고 선명, 저 전력, 저 비용으로 미래 디스플레이 시장 선도

산업시장분석실 책임연구원 김경호 (Tel: 02-3299-6010  e-mail: kimkho@kisti.re.kr)

[요 약]

1  1. 전자종이는 종이책, 종이신문, 종이잡지 등과 같이 종이의 재질과 촉감을 지니고, 종이의 저장 기능과 표시 기능을 할 수 있는 전자장치로 기존의 디스플레이 소자와 인쇄된 종이의 장점을 살린 새로운 개념의 표시소자이다.
2. 전자종이 디스플레이의 응용 시장 규모는 연평균 성장률(CAGR) 24%로 성장하여 2022년에 약 86억 달러에 이를 것으로 전망되며, 이 중 전자책(e-book) 시장이 41억 달러로 전제 시장의 약 절반을 차지할 것으로 예상된다.
3. 향후 전자종이 디스플레이의 폭넓은 상용화를 위해서는 기존 디스플레이의 표시부와 스위칭부의 유연성 확보가 중요하며, 종국적으로 낮은 구동 전압, 동영상 구현을 위한 빠른 응답속도, 풀 컬러, 고해상도, 경량, 저비용 등 제 특성들을 만족해야 한다.

1. 전자종이 개요
전자종이(e-paper, electronic paper)는 종이책, 종이신문, 종이잡지 등과 같이 종이의 재질과 촉감을 지니고, 종이의 저장(storage) 기능과 표시(display) 기능을 할 수 있는 전자장치로 디지털 종이(digital paper)라고도 한다. 즉, 기존의 디스플레이 소자와 인쇄된 종이의 장점을 살린 새로운 개념의 표시소자로서, 종이처럼 둘둘 말아 휴대할 수 있는 플렉시블 디스플레이(flexible display)이다.

전자종이는 일종의 반사형 디스플레이(reflective display)로서 기존의 종이와 잉크처럼 높은 해상도, 넓은 시야각, 밝은 흰색 배경으로 표시매체 중 가장 우수한 시각 특성을 가지며, 플라스틱, 금속, 종이 등 어떠한 기판 상에서도 구현이 가능하다. 전자종이는 전원을 차단한 후에도 화상이 오래 유지되고 LCD에 비해 백라이트(back light) 전원이 필요하지 않기 때문에 이동통신기기의 배터리 수명이 오래 유지되어 원가 절감과 경량화가 가능하다. 또한 전자종이는 기존의 종이와 마찬가지로 대면적에서 구현이 가능하며, 플라스틱 등 유연한 기판을 사용하여 roll-to-roll 공정에 의해 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다. 

요컨대 전자종이 디스플레이는 종이 인쇄물과 기존의 디스플레이 매체를 대신하는 새로운 표시소자로서 얇고 휴대하기 쉽기 때문에 일상생활에 쉽게 사용이 가능하며, 전자책, 전자신문으로서 뿐 아니라 옥내외 광고판, 모바일 폰, 전자제품 등의 새로운 디스플레이 매체로서 그 파급 효과가 매우 클 것으로 전망된다.

2. 기술개발 동향
 플렉시블 디스플레이의 구현 방식은 크게 기존의 평판 디스플레이(TFT LCD, OLED)의 재질을 더욱 얇고 유연하게 만들어 종이 효과를 내는 방식과, 작은 구나 캡슐을 이용해 잉크의 효과를 내는 전자종이 방식 등 2가지로 분류할 수 있다. 전자종이는 1970년대에 제록스(Xerox)가 최초로 상반되는 전하를 띤 흑백 명암의 Gyricon ball(또는 twist ball)이라는 회전구를 이용한 전자잉크의 개념을 발표하였고 이를 이용하여 얇은 유연성 기판에 인쇄할 수 있는 기술 개발을 추진하였다. 이후 1990년대 들어 전자종이에 대한 연구가 더욱 활발해지면서 제록스의 Gyricon 디스플레이 외에도 전기영동법과 마이크로캡슐을 응용한 E-Ink사의 전기영동 디스플레이, Kent Display사의 콜레스테롤 액정 디스플레이, Bridgestone사의 QR-LPD(Quick response liquid powder display) 등의 기술이 개발되고 있으며, 향후 전자종이 분야에 있어 유력한 기술로 각광받을 것이다. 현재 제록스사는 Gyricon Media라는 회사를 설립하여 계속적으로 연구를 진행하고 있는 중이다. 이외에도 강유전성 액정(ferroelectric liquid crystal), PDLC(Polymer dispersed liquid crystal) 등을 이용한 기술도 연구되고 있다.

<표 1> 전자종이 디스플레이 기술개발 현황과 관련기업

디스플레이 기술

내용

장점

단점

관련 기업

Gyricon ball

서로 반대로 하전된 흑백 명암의 구형볼 회전

광반사효율 높고,안정성 높음

구동전압 높고, 응답속도 느림

Gyricon Media

Electrophoretic

(전기영동)

용액 중에서 하전된 TiO2 입자의 전기영동

종이 수준의 가독성, 현재 가장 널리 채용되고 있음.

refresh 느림, 컬러 개선 필요

E-Ink, Sipix,

Bridgestone,

Canon

Cholesteric/nematic

LCDs

(콜레스테릭/네마틱 액정)

쌍안정(Bistable) 액정이 한 상태에서는 빛을 반사하고, 다른 상태에서는 빛을 산란함.

컬러, 저렴

비디오 지원 안됨.

KENT Displays,

Fujitsu, Nemoptic,

ZBD, Asahi Glass

Electrowetting

(전기습윤)

액적이 전기적으로 수축/확대됨.

신속한 refresh , 선명, 컬러

쌍안정성 아님, 이미지 유지를 위해 전원 필요

Liquavista, ITRI, PVI, adt

Electrochromic

(전기변색)

재료가 산화환원 상태에 따라 변색

매우 저렴, 구조 간단, 종이 기판 구현 가능

refresh 느림, 대부분 광고판용

Acreo, Ynvisible,

Ntera, Aveso,

Ajjer

Electrofluidic

(전기유체)

액적이 전기적으로 수축/확대됨. 미 사용시 미세유체 채널이 액적을 감춤

신속한 refresh , 선명, 컬러

전기습윤보다 덜 성숙

Gamma Dynamics

Interferometric

Modulation

(간섭변조)

MEMS 기술, 빛이 다양한 크기의 공동에서 반사되어 빛 스펙트럼을 방출

신속한 refresh , 비디오 지원, 컬러

컬러 흐림, 개선 필요

Qualcomm Mirasol

Photonic Crystal

(광결정)

광결정의 나노구조를 변화시켜 반사광의 색상을 변화시킴.

선명, 컬러

미성숙

Opalux

Reverse emulsion

electrophoretic[REED](역 에멀전 전기영동)

염료와 계면활성제를 함유하는 극성 액체의 나노 액적에 대한 전기영동

전기영동보다 신속한 refresh

미성숙

Zikon

현재까지 전자종이는 풀 컬러(full color)의 구현이 힘들고, 동작속도가 느려 동영상을 구현하는데 한계가 있다는 단점이 있다. 그러나 전원을 꺼도 상당 시간 화면이 사라지지 않는 소위 쌍안정성(bi-stability)을 나타낸다는 점에서 TFT LCD나 OLED를 이용한 플렉시블 디스플레이보다 강점이 있다. 또 전자종이의 경우 화면을 바꾸고자 할 때만 전원을 가하면 되기 때문에 기존 종이와 같은 특성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

Gyricon 디스플레이                             E-Ink 디스플레이
<그림 1> Gyricon 디스플레이와 E-Ink 디스플레이의 모식도
세계적으로 전자종이 디스플레이 및 관련 재료의 개발을 진행하고 있는 주요 기업으로는 E-lnk, Gyricon, SiPix, Bridgestone, KENT 디스플레이, 필립스, 듀퐁 디스플레이, 유니버셜 디스플레이 코퍼(UDC), 소니, 도시바 마쓰시타 디스플레이(TMD), 샤프, 다이니폰프린팅(DNP), 엡손, 파이오니어, 캐논, Ricoh, 세이코엡손, Plastic Logic 등이 있다. 국내의 경우, LCD나 PDP 등의 디스플레이 산업은 현재 세계 최고 수준을 자랑하지만 늦게 시작된 전자종이 기술은 아직은 세계 최고와 격차가 크다. 기업으로서는 삼성전자, 삼성SDI, 삼성종합기술원, LG전자, LG디스플레이 등이 차세대 디스플레이 산업으로서 전자종이의 개발을 추진하고 있으며, 학계와 연구소에서는 경북대학교, 인하대학교, 한국과학기술연구원, 전자통신연구원을 중심으로 주로 마이크로캡슐형 전자종이의 개발이 진행되고 있다.

3. 시장 전망
IDTechEx (2012)에 따르면 전자종이 디스플레이의 세계 시장 규모는 2012년 10억 3천만 달러에서 연평균 성장률(CAGR) 24%로 성장하여 2022년에 약 86억 달러에 이를 것으로 전망된다. 이 수치는 전면부(front plane) 디스플레이만의 값이며 디스플레이가 적용된 디바이스의 값은 아니다. 디스플레이 기술별 시장규모는 전기영동법이 가장 커서 2022년 약 60억 달러에 이를 것으로 예측된다. 국내의 경우는 아직 초기 연구개발 단계로 시장이 형성되어 있지 않다.

<그림 2> 전자종이 기술별 세계 시장 규모 전망
 자료: IDTechEx (2012), E-Paper Displays: Markets, Forecasts, Technologies 2012-2022 인용 작성
전자종이 디스플레이는 저전력, 유연성, 경량성, 가독성의 장점을 살려 그 응용 시장을 넓혀나가고 있으며, 대체로 2015년부터 시장이 본격적으로 열릴 것으로 전망된다. 2014년 현재 전자종이 디스플레이의 가장 큰 시장은 전자책(e-book reader)을 꼽을 수 있으며, 풀 컬러 버전이 대량 출현해 CAGR 약 16%로 지속 성장하여 2022년 41억 달러에 이를 것으로 예상된다. 현재 성공적인 전자책 제품의 예로는 Amazon의 Kindle과 Barnes & Noble의 Nook가 있다. 두 번째의 큰 시장은 포스터, 옥외광고(sinage), POS(point of sale), POP(point of purchase) 디스플레이로 2022년 19억 달러(소매, 비소매 포함)에 이를 것으로 예측된다. 그 뒤를 이어 모바일 폰과 MP3 player 디스플레이, 소비자 전자제품과 백색가전 제품(white goods) 등도 중요한 시장을 형성할 것으로 기대된다. 이외에도 시장 개척이 예상되는 부문은 스마트 카드, 스마트 섬유(wearable electronics) 등이 있다.

<표 3> 전자종이 디스플레이 용도별 세계시장 규모 전망(단위 : 10억 달러)

용도

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

전자책

0.96

1.2

1.56

1.8

2.13

2.25

2.64

2.8

3.15

3.6

4.1

모바일폰, 음악 플레이어 디스플레이

0.02

0.03

0.06

0.11

0.16

0.22

0.3

0.42

0.54

0.65

0.77

스마트 카드 디스플레이

0.002

0.003

0.005

0.008

0.014

0.02

0.03

0.041

0.05

0.065

0.07

웨어러블(의복, 시계, 군사용 등)

0.002

0.003

0.004

0.008

0.014

0.03

0.04

0.06

0.09

0.13

0.18

포스터/광고판[비소매]

0.015

0.03

0.05

0.084

0.12

0.2

0.3

0.45

0.54

0.7

0.9

POP/포스터/광고판 및 스마트 패키징[소매]

0.01

0.03

0.06

0.1

0.157

0.24

0.43

0.62

0.74

0.835

1

소비자 전자제품 및 백색가전

0.007

0.012

0.019

0.03

0.06

0.1

0.2

0.359

0.47

0.61

0.7

기타

0.014

0.02

0.03

0.06

0.1

0.16

0.3

0.45

0.62

0.76

0.87

1.03

1.328

1.788

2.2

2.755

3.22

4.24

5.2

6.2

7.35

8.59

자료: IDTechEx (2012), E-Paper Displays: Markets, Forecasts, Technologies 2012-2022

향후 전자종이는 응용 분야의 확대 및 기술 개발 진행 정도에 따라 신규 시장의 창출과 더불어 플렉시블 디스플레이 시장의 규모가 정해질 가능성이 매우 크다. 기존 디스플레이의 유리 기판을 플라스틱 기판으로 대체하게 될 경우 기판 자체의 유연성 뿐만 아니라 원가절감 효과가 가능한 roll-to-roll 공정의 도입으로 대량생산이 가능하기 문에 세계적인 LCD 업체들이 전자종이 디스플레이의 개발 경쟁에 뛰어들고 있다. 전자종이, 전자책이 상용화되어 저렴한 가격에 시판된다면, 먼저 흑백 인쇄물이 대체될 것이며, 향후 컬러화의 진행 정도에 따라 모든 인쇄종이를 전자종이로 대체하는 것도 가능하게 될 것이다.

4. 향후 전망
전자종이 디스플레이는 지식정보화 사회를 한층 업그레이드 시키는 새로운 차원의 혁명적인 기술로 기대되고 있지만, 향후 폭넓게 상용화되기 위해서는 해결해야 할 과제도 많다. 무엇보다 기존 디스플레이를 유연하게 만들기 위해서 표시부와 스위칭부의 유연성을 확보해야 한다. 이를 위해 표시부는 플라스틱 기판을 사용하고, 스위칭부는 유기물질을 이용한 OTFT(Organic Thin Film Transistor)로 전환하려는 노력이 세계적으로 활발하다. 이와 함께 그래핀(graphene)과 같은 나노기술에 기반한 새로운 소재의 개발 노력과 응용 연구도 한층 강화되어야 할 것이다. 결론적으로 전자종이 디스플레이는 낮은 구동 전압, 동영상 구현을 위한 빠른 응답속도, 풀 컬러, 고해상도, 경량, 저비용 등 제 요구 특성들을 만족해야 한다.  

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