퀀텀닷(Quantum Dot) 시장을 놓고 한국과 일본이 격돌할 것으로 예상된다.
퀀텀닷은 지름이 2-10나노미터(10억분의 1미터) 수준에 불과하고 특이한 전기적‧광학적 성질을 보유한 반도체 입자로, 삼성전자가 TV용 디스플레이에 접목해 세계 최초로 QLED(Quantum Dot Organic Light Emitting Diode) TV를 출시하면서 세계시장을 주도하고 있다.
QLED TV는 일반 LCD(Liquid Crystal Display) TV보다 성능이 우수하고 OLED TV보다는 저가라는 강점을 살려 2020년 판매량이 기존 OLED TV의 2배를 상회할 정도로 급성장한 것으로 알려졌다.
최근에는 TV 뿐만 아니라 컴퓨터용 모니터와 노트북에도 퀀텀닷 탑재가 시작됐으며 태블릿 PC, 자동차용 디스플레이 사용도 늘어나고 있다.
삼성전자는 QLED TV 상용화를 계기로 폐쇄적인 생태계를 조성함으로써 성장세 견인을 추진하고 있다.
삼성전자는 독자 개발한 퀀텀닷 소재를 한솔케미칼에게 공급해 필름용으로 합성해 제조하고 미래나노텍, 글로텍이 퀀텀닷 시트로 생산하면 다시 공급받아 QLED TV용으로 사용하고 있다.
삼성전자, 최고 수준의 발광효율 구현
삼성전자는 최고 수준의 청색 QLED 발광효율을 구현함으로써 QLED TV로 선풍을 일으키고 있다.
청색을 내는 발광소자는 적·녹·청(RGB) 중 효율을 끌어올리기 가장 어려운 것으로 평가되고 있으나 삼성전자는 셀레늄화아연(ZnSe) 베이스 소재를 활용해 최고 효율을 내면서도 안정적으로 작동하는 청색 QLED를 개발했다.
퀀텀닷은 나노미터 크기의 반도체 입자로 전기를 가해 빛을 낼 수 있으며, OLED(Organic Light Emitting Diode)와 함께 LCD를 잇는 차세대 디스플레이 기술로 평가받고 있다.
발광소자가 전기를 받아 빛으로 변환하는 효율인 발광효율은 디스플레이의 품질을 결정하는 결정적 요소로 적·녹·청 중 청색 발광소자의 효율을 올리는 작업이 기술적으로 가장 어려운 것으로 알려졌다. 청색광은 적·녹색광보다 에너지가 높고 파장이 짧으며 짧은 파장을 내려면 소자의 크기가 작아져야 하고 소자 크기가 작을수록 정교한 공정을 통한 효율 제고와 내구성 확보가 어려워지기 때문이다.
빛 색깔별로 기대할 수 있는 이론적인 효율은 청색(19.8%)이 적색(20.5%)이나 녹색(23.9%)보다 낮으며 2014년에는 청색 LED를 개발한 일본 과학자 3명이 노벨물리학상을 받았다.
삼성전자는 2019년 11월 21.4%의 비교적 높은 효율을 확보한 QLED를 개발해 네이처(Nature)에 게재한 바 있다.
휘도(면적당 밝기)가 100비트(bit)에서 절반으로 떨어지는 시간인 구동시간도 1만5850시간으로 늘어나 QLED 디스플레이의 상용화 가능성을 열었다는 평가를 받았고, 약 1년만에 청색의 이론적 효율(19.8%)을 넘어 최고 효율인 20.2%를 구현함으로써 적·녹·청 모두 고효율을 달성하게 됐다.
삼성디스플레이, QLED 패널 생산에 전념
QLED는 빛의 3원색(적·녹·청) 중 청색을 광원으로 사용하고 광원 위에 적·녹 QD 컬러필터를 통해 색 재현력을 높이는 기술이며, LG디스플레이의 화이트 OLED(WOLED) 수준의 생산성은 물론 색 재현력이 우수한 것으로 평가되고 있다.
삼성디스플레이가 대형 TV 패널용으로 QLED를 개발한 것은 대형 패널 시장에서 생존하기 위한 것으로, 스마트폰 등 중소형 OLED 패널에서 세계 1위를 달리고 있지만 TV 등 대형 패널에서 LCD 기술을 고집하면서 중국발 LCD 패널 공급과잉으로 고전하고 있기 때문이다.
IHS Markit에 따르면, 스마트폰 시장에서 주력 디스플레이로 부상하고 있는 플렉서블 OLED 패널은 삼성디스플레이가 2018년 기준 94.8%를 점유했고 LG디스플레이가 3.5%, 중국 BOE는 1.7%에 불과했다.
반면, LCD 패권은 사실상 중국으로 넘어가 BOE가 2018년 대형 LCD 패널 출하량 점유율 23%로 1위를 차지했고 LG디스플레이 20%, 타이완 이노룩스(Innolux) 17%, AUO 15% 순이며 삼성디스플레이는 8%로 5위에 그쳤다.
삼성디스플레이는 중소형 OLED 시장에서 절대강자로 군림하고 있지만 최근 스마트폰 수요가 감소하고 중국기업들의 OLED 양산으로 경쟁이 치열해지면서 리스크가 커지고 있는 것으로 평가된다.
삼성디스플레이는 2012년 삼성전자의 55인치 OLED TV에 패널을 공급했지만 대량 양산을 앞두고 수율 문제로 2013년 생산을 중단한 바 있다.
삼성디스플레이가 QLED 기술 개발에 성공해 대형 OLED TV 시장에 진출함으로써 프리미엄 시장에서 8K QLED와 색 재현성을 높인 QLED로 시장 주도권을 확보해나갈 것으로 예상된다.
잉크젯 프린트 방식으로 QLED 생산
삼성디스플레이는 아산캠퍼스의 8.5세대(2200×250mm) 대형 QLED) 라인 Q1에 잉크젯 프린터를 반입하면서 QLED 생산을 본격화한 판단된다.
삼성디스플레이는 2020년 7월 아산 Q1 라인에 QLED 양산설비를 반입하기 시작했고, 12월 중순부터 QLED 시험생산에 돌입했으며, 2021년 QLED 생산량을 월 3만장으로 잡고 디스플레이 패널 제작에 필수·핵심공정으로 꼽히는 잉크젯 프린터를 도입한 것으로 알려졌다.
QLED는 빛의 삼원색(RGB) 중 청색(B) 소자가 발광원이며, 청색은 퀀텀닷 발광층에서 적색(R)과 녹색(G)으로 이루어진 컬러필름을 통과하면서 흰색부터 검은색까지 다양한 색을 표현하는 것으로 알려졌다. 수십 피코리터(1조분의 1리터)에 불과한 적·녹색 퀀텀닷 입자를 발광층에 뿌려주는 프린팅 역할을 OLED 전용 잉크젯 프린터가 수행한다.
프린팅은 디스플레이 패널의 제조공정 중 증착을 대체하며, 증착은 진공상태에서 특정 위치에 RGB를 입히는 방식으로 냄비에 물을 끓일 때 수증기가 냄비 뚜껑에 맺히는 것과 같은 원리로 작용한다.
증착은 공정이 복잡하고, 시간과 비용이 많이 소요된다. 진공상태를 유지하기 위한 진공 챔버와 특정 위치에 RGB를 입히는 파인메탈마스크(FMM)도 필요하고, 증착과정에서 소자 손실이 일어날 수 있어 열 보호를 위해 단열재를 갖추어야 하는 등 추가 작업이 요구된다.
반면, 프린팅은 증착에 비해 공정이 간단하고 소자 손실이 적어 원가 절감에 유리하며, 삼성디스플레이도 잉크젯 프린터를 활용한 프린팅 공정을 퀀텀닷 디스플레이의 핵심으로 삼고 있다.
QLED는 일본 소니(Sony), 파나소닉(Panasonic), 중국 TCL 등 다수의 TV 생산기업들이 관심을 표명하고 있으며, 대형 QLED 패널 양산은 세계 TV용 OLED 패널을 독점해온 LG디스플레이의 대항마로 부상한다는 점에서도 관심이 집중되고 있다.
LG디스플레이의 OLED는 백색소자를 사용한 WOLED로 청색 소자가 기본인 삼성디스플레이의 QLED와 기술적인 차이가 있다.
삼성디스플레이는 2025년까지 13조1000억원을 투입해 사업구조를 퀀텀닷 디스플레이 중심으로 전환하겠다는 목표를 2019년 설정한 바 있다.
스미토모케미칼, 퀀텀닷 잉크‧시트 개발 적극화
스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)은 퀀텀닷 레지스트를 개발했다.
청색 LED로만 이루어진 모노릭형 마이크로 LED 디스플레이와 조합해 정확한 RGB를 실현할 것으로 기대하고 있다.
퀀텀닷은 입경 사이즈에 맞추어 발광 파장을 조정할 수 있는 반도체 나노입자로, 청색 파장을 조사하면 적색과 녹색을 낼 수 있고 색 스펙트럼 반치폭(FWHM)이 좁아 OLED 이상으로 광색역화가 가능한 것이 특징이다.
현재는 LCD 청색 백라이트로 퀀텀닷 시트를 덮는 방식이 보급돼 있고 차세대 디스플레이용으로 퀀텀닷 잉크를 사용하는 퀀텀닷 컬러필터(CF) 개발을 진행하고 있다.
스미토모케미칼은 시장이 형성되지 않은 퀀텀닷 잉크 개발에 주력하고 있으며 이미 시장이 형성된 퀀텀닷 시트는 차별화가 가능하다고 판단됐을 때 출시할 방침이다.
최근에 개발한 퀀텀닷 레지스트는 기존에 보유한 다양한 기술력을 활용해 완성했으며 샘플 평가를 거쳐 성능을 향상시킨 다음 2021년 사업화할 계획이다.
스미토모케미칼은 디스플레이용 안료와 염료 컬러레지스트, 반도체용 포토레지스트를 생산하고 있으며 석유화학 뿐만 아니라 의약품, 농약 등 다양한 분야에서 합성 노하우를 확보하고 있기 때문에 모든 기술을 조합함으로써 퀀텀닷 응집과 열에 따른 데미지 방지에 성공한 것으로 알려졌다.
퀀텀닷 응집을 막기 위해 퀀텀닷에 표면처리를 실시했고 열에 약한 퀀텀닷을 보호하기 위해서는 염료계 컬러레지스트 저온경화 기술을 활용했다.
퀀텀닷은 카드뮴과 카드뮴 프리에 모두 대응할 수 있고 카드뮴이 더 효율적이지만 사용규제가 확대되고 있기 때문에 카드뮴 프리 대응에 대한 요구가 확대되고 있다.
또 퀀텀닷으로 100% 변환하는 것이 어렵기 때문에 퀀텀닷 층 상부에 컬러필터를 설치하는 작업도 필요한 것으로 파악되고 있다.
주요 용도로는 VR(가상현실) 및 AR(증강현실)용 극소 디스플레이 분야에 주목하고 있다.
OLED가 먼저 투입돼 해상도 3000-4000ppi대 마이크로 OLED 디스플레이가 주류를 이루고 있고 마이크로 LED가 추격하는 시장이지만 경쟁력이 있다고 판단하고 있다.
현재는 마이크로 LED로 RGB 서브 픽셀을 만드는 것은 어려워 청색 단색인 모노릭형 마이크로 LED에 퀀텀닷을 조합하는 방식이 사용되고 있다.
퀀텀닷 양자 수율과 내열성은 퀀텀닷 스펙트럼에 따른 것으로, 스미토모케미칼은 레지스트를 개량함으로써 퀀텀닷 열 데미지를 줄이고 추가적인 균일 분산을 가능케 했고 산란제를 개량해 변환하지 않았던 청색 파장을 다시 퀀텀닷에 맞출 수 있도록 함으로써 효율을 향상시킨 것으로 알려졌다.
앞으로도 레지스트 및 합성기술 등 풍부한 주변 데이터를 활용하는 MI(Materials Informatics)를 통해 사업화에 주력할 방침이다.
쇼와덴코, 노트북용 박막제품 개발
글로벌 시장에서 삼성전자의 퀀텀닷 소재를 사용하지 못하는 곳들은 일본과 중국산에 의존하고 있으나 소수에 불과한 것으로 파악된다.
그러나 최근 일본 쇼와덴코(Showa Denko)가 삼성전자를 제외한 글로벌 상업시장(외부판매)에서 점유율 40%를 차지하며 영향력을 확대하고 있다. 
쇼와덴코는 히타치케미칼(Hitachi Chemical)을 인수해 자회사화한 쇼와덴코머티리얼즈(SDM: Showa Denko Materials)를 통해 퀀텀닷 시트 사업을 영위하고 있다.
2020년 면적 기준 판매량이 전년대비 30% 급증했고 2021년에도 큰 폭으로 증가할 것으로 예상하고 있다.
최근에는 막 두께를 TV용의 20%인 60마이크로미터 박형제품을 개발해 노트북 채용을 기대하고 있다.
중국기업은 막 두께를 쇼와덴코만큼 얇게 만들 수 없고 높은 수준의 도공 정확도도 요구되기 때문에 차별화가 가능한 것으로 판단하고 있다.
후지필름(Fujifilm)도 고부가가치 박막 퀀텀닷 시트를 공급하고 있어 경쟁력 향상을 위해 두께를 40마이크로미터대로 박막화에 주력하고 있다.
삼성전자 공급을 바탕으로 미래나노텍, 글로텍 등이 장악하고 있는 TV용 시장에서는 코스트 경쟁에 대비해 코스트 절감에 박차를 가하고 있다.
퀀텀닷을 포함해 바인더 수지층의 배리어성을 높이고 저가의 배리어 필름을 채용함으로써 코스트를 낮추고 있으며 바인더 수지층의 배리어성을 개선해 배리어 없이도 생산이 가능하도록 개량하고 있다.
퀀텀닷의 최적 분산, 산란제 처방, 제조공법 정비 등을 통해서도 코스트다운을 도모하고 있다.
프리미엄 퀀텀닷 TV용 하이엔드 시트는 도공과 균일분산 기술을 통해 높은 시장점유율을 확보하고 있으며 앞으로 미들존까지 전방위적으로 수요를 확보하며 삼성전자 이외 시장을 리드해나갈 것을 목표로 하고 있다.
삼성디스플레이, QNED 개발‧상업화 관심 집중
삼성디스플레이는 2021년부터 LCD 사업에서 철수한다.
중국 수요를 바탕으로 LCD를 생산하고 있지만 실질적으로는 LCD 생산을 중단하고 QLED 생산에 집중하고 있는 것으로 알려졌다.
삼성디스플레이는 2019년 10월 대형 디스플레이 사업의 경쟁력을 강화하기 위해 퀀텀닷 디스플레이에 13조1000억원을 투자하겠다고 발표해 QNED(Quantum Dot Nano Light Emitting Diode)에 관심이 집중되고 있다.
2021년 양산에 들어가는 블루 OLED를 발광원으로 사용하는 퀀텀닷 디스플레이보다 나노 LED를 사용하는 QNED를 삼성전자가 미래 핵심 디스플레이로 채택할 가능성이 높은 것으로 판단하고 있다.
퀀텀닷 디스플레이는 퀀텀닷 물질을 활용한 디스플레이로 OLED와는 차원이 다른 것으로 알려지고 있다.
퀀텀닷은 물질의 크기가 나노미터 수준으로 줄어들면 전기·광학적 성질이 변하는 반도체 나노입자로 화학적으로 합성된 무기물이며, 퀀텀닷을 TV에 적용하면 더욱 다양한 색상을 표현할 수 있고 소비 전력도 줄일 수 있다.
유기물을 사용해 밝기와 수명에 한계(번인현상)가 있는 OLED의 단점을 극복할 수 있어 꿈의 소자로 부르고 있다. 다만, 현재의 기술수준으론 스스로 빛이 나는 자발광 퀀텀닷을 TV에 적용하지 못하고 있다.
삼성디스플레이가 2021년부터 양산하겠다고 밝힌 퀀텀닷 디스플레이도 자발광 퀀텀닷이 아니며, 파란색 블루 OLED를 발광원으로 위에 퀀텀닷 컬러필터를 얹어 색 재현력을 높인데 불과하고, 현재 퀀텀닷 필름이 들어간 삼성전자의 QLED나 LG전자의 화이트 OLED를 적용한 TV보다는 진화했지만 기술적으로는 OLED 기반이어서 디스플레이 시장에서는 삼성디스플레이의 퀀텀닷 디스플레이를 QD-OLED로 부르고 있다.
삼성디스플레이는 블루 OLED를 발광원으로 하는 퀀텀닷 디스플레이를 2021년부터 생산하면서 장기적으로는 스스로 빛이 나는 자발광 퀀텀닷 디스플레이 개발로 이어갈 방침이다.
삼성디스플레이는 퀀텀닷 디스플레이와 함께 최근 QNED 개발에 착수했고 2021년 양산기술 확보를 목표로 개발에 박차를 가하고 있다.
QNED는 퀀텀닷 디스플레이와 제조공정이 유사하지만 발광원인 블루 OLED를 미세한 크기의 블루 LED로 바꾼 것이며 퀀텀닷 컬러필터를 얹은 것은 같은 것으로 알려졌다.
디스플레이 시장에서 QNED가 퀀텀닷 디스플레이보다 더 주목받는 이유는 QNED가 더 진화된 디스플레이이기 때문이다.
QNED는 무기물이어서 수명이 길고 유기물인 OLED의 단점으로 꼽히는 번인현상에서 보다 자유로우며 퀀텀닷 디스플레이보다 수명과 색 표현성에 강점이 있는 것으로 알려졌다. 때문에 QNED는 상용화되면 대형 디스플레이 시장의 게임 체인저가 될 것으로 평가되고 있다.
삼성디스플레이가 서로 비슷하지만 다른 2가지 차세대 디스플레이를 개발하면서 앞으로 삼성전자가 어떤 디스플레이를 선택할지 주목된다. 퀀텀닷 디스플레이는 2021년부터 양산하고, QNED는 기술을 개발하고 있지만 QNED가 더 주목받고 있기 때문이다.
삼성전자가 앞으로도 OLED TV는 절대로 생산하지 않겠다고 선언한 것도 OLED 기반인 퀀텀닷 디스플레이보다 QNED에 관심이 쏠리는 이유이다.
그러나 삼성디스플레이는 QNED는 퀀텀닷 디스플레이 가운데 하나로 연구소에서 다양한 가능성을 열어두고 개발하고 있지만 연구개발 단계로 양산이나 상업화 시기를 논의하기에는 시기상조라는 입장을 나타내고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
