초미세 반도체 퀀텀닷, 미래형 디스플레이 도전장

전기에너지를 받으면 빛을 내는 퀀텀닷 결정. [사진 제공 · 삼성디스플레이]

최근 미국 라스베이거스에서 열린 세계 최대 국제전자제품박람회 ‘CES 2022’에서 삼성전자의 퀀텀닷(Quantum Dot·QD) TV가 최고혁신상을 수상하며 주목받았다. 삼성전자가 선보인 퀀텀닷 TV는 매우 작은 나노입자들의 광학적 특성을 이용한 퀀텀닷 기술을 기존 OLED(유기발광다이오드)에 접목한 QD-OLED 하이브리드 디스플레이로 제작됐다. 더욱 향상된 색상과 화질을 목표로 하는 QD-OLED TV가 기존 LCD(액정표시장치), OLED TV에 비해 기술적으로 어떻게 진일보했을까.

디스플레이에 유용한 퀀텀닷

지름 1~10㎚ 크기 퀀텀닷(왼쪽)은 사람 머리카락 굵기의 1000분의 1 수준이다. [나노코테크놀로지스]

퀀텀닷은 지름 1~10㎚(나노미터) 크기 초미세 반도체로, 전기에너지를 받으면 빛을 내는 성질을 지닌다. 퀀텀닷은 RGB(Red·Green·Blue) 순으로 크기가 작아진다. 나노미터 수준의 각 입자는 독특한 광학적, 전기적 특성을 지닌다. 빛에 노출되면 퀀텀닷 결정이 특정 주파수의 빛을 방출하는데, 이때 반응 시간과 조건을 조정하면 퀀텀닷 크기와 모양을 정밀하게 제어하는 것이 가능해 디스플레이에 유용하게 사용할 수 있다.

기존 LCD TV에는 크게 세 가지 구성 요소가 있다. 우리 눈에 보이는 빛을 생성하는 흰색 백라이트, 해당 빛을 빨간색·초록색·파란색 빛으로 구분하는 컬러 필터, 액정 모듈(픽셀)이다. 이들 요소를 사용해 다양한 음영과 색조를 만들어 이미지화한다. 최근에는 LCD 백라이트로 LED(발광다이오드)를 사용하는데, LED 조명은 자연적으로 흰색을 만들 수 없어 노란색 형광체로 코팅된 파란색 LED를 쓴다. 이렇게 만들어진 흰색은 실제 흰색 광에 미치지 못해 제조사들은 고르고 깨끗하게 발현되는 흰색 광 소스를 만들기 위해 고민해왔다. 그 해답으로 찾은 것 가운데 하나가 퀀텀닷이다.

OLED는 LED 백라이트를 사용할 필요 없이 수백만 개의 개별 OLED 하위 픽셀에서 빛이 자체적으로 생성된다. 파란색과 노란색 OLED 화합물을 사용해 흰색 광 픽셀을 생성하고, 컬러 필터를 통과해 빨간색·초록색·파란색의 하위 픽셀을 만들어내기 때문에 정확히 말해 WRGB(White-Red-Green-Blue) OLED 방식이라고 할 수 있다.

LCD 방식은 검은색을 생성하기 위해 백라이트를 어둡게 만들어야 한다. 그에 비해 OLED는 완전한 검은색을 구현하기 쉽다는 것이 장점이다. OLED 디스플레이에서 각 픽셀을 구성하는 빨간색·초록색·파란색 다이오드는 빛을 방출하고 필요할 때만 켜진다. 따라서 어두운 픽셀은 완전히 검게 표시되는 반면, 밝은 픽셀은 최대 전력으로 실행할 수 있어 탁월한 수준의 대비를 보여준다. 또 플렉시블(휘어지는) 화면 제작도 가능하다. OLED 선두주자 LG전자가 롤업 OLED TV를 개발할 수 있는 것도 이 때문이다.



물론 단점도 있다. OLED TV의 컬러 다이오드는 시간이 지남에 따라 성능이 저하돼 ‘번인(burn-in)’ 현상이 발생한다. 화면을 꺼도 이미지가 사라지지 않는 현상을 말하는데, 특히 정적인 콘텐츠가 자주 표시되는 위치에 ‘고스트’ 이미지로 불리는 잔상이 나타날 수 있다.

현재 LG는 42인치에서부터 97인치까지 다양한 크기로 라인업을 확대해가며 OLED 전성기를 이끌고 있다. LG의 TV용 OLED 패널은 소니, 파나소닉, 필립스 등 제조업체에도 판매되고 있다.

OLED 디스플레이 구조(왼쪽). QD-OLED 디스플레이 구조. [사진 제공 · 삼성디스플레이]

밝기 손실 거의 없는 QD-OLED

삼성이 초기에 개발한 퀀텀닷 TV QLED의 방식은 LCD 방식에 퀀텀닷 기술을 접목한 것이다. 파란색 LED 앞에 얇은 퀀텀닷 층을 넣어 파란색 광을 생성하고, 이를 통해 초록색과 빨간색 퀀텀닷을 밝혔다. 이후 화질이나 에너지 효율 개선을 목표로 백라이트 방식을 뛰어넘어 자체 발광이 가능한 QD-OLED가 탄생했다.

QD-OLED는 OLED와 흡사한 발광형 디스플레이로, 픽셀이 자체적으로 빛을 방출한다. 미세한 크기의 반도체 입자인 퀀텀닷은 특정 주파수의 빛을 받으면 원자의 전자가 더 높은 에너지로 흥분 상태가 되고, 낮은 에너지 상태로 떨어질 때 빛을 방출한다.

기존 방식에 비해 더 선명한 화질과 색상이 기대되는 QD-OLED. [사진 제공 · 삼성디스플레이]

기존 OLED가 흰색 빛을 바탕으로 한다면, 퀀텀닷은 에너지가 강한 파란빛을 사용한다. 파란색 자체 발광층을 사용해 퀀텀닷 필터에 파란색 빛을 비추면 필터는 파란색 빛의 일부를 가져와 빨간색과 초록색으로 변환하고, 이 빨간색·초록색·파란색 빛의 조합으로 이미지를 만든다. 이러한 방식을 통해 더 얇은 두께로 좀 더 정확하고 다양한 색상을 생성해낼 뿐 아니라, 넓은 시야각 확보도 가능한 것으로 알려졌다. 삼성 측에 따르면 1000nit(1nit는 ㎡당 촛불 1개 밝기) 밝기와 더 높은 명암비(100만 대 1)를 사용해 완벽한 검은색을 구현할 수 있다고 한다.

QD-OLED 장점은 기존 OLED나 LCD보다 검은색 재현, 시야각 확보, 전력 효율 면에서 성능이 더 향상됐다는 것이다. 퀀텀닷은 특히 에너지 효율이 높아 색상 변환 과정에서 밝기가 거의 손실되지 않는다. 그 결과 비용과 복잡성, 컬러 필터의 밝기 부담, 흰색 하위 픽셀의 필요성이 사라진 진정한 RGB OLED를 구현할 수 있다. 또 백라이트가 필요한 LCD TV에 비해 디스플레이도 얇고 가벼워질 것으로 기대된다.

올해 상반기 QD-OLED TV 출시 예정

OLED의 번인 현상을 극복할 수 있을지 여부와 함께 향후 상용화를 위해 해결해야 할 과제가 적잖다. 퀀텀닷 컨설팅 전문가 피터 팔로마키는 미국 전기전자학회(IEEE) 웹진 ‘스펙트럼’에서 “퀀텀닷 층을 패터닝(patterning)하고 보호하는 과정이 매우 복잡해 고난도 기술력이 필요하다”며 “파란색 다이오드에 의존하는 특성상 퀀텀닷 레이어를 통해 발생할 수 있는 파란색 광의 누출이나 노후화 문제를 해결해야 할 것”이라고 말했다.

무엇보다 퀀텀닷 패터닝 단계, 특수 필터링 등으로 가격이 높아질 수 있다. QD-OLED TV가 삼성 프리미엄 제품인 마이크로 LED TV(마이크로미터 단위 초소형 LED를 촘촘하게 구성해 이미지를 구현하는 방식)와 주력 제품인 QLED 사이에 위치한다면 LG의 OLED TV보다 더 비싸게 출시될 것으로 보인다. 과연 삼성이 이번 QD-OLED를 통해 LG가 오랫동안 아성을 지켜온 OLED 시장에서 어떻게 자리매김할지 결과가 주목된다.

삼성디스플레이 측은 65·55인치 TV와 34인치 모니터를 양산할 예정이라고 밝혔으며, 올해 상반기 QD-OLED TV가 출시될 전망이다. 그에 앞서 소니는 삼성 QD-OLED 패널을 사용한 TV ‘브라비아 XR A95K’를 내놓을 것으로 보인다. 에일리언웨어(델의 게이밍 브랜드) 또한 삼성 QD-OLED 패널로 컴퓨터 모니터를 개발하고 있다.

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