한국생산기술연구원(원장 이영수, 이하 생기원)의 광에너지융합연구그룹 김태원 박사 팀이 저렴한 가격으로 순도 높은 OLED TV용 유기발광 소재를 대량 정제할 수 있는 원천기술을 세계 최초로 개발했다.

김박사 팀은 이온성 액체*(Ionic Liquids, ILs)를 이용한 새로운 개념의 정제 기술을 확보했고,그 동안 OLED TV용 유기발광 소재 생산에서 화두가 되어온 고비용·저수율 문제를 한꺼번에 해결할 수 있게 됐다.
이온성 액체(Ionic Liquids)란 실온에서 양이온과 음이온만으로 구성된 액체물질로서 고진공(∼100℃)에서도 액체로 존재해 휘발성이 거의 없다. 또한 액체의 장점인 고분자 물질에 대한 우수한 용해성과 금속염(金屬鹽) 이라는 특징을 지니고 있어, 최근 Green Chemistry 분야에서 미래 청정 용매로 주목 받고 있다.

그 동안 고순도 유기발광 소재를 얻는 정제법으로는 유기발광 소재가 기체화됐다가 고체로 변화는 승화점 차이를 이용하는 ‘승화정제법’이 이용되어 왔다. 하지만 이 방식은 정제 수율이 낮은데다 제조공정의 완전 자동화 및 연속 공정 구현이 불가능해 제조 단가가 매우 높은 것이 단점으로 꼽혀 왔다.

김박사 팀은 이를 해결하기 위해 2011년부터 유기발광 소재의 저비용 대량 정제기술 개발에 착수, 2012년 12월 원천특허를 출원하고 이후 1년 7개월에 걸쳐 생산적용 가능성을 검증하는 데 주력한 결과 결실을 얻게 됐다.
이번 성과의 핵심은 고진공·고온에서도 휘발되지 않는 이온성 액체의 특성에 주목하여 이를OLED TV용 유기발광 소재의 고순도 정제기술에 접목시킨 것이다.

이를 위해 진공 챔버 내에서 유기발광 소재를 기체화하여 액체 필터인 이온성 액체에 용해시키고, 액체 내에서 과포화된 유기발광 소재를 재결정화 시킴으로써 불순물을 분리하는 원리를 이용한 것으로, 단 한 번의 정제공정 만으로 99.95%의 고순도 유기발광 소재를 얻을 수 있다.

이온성 액체를 기반으로 한 유기발광 소재 대량정제 기술은 세계 최초로, 고진공·고온에서도 휘발하지 않는 이온성 액체의 성질을 이용한 완전히 새로운 개념의 정제법이다.

김박사 팀은 이를 통해 정제 수율, 설비의 자동화 및 연속공정화, 대량생산의 효율성 면에서 기존 승화정제법의 단점을 한꺼번에 극복할 수 있는 획기적인 기술 개발에 성공한 것으로 평가 받고 있다. 또 고가이지만 휘발되지 않는 이온성 액체의 특성을 활용, 정제공정에서 회수 및 재처리를 통해 재활용 할 수 있어 원가 절감 면에서도 효과가 클 것으로 기대된다.

한편 OLED 전문 시장조사 업체인 유비리서치가 지난 4월 발간한 “2014 OLED Emitting Material Annual Report Market Forecast(~2020)”에 따르면, 올해 5,430억원으로 예상되는OLED 발광재료 시장은 규모인 유기발광 소재 시장은 2017년에는 1조 3천억원의 시장을 형성할 것으로 전망했다. 매년 30% 이상의 성장세를 보일 것으로 관측되며, 전문가들은 AMOLED TV 등 대면적 디스플레이 시장이 본격적으로 확대되면 이보다 훨씬 큰 폭으로 성장할 것 이란 진단을 내놓고 있다.

개발을 주도한 김태원 박사는 “이번 기술은 기존 승화정제법에 비해 수율은 50%이상 향상시켰으며, 제조 단가는 50% 이하로서 최종 목표치는 기존 가격의 1/10”이라며 “기업들과 기술개발을 추진 중”이라고 밝혔다. 특히 “이번 성과는 폭발적인 성장이 기대되고 있는 OLED TV 시장의 판도를 바꿀 수 있는 매우 큰 잠재력을 가지고 있다”고 말하며 “저비용 대량정제 원천기술을 바탕으로 국내 기업들이 OLED TV 관련 전후방 산업의 글로벌 시장을 선점하는 데 큰 기여를 할 것”이라고 밝혔다.

연구팀은 현재 관련 공정/장비기술로 국내외 특허 16건을 출원하고, 관련 업체를 대상으로 한 적극적인 기술이전을 추진할 계획이다.

<유기발광 소재 정제법 비교   출처 : 한국생산기술연구원>

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일본의 정보 매체인 닛케이 신문에 따르면 Yamagata University의 유기 소자 공학 전공 교수 키도 준지 연구실에서 저전압에서 구동이 가능한 청색 인광 발광 재료를 개발했다고 보도했다. 이 재료는 외부 양자 효율이 30%로 높고, 2.5V의 낮은 전압에서도 구동이 가능하다고 밝혔다.

Yamagata University은 과학 잡지인 『Advanced Materials』의 2014년 6월 27일자에 새로운 재료에 대한 논문을 발표했다. 이 재료의 발광 파장 피크는 474nm(band gap은 2.62eV)이고 고휘도 영역에서의 양자 효율의 감소가 적다고 밝혔다. 또한 외부 양자 효율은 100cd/m²에서 30%이며, 10,000cd/m²의 고휘도 에서도 20%를 유지할 수 있다고 밝혔다.

Yamagata University은 청색 인광 재료뿐만 아니라 형광 재료로서 인광에 가까운 효율을 낼 수 있는 TADF(Thermal Activation Delay Fluorescent)기술과 printing기술을 이용한 white OLED도 적극적으로 개발 중에 있다.

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Future Display로써 Flexible display가 집중 받고 있는 요즘 flexible display 재료에 대한 판매 업체가 늘고 있다.

Finetech 2014과 동시에 개최된 Film tech2014에서는 flexible display에 적용 될 수 있는 전극 film과 barrier film 등 다양한 film이 공개되었다.  Flexible display 중 flexible AMOLED는 수분에 취약하기 때문에 encapsulation에 사용되는 barrier film의 WVTR 특성이 중요하다. Filmtech2014에서는 Toppan과 DAICEL, Fraunhofer POLO, LINTEC가barrier film을 전시했다.

Toppan은 barrier film을 Matsuzaka를 비롯한 Fukusaki, Fukuoka 등 일본 7개 지역의 공장에서barrier film을 제작 중이다. 최근에는 OLED lighting panel용으로서 WVTR 10^-5g/m²day까지 개발 완료되었으며, 현재까지는 proto type이다.

Fraunhofer POLO는 barrier 특성을 가지는 고분자 film과 system을 연구하는 기관이다. Fraunhofer POLO가 공개한barrier film은 PET로 만들어졌으며, WVTR 특성은 5×10^-4g/m²day이다. 이 barrier film은 주로 OLED을 비롯하여 E-paper, flexible solar cell에 적용되고 있다.

DAICEL은 film 사업을 지속해온 업체로서 현재는 flexible AMOLED에 적용될 수 있는 낮은 out gas의 barrier 기판을 주로 개발하고 있다. DAICEL에서 공개한 barrier film은 100℃이하의 낮은 공정온도가 특징이다.

LINTEC은 MS series라는 이름으로 총 4종류의 barrier film을 판매 중에 있으며, 현재 WVTR 5×10^-5g/m²day 성능까지 확보된 상태이다.

[Characteristics of the barrier film]

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10월 29일 Merck가 1990년에 시작하여 올해로 15번째를맞이하는Merck LC insight 2013을 개최했다. Merck 본사의6명의 각분야의 전문가가 자사의 3개 주력사업군인 display와 lighting, photovoltaic을 중심으로 Merck의 활동과 개발현황을 소개했다.

[Merck의 OLED R&D 개발 전략]

OLED physics팀 director Holger Heil박사는 Merck의 OLED 재료 개발목표와 개발방향, 개발현황을 발표했다. Merck는 full stack RGB제공을 목표로 5가지 project인 hole transport material과 triplet matrix material, singlet blue, printable OLED system, lighting을 진행하고 있다. OLED 증착재료를 개발해온 know-how를 바탕으로 soluble OLED재료 또한 꾸준히 연구해오고 있다. Soluble green재료는 2008년까지 고분자를 개발해왔으며, 고분자를 개발한 data를 바탕으로 간단한 device 구조의 soluble 저분자 재료를 개발한 뒤 hybrid device 구조를 최적화하고 ink jet에 최적화 시키는 방식으로 개발을 진행해왔다. 현재 개발된 Merck의 soluble green 재료는 효율이 81.3cd/A, 수명LT50이320,000시간이며, soluble red 재료는 효율이 12.7cd/A, 수명LT50이 120,000시간이다.

[Merck의 soluble OLED 재료 개발현황]

현재 Merck는 soluble OLED 재료 개발 또한 상당히 진행된 상태이다. 여전히 중심 사업으로 역할을 지속하고 있는 액정사업에 뒤이어 OLED 재료시장의 중심에 서기 위해 꾸준한 노력을 하고 있다. 제약회사가 가지고 있는 탄탄한 재료에 대한 database를 이용해 OLED 증착 재료뿐만 아니라 soluble 재료까지 선점할 수 있을지 귀추가 주목된다.

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두산 그룹이 차세대 수종 사업으로 OLED재료 사업을 선택했다.   현재 두산 그룹의 핵심 사업은 두산 중공업과 두산 인프라 코어를 중심으로 한 중공업과 중장비 사업에 치중되어 있어 국내 타 그룹에 비하면 전자 산업과 화학 산업이 취약한 포트폴리오로 구성되어 있다.  기업의 초고속 성장과 확실한 미래 지속성을 보장 받기 위해서는 최상의 사업 기회와 변신을 꾀할 수 있는 OLED 산업에서 교두보 확보가 성공요소이다. 현시점에서 두산 그룹 내 유일하게 전자소재 사업을 수행하고 있는 전자재료BG를 중공업과 인프라코어에 필적할 수 있는 규모로 집중할 예정이다. 두산전자 BG에서 생산하는 FCCL은 2013년에 세계 market share 1위를 차지하였다. 두산전자BG는 삼성디스플레이에 독자적으로 개발한 형광 그린 재료를 공급하고 있으며 양산 기술 분야에서도 최고의 기술력을 인정 받아 OEM으로  HTL을 공급하고 있다.

SID2013 기간중 두산의 제임스 비모스키 부회장 동현수 사장, 윤희구 부사장과 인터뷰를 가졌다.  인터뷰에서 제임스 비모스키 부회장은 두산 전자BG가 OLED 재료 사업에서 세계 최고의 경쟁력을 가질 수 있도록 해외 고급 인력 유치와 연구개발, 공장 투자에 그룹에서 지원이 있을 것임을 시사하였다.

인터뷰에 같이 참석한 동현수 사장은 화학분야 국내 최고 전문가로서 제일모직과 효성에서의 다양한 성공 경험을 바탕으로 두산전자BG를 OLED 사업에서 최고 경쟁력을 확보하기 위해 익산에 제2 공장을 연내에 착공할 예정임을 발표하였다.  동현수 사장은 두산은 카바졸을 backplane으로 한 고유 특허를 코어 기술로 최근 green 인광 red 인광 재료, prime재료도 개발하고 있으며, 이를 바탕으로 재료 포트폴리오 확대도 가능할 것으로 전망했다.  두산은 IP를 중심으로 전개되고 있는 OLED 재료 사업에서 유리한 고지를 이미 확보하고 있어 2017년에는 3,000억 원의 매출로서 현 5%에 불과한 OLED 재료 사업의 매출 비중을 15%까지 올릴 수 있다고 자신하였다.

향후 고려하고 있는 OLED 재료사업에 대해서는 현재의 사업 영역에 집중을 하면서도, Soluble 재료, OLED조명과 같은 미래 시장에 대비한 연구 개발에도 소홀함이 없이 미리 준비를 하고 있으며, 2012년에 이미 두 개의 팀을 만들어 연구 개발에 착수하였으며, 앞으로 어떻게 사업을 준비하며 어떤 재료를 연구 개발할 것인지를 고민해 나가고 있다고 전했다.

또한 현재 OLED 사업을 총괄하고 있는 윤희구부사장은 두산전자BG가 OLED 산업 발전에 기여하기 위해 경쟁업체들과도 긴밀한 협력관계를 구축하여 고객사의 고민을 종합적으로 해결할 수 있는 total solution을 제공할 수 있는 기업으로 변모할 것임을 언급하였다.

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독일 발광재료 업체이며 OLED 조며 업체인 Novaled 인수에 국내 굴지의 대기업인 두산과 제일모직이 격돌하고 있다.  Novaled는 삼성디스플레이와 LG디스플레이의 모바일용 AMOLED에 모두 P⁺ dopant를 공급하고 있다.  Novaled는 2012년 약 200억 원의 매출과 약 50억 원의 경상이익을 달성한 것으로 알려져 있다. Novaled는 2012년에 나스닥에 상장할려고 했으나 실패했다.  Novaled는 양사에 모두 재료를 공급하고 있기 때문에 매출 규모를 보면 세계 10위권 안에 들어 있기 때문에 향후 OLED 재료 시장 성장을 고려하면 탐날 수 있는 회사인건 분명한 사실이다.  특히 독자적인 재료 개발 기술이 없는 국내 기업들로서는 더욱 그러할 것이다.

최근 신문 지상에 올라와 있는 인수 대금은 약 3,000~4,000억 원으로 나와 있다.  문제는 인수 가격이다.  재벌사들이 격돌하기 때문에 인수 가격은 천정 부지로 오를 수도 있다.  그런데 이런 가격이 적절한지에 대해서는 면밀한 검토가 필요하다.  현재 Novaled의 이익 구조로서는 인수 금액을 회수하는데 약 20년이 소요될 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고 이러한 금액이 신문 지상에 흘러 나온 것은 다분 Novaled의 지분을 소유한 기업들의 전략일 수 있다.

신문지상에 M&A 금액이 노출되는 것은 매우 드문 예이다.  아니 있을 수 없다.  협상이 진행되는 과정에서 이러한 것이 노출된 다는 것은 M&A 형상의 ABC인 비밀유지계약 조차하지 않았기 때문에 발생하는 허점이 그대로 나타난 것이며, Novaled의 주주들은 이러한 허점을 이용해서 OLED 재료 사업에 침을 삼키고 있는 허술한 한국 거대 경쟁사들을 끌어들이고 희망 인수 가격을 언론에 노출 시킴으로서 이익을 최대한 확보하기 위한 치밀한 계략을 구사하고 있는 것으로 보이고 있다.  신문 지상에 노출되어 있는 인수 금액은 이전 국내의 OLED 재료사이었던 그라쎌과 루디스 인수 금액에 비하면 택도 없이 높다.

국내 재료기업들은 대부분이 자체 기술 개발에는 매우 등한시하는 경향이 높다.  시장이 열리기 전에는 최소한의 자금으로 대충 개발하다 시장이 형성되면 그때부터 사업화를 다그친다.  물론 M&A는 기술력이 없는 기업이 신시장에 진출하기 위해서는 필수적인 중요한 사업전략이기는 하지만 아직 국내 기업들의 R&D 마인드는 후진국 수준을 벗어나지 못하고 있음을 여실히 증명하는 사례가 될 수 있다. 만약 이러한 금액에 Novaled를 국내 대기업이 인수한다면 이것은 국고 낭비이며, 국내 대기업들의 안일한 R&D 상황을 그대로 노출하는 최악의 M&A 선례로 남을 수 있음을 2 기업은 명시해야 한다.

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일본 발광재료 업체인 Idemitsu Kosan과 Hodogaya는 각각 2011년에 국내 공장에 대단위 투자를 감행했다. Idemitsu Kosan은 파주에 자사의 정제 공장을 직접 건립하였으며, Hodogaya는 SFC의 지분을 인수하여 1대 주주가 되었다.

2012년까지는 엔고 현상이 매우 뚜렷한 시기였다.  2013년 현재와 비교하면 약 20%의 투자비를 절감했다고 판단할 수 있다.

한국의 AMOLED 산업이 세계 속의 글로벌 기업으로 급성장함을 예견한 이들 두 업체는 일본 내 사업 환경의 열악함에도 불구하고 한국에 투자를 감행하여 성공적인 사업 환경을 구축한 것이다.

다국적 기업인 Dow Chemical 역시 천안 공장에 대단위 투자를 집행하여 세계 최대 OLED 생산 기지 건립을 완료한 상태이다.

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LG전자가 55인치 AMOLED TV 생산을 시작함으로써 LG디스플레이 역시 대면적 AMOLED 패널 시장에서 최강자의 자리를 확보했다.

LG디스플레이가 대면적 AMOLED 패널을 생산할 수 있게 된 것은 디스플레이 제조개발 인력의 피나는 노력과 관련기업의 제품 공급에 의한 결실이다.

제품을 공급하고 있는 업체들 중에서도 핵심 역할을 하는 기업에는 일본 재료 업체인 Idemitsu Kosan이 중심에 있다.

Idemitsu Kosan은 LG디스플레이에 blue 형광재료를 공급하고 있다.

WOLED를 구현하는 방식으로서는 R/G/B 3 color 방식과 B/YG 2color 구조가 대표적이다. LG디스플레이의 AMOLED 발광층은blue와 yellow green의 2color 2stack 구조를 사용하고 있다. 2 color WOLED에서는 무엇보다도 우수한 blue가 필요하다. 전세계의 많은 재료업체가 blue를 개발하고 있지만 아직 Idemitsu Kosan의 blue 특성이 가장 우수한 것으로 평가되고 있다.

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대만 Apple Daily에 따르면, 독일 재료회사 머크의 대만 자회사, Merck Taiwan의 대표이사 Dick Hsieh는 OLED와 조명, 태양전지를 위한 새로운 연구센터를 Taoyuan에 설립하고 있다고 전했다.

Merck Taiwan은 연구센터 설립을 위해 수억 대만 위안을 투자하였으며, 연구센터 건물은 현재 완성된 상태이다. 센터의 설비는2012년 11월 내에 반입되고 2013년 1사분기 말~ 2사분기 초에 가동될 예정이다. 또한 R&D 엔지니어를 추가적으로 10명을 고용해 총 220명의 엔지니어가 근무할 계획이다.

Merck는 2012년 10월 Seiko Epson과 OLED 디스플레이용 잉크젯 잉크를 개발하기 위한 라이선스 계약을 체결했다고 밝혔다.라이선스 계약을 통해, Merck는 Epson의 OLED 잉크 재료 기술을 제공 받을 예정이다. 2005년 Merck는 대만에 R&D 센터를 설립하고 대만 LCD업체와 액정재료를 공동 개발해왔다.

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AMOLED TV 생산이 지연되는 와중에 발광재료 업계에서는 수익 확보를 위한 횡적 결합이 가속화되고 있다. 최근 인광 도판트 재료 공급업체인 UDC는 인광호스트 재료분야에서도 수익을 확장하기 위해 덕산하이메탈과 인광 호스트 재료 생산 계약을 체결했다.

현재 삼성디스플레이에서는 Red만을 인광재료로 사용하고 Green과 Blue는 아직 형광재료를 사용중에 있으나, 2012년 연말부터는 Green 재료도 인광이 채택될 예정이다.

현재 국내 발광재료 업체들은 삼성디스플레이의 모바일용 AMOLED의 인광 호스트 재료 개발이 완료단계에 있다. 핵심 기업들은 덕산하이메탈과 다우케미칼, 제일모직, 두산전자가 있다. 이들 기업은 대부분 우수한 특성을 가진 인광 Green 재료 개발을 완료하였으나, 인광 Green 도판트를 공급하고 있는 UDC는 일본 신일철과 함께 삼성디스플레이의 인광 Green 호스트와 도판트 공급을 동시에 런칭할 예정이다. 더불어 수요 급증에 대비하여 덕산하이메탈과 인광 Green 호스트 생산 계약을 체결하여 국내 공급망을 굳건히 다졌다.

UDC가 덕산하이메탈과 인광 Green 호스트 생산 계약을 체결함에 따라 덕산하이메탈은 2013년의 재료 매출을 쉽고 확보하게 되었으나, 이제까지 막대한 개발비를 투입한 다른 기업들은 상대적으로 삼성디스플레이와의 차기 사업에 차질이 발생할 것으로 예상된다.

특히 발광재료 공급 최대 업체인 다우케미칼은 가격이 비싼 인광 Green 도판트량을 최소화 시킬 수 있는 재료 개발이 완료된 상태이다. UDC는 자사의 인광 Green 도판트 판매량을 늘리기 위해서는 많은 도핑이 필요한 호스트 재료가 필요한 현실이다.

덕산하이메탈 역시 인광 Green 호스트 개발이 완료된 것으로 알려져 있으나, UDC의 제안을 받아들임으로서 쉽게 발광재료 사업에 진입할 수 있는 발판이 마련되었다.

Red 인광재료는 다우케미칼이, 형광 Green과 Blue는 각각 두산전자와 SFC가 삼성디스플레이에 공급중에 있다. 현재 생산되고 있는 갤럭시 시리즈는 이들 업체가 메인으로 발광재료를 공급하고 있으나 2013년부터 본격화될 인광 Green 재료에 UDC와 덕산하이메탈이 공급처로 결정되면 다우케미칼에는 사업에 막대한 차질이 발생할 가능성이 매우 높다.

일본의 강력한 발광재료 업체인 이데미츠 코산은 LG디스플레이에 발광재료를 공급하기 위해 파주에 공장을 건설중에 있으나,이 업체 역시 삼성디스플레이와 재료 공급이 성사되면 불가피하게 다른 공장에서 재료를 생산해야 한다. 이때도 국내 발광재료 업체와의 횡적인 협력 관계를 통해 제품을 생산할 가능성이 높은 것으로 예상된다.

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한국 OLED 재료 업체 동향

한국 내 OLED 관련 재료 개발 주요업체로는 13개사가 있으며, 이들 중 양산중인 업체는 LG Chem., Dow Chem., SFC, Duksan Hi-Metal, Doosan 5개사가 있다.

2012년 하반기부터 Jeil Industry가 양산 업체가 될 것으로 예상된다.

LG Chem.은 OLED발광재료와 주변재료 등을 생산하고 자체적인 보유기술로 OLED 광원사업을 가장 적극적으로 추진하고 있는 기업으로서, 주요 생산 재료는 HIL과 ETL이다. 2008년 UDC와 OLED 관련 상호개발계약을 체결을 하였으며, 현재 OLED 재료 사업 이외에 조명사업에도 집중하고 있다.

2000년부터 1,000개 이상의 OLED 재료를 개발해온 Dow Chem.은 OLED 패널에 사용되는 발광층용 재료를 주요 OLED 패널업체에 공급하고 있으며, 자사제품에 적합한 HTL 재료도 독자적으로 개발하고 있다. 천안 공장과 화성의 R&D 센터를 구축하고 있으며, 2013년까지 총 3천600만 달러를 투자할 예정이다.

발광 저분자 물질에 초점을 두어 host와 dopant를 세트로 생산을 하고 있는 SFC는 현재 형광 청색과 인광 녹/적색, 형광 오렌지-노랑 등의 독자적으로 개발한 제품들이 있다. blue host와 dopant를 SDC에 mobile용으로 2012년까지 공급할 예정이며, 현재는 Duksan Hi-Metal, SMD, 성균관대학교, 전자부품연구원과 함께 Soluble 저분자 발광재료 및 잉크화 기술개발 국책과제를 하고 있다.

Duksan Hi-Metal은 HIL과 HTL을 양산하고 있으며, SDC에 HIL을 공급 중에 있다. 또한 인광 Green을 개발 중에 있다.

2003년 OLED 벤처기업 Vistorm을 인수하면서 OLED 재료사업을 시작한 Doosan은 형광 Green host를 공급하고 있으며 발광재료를 개발 중에 있다. 2011년 10월부터 SDC에 HTL을 공급하고 있으며, 2011년 4월에 전북 익산에 양산공장을 신설했다.

유비산업리서치 2012년 한국 OLED 발광재료산업 보고서 참고

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