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[상반기 OLED 결산 세미나] Merck, 이젠 공통층 재료도 굴절율을 고려해야 할 때

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6월 23일 코엑스에서 개최된 ‘2022년 상반기 OLED 결산 세미나’에서 Merck의 김준호 연구소장은 “흔히 발광층의 굴절율 개념은 캐소드 전극 위의 capping layer에 많이 적용되었으나, 지금은 공통층인 HTL에도 많이 요구되고 있는 상황”이라고 발표하며, HTL의 최적화된 굴절율 설계를 통해 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다고 언급하였다.

이어서 김준호 연구소장은 “HTL의 굴절율은 정공 수송 능력과 trade-off 관계이기 때문에 굴절율을 맘대로 조절하기에는 무리가 있지만, 최적화만 된다면 수명 저하 없이 광 추출 효율을 높일 수 있다”라며, “HTL의 굴절율을 1.85에서 1.77로 낮췄음에도 구동전압의 상승이나 전자이동도의 하락 없이 광 추출 효율을 7% 향상시킬 수 있었다”라고 밝혔다.

최근 패널 업체들은 OLED의 광 추출 효율을 높이는 개발을 지속적으로 진행하고 있다. 광 추출 효율을 높임으로써, 결과적으로 배터리의 지속 시간을 늘릴 수 있기 때문이다. 대표적으로는 삼성디스플레이가 도입한 고굴절 capping layer와 micro lens array, 편광판을 없애고 칼라 필터를 도입한 on cell film 등이 있다.

Capping layer에 집중되던 발광영역의 굴절율 개념이 공통층 영역까지 확대되며, 패널 업체들의 기술 경쟁이 심화됨은 물론, 향후 패널 업체들의 발광재료 서플라이 체인에도 많은 변화가 있을 것으로 기대된다.

머티어리얼사이언스, OLED용 청색 도판트 개발 성공…OLED 효율⋅수명↑

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국내 한 벤처기업이 일본 업체가 특허를 독점하고 있는 유기발광다이오드(OLED)용 청색도판트(dopant)를 개발하는 데 성공했다. 도판트는 OLED 내에서 실제로 색을 내는 호스트(host)에 섞어 효율⋅수명을 개선해주는 소재다.

그동안 OLED용 호스트를 개발한 국내 재료 업체는 많았지만, 도판트를 대기업의 지원을 받지 않은 벤처회사가 독자적으로 상용화 수준까지 개발한 사례는 처음이라는 점에서 개가로 평가된다.

OLED용 유기재료 개발업체 머티어리얼사이언스(대표 이순창)는 일본 I사 청색 도판트 특허를 대체할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 지난 2014년 설립된 머티어리얼사이언스는 국내외 OLED 패널 업체에 정공수송층(HTL)·전자수송층(ETL) 등을 공급하고 있다. 총 50여명 임직원 중 절반이 연구개발 인력이다. 지난해 매출은 66억원, 올해는 100억원을 돌파할 것으로 예상된다.

이번에 머티어리얼사이언스가 청색 도판트를 개발함에 따라 OLED 패널 업체들은 I사 외에 청색 호스트 및 도판트를 공급해 줄 수 있는 대안을 갖게 됐다.

일본 I사는 지난 1995년부터 청색 도판트를 개발해왔다. 현재 총 30건 이상(일본 출원 기준)의 청색 관련 특허를 보유하고 있으며, 이 중 8개의 주요 특허는 오는 2034년까지 유효하다.

특히 안트라센(벤젠 고리 세 개가 차례로 접합된 화합물) 구조로 된 청색 호스트와 파이렌을 포함하는 청색 도판트가 조합하는 방식에 대한 특허를 독점하고 있다. 이 때문에 I사 청색 도판트를 구매하는 패널 업체는 반드시 호스트까지 I사 재료를 구매해야만 한다. I사 청색 도판트에 다른 업체 호스트를 섞어 쓸 경우 호스트 물질이 안트라센 골격이면 특허 침해가 불가피하다.

삼성⋅LG디스플레이 모두 I사 청색 도판트 및 호스트를 사용하여 왔다.

머티어리얼사이언스가 개발한 청색 도판트는 I사 조합특허를 완전히 벗어나도록 분자를 설계하였다. 기존에는 OLED의 효율⋅수명을 개선하며 진청색을 얻기 위하여 강력한 전자 받개(electron acceptor)를 분자에 적용하는 방식을 사용하여 왔다.

머티어리얼사이언스는 반대로 전자 주개(electron donor)를 분자에 도입하여 효율과 수명을 개선하면서 진청색 구현을 실현하였다. 이 도판트는 주위의 극성에 따른 발광 파장이 변화되는 용매의존발색현상(solvatochromism)을 크게 감소 시킴으로 호스트의 극성에 따라 발광 파장이 변화하는 현상도 크게 줄었다.

정재호 머티어리얼사이언스 연구원은 “새로운 구조 및 합성 방법을 개발해 기존 도판트와 차별화된 제품을 생산했다”며 “패널 업체들이 다양한 종류의 청색 호스트를 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 머티어리얼사이언스는 최근 OLED 패널 업체들이 청색 형광체 수명을 늘리기 위해 도입을 추진 중인 열활성화지연형광(TADF) 기술도 개발하고 있다.

<발광재료 시장 전망, 유비리서치>

유비리서치에 따르면 OLED 유기재료 시장은 2021년까지 33억6000만달러(약 3조8000억원) 규모로 성장할 전망이다. 이 중 청색 재료의 매출 비중은 11.5%를 차지한다.

Material Science to develop blue dopant for OLED … OLED Efficiency ⋅ Lifetime Up↑

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A Korean venture company has succeeded in developing blue dopant for Organic Light Emitting Diodes (OLED) that a Japanese company has had its exclusive patent for. The dopant is an element that improves efficiency and life time by mixing with host that actually colors within the OLED.

In the meantime, many domestic material companies have developed OLED host, but it is the first case that a venture company has independently developed dopant on a commercial scale without receiving any support of large corporations.

 

Material Science (CEO Lee Soon-chang), an organic material developer for OLED has developed a technology that can replace Japanese I Company’s patent for blue dopant. Established in 2014, Material Science is supplying HTL( Hole Transporting Layer) and ETL (Electron Transfer Layer) to OLED panel makers.
Half of the 50 employees are R&D personnel. Last year, its sales were 6.6 billion won, and it is expected to exceed 10 billion won this year.

This time, due to the development of blue dopant by Material Science, OLED panel companies have an alternative to supply blue host and dopant besides I Company.

Japanese I Company has been developing blue dopant since 1995. At present, the company has more than 30 patents related to blue dopant (based on Japanese application for a patent), and its major 8 patents are valid until 2034. In particular, it has an exclusive patent for the combination method of blue dopant that includes blue host and pyrene with an anthracene structure (a compound in which three benzene rings are sequentially bonded). For this reason, the panel makers which purchase dopant from I Company must buy its host. If they mix I Company’s blue dopant with another company’s host, it is inevitable to infringe the patent in the case a host material has an anthracene skeleton.

Both Samsung Display and LG Display have been using I Company’s blue dopant and host.

The blue dopant developed by Material Science is designed to make molecules that are completely out of I Company’s compound patent. Conventionally, the method of applying an electron acceptor to a molecule has been used to improve the efficiency and lifetime of OLED and have a blue color.
On the other hand, Material Science introduces electron donor into molecules to improve the efficiency and lifetime while generating dark blue color. This dopant greatly reduces the solvent-dependent color development (solvatochromism) where emission wavelength changes due to the polarity of the surroundings. Therefore, the change of emission wavelength is also greatly reduced.

Jung Jae-ho, a researcher at Material Science said, “We have developed a new structure and a synthesis method, which makes it possible to produce its differentiated dopant.” “Panel companies are now able to utilize various types of blue hosts”. In addition, Material Sciences has been recently developing TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence) that OLED panel makers are struggling to introduce for the longer life of blue-emitting phosphors.

 

<OLED emitting material market forecast, UBi Research>

According to UBi Research, the OLED organic market is expected to reach $ 3.36 billion by 2021 (about 3.8 trillion won). And blue materials account for 11.5% of total sales.