좋은 요약글이 있어서 펌
디스플레이 산업의 이론적인 백그라운데이 대해 공부하고 싶었는데 마땅한 자료가 없어서 공부룰 미뤄두고 있었는데, 마침 좋은 리포트가 나와서 해당 부분만 나눠서 정리해 보았다.
Ref) Display 산업이 어두울 때, 빛을 발하는 기업 180315 현대투자증권
퀀텀닷(이하 QD)은 기본적으로 2-10nm 크기의 초 미세 결정(원자 15~150개 크기)으로, 전기에너지를 받을 시 빛을 내는 성질을 지닌 반도체
크기에 따라 빛을 비추거나 전류전 흘려줄 때 다양한 가시광선 영역의 빛을 내게 되는데, RGB(Red-Green-Blue) 순으로 점점 크기가 작아진다. 크기에 따라, 다른 색의 빛(다른 파장)을 내는 이유는 반도체의 물질 크기가 나노미터 수준까지 작아지면 갖게 되는 전기적, 광학적 성격이 변형되기 때문이다.
본래 반도체가 갖는 일정한 양극(정공)과 음극(전자)의 거리보다 입자의 크기를 더 줄여버리면 전자와 정공 사이도 어쩔 수 없이 줄어들게 되는데, 이 과정에서 각 원자들이 각기 다른 에너지 준위를 보유하게 된다. 그리고 이러한 원자들이 수십~수백개에 달하면서 마치 에너지 준위가 띠 형태로 만들어지게 된다(아래 그림 참조) 이러한 띠 형태의 에너지 준위는, 원자 및 분자 양이 나노화되는 과정에서 줄어듦에 따라, 오버랩된 에너지 준위가 감소하고, 그 과정에서 밴드의 폭이 더 넓어지게 된다. 즉, 입자의 크기를 줄일수록, 기존 반도체의 에너지 밴드 갭보다 더 불안정하고, 더 커진 에너지 밴드 폭을 갖게 되는 것이다. 이러한 원리(입자 크기를 조절함에 따라 에너지 밴드 갭 크기를 조절하는 원리)를 이용하여 퀀텀닷은 입자 크기에 따라 다른 색깔을 내게 되는 것이다.
퀀텀닷 소자는 코어, 입자 쉘(Shell), 리간드(Ligand)로 크게 나뉜다. 코어는 재질에 따라 카드뮴 기반 소자와 인듐 기반, 규소 기반으로 퀀텀닷 소자는 나뉘게 되는데, 처음 퀀텃담 소자를 주로 사용했던 소자는 카드뮴(CdSe)기반이었다. 그러나 카드뮴은 비록 최대 양자효율 90% 이상, 색 표현력 100%까지도 달성하였으나 독성을 지녔기 때문에 현재는 배제된 상태에 있다. 현재 대체되는 소자는 인듐(InP) 기반인데, 인듐은 카드뮴 대비 양자효율은 80~90% 까지도 달성하였으나, 카드뮴에 비해 서는 매우 고가인 재료이다. 현재는 기술 발전에 따라 54nm 이하 적색, 40nm이하 녹색 QD까지 만들 수 있게 되어 색 표현력이 90% 이상인 수준까지 도달하였다. 규소(Si)의 경우, 매우 저렴하고 안전하지만, 양자효율이 30~50%로 낮고, 색 표현력도 규소나 카드뮴대비 낮기 때문에, 상용화되기 어려운 상황이다. 따라서, 현재 상용화되어 있는 퀀텀닷 소자의 코어의 재질은 비카드뮴 계열로 볼 수 있다.
입자 쉘의 경우, 코어가 매우 취약하기 때문에 코어를 보호하는 역할을 하며, 구조를 안정화 시키는 역할을 한다. 또한 shell은 core보다 밴드갭이 큰 물질을 이용하 여 발광 효율을 높이게 된다. shell의 두께가 증가할수록 화학적 안정성이 높아지 지만 양자점의 양자 효율을 극대화하려면 두께의 최적화 가 필요하다. 리간드는 중심원자에 결합되어 있는 이온 또는 분자의 총칭하며, 전기적 특성을 결정하는 데에 중요한 역할을 한다.
현재의 삼성의 퀀텀닷 TV는 이미 잘 알려졌다시피 LCD 기반의 기술이며, 적색과 녹색 퀀텀닷 소자가 도포된 필름을 추가함으로써 색 순도를 높이는 방식이다. 즉, 명암비보다는 색의 순도를 높이는 목적이며, 진정한 완성체라 볼 수 있는 자발광 소자 형태의 기술이 아니다. 삼성이 목표로 하는 진정한 퀀텀닷 TV로 가려면, BLU(Back Light Unit, LCD 뒤쪽에 고정시키는 광원)와 컬러필터가 모두 불필요한 형태의 전류를 통해 반응하는 발광 방식(Electron Luminescence, EL)이어야 한다. 현재의 방식은 그 중간단계로서의 발광 방식으로, (Photo Luminescence, PL) 빛을 통해 반응하면서 발광하는 방식이다. 구체적으로, QDEF(양자점 성능향상 필름, Quantum dot Enhanced Film)를 이용하여 BLU에서 나오는 청색 빛을 QDEF에 있는 청색과 적색 퀀텀닷 소자를 통해 반응을 시킨 후, 더 완벽한 형태의 백색광을 구현하여 컬러필터를 통과시키는 기술이다. (PS: 녹색 퀀텀닷 소자는 빼먹으신 건가??ㅜ)
QDEF(양자점 성능 향상 필름)의 경우, 청색 BLU 모듈 위에 배치하는 on-surface 방식으로, 퀀텀닷을 수지에 분산시켜 시트화하고, 이를 2장의 베리어 필름으로 감싸는 방식으로 제조한다. 이러한 방식은 LCD 모듈공정과 큰 차이점이 없기 때문에, 기존 공정을 활용하여 간단히 제작할 수 있다. 또한 베리어 필름이 산소와 열에 매우 취약한 퀀텀닷 소자를 보호하기 때문에, 열에너지가 많은 BLU쪽과 가까워도 이를 보호할 수 있게 된다.
QLED의 발광원리와 OLED의 발광원리는 크게 다르지 않다. 정공주입, 수송층과 전자주입, 수송층이 발광층에서 만나서 전자와 정공이 여기상태(들뜬 상태)로 전도대 (Conduction Band)로 진입하였다가 다시 바닥상태(Ground State)로 내려오면서 에너지(여기자)를 방출하는 형태의 성격을 지닌다. 즉, 에너지 밴드 갭의 차이에 따라 발광과 발색이 결정되는 것이다. 다만, OLED는 에너지 밴드 갭의 크기를 형성함에 있어서 발광 도판트(Dopant: 반도체를 p형 또는 n형으로 하기 위해, 혹은 이미 존재하는 불순물의 효과를 보상하기 위해 첨가하는 불순물) 의 에너지 밴드 갭의 차이나 물질 혼합 농도에 따라 달라지게 된다. 반면, QLED는 아주 미세한 반도체 결정의 크기에 따라 그 에너지 밴드갭이 달라진다는 차이점이 존재하는 것이다. 결국, 발광층(EML, Emission Layer, 정공(hole)과 전자(electron)이 결합하여 photon 및 열에너지로 변환하여 발광하는 층. 물질의 종류에 대해서 다양한 파장의 빛을 발광할 수 있다)의 방식상 차이이다.
이러한 양자점 자발광 방식의 EL 발광형 구조로 가려면, 중간 단계로 QDCF-LED 구조를 거쳐야 할 것으로 예상된다. 이는 현재 사용되고 있는 QDEF-LED 타입에서 한 단계 진보된 방식으로, 기존의 컬러필터를 퀀텀닷 소자로 교체하는 방식이다. 다만 퀀텀닷 소재는 열과 수분에 매우 취약하고, 아직 컬러필터용 퀀텀닷 필름은 제조한 적이 없는 분야이다. (현재 QDEF 필름은 별도의 Protection Film을 통해 열과 수분으로부터 보호하는 구조이다) 다만 삼성이 QLED를 선택한 이유는 과거 LTPS(Low Temperature PolySylicon) 방식의 OLED TV 제작시에 부딪혔던 대면적 방식의 양산화 문제와 번인 현상 등의 한계로 인해, 아예 OLED를 건너뛰고 더 높은 수준의 기술인 QLED를 선택한 것으로 보인다. QLED와 OLED 중 어떤 기술이 더 진보된 기술인가에 대해서는 논란이 존재하지만, 이론적으로 QLED는 무기물 형식으로 OLED 유기재료층보다 더 안정적이고 수명이 길기 때문에, 더 소비자 입장에서 만족도 높은 기술임에는 분명하다. 따라서, OLED와 비교했을 때 발광소자가 무기물인 양자점이기 때문에, 1) 번인 현상 등 의 문제점이 발생하지 않는 등, 안정성이 더 뛰어나며, 2) OLED에 비해 수명이 더 길다는 장점이 있다. 다만, 현재 완전한 자발광 QLED로 가지 못하고 있는 이유는, 1) 퀀텀닷 소자의 무게가 무겁기 때문에, 기존 OLED의 진공 증착 방식이 통하지 않고 용액공정을 거쳐야 하며, 2) 블루 퀀텀닷 소자의 에너지 밴드 갭이 크기 때문에, 개발이 어렵다는 단점이 있기 때문이다.
QD-OLED, 불확실성만 존재
블루 OLED를 통해 발광을 담당하고, 퀀텀닷 소자를 이용한 컬러필터를 담당하는 기술이다. Red와 Green은 퀀텀닷 소재의 컬러필터를 이용하고, 블루부분은 Blue OLED를 그대로 통과시키는 역할이다. 결국, 블루 소자의 안정성과 수명, 발광효율을 확보하지 못했다는 점에서 진정한 QLED는 아닌 상황이다. 발광 기능을 기존 Blue BLU에서 Blue OLED로 바꾸고, 발색을 컬러필터에서 퀀텀닷 컬러필터로 바꾼 형태이다.
당사는 비록 불확실성은 높지만, QD-OLED에 대한 기술적 해결점과 더불어 만약 삼성이 프리미엄 TV라인으로 QD-OLED를 선택한다면, 브랜드 가치 측면에서의 훼손이 발생할 수 있다고 판단한다. 현재의 시장 상황이 OLED 진영쪽으로 크게 기울고 있는 상황(OLED TV 15개 업체 vs QLED 2개 업체)에서, OLED로 브랜드 이미지를 전향하는 전략을 선택할 경우, 브랜드 이미지가 매우 큰 영향력을 미치는 프리미엄 TV 시장에서 자칫 시장 주도권을 뺏길 가능성이 있기 때문이다. 또한 시장에서 계속 제기되어왔던 1) 블루 소자의 수명 문제나 2) 잉크젯 공정의 양산 검증 불확실 등의 문제가 존재하기 때문에, 기술적 차원의 불확실성도 크다.
추가적인 문제는 양산시점이다. 현재 예상되고 있는 양산 시점은 약 2021년인데, OLED TV가 이미 LG전자와 Sony로 양분되어가는 시점에서, 1) 블루 OLED를 발광원으로, 2) 퀀텀닷 컬러필터를 발색기능 담당으로 시키는 기술은 QLED나 OLED나 모두 불완전하다. 또한 투자 관점에서도 양산 시점을 감안할 때 실질적인 PO는 빨라야 19년 말, 일반적 경우에는 2020년이 될 것이므로, 상당히 오랜 기간이 걸릴 것으로 판단된다. 따라서, 투자관점으로 접근한다면 SDC 벤더 업체들의 trigger는 QD-OLED보다는 일단은 내년 초에 출시될 Foldable 모델이 먼저라는 판단이다.
QD-OLED 양산에 따른 수혜 업체
- 테라세미콘: SDC향 열처리 장비. Oxide TFT 사용으로 인한 열처리 공정 필요.
- 에스에프에이: 물류 장비 시스템 담당
- 덕산네오룩스: SDC향 HTL 외주 생산
- AP시스템: Glass 봉지공정 장비 (SDC Rigid향 수주 이력 있음)
[출처] 디스플레이 공부1 - QLED와 퀀텀닷이란?|작성자 넘버원