반도체 디스플레이 핵심소재 산화이트륨
스마트폰 폼팩터는 2007년 애플의 아이폰 1세대 출시 이후 대부분 바(Bar) 형태를 이루며, 휴대성이 증가 됨에 따라 디스플레이 표면의 높은 내구성을 요구한다. 최근 디스플레이 기술의 발전으로 폴더블, 롤러블, 슬라이더블 형태의 새로운 폼팩터가 시장에 소개되었다. 2019년 9월 삼성전자 갤럭시 폴드가 시장에 출시 되며 글로벌 주요 제조사에서 폴더블 형태의 스마트폰을 출시하고 있다. 폴더블폰은 휴대할 경우 화면을 접고, 필요 시 펼쳐서 넓은 화면을 활용하는 태블릿의 강점을 갖고 있다.
스마트폰의 폼팩터를 바꾼 대표적인 부품인 디스플레이는 <표1>에 정리된 내용처럼 국내 주요 제조업 전체 부가가치액의 4.7%(4위, 2019년), 수출액 5.1%(4위, 2020년)를 차지하는 국내 경제 기여도가 높은 산업이다. 2020년 기준 세계 시장의 약 36.9%를 점유하며 2004년부터 17년째 세계 시장 1위를 유지하는 국내 유일한 산업이며, 2005년부터 2021년 상반기까지 수출 품목 5위권을 유지하고 있다.
디스플레이는 패널기업을 중심으로 전후방 연관효과가 크며, 시장선도를 위해서는 기술경쟁력은 물론 트렌드 변화 대응이 중요한 시스템 산업이다. 최근 트렌드 변화를 주도하고 있는 폴더블폰에 사용된 폴더블 OLED 디스플레이는 2021년 890만 대의 출하량이 예상된다. 연평균 53%의 높은 성장률을 보이며 2025 년에는 4,900만 대가 출하될 것으로 전망한다. 이와 함께 폴더블 디스플레이 커버 윈도우(cover window) 시장의 약 80%에서 UTG(Ultra Thin Glass)가 사용될 것이라는 조사결과도 눈여겨볼만 하다.
초박형 강화유리 소재 경쟁력 강화
국내 전통산업으로 분류되었던 유리산업은 Rigid 형태의 LCD 유리를 기반으로 산업용 유리분야에서 고도 화를 달성하였다. 유리소재를 많이 사용하는 OLED 디스플레이의 경우 2017년 스마트폰용 OLED 패널의 무역코드가 전기전자부품 세라믹(첨단 부문)으로 변경되기도 했다. 디스플레이의 표면을 보호할 목적으로 사용되는 커버 윈도우도 유리소재를 사용하는 만큼, 향후 다축 플렉서블 디스플레이에 적용할 수 있는 초박형 강화유리의 연구개발이 필요하다.
그러나 화학강화유리 원소재는 미국, 일본, 독일이 과점 형태를 유지하고 있으며, 화학 가공 분야에서는 중국이 과점 형태를 유지하고 있다. 또한, 전량 수입에 의존하므로 매년 조 단위 이상의 무역수지 적자가 지속 되고 있다. 유리산업을 첨단 IT기기에 반드시 필요한 전략산업으로 검토해야 한다. 이에 정부에서도 차세대 기술을 선점하여 국가 경쟁력을 높이고자 소부장 미래선도품목을 발굴하여 중장기 R&D 생태계 지원을 강화하는 사업을 추진 중이다. 주력산업 고도화 항목 중 하나로 선정된 디스플레이 산업은 ‘폴더블 윈도우용 무기 하이브리드 소재’ 연구비 지원을 통해 초박형 강화유리의 개발 계획을 구체화하고 있다.
미래기술이 적용된 완제품 및 활용범위
클라우드 시스템이 확대됨에 따라 기존 스마트폰과 태블릿 PC에서 발전된 스마트기기인 폴더블폰, 롤러블폰, 슬라이더블폰 등의 수요가 급증하고 있다. 디바이스가 융복합화됨에 따라 웨어러블, 자동차, 가전제품, 광고, 전시 등 다양한 제품에 deformable한 디스플레이를 적용할 수 있다. 이를 위해 다양한 굴곡에 맞출 수 있고, 외부 충격에서 디스플레이를 보호할 수 있는 초박형 강화유리가 핵심소재로 부상했다. 현재 폴더블 디스플레이에 적용 중인 초박형 강화유리는 조명, 태양광, 배터리 등 다양한 산업에 활용될 것으로 예상된다.
초박형 강화유리 R&D 표준 동향
초박형 강화유리는 기존 커버 윈도우와 같이 강한 내구성과 높은 투과율의 광 특성 외에 굴곡성을 필요로 한다. 하지만 굴곡성, 내구성, 광 특성 요소는 서로 Trade-off 관계이므로 모든 상황을 만족시키는 제품개발은 매우 어렵다. 이를 극복하고자 다양한 연구개발과 함께 특허 출원이 활발히 이뤄지고 있다. 폴더블 디스 플레이 커버 윈도우 관련 기술 분야는 [표2]에서 보는 것처럼 최근 2년 동안 17.1%를 차지하며 힌지 및 하우징에 이어 핵심기술 분야로 부상하고 있다.
폴더블폰은 사용자 관점에서 기존 바(bar) 형태의 스마트폰과 유사한 내구성을 가져야하므로, 다양한 경도시험, 굴곡시험, 강도시험, 환경신뢰성시험을 초박형 강화유리 또는 폴더블 디스플레이 모듈에 적용 하고자 한다. 마찬가지로 표면 특성을 확인하기 위한 표면의 거친 정도(roughness), 표면의 굴곡 정도 (waviness), 표면의 일반적인 형상(form)을 측정한다. 관련 시험은 유리나 플라스틱을 대상으로 만들어진 IEC, ISO, ASTM 표준을 기반으로 수행할 수 있다.
기술개발에 도움이 되는 주요 표준
사용자가 스마트폰의 화면을 조작하며 상호 작용이 빈번히 일어나기 때문에 디스플레이의 표면 경도가 중요하다. 주머니 속에서 열쇠, 동전과 생길 수 있는 마찰, 그리고 파우치 가방에서 다른 물건과의 부딪힘 등이 발생하 더라도 커버 윈도우 표면에 스크래치가 발생 하지 않는 것이 중요하다. 스크래치 발생수준 정도를 시험하기 위한 대표적인 긁기 경도시험은 연필 경도(ISO 15184, ASTM D 3363)와 모오스 경도(ASTM C 1895) 방법이다.
<그림4>는 하드코팅한 필름에 연필 경도시험을 진행한 사진을 비교한 것이다. 하드코딩 재료 종류와 두께별로 경도가 다르고, 그 결과 연필 눌림에 의한 손상 정도가 다르게 나타난다.
[그림5]는 갤럭시 폴드3의 모오스 경도시험을 한 영상으로, 커버 윈도우가 유리인 외부 디스플레이의 경우 6(최대 10), 폴더블 디스플레인 내부 디스플레이의 경우 2~3 정도 수준이다. 이와 같이 기존에 발간된 표준을 이용하여 현재 출시제품의 표면 경도수준을 확인하여 이전 제품과 품질개선 여부를 확인하고, 제품개 발의 방향을 가늠할 수 있다.
2030 표준 트렌드
기존 표준은 세라믹(유리 포함), 플라스틱의 표면 상태나 단단한 정도를 측정하는 표준이다. 초박형 강화 유리는 두께(30㎛ 수준)가 얇고 다른 소재와의 물성 차이를 고려해야하므로, 기준 표준을 활용함과 동시에 제품의 특성에 맞는 표준 개발이 필요하다.
기술개발에 필요한 표준화 항목은 다음과 같다. 첫째, 초박형 강화유리에 적용 가능한 최소 곡률 측정방법 이다. 접히는 형태에 따라 곡률이 일정할 수 있으나, 경우에 따라 다양한 곡률을 갖는 제품을 고려하여 소재별 최소 곡률을 객관적으로 측정하는 방법을 고려할 수 있다.
둘째, 유리의 면 품질을 가늠하기 위한 유리 두께의 편차, 표면 굴곡 측정방법이다. 초박형 강화유리 소재의 표면 굴곡과 폴더블 디스플레이에 부착하였을 때의 표면특성을 측정하는 방법이다. 또한 접고 폈을 때 접히는 영역의 굴곡현상이 잘 인지되므로, 이 부분의 형상(form)을 측정하는 방법이 필요하다.
셋째, 초박형 강화유리 경계 영역의 내구성 측정방법이다. 유리의 특성상 경계 영역에서 깨짐이 빈번히 발생하므로, 강화유리 경계 영역의 내구성을 측정하는 방법을 고려할 수 있다
새로운 시장 선점을 위한 표준 선점 필요
Deformable 디바이스로 폴더블폰이 출시됨에 따라 관련한 소재와 부품에 대한 새로운 생태계 형성이 이뤄지고 있다. 이렇게 새로운 소재 및 부품으로 생태계가 형성되면 이 영역 내에서 새로운 기회를 찾기는 어렵다. 초박형 강화유리는 폴더블, 롤러블 디스플레이 제품 수율 및 품질에 영향을 미치는 시장의 핵심소재 이므로, 디스플레이 폼팩터가 바뀌는 이 시기에 시장확대 기회를 포착해야 한다.
따라서 선제적 기술개발과 함께, 경쟁국 또는 경쟁제품과 차별화할 수 있는 아이템을 선정하고 표준으로 등록해야 한다. 표준을 활용하면 제품의 우수성을 객관적으로 인정받는 기반을 조성할 수 있다. 이를 위해 소재업체가 필요로 하는 표준항목을 도출하고 등록을 추진해야 할 것이다.
[표3] 국제표준 및 해당 시험항목
