화학저널 2020.03.09

JNC, 색 순도와 발광효율 최고수준 개발 … 산업표준 정착 목표
일본 JNC가 OLED(Organic Light Emitting Diode) 패널용 청색 발광소재 사업 확대를 검토하고 있다.
간사이학원(Kansai Gakuen)대학의 하타케야마 타쿠지 교수와 공동으로 색 순도와 발광효율에서 세계 최고수준을 달성한 소재를 개발하는데 성공했기 때문이다.
하타케야마 타쿠지 교수와는 2011년부터 공동연구를 실시하고 있으며 개발 소재가 스마트폰 기종에 채용된 사례도 여럿 있는 것으로 파악되고 있다.
최근에는 스마트폰이나 TV 등에서도 OLED 패널에 대한 수요가 증가하고 있어 JNC가 자체 개발한 청색 발광소재를 산업표준으로 정착시키 겠다는 목표를 세운 것으로 알려졌다.
개발한 청색 발광소재 뉴 다브나(ν-Dabna)는 탄소 원자가 육각형으로 연결된 벤젠(Benzene) 환이 분자의 적절한 위치에 2개 붕소 원자와 4개 질소 원자를 도입한 구조로 이루어져 있다.
OLED 패널은 전류를 흘려보내 발광소재가 전자를 흡수하면 에너지가 높아지며 평상시의 안정된 상태로 돌아가려 할 때 빛을 내는 구조이다.
JNC 개발제품은 탄소보다 전자가 하나 많은 붕소와 2개 많은 질소가 전자를 밀고 당기기 때문에 탄소원자 위치에 전자가 편재하게 되고 전자 에너지를 통해 분자의 신축을 억제할 수 있어 순도가 높은 빛을 내는 것이 가능한 것으로 알려지고 있다.
색의 순도를 표시하는 반치폭이 14-18나노미터로 일반적인 청색 발광소재의 2배 이상에 달할 뿐만 아니라 차세대 패널 기술로 주목받고 있는 질화갈륨(GaN)계 LED(Light Emitting Diode)나 카드뮴(Cadmium)계 양자도트마저 상회하는 수준인 것으로 확인됐다.
붕소, 질소 등 일반적인 원소를 사용하기 때문에 패널 제조코스트를 낮추는데에도 도움이 될 것으로 기대된다.
OLED 발광소재는 전류를 흘려보내면 빛이 나는 도판트 소재와 도판트 소재의 발광효율을 높이는 호스트 소재의 조합으로 구성돼 있다.
JNC 개발제품은 도판트 소재이며 호스트 소재를 변경하는 것만으로 장수명 형광형이나 발광효율이 뛰어난 열활성화 지연형광(TADF)형 등 2종류의 발광소재를 제조할 수 있다.
TADF형은 빛의 변환효율을 나타내는 외부 양자효율이 30%로 인광형 발광소재와 유사해 세계 최고수준을 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
현재는 양산기술 검토와 호스트 소재 개발을 함께 진행하고 있으며 TADF형 발광소재 실용화를 위해서는 전자 에너지를 효율적으로 전달하는 호스트 소재 설계가 중요하다는 주장이 제기되고 있으나 하타케야마 타쿠지 교수가 뉴 다브나의 기술로도 응용이 가능하고 유사한 구조에서 매우 우수한 호스트 소재 개발을 진행하고 있다고 밝혀 해결이 가능할 것으로 판단하고 있다.
글로벌 패널 시장은 130조원 전후에 달하고 있으나 최근 성장세가 둔화되고 있다.
하지만, LCD(Liquid Crystal Display)에 비해 색 재현성이나 고속 응답성이 뛰어나고 소비전력이 낮아 유연성이 뛰어난 OLED 패널은 성장을 계속할 것으로 예상되고 있다.
접고 펴거나 둘둘 말 수 있는 차세대 패널 개발도 진행되고 있어 2026년에는 글로벌 시장의 40%를 OLED 패널이 차지할 것으로 예측되고 있다.
JNC와 하타케야마 타쿠지 교수는 뉴 다브나를 먼저 형광형으로 2-3년 후, TADF형으로는 4-5년 후 실용화하는 것을 목표로 하고 있다.
2016년 개발한 청색 발광소재 다브나는 패널 메이저에게 스마트폰용으로 공급하고 있다.
JNC는 쿠마모토(Kumamoto)의 미나마타(Minamata) 공장에서 양산체제를 확립한 상태이며. 공동개발로부터 7년이라는 비교적 짧은 기간에 양산 성과를 낼 수 있던 것은 산학 연계로 기초연구와 실용화를 위한 개발작업을 조화롭게 운영한 덕분이라고 자평하고 있다.
OLED 소재는 세계적으로도 연구개발(R&D) 경쟁이 치열해지고 있고, 특히 기술적으로 난이도가 높고 패널 성능 향상의 보틀넥으로 작용하고 있는 청색 발광소재 분야에서 경쟁이 심화되고 있다.
그러나 JNC와 하타케야마 타쿠지 교수는 그동안 알려진 원리와는 전혀 다른 접근법으로 청색 발광소재에서 세계 최고수준의 성능을 달성했다는 점을 활용해 경쟁기업들이 따라잡을 수 없는 세계 표준으로 자리를 잡겠다는 목표를 세우고 있다. (K)
<화학저널 2020년 3월 9일>
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