VOL. 182 September 2021
발전에 혁신을 더하다,
플렉서블 기술 연구 동향
플렉서블(Flexible) 전자소재는 10여 년 전부터 본격적인 기술개발이 이루어지면서
최근 스마트폰, 노트북, TV 등과 같은 IT 기기 등 상용제품에까지 적용되기 시작했다.
플렉서블 디스플레이 분야는 폴더블(Foldable) 스마트폰과 롤러블(Rollable) TV가 출시됨에 따라 비교적 성숙기에 접어들었지만,
플렉서블 전지 분야(이차전지, 태양전지)는 아직 진입 단계에 머물러 있으며 이제 막 기술개발의 생태계 조성이 이뤄지고 있다.
플렉서블 디스플레이의 발전flexible display
플렉서블 디스플레이는 디스플레이를 달리 접거나 휘는 등 그 형태를 변형시킬 수 있는 차세대 디스플레이를 지칭한다. 유리 기판을 이용한 커브드 디스플레이가 2010년 이후 LCD(Liquid Crystal Display, 액정 디스플레이)나 OLED(Organic Light-Emitting Diode, 유기 발광다이오드)를 이용하여 모니터, TV, 상업 광고용으로 상용화되었다. 이후 플라스틱 기판을 이용한 OLED 패널이 양산에 성공함으로써 2013년 벤더블(Bendable) 스마트폰, 2019년 폴더블 스마트폰, 2020년 롤러블 OLED TV가 각각 출시되었다. 현재는 스트레처블(Stretchable) 디스플레이에 대한 연구도 진행되고 있다.
플렉서블 디스플레이 기술 발전의 마지막 단계인 스트레처블 디스플레이 기술은 자율주행 자동차, 웨어러블 기기, 증강현실 기기 등에 활용될 것으로 보이며 공공, 광고, 건축 등 다양한 분야에서 적용할 수 있을 것으로 보인다. 스트레처블 디스플레이는 외형의 크기가 수십% 이상 늘어나거나 수축, 변형되는 상태에서도 화질이 유지되어야 하므로 현재의 플라스틱 OLED로 대표되는 폴더블이나 롤러블 디스플레이 기술과는 다른 차원의 기술이다. 현재는 스트레처블 디스플레이 기술 선점을 위한 연구개발 및 상용화 노력이 치열한 경쟁 속에서 이루어지고 있다.
더 효율적으로, 플렉서블 이차전지
application
2019년 요시노 아키라 등 리튬이온 이차전지를 발명한 3명이 노벨 화학상을 받았다. 현재의 리튬이온 전지는 다른 이차전지에 비해 가볍고 높은 에너지 밀도로 고용량, 고효율 구현이 가능해 소형 가전이나 IT 디바이스부터 전동공구, 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System), 전기차까지 다양한 분야에 사용되고 있다.
현재 주로 사용되는 리튬 전지는 기존 배터리와 비교해 부피와 무게가 작고 고용량, 친환경이라는 장점이 있다. 그러나 액체 전해질을 사용해 충격을 받으면 발화하거나 폭발할 수 있다는 안전상의 문제가 있다. 근래 리튬이온전지의 취약점인 안전성 문제를 해결하고 대용량, 대출력 특성으로 인해 전기자동차에 적합한 배터리로 떠오르고 있는 것이 바로 전 고체 전지(All-solid-state-Battery)다.
전 고체 전지는 리튬전지에 있던 분리막이 없어지고 전해질도 액체에서 고체로 변경되어 구조가 간단해지며, 특히, 플렉서블 이차전지를 제조하기에 용이하다는 점에서 주목을 받고 있다. 1970년대부터 연구가 시작된 전 고체 전지는 최근 액체 리튬이온전지보다 출력을 높일 수 있는 다양한 가능성을 보여주면서 더욱 관심을 받고 있다. 특히 전 고체 전지 중에서도 황화물계 전 고체 전지는 이온전도도 및 전극과의 계면 특성이 우수하고 플렉서블화가 가능한 장점이 있어 주목받고 있다.
친환경에 더 가까이, 플렉서블 태양전지Eco-friendly
태양전지는 태양의 빛 에너지를 직접 전기로 변환하는 반도체소자로 최근 지구 환경과 온난화 문제가 가시화되면서 신재생에너지인 태양전지에 대한 관심이 늘어나고 있다. 태양전지는 태양의 빛 에너지를 직접 전기로 변환하는 반도체소자의 일종이다. 태양전지를 기술 수준에 따라 1세대 실리콘 태양전지와 2세대 박막형 태양전지, 3세대 차세대 박막형 태양전지(연료감응, 유기, 페로브스카이트)로 구분할 수 있다.
기존 1세대 실리콘 태양전지나 유리 기판 기반의 2세대 박막형 태양전지는 무게가 무겁고 충격에 취약하여 제약이 많았다. 하지만 유연성 있고 가벼운 기판에서 제작된 플렉서블 태양전지는 형태를 변형시킬 수 있으며 가볍다는 장점을 바탕으로 굴곡이 있는 건물집적형 태양전지(BIPV: Building Integrated Photovoltaic System), 장비일체형 태양광발전시스템(DIPV: Device Integrated Photovoltaic System), 웨어러블 기기, 전기자동차, 우주항공 등의 산업 분야에서 새로운 가치를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.
최근에는 하이브리드형 3세대 페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 저렴한 비용, 유연한 형태로의 제조가 가능해 다양한 곳에서 경쟁적으로 연구개발이 이루어지고 있다. 단 상용화를 위해서는 안전성을 끌어올려야 하며 독성이 있는 납을 대체하는 물질이 개발되어야 한다.
플렉서블 태양전지 업체들은 극히 일부를 제외하고는 아직까지 테스트 제품의 개념으로 소량만을 생산하고 있고, 저마다 제조기술이 달라 차별화된 제품을 제조하게 될 것으로 예상된다. 따라서 다양한 용도 및 목적에 적합한 플렉서블 박막 태양전지 제품들의 시장 출시가 점차 증가할 것으로 전망된다.
접고, 펴고, 늘리는 것에 집중하다
focus on
현재 플렉서블 전자소자는 대기업을 중심으로 지속적인 성장이 이루어지고 있다. 반면 플렉서블 전자소재는 후방산업 분야로 주로 중견, 중소기업이 담당하고 있어 기술력과 인프라가 취약한 부분이 계속 문제점으로 부각되었다. 특히 국내기업에서는 플렉서블 전자소재 공정 및 성능 평가를 위한 인프라가 모자라 소재의 설계에서부터 평가에 이르는 전 주기적 기술지원을 위해 국가적 차원의 인프라 구축이 필요했다. 이에 따라 2015년, 산업통상자원부의 지원으로 플렉서블전자소재센터(FEMC: Flexible Electronics Materials Center)가 설립되었다.
플렉서블전자소재센터는 ETRI(주관기관), 한국화학연구원(참여기관), 충북테크노파크(참여기관) 등의 3개 기관으로 구성된 국내 유일의 플렉서블 전자소재 관련 전문센터로서, 플렉서블 디스플레이/태양전지/이차전지의 3가지 트랙으로 구성되어있다. 이를 바탕으로 각 기관이 보유한 인프라와 기술 역량을 연계하여 시제품 제작, 기술지원, 시험분석 평가, 예비인증 실장 평가까지 지원체계를 구축하고 국내 관련 산업에 기술지원을 수행하고 있다.
4차 산업혁명을 맞이하여 플렉서블 전자소재, 소자 산업의 중요성은 갈수록 더욱 두드러지고 있다. 플렉서블 AMOLED의 채택이 점차 보편화되고, 폴더블/롤러블 스마트폰, 롤러블 TV와 같이 새로운 폼팩터를 적용한 제품 개발이 가속화되면서 플렉서블 디스플레이의 중요성은 더욱 커질 전망이다. 추후 플렉서블 디스플레이 산업에서 글로벌 경쟁력 우위를 지속하기 위해 독점적 수익이 확보되는 새로운 시장을 창출할 수 있도록 스트레처블 디스플레이 기술의 선점이 중요하며, 이 분야에 대한 집중적인 연구개발 및 제품화 노력이 필요하다.
플렉서블 전자소재센터에서는 기존 구축된 인프라를 활용하여 플렉서블 전자소재, 소자 분야에 취약한 중소기업의 기술 경쟁력 향상을 도모하여 대기업과 중고시업 간의 협력을 통한 동반성장의 기반을 마련하고, 연구개발이 효율적으로 수행될 수 있도록 지속적인 기술지원을 제공할 것이다.
본 내용은
전자통신동향분석 36권 3호(통권 190)를 참고,
참고,
‘플렉서블 전자소재 산업 동향’
(박종문, 이수연, 노태문, 이정익, 이진호)을
재구성한 글입니다.
