차세대 유기EL 재료 TADF 개발 동향

기사입력 2017.03.01 21:45
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1. 유기EL 핵심 재료 TADF 상용화 추진

 

○ TADF(열활성화지연형광) 재료가 주목

 

평판디스플레이 각 사로부터 양산 계획이 계속해서 부상하고 있는 유기EL(OLED) Display. 유리 기판에 유기재료를 삽입하는 단순한 구조 외에 발광재료의 특성이 Display 성능을 크게 좌우한다. 이러한 발광재료의 핵심으로 최근 주목받고 있는 것이 제3세대 재료로 불리고 있는 열활성화지연형광(TADF : Thermally Activated Delayed Fluorescence 혹은 Hyper fluorescence) 재료이다. 현재 일본과 독일에서 적극적으로 개발을 진행하고 있으며 실용화된다면 현재의 재료시장을 변혁시킬 가능성도 있다.


유기EL 발광재료는 기존의 형광 재료를 제1세대, 인광재료를 제2세대라고 부르며 전자는 성능이나 수명이 월등하지만 이론상 흐르는 전기의 25%밖에 광으로 변환할 수가 없고 한편, 후자는 이론상 100% 광으로 변환할 수 있으나 Rare Metal을 사용하기 때문에 고가인 단점이 있다.


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현재 양산하고 있는 유기EL 디스플레이에는 일반적으로 적색과 녹색의 발광재료에 인광재료, 청색에는 형광재료를 각각 사용하고 있다. 이에 반해 TADF는 형광이 되는 일중항(一重項) 여기상태와 인광이 되는 삼중항 여기 생태를 모두 활용하여 전기를 100% 광으로 변환할 수 있는 것 외에 Rare Metal 등을 사용하지 않기 때문에 저렴하다.

 

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▷ 열활성화지연형광(TADF) : OLED 디스플레이 발광 소자의 구조적 변화를 일으켜 가격이 비싼 이리듐을 쓰지 않고도 현재보다 빛 손실을 현저히 줄일 수 있는 기술


▷ OLED 소재·공정 혁신의 핵심 중 하나가 블루 소재의 효율과 수명을 늘리는 것이다. 레드, 그린은 이미 인광으로 상용화했지만 블루는 아직 형광을 쓴다. 이론상 인광 소재의 발광효율(내부양자효율)은 형광의 4배다. 형광(fluore scence)은 일중항 여기자가 빛으로 전환하는 현상을, 인광(phosphorescence)은 삼중항 여기자가 빛이 되는 것을 말한다. 발광층에서 형성된 여기자는 일중항과 삼중항으로 분류되며 일중항(singlet)과 삼중항(triplet) 생성비율은 1대 3이다.

 

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2. CYNORA(독), TADF 개발 및 상용화 동향

 

2003년에 독일 아펜스공과대학으로 부터의 Spin-out으로 설립되어 최근에 와서 개발성과가 알려지고 있는 CYNORA이다. 최근 5년간 TADF 특히, 진공 증착용 청색 Dopant의 개발에 주력하였고, 특허 Family 1,100건 이상과 광범위한 TADF IP 포트폴리오를 갖고 600건 이상의 특허 취득을 하고 있다.


2016년 5월에는 100cd/㎡일 경우 외부양자효율이 16.3%에 달하는 청색 발광재료를 개발하였다고 발표하였는데 2015년 10월 시점에 효율이 3%였으나 6개월 후인 시점에 효율을 5배 개선하였다고 한다. 또한 10월에는 단일 청색 발광 시스템으로 고효율과 장수명을 모두 달성하여 동 재료를 사용한 디바이스로 외부양자효율 14%, 수명 420시간(LT80, 500cd/㎡시)을 달성한 것으로 판명되었다. 이로써 동 사는 청색 TADF 발광이 유기EL 디스플레이 사양에 도달하여서 2017년 말에는 상업화할 예정이며 현재는 진공 증착 프로세스용인 발광재료를 잉크젯 등의 용액 인쇄 프로세스에도 적용시킬 생각이다.


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그리고 동 사는 2016년 9월 중국의 Open Platform 기업으로서 유기EL 디스플레이 생산을 위한 인쇄방식기술 사업화를 목적으로 하는 광동취화인쇄기술공사와 유기EL TV 개발에 관한 각서를 교환하였다. 취화사는 중국 TCL산하의 CSOT 및 티안마 그룹의 자회사로 본 건으로 중국의 액정 패널 2개 업체가 다루는 기술 플랫폼에 참여하게 되었다.


CYNORA 기술의 장점은 기존 형광 발광재료가 실현하고 있는 색이나 수명을 그대로 하면서 발광효율만 100%로 올리는 것이 가능하여 이미 있는 화합물의 합성 자산을 유용하게 활용하는 것이 가능하므로 디스플레이 각사에서 주목을 받고 있다. 2016년 4월에는 A시리즈로서 15억엔의 자금 조달을 하였는데 출자자로는 Japan Display, JOLED, LG Display, 삼성전자라는 FPD 대기업이 명단에 오르고 있다. 향후 수송재료 등 기타 재료와의 매칭 등을 검증할 필요가 있기 때문에 TADF의 상용화에는 아직은 약간의 시간이 필요할 것 같다.

 

 

3. Kyulux(일), TADF 개발 및 상용화 동향

 

○ Kyulux(일) 차세대 유기EL 발광재료 상용화

 

세계적으로 큰 주목을 집중하고 있는 TADF(열활성화지연형광) 재료를 규슈대학 최첨단 유기광 Electronics 연구 Center로부터 개발성과 독점권을 얻어 TADF를 상용화시키기 위해 2015년 4월에 설립된 것이 ㈜Kyulux이며 TADF를 세계 시장에 빠르게 확대할 생각이다.


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일본에서의 TADF 개발은 2009~2013년도 정부 최첨단 연구개발 지원 프로그램에서 채택되었으며 상용화를 위한 지원센터가 필요하다고 생각하여 2012년 규슈대학에 유기광 전자 실용화 개발 센터를 설립하였다. 당초 2014년에 창업하는 것이 목표이었으나 시간과 자금이 소요되는 재료 벤처의 어려움으로 지연되었으며 2016년 2월에 15억엔의 자금 조달을 마쳤다. 규슈대학, 과학기술진흥기구(JST) 그리고 Japan Display, JOLED, 삼성 Display, LG Display에서도 출자를 받았으며, TADF 상용화를 확대하기 위해 외부의 개발·평가 위탁자금을 활용하고 있다. 상용화를 위한 국가 프로젝트 지원도 중요하므로 유럽, 한국에서는 대규모 TADF 상용화 프로젝트가 추진되고 있으나, TADF 발명의 원조인 일본에서는 하지 않고 있다.


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○ TADF 활용과 협력

 

Kyulux가 목표로 하는 것은 TADF를 발광재료로서 사용하는 것이 아니고 기존 형광재료에 혼재하는 Assist Dopant로서 상용화하는 것이다. TADF가 제3세대 재료로 부르는 것에 대해서 동 사에서는 Assist Dopant로서의 TADF를 "Hyper Fluorescence(초형광)"으로 이름을 붙이고 제4세대 발광기술로 이야기하고 있다. TADF를 기존의 형광재료 특성을 비약적으로 높이기 위해 주재료와 형광재료, TADF 재료를 동시에 증착시킴으로서 원래의 형광 재료보다도 4배 이상 밝게 하는 것을 실증하였다.


Hyper Fluorescence(초형광)의 등장에 따라 모든 형광재료 업체가 사업 기회를 넓힐 수가 있다고 생각하고 있어 이런 의미에서 재료 업체와의 관계를 한층 강화하고 싶다고 한다(재료 업체와 제휴 필요).

 

○ 재료의 수명

 

TADF는 개발 초기에는 100시간 밖에 되지 못했으나 반년 전에 1,500 시간이 되고, 현재는 2,500시간까지 증가하였다. 한마디로 수명이라는 것은 ① 재료의 내구성 ② 주 재료나 형광 재료 등 다른 재료와의 최적 조합 ③ 디바이스 구조 최적화에 관련되어 있다. 그리고 TADF를 단독 발광재료로서 사용하는 것보다는 Assist Dopant로서 사용하는 쪽이 수명이 연장되는 것을 알게 되었다.

 

○ 상용화 노력

 

조달한 자금을 바탕으로 개발을 확대하여 2017년에 녹색 TADF을 시장에 출하하였다. 녹색 인광재료를 사용하지 않는 곳을 타겟으로 하여 테스트 판매할 생각이며, 과제인 청색 재료개발에 주력하고 있으나 간단하지 않다. 현 시점에서 세계 최고 수준의 성능을 실현하고 있지만 아직 중간 정도 수준으로 2018년을 목표로 하고 있다. 잉크젯 프로세스 등에 사용되는 도포형 재료의 개발은 출자자가 큰 기대를 하고 있어 저분자로 개발하고 있으며 잉크화의 노하우를 확보하는 것이 중요하다.

 

○ 동 사의 향후 전개

 

현재 유기EL 디스플레이 및 유기EL 조명에 사용되고 있는 모든 재료를 Hyper Fluorescence로 하는 것이 목표이기 때문에 많은 인재가 필요하지만 벤처로 일하려고 하는 사람은 적은 형편이다. 하지만 해외에서의 문의도 많아 인재 채용에 진력하고 있으며 IPO는 청색 재료가 완성되는 시점이 목표이다.

 

○ 최근 우리나라의 OLED 효율성 향상 연구 개발 동향

 

우리나라 디스플레이산업이 액정표시장비(LCD)에서 OLED로 무게중심을 이동하는 상황에서 취약한 재료 산업 경쟁력이 향후 걸림돌이 될 수 있다는 우려가 크다. 특히 OLED 재료는 수천개 부품이 결합해 최종 성능을 내는 LCD와 달리 재료가 전체 패널 성능에 미치는 영향력이 크다. 재료 성능이 OLED 패널의 색감, 수명, 소비전력, TFT 설계, 드라이버IC 설계 등의 특성을 좌우할 정도로 재료간 상호작용이 복잡하고 중요도가 높다. OLED 핵심 소재의 하나인 OLED 발광 재료로는 적색과 녹색에서는 고효율 인광 재료가 사용되고, 청색은 효율이 낮은 형광 재료가 사용되고 있다. 인광 발광물질은 형광 발광물질보다 이론적으로 4배의 효율을 구현할 수 있는 장점이 있어 그동안 인광 발광물질을 이용한 청색 OLED가 개발됐으나 수명이 짧아 실용화가 어려웠다. 인광 대체 기술로 개발되고 있는 TADF 발광물질은 청색 인광 재료의 단수명 문제를 해결하고 인광 재료와 동등한 수준의 효율을 구현할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 또한 OLED 소재 중 수명과 밝기 문제를 해결하기 가장 어려운 것으로 꼽히는 청색 OLED 소재를 대체할 수 있는 연구뿐만 아니라 OLED에서 8K 해상도를 구현할 새로운 소자기술에 대한 업계 관심이 커졌다.

 

① 국내 대학연구진(성균관대 이준엽 교수)에 의해 청색 TADF 발광물질(5CzCN) 개발

 

2017년 2월 성균관대 화학공학부 이준엽 교수팀이 OLED 증착과 용액 공정에 모두 사용할 수 있고 형광 유기 발광재료의 저효율과 인광 발광물질의 단수명 문제를 개선할 수 있는 청색 열활성화지연형광(TADF) 발광물질을 개발하고 결과를 광학소재분야 국제학술지 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)'에 게재되었다고 발표했다.


이 교수팀은 이 연구에서 벤젠고리에 질소가 결합한 벤조니트릴에 질소를 포함하는 5원자고리에 벤젠고리 두 개가 결합해 있는 화합물인 카바졸(carbazone) 5개를 결합해 새로운 청색 TADF 발광물질(5CzCN)을 합성했다. 5CzCN은 기존의 청색 인광 OLED와 유사한 발광효율을 보였고, 용액공정으로 청색 OLED를 제작할 경우에도 증착공정 소자와 비슷한 수준의 효율을 보여 증착과 용액공정 모두에 사용할 수 있는 가능성을 보였다. 5CzCN을 이용해 증착공정으로 만든 청색 OLED 소자는 양자효율(QE)이 19.7%였고 용액공정으로 제작한 소자는 18.7%를 기록했다. 이 연구에서 달성한 증착 소자와 용액공정 소자 효율은 기존 청색 형광소자보다 효율이 3배 이상 높아진 것이다. 또 5CzCN를 이용한 증착 청색 OLED는 최초 밝기의 80% 이상이 유지되는 시간이 100시간 이상으로 수명이 기존 인광 OLED나 TADF OLED보다 2배 이상 개선된 것으로 확인됐다.

 

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② 국내 대학연구진(한양대 김재훈 교수팀)에 의해 고효율 고편광 유기발광소자 기술개발 진행 중

 

김재훈 한양대 교수 연구팀은 미래 디스플레이 핵심 원천기술 개발(KDRC) 사업 일환으로 50대 1 편광비의 고효율 고편광 유기발광소자 기술을 개발 중이다. 그동안 빛의 세기를 제어하는 위주로 디스플레이 소자 기술을 개발했다면 이번 연구는 빛의 방향을 제어해 OLED 패널 명암비를 끌어올려 고효율을 구현하는 게 핵심이다. 연구팀은 TV용 대형 OLED 패널에서 편광필름을 제거해 효율성을 높이는 방안을 고심했다. 금오공대 연구팀이 기존 저분자 소재를 이용해 50대 1 편광비를 구현하고 한양대 연구팀이 분자 정렬과 소자 기술 연구를 맡았다. 세계적으로 1.1칸델라 밝기와 30대 1 편광비를 구현한 것이 가장 높은 성과인데 이번 1차연도 과제 수행 결과에서 이를 상회하는 결과를 도출했다.


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