[디스플레이 산업리포트] 2020 06 02 키움증권 - Q것이 알고 싶다

당사는 SDC가 4Q20 부터 LCD 생산 라인 스크랩을 진행한 후, 1Q21에는 QD phase 2인 QNED 라인 투자에 착수할 것으로 전망한다. 이후 1Q22부터 QNED 라인 양상이 본격화될 전망이다.

SDC, QD 중심의 대형 사업부 재편 예상

삼성이 QD를 차세대 대형 패널 기술로 주목하는 이유는 1) 크기에 따라 다른 색을 낼 수 있는 특성(양자구속효과)와 2) 무기물 소재의 안정성 때문이다. 향후 QD-OLED와 QNED에 이어 궁극적으로는 완전한 자발광(EL) 방식의 TV 패널을 위한 투자를 지속해 나갈 전망이다.

QNED는 QD-OLED와 레이아웃이 유사하며, 발광원만 Blue OLED가 아닌 Blue Nanorod LED로 변경되었다는 점이 그 특징이다.

SDC 대형 패널 시장의 판도를 바꾸다

예상치 못한 코로나 19 발발로 인해 LCD 패널 수요와 공급에 모두 영향을 주자 SDC가 LCD 사업 철수를 앞당긴 것으로 판단된다. (→ 실제로는 4Q21까지 생산하기로 삼성전자와 협상봄)

전반적인 소비 심리가 꺾이고, 도쿄 올림픽 등 주요 스포츠 이벤트들도 일제히 지연되며, 연초에 소폭 반등을 보였던 LCD 패널 가격도 재차 하락세가 지속되고 있다.

SDC의 예상 대비 빠르게 진행되는 LCD 사업 철수는 '차세대 대형 패널 라인 투자 가속화'로 이어질 전망이다. 당사는 SDC가 4Q20부터 LCD 생산 라인 스크랩을 진행한후 1Q21부터는 QD phase 2로 QNED 라인 투자에 착수할 것으로 전망한다.

 

한 소재의 크기만 조절하면 모든 색을 구현할 수 있다는 것은 공급 업체 입장에서는 가장 매력적인 특징이다.

R, G, B 각각의 색을 구현하기 위해 각기 다른 소재를 찾아다닐 필요가 없다. OLED는 공급업체들도 상대적으로 다변화 되어 있고, 보조층을 포함한 소재층은 약 10~15개의 레이어로 구성되어 있으며, 각 레이어를 생산할 수 있는 공급사 또한 최소 1개에서 많게는 4~5개이다. Red 소재를 생산하는 업체가 Green이나 Blue 소재를 생산할 수 있는 것은 아니며, 각 소재 별 생산 난이도에서 차이가 존재한다. QD는 삼성전자 종합기술원이 개발하여 한솔케미칼이 양산한다. 이후 삼성 SDI가 한솔케미칼이 양산한 QD 소재를 받아 다시 QD 잉크로 만들어 SDC에 공급할 것으로 예상된다. 즉, 관련 서플라이 체인은 5개 이하의 업체로 유지될 가능성이 높다.

무기물은 탄소를 포함하지 않아 쉽게 2차 반응이 일어나지 않고 안정적이라는 특징이 있다. QD 소재에는 본래 Cd 물질이 주원료로 사용되었으나, Cd은 독성물질로 인체와 환경에 매우 유해하다. 이후 삼성이 15년 세계 최초 비Cd QD 기술을 개발했고, 기존 LCD TV에 QD 소재를 적용한 QLED TV를 출시했다.

QLED

QLED TV는 현재 삼성전자의 주요 라인업으로, 기존 LCD TV와 동일한 구조이다. 다만 QLED는 LCD 패널의 BLU에 QD 필름을 부착해 기존 LCD TV 보다 색 재현성을 더 높인 기술이다. 즉, QD는 보조재로의 역할만 수행한다. QLED의 TFT에는 a-Si TFT가 사용된다.

QD-OLED

QD-OLED에서 QD는 보조재로의 역할이 아닌 실제적으로 색을 구현하는 중요한 역할을 수행한다. QLED 패널에서 BLU + 액정이 수행하는 발광체로의 역할을 Blue OLED 층이 대신 사용한다.

QD-OLED는 전면 발광 방식과 Top Gate Oxide TFT 방식을 예상한다.

Gate 전극이 Active Layer 보다 위쪽에 형성되어 있으면 Top gate 구조이고, Active Layer 보다 아래에 형성되어 있으면, Bottom Gate 구조이다. WOLED는 Bottom Gate 기반의 Oxide TFT를 적용하는 것으로 알려져 있다. 반면, 삼성의 QD-OLED TFT는 중소형 OLED와 동일하게 top Gate 구조를 적용할 것으로 전망된다. Top Gate Oxide TFT가 Bottom Gate TFT 보다 요구하는 마스크 공정수가 더 많음에도 불구하고, 발열이 적고 안정적인 구조라는 장점 때문이다. 전반적으로 현 상황에서 WOLED가 원가 우위를 가질 것으로 예상되고, QD-OLED는 아직 양산 전이나 이론적으로는 휘도나 색재현성 등을 포함한 기술적 우위를 가진 것으로 판단된다.

QD-OLED의 난제, Blue OLED 수명과 발광 효율

Red, Green QD는 높은 Blue OLED 빛에너지를 받으면 고유의 색을 드러내기 때문에 Blue OLED를 발광원으로 사용하면 R, G, B 를 모두 구현할 수 있게 된다. 그러나 Blue OLED는 R, G, B OLED 소재 중 수명이 가장 짧아 burn-in 현상의 주범이자, 발광 효율 또한 가장 낮은 소재이다. 디스플레이 패널의 밝기를 높이기 위해선 발광 재료인 Blue OLED의 효율을 높이는 것이 주요 과제이다.

 

TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence) 와 관련한 수 많은 연구가 지속되고 있음에도 TADF는 여전히 인광 재료 대비 반치폭(특정 색의 파장의 절반 높이에서의 너비로, 반치폭이 좁을 수록 자연색에 가까운 색을 묘사할 수 있다)으로 인한 색순도 문제가 해결되지 않아 양산에 적용되지 못하고 있다. 이후 TADF 기술을 개선한 붕소 TADF나 발광 효율을 높일 수 있는 형광 도펀트를 첨가한 초형광 재료 등에 대한 연구 개발이 지속되고 있지만, 여전히 양산에 적용할 만한 광효율은 보여주지 못하고 있는 것으로 파악된다.

삼성은 Blue OLED의 수명 문제를 완화하기 위해 Blue OLED를 3-stack Tandem 구조로 증착할 전망이나, 이는 약 15~20 Layer의 증착을 필요로 함에 따라 원가 부담으로 작용할 전망이다.

QNED

상대적으로 ROI가 낮은 패널 업체 입장에서는 제한된 자원을 분산시키는 리스크를 감안하면서까지 개발 라인을 다양하게 가져가는 근거가 있을 것으로 보인다. QNED는 발광원만 Blue OLED가 아닌 Blue Nanorod LED로 변경되었다.

공급업체 입장에서는 패널 공정 중 가장 어렵고 높은 비용을 요구하는 것으로 알려진 OLED 증착 공정을 NED Inkjet 증착으로 대체하고, 상대적으로 가격이 저렴한 NED를 사용함으로써 원가 비용 절감 효과가 기대된다.

Nanorod LED 생산

Nanorod LED란 기다란 막대기 모양의 LED로 지름 0.7um 이하, 높이 10um 이하 크기의 원통형 발광소자이다. LED는 전류를 가하면 빛을 발하는 화합물 반도체로, 고효율, 저전력, 긴 수명, 그리고 친환경적이라는 장점이 있다. LED는 주로 갈륨비소, 갈륨인, 갈륨비소인, 갈륨질소 등으로 만들어지며, 어떤 화합물을 쓰느냐에 따라 LED 빛의 색깔이 결정된다. 주로 Blue LED는 GaN을 기반으로 생산되고 있다.

LED 공정은 크게 1) 기판 형성 → 2) Epitaxy 공정 → 3) 칩 생산 공정 → 4) 패키징 및 모듈 공정으로 분류할 수 있다. 그러나 NED는 칩 생산 후 바로 Blue NED 발광층 형성에 사용될 것으로 예상된다. LED 제조 공정에는 주로 사파이어 기판이 사용되는데, 이는 사파이어의 융점이 섭씨 약 2050도로 매우 높아, GaN 처럼 고온 증착이 필요한 물질의 기판으로 적절하고, 가격도 합리적이기 때문이다. 국내에서는 일진디스플레이와 한솔테크닉스와 사파이어 웨이퍼 사업에 영위하고 있다.

이후 사파이어 기판에서 진행되는 Epitaxy 공정이란 웨이퍼 기판 위에 일정한 방향성의 단결정을 성장시키는 방법이다. 기판 위에 무언가를 쌓아 올리는 것이 반도체/디스플레이의 증착 공정과 유사한 듯 하나, Epitaxy는 바닥에 깔린 기판이 씨앗 역할을 하여 그 위에 올려진 소재에 반응을 일으켜 새로운 결정이 형성되는 것으로, 이를 Epi 성장이라고 표현한다.

Epi 공정은 아래층부터 차례로 증착하는 일련의 공정을 거치게 된다. 사파이어 기판에 buffer layer 및 undoped GaN, n-GaN, 활성층, p-GaN 층을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vaopr Deposition) 방법으로 성장시킨다. MOCVD 방식이 사용되는 이유는 빠른 성장속도, 균일한 도핑, 높은 생산성, 더불어 고진공이 필요하지 않아 원가 개선이 가능하다는 장점 때문이다. 한 시스템으로 여러 다른 물질을 생산할 수 있어 유연성이 높다. MOCVD 장비는 일부 국내 업체도 생산하고 있으나, 과거부터 미국의 Veeco와 독일의 Aixtron이 점유율 70% 이상을 차지해 왔다. p-GaN 층까지의 증착 이후 절연층은 PECVD 방식으로 금속인 Cr은 PVD 방식 중 하나인 열증착법으로 증착한다.

OLED 증착 공정에서 FMM 마스크를 활용하듯이 폴리스티렌 나노스피어를 Cr 위에 형성하여 마스크로 사용한다. 이후 수 차례 에칭 공정을 거쳐 Nanorod LED를 형성하고, 사파이어 웨이퍼 기판을 LLO 방식으로 제거해준다.

Nanorod LED 증착

Blue NED 발광층을 형성하는 공정 순서는 1) 잉크젯 방식을 통해 Blue NED를 용액 형태로 증착한 후 2) 제각기 흩뿌려진 Blue NED를 일정한 배열로 정렬시키고 3) 용액을 건조한 후 4) Contact 전극을 형성하는 것이다.

NED의 크기가 매우 작기 때문에 픽셀에 바로 서지 못하고 뒤집히거나 눕는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 전압을 가하여 NED를 정렬시키는 것이 잉크젯 공정의 핵심이다. 더불어 각 픽셀마다 증착되는 NED 개수가 일정해야 하고, 픽셀마다 증착된 NED 개수에 따라 패널의 휘도가 결정된다. 현재 NED는 삼성전자의 LED 사업부가 담당하고 있으나, 향후 QNED 패널 양산이 본격화되면 CAPA 확대가 필요할 것으로 예상된다.