도포공법, 중·대형 패널 최적화 기술로 부상
OLED(Organic Light Emitting Diode) 패널 시장에서 잉크젯 프린터를 사용한 도포형 패널 시대가 다가오고 있다.
메이저들이 잇따라 도포형 OLED 패널을 공개하고 있으며 장치, 소재 모두 고도화가 진행되는 가운데 소재 사용에서 낭비를 줄이겠다는 사회적 니즈와 일치되면서 도포형 시장에 대한 기대가 높아지고 있다.
고분자계, 저분자계 가운데 어떠한 소재가 도포형 소재의 주도권을 잡게 될지 주목되는 가운데 당분간은 시장 확대를 위해 공통부분에서 협력하는 흐름이 나타나고 있다.
도포형은 모니터 등 중형 디스플레이에서 시작돼 미래사회에는 대형 TV도 필수적으로 채용하는 기술로 자리를 잡게 될 것으로 예상되고 있다.
세이코엡손(Seiko Epson)은 2004년 잉크젯을 사용해 세계 최초로 40인치 대형 OLED TV를 시험 제작한 바 있으며 해상도가 38ppi로 당시에는 수명과 소비전력 등 과제가 남아 있었으나 15년이 지난 현재는 잉크젯 헤드와 도포형 소재가 모두 진화해 시장 형성이 본격화될 것으로 평가되고 있다.
수년 동안 잉크젯 프린터가 시장에서 차지하는 위치도 달라지면서 세이코엡손은 자체 생산제품을 활용하던 체제에서 현재는 다른 생산기업과 연계하는 방향으로 선회했다.
엡손은 잉크젯 회화장치를 생산하고 있는 도쿄전자(Tokyo Electron)와 함께 다시 대형 OLED 시장에 도전할 계획이다.
LG화학, 독일·일본과 저분자계 경쟁
도포공법은 소재의 불필요한 사용을 줄일 수 있다는 점이 장점으로 부각되고 있다.
증착공법은 벽이나 메탈 마스크에 소재가 부착돼 불필요한 낭비가 많다는 지적을 받아온 반면, 잉크젯은 원하는 장소에 소재를 적당한 만큼만 도포하는 것이 가능해 코스트 과제를 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
아직까지는 스마트폰 등 소형 디스플레이에서 요구되는 수준의 해상도를 달성하지 못했으나 중형에서 대형까지 적합할 것으로 판단되고 있다.
특히, 대형 OLED TV는 무게 문제로 대응할 수 있는 메탈 마스크가 없고 증착공법을 채용할 수 없어 도포공법 적용 가능성이 더욱 커지고 있다.
도포공법 OLED 소재는 고분자계와 저분자계가 패권 다툼을 벌일 것으로 예상된다.
독일 머크(Merck), 2019년 듀폰(DuPont) 사업을 인수한 LG화학, 일본 미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical), 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical) 등 4사가 소재를 생산하고 있으며 스미토모케미칼만이 고분자계를 중심으로 포트폴리오를 갖추고 있다.
분자 레벨에 따라 균일하게 막질을 형성할 수 있고 건조공정이 불필요한 증착공정은 저분자계를 채용하고 있다.
하지만, 잉크젯은 용매에 녹여야 하기 때문에 건조공정이 반드시 필요하며 녹은 상태에서 균일 분산시켜도 건조공정에 들어가면 균일한 막질을 형성하기 어렵다는 과제가 남아 있다.
고분자계는 해당 과제를 해결할 소재로 주목받고 있다.
발광소재에 전자수송소재와 정공수송소재 등 주변 소재를 일정비율로 조합하기 때문에 건조 후에도 반드시 원하는 분자비율을 달성할 수 있기 때문이다.
또 저분자계에 비해 내열성이 높고 내구성이 우수한 강점도 갖추고 있다.
반대로 저분자계는 점도가 낮아 잉크젯으로 분철했을 때 잉크 방울 사이즈를 소형화하기 쉽다는 장점이 있어 더 미세한 곳에 도포가 가능하다는 점에서 정밀·미세한 영역에 대응할 수 있을 것으로 기대된다.
즉, 장점과 단점이 상반된 특성을 가지고 있기 때문에 고분자계는 성능을 유지하면서 분자량을 억제함으로써 방울 사이즈 소형화를 추진하며 저분자계는 더욱 안정적인 막질 형성에 도전할 계획이다.
다만, 주변 소재와 관련해 어느 정도 융통성을 발휘할 수 있는 영역이기 때문에 공통된 부분에서는 고분자계와 저분자계를 조합해 시험하는 작업도 이루어질 것으로 예상된다.
발광소재 이외 영역에서 공통 부재로 투입됨으로써 토대를 만들 수 있다면 도포형 시장 확대를 더욱 가속화시킬 것으로 기대되고 있다.
한국·중국 7사 도포형 사업화 착수
도포형 OLED 패널 스펙은 타이완 AUO가 2019년 8월 상업화한 17.3인치 4K 패널의 해상도가 255ppi 수준을 나타내고 있다.
스미토모케미칼과 협력하고 있는 JOLED는 2019년 ASUS에게 21.6인치 4K 패널(204ppi)를 공급하고 있으며 양사 모두 중형 패널에서 4K에 대응하고 있다.
한국, 중국의 패널 생산기업 7사는 도포형 사업화에 착수한 상태이다.
55인치 8K TV는 해상도가 160ppi이기 때문에 도포형이 이미 중형에서 대형패널에 요구되는 스펙을 달성하고 있다는 평을 받고 있다.
최근에는 수명과 코스트 면에서 조정이 진행되고 있으며 대형시장에서 유일하게 양산되고 있는 화이트 OLED 패널에 투입하기 위해 최종 준비작업을 추진하고 있다.
대형패널에서 도포공법을 사용하면 소재에 들어가는 픽셀 사이즈가 커지기 때문에 생산이 더욱 용이해지나 건조공정 최적화가 여전히 과제로 남아 있으며, 패널이 대형화될수록 최초 토출과 마지막 토출에서 시간 차이가 크게 벌어지기 때문에 건조공정에도 문제가 발생할 수밖에 없는 것으로 파악되고 있다.
결국, 증착공법을 채용할 수 없는 대형패널은 도포공법 기술 확립이 필요하고 중형 이상 패널도 조만간 새로운 국면을 맞게 될 것으로 예상된다.
스미토모, 디스플레이 소재 고도화 박차
스미토모케미칼은 OLED 디스플레이 소재의 고도화를 추진하고 있다.
높은 시장점유율을 유지하고 있는 원편광판, 터치센서 뿐만 아니라 톱 커버에 사용하는 투명 윈도우 필름을 사업화함으로써 OLED 패널용 중요 부재를 양산하는 체제를 갖춘 것으로 파악되고 있다.
앞으로 모든 생산제품의 성능 향상에 총력일 기울이고 3개 주요제품을 모듈화한 기능통합형 부재도 개발할 계획인 것으로 알려졌다.
3개 주요 부재 및 소재는 내굴곡성 그레이드 개발을 완료해 폴더블(Foldable)용을 포함해 OLED 디스플레이 시장을 선도할 것으로 기대하고 있다.
스미토모케미칼은 OLED 패널용 반사방지용 원편광판과 필름 터치센서 분야에서 높은 시장점유율을 차지하고 있으며 최근 폴더블 디스플레이의 톱 커버에 투입되는 투명 윈도우 필름 사업화에 성공했다.
이에 따라 3개 주요제품을 모두 생산하는 유일한 화학기업으로 부상했으며 영향력을 더욱 확대해나갈 방침이다.
최근에는 생산제품별로 성능 향상과 폴더블 대응을 위한 개발에 주력하고 있다.
TV용 등 대형 디스플레이와 스마트폰을 비롯한 소형 디스플레이 분야에서 모두 높은 시장점유율을 나타내고 있는 원편광판은 포트폴리오가 풍성한 것이 특징이며, 구성 부재 가운데 하나인 위상차 필름도 다양하게 생산할 수 있어 수요기업의 니즈, 설계 등에 맞추어 대응이 가능한 것으로 알려졌다.
현재 취급하고 있는 위상차 필름은 모두 초박막 액정 도포형으로 내굴곡성이 높고 폴더블 디스플레이에도 대응이 가능하며, 연신 타입은 굴곡응력이 가해지면 위상차가 변해 빛이 새어나가기 때문에 폴더블 디스플레이에는 도포형 위상차 필름 도입이 필수적이다.
편광자 박막화에 터치센서 모듈화까지…
원편광판에서 액정 도포형화를 실현하기 위해서는 구성 부재 가운데 편광자가 반드시 필요해 기존 광학 PVA(Polyvinyl Alcohol) 필름을 대체해 편광자를 박막화하고 있으며 더 높은 투명성도 확보하는 것으로 파악되고 있다.
편광작용을 요소염색으로 실현시킨 PVA계는 흡수한 파장도 요소에서 유래한 특정 파장에 한정되는 단점이 있으나 액정 도포형 편광자는 비요소계 색소로 염색할 수 있기 때문에 다양한 색 표현이 가능하다.
흡수파장을 자유롭게 설계할 수 있어 각종 OLED 패널의 반사특성에 맞추어 최적화된 흡수성을 나타내는 편광자를 설계 및 제공할 수 있는 것으로 알려졌다.
PVA계보다는 액정 핸들링에 용이하고 투과율이 높은 영역을 만들기 쉽다는 메리트가 있으며, PVA필름은 연신을 통해 강도에 이방성을 부여할 수 있어 도포형이 폴더블에 대응하기에 더 유리한 것으로 파악되고 있다.
필름 터치센서는 대화면화에 대응해 접어도 도전성을 확보할 수 있는 ITO(Indium Tin Oxide) 대체제품을 개발하고 있다.
은나노와이어 등 다양한 소재를 실험하고 있으며 기술적으로 어느 정도 성과를 거둔 것으로 파악되고 있다.
모든 생산제품의 성능을 향상시키기 위해 최근 주력하고 있는 것은 기능통합형 부재 개발로, 3개 주요 생산제품을 모듈화할 수 있다면 공정 단축 등 다양한 효과를 누릴 수 있을 것으로 기대하고 있다.
2019년 가동을 시작한 중국 청두(Chengdu) 공장에서 터치센서와 원편광판 모듈 부재를 일부 생산하고 있으며 앞으로도 기능통합에 박차를 가할 예정이다.
새로 진출한 윈도우 필름 분야는 기존의 유리커버와 다른 새로운 서플라이 체인을 구성할 필요가 있어 앞으로 최적의 체제를 구축해나갈 방침이다.
톱 커버까지 모듈화할 수 있다면 OLED 패널에 탑재시키는 것만으로 OLED 디스플레이를 완성할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
폴더블 디스플레이 관련제품은 시장이 이제 막 형성되기 시작해 수요기업들의 평가를 기다리고 있다.
스미토모케미칼은 3개 주요제품을 모두 생산할 수 있다는 강점과 함께 개별제품의 최적화 및 전체제품의 최적화에 주력하면서 폴더블 관련제품의 성능 향상을 강화할 계획이다.
리튬2차전지 소재 시장 분석 및 전망.. 
