디스플레이
한권으로 끝내는 OLED 소재 기초설명서
>>>새로운 성장 국면을 맞이한 OLED 시장
OLED 소재 시장의 규모는 2019년 11억 달러에서 2023년 23억 달러로 연평균 19% 이상 성장할 것으로 전망된다. 그간 스마트폰 중심으로 성장해 온 OLED 시장은 노트북, 태블릿 등 OLED IT 시장의 본격적인 개화와 OLED TV 시장 확대를 통해 새로운 성장 국면을 맞이하게 될 것이며, 스마트폰 대비 디스플레이 크기가 최소 4배 이상 커지는 OLED IT/TV 시장의 확대를 고려하면 OLED 소재 업체들은 안정적인 성장이 지속될 것으로 예상된다.
>>>OLED 소재 업체들의 Re-rating 기대
국내 소재 업체들은 자체 특허 확보를 통해 OLED 소재 시장 내 입지를 확대해오고 있으며, 해외 업체들이 잠식하고있던 OLED 소재 시장을 빠르게 대체해 나가고 있다. 향후국내 OLED 소재 업체들은 ‘OLED 침투율 확대’와 ‘점유율확대 효과’가 함께 나타나며, OLED 시장 성장률을 상회하는 실적 성장률을 기록할 것으로 전망된다. 또한 OLED 소재 시장뿐 아니라 비발광 소재 분야에서도 국내 업체들의점유율 확대가 나타나고 있으며, 그간 일본 등 해외 업체들 중심으로 공급되었던 주요 디스플레이 소재 시장은 앞으로 국내 업체들의 기술 경쟁력과 원가 경쟁력을 중심으로 재편될 것으로 판단된다.
>>>기술을 알면 미래가 보인다
같은 OLED 소재여도 각 레이어마다 역할이 다르며, 필요로 하는 기술력과 가격 또한 천차만별이다. 본 자료를 통해 각 OLED 소재의 특징과 진입 장벽 등을 점검해 보고, 관련 업체들의 기업 가치를 분석해보고자 한다. 더불어 OLED 소재 외에도 최근 디스플레이 산업에서 떠오르는 주요 소재들의 특징과 기술을 살펴보고, 관련 업체들의 현황을 살펴보았다. 업종 Top Pick으로는 덕산네오룩스, 덕산테코피아, 솔루스첨단소재를 제시한다.
I. OLED 소재 기초 설명서
>>>OLED: 발광(發光) 물질에 전기를 가해 스스로 빛을 내는 전계 발광
OLED 소재는 크게 발광층과 보조층(공통층)으로 구성
OLED(Organic Light-Emitting Diode)란 전기를 가해 빛을 내는 ‘전계 발광’을 기반으로 스스로 빛을 내는 ‘자체 발광형 유기물질’이다. OLED에 전류를 가하면, 빛을 내는 발광물질들로 이루어진 발광층(EML; emission material layer)에서 전자(electron)와 정공(hole)이 만나 빛을 낸다. 이 때 전자와 정공이 각각 효과적으로 이동할 수 있도록 돕는 보조층(공통층)들이 함께 존재하는데, 전자 수송층(ETL;electron transport layer)과 정공 수송층(HTL; hole transport layer) 등이 이에 해당된다.
위 그림과 같이 전계를 인가하면 음극에서는 전자, 양극에서는 정공이 각각 주입 되어 발광층에서 만나게 된다. 이 때 전자와 정공의 결합체를 여기자(exciton)이라고 하는데, 여기 상태란 ‘전자가 에너지를 흡수하여 기존의 상태 보다 들뜬 상태’이다. 그러나 여기 상태는 일시적으로 불안정한 상태로, 전자는 안정 상태를 찾아가려는 본능이 강하기 때문에 원래의 ‘기저 상태(ground state)’로 다시 되돌아간다. 전자가 여기 상태에서 기저 상태로 되돌아가며 에너지 준위가 원래 수준으로 다시 낮아지게 되는데, 이 때 줄어든 에너지가 빛의 형태로 방출되어 우리 눈으로 인지된다. ‘여기 상태’에서 ‘기저 상태’로 떨어질 때 빛을 못내고 소멸하는 것들이 적을수록 발광 효율이 높은 소재이다.
>>>OLED 발광 방식은 형광과 인광으로 분류 가능
앞서 설명한 여기자(exciton)는 ‘단일항 여기자(singlet)’와 ‘삼중항 여기자(Triplet)’로 분류되며, 단일항과 삼중항은 각각 25%, 75%의 확률로 형성된다. 형광 소재는 단일항 여기자만을 활용하여 발광하고, 나머지 75%의 삼중항 여기자는 소실된다. 즉 형광 소재는 단일항 여기자만 활용하여 빛을 내기 때문에 최대 내부 양자 효율은 25% 수준이다. 한편, 인광 소재의 경우 삼중항 여기자까지 모두 빛 에너지로 활용되기 때문에 최대 100%의 내부 양자 효율을 갖는다. 현재 Red와 Green은 인광 소재가 사용되는 반면, Blue 인광 소재는 발광 효율과 수명을 비롯해 안정성에서 문제점들이 존재하여 형광 소재로 적용되고 있다. 이것이 Blue 소재가 Red와 Green 대비 발광 효율이 낮고 수명이 짧은 이유이다.
형광 소재의 발광 효율을 개선시키기 위해 TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence, 열활성화지연기술)와 TADF 기술을 기반으로 조금 더 발전된 Hyper Fluorescence 기술이 수 년 전부터 개발 중에있다. TADF는 빛으로 전환되지 못하고 열에너지로 버려지는 75%의 전기에너지를 다시 빛으로 전환시키는기술이다. TADF는 역계간전이(Reverse Intersystem Crossing)라는 현상을 활용하여 소실된 75%의 삼중항여기자들도 버려지지 않고 사용되게 하며, 내부 양자 효율 또한 기존 단일항 여기자의 25% + 뒤늦게 살아난 삼중항 여기자의 75%가 합쳐져 인광 소재와 같이 최대 100%에 이르게 된다. TADF는 발광 효율은 크게 개선시켜 줄 수 있으나, 색 재현성과 수명 문제로 인해 아직까지 상용화에는 시간이 더 걸릴 것으로 예상된다.
>>>Quantum Dot, OLED를 잇는 자발광 소재
Quantum Dot: 무기물의 안정성과 양자구속효과의 특성 보유
‘Quantum Dot(이하 QD)’이란 지름이 2~10nm(1nm=1m/10억)인 무기물 소재의 초미세 반도체 입자로, 전류를 받으면 OLED 소재처럼 스스로 발광하는 특징이 있고 중심체(core)와 껍질(shell)로 이루어져 있다. QD의 특징은 동일한 물질에서도 입자 크기별로 다른 길이의 빛 파장이 발생되어 다양한 색을 낼 수 있다는 것이다. 즉, QD는 전류를 공급했을 때 입자의 크기에 따라 나타내는 색이 달라진다.
QD가 입자 크기에 따라 다른 색을 표현할 수 있는 이유는 빛의 파장과 입자 크기 간의 관계 때문이다. 입자의 크기가 나노미터 수준에 달하게 되면, 입자 크기가 작아질수록 에너지 밴드갭이 커지는 현상(양자구속 효과)이 나타나게 된다. 에너지 밴드갭이 커진다는 것은 쉽게 생각하면 빛을 낼 때 더 많은 에너지를 필요로 하는 것이다. 에너지 밴드갭은 빛의 파장의 길이와 역의 관계를 가지고 있고, 빛의 파장의 길이에 따라 우리 눈에 인식되는 색이 달라진다. 일반적으로 가시광선(사람의 눈으로 볼 수 있는 전자기파의 영역)의 파장의 길이는 400~700nm이며, 빨주노초파남보 순으로 장파장에서 단파장을 가진다. (R: 620nm~750nm, G: 590nm~620nm, B: 450nm~495nm) 따라서, R, G, B 중 가장 긴 파장의 길이를 가진 Red가 에너지 밴드갭이 가장 작고, 가장 짧은 파장의 길이를 가진 Blue가 에너지 밴드갭이 가장 높다. 즉, 청색 소자가 빛을 내기 위해 가장 높은 수준의 에너지를 요구하므로 청색 소자는 안정성과 수명 이슈로 인한 높은 기술력을 필요로 한다.
Quantum Dot이 리간드 부분을 제외하고는 모두 무기물 소재라는 것 또한 큰 장점이다. 보통 탄소Carbon) 를 포함한 화합물이면 유기물 로 탄소를 포함하지 않은 화합물이면 무기물로 분류된다. 탄소화합물은 주로 생명체가 가지고 있는 물질이며 무기물은 탄소를 포함하지 않아 쉽게 2차 반응이 일어나지 않고 안정적이라는 특징이 있다.
한편 QD의 공급 업체는 OLED와 달리 5개 미만의 소수 업체들로 유지될 가능성이 높다. OLED는 R, G, B 각 레이어마다 다른 종류의 소재를 필요로 하기 때문에, 공급 업체들도 상대적으로 다변화 되어있다. 보조층을 포함한 OLED 소재층은 약 10~15개의 레이어로 구성되어 있으며 각 레이어를 생산할 수 있는 공급사 또한 최소 1개에서 많게는 4~5개이다 Red 소재를 생산하는 업체가 Green이나 Blue소재를 생산할 수 있는 것은 아니며 각 소재 별 생산 난이도에도 차이가 존재한다. 한편 퀀텀닷은 입자의 크기에 따라 다른 색을 구현할 수 있기 때문에 OLED 대비 참여하는 공급 업체가 제한적이다. QD는 삼성전자 종합기술원이 개발하여 한솔케미칼이 양산한다. 이후 미래나노텍 등이 QD 입자를 받아 필름과 합지하여 QLED TV에 들어가는 QD 시트를 생산한다. 한편 QD OLED 용으로는 삼성SDI가 한솔케미칼이 양산한 QD 소자를 받아 Q D 잉크로 만들어 삼성디스플레이에 공급한다.
QD소재에는 본래 카드뮴이라는 금속 물질이 주원료로 사용되었으나 카드뮴은 중금속이 들어간 독성물질로 인체와 환경에 매우 유해하다. 과거에 일본 Sony도 QLED TV 를 출시했으나 유해한 카드뮴으로 인해 1년 만에 해당 제품을 철수했다. 이후 삼성이 2015년에 세계 최초로 非카드뮴 QD 기술을 개발했고 현재는 대부분 인듐 기반의 QD 를 생산한다. 삼성은 美 QD 업체인 QD 비전을 약 830억원에 인수하는 등 적극적인 투자를 단행해오고 있으며 QD의 안정적인 특성 등을 고려하면 당분간 삼성의 대형 패널은 QD 중심의 기술에 집중할 것으로 전망된다.
>>>발광 소재 외의 주요 디스플레이 소재 살펴보기
Black PDL, OLED 전력 소모를 낮추고 외부 빛은 차단하는 혁신 소재
PDL(Pixel Defining Layer)이란 Red, Green, Blue 각 서브픽셀이 서로 간섭하지 않도록 구분해주거나 Red, Green, Blue 각 OLED 소재가 서로 섞이지 않도록 경계선 역할을 해주는 소재로, 기존에는폴리이미드를 사용한 투명색 PDL이 적용되었다. 기존 PDL은 일본의 도레이첨단소재 독점해 왔으며, 삼성디스플레이의 연간 PDL 사용 규모는 2020년 기준 약 1,000~1,500억원 수준으로 추정된다.
최근 덕산네오룩스가 개발한 것으로 알려진 Black PDL은 도레이의 PDL과 달리 말 그대로 검정색을띄는 PDL이다. 수년간 개발한 Black PDL 소재를 갤럭시Z폴드3에 처음 탑재하기 시작했으며, 이를 통해 빛 투과율을 높여 패널의 소비전력을 약 25% 절감할 수 있게 되었다.
특히 삼성디스플레이는 이번 Black PDL 개발을 통해 세계 최초로 편광판을 없앤 ‘무편광(POL-Less)OLED 패널’을 상용화할 수 있었다. OLED 편광판은 외부에서 패널로 들어오는 햇빛 등을 막아 야외시인성을 개선시키는 역할을 수행한다. 종종 야외에서 스마트폰 화면을 보면 햇빛으로 인해 화면이 잘보이지 않고 우리 얼굴이 비춰지는 현상을 경험하게 된다. OLED 편광판을 붙여 외부에서 들어온 빛이 반사되어 나가지 못하게 하도록 하여 야외시인성을 개선시키는 것이다. 그러나 OLED 빛이 편광판을통과하면 약 50% 가까이 감소하는 문제가 발생한다. OLED 빛이 감소하면 그만큼 더 높은 전류를 사용하여 OLED가 더 밝은 빛을 낼 수 있도록 해야하므로, 이는 OLED 수명에 부담을 준다. 그러나 Black PDL이 외부에서 들어오는 빛을 흡수하여 편광판 역할을 대신할 뿐 아니라 기존 편광판이 초래했던 전력 소모 문제도 완화시키며, 편광판이 빠지며 패널 두께 또한 축소되었다. Black PDL이 기존 OLED의 구조를 완전히 바꾼 혁신적인 소재라 해도 과언이 아니다. 향후 Black PDL이 기존 PDL 시장을 지속 대체해 나갈 것으로 예상되며, 덕산네오룩스 또한 현재 Black PDL Capa를 대규모 증설을 진행 중에 있다.
>>>FPCB용 주요 필름 살펴보기 (Feat. PI 필름 FCCL 등)
FPCB(Flexible Printed Circuit Board ; 연성회로기판) 란 이름 그대로 구부려지는 PCB다. PCB는 전자부품들을 구리 배선 으로 연결하여 전자 회로를 구성한 기판으로 전자제품 안에 들어간 수 많은 부품들이 서로 전기 신호를 주고 받으면서 작동하도록 하는 중요한 역할을 수행한다. 하지만 PCB는 단단하기때문에 스마트폰 같은 작은 전자제품에 탑재되기에는 한계가 있었고 이를 해결하기 위해 굴곡성과 경박단소의 특징을 가진 FPCB가 개발 되었다. 딱딱한 Rigid PCB와 구부릴 수 있는 Flexible PCB 의 구조가 함께 적용 된 RF PCB는 다량의 데이터 전송을 가능하게 하고 공간 활용도 또한 극대화 할 수 있다.
FPCB 생산에 주요 원단 소재가 되는 것으로는 PI(Polyimide) 필름과 동박 등이 있으며 PI필름에 접착제를 코팅하여 그 위에 동박이 적층된 소재를 FCCL( Flexible Copper Clad Laminate) 이라고 한다. 또한 PI 필름에 열경화성 접착제를 도포하여 만든 필름이 Coverlay 인데 Coverlay는 회로가 형성된 FCCL을 보호하기 위해 사용된다.
PI(Polyimide) 는 내열성이 뛰어나고 금속에 필적하는 강도를 가진 소재로 이를 필름 형태로 제조한 것이 PI 필름이다. PI 필름은 PI 첨단소재 Kaneka, Taimide, Dupont 등의 업체가 과점화 하고 있으며 PI첨단소재의 시장 점유율이 약 30% 이상으로 가장 높게 유지되고 있다. FPCB 산업뿐만 아니라 방열시트 산업공정용, 2차전지 배터리 절연용 디스플레이용 등으로도 적용처가 지속 확대되고 있다.
방열시트는 PI 필름을 고온 처리 후 흑연화하는 방식으로 제조 하며 전자기기 내 열을 여러 방향으로 분산시켜 고장이나 폭발과 같은 사 고를 예방하는 기능을 수행한다. 특히 방열시트의 수요는 전자기기의 경박단소화로 인한 발열 현상 심화에 따라 지속 증가 중에 있다.
또한 PI 소재는 높은 내열성을 필요로 하는 전기차 용으로도 적용이 확대되고 있다. PI 필름은 최근 전기차 배터리 절연용 테이프로 사용되며 각형, 원통형, 파우치형 등 배터리 종류에 상관없이 모두 적용 되고 있어 향후 전기차 배터리 절연용 시장이 PI 필름 업체의 핵심 성장 동력이 될 것으로 전망한다. 실제로 PI 첨단소재의 전기차 배터리 절연용 PI 필름의 매출액은 2020년 약 220억원 에서 2021년 332억원으로 +51 %YoY의 성장이 예상된다. 이같은 전기차 배터리용 PI 필름의 고성장 추세에 맞춰 PI 첨단소재는 지난 4월 배터리용 PI 필름의 증설 계획을 발표하기도 했으며 향후 전기차용 PI 필름의 Capa를 지속 늘려갈 것으로 예상된다.
한편 PI는 필름이 아닌 액상 형태의 PI 바니쉬로도 사용된다. PI 바니쉬는 본래 f lexibleOLED 패널 공정에서 유리기판에 도포 되어 PI 기판을 형성하기 위해 사용된다. Flexible OLED 패널용PI 바니쉬는 일본의 UBE 와 Kaneka 가 과점하고 있으며 PI 첨단소재는 PI 바니쉬를 flexible OLED 패널용이 아닌 전기차용으로 공급 중에 있다. 기차 모터에 사용되는 에나멜 전선 케이블을 코팅하는 소재로 적용되고 있으며 내열성이 뛰어난 PI 소재의 특성상 앞으로도 전기차 내 적용처가 확대될 것으로 전망된다.