양자점 색변환층 특허 316건 분석

청색 OLED 위에 얹는 양자점 윗판은 빛이 세 방향으로 새는 것을 막는 기술의 묶음입니다. 그런데 삼성디스플레이가 우선일 2016년 이전에 낸 윗판 특허 13건 중 10건은 LCD를 배경으로 쓰였고, 그 독립항 어디에도 액정이라는 말이 없습니다. 지금도 이 회사 구조·공정 특허 188건 중 광원을 유기발광으로 좁힌 것은 6건뿐입니다. 광원을 가리지 않는 부품으로 설계됐기 때문입니다.

1. 개요

1.1 청색 위에 색을 바꾸는 층을 얹는다

삼성디스플레이가 QD-OLED라는 이름으로 파는 패널은 구조가 한 줄로 설명된다. 모든 부화소가 같은 청색 OLED를 켜고, 적색·녹색 부화소 위에서만 양자점이 청색을 흡수해 긴 파장으로 바꾼다. 청색 부화소 위에는 양자점 없이 빛을 그대로 통과시키는 층이 놓인다. 이 편은 그 윗부분, 곧 양자점 색변환층을 청구한 특허를 다룬다.

이 발상은 새것이 아니다. 코닥이 1991년 12월 30일 출원한 US5294870A의 독립항은 이렇게 적었다. 유기 EL 매체가 피크 480nm 미만의 청색을 내고, 한 화소를 부화소로 나누며, 청색을 흡수해 더 긴 파장을 내는 형광 매체를 한 부화소에만 둔다.

그림 1. 코닥 US5294870A 도 2 (1991). 녹색(G)·적색(R) 부화소 아래에만 형광 매체가 있고 청색(Bp) 부화소 자리는 비어 있다

명세서 본문은 지금 구조와 같은 말을 한다.

그리고 한 문장이 더 있다. 형광 매체 위를 평탄화할 때 끼워 넣는 딱딱한 판보다 스핀 코팅한 평탄화층이 낫다고 하면서, 그 이유를 **「형광 매체의 윗면을 새로 만드는 평면에 더 가깝게 둘 수 있기 때문」**이라고 적었다. 코닥은 이것을 평탄화 공정의 이유로 적었고 빛의 문제로 적지는 않았다. 그러나 발광층과 색을 바꾸는 층 사이를 얼마나 띄우느냐는 2절에서 빛의 문제로 다시 나온다.

코닥은 소재도 이름으로 적었다. 청색을 내는 층에는 알루미늄 킬레이트 호스트에 페릴렌(FD-1) 같은 청색 형광 염료를 섞고, 적색으로 바꾸는 매체의 구체적인 예로는 4-다이사이아노메틸렌-4H-피란 계열 형광 염료를 들었다. 녹색 쪽은 다른 특허를 참조한다고만 적어 이 편에서는 그리지 않았다.

그림 2. 코닥 US5294870A 본문이 이름을 적은 두 소재. 1991년에는 양자점이 아니라 유기 형광 염료가 색을 바꿨다

1996년에는 NEC가 유기 EL 위에 색변환 매체를 올린 구조를 등록했다(US5717289A). 두 원조의 권리는 한국의 두 회사로 갈라져 들어갔다.

삼성디스플레이가 QD-OLED를 처음 출하한 것은 2021년 말이다. 두 원조는 그 전에 모두 끝났다.

1.2 분석 범위

1.3 왜 「QD-OLED 특허」라고 부르지 않는가

316건의 독립항을 하나씩 보면, 모든 독립항을 유기발광 소자로 한정한 특허는 26건뿐이다. 나머지 289건은 광원을 적지 않은 독립항을 하나 이상 갖고 있다. 명세서가 쓰는 color conversion substrate, wavelength conversion pattern 같은 말은 청색 OLED 위에도, 액정 위에도, 나노막대 LED 위에도 똑같이 쓰인다. 그래서 이 편은 제품 이름이 아니라 청구한 것의 이름으로 부른다.

2. 빛은 세 방향으로 샌다

양자점 색변환층이 풀어야 할 문제를 명세서들은 제각각 적었다. 모아 보면 빛이 새는 방향 셋으로 정리된다.

그림 3. 청색 OLED 위 양자점 색변환층에서 빛이 새는 세 방향. 층 두께와 간격은 실제 비율이 아니다

2.1 앞으로: 바뀌지 않은 청색이 그대로 나온다

양자점층은 두께가 한정돼 있다. 두께가 한정되면 흡수도 한정된다.

가장 먼저 나온 대책은 양자점층 위에 컬러필터를 한 겹 더 두는 것이다.

두 번째 대책은 빛이 양자점층을 지나가는 길을 늘리는 것이다. QD Vision의 2007년 특허 US8759850B2는 색변환 물질 사이에 넣는 산란체를 **「흡수 경로를 늘리는 데 쓰는 산란체」**라고 불렀다.

2.2 옆과 뒤로: 바뀐 빛에는 방향이 없다

양자점이 청색을 흡수해 다시 내는 빛은 들어온 빛의 방향을 기억하지 않는다.

옆으로 간 빛은 이웃 부화소에서 나온다.

여기에 거리가 끼어든다. 청색 OLED에서 비스듬히 나간 청색은 양자점층에 닿기 전에 옆으로 이동한다. 양자점층이 멀수록 더 멀리 간다. 삼성전자의 US11271050B2는 윗판을 두는 두 방식을 이 기준으로 직접 비교했다.

얼마나 섞이는지는 거리 하나로 정해지지 않는다. 부화소 간격과 개구율이 같이 움직인다. 아래 시뮬레이터는 그 셋만으로 계산한다.

2.3 밖에서: 방 안의 빛이 들어온다

마지막은 바깥에서 들어오는 빛이다. 양자점은 청색 OLED의 빛만 골라 흡수하지 않는다. 실내 조명에도 반응하고, 산란체는 들어온 빛을 되돌려 보낸다.

2.4 대책끼리 부딪힌다

세 방향의 대책은 따로 놀지 않는다. 한쪽을 막으면 다른 쪽이 열린다. 명세서들이 그 충돌을 스스로 적었다.

• 산란체는 앞으로 새는 청색을 줄이지만 밖에서 들어온 빛을 되돌린다. 「산란체는 외광을 반사해 명암비를 떨어뜨리므로 투과층에 청색 안료를 넣을 수 있다」(US10712606B2)
• 그래서 산란체를 줄이려는 특허가 나온다. 「광경로가 길어지면 광산란제를 줄이거나 없앨 수 있어 투과율이 오르고 외광 반사 문제를 없앤다」(US10707275B2), 「빛을 재활용하면 광경로를 늘리려 쓰는 TiO₂ 같은 광산란제를 줄일 수 있다」(US12317721B2)
• 윗판을 따로 만들면 양자점은 보호되지만 거리가 늘고, 붙여 만들면 거리는 줄지만 양자점이 공정에 노출된다(US11271050B2)

왜 이런 수고를 하는가에 대해서는 BOE가 배경기술에 정리해 두었다. 대형 OLED 양산품은 주로 백색 OLED와 컬러필터를 쓰는데 소비전력이 크고 색재현이 부족하며, 그래서 청색 OLED와 적·녹 양자점 색변환층 구조가 제안됐다는 것이다(US11910688B2). 그리고 BOE는 그 구조의 문제로 다시 색순도 부족을 들었다. 2.1절의 「앞으로 새는 청색」이다.

3. 갈래마다 대책이 있고, 대책마다 주인이 다르다

3.1 앞으로 새는 청색: 산란과 되돌려 쓰기

청구항에 산란체를 넣은 특허는 316건 중 29건이다(독립항 키워드 판정). 이 갈래에서는 권리가 여러 번 움직였다.

산란체의 외광 반사를 명세서에 적은 US10712606B2는 반대 방향으로 움직였다. 삼성디스플레이가 출원했고 2022-07-21 TCL CSOT로 넘어갔다. 이 특허의 독립항이 청구한 것은 양자점 색변환 부재와 광학필터를 덮는 수소 차단층이다.

3.2 옆과 뒤로 새는 빛: 격벽, 공진, 적층

격벽을 청구한 특허는 69건이고 그중 64건이 삼성디스플레이다(독립항 키워드 판정). 이 갈래는 사실상 한 회사가 쥐고 있다.

뒤로 새는 빛에 대한 대책은 광원 쪽에서 나왔다. 소니가 2005년 출원한 US7531856B2는 반사면과 발광층 사이의 광학거리를 색변환층이 있는 화소와 없는 화소에서 다르게 잡는다. 색변환층이 없는 화소는 청색이 가장 세게 나오도록, 있는 화소는 변환된 빛이 가장 세게 나오도록 맞춘다는 청구다.

발광층을 여러 겹 쌓는 적층(탠덤) 구조를 색변환층과 함께 청구한 특허는 14건인데 11건이 삼성디스플레이 밖이다(SEL·BOE 등). 공진·광학거리를 청구한 6건도 5건이 삼성디스플레이 밖이다. 삼성디스플레이 쪽 대표는 US12262576B2로, 발광층 세 겹 가운데 두 겹이 청색·한 겹이 녹색인 적층 위에 양자점과 산란체를 담은 파장변환 패턴, 그 위 컬러필터, 둘 사이의 무기층을 청구했다(피인용 69, 2039-07-10 만료).

3.3 밖에서 들어오는 빛: 편광판을 없앤다

OLED 표시장치는 외광 반사를 줄이려고 편광판을 둔다. 양자점 색변환층 위의 컬러필터가 그 일을 대신할 수 있다는 것이 이 갈래다.

LG디스플레이도 같은 목표를 적었다. 원 특허 US10714540B2의 명세서는 **「OLED가 내는 단색광을 투과하는 컬러필터를 색변환층 아래에 두어 편광판 없이 외광 반사를 줄이는 표시장치」**를 과제로 들었다. 독립항은 청색 OLED 위 적·녹 부화소에 색변환층을, 청색 부화소에만 광산란층을 두고 그 산란층 옆면이 블랙매트릭스에 닿게 한다.

LG디스플레이의 더 이른 접근은 달랐다. 2015년 우선일의 US10283572B2는 두 기판 사이 충전재에 색변환 물질을 섞어 굳힌 단일 색변환층과 컬러필터를 청구했다. 독립항은 그 층이 적색·녹색 컬러필터 각각보다 넓어 둘에 걸쳐 놓인다고 적었다. 부화소마다 나눠 담는 방식과 다른 출발점이다.

4. 윗판은 LCD에서 먼저 쓰였다

4.1 같은 특허, 같은 윗판, 다른 광원

3.2절의 US10185066B2를 다시 보자. 이 특허의 배경기술은 액정표시장치로 시작한다. 컬러필터가 빛을 3분의 1로 줄이니 그 자리를 광발광 층으로 바꾼 광발광 LCD가 제안됐다는 설명이다. 그런데 도면은 두 장이다.

한 특허 안에서 같은 윗판을 액정 위에도, 유기발광 패널 위에도 올렸다. 청구항은 그 윗판을 「컬러필터」로만 청구하고 광원을 적지 않는다. 윗판은 처음부터 광원을 가리지 않는 부품으로 설계됐다.

4.2 명세서가 무엇을 배경으로 쓰였나

이것이 한 특허의 사정인지 확인하려고, 삼성디스플레이가 우선일 2020년까지 낸 구조 특허 120건의 본문을 전부 읽었다. 기준은 본문 전체에서 LCD와 OLED를 언급한 횟수다. LCD를 10회 이상 적고 그 수가 OLED와 무기 LED 언급을 합친 것의 두 배를 넘으면 「LCD 중심」으로 셌다. 「LCD, OLED 등 다양한 표시장치」 같은 상투적 나열은 이 기준에서 걸러진다.

그림 5. 삼성디스플레이 양자점 색변환층 구조 특허의 배경. 2016년 이전 13건 중 10건이 LCD 중심이고, 2019~2020년 76건 중에서는 2건으로 줄었다

2016년 이전 13건의 배경은 이렇게 시작한다.

그 10건 가운데 독립항에 액정·편광판·백라이트를 적은 것은 한 건도 없다. 2019년 10월 10일 삼성디스플레이는 13조 1천억 원 투자를 발표하며 「대형 디스플레이 기술의 방향을 기존 LCD에서 QD디스플레이로 전환」한다고 밝혔다. 그 앞뒤로 명세서의 배경이 LCD에서 OLED로 넘어갔다. 2019~2020년의 「혼합」 50건 중 상당수는 OLED와 나노막대·마이크로 LED를 함께 적었다.

4.3 청구항에 광원을 적지 않는 회사

윗판이 광원을 가리지 않는다는 것은 청구항에서도 드러난다. 재료 청구를 뺀 구조·공정 특허에서, 모든 독립항을 유기발광 소자로 한정한 비율을 권리자별로 셌다.

그림 6. 모든 독립항이 유기발광 소자로 한정된 비율. 삼성디스플레이는 188건 중 6건(3%), CSOT 계열은 19건 중 7건(37%)

삼성디스플레이는 188건 중 6건만 광원을 유기발광으로 한정했다. 이 편 대상의 3분의 2 가까이를 가진 회사가, 그 권리의 거의 전부를 광원 없이 적었다. 액정 위에서 먼저 쓰인 윗판이 유기발광 위로 옮겨 탔고, 그 청구항에는 옮겨 탈 때 걸릴 광원 한정이 처음부터 없었다.

4.4 놓은 특허와 법정에 가지 않은 특허

316건 중 9건은 이미 소멸했고 대부분 연차료를 내지 않아서다. 피인용 47건인 삼성디스플레이 US10725333B2도 그중 하나로, 명세서에 액정과 유기발광 실시예를 함께 적은 특허다. 놓은 이유는 드러나 있지 않다.

소송 기록도 찾았다. 모집단 1,459건의 법적 이벤트를 전부 확인했더니 소송 표시가 붙은 것은 1건이었고, 분석 대상 316건에는 한 건도 없었다. 같은 기간 양자점을 둘러싼 큰 소송은 색변환층이 아니라 양자점 입자를 만드는 방법에서 났다. 영국 Nanoco가 양자점 합성·필름 특허로 삼성을 상대로 낸 소송이 2023년 1억 5천만 달러 합의로 끝났는데, 피고 제품은 양자점 필름을 쓴 LCD TV였다.

5. 이 분석이 말하지 않는 것

• 「청구항에 LCD 한정이 없다」는 청구 문언에 대한 사실이다. 어느 제품이 그 청구항에 해당하는지는 판단하지 않았다
• 「구조 특허 대부분이 LCD용」이 아니다. 316건 중 배경기술이 LCD 중심인 것은 14%다. 피인용 상위 10건 중에서도 2건이다. 성립하는 것은 삼성디스플레이 초기 특허의 시간 순서뿐이다
• US10185066B2는 배경기술이 LCD지만 본문에 OLED 실시예가 있다. 「LCD 전용」 특허가 아니다
• 격벽 69건, 산란체 29건, 적층 14건은 독립항 키워드로 판정한 수다. 원문을 사람이 읽은 것은 29건과 배경기술 120건이다
• 미국 등록특허만 다뤘다. 한국·중국 등록과 심사 중인 출원은 빠져 있다. 소송 기록은 미국 법원에 비해 다른 나라가 성기다
• 판독한 29건 사이에 서로 인용한 관계는 없었다. 이 편의 흐름은 인용 계보가 아니라 명세서가 적은 문제를 묶은 것이다
• Magnolia Blue의 권리 행사 여부, LG디스플레이와 삼성디스플레이 사이의 양자점 색변환층 라이선스 여부는 확인하지 못했다

6. 언제 풀리는가

청색 위에 색을 바꾸는 층을 얹는다는 생각의 권리는 이미 두 번 끝났다. 지금 남은 권리는 그 층에서 빛이 새는 세 방향을 어떻게 막느냐에 걸려 있고, 가장 두꺼운 묶음은 액정 위에서 먼저 쓰인 윗판이다. 그리고 2019~2020년의 50건은 이미 유기발광과 무기 LED를 한 명세서에 함께 적고 있다.

7. 부록: 원문을 읽은 핵심 특허