발광, 발색 및 TFT 특성에 따라 Flexible OLED, WOLED, QD-OLED로 분류 가능 

OLED 패널은 어떻게 빛을 비추고, 색을 재현하며, 어떤 종류의 TFT(Thin Film Transistor) 구조를 가지는지에 따라 크게 Flexible OLED, White OLED(WOLED), 그리고 현재 삼성디스플레이가 개발 중인 Quantum Dot OLED(QD-OLED)로 분류할 수 있다. Flexible OLED, WOLED, QD-OLED 모두 LCD와 달리 빛을 비출 때 Backlight Unit(BLU)을 사용하지 않고 OLED를 통해 자체 발광한다는 공통점이 있지만, 각각의 발광 방식에는 차이가 있다. 발색 또한 Flexible OLED는 OLED 유기재료층을 통해 색을 재현하는 반면, WOLED와 QD-OLED는 각각 컬러 필터, QDCF(Quantum Dot Color Filter)를 통해 색을 재현하는 등 모두 각기 다른 방식을 취하고 있으며, 각 방식에 따라 서로 다른 장단점을 가지고 있다.

TFT(Thin Film Transistor)란 디스플레이 구동 시 전류의 흐름을 담당하는 전기 스위치로 , 디스플레이 픽셀 화소 들의 빛을 조절한다 TFT 는 게이트 Gate) 게이트 절연막 Gate Insulator) 활성층 Active layer) 소스 Source) 드레인 Drain) 보호막 Passivation)’ 으로 구성된다 이 중 핵심은 활성층 으로 ,활성층을 이루는 재료에 따라 TFT 의 특성이 좌우된다 TFT 는 활성층에 적용된 재료에 따라 aSi(amorphous silicon), Oxide(IGZO), LTPS(Low Temperature Poly s ilicon) 로 구분되며 전류의 속도는 a Si < Oxide < LTPS 로 , LTPS 가 a Si 대비 최대 100 배 빠른 속도를 갖는다 . 이는 입자 배열의 차이에서 기인하는데 , LTPS TFT 에 적용되는 Poly silicon 은 입자 배열이 a Si( 비결정질 실리콘 대비 규칙적이기 때문에 전자 이동 속도가 상대적으로 빠른 것이다.

현재 Flexible OLED 에는 LTPS TFT , WOLED 는 Oxide TFT 가 적용되고 있으며 , QD OLED 패널 또한 Oxide TFT 를 적용할 것으로 전망된다

OLED: 전자가 여기 상태 → 기저 상태로 되돌아가며 에너지를 빛의 형태로 방출 

OLED(Organic Light-Emitting Diode)란 전기를 가해 빛을 내는 ‘전계 발광’을 기반으로 스스로 빛을 내는 ‘자체 발광형 유기물질’이다. OLED에 전류를 가하면, 빛을 내는 발광물질들로 이루어진 발광층(EML; emission material layer)이라는 곳에서 전자(electron)와 정공(hole)이 만나 빛을 낸다. 이 때 발광층에서 전자와 정공이 효과적으로 이동하여 잘 만날 수 있도록 도와주는 전자 수송층(ETL; electron transport layer)과 정공 수송층(HTL; hole transport layer) 등의 보조층들이 존재하는데,이 보조층들은 OLED의 발광 효율을 높이는 역할을 수행한다.

위 그림과 같이 전계를 인가하면 음극에서는 전자, 양극에서는 정공이 주입 되어 발광층에서 만나게 된다. 이 때 전자와 정공의 결합체를 여기자(exciton)이라고 하는데, 여기자는 이름 그대로 ‘여기 상태(excited state)’인 입자이다. 여기 상태란 ‘전자가 에너지를 흡수하여 기존의 상태 보다 들뜬 상태’라고 이해하면 된다. 그러나 여기 상태는 일시적으로 불안정한 상태로, 전자는 안정 상태를 찾아가려는 본능이 강하기 때문에 원래의 ‘기저 상태(ground state)’로 다시 되돌아간다. 전자가 여기 상태에서 기저 상태로 되돌아가며 에너지 준위가 원래 수준으로 다시 낮아지게 되는데, 이 때 줄어든 에너지가 빛의 형태로 방출되어 우리 눈으로 인지된다.

Apple 은 줄곧 iPhone 에 일체형 배터리만을 추구해왔고, 탑재된 배터리 용량도 경쟁사들의 플래그십 모델 대비 작은 편이다. Apple 의 배터리 문제는 자주 부각되었고, ‘17 년 말에는 ‘iPhone 배터리 게이트’ 사건으로 인해 위기에 처하며 전력 소모를 효율화 할 수 있는 방법에 대한 고민이 더 커져왔다. Apple 의 자체 기술인 LTPO(Low Temperature Poly-crystalline Oxide)는 고해상도와 소비 전력 감소의 장점을 모두 가질 수 있는 TFT(Thin Film Transistor)로, 애플워치 4, 5 시리즈에 적용되고 있다. 

스마트폰에는 2021 년 출시될 iPhone 부터 처음 적용될 것으로 전망된다. LTPO 는 전하 이동도가 우수한 LTPS 와 저전력 구동이 가능한 Oxide 가 가진 각각의 장점들을 혼합한 기술로, 현재 중소형 OLED 에 적용되고 있는 LTPS 대비 소비 전력을 최대 20%까지 절감할 수 있다. 이처럼 Apple 은 향후에도 ‘얇고 해상도가 높으며, 효율적인 전력 소모가 가능한 패널’을 위한 신기술 적용을 지속할 것으로 예상된다.

WOLED 의 봉지 공정까지 완료되며 검사 공정을 진행하고 module , 본딩 공정 등 을 포함한 후공정이 진행된다. 우선 Laser 를 활용하여 각각의 OLED 패널을 제품 크기에 맞게 잘라낸다 . Laser cutting 장비는 이오테크닉스 (SDC, 와 필옵틱스 SDC) 가 공급한다. 이후 편광판 , touch sensor 보호 film등의 film 류들이 부착되는데, 부착에 필요한 Laminating 장비들은 톱텍 (SDC), AP시스템 (SDC), 제이스텍 (SDC) 이 납품 이력을 가지고 있다 . Film 부착 과정에서 발생한 기포들을 제거하기 위해 Auto clave 장비로 열처리를 진행해주고 , 열처리 후 PCB Bonding (Driver IC, FPCB, PI 등 부착)을 진행해주면 전반적인 후공정까지 마무리된다

※ 증착 방식의 한계 때문에 증착에 사용되는 재료들이 100% 패널에 증착되지 못 한다. 하지만 OLED 공정이 성숙하면서 증착의 효율성은 조금씩 느리게 증가하고 있으며 증착기의 효율이 갑자기 증가하면 소재 기업들에게는 리스크로 작용할 수 있다.  

발색 : 컬러필터 (CF) 를 통해 색 재현

WOLED는 LCD와 동일하게 컬러필터를 통해 색을 재현한다. 컬러필터란 유리기판 위에 R,G, B 3색의 컬러 레지스트를 특정 패턴으로 입혀 형성되며, 빛이 통과되면 각 컬러필터를 통해 색이 나타나게 된다. 색 재현율’ 이란 얼마나 더 다양한 색상을 구현할 수 있는지를 가늠하는 척도인데, OLED가 컬러필터 대비 색 재현율이 높아 뚜렷한 고화질 영상을 생생하게 재현할 수 있다. 

WOLED가 발광 뿐 아니라 색 재현 또한 OLED를 통해 구현 됐 다면, 훨씬 더 생생한 색상의 고화질 TV를 만들어 낼 수 있었을 것이다. 그러나 R,G,B OLED를 대면적에 수평 증착 시 수율이 부진하고 소모되는 비용과 시간으로 인해 생산 효율이 떨어지므로 빛은 OLED 를 통해서 비추고, 색은 컬러필터를 통해 구현하는 방법을 채택하게 되었다. R,G,B OLED를 수평으로 증착 시 미세한 구멍이 뚫려 있는 FMM(Fine Metal Mask) 를 사용 하는데 FMM의 얇은 특성으로 인해 대형 기판에 적용시 마스크가 처지는 현상이 발생한다. 이처럼 대형 기판에 R,G,B 를 수평 증착 시 수율이 부진 하여 컬러필터를 적용하게 되었고, 이로 인해 LCD 대비 색 재현율의 개선은 제한적이다. 다만, LG디스플레이는 기존 RGB 컬러필터에 White를 추가한 RGBW 방식을 적용하여, 휘도를 높이면서도 전력 소모를 줄일 수 있게 하였다.

TFT : a-Si 대비 전자 이동 속도가 빠르고, 대면적 적용에 용이한 Oxide(IGZO) TFT 적용

LCD는 a-Si TFT, Flexible OLED 에는 LTPS TFT 가 적용되는 한편, WOLED 에는 Oxide TFT 가 적용된다. Oxide(산화물)란 인듐 (In), 갈륨 (Ga), 아연 (Zn) 등의 금속과 결합한 물질이다.따라서 Oxide TFT를 IGZO TFT 라고도 칭한다. WOLED TFT 에 a-Si 나 LTPS가 아닌 IGZO 가 적용되는 크게 두가지로 볼 수있다. 먼저, LCD 에 적용되는 a-Si TFT 보다 전자 이동 속도가 높다는 것이다. 인듐 , 갈륨 , 아연 등으로 구성된 산화물이 금속으로서 전기전도성이 우수하다. 두 번째로, Oxide TFT 의 마스크 공정 단계가 4~6 단계 수준으로 Flexible OLED 에 적용되는 LTPS(6~10 단계) 보다 요구하는 마스크 공정수가 훨씬 적다. 즉 기존 a-Si 공정에서 1 ~2개 마스크 공정이 추가되면 Oxide TFT 가 제조될 수 있기 때문에, 디스플레이 공급업체의 양산성 측면에서 선호될 수 있다. 또한 LTPS 와 달리 고온을 가해 실리콘 배열을 결정화 시키는 과정이 불필요하여 고온 장비 투자 부담이 완화된다. 이러한 장점들 때문에 Oxide TFT는 대면적 디스플레이 에 유리하다. 

TFT: a-Si 대비 최대 약 100배 빠른 p-Si로 구성 

LTPS TFT의 전자 이동속도는 50~100cm^2/Vs로 a-Si 대비 최대 약 100배 정도 속도가 빨라진다. LCD패널에서는 a-Si와 LTPS 모두 적용 가능하나, Flexible OLED에는 LTPS가 필수적으로 적용된다.전자 이동속도가 빠른 LTPS TFT만이 유기재료 발광을 위해 요구되는 전류 수준을 지속적으로 공급할 수 있기 때문이다. 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.