디스플레이 산업: LTPO란 무엇인가?

1. LTPO의 정의

 

LTPO(저온 다결정산화물, Low-Temperature Polycrystalline Oxide)는 Apple이 개발한 TFT 디스플레이의 공정기술이다. LTPS TFT공정과 Oxide TFT공정의 단점을 상호보완하여 결합한 기술이다. 높은 기술 구현 난이도와 낮은 수율 문제 때문에 주로 고가의 OLED 디스플레이 패널에 채용된다.

 

LTPS(저온 다결정실리콘, Low-Temperature Polycrystalline Silicon) TFT공정에서 하나의 트랜지스터를 Oxide(산화물)로 변경하여, 전자이동도는 낮지만 누설전류가 없도록 이중설계한 디스플레이다.

 

 

통상 디스플레이에는 여러 TFT(박막 트랜지스터) 부품이 필요하다. TFT란 LCD 액정이나 OLED 유기물에 흐르는 전류를 제어해 화소(픽셀)의 밝기를 조절하는 역할을 하는 부품이다. TFT 공정에는 3가지 소재가 많이 사용됐다. 비정질 실리콘인 'a-Si', 'LTPS'(Low-Temperature Polycrystalline Silicon), '옥사이드'(Oxide) 등 대표적이다.

 

하지만 3가지 소재 모두 장단점이 뚜렷했다. a-Si는 실리콘이 무질서하게 배열돼 있어 전자 이동이 쉽지 않다는 단점이 있었다. LTPS는 상대적으로 전자 이동도가 빠르지만, 누설전류가 있는 편이다. 옥사이드는 전자이동과 누설전류 모두 a-Si와 LTPS의 중간 수준인 것이다.

 

Polycrystalline(다결정실리콘)의 경우 휘도의 감소와 플리커링을 막기 위해 1초에 60번씩 계속해서 신호를 보내야 하는 데 반해, Oxide(산화물)의 경우는 정지픽셀에서 1초에 한 번만 신호를 줘도 되기 때문에 누설되는 전류를 줄일 수 있다. 특히 반응속도가 빠르고 120Hz 등 고속 화면 주사율을 적용하는데 구동전력이 절약되는 장점이 있다.

 

 

2. LTPO의 필요성 & 중요성

 

삼성전자가 올해 출시 예정인 플래그십(최상위) 스마트폰 갤럭시S23 울트라에만 저전력 디스플레이로 알려진 저온다결정산화물(LTPO)-박막트랜지스터(TFT) 유기발광다이오드(OLED) 패널을 얹는다. 애플 아이폰과 동일한 디스플레이 전략이다. 일종의 ‘급나누기’라는 것이다.

 

LTPO-TFT는 OLED 디스플레이에서 주사율을 높이기 위한 핵심 기술로 꼽힌다. 주사율은 1초에 디스플레이에 나타나는 화면 숫자로, 주사율이 높을수록 역동적이고 부드러운 화면을 표시할 수 있기 때문에 고급 스마트폰의 필수 기능으로 여겨진다. 화면 전환이 빠른 블록버스터 영화나, 게임을 더 선명하고 자연스럽게 즐길 수 있다.

 

애플도 아이폰13 프로부터 LTPO-TFT를 적용 중이다. 사진은 아이폰14 프로

 

 

하지만 주사율은 의도대로 무작정 늘릴 수 없다. 특히 100㎐ 이상의 고주사율은 전력 소모량이 많아 그렇지 않아도 많은 전기를 쓰는 5세대 이동통신(5G) 스마트폰에는 부담이다. 이 문제를 해결한 것이 LTPO-TFT다. 이 기술은 역동적이고 부드러운 화면을 표현해야 할 때는 120㎐로 주사율을 높였다가 화면 전환이 없을 때는 주사율을 1㎐까지 낮춰 전력소모를 줄인다. 사용 환경에 맞게 주사율을 변화시키는 것이다.

기존의 저온폴리실리콘(LTPS)-TFT도 주사율을 사용 환경에서 따라 바꿀 수 있다. 그러나 최저 주사율이 LTPO에 비해 높고, 전력 소모도 많다. 같은 성능의 디스플레이를 가정하면 LTPO의 전력 소모량은 LTPS에 비해 15~20% 적은 것으로 알려져, LTPO는 저전력 디스플레이로 통한다.

 

이처럼 LTPO 공정의 가장 큰 장점은 소비전력 절약이다. 범용성이 강한 LTPS TFT에 비해 전력소모는 낮추면서 선명한 화면을 구현할 수 있었다. 항시 몸에 착용해야 하는 웨어러블 기기에 적합하다. 애플은 애플워치를 시작으로 스마트폰 아이폰 등으로 적용대상을 넓혀가고 있다.

다만 LTPO OLED 기술은 난이도가 상당했다. 양산에 성공한다 하더라도 수율이 극도로 낮다. BOE 등 중국 디스플레이사들도 LTPO OLED패널을 일부 생산하고 있지만, 애플의 LTPO 공급망엔 진입하지 못한 것으로 파악된다. 애플이 요구하는 기술과 품질기준에 부합하는 양품을 생산하지 못한 상태다.

 

 'LTPO' 디스플레이는 삼성디스플레이와 LG디스플레이가 띄우는 승부수로 볼 수 있다. 맹추격해오는 중국과 격차를 더 벌리기 위해 기존 유기발광다이오드(OLED) TFT 공정 과정을 한 단계 더 고도화한 것이기 때문이다. 중국은 LTPO 경쟁력이 미약한 상태다. 애플이 요구하는 LTPO 기술, 품질 수준을 충족하지 못해 LTPO 공급망에도 진입하지 못했다. 국내 디스플레이업체들이 중국과의 OLED 경쟁을 앞두고 LTPO를 새 승부처로 점찍은 배경이다

 

 

3. 기술 개발 및 제품 발표 이력

 

해당 기술은 애플이 지난 2014년 처음 고안해 특허를 등록했다. 이어 2018년 애플 워치에 첫 적용했다. 애플이 아이폰에 LTPO를 장착하기 시작한 건 지난해 아이폰13 프로시리즈부터다.

 

이후 삼성디스플레이가 세계 최초로 스마트폰용 LTPO 패널 양산에 성공하며 시장을 선점했다. LG디스플레이는 후발주자로서 양산에 나선 상태다. LTPS·옥사이드 TFT 에 비해 고도의 추가 공정이 필요하기 때문에 하이엔드 제품에 주로 탑재돼왔다.

 

 

최근 출시한 아이폰14 프로시리즈에도 이 LTPO가 채용돼 있다. 아이폰용 LTPO는 애플 OLED 패널 공급망의 70% 이상을 책임지고 있는 삼성디스플레이가 독점 공급하다가 이달부터 LG디스플레이도 공급을 시작했다.

 

LG디스플레이는 애플 워치에 LTPO를 전량 납품했지만, 모바일 전환은 상대적으로 지연되면서 삼성디스플레이보다 공급이 다소 늦어졌다.

 

 

삼성전자 역시 LTPO를 갤럭시 워치에 장착했고, 스마트폰의 경우 갤럭시S20 울트라부터 LTPO 기술을 첫 채용했다. 이어 갤럭시S21 울트라와 갤럭시S22 울트라에도 계속 LTPO를 적용했다. 갤럭시Z 폴드4에도 LTPO를 넣었다. 모두 주사율이 1~120㎐로 변화한다.

 

삼성전자는 올해 초 출시하는 갤럭시S23에도 전작과 동일하게 일반·플러스 모델에 LTPS를, LTPO는 울트라 모델에만 장착할 것으로 보인다. 애플 역시 LTPO가 첫 적용된 아이폰13 이후 이런 전략을 쓰고 있는데, 이는 LTPO 제조 공정과 단가가 LTPS에 비해 훨씬 복잡하고, 비싼 탓이다.

 

삼성전자 스마트폰 제품군에서 플래그십은 갤럭시S 시리즈가 맞지만, 이 가운데에서도 ‘울트라’가 확실한 최고급·고성능 스마트폰이라는 점을 분명히 하는 것이다.

 

갤럭시S23 울트라의 LTPO 디스플레이 공급은 이번에도 삼성디스플레이가 전담한다. 삼성디스플레이는 과거 애플의 LTPO 특허를 우회하기 위해 하이브리드산화물·다결정실리콘(HOP)이라는 TFT를 개발한 것으로 알려졌다. 그러나 삼성디스플레이는 공식적으로 HOP 기술의 사용 유무를 밝히지 않고 있다. 삼성디스플레이는 “고객사와 관련한 사안은 확인이 어렵다”는 입장이다.

 

업계는 갤럭시에도 애플 특허의 LTPO가 사용되고 있다고 본다. 업계 관계자는 “삼성디스플레이가 갤럭시에는 HOP를, 아이폰에는 LTPO를 생산해 공급하는 건 생산효율과 원가절감 측면에서 매우 불합리할 수 있다”라며 “삼성디스플레이가 애플 요청에 의해 LTPO를 개발하고, 양산 경험도 가지고 있는 만큼 삼성전자에 공급되는 건 애플 특허의 LTPO일 가능성이 있고, 이 경우 갤럭시S 울트라가 판매될 때마다 애플이 특허 로열티를 가져가는 것으로 보인다”고 했다. 반면 LG디스플레이는 현재 LTPO-TFT OLED를 애플에만 납품하고 있어 로열티 문제가 생기지 않는다.

 

 

4. 주요 공급 업체 간 기술력 및 경쟁력

 

삼성디스플레이는 LTPO 방식 스마트폰 OLED 양산이 2년을 넘기면서 기술이 안정된 것으로 보인다. 삼성디스플레이는 지난 2020년 삼성전자 갤럭시노트20울트라에 LTPO 방식 OLED를 처음 납품했고, 지난해 아이폰13 프로 라인업에도 LTPO 방식 OLED를 전량 공급했다. 삼성디스플레이도 2020년 당시 갤럭시노트20울트라용 LTPO 방식 OLED 양산 초기에 어려움을 겪었던 것으로 알려졌다.

최근 LTPO OLED 시장 진입을 위한 디스플레이사 업권 내 경쟁이 심화되고 있다. 후발주자인 LG디스플레이를 주축으로 중국의 BOE, CSOT, 비전옥스까지 저마다 LTPO 경쟁력 끌어올리기에 한창이다.

 

LTPO 1위는 삼성디스플레이다. 삼성은 LTPO 디스플레이 수요가 높은 애플을 사로잡았다. 애플이 원하는 수준의 기술력을 갖춘 유일한 업체로 자리매김했다. 작년 아이폰13프로, 아이폰12 프로맥스 등 2개 모델에 LTPO OLED패널을 독점공급한 데 이어 올해도 아이폰14 프로에 LTPO를 독점공급키로 했다.

 

애플의 주문물량에 맞춰 생산능력 확대에 나섰다. 증권업계에 따르면 삼성디스플레이는 아산 6세대 OLED공장 A4-2에 LTPO 디스플레이 공정을 위한 장비를 반입하기 시작했다.

 

LG디스플레이는 2022년 하반기부터 애플에 LTPO을 처음 납품하며 LTPO 공급망에 본격 진입했다. 삼성디스플레이와 함께 아이폰 시리즈 중 최상위 사양 모델인 '아이폰14 맥스프로'에 LTPO를 공급키로 했다. 이번 거래를 계기로 향후 애플 납품 물량을 늘릴 수 있을 지 주목된다.

중국 BOE와 비전옥스는 2022년 2월부터 LTPO 패널 양산에 돌입했다. 최근 중국 화웨이에서 독립한 스마트폰사 아너의 '매직4프로' 모델에 LTPO 패널을 납품한 것으로 알려진다.

BOE는 2021년 부터 애플 스마트폰 공급망에 진입했다. 만일 애플의 LTPO OLED 수주물량까지 따낼 경우 위협적인 존재가 될 수 있단 관측도 나온다. 중국 디스플레이사 CSOT도 최근 우한 공장에 LTPO 전용 라인을 구축하겠다는 계획을 밝히며 참전 의지를 밝힌 상태다.

김중철 LG디스플레이 연구위원은 "LTPO는 스마트폰 뿐 아니라 자동차 등으로 적용범위가 확대될 것"이라며 "삼성 뿐 아니라 후발주자에도 기회가 있다"고 진단했다.

 

 

 

5. 제품 적용 history 상세

 

2014년 Apple이 반도체 산화물 및 실리콘 박막 트랜지스터를 사용한 유기발광소자 디스플레이, 미국 특허 출원

 

2018년 Apple이 하이브리드 TFT프로세스 흐름에 있어서 반도체산화물 채널을 보호하는 방법, 미국 특허 출원

2018년 9월 13일, Apple의 9월 스페셜 이벤트에서 LTPO 디스플레이가 세계 최초로 상용화된 모델인 Apple Watch Series 4가 발표

 

2019년 5월, 2019년 올해의 디스플레이 어워드에서 2018년 발표된 Apple의 Apple Watch Series 4에 적용된 LTPO 디스플레이가 수상

2019년 8월, 삼성전자의 제품 중 LTPO 디스플레이가 최초 적용된 갤럭시 워치 액티브2가 공개

2019년 9월 11일, Apple의 9월 스페셜 이벤트에서 LTPO 디스플레이가 적용된 Apple Watch Series 5가 발표

 

2020년 8월에 공개된 삼성전자의 갤럭시 노트20 Ultra와 갤럭시 Z 폴드2에 스마트폰 최초로 LTPO 디스플레이가 적용

2020년 9월 15일, Apple의 9월 스페셜 이벤트에서 LTPO 디스플레이가 적용된 Apple Watch Series 6와 Apple Watch SE가 발표

 

2021년 9월 14일, Apple의 9월 스페셜 이벤트에서 LTPO 디스플레이가 적용된 Apple Watch Series 7와 iPhone 13 Pro, iPhone 13 Pro Max가 발표

 

2022년 2월 10일, 삼성전자의 2월 갤럭시 언팩에서 LTPO 디스플레이가 적용된 갤럭시 S22 Ultra가 발표

2022년 9월 8일, Apple의 이벤트에서 LTPO 디스플레이가 적용된 Apple Watch Series 8, Apple Watch SE(2세대), Apple Watch Ultra, iPhone 14 Pro, iPhone 14 Pro Max가 발표

 

 

6. 향후 시장 전망

 

인포마테크의 기술 연구 및 자문 그룹인 옴디아는 최근 발표된 ‘스마트폰 디스플레이 시장 트랙커’를 인용해, 스마트폰용 LTPO-아몰레드가 침체된 스마트폰 디스플레이 시장에서 2022년 말까지 전년 대비 94% 성장하고, 2023년에는 전년 대비 25%의 성장 수준을 유지할 것으로 예측했다

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스마트폰 디스플레이 시장에서 LTPO 아몰레드(Low Temperature-Polycrystalline-Oxide AMOLED with Flexible substrate, 이하 LTPO-아몰레드)은 2022년에 1억 4,800만대로 크게 증가해, 전년 대비 94% 성장을 기록할 것으로 예상되는 반면, 전체(강성 및 연성 기판) 저온 다결정 실리콘 아몰레드(Low-Temperature-Polycrystalline-Silicon AMOLED, 이하 LTPS-아몰레드)는 4억 4,000만 개(전년 대비 19% 감소), 전체 TFT LCD는 8억 3,600만 대(전년 대비 26% 감소)로 감소할 전망이다.

옴디아 디스플레이 연구 부문 수석 연구원인 히로시 하야세는 “저전력 소비 LTPO-아몰레드를 사용하고 더 긴 배터리 수명과 올웨이즈 온 디스플레이(Always-On-Display) 기능의 부가가치를 제공하는 아이폰 14 프로 시리즈에 대한 수요가 높아 LTPO-아몰레드 출하량의 급격한 성장에 영향을 미쳤다”고 말했다.

양산 기술이 매우 어려운 LTPO-아몰레드의 출하량 증가로 국내 기업들과 이를 추격하고 있는 중국 업체들 간의 격차가 다소 벌어졌다. 2021년과 2022년 전체 스마트폰 디스플레이 판매 매출은 삼성이 1위, BOE가 2위, LG디스플레이가 3위에 올랐다. 전체 국내 제조업체의 매출 점유율은 2021년 58%에서 2022년 64%로 증가할 것으로 예상된다. 전체 중국 제조업체의 점유율은 2021년 33%에서 2022년 29%로 줄어, 국내 기업과의 격차가 더 커질 것으로 예상된다.

스마트폰 디스플레이 시장은 2023년에 14억 6,200만 대(전년 대비 3% 증가)로 소폭 증가할 것으로 예상된다. 총 TFT LCD 출하량은 8억 1,600만 대(전년 대비 2% 감소)에 머무르고, 총 LTPS-아몰레드 출하량은 총 4억 6,000만 대(전년 대비 4% 증가)로 소폭 증가할 것으로 예상된다. LTPO-아몰레드만이 1억 8,600만 대로 출하량이 증가해, 홀로 전년 대비 25% 증가라는 대폭 성장을 누릴 것으로 예상된다.

히로시 하야세는 “어려운 경제 상황 때문에 소비자들은 고부가가치 제품을 신중하게 선택하고 있다”며 “LTPO-아몰레드의 스마트폰 저전력 소비의 장점은 2023년 내내 지속적으로 스마트폰 디스플레이 시장의 수요를 견인할 것”이라고 설명했다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=SLHUSri7CUA 

 

 

 

출처: 더벨, 조선비즈니스, 각 사, 언론보도, 옴디아, 디일렉

 

 

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