산업분석 - Display (OLED)

8.6G OLED 투자 Cycle의 진행, 그리고 OLED의 확산이 예측되는 상황에 맞추어 OLED 산업을 정리해보고자 했었고, 이에 따라 OLED 위주로 Display 산업을 정리하였습니다. 폴더블 등 다루지 않은 내용은 별도로 지속 산업분석 진행할 예정입니다.

※ 본인 개인 블로그의 글을 Space로 옮겨왔습니다.

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1. OLED 산업 개요

1-1. 대표적 Display 특징과 역사

• LCD (Liquid Crystal Display)

  • 1888년 라이니처가 고체와 액체의 중간정도 성질을 띄는 Liquid Crystal(액정) 최초 발견.

  • 1970년대 액정에 전기장을 가하면 배열이 바뀌며 광학적 특성을 띈다는 사실이 밝혀졌고, 이를 이용해 1974년 시계에 최초의 LCD가 적용됨.

    • 전기 광학 효과 : 전기장을 가하면 결정의 굴절률이 변화하는 현상

  • Backlight에서 빛을 방출하고, 전기장을 통해 액정층에서 빛의 양을 조절한 후, 컬러 필터를 거쳐 색상을 표현.

    

  • 하지만, BackLight으로 사용하는 LED는 각도에 따라 시인성이 달라지며 유연하지 못하다는 단점이 존재.

  • 이후 2000년대부터 CRT를 대체하며 주요 Display로 자리잡았으며, LED로 Backlight을 사용하기 시작하며 PDP와의 경쟁에서 승리.

• PDP (Plasma Display Panel)

  • 1964년 일리노이대학에서 가능성을 구체화 한 이후, 97년 Fujitsu, Pioneer 에서 상용화 성공.

  • RGB Sub-pixel 마다 가스 튜브가 있고, 이 가스 튜브에 고전압을 인가해 Ne/Xe Plasma를 생성.

  • 이 때 Plasma가 방전되며 자외선이 방출되며, 이 자외선이 형광체를 자극하여 가시광선이 나오는 원리.

    

  • 2000년대 초반 고급 대형 TV 위주로 경쟁력을 가지며 LCD와 치열한 경쟁을 펼쳤으나, 07년 LED Backlight LCD의 등장 이후로 기술/비용 모두 밀리며 쇠퇴

  • 2013년 Panasonic, 2014년 삼성SDI, LG전자가 차례로 시장에서 철수하며 종말.

• OLED (Organic Light-Emitting Diode)

  • 1987년 Kodak 에서 최초 발견된 이후, 96년 Pioneer에서 최초로 OLED 상용화 성공(라디오용)

  • 유기화합물층에 전류를 흘렸을 때, 정공과 전자가 발광층에서 결합하며 빛을 내는 원리.

    

  • 이 때, 이 전류를 조절하는 방식에 따라 PMOLED와 AMOLED로 나뉨.

    • PMOLED (Passive Matrix OLED) : 해당 행과 열의 배선에 전압을 인가하여 교차 지점에서 빛이 나도록 하는 방식

    • AMOLED (Active Matrix OLED) : TFT로 OLED들을 각각 제어하는 방식

      

  • 07년 삼성SDI 에서 AMOLED를 세계 최초로 상용화하였고, 이후 AMOLED가 PMOLED를 빠르게 사장시킴.

  • 삼성SDI 디스플레이 사업부는 삼성디스플레이로 통합되었으며, 삼성디스플레이에서 현재까지도 OLED분야 선두를 질주하고 있음.

• Micro LED (Micro Light Emitting Diode)

  • LED는 P-N Junction Diode의 일종으로, 순방향 전압을 인가하면 N형 쪽의 전자가 P형 쪽으로 이동하고, P형 쪽의 정공은 N형 쪽으로 이동.

  • 이 때, 접합부에서 전자와 정공이 결합하며 에너지 차이에 해당하는 빛 발생

    

  • Micro LED는 이 LED를 um 단위로 소형화시켜서 R/G/B 각 픽셀로 사용하는 기술

  • OLED보다 수명과 밝기가 우수하고 빠른 응답속도를 갖지만, 수백만개의 미세한 개별 칩을 기판에 대량 정밀 전사 하는 양산 구조로 제조 난이도가 높아 아직 고가이다.

  • 초소형 디스플레이(AR/VR, 마이크로디스플레이)나 초대형 사이니지에 적용 연구가 진행 중이다.

• Quantam Dot

  • OLED의 뒤를 이을 자발광 소재. 스스로 빛을 내는 소재로, 크기가 2~10nm 인 나노 입자.

  • 외부에서 빛을 가하면 QD 내부의 전자가 Excited 되었다가 안정화될 때 빛을 방출하며, 입자의 크기에 따라 방출하는 빛의 파장이 달라짐(=색이 달라짐)

    

  • 2010년대 중반부터 디스플레이 보강 소재로 떠올라, LCD에 색 정확도와 밝기 향상을 위해 사용되기 시작하였으며(QLED)

  • 최근에는 삼성·소니 등이 OLED 백플레인 위에 QD층을 올린 QD-OLED를 이용한 TV와 모니터를 판매 중.

    

• AR/VR용 Silicon-Based Display (On-Silicon Display)

  • 실리콘 Wafer 위에 반도체 회로를 만들고, 그 위에 디스플레이 소자 층을 쌓은 구조

  • 별도 TFT로 픽셀을 구동하는 일반 디스플레이와 달리, 실리콘 웨이퍼에 CMOS 회로를 생성 후, 바로 광원을 올리는 구조

  • 즉, 디스플레이 + 구동회로를 한 칩으로 통합한 구조로 아래 특성들에 따라 AR/VR 용 디스플레이로 각광받고 있음.

    • 미세 패턴 구현 가능으로 픽셀 크기 줄일 수 있음 → 고해상도

    • 디스플레이 크기 자체도 크게 줄일 수 있음 → 소형화

    • 별도 Control IC필요 없고, 배선 짧음 → 저전력화

  • On Silcon Display도 Display의 발전방향과 동일함.

    • LCDoS - 1세대

    • OLEDoS - 2세대

    • LEDoS - 3세대

      

1-2) OLED의 상세 구조

OLED 시장에서 각 기업들이 어떤 역할을 하는지 알아보기 위해 OLED의 구조에 대해 좀 더 상세히 살펴본다.

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a) 발광 원리

OLED에 전계가 인가되면 양극은(Anode) 전자를 끌어당기고, 음극은(Cathode) 전자를 밀어낸다.

Anode쪽에서 전자를 끌어당기게 되면 전자가 이동하고 남은 빈 자리는(+) 를 띄게 되고, 이는 전자가 이동한 반대 자리로 정공이 움직이는 것과 같은 효과를 보인다.

정공과 전자는 각각 HIL층과 HTL층, 그리고 ETL층과 EIL층 을 통해 효과적으로 발광층(EML)으로 수송되며, 발광층에서 둘이 결합하며 빛을 방출하게 되는 것이다.

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발광층에서 결합한 정공과 전자는 들뜬 상태의 Exciton(여기자) 를 발생시키는데, 여기서 발광층을 구성하는 소재인 형광소재와 인광소재의 차이를 짚고 넘어가야 한다.

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b) 발광층 소재 - 형광과 인광

전자는 +1/2 또는 -1/2 의 2가지 Spin 값을 가지며, 정공도 전자와 동일한 2개의 Spin 상태를 가질 수 있어 둘의 결합으로 발생할 수 있는 경우의 수는 총 4가지이다.

Triplet은 Spin이 Symmetric한 상태를 말하며 총 3가지의 경우가 생기고, 반면 Singlet은 Spin이 완전 반대방향인 1가지의 경우만을 나타내 3:1, 즉 75% : 25% 의 확률로 Triplet과 Singlet이 나타남. 위의 수식말고 그림을 보면 된다.

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이를 바탕으로 형광 소재와 인광 소재의 특성 차이를 알아볼 수 있다.

• 형광 소재 (Fluorescence) : 물질 특성 상 Singlet만을 이용하여 발광할 수 있어, 25%의 효율. 나머지 75%는 열로 사라지게 된다. 하지만 발광 속도가 빠른 특성.

• 인광 소재 (Phosphorescence) : Ir, Pt 같은 무거운 금속으로 인해 Triplet에서도 에너지 전이가 가능하여 이론상 거의 100%의 효율을 나타내나, 발광 속도가 상대적으로 느리다.

• TADF는 형광에서 버려지는 75%를 재활용하려는 기술로 최근 아주 제한적인 상업화 단계에 돌입.

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c) 발광층 구성

형광과 인광소재가 실제로 빛을 내는 곳이 바로 발광층으로,

발광층은 Host와 Dopant, 그리고 보조 소재인 Prime 소재로 구성된 Host-Dopant System을 채택하고 있다.

• Host : 전자와 정공이 이동하며 여기자가 생성되는 곳으로, 이 때 발생한 에너지를 Dopant에 전달하여 빛이 잘 나도록 하는 역할을 한다. 발광층의 대부분을 차지해 90% 이상을 ...