플렉서블 디스플레이 기술 개요
최근 디스플레이 기술은 기존 Rigid 기판인 유리기판과 유리봉지를 적용한 고정된 형태를 보이는 Rigid 디스 플레이에서 플라스틱 기판과 얇은 유기막 및 무기막으로 형성된 박막봉지 기술을 적용한 플렉서블 디스 플레이로 발전해 오고 있다. 플라스틱 기판과 박막봉지는 기존 유리기판과 유리 봉지와 비교 시 디스플레이의 무게가 훨씬 얇고 가벼우며, 플라스틱의 유연성으로 인해 다양한 형태의 디스플레이 구현이 가능하고, 면으로된 충격에 매우 강한 내충격 특성을 보여주고 있다. 기존 LCD 구조는 Backlight를 사용하기에 유연성 구현이 어려우며, 패널을 구부렸을 때 액정 상하부에 있는 전극 상 사이의 거리 불균일로 인한 휘도 불균일이 발생 하기 때문에 플렉서블 디스플레이 구현은 불가능하다. 현재는 자발광 기능을 가진 OLED 소자를 기반으로 플렉서블 디스플레이 제품이 적용되고 있다. 플렉서블 디스플레이는 2013년부터 양산되고 있는 플렉서블 휴대폰 제품에 적용한 것을 시작으로, 2019년에는 폴더블 휴대폰에 확장 적용되고 있다. 또한 플렉서블 디스 플레이는 롤러블 TV제품에 적용하기 시작하는 단계에 있으며, 폴더블 노트북 및 폴더블 패드(탭)와 같은 IT 제품에도 적용되고 있으며, 적용범위가 확대될 전망이다.
플렉서블 디스플레이의 내충격 및 고강도 기술개발
플렉서블 디스플레이의 내충격 특성 및 표면 강도 특성은 디스플레이 기술의 핵심기술로써 지속적으로 특성 개선이 필요하다. 요즘 플렉서블 디스플레이의 주요 적용분야는 폴더블 휴대폰이며, 고객이 실제 사용할 때 플렉서블 패널 상부에 다양한 필름들이 적층된 플렉서블 디스플레이 모듈의 최상부 표면에 예리한 모양의 물체 또는 상대적으로 날카롭지 않은 물체와 충격이 발생할 경우 패널에 손상이 가지 않아야 한다. 따라서 플렉서블 디스플레이는 충격 면적이 작은 Pen Drop 특성과 상대적으로 충격 면적이 큰 Ball Drop 특성 관련하여 우수한 특성 확보가 필요하다.
내충격 특성 개선을 위해선 패널 상부에 외부 충격을 흡수하기 위해 충격 에너지 흡수가 우수한 소재 개발 및 모듈 적층 구조 개발이 필요하다. Pen Drop 충격 시 충격 에너지는 매우 짧은 시간에 국부적인 영역에서 Pen이 깊게 들어가면서 생기는 과도한 Strain으로 인해 패널 불량이 발생하기 때문에 충격 발생 시 국부적인 충격 영역을 순간적으로 넓은 영역으로 충격 에너지를 분산시킬 수 있는 모듈 적층 구조 설계가 필요하다. 또한 내충격 개선을 위해 패널 최상부층에 단단한 소재(모듈러스가 큰 소재)를 적용하는 연구도 진행되고 있다. 하지만 패널 상부에 너무 단단한 소재가 적용되면 Pen Drop 특성은 개선되지만 유연성이 감소하게 되고 이에 따라 폴딩 반경이 커지는 문제가 발생한다. 상기 두 개의 서로 반대되는 특성, Pen Drop 특성을 개선하되 유연성은 최대한 유지하는 기술개발이 필요하다.
한편, Ball Drop의 경우에는 충격 시 충격 에너지가 좁은 영역에서 분포하기보다는 상대적으로 넓은 영역에 존재하기 때문에 넓은 영역에서 충격에너지를 잘 흡수하는 Elastomer 기반의 소재와 특화된 모듈 적층 구조 개발이 필요하다. 일반적으로 Pen Drop 특성 개선을 위한 소재 및 모듈 적층 구조는 Ball Drop 특성 개선을 위해 필요한 소재 및 모듈 적층 구조가 동일하지 않은 것으로 알려져 있다. 실제 제품에서는 동시에 Pen Drop 특성과 Ball Drop 특성 개선을 위한 소재 및 구조 개발이 필요하기 때문에 서로 상충하는 기술을 동시에 확보하는 것이 필요하며, 이는 매우 난이도가 높은 기술개발로 여겨지고 있다. Backplane의 내충격 특성을 높이기 위한 방법 중 하나는 Pen Drop 및 Ball Drop 충격 시 패널에 가해지는 Strain을 넘어 서는 높은 임계 Strain을 갖는 유연한 금속 소재 및 절연막 소재 개발과, 패널에 가해지는 응력을 분산시킬수 있는 내충격에 강건한 Island Backplane 구조 개발이 필요할 수 있다.
또한 플렉서블 디스플레이 모듈 상부는 외부 물질과의 반복적인 접촉으로 인한 표면 스크래치 발생이 없어야 한다. 모듈 최상부 표면에 단단한 물질(모듈러스가 큰 소재)을 적용하면 내스크래치 특성이 증가하나, 유연성이 감소하는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 제안된 기술 중 하나는 유연성이 우수한 유기 물질과 내스크래치 특성이 우수한 무기 물질이 혼합된 Hybrid 유/무기 소재가 적용된 Flexible Window 개발이다. 이를 통해 내스크래치 특성과 유연성을 동시에 확보하는 기술개발도 후보 기술로 연구 되고 있다.
플렉서블 디스플레이의 내충격 및 고강도 특성 평가 표준 동향
플렉서블 디스플레이 제품들이 시장에 출시되기 위해서는 사전에 내충격 및 표면 강도 특성들을 평가하기 위한 표준화된 평가법 제정이 필요하다. 또한 상기 평가법들 외에 플렉서블 디스플레이 제품의 다양한 기계적 특성, 특히 다양한 충격 및 경도(강도) 특성 관련 표준화된 평가법 확보되어야 한다. 플렉서블 디스 플레이의 내충격 특성 및 경도(강도) 국제 표준화는 IEC TC110에서 주로 진행하고 있으며 디스플레이의 내충격 특성 및 경도(강도)와 관련된 표준은 다음과 같다(<표 1> 참조). <그림 6>과 <그림 7>은 대표적인 플렉서블 디스플레이의 내충격 특성 및 경도(강도) 특성 평가 기구 관련한 예시를 보여주고 있다.
현재 폴더블 디스플레이가 제품으로 출시되고 있으며, 슬라이더블 디스플레이와 롤러블 디스플레이도 가까운 시일에 제품으로 출시될 예정으로 플렉서블 디스플레이의 시장이 점점 더 확대될 것으로 보인다. 폴더블 디스플레이의 Pen Drop 특성 및 Ball Drop 특성 요구치도 점점 더 증가하고 있다. 향후 슬라이더블 디스 플레이와 롤러블 디스플레이 제품의 사용환경을 고려한 기존 내충격 특성 평가법과는 다른 평가법이 제시될 수도 있다. 현재 폴더블 휴대폰 제품을 생산하고 있는 기업에서 내충격 특성 및 경도(강도) 특성 요구치가 점점 더 높아지고 있기 때문에 플렉서블 디스플레이의 내충격 및 경도(강도) 평가법 표준은 국제 표준의 중요 평가법으로 자리 잡을 수 있을 것이다.
