IT 기획시리즈 IT 와전통산업간융합 18 20 주간기술동향통권 1475 호 2010. 12. 8. OLED 조명기술동향 추혜용 ETRI OLED 조명연구팀팀장 hychu@etri.re.kr 이정익, 유병곤 ETRI 신소자소재연구부 1. 개요 2. OLED 조명의국내외동향 3. 향후전망및결언 1. 개요세계는지금기후변화에의한환경위기와고유가에의한자원위기에직면해있다. 특히, 기후변화문제는연이은기상재해를유발하는것은물론, 생태계질서를근본적으로뒤흔들며인류의생존을위협하고있다. 이로말미암아국제사회에서기후변화에공동으로대처하기위한노력이최우선국제의제로논의되고있다. 우리나라는세계 10 대에너지소비국이다. 그런데이에너지의 97% 를수입에의존하고있으며, 향후온실가스의감축의무가부과될경우, 우리나라경제가안게될부담은상상이상일수있다. 이러한환경적, 사회적변화에대응하는 저탄소녹색성장 (Low Carbon Green Growth) 이우리의미래와발전을가늠하는척도가되고있다. 전세계는온실가스의배출을줄이기위한방안의하나로에너지소비의약 20% 를차지하고있고, 연각 17 억톤의이산화탄소를배출하고있는조명의고효율화를위한노력이다각적으로이루어지고있다. 1879 년에디슨에의해발명되어현재까지사용되고있는백열등은저렴한비용과다양한용도로인해일반조명용광원으로가장많이사용되고있으나, 효율특성이 20lm/W 에불과하여세계각국에서사용규제를논의하거나의결하고있다. 한편, 1938 년에개발되어효율이백열등의 7~8 배인형광등은적은열발생과저전력소모로인해지금까지꾸준히사용되고있으나, 수은 10~50mg 과납 10.8~12.4 % 가함유되어있어중금속사용규제 (RoHS, WEEE) 로인해그사용이규제될계획이다. 앞서업급한바와같이기술발전과경제적, 사회적환경변화를고려할때, 미래의조명은 * 본내용과관련된사항은 ETRI OLED 조명연구팀추혜용팀장 ( 042-860-6031) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 NIPA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 22
IT 기획시리즈 IT 와전통산업간융합 20 ( 그림 1) 조명의메가트랜드 4 가지트랜드를중심으로발전해나갈것을예측된다. 먼저, 조명의에너지절감화이다. 에너지비용의상승압박에따라각국정부의관심이에너지절감, 특히조명용전기에너지절감에쏠리고있다. 전세계전기에너지의 20%( 선진국의경우 25%, 우리나라의경우 20%) 를차지하고있는조명에소비되는전기에너지는잠재적인절감폭이크기때문에조명의효율화및제어시스템의개선을통해에너지절감을추진하고있다. 두번째는조명의친환경화이다. 쿄토의정서가발효된데이어 EU 의유해물질금지법 (RoHS, WEEE) 시행에따라납이나수은을함유하지않는친환경조명제품개발이중요한화두로떠오르고있다. 또한, 조명에태양전지나풍력등재생가능에너지를접목시킨친환경제품들도등장하고있으며, 가로등, 버스정류소지붕, 바닥블럭등, 지중매입등, 바닥및벽유도등등의용도에적용되고있다. 이러한제품은에너지절감과유지관리비절감등의장점으로인해공공용시장을중심으로꾸준히성장해나갈전망이다. 세번째로는조명의인간친화적감성화이다. 최근들어조명을통해소비자가자신이머무는공간을아름답게꾸미는것외에밝은느낌이나편안히쉬는느낌, 심리적안정감, 집중력향상등심리적인효과도함께얻기를원하며디자인, 색감등의변화를통해다양한분위기를표현할수있어야한다. 네번째로는조명의지능화이다. 수동적인개념의전통조명에서무선센서네크워크를기반으로하여환경, 감성의변화에따라광량, 광색온도, 광색등을조절할수있어에너지절감뿐만아니라농수산의수확확대, 정보통신등의최적의조명환경을구현하는능동적인조명으로진화하고있다. 따라서, 반도체기술을기반으로하여유비쿼터스환경에부합하는환경- 조명, 감성- 조명간의양방향정보교환의능동적인조명제어기술과조명과통신, 네트워크기술등 23
주간기술동향통권 1475 호 2010. 12. 8. 200 150 White LED Lamp Linear Fluorescent 100 50 HID Low High Wattage Wattage Incandescent Compact Fluorescent Halogen White OLED Panel 0 1940 1960 1980 2000 2010 ( 연도 ) ( 그림 2) 광원별효율특성발전추이 과의접목을통해농ㆍ생명, 해양ㆍ수산, 에너지기술과연계한 IT 융합조명기술로진화하고있다. 백열등, 형광등, HID 와같은전통적인광원들은지난 60~120 년동안광원의고효율화를위한연구가꾸준이이루어져왔으나그한계에다다르고있다. 이에따라앞서기술한조명의발전추이에부합하기위해차세대고체조명 (Solid State Lighting) 인 LED(Light Emitting Diode) 와 OLED(Organic Light Emitting Diode) 에대한연구가활발하게이루어지고있으며, 2020 년에 LED 와 OLED 가각각 200lm/W, 150lm/W 급의효율특성을확보하는것을목표로하고있다. 2. OLED 조명의국내외동향 이중에서도 OLED 기술은지금까지는자발광형디스플레이로활용되어왔으나, 수은, 납등 ( 그림 3) OLED 발광원리및구조 24
IT 기획시리즈 IT 와전통산업간융합 20 의중금속을사용하지않아환경친화적이며, 고효율광원으로의가능성이높아차세대조명으로 주목받고있다. OLED 는 ( 그림 3) 과같이양극 (Indium Tin Oxide: ITO) 과음극 (Cathode Meatla Layer) 사이에기능성박막형태의유기물반도체층이삽입되어있는구조로, 양극에서정공이 주입되고, 음극에서전자가주입되어유기물층내에서이동하면서유기물층에서전자와정공이 만나빛이발생되는발광소자이다. OLED 조명은디스플레이와는달리 TFT 백플레인이필요하지않으며, 백색광의단일픽셀 로패널을구성하는하는것이가장큰차이점이다. 이러한차이점으로인해초고속공정과유 기소재소비효율을극대화할수있으며, 이러한기술의개발이기존광원과의가격경쟁력확보 를위해반드시선행되어야한다. < 표 1> OLED 디스플레이와 OLED 조명의차이점구분 AMOLED 디스플레이 OLED 조명비고 구조 -TFT Backplane 필요 - RGB 픽셀필요 -TFT 필요 - 백색광의단일픽셀로구성 OLED 특성 - 색온도 : 6,000~10,000K - 효율 : 10~20lm/W - 연색성 : 고려안함 (<60) - 시야각 : 지향광 - 색온도 : 3,000~6,000K - 효율 : 12~100lm/W - 연색성 : >70 - 지향성 : 확산광 제조장비호환성 - 픽셀구성을위한기능필요 - 공정시간 : 현 4 분 (<2 분목표 ) - 유기소재소비율 : 현 15%(40% 목표 ) - 2 세대형생산장비로양산중 - 5.5 세대형생산장비개발중 - 픽셀불필요 - 공정시간 : 1 분요구 - 유기소재소비율 : >50% 요구 (70% 목표 ) - 2 세대설비로파일럿생산 - 5.5 세대이상장비개발예정 디스플레이용장비로조명용패널의제조는가능하나원가를낮출수없음 OLED 는백열등, 형광등, LED 등과는달리면광원형태로제작이가능하며, 약 1.0~2.0mm 의두께를갖는얇은광원으로제작이가능하다. 타광원을이용하여면광원화하는과정에서소요되는부가적인부품이필요하지않으며, 효율, 연색성감소와같은문제점이없어면광원이요구되는실내조명으로응용면에서는매우큰장점이있다. 또한, 발열이없으며, 다양한색상을구현할수있고, 디밍이가능하여에너지절감효과가있다. 이와같은잠재발전가능성으로인해선진국및조명선진업체는 2000 년초반부터원천기술확보에주력해왔다. 조명선진국인미국, 유럽, 일본등에서는 2000 년부터 OLED 조명기술확보를위한전략적투자가이루어지고있으며, 주요국가별주요프로젝트현황은다음과같다. 미국은에너지성 (Depart Of Energy: DOE) 의지원하에 Next Generation Light 프로젝트의일환으로 2000 년부터 OLED 조명을위한기술개발이이루어지고있으며, 2009 년까지투입된전체연구비의약 46% 이상을 OLED 조명의핵심기술개발에투입하면서 2015 년까지 25
주간기술동향통권 1475 호 2010. 12. 8. < 표 2> 조명용광원별특성비교 구분 OLED LED 형광등 백열등 면광원 점광원 선광원 원광원 특징 광원효율 (lm/w) 50 100 ~70 20 연색생 >80 80 80~85 100 수명 ( 시간 ) >20,000 100,000 20,000 1,000 Dimmable Yes, efficiency increase Yes, efficiency increase Yes, efficiency increase Yes, but much lower increase Safety None to data Very Hot Contains Hg Very Hot Noise No No Yes No 단가 ($/Klm) 24 100 10 1 +/- 다양한형태등기구화효율우수 고휘도 ( 신호등, 자동차, LCD 백라이트 ) 저렴한가격 저렴한가격 100lm/W 의효율과 10$/klm 가격을목표로 Philips, GE, OSRAM, Universal Display Co., Dow Corning Co. 등이참여하고있다. 2010 년에는 DOE 가 40.6 만달러의연구비를투자하여총 35 개의프로젝트가수행되고있다. 특히, UDC(Universal Display Co.) 사는인광소재의원천기술을기반으로 100lm/W 급의고효율특성을보고하며, OLED 조명의고효율화가능성을제시한바있다 [1]. 유럽은오스람, 필립스등이중심이되어컨소시움을형성하여 OLED 광원의고효율화, 저가격화, 투명광원개발, Roll-to-Roll 공정및소재개발등의다수의프로젝트들이수행되고있다. 제 7 차 EU Framework Programme(FP7) 의일환으로수행되고있는 OLED100.eu 프로젝트는 2011 년까지 100lm/W 급의효율특성과 100 /m 2 급의패널가격확보를목표로오스람, 필립스등이중심이되어한 15 개산ㆍ학ㆍ연의연구기관이참여하며, 36 개월동안총 19.96 만유로의연구비가투입되고있다 [2]. 독일은정부의 BMBF 프로그램에따라 NEMO(New Materials for OLEDs from solutions), LiLi(Lighting inline), So-Light 등다수의프로젝트가수행되고있다. NEMO 프로젝트는용액공정을통해대면적 OLED 구현을위한소재 / 소자 / 공정기술개발을목표로 Merck KGaA, DELO 등 11 개산ㆍ학ㆍ연기관이참여하며 32 개월동안총 31.8 만유로의연구비가투입되고있다 [3]. 영국은정부지원하에 TOPLESS(Thin Organic Polymer Light Emitting Semi-conductor 26
IT 기획시리즈 IT 와전통산업간융합 20 Surfaces) 프로젝트가 2008 년부터 2010 년까지 3 년동안 3.3M 의연구비가투입되고있으 며, 영국의대표조명회사인 Thorn Lighting 을중심으로 Sumation, Durham 대학등이참여하 여 polymer 소재를기반으로 20lm/W 의백색 OLED 개발을목표로한다 [4]. 일본은 OLED 기술의종주국임을자처하며, 산업기술총합개발기구 (NEDO)/ 산업기술진흥기 구주관으로 BLU 및조명용 OLED 광원개발을목표로미쓰비시중공업과 IMES 등의 OLED 조명관련업체들이컨소시움을형성하여 2004 년 4 월부터 2011 년 3 월까지 43 억엔의연구 비가투입되고있다 [4]. 각국가별기술개발현황은 < 표 3> 과같다 [5]. < 표 3> 각국가별주요프로젝트및산업체현황 국가 주요기술개발현황 산업체현황 DOE project GE KODAK UDC 미국 - Next Generation Lighting - 플렉서블 OLED - OLED 소자원천 - PHOLED 원천기 - 2009 년전체투입연구비의 46.8% 투자광원개발중기술확보술확보 -2012 년 100lm/W, 50S/kl, 300s/m 2-2015 년, 150lm/W, 10S/klm, 90S/m 2-2010 년양산투자계획 - LG 그룹과라이센싱체결 - 2011 년양산계획수립 유럽연합 일본 한국 DOE100.eu - Osram 등 12.5m /3Y - 2012 년, 100lm/W, 50S/kl, 150S/m 2 BMBF froject( 독 ) - NEMO: 가용성유기소재개발, 32m /2.5Y - Solight: Novaled, 기술, 응용, 14.7m * 례 7 call: OLAE 2011~2012 년 NEDO project - 2004~2011 년 43 억엔투입 - 2012 년, 670/kl, 10,000/m 2 최첨단연구개발지원프로그램 - 고효율조명용소재 / 소자개발지원 OLED 조명사업화 : 공정 / 장비개발 감성조명용투명 / 색가변 OLED 개발 조명용고효율광원개발 OSram Philips Novaled - 세계최초 OLED 조명시판 (2007 년 ) - Orbeos 광원시판 (2009 년 ) - Lumiblade, Tech, Kit 시판 (2009 년 ) - OLED 소재 / 소자원천기술확보 - 조명용소재개발 / 생산 Tohoku Devlces Konlca Mlnolta Lumiotec - OLED 광원시판 (2009 년 ) - 양산설비투자계획확정 (2009 년 ) - 2011 년 OLED 광원양산계획 LG 화학삼성 SMD 금호전기 - 2010 년광원양산용설비투자계획수립 - 광원기술개발중 - 조명기술개발중 전통조명산업을주도하고있는조명선진사인오스람, 필립스와 OLED 조명생산을목적으로설립된루미오텍 ( 일 ), 블렉바디 ( 프 ) 등이본격적으로제품을출시하며, OLED 조명시장을선도하고있다. ( 그림 4) 와같이각산업체들은 2011 년까지시장에진입하여 2012 년에는본격적인시장이형성될것으로예측하고있다 [6]. 각주요산업체별현황및상용화전략을살펴보면다음과같다. 오스람은세계최초로 OLED 스탠드조명제품을출시함으로써 OLED 조명시장을선도하 27
주간기술동향통권 1475 호 2010. 12. 8. OSRAM Philips Lumiotec GE Konica Minolta Others 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 ( 연도 ) Sample/small volume product Announced for mass prodction < 자료 >: DisplaySearch 2009. ( 그림 4) 각산업체별상용화일정 고있다. 세계적인조명디자이너인잉고마우러와더불어감성적인조명시제품들을선보이며예술적감성을부가하여예술적프리미엄을갖는조명으로마케팅하고있다. 또한, OLED 기술만으로구현가능한투명한광원을이용하여타조명과의경쟁력을확보하기위한노력도기울이고있다 [7]. ( 그림 5) 오스람의 OLED 조명제품 필립스사는 LumiBlade 라는브랜드의 OLED 조명 kit 상품을판매하며본격적으로시장 진입을준비하고있다. 유리를기반으로다양한컬러의모양을갖는광원을이용하여응용성을 ( 그림 6) 필립스의 LumiBlade OLED 조명용 kit ( 좌 ) 및인터렉티브조명시제품 ( 우 ) 28
IT 기획시리즈 IT 와전통산업간융합 20 다양화하려는노력과더불어 IT 기술과융합하여교감형 (Interactive) 조명을시연함으로써미래형조명으로새로운모델을제시하기도하였다 [8]. 블렉바디 (Blackbody) 는 OLED 조명의평판형과측면방사를활용한제품을출시하며적극적인시장을개척해나아가고있다 [9]. ( 그림 7) Blackbody 사의 OLED 조명제품 루미오텍 (Lumiotec) 은미쓰비시중공업, 롬 (Rohm), 토판프린팅, 三井物産, Junji Kido 교수등이공동설립한회사로 OLED 패널을생산판매하고있으며, 2012 년에는 5,000 엔, 2015 년에는 1m 2 당 10,000 엔수준으로인하할계획을수립하고있다 [5]. GE 는 2007 년 Konica Minolta 와파트너십을맺으며 Roll-to-Roll 제조공법을적용한플렉서블 OLED 조명제작을시현함으로써저가형 OLED 조명의가능성을제시한바있다 [10]. 한편, 국내에서는 2006 년부터정부지원하에조명용고효율 OLED 면광원, 저가형광원, 감성조명용광원개발을위한프로젝트가 ETRI, 생산기술연구원를중심으로수행되고있으며, 저가격생산을통해경쟁력을확보하고, 생산장비핵심기술의국산화를위해 4 세대이상급장비개발과인프라구축사업이추진되고있다. ( 그림 8) ETRI, 70lm/W 백색 OLED 및 2010 년도 OLED 조명디자인공모전대상작 Plug & Combination 29
주간기술동향통권 1475 호 2010. 12. 8. 특히, ETRI 는 70lm/W 이상의효율특성을갖는백색 OLED 광원을발표한바있으며, OLED 조명디자인공모전을개최하여, OLED 조명에대한기술을홍보하고우수한디자인을발굴하여 조명산업의경쟁력확보를위한노력을기울이고있다 [11]. 3. 향후전망및결언앞서기술한바와같이전통조명산업의선진국및선진기업이앞다투어 OLED 조명의조기상용화를위한기술개발이추진되고있다. OLED 조명의원가예상치를조사발표하고공정설비이외에부품소재의원가비중을보면유기소재, 봉지 (encapsulation), 기판, 전극순으로나타나고있다 [1]. $ per m 2 300 250 200 150 100 50 OUTCOUPLING EQUIPMENT LABOR Yield Encapsulation ORGANICS Anode/Cathode Substrate 0 Gen 4 Gen 6 Substrate size ( 그림 9) OLED 광원의가격예측 따라서, 제조원가경쟁력을확보하기위해서는유기소재의사용량을최소화할수있는패널구조및소비효율을극대화할수있는공정장비개발이요구된다. 마쓰시타중공업, 코닥, Applied Materials 등에서유기소재소비효율이 50~70% 인증착장비및증착원의개발이이루어진것으로보고되고있어 OLED 조명을위한증착장비및공정개발이가속화되고있다. 최근, 미국 DOE 에서발표한 OLED 조명제조공정로드맵에의하면 < 표 5> 와같이 2011 년에는 400 500mm 의유리기판으로연간 7km 2 의광원이생산되어초기시장이형성된후, 기술향상및설비투자의급격한증가 2013 년에는 730 920mm 의유리기판으로연간 100km 2 의광원이생산될것으로예측되고있다 [1]. OLED 조명은인간친화적이고감성적인광원으로시장에진입하여실내용조명으로백열등과형광등의빈자리를채워갈것으로기대되고있다. 특히, 초박형의평면광원의장점을살려건축, 가구, 교통, 의료분야에접목되어고부가가치의조명산업으로발전할전망이다. 전세계 30
IT 기획시리즈 IT 와전통산업간융합 20 OLED 조명시장은 2012 년에본격적으로형성되어기하급수적으로시장이증가하여 2015 년 에는 6 조원규모에달하고 [12], 전세계광원시장의약 4.2% 를점유할것으로예측되고있 다 [13]. < 표 4> OLED 조명제조로드맵 Stage A B C D Year 2011 2012 2013 2014 Luminance Cd/m 2 1,000 1,500 2,500 4,000 Substrate Dimensions Mm 400 500 550 650 730 920 1,500 1,800 Product Area m 2 0.14 0.27 0.54 1.08 Cycle Time Sec 240 180 120 60 Yield % 0.6 0.75 0.9 0.95 Annual Uptime Hours 5,000 6,300 6,900 7,500 Annual Production Km 2 7 26 100 460 Investment $M 30 50 80 125 Annual Labor Cost $M 5 5 5 5 < 자료 >: DOE SSL Manufacturing Workshop, 2009. OLED 조명의산업가치사슬은 OLED 패널을중심으로전후방산업으로구성되어 OLED 디스플레이의산업가치사슬과동일하다. 특히, 전세계 OLED 디스플레이의 85% 이상을생산하고있는우리나라로서는 OLED 조명산업이본격적으로형성될경우생산강국으로자리매김할가능성이매우높을것으로예측된다. 따라서, 해외산업체들이국내 OLED 조명기술개발및산업동향에촉각을곤두세우고있다. OLED 조명은미래조명의발전트랜드에부합하여조명의패러다임을바꿀수있는차세대 100% OLED LED 백열등형광등 80% 60% 40% 20% 0% 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 ( 그림 10) 일반조명용세계광원시장점유율전망 31
주간기술동향통권 1475 호 2010. 12. 8. ( 그림 11) OLED 조명의향후전망 조명으로관심이집중되고있다. OLED 조명은많은장점에도불구하고상용화를위해서는가격이외에도효율, 수명, 색안정성, 대면적화등이중요한이슈가있으며, 이를해결하고자하는다각적인노력이이루어지고있다. OLED 조명산업의육성을위해관ㆍ산ㆍ학ㆍ연이힘을합친다면우리나라는조명산업의강국으로거듭날수있을것으로기대된다. < 참고문헌 > [1] www.eere.energy.org [2] www.oled100.eu. [3] www.delo.de [4] A. Mikami, LED/OLED Lighting Tech. Expo, L7-3, 2009. [5] 추혜용, 전자통신동향분석제 24 권제 6 호, 22, 2009. [6] www.displaysearch.kr, Display [7] www.osram-os.com, Alfred Felder, LED/OLED Lighting Tech. Expo,L-K-2, 2009. [8] www.philips.com, Dale Work, LED/OLED Lighting Tech. Expo,L-K-4, 2009. [9] www.blackbody-oled.com [10] Zoltan Vamos, LED/OLED Lighting Tech. Expo,L-K-3, 2009. [11] www.oleddesign.com [12] www.yano.co.jp [13] 유비산업리서치, 2010 년 OLED 연간보고서, p.100. 32