는 Oxide TFT가 적용되고 있으며, QD-OLED 또한 Oxide TFT를 적용할 것으로 전망된다.

Flexible OLED

Flexible OLED는 유리 기판에 액상 형태의 PI Varnish를 도포하여 제조한다. 현재 Flexible OlED는 삼성의 Galaxy S flagship 제품과 Apple의 iPhone X/XS 등 중소형 패널에 적용되고 있으며, 중국 스마트폰 내 침투율 또한 증가하고 있다.

• 발색/발광 : OLED를 통해 빛과 색을 모두 구현, Flexible OLED에서는 빛과 색을 모두 OLED 층이 직접 담당한다
• 액정을 통해 빛을 재현하는 것이 아니므로 LCD에서 나타났던 빛샘 현상이 없어 명암비가 뛰어나고, LCD에서 광원으로 사용된 BLU가 불필요하므로 두께 또한 대폭 얇아진다.
• 딱딱한 BLU가 없기 때문에 flexible OlED를 통해 폴더블, 롤러블 등의 폼팩터 혁신이 가능해진다.
• OLED가 컬러필터 대비 색 재현율이 뛰어나 뚜렷한 고화질 영상을 생생하게 재현할 수 있다.
• 전자 이동속도가 빠른 LTPS TFT만이 유기재료 발광을 위해 요구되는 전류 수준을 지속적으로 공급할 수 있기 때문에 LTPS를 사용한다. 그러나 LTPS는 기존 a-Si 대비 더 많은 포토 공정을 필요로 하고, 특수 레이저 공정이 추가로 진행되기 때문에 제조 단가가 비싸다는 단점이 있다. 따라서 대형 패널에 적용이 어려워 중소형 LCD 및 OLED에만 적용되고 있다.

공정

Flexible OLED 공정은 유연성을 갖춘 플라스틱 기판을 제조함으로 시작된다. 내열성이 우수하고 내화학성이 높은 PI 기판이 Flexible OLED에 적용되고 있다.

PI 기판을 형성하기 위해서는 먼저 유리기판 위에 액상 형태의 PI Varnish를 도포한다. 이후 PI curing 장비를 사용하여 열처리를 해주면 도포된 PI varnish가 굳어져 PI 기판이 형성된다. PI Varnish는 일본 업체인 UBE와 Kaneka가 각각 SDC, LGD에 공급한다. SDC는 UBE와 11년도 합작사 에스유머터리얼즈를 설립하여 안정적인 PI varnish 공급을 확보해왔다. 한편, 열처리공정에 사용되는 PI Curing 장비는 원익테라세미콘과 비아트론이 각각 SDC, LGD에 공급해왔다.

WOLED : 최초의 양산형 대형 OLED 패널

WOLED는 OLED 소재를 통해 빛을 비추지만, 색 재현은 LCD와 동일하게 컬러필터의 도움을 받아야 한다. 즉 WOLED의 색 재현력은 기존의 LCD와 비슷하지만, BLU의 보조 없이 OLED 소재를 통해 자체적으로 빛을 냄으로써 LCD에서 발생하는 빛샘 현상이 없어 명암비가 우수하다.

발광은 Tandem 구조로 적층하여 백색광을 발광한다. Blue OLED는 형광 물질로, 인광 물질인 Red와 Green 대비 수명이 취약하여 번인 현상의 주요 원인으로 잘 알려져 있다. WOLED는 아래 그림과 같이 Blue OLED unit을 두 개의 층으로 쌓아 동시에 발광하게 함으로써 취약한 수명에 대한 부담을 완화시켰다.

• 형광 : 파장의 빛을 흡수하는 물질의 성질, 어느 물질을 투사했을 때 투사광선과는 전혀 다른 고유한 빛깔의 광선을 방사한다.
• 인광 : 물체에 빛을 조사한 후 빛을 제거하여도 발광이 지속되는 현상 또는 그 빛

WOLED에 적용된 Tandem 발광 구조는 CGL(Charge Generation Layer) 층이 존재한다. CGL 층에서는 전자와 정공을 생성시켜 ETL와 HTL이 안정적으로 전달받아 빛을 내도록 도와준다.

WOLED는 컬러피터를 이용했다. CF란 유리기판 위에 R, G, B 3색의 컬러 레지스트를 특정 패턴으로 입혀 형성한 것을 말한다.

백색광 OLED 적층 구조 대신, RGB OLED를 대면적에 수평 증착시 수율이 부진하고, 소모되는 비용과 시간으로 인해 생산 효율이 떨어지므로 빛은 OLED를 통해서 비추고, 색은 컬러필터를 통해 구현하는 방법을 채택했다. RGB OLED를 수평으로 증착 시 미세한 구멍이 뚫려 있는 FMM(Fine Metal Mask)를 사용하는데, FMM의 얇은 특성으로 인해 대형 기판에 적용시 마스크가 처지는 현상이 발생한다.

WOLLED는 Oxide TFT를 사용했다. 기존 a-Si 공정에서 1~2개 마스크 공정이 추가되면 Oxide TFT가 제조될 수 있기 때문에 양산성 측면에서 선호된다. 또한 LTPS와 달리 고온을 가해 실리콘 배열을 결정화 시키는 과정이 불필요하여 고온 장비 투자 부담이 완화된다. 이러한 장점들 때문에 Oxide TFT는 대면적 디스플레이에 유리하다.

공정

TFT 공정에서는 CVD 방식 중 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)와 PVD 방식 중 Sputtering 방식이 적용된다. 저온 공정에서 적용이 용이한 PECVD는 주로 절연막과 보호막을 증착할 때 사용되고, Sputtering은 금속을 증착할 때 주로 사용된다.

식각공정은 화학적 반응을 일으키는 습식 식각과, 반응성 기체 등을 사용하는 건식 식각 2가지로 분류되는데, 금속에서는 습식 식각을 주로 사용한다. Gate는 금속이므로 Sputtering 증착 방식과 습식 식각이 주로 적용되고, 비금속 Layer의 경우 PECVD 증착 방식과 건식 식각이 주요 공정 기술로 적용되고 있다.

 

WOLED향 PEVCD 장비는 Applied Materials, 주성엔지니어링이 공급하며, Sputtering 장비는 아바코, 탈수소화를 위한 열처리 공정장비는 비아트론이 공급한다.

WOLED에서 증착을 할 때에는 open mask 방법을 사용한다. 이는 FMM을 쓰지 않는 방법인데, FMM의 얇은 특성으로 인해 대형 기판에 적용시 마스크가 처지는 현상이 발생하기 때문이다.

Open Mask 방식의 대면적 WOLED 증착기는 야스가 생산하며, 유일한 양산 레퍼런스를 보유하고 있다.

 

WOLED 봉지 공정은 Metal foil이 결합된 봉지필름을 증착하여 진행된다. 대형 WOLED 봉지 장비는 주성엔지니어링이 LGD향으로 납품 중에 있으며 봉지 필름은 이녹스첨단소재와 LG화학이 생산한다.

검사 공정, module, 본딩 공정 등을 포함한 후공정에서 쓰이는 Laser cutting 장비는 이오테크닉스와 필옵틱스가 공급한다. 부착에 필요한 Laminating 장비들은 톱텍, AP시스템, 제이스텍이 납품 이력을 가지고 있다. Film 부착 과정에서 발생한 기포들을 제거하기 위해 Auto clave 장비로 열처리를 진행해주고, 열처리 후 PCB Bonding을 진행해주면 전반적인 후공정까지 마무리된다.

QD-OLED

입자의 크기가 nm 수준에 달하게 되면, 입자 크기가 작아질수록 에너지 밴드갭이 커지는 현상(양자구속 효과)이 나타나게 된다. 때문에 청색 소자가 빛을 내기 위해 가장 높은 수준의 에너지를 요구하므로 청색 소자는 안정성과 수명 이슈로 인한 높은 기술력을 필요로 한다.

QD는 물질의 종류를 바꾸지 않고도 입자의 크기만을 설정하여 광선 방출, 빛의 파장 등을 효율적으로 바꿀 수 있으며, OLED의 장점인 뛰어난 색재현력 또한 보유하고 있다. 또한 QD는 유기물질인 OLED와 달리 안정적인 무기물질로 구성되어 OLED의 최대 단점이었던 번인 문제가 해결될 수 있고, OLED 대비 제조원가도 저렴하다. 이러한 장점들이 삼성이 차세대 디스플레이 기술로 QD를 채택한 이유라 판단된다.

삼성의 QLED TV는 QD이 외부에서 전류를 받아 스스로 빛을 내는 EL 방식이 아닌, 외부에서 빛 에너지를 받아 빛을 내는 PL 방식이다. 삼성은 차세대 대면적 디스플레이 기술로 한층 더 자발광 방식에 가까운 QD-OLED를 개발 중에 있다. QD-OLED는 Blue OLED를 적층하여 발광원으로 활용하고, 발색은 QD를 증착한 컬러필터를 통해 구현하여 색 재현력을 높일 수 있을 것을 전망된다.

QD는 산소와 수분에 취약하며, 고온에서 제 기능을 상실한다는 단점이 있다. 따라서 CF에 QD를 증착시 기존에 적용됐던 고온에서의 증착 방법과 달리, 잉크젯 프린터에서 잉크를 떨어뜨리는 것처럼 QD를 증착시키는 잉크젯 프린팅 방법을 적용할 것으로 보인다. 문제는 수율 확보가 쉽지 않다는 점이다.

또한 Bue OLED는 수명이 취약하므로 번인 현상을 방지하기 위해서는 충분한 수명 확보가 필요하다.