플렉서블 전자소재 산업 동향

플렉서블 디스플레이는 평판 디스플레이와 달리 접거나 휠 수 있는 등 형태를 변형시킬 수 있는 차세대 디스플레이를 지칭한다. 플렉서블 디스플레이의 경우, 유리 기판을 이용한 커브드(Curved) 디스플레이는 2010년 이후 LCD(Liquid Crystal Display, 액정 디스플레이)나 OLED(Organic Light-Emitting Diode, 유기 발광다이오드)를 이용하여 벤딩 반경이 큰 모니터, TV, 상업 광고용으로 상용화되었고, 그 후 플라스틱 기판을 이용한 OLED 패널이 양산에 성공함으로써 2013년에 벤더블(Bendable) 스마트폰, 2019년에 폴더블 스마트폰, 2020년에 롤러블 OLED TV가 각각 출시되었다. 현재 스트레처블(Stretchable) 디스플레이에 대한 연구도 진행되고 있다(그림 1).

그림 1

플렉서블 디스플레이 기술 발전 단계

커브드, 벤더블 디스플레이 등은 기존의 평판 디스플레이에서 약간의 기술 개발로 구현이 가능하였지만, 폴더블, 롤러블, 스트레처블 디스플레이의 경우 폼팩터(Foam Factor) 변화에 따른 기술적 난이도가 급격히 상승된다.

그림 2는 폴더블 스마트폰 제조공정에 사용되는 플렉서블 디스플레이 구조의 예로서, 임시 지지대인 이송 기판(Carrier Glass: 캐리어 글라스) 위에 PI(폴리이미드) 기판, TFT(박막트랜지스터) 백플레인(Backplane), 유기 발광층 및 봉지층을 차례대로 형성한 후, 캐리어 글라스를 제거하는 순서로 진행되며, 이렇게 유연화 소재를 적용함에 따라 대부분의 제조공정이 변화된다. 특별히 PI 기판 및 봉지층 형성 공정은 더욱 차별화된 생산기술이 필요하게 된다. 플렉서블 디스플레이 생산기술의 핵심은 유연성을 보유하면서 고온에서 공정수행이 가능한 기판 소재를 확보하는 것이며, 플렉서블 기판으로는 무색 폴리이미드(CPI: Colorless Polyimide)와 초박형 유리(UTG: Ultra Thin Glass)가 사용된다. TFT 백플레인은 디스플레이의 각 화소를 구동하는 구동소자로 투명기판 위에 반도체 층, 금속배선, 절연막 등의 여러 층의 소재로 구성되며, 폴더블 폰과 같은 중소형의 모바일 디스플레이에는 저온폴리실리콘(LTPS: Low Temperature Poly-Silicon) TFT가 적용된다. 유기 발광층은 자기발광형 RGB 색상이 구현되는 표시소자로 현재 상용화된 플렉서블 디스플레이의 대부분이 OLED 방식을 채택하고 있다. 구동소자 위에 형성된 양극 위에 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층, 음극을 순차적으로 형성하여 만든다. 봉지층은 유기 발광층 및 TFT 백플레인에 수분이 침투되는 것을 막는 역할을 한다. 유연성을 확보하면서 수분 침투방지 성능을 향상시키기 위해 유기물과 무기물을 교대로 적층하는 박막봉지(TFE: Thin Film Encapsulation) 기술이 적용된다[1].

그림 2

플렉서블 디스플레이의 구조

폴더블 스마트폰의 플렉서블 OLED 패널은 전력소비, 해상도 등 기술적인 측면에서 유리하고 5G 환경에서 요구되는 고용량, 고화질 콘텐츠 소비를 지원하기에 적합하다. 폴더블 스마트폰의 시장은 당분간 삼성전자가 독주할 가능성이 높으며, 출하량은 2020년도 300만~350만 대, 2021년도 700만~800만 대, 2022년도 2,000만 대 이상을 예상하고 있다[2].

플렉서블 디스플레이 기술발전의 마지막 단계인 스트레처블 디스플레이 기술은 4차 산업혁명을 선도하는 자율주행 자동차, 웨어러블 기기, 증강현실 기기 등에 활용되며, 공공용, 광고용, 건축용, 사무용 등 다양한 응용 분야를 가진다(그림 3). 스트레처블 디스플레이는 외형의 크기가 수~수십% 이상 연신 또는 수축 변형되는 상태에서도 화질이 유지되어야 하므로, 현재의 플라스틱 OLED로 대표되는 폴더블이나 롤러블 디스플레이 기술과는 다른 차원의 기술이며, 기술 선점을 위한 연구개발 및 제품화 노력이 치열한 경쟁 속에서 이루어지고 있다.

그림 3

새로운 성장 동력으로서의 스트레처블 디스플레이

출처 KEIT, 스트레처블 디스플레이를 위한 20% 연신 가능한 백플레인 및 발광화소 개발, PD Issue Report, 제19권 9호, 2019. 9, 공공누리 4유형.

스트레처블 디스플레이 기술은 기존의 플렉서블 AMOLED(Active-Matrix OLED: 능동구동형 OLED) 생산라인을 활용하면서 스트레처블 디스플레이로 전환하는 데 필요한 핵심 공정들을 개발하는 형태로 시작될 것으로 예상된다. 즉, 유연 신축이 가능한 기판과 이를 기반으로 하는 백플레인과 발광화소의 핵심소재와 공정의 원천기술들이 개발되어야 한다. 그림 4에는 기존의 플렉서블 AMOLED와 스트레처블 AMOLED 구조와 이때 핵심적으로 개발되어야 할 4종류의 기술을 나타내고 있다.

그림 4

스트레처블 디스플레이의 구조 및 핵심 기술

출처 KEIT, 스트레처블 디스플레이를 위한 20% 연신 가능한 백플레인 및 발광화소 개발, PD Issue Report, 제19권 9호, 2019. 9, 공공누리 4유형.

스트레처블 디스플레이 기술을 구현하기 위해 다양한 분야에서 기술 선점을 위한 연구개발 및 제품화 노력이 지속적으로 이루어지고 있는 상황이다. 정부(산업통상자원부)에서는 2019년부터 “디스플레이 혁신공정플랫폼구축사업”의 주요 과제 중 하나로 ‘스트레처블 디스플레이 개발’ 과제(총괄주관 기관: LG디스플레이)를 추진하여, 핵심 원천기술 개발과 제품화 기술 개발의 2단계로 진행하며, 2024년까지 연신율 20%의 기술이 적용된 스트레처블 디스플레이 제품을 개발할 예정이다. 특히 최근에 스트레처블 디스플레이의 치열한 경쟁 속에서 기술 개발이 활발히 이루어지고 있는 가운데, 다양한 소재를 기반으로 유연 소자제작, 유연 신축성 기판개발, 유연 OLED 개발 등에 있어 의미 있는 연구결과들이 보고되고 있다[3-5].

2019년 노벨 화학상은 리튬이온 이차전지(Lithium-ion Battery)를 발명한 공적을 인정받아, 일본의 요시노 아키라 등 3명이 수상하였다. 리튬이온 이차전지가 노벨상을 받을 정도로 우리의 생활, 직업, 사회 활동을 변화시킬 만큼 전자기기를 진화시킬 수 있는 막대한 임팩트를 가진 기술로 평가되었기 때문이다. 현대인의 생활에서 빼놓을 수 없는 스마트폰이나 노트북 등 휴대용 전자기기는 리튬이온전지에 의해 가능하게 되었다. 현재 리튬이온전지는 다른 이차전지에 비해 가볍고 높은 에너지 밀도로 고용량, 고효율 구현이 가능해 소형 가전이나 IT 디바이스부터 전동공구, 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System), 전기차까지 다양하게 사용되고 있다. 그렇지만 이차전지 시장은 아직까지 납축전지가 리튬이온전지를 앞서고 있으며, 2024년도에 이르러 리튬이온전지가 추월할 것으로 전망하고 있다[7]. 한편, 현재 모바일 기기용 소형 리튬이온전지에 대한 시장 전망으로 국내 시장은 2017년도에 약 12.9억 원에서 2023년도에 약 15.7억 원 규모로 연평균 3.3%씩 성장하며, 세계 시장은 2017년에 약 16,659백만 달러에서 2023년에 약 21,669백만 달러로 연평균 4.5%씩 성장할 것으로 전망하고 있다[6].

주로 사용되는 리튬 전지(Lithium Battery)는 기존 배터리에 비해 부피와 무게가 작고, 고용량, 친환경이라는 장점이 있으며, 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된다. 전해질의 종류에 따라 리튬이온전지(LiB, 액상형 전해질)와 리튬 폴리머 전지(LiPB, 고체 고분자 전해질)로 구분된다. 리튬이온전지는 성능은 우수하지만 액체 전해질을 사용함에 따라 충격을 받으면 발화·폭발을 일으킬 수 있어 안전에 문제가 있다. 반면 리튬 폴리머 전지는 폭발 위험을 줄여 안정성을 개선하고, 가볍고, 다양한 형상으로 제작할 수 있는 장점은 있지만 부품이 추가되어 가격이 더 고가이며, 저온에서 성능이 저하되는 단점이 있다. 근래에 리튬이온전지의 취약점인 안전성 문제를 해결하고 대용량, 대출력 특성으로 인해 전기자동차에 적합한 배터리로 부각되고 있는 것이 바로 전고체 전지(All-solid-state Battery)이다.

그림 5에서 볼 수 있듯이 전고체 전지는 리튬전지에 있던 분리막은 없어지고 전해질도 액체에서 고체로 변경되어 구조가 간단해진다. 또한 전고체 전지는 플렉서블한 이차전지를 제조하기가 용이하다.

그림 5

리튬이온 이차전지와 전고체 전지의 구조

전고체 전지는 1970년대부터 연구가 시작되었으나, 최근에 이르러 액체 리튬이온전지보다 출력을 높일 수 있는 가능성이 현실화되면서 부각되고 있다. 전고체 전지의 작동원리는 기존 리튬이차전지의 작동원리와 거의 동일하나, 전지의 구성요소 중 가연성 액체로 되어 있는 전해질을 고체 전해질로 바꾸어 온도 변화와 외부 충격에 따른 화재·폭발 위험이 현저히 감소되는 장점이 있다. 한편, 전고체 전지는 적용되는 고체 전해질에 따라 황화물계, 산화물계, 고분자계로 구분된다. 황화물계는 이온전도도 및 전극과의 계면특성이 우수하고 플렉서블화가 가능하나, 공기 중에서 불안정성(H₂S 발생)이 있고 제조공정비용이 고가인 단점이 있지만, 앞으로 가장 유력하게 적용될 물질로 간주되고 있다. 산화물계는 공기 중 안정성 및 전기화학적 안정성 등은 우수하나, 낮은 이온전도도 및 전극과의 계면특성이 불량하고, 고분자계는 공기 중 안정성 및 전극과의 계면특성이 우수하고 플렉서블화가 가능하나, 낮은 이온전도도 및 저온 특성이 불량하다. 고분자계와 산화물계(나노입자)를 결합한 복합 고체 전해질에 대한 연구도 이루어지고 있다. 한편 전고체 전지의 에너지 밀도를 높이기 위해 리튬금속(Li-metal) 음극 소재를 적용할 것으로 예견되고 있는데, 여기에는 전고체 전지의 수명과 안전성을 낮추는 ‘덴드라이트(Dendrite)’ 현상이 발생되는 문제점이 있다. 근래에 이를 개선한 전고체 전지에 대한 연구결과가 국내 S사에서 의해 보고되었다[8]. 현재 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션 등 국내 전지 3사를 비롯한 학계와 연구계에서는 전고체 전지에 대한 다양한 연구개발이 이루어지고 있으며, 그림 6은 ETRI에서 개발한 복합 고체 전해질을 적용한 플렉서블 전고체 전지 시제품이다.

그림 6

ETRI 플렉서블 전고체 리튬이온 이차전지 개발 시제품. (a) 시제품1 2.5~3.0mAh/cm² (3.5×3.3cm) (b) 시제품2 3.0~3.5mAh/cm² (5.5×5.5cm) (c) 시제품3 3.5~4.0mAh/cm² (13.0×5.5cm)

전고체 전지의 세계시장은 주로 인체에 위험성, 안정성과 더불어 장기간 전원 공급이 요구되는 의료기기나 무선센서에서 사용되던 전고체 전지의 수요가 전기자동차나 에너지 하베스팅 분야에서도 증가하면서 연평균 34.2%의 성장률을 보이며, 2019년에 6,420만 달러에서 2027년에 4억 8,250만 달러까지 성장될 것으로 예측하고 있다(표 1).

최근에 독일의 폭스바겐과 일본의 도요다, 미국 테슬라, 한국 현대자동차 등 글로벌 전기차 완성차 업체에서 전기자동차용 전고체 전지를 직접 개발하여 적용하겠다는 신문보도가 잇따르고 있다[9-12]. 이는 전기차 완성차 업체에서 기술 및 가격 경쟁력 확보에 있어 핵심 부품으로 전지의 비중(전기차 생산단가의 40% 점유)이 커짐에 따라 자사 브랜드 전기차에 최적화된 차세대 전지 확보를 위한 내재화 전략으로 풀이된다.

최근에는 유연성을 가진 얇은 플렉서블 의료기기가 개발되고 있으며, 유연성과 안전성면에서 우수한 특성을 갖고 있는 전고체 소재를 활용한 이차전지가 채택되어 사용되고 있다. 또한 향후 플렉서블 이차전지는 웨어러블 디바이스에서 초박막·초경량의 플렉서블 에너지원의 필요성 대두, 스마트폰과 TV 등의 폼팩터 변화에 높은 기여도, 전기차의 공간 활용도 향상 등에 의해 그 수요가 증가되어 점점 그 시장이 더 확대될 것으로 예상되고 있다.

한편, 세계 플렉서블 전지 시장은 2018년도 약 3,106억 원에서 2023년도에는 약 2조 185억 원으로 증가를 전망하고 있다[13].

금세기 들어 지구환경·온난화 문제가 가시화되면서 신재생에너지로 태양전지에 대한 관심이 증가되고 있다. 태양전지는 태양의 빛 에너지를 직접 전기로 변환하는 반도체소자의 일종이다.

태양전지를 기술 수준으로 구분하면 1세대 실리콘 태양전지(결정질 실리콘)와 2세대 박막형 태양전지(실리콘 박막, CIGS 및 CdTe 박막), 3세대 차세대 박막형 태양전지(염료감응, 유기, 페로브스카이트)로 분류된다. 현재 실리콘 태양전지의 효율은 26.7% 정도이며, 이론적인 광전변환 효율은 33%로 보고되고 있다[14].

현재 개발되고 있는 태양전지의 종류 및 특징은 표 2와 같다. 이 중 실리콘계와 화합물계 태양전지는 실용화 단계에 있지만 유기계 태양전지는 연구개발 단계에 있다.

기존의 결정질 실리콘 태양전지나 유리 기판 기반의 박막 태양전지는 무겁고, 충격에 취약하여 응용에 제약이 많았으나, 유연성과 경량성을 갖는 기판에서 제작된 플렉서블 태양전지는 상황에 따라 형태를 변형시킬 수 있으며, 가볍고 휴대성이 매우 우수하다. 이러한 장점을 바탕으로 굴곡이 있는 건물집적형 태양전지(BIPV: Building Integrated Photovoltaic System), 장비일체형 태양광발전시스템(DIPV: Device Integrated Photovoltaic System), 웨어러블 기기, 전기자동차, 우주 항공 등의 산업 분야에서도 새로운 가치를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

실리콘계 결정질 태양전지가 태양전지 시장의 약 80~90%를 점유하고 있으며, 이 중 단결정 실리콘 태양전지가 고가이므로 다결정 실리콘 태양전지가 저렴한 가격으로 실리콘 결정질 태양전지의 약 80%를 차지하고 있다. 실용화 단계에 있는 화합물계 태양전지 중 갈륨비소(GaAs) 기반 집광형 태양전지에 대한 관심이 쏠리고 있다. 이는 실리콘 태양전지보다 두 배 이상의 높은 광변환효율을 갖고 있어 태양전지 소량화에 의한 저비용화 가능성 때문이다. 기판의 유연화가 어려운 결정질 실리콘 태양전지 외 대부분의 태양전지들은 플렉서블 태양전지로 구현이 가능하다. 그러나 플렉서블 태양전지 응용기술의 생태계가 아직은 조성이 이루어 지지 않아 특정한 분야에 사용되고 있고, 고효율과 저가격화에 의한 실용화를 위한 연구개발이 이루어지고 있다. 그림 7은 ETRI에서 개발한 플렉서블 태양전지 시제품이다.

그림 7

ETRI의 플렉서블 박막 태양전지 개발 시제품. (a) CIGS 박막태양전지(스테인리스 기판) (b) CIGS 박막태양전지(폴리이미드 기판) (c) 염료감응 박막태양전지(폴리이미드 기판) (d) a-Si 박막태양전지

한편, 하이브리드형 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지는 높은 광전변환효율, 저렴한 제조비용, 유연한 형태로의 제조가 가능하기 때문에 큰 관심을 갖고 경쟁적으로 치열한 연구개발이 이루어지고 있다.

실리콘 태양전지가 약 26%의 효율을 달성하는데 60년이 걸렸는데, 페로브스카이트는 10년 사이에 실리콘 태양전지의 효율을 거의 따라잡았다는 연구결과(0.1cm² 면적 기준 25.2% 효율)가 국내 연구진에 의해 보고되었다[15]. 단 상용화를 위해 성능 개선이 요구되는 안전성과 독성이 있는 납을 대체하는 물질이 개발되어야 하며, 이에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다[16-18].

플렉서블 태양전지 업체들은 극히 일부를 제외하고는 파일럿라인 개념의 소량만을 생산하고 있고 저마다 제조기술이 다르기 때문에 차별화된 제품을 제조하게 될 것으로 예상되며, 다양한 용도 및 목적에 적합한 플렉서블 박막 태양전지 제품들의 시장 출시가 점차 증가할 것으로 전망된다.

플렉서블 전자소자는 대기업 중심의 전방산업으로 지속적인 성장이 이루어지면서 관련 소재 부품에 대한 관심이 높아지게 되었다. 반면 플렉서블 전자소재는 후방산업 분야로 주로 중견·중소기업이 담당하고 있으나 기술력과 인프라가 취약한 부분이 계속 문제점으로 부각되었다. 특히 플렉서블 전자소재(디스플레이, 이차전지, 태양전지) 분야의 국내기업에서는 소재 공정 및 성능 평가에 요구되는 인프라를 거의 보유하고 있지 않아 소재 설계에서부터 평가에 이르는 전주기적 기술 지원을 위한 국가적 차원의 인프라 구축이 요구되었다. 이에 따라 2015년도에 산업통상자원부(한국산업기술진흥원)의 지원으로 플렉서블전자소재센터(FEMC: Flexible Electronics Materials Center)가 설립되었다.

이 센터는 한국전자통신연구원(주관기관), 한국화학연구원(참여기관), 충북테크노파크(참여기관) 3개의 기관으로 구성된 국내 유일의 플렉서블 전자소재 관련 전문센터로서, 플렉서블 디스플레이 트랙, 플렉서블 태양전지 트랙, 플렉서블 이차전지 트랙 등 3종류의 기술분야에 대해 각 기관이 보유한 인프라와 기술역량을 연계하여 플렉서블 전자소재 관련 시제품 제작, 애로기술 지원, 시험분석 평가, 예비인증 실장평가에 이르는 지원체계를 구축하고 국내 관련 기업(산·학·연)에 기술지원을 수행하고 있다(그림 8).

그림 8

FEMC 기술지원 체계도

플렉서블전자소재센터에서는 각 기관이 보유한 인프라와 기술 역량을 고려하여 역할을 분담하고 세부지원 내용을 구체화하였다(표 3). 한국전자 통신연구원에서는 플렉서블 전자소재 디스플레이 시제품제작, 화학연구원은 디스플레이와 이차전지 전자소재의 물성분석 및 평가, 충북테크노파크는 플렉서블 이차전지와 태양전지의 시험 및 신뢰성 평가 관련 기술지원을 각각 담당하고 있다.

표 4는 플렉서블전자소재센터의 3개 기관에서 도입한 장비 34종의 장비명과 용도를 정리하여 나타내고 있다. 플렉서블 전자소재 기반의 디스플레이, 이차전지, 태양전지 분야에 시제품제작 및 시험분석 평가 인증지원에 활용되고 있다. 각 장비들은 관련 산·학·연을 대상으로 장비 수요 설문조사를 실시하여 장비용도, 규격, 기능을 고려한 적합한 장비들이 선정되어 도입되도록 하였다.

앞으로도 플렉서블전자소재센터에서는 보유한 인프라 및 역량을 적극 활용하여 국내기업에 기술지원을 지속적으로 제공할 것이다. 최근에는 소부장(소재·부품·장비) 및 N-Lab.과 연계한 공유· 협업 플랫폼을 구성하여 기업 기술지원 방안을 더욱 확대하여 효율적이고 양질의 기술지원이 되도록 추진하고 있다. 이를 통하여 본래의 본 사업의 취지대로 열악한 국내 중소기업의 기술력 향상을 지원함으로써, 플렉서블 전자소재 산업의 활성화와 생태계 조성에 기여하고자 한다.