LG 경제연구원, ‘잠재력 큰 유기전자재료 시장 화학·전자기업들의 새로운 격전지’
올 초 라스베이거스에서 열린 ‘2014 CES’에서 LG전자와 삼성전자는 ‘가변형 TV(BendableTV)’를 소개하였다. 가변형 TV란, 화면곡률을 사용자가 원하는 각도로 휘어질 수 있도록 설계한 것으로 작년에 선보인 ‘커브드 T V(Curved TV)’보다 한층 업그레이드된 TV이다. 양사가 내놓은 가변형 TV 모두 리모컨으로 곡률을 조절할 수 있어 평면 TV와 곡면 TV의 역할을 한다는 점이 공통점으로 꼽힌다. 리모컨으로 완전 평면 상태의 화면을 기존 곡면 T V의 곡률인 4000∼4500R(반지름이4000∼4500㎜인 원이 휘어진 정도) 수준까지 휠 수 있다.
때문에 시청자가 몰입감을 가장 잘 느낄 수 있는 최적의 시청 환경을 직접 연출할 수 있다는 특징이 있다. 가변형 TV와 커브드 TV는 아직까지 시장에 출시되지 않았지만, 커브드 디스플레이가 적용된 휴대폰은 이미 작년에 출시되었다. 2013년, 휴대폰 제조업체들은 기존 스마트폰의 가치를 뛰어넘기 위한 새로운 도전을 시도했다. 그 중 하나가 ‘G 플렉스’, ‘갤럭시 라운드’ 등 플렉서블 휴대폰 출시다. 플렉서블 휴대폰 출시가 가능하게 된 중심에는 커브드 디스플레이(Curved Display)가 있었다.
전자업계가 플렉서블 디스플레이에 집중하는 까닭은 디스플레이 시장이 성숙기에 접어들면서 더 이상 대화면과 고해상도만으로 차별화 포인트를 찾기 어려워졌기 때문이다. 디스플레이 업계에서는 플렉서블 디스플레이가 앞서 소개한 ‘Cu r ved(약간 휘어진)’와 ‘Bendable(구부릴 수 있는)’ 디스플레이를 넘어, ‘Foldable(접을 수 있는)’과 ‘Rollable(돌돌말 수 있는)’ 디스플레이로 발전할 것으로 전망하고 있다.
하지만 이런 기술로도 완벽한 곡면을 구현하기는 힘들다. 임장감을 극대화시키기 위해서는 좌우뿐만 아니라 상하 곡면도 이뤄져야 한다. 그런데 휘고 접을 수 있는 기술만으로는 사람의 눈과 가장 가까운 곡면을 구현할 수 없다. 이음새 없이 곡면 디스플레이를 만들어 내기위해 필요한 기술은 스트레처블(Stretchable)이다. 스트레처블 디스플레이는 말 그대로 크기 를 늘리거나 줄일 수 있는 디스플레이다. 이 단 계까지 디스플레이가 발전하게 되면 응용할 수 있는 분야는 스마트폰과 TV 등 가전제품 단계 를 넘어서게 된다. 화면을 가진 기기들을 넘어 서 헬스케어 제품이나 패션 등 다양한 산업에 디스플레이 적용이 가능해질 수 있다는 의미 이다.
플렉서블 디스플레이와 함께 미래 디스플 레이로 주목받고 있는 투명 디스플레이에 대해서도 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 2013년 3월, 캘리포니아에서 개최된 ‘2013 TED (Technolog y, Entertainment, Design)에서는 ‘투명 3D 컴퓨터’가 눈길을 끌 었다. MIT와 마이크로소프트가 협력해 선보 인 ‘스페이스 톱 3D 데스크톱’은 투명한 디스 플레이 안에 가상현실 같은 폴더와 인터넷 웹 브라우저가 보이고 손을 디스플레이 뒤쪽으로 넣어서 폴더나 웹브라우저 등을 직접 만질 수 있다. 이 기술은 3D 기술과 투명 디스플레이 기술 그리고 3D 깊이를 느낄 수 있게 하는 센 서와 연동된 키넥트 카메라가 합작하여 만들 어낸 것이다.
IT 기기뿐만 아니라 에너지, 의료 등 여러 분야에서의 새로운 하드웨어 출시를 위한 노력 도 눈여겨볼 만하다. 지붕에 올리거나 발전소 에서만 쓰이던 태양전지는 창문, 자동차, 휴대 폰 등으로 적용 범위를 넓혀가고 있다. 미국의 자동차 회사 포드는 차체 지붕에 태양광 패널 을 설치해 충전이 가능하도록 한 플러그인 하 이브리드 자동차(PHEV) C-Max를 개발했다 고 발표했다. 미국의 솔로파워(Solopower)라 는 회사에서 선보인 플렉서블 태양전지는 모듈 위에 인쇄를 해도 전력을 생산하는 것에 문제 가 없어 광고판으로 활용이 가능하며, 비닐하 우스 등 농업 분야로의 확대도 기대된다.
웨어 러블(Wearable) 의료기기도 속속 등장하고 있다. 현재 시판 중인 밴드형 기기부터 신체에 직접 붙이는 패치형까지 그 모습도 다양하다. 미국의 ‘아이헬스 랩(iHealth Lap)’이라는 회 사는 의료용 웨어러블 기기인 ‘스마트커프 (Smart Cuff)’를 개발했다. 이는 블루투스를 통해 스마트폰 앱과 연동되는 혈압계로 캘리포 니아 대학교(UCSF) 연구팀과 샌프란시스코 전문의들이 개발에 공동 참여한 것으로 알려 졌으며, 이 기기를 통해 환자의 혈압을 실시간 으로 모니터링할 수 있다. 독일의 ‘머크 (Merck)’는 약물 투입 시기를 자동으로 알려 주는 피부 생체 이식형 디스플레이, 이식이 아 니라 패치 스타일의 부착이 가능한 광학적 디 스플레이 등을 연구하고 있다.
하드웨어의 혁신적 변화는 외형만 바뀌어 서 되는 것은 아니다. 앞서 소개한 ‘가변형 TV’와 플렉서블 휴대폰은 디스플레이뿐만 아 니라 배터리 등 기기 내부에 사용되는 부품의 폼팩터(Form Factor)가 바뀌었다. 실례로 ‘G 플렉스’에는 커브드 배터리가 장착되었다. 하 지만 플라스틱 기판 등을 이용하여 디스플레 이 패널의 플렉서블화 뿐 아니라 전극과 메모 리 등 내부 부품의 플렉서블이 구현되어야 완벽한 플렉서블 기기가 될 것이다. 그렇기 때문 에 소재 단계부터의 혁신을 통해 각 부품의 폼팩터(Form Factor)를 바꿔가는 것이 필요 하다.
전자재료로서의 유기소재 가능성
소재는 일반적으로 유기소재와 무기소재로 나 누어 볼 수 있다. 유기소재는 주로 석유 내지 생물체에서 추출하는 것으로 목재, 천연섬유, 석유화학제품 등이 있다. 유기소재는 다양한 분자 조합으로 무궁무진한 제품을 만들어낼 수 있는 장점을 가지고 있으나, 열에 약하고 내 구성이 떨어지는 등 태생적 한계를 지니고 있 다. 무기소재는 주로 금속과 비금속으로 나뉘 어지며, 유기소재 대비 열에 강하고 내구성이 좋지만, 성형 가공성, 성분의 변경 용이성 등 이 쉽지 않다는 단점이 있다.
지금까지는 디스플레이 및 전자 분야의 소재로 무기소재가 압도적으로 우세하였다. LCD의 기판인 유리를 비롯하여 백라이트로 쓰이는 LED의 사파이어 웨이퍼, 실리콘 화합 물을 주로 사용한 플래시 메모리, 박막트랜지 스터 그리고 센서의 칩에 이르기까지 무기소재 가 대부분을 차지하고 있다. 반도체는 실리콘 웨이퍼를 기반으로 만들어진다.
실리콘이 가지 고 있는 반도체라는 특성을 이용할 수 있기 때 문이다. 실리콘을 가지고 반도체의 성질을 구현하기 위해서는 고온 공정이 필수적이지만, 반도체 특성을 쉽게 구현할 수 있으면서 손쉽 게 구할 수 있는 소재였기 때문에 꾸준히 사용 되었다고 볼 수 있다. 하지만 플렉서블 TV 등 새로운 하드웨어들이 속속 등장함에 따라 성 형 가공성, 유연성, 경제성 등의 특성이 뛰어 난 유기소재가 주목을 받고 있다. 무기소재에 서는 볼 수 없었던 가치들을 창출할 가능성이 크기 때문이다. 물론 생산 공정이 아직까지 안 정적이지 않다는 점, 무기소재보다 전자기적인 특성이 열위인 점 등 해결해야 할 문제들이 있 지만 본질적인 측면을 고려한다면 장기적으로 유기소재가 새로운 하드웨어들의 완성에 일조 할 것이라는 것은 명확하다.
유기소재의 적용 분야
전자재료로서 주목받고 있는 유기소재의 주요 특성으로는 플렉서블 내지 스트레처블, 투명 등 다양한 폼팩터 구현이 용이하다는 특성 이 외에도 잉크를 사용하여 신문을 인쇄하듯 부 품을 생산할 수 있어 기존 공정에 비해 획기적 으로 비용 절감이 가능하다는 점을 들 수 있 다. 유기소재들이 사용되는 전자 제품 분야는 크게 OLED 등 디스플레이 분야, 트랜지스터, 메모리 등의 반도체 분야, 그리고 발전, 전력 저장 등 에너지 분야 등으로 나눌 수 있다.
① 디스플레이 소재 : OLED재료
차세대 디스플레이로 각광받고 있는 OLED는 LCD와 거의 유사한 형태이지만, 근본적인 차 이점은 빛을 내는 소재로 무기소재가 아닌 유 기소재를 사용한다는 점이다. LCD는 무기소 재로 만들어진 백라이트(Back light)에서 나온 빛이 컬러필터를 통과하면서 다양한 이미지 를 구현하는 반면, OLED는 전자 이동을 원활 히 해주는 공통층과 빛을 내는 발광층을 겹 겹이 쌓아 전류가 흐를 때 소자가 스스로 빛 을 내는 구조이다. OLED는 이론적으로 유기 소재를 매우 얇은 막으로 해서 기판에 칠하 듯이 제조하는 것이 가능하고 백라이트가 필 요없어 플렉서블이나 투명을 구현하는데에 적 합하다는 평가를 받고 있다.
현재 디스플레이 소재 분야는 다른 분야에 비해 개발이 많이 진척되어 모바일 제품이나 TV 제품이 출시, 판매되고 있으나 생산 공정이 아직 안정화 되 지 않아 고가이고, 유기소재가 가질 수 있는 플렉서블 특성을 제대로 구현하지 못하고 있 어 기존 LCD 제품 대비 차별점을 제대로 갖 추지 못한 상황이다. 그러나 향후 새로운 공 정이 개발되고 안정화가 되면 LCD보다 낮은 가격에 플렉서블 특성을 더욱 향상시킨 제품 이 출시될 것으로 기대된다. 게다가 고온 증 착 방식이 아닌 공정 기술 및 재료의 개선을 통해 유기소재에서 응용 가능한 저온 인쇄 방 식이 개발된다면 제조 가격을 대폭 낮출 수 있을 것으로 전망된다.
플렉서블, 투명, 저가 등 유기소재의 특성 이 OL ED에서 완벽하게 구현된다면 향후 OLED를 적용하는 분야는 훨씬 넓어질 것으 로 전망된다. 평소에는 Roll 형태로 두다가 필 요하면 펼치는 디스플레이라든지 벽지 겸용 디 스플레이, 색상을 소비자가 원할 때마다 바꿔 주는 자동차 실내 내장재 등 용도가 매우 다 양하게 확대되면서 시장이 빠르게 성장할 수 있을 것이다.
② 반도체 소재 : 유기 박막트랜지스터(OTFT), 유기메모리
유기반도체 분야는 유기 박막트랜지스터, 유기 메모리 소자 등이 대표적이다. 유기 박막트랜 지스터는 현재 실리콘과 금속으로 이루어진 박막트랜지스터 소재를 유기소재로 전환하는 것으로, 이를 이용해서 휘어지는 전자책과 같 은 디스플레이를 개발하는 등 상용화가 시도 되고 있다. 하지만 아직까지 제조 비용을 더 낮춰야 하는 점 그리고 성능이 기존 박막트랜 지스터 수준까지 올라와야 한다는 점 등의 해 결과제가 남아있다.
제조 비용을 낮추기 위해서는 인쇄 방식 같은 수준의 공정 변화가 필요 하다. 유기물의 특성상 미세 공정시 반도체 특 성에 무리를 줄 수 있어 고해상도 구현이 어렵 다는 문제도 해결될 수 있을 것으로 보인다. 2013년 일본의 신에너지 산업기술 종합 개발 기구(NEDO)에서는 새로운 패터닝 공정을 개 발, 유기반도체에 손상을 주지 않는 미세 공정을 개발했다고 발표했다.
유기메모리는 아직 초기 개발단계이지만 이론적으로 기존 메모리 대비 고도의 집적이 가능하고 저전력에서도 사용 가능하며 탄력성 을 가질 수 있기 때문에 상업화가 된다면 전자 제품의 큰 변화를 초래할 수 있을 것으로 보인다. 과거 격자 구조로 제작된 메모리 소자들이 휘어지는 상황에서 서로 간섭이 발생, 데이터 가 정확한 위치에 저장 혹은 삭제되지 않는다는 점이 플렉서블 메모리의 상용화를 가로막 았었다. 최근 들어 탄소나노복합체 등 재료의 변화와 구조 변경 등을 통한 플렉서블 유기메 모리 개발 성과가 가시화되고 있어 상용화에 대한 기대가 커지고 있다.
이러한 유기메모리나 박막트랜지스터 등 을 실제 적용할 수 있는 전자 제품 분야는 다 양하다. 디스플레이의 백플레인, RFID 태그, 스마트 카드, 센서 등이 이에 해당된다. 최근 유기 박막트랜지스터를 이용해서 마음대로 구 부릴 수 있는 흑백 디스플레이가 개발되었으 며 유기 RFID도 인쇄 기업들의 적극적인 개 발에 힘입어 멀지 않은 미래에 제품이 출시될 것으로 기대되고 있다.
유기 RFID는 기존 RFID에 비해 아직 성능이 떨어지 지만 가격을 획기적으로 낮출 수 있으며 쉽게 휘어 지기 때문에 곡면을 가진 제품에도 붙여서 사용하기 가 용이하다는 장점이 있다. 최근 월마트, JC페니 등 대형 소매업체들 이 적극적으로 RFID을 채택, 사용하려고 하 나 20센트가 넘는 높은 가격 때문에 사용을 주저하고 있다는 점을 감안할 때 5센트 이하 의 유기 RFID가 상업화되면 RFID 시장이 빠 르게 성장할 것으로 예상된다.
또한 최근 삶의 질이 개선되고 선진국을 중심으로 노령화가 진행되면서 헬스 분야에서 의 유기 센서가 주목을 받고 있다. 몸에 간단 히 붙이기만 하면 환자의 혈압이나 혈당 등 상 태를 수시로 점검하고 관리할 수 있는 센서 등 이 이에 해당된다. 유기소재를 사용하는 센서 는 잘 휘어지고 작게 만드는 것이 가능하기 때 문에 헬스케어의 여러 분야에서 빠르게 성장 할 것으로 예상된다.
최근 미국 일리노이 주립 대학에선 두께 가 매우 얇고 작아 활동하는 데 불편함이 없 고 또한 붙인 상태에서 수영이나 샤워까지 할 수 있는 유기소재 기반의 센서를 개발하였다. 사진에서 볼 수 있듯이 센서가 거의 피부와 구 별할 수 없을 정도로 얇고 잘 휘어지기 때문에 사용자 입장에선 매우 편리할 것으로 예상된다.
이 센서는 외상 수술 이후 일정 기간 환자 의 수술 부위를 점검하는 용도로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 일반인도 수시로 체온, 피부 상태 등을 점검해서 몸 상태를 관리할 수 있 는 용도로 사용될 수 있다. 이와 같은 제품들 은 얇고 작아야 하며 활동할 때 불편함을 느 끼지 못하도록 자유자재로 휘어져야 한다는 점에서 향후 헬스케어 분야에서의 유기소재의 미래는 매우 밝다고 할 수 있다.
③ 에너지 소재 : 유기태양전지, 플렉서블 배터리
에너지 분야에서도 유기소재를 사용하는 비중 이 점차 증가할 전망이다. 현재 태양전지 시장 의 80% 이상은 효율이 높은 실리콘 태양전지 가 점유하고 있다. 유기태양전지는 실리콘 태 양전지 대비 효율이 낮지만, 가격 경쟁력과 공 정의 유연성, 응용 가능성이 매우 높다는 장점 을 지니고 있다. 재료비 측면에서 살펴보면, 유 기태양전지에 사용되는 유기물의 대부분은 실리콘이나 박막태양전지에 사용되는 무기소재 에 비해 가격이 저렴하다.
더구나 염료와 같은 유기소재는 높은 흡광도를 지닐 수 있어 수백 나노미터 두께의 박막으로도 원하는 성능의 실현이 가능하다는 장점이 있다. 유기소재는 액체 상태가 가능하여 대면적 인쇄 공정에 유 리하다. 이와 같은 유기소재의 특성으로 기존 태양전지 대비 가격 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망된다. 뿐만 아니라 유기소재는 가 볍고 쉽게 휘어지는 성질을 지니고 있어 플렉 서블 태양전지 구현이 가능하다. 이를 통해 건 물의 외벽, 텐트, 자동차 등으로 적용범위를 넓혀갈 수 있을 것으로 보인다. 현재 유기태양 전지의 중요한 기술적 이슈는 외부 환경에서도 오래 사용할 수 있는 제품을 만든 것이다. 유 기소재의 특성상 산소와 수분 등에 약하기 때 문에 학계와 기업에서는 내구성 강화를 위한 패키징 기술을 개발하는 데 많은 노력을 하고 있다.
플렉서블한 모바일 기기 구현을 위해서는 플렉서블 배터리가 필수적이다. 지금까지 사용 되었던 리튬이온 배터리는 심하게 변형시킬 경 우, 열이 발생하고 폭발의 위험이 있었다. 올해 1월, 정부 주도의 연구 프로젝트의 결과로, 플 라스틱 크리스탈 기반의 유기 전해질이 개발되 어 플렉서블 배터리의 구현을 앞당길 수 있을 것이라는 기대가 커졌다. 개발된 전해질을 사 용할 경우, 두께가 얇고 유연한 배터리를 구현 할 수 있다. 이로 인해 손목에 차는 스마트폰, 두루마리 디스플레이, 입는 컴퓨터 등 차세대 플렉서블 전자기기의 전원 개발이 앞당겨질 것 으로 기대된다.
소재기업들의 돌파구 될까
전자재료 기업들은 약 10년 동안 LCD TV를 비롯하여 휴대폰에 이르기까지 IT 산업과 운 명을 같이해왔다. 하지만 TV 및 휴대폰 산업 은 이미 성숙기로 접어들었기 때문에, 혁신적 인 제품이 아니라면 가격 경쟁력으로 승부할 수 밖에 없는 상황이다. 때문에 단가 인하의 압력에서 자유로울 수 없는 전자재료 기업들의 새로운 소재에 대한 관심은 더욱 커지고 있다. 유기소재는 이러한 전자재료 기업들에게 하나 의 기회가 될 수 있을 것으로 보인다.
*위 자료는 LG경제연구원이 발표한 보고서의 주요 내용 중 일부 입니다. 언론보도 참고자료로만 사용할 수 있습니다.
웹사이트: http://www.lgeri.com