차세대 발광재료, 개발 어디까지 왔나

2018 OLED KOREA CONFERENCE에서 차세대 발광재료 개발 선두 주자인 Kyulux와 CYNORA가 연구결과와 앞으로의 개발방향을 발표하였다.

Kyulux의 CEO, Junji Adachi는 ‘기존의 형광재료 host와 dopant에 TADF dopant를 첨가하는 형태의 hyperfluorescence를 개발하고 있다’고 설명했다. hyperfluorescence의 발광 반치폭은 TADF의 약 35% 수준이며, 휘도는 약 2배이상이며, 이 재료가 TADF가 가진 단점(넓은 반치폭과 낮은 휘도 등)을 동시에 해결할 수 있다고 강조했다.

Junji Adachi가 공개한 최신 hyperfluorescence의 효율은 red 28 cd/A, yellow 43 cd/A, green 81 cd/A이며, 수명은 LT50(1000nit)기준 10,000시간, 62,000시간, 48,000시간이다. 색좌표는 red (0.64,0.36), yellow(0.46, 0.52), green(0.28, 0.65)이다.

한편, CYNORA의 chief marketing officer, Andreas Haldi는 현재 CYNORA가 개발한 blue TADF emitter의 색좌표는 0.16, EQE는 24%, 수명(LT97@700nit)은 10시간이라 밝혔다.

이러한 성능은 현재 OLED에 사용되는 blue 재료보다 효율은 2배 이상 높으며, 색좌표(0.10)는 비슷한 수준이나, 수명은 부족하다고 설명하였다. Blue TADF emitter는 2018년 개발이 완료되어 2019년 양산에 적용될 것이다고 덧붙였다.

또한, 기존의 낮은 효율을 갖는 재료 대신 고효율의 blue TADF emitter를 사용한다면, 제조단가가 감소할 뿐만 아니라 소비전력이 감소되어 배터리 소모를 최소화 할 수 있다고 말했다. 동시에 OLED의 해상도를 향상시킬 수 있어 주요 panel 업체의 대규모 진공 공정 라인에 적용될 수 있을 것으로 기대된다고 언급했다.

CYNORA는 blue TADF emitter가 개발 완료(2018)된 후, green TADF emitter, red TADF emitter 순으로 개발, 2020년까지 RGB TADF emitter 개발을 완료할 예정이다.

 

상업적인 생산 준비중인 블루 TADF(열 활성 지연 형광물질) Emitter

다음 주, 주요 OLED 산업 관계자들은 서울에서 열리는 제 4 회 OLED Korea Conference에서 차세대 디스플레이 관련 새로운 기술에 대해 논의할 예정이다. 가장 흥미 있는 새로운 기술 중 하나는 TADF (열 활성 지연 형광) 기술이며, 이 주제는 UBI Research에서 주최하는 이번 컨퍼런스에서 놓치지않고 다루어 질 것이다.

TADF 기술은 청색 발광 물질의 효율을 개선하기위한 주요 방법으로서 많은 주목을 받고있다. 고효율 블루 OLED는 현재 시장에 나와 있지 않으며, 이 소재에 대한 수요는 매년 지속적으로 증가하고 있다.

고효율 TADF 블루는 디스플레이 제조업체가 디스플레이의 전력 소비를 줄일 수 있게 한다. 따라서 소비자는 휴대 기기의 배터리 수명을 연장하고 대형 디스플레이에서 에너지 소비를 절감할 수 있다.  또한 효율적인 블루를 사용하면 동일한 양의 빛을 산출 할 수 있는 보다 작은 블루 픽셀을 만들 수 있으므로 해상도를 높이고 화질을 향상시킬 수 있다.

이러한 두 가지의 개선 사항은 소비자 만족도를 크게 높일 수 있다. TADF의 선도업체인 CYNORA는 TADF 블루 소재가 고효율 블루 Emitter의 이전 성능을 넘어섰다는 것을 보여주었다. CYNORA 재료의 최신 성능은 고객의 요구 사항에 매우 근접하고 있으며, 따라서 시장 진입의 장벽이 될 수도 있다. CYNORA의 TADF Emitter 현황 및 차세대 AMOLED 디스플레이로의 구현에 대한 업데이트는 OLED Korea Conference 에서 CYNORA의 CMO인 Andreas Haldi 박사에 의해 발표 될 것이다.  Haldi 박사는 효율적인 블루 재료의 최신 OLED 디바이스에 대한 적용 결과를 설명하고, CYNORA가 대량 생산을 위해 OLED 제조업체와 긴밀하게 협력하는 방안에 대해 자세히 언급할 예정이다.

기술적으로 가장 도전적인 물질인 효율적인 Blue는 모든 관계자의 관심이 집중되는 분야로서, Blue 영역에서의 더 나은 효율성은 OLED 개선의 주된 장벽 중 하나이다.

그러나 Blue 이외에, TADF 재료는 앞으로 몇 년 안에 Green과 Red에 대한 시장 요구 사항에 도달 할 것으로 예상된다.  따라서 TADF는, 지금까지 Emitter기술이 할 수 없었던, 모든 RGB 픽셀에 대해 효율적으로 사용될 수 있다.

머티어리얼사이언스, OLED용 청색 도판트 개발 성공…OLED 효율⋅수명↑

국내 한 벤처기업이 일본 업체가 특허를 독점하고 있는 유기발광다이오드(OLED)용 청색도판트(dopant)를 개발하는 데 성공했다. 도판트는 OLED 내에서 실제로 색을 내는 호스트(host)에 섞어 효율⋅수명을 개선해주는 소재다.

그동안 OLED용 호스트를 개발한 국내 재료 업체는 많았지만, 도판트를 대기업의 지원을 받지 않은 벤처회사가 독자적으로 상용화 수준까지 개발한 사례는 처음이라는 점에서 개가로 평가된다.

OLED용 유기재료 개발업체 머티어리얼사이언스(대표 이순창)는 일본 I사 청색 도판트 특허를 대체할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 지난 2014년 설립된 머티어리얼사이언스는 국내외 OLED 패널 업체에 정공수송층(HTL)·전자수송층(ETL) 등을 공급하고 있다. 총 50여명 임직원 중 절반이 연구개발 인력이다. 지난해 매출은 66억원, 올해는 100억원을 돌파할 것으로 예상된다.

이번에 머티어리얼사이언스가 청색 도판트를 개발함에 따라 OLED 패널 업체들은 I사 외에 청색 호스트 및 도판트를 공급해 줄 수 있는 대안을 갖게 됐다.

일본 I사는 지난 1995년부터 청색 도판트를 개발해왔다. 현재 총 30건 이상(일본 출원 기준)의 청색 관련 특허를 보유하고 있으며, 이 중 8개의 주요 특허는 오는 2034년까지 유효하다.

특히 안트라센(벤젠 고리 세 개가 차례로 접합된 화합물) 구조로 된 청색 호스트와 파이렌을 포함하는 청색 도판트가 조합하는 방식에 대한 특허를 독점하고 있다. 이 때문에 I사 청색 도판트를 구매하는 패널 업체는 반드시 호스트까지 I사 재료를 구매해야만 한다. I사 청색 도판트에 다른 업체 호스트를 섞어 쓸 경우 호스트 물질이 안트라센 골격이면 특허 침해가 불가피하다.

삼성⋅LG디스플레이 모두 I사 청색 도판트 및 호스트를 사용하여 왔다.

머티어리얼사이언스가 개발한 청색 도판트는 I사 조합특허를 완전히 벗어나도록 분자를 설계하였다. 기존에는 OLED의 효율⋅수명을 개선하며 진청색을 얻기 위하여 강력한 전자 받개(electron acceptor)를 분자에 적용하는 방식을 사용하여 왔다.

머티어리얼사이언스는 반대로 전자 주개(electron donor)를 분자에 도입하여 효율과 수명을 개선하면서 진청색 구현을 실현하였다. 이 도판트는 주위의 극성에 따른 발광 파장이 변화되는 용매의존발색현상(solvatochromism)을 크게 감소 시킴으로 호스트의 극성에 따라 발광 파장이 변화하는 현상도 크게 줄었다.

정재호 머티어리얼사이언스 연구원은 “새로운 구조 및 합성 방법을 개발해 기존 도판트와 차별화된 제품을 생산했다”며 “패널 업체들이 다양한 종류의 청색 호스트를 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 머티어리얼사이언스는 최근 OLED 패널 업체들이 청색 형광체 수명을 늘리기 위해 도입을 추진 중인 열활성화지연형광(TADF) 기술도 개발하고 있다.

<발광재료 시장 전망, 유비리서치>

유비리서치에 따르면 OLED 유기재료 시장은 2021년까지 33억6000만달러(약 3조8000억원) 규모로 성장할 전망이다. 이 중 청색 재료의 매출 비중은 11.5%를 차지한다.

CYNORA, 새로운 고효율 blue OLED emitter의 성능 공개

Blue OLED emitter Blue OLED emitter Blue OLED emitter Blue OLED emitter Blue OLED emitter Blue OLED emitter Blue OLED emitter Blue OLED emitter Blue OLED emitter Blue OLED emitter

 

TADF(thermally activated delayed fluorescence)재료의 대표적인 선도 기업 CYNORA는 최근 개발된 blue emitter의 성능을 공개했다. CYNORA는 이번 성과를 토대로 2017년 말을 목표로 하는 최초의 TADF 제품 상용화 타이틀에 가까워졌다.

 

OLED 패널 제조업체에 있어 고효율 blue emitter는 저전력과 높은 해상도를 구현하는데 있어 필수적인 재료이다. 이로 인해 고효율 blue emitter 요구는 지속적으로 증가하고 있으나, 이를 대응할 수 있는 업체를 찾긴 힘들었다.

 

지난 SID 2017에서 CYNORA는 OLED 패널 제조업체가 요구하는 수준과 근접한 성능의 blue emitter를 공개하여 관람객의 눈길을 사로잡은 바 있다. 당시 공개된 blue emitter는 TADF 기술이 적용되었으며, 디바이스 레벨에서 470 nm이하 emission peak, 90시간 이상의 수명(LT97@700 cd/m2), 15%(@1000 cd/m2) EQE를 갖는다.

 

CYNORA의 CSO인 Thomas Baumann은 “CYNORA의 고효율 blue emitter는 고객이 요구하는 범위의 성능을 가지며, 그간 발표됐던 blue emitter 중 가장 우수한 결과를 나타내고 있다”며, “emission peak를 460 nm에 근접하게 하는 것이 목표이다”라고 앞으로의 연구방향을 언급했다.

 

한편, CYNORA의 CMO, Andreas Haldi는 “이번 연구 성과를 통해 올해 말 고효율 blue emitter를 계획대로 판매할 수 있다는 확신을 얻게 되었으며, TADF의 선도 기업으로서 자리매김 하기위해 모든 color emitter를 공급하는 것을 목표로 하고있다”며 “2017년 blue emitter를 시작으로 2018년에는 green emitter를, 2019년에는 red emitter를 출시할 예정이다”고 추후 계획을 밝혔다.

4세대 발광재료 hyperfluorescence

형광재료로서도 인광재료로서도 부족한 OLED 발광재료 특성을 보완하기 위해 개발중인 지연형광(TADF, thermally activated delayed fluorescence) 역시 현 단계에서는 상용화에 시간이 걸리고 있다. TADF 기술에서 가장 앞서 있는 기업으로 평가 받고 있는 Kyulux에서도 디스플레이에 적합한 TADF dopant 상용화에 도달하지 못하고 있기 때문이다.

Kyulux의 CTO인 Adachi씨에 의하면 TADF 상용화에 걸림돌은 TADF 전용 호스트 재료가 아직 준비되어 있지 않아 발광피크의 반가폭이 넓어 디스플레이에 적합하지 않기 때문이라고 언급했다. Kyulux가 이러한 문제점을 해결하여 TADF 재료 상용화에 돌입하기 위해 개발중인 재료가 4세대 발광재료인 hyperfluorescence이다.

 

<Kyulux CTO Adachi>

 

Hyperfluorescence 재료는 기존 형광재료 호스트와 도판트에 TADF 도판트를 첨가하여 형광재료로서 인광재료의 효과를 발휘하는 것을 목표로 하고 있다.

 

<Hyperfluorescence 효과>

 

이 효과는 상기 그림에서처럼 TADF가 가진 넓은 반가폭과 형광 재료의 낮은 휘도를 동시에 해결할 수 있는 구조임을 Adachi씨는 강조했다.

 

<Hyperfluorescence와 일반 fluorescence 특성>

 

Kyulux에서 일반적인 녹색 형광재료를 사용하여 제작한 OLED와 이 재료에 TADF를 첨가하여 hyperfluorescence 구조로 만든 OLED를 동일 기판에 만든 상기 사진에서 확연히 두가지 종류와의 발광 차이점은 나타났다.

Kyulux의 hyperfluorescence 재료 상용화 목표는 2017년 내로 설정하고 있다. 타겟은 PMOLED이다.

TADF 원조 Adachi 선생을 만나다

2010년 Nature에 TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence) 논문을 최초로 개제한 Kyushu 대학의 Adachi 연구소를 방문했다. Adachi교수의 인상은 대학교수 보다는 대학원생 같은 수더분한 이미지다.

<Prof. Adachi , 출처 : OLEDNET>

 

Adachi 교수가 TADF 재료에 대해 열정을 가지고 있는 이유는 OLED 패널 제조 가격을 낮출 수 있는 최선의 재료라고 확신하고 있기 때문이다. 현재 사용중인 발광재료는 형광재료인 1세대 재료와 인광재료인 2세대 재료가 있다. 1세대 형광재료는 가격은 싸나 효율이 낮은 단점이 있으며, 2세대 인광재료는 효율은 높으나 가격이 비싼 단점이 있다. 희토류인 이리듐을 사용하기 때문이다. Adachi 교수가 주도하고 있는 3세대 발광재료 TADF는 1세대 재료의 구조로서 2세대 재료의 효율을 달성할 수 있는 장점을 보유하고 있다.

TADF 재료는 이론적으로 100% 내부 효율을 달성할 수 있으며 분자 설계가 매우 자유로운 특징이 있다. 즉 봉 형태의 분자 설계가 가능하여 배향성이 있는 재료를 만들 수 있어 외부 광효율을 40%까지 올릴 수 있다.

Adachi 교수는 TADF 재료 상용화 시점에 대해서는 갤럭시용 OLED 재료로서는 아직 특성이 미흡하지만 스펙이 다소 낮은 용도에는 내년부터 적용이 가능할 것이라고 언급했다. 특히 녹색이나 적색 도판트가 사용가능해 질 것으로 예상했다. 하지만 디스플레이에 사용되기 위한 궁극적인 TADF가 되기 위해서는 T1과 S1 밴드갭을 줄여 전자 전이 속도를 올리는 것이 필수적이라고 강조했다. 전자 전이 속도가 현재는 1μsec 정도이나 10-1 ~ 10-2 μsec까지 빨라지면 분자 열화가 줄어들어 수명도 확보된다고 언급했다. 또한 아직 TADF 도판트 효율을 충분히 발휘할 수 있는 전용 호스트 재료가 없는 것은 TADF 재료 개발에 지장이 되고 있어 발광재료 업체들의 적극적인 참여가 필요하다고 피력했다.

Adachi 교수는 최근 독일 저널인 Angewandte에 색좌표가 (0.148, 0.098)이며 외부 광효율이 19.2% 이상인 deep blue TADF 논문을 실었다.

CYNORA, OLED Korea Conference에서 EQE가 24% 향상된 TADF blue를 적용한 새로운 OLED device 발표

CYNORA는 유비산업리서치에서 주최하는 제 3회 OLED Korea Conference에서 최신 blue TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence) emitter 연구결과에 대해 발표할 예정이다. CYNORA는 TADF 재료와 관련하여 수 년간 활발한 연구를 진행해온 대표적인 선도 기업으로, OLED display의 성능개선의 가장 큰 이슈인 blue emitter material 개발에 중점을 두고 있다. CYNORA는 보도자료를 통해, CYNORA의 blue TADF emitter를 적용하면 device 제조 업체는 소비 전력이 감소하고 해상도가 향상 된 OLED display를 생산할 수 있다고 언급했다.

<출처: CYNORA>

CYNORA의 CMO인 Dr. Andreas Haldi는 제 3회 OLED Korea Conference에서 “Better Materials for Better Performance” 세션을 통해 TADF emitter의 최신 연구결과에 대해 발표할 예정이다. Andreas Haldi는 24%의 EQE와 1,000 시간의 수명(LT80)을 지닌 sky-blue material이 적용 되어 성능 향상을 이룬 OLED device를 발표 할 예정으로, 지금까지 보고된 blue emission TADF 기술의 효율과 수명 측면에서 모두 가장 우수한 성능이다. 또한, 올해 말로 계획 된 blue TADF emitter 상용화에 대한 자세한 내용을 발표할 예정이다.

<출처: CYNORA>

유비산업리서치는 최근 OLED emitting material 시장이 급격히 증가하고 있으며, 2017년에는 약US$ 980 million에 도달할 것이라 전망했다. 또한 CYNORA는 Apple이 OLED display를 적용 시, 고성능을 지닌 OLED panel의 수요는 크게 증가할 것으로 예측하며, 이에 대응하여 panel 제조업체는 제품 경쟁에서 유리한 고지를 점하기 위해 고효율의 blue pixels 적용에 박차를 가하고 있다고 밝혔다.

CYNORA, 고효율/장수명의 blue TADF emitter의 새로운 도약을 이루다

TADF (thermally activated delayed fluorescence) 재료의 선두 기업인 CYNORA가 현지 시간으로 16년 10월 5일 고효율과 수명 두가지를 모두 만족하는 새로운 blue emission을 개발했다고 밝혔다. 이러한 성과는 OLED 산업이 요구하는 청색 발광 성능의 적정 수준 이상 도달한 것으로 평가받고 있으며, 새로 개발된 TADF 재료의 상용화를 2017년 말로 목표삼고 있다고 말했다.
올해 초, 2016년 5월에 CYNORA는 고효율의 blue emitter system과, 장수명의 blue emitter system을 각각 개발하였으나, 그 후 약 6개월동안, CYNORA는 고효율과 장수명을 동시에 만족 시키는 blue TADF emitter system을 개발하였다고 밝혔다.
CYNORA에서 발표한 바에 의하면 새로 개발된 blue emitter system으로 제작된 OLED device는 420시간의 수명(LT80, 500 cd/m2, λ < 480 nm 조건하에)과 함께 14%의 외부양자효율(External Quantum Efficiency)을 나타냈으며, 이러한 성능은 청색 발광 TADF가 곧 OLED 디스플레이 산업에 적용 될 수 있음을 보여준 것으로 평가했다.
CYNORA의 CSO인 Thomas Baumann은 “Blue TADF emitter의 지속적인 발전은 TADF 전문팀의 성장과 고객과의 긴밀한 협력으로 가능할 수 있었다. 또한, 우리는 내년 말 시장 출시를 위해 최적화된 여러 종류의 고성능 TADF 재료를 개발하고 있다.”고 말했다.

CYNORA의 dopants는 완전한 유기물이며, 진공에서 증착 할 수 있도록 만들어졌다. 또한, 청색 TADF 발광물질을 solution process의 2번째 단계에서 사용할 예정이다. CYNORA의 blue TADF 기술 바탕으로 panel업체에서 고효율과 장수명의 고해상도 OLED display 제조가 가능해 질 것인지 CYNORA의 앞으로의 행보가 기대된다.

TADF , 올가을 OLED 컨퍼런스 핫이슈…Cynora, 업계 대표해 기술력 강조

TADF is one of hot issues in OLED industry. (Picture Source : CYNORA)

TADF is one of hot issues in OLED industry. (Picture Source : CYNORA)

강현주 / jjoo@olednet.com

제주도 IMID 2016을 시작으로 앞으로 OLED 관련 컨퍼런스들이 본격적으로 열릴 예정인 가운데, 열활성화지연형광(TADF) 기술이 이번 가을 시즌 OLED 행사들의 뜨거운 관심사 중 하나가 될 것으로 예상된다.

Cynora 같은 이 분야 선도 업체는 올 가을 OLED 관련 행사들을 통해 자사의 기술력을 적극 알릴 계획이다.

현재 시중에 있는 OLED 탑재 제품들은 블루 발광 재료의 낮은 효율 탓에 디스플레이의 에너지 효율에 한계가 있다는 게 문제점으로 지목되고 있다.

핵심 디스플레이 업체들 사이에서 TADF 기술은 블루 발광 재료의 효율을 높이기 위한 대표적인 방법으로 각광 받고 있다.

오는 8월 23일부터 제주도에서 열리는 IMID와 28일부터 샌디에고에서 열리는 SPIE 컨퍼런스에서도 이 기술에 대한 중요성이 부각될 예정이다.

블루 재료 관련 TADF 선도 업체인 CYNORA GmbH는 이번 두 행사에서 업계를 대표해 이 기술 관련 정보를 전달할 계획이다. 재료 개발부터 정밀한 기계 공학에 이르는 내용이 마련된다. 이 회사는 지난 5월 외부양자효율 (EQE) 이 16.3% (100 cd/m2 조건) 에 이르는 진청색 재료를 개발했다고 발표하기도 했다.

이와 함께 한국의 성균관대, 일본 규슈대, 중국 칭화대도 올 가을 컨퍼런스들을 통해 이 기술 관련 학술 정보를 공유할 계획이다.

한편 오는 9월 말 샌디에고에서 열리는 OLED World Summit 에서도 OLED 응용 제품의 전력 소모를 개선해주는 기술이 핵심 주제 중 하나가 될 것으로 예상된다.

CYNORA, Blue TADF 발광물질 개발에 역량을 집중.

 

제 2회 OLED Korea Conference에서 독일 소재의 재료 업체인 CYNORA는 현재 blue TADF-based OLED-emitter를 개발하고 있다고 밝혔다.

CYNORA는 Thermally Activated Delayed Fluorescence (TADF)을 통해 triplet exciton이 빛으로 변환되는 원리의 발광물질 개발에 집중하고 있다고 발표하였다.

현재 Red와 green 색을 내는 고효율 발광물질은 이미 상업적으로 공급이 되고 있는 반면에, Blue 발광물질은 아직 상업적으로 요구되는 높은 성능에 도달하지 못하고 있다.

TADF 기술은 높은 효율을 가지면서도 안정적이라는 장점이 있어 blue 발광 시스템에 적용되어 전도유망하게 쓰일 수 있을 것으로 전망된다. TADF는 형광을 기반으로 하는 발광기술로 이를 이용한 발광물질은 기존에 사용되는 물질과 비교했을 때 4배까지 향상된 효율을 보여준다.

CYNORA는 blue (CIE 0.16, 0.17)와 sky-blue (CIE 0.19, 0.36)에서 좋은 색좌표를 가진 TADF 발광물질을 샘플용으로 공개했다. 공개된 물질은 blue색을 발광하면서 높은 효율을 가진 것으로 나타났으며, 주요 OLED 패널업체에서 진행하는 대규모 진공공정 라인 투자 라인에 적용될 수 있을 것으로 기대된다고 밝혔다.

또한 CYNORA는 “더 많은 샘플 물질을 고객들에게 제공하기 위해 관련 인프라를 성장시키고 물질 개발에 대한 cycle time을 줄이려는 노력을 하고 있으며, 새로운 cluster 도구와 관련 전문가들을 고용해서 device 테스트에 대한 생산량을 높이고 있다.”라며, “이런 움직임을 통해 CYNORA의 발광물질 생산력은 비약적으로 향상될 것으로 전망된다.” 라고 발표하였다.

이번 유비산업리서치의 OLED Korea Conference를 통해 TADF기반의 blue 형광물질에 대한 OLED 산업계 내의 높은 관심이 입증되었다. CYNORA는 꾸준한R&D 투자와 샘플링을 통해 당분간 TADF기반의 blue 형광물질에 대한 기술 발전이 앞으로도 지속될 것으로 전망된다.