[소부장 함께 달리기-퀀텀닷] '범부처 3각협력'으로 개발 가속도

산업부 등 3개 부처, 소재·부품·장비 R&D 기술공유 체계 구축
부처 칸막이없애 원천기술-응용-상용화사업 동시 추진

“OLED-TV를 지금 당장 살까? 가격이 더 내려가길 기다려 볼까?”

OLED 디스플레이의 ‘쨍한 화질’을 체험해 봤다면 한번쯤 겪기 마련인 고민이다. 전자제품 가격에는 중력의 법칙이 작용한다.

시간 지나면 예외 없이 가격이 떨어지니 기다리는 것이 맞겠지만 관전 포인트가 있다.

기술이 어떤 과정으로 진화하는지, 보다 업그레이드된 기술은 없는지, 모든 면을 고려할 때 어떤 제품이 가성비가 높을지 지켜보는 것이다.

현명한 선택을 돕고, 막연한 기다림의 지루함을 덜어줄 것이다.

LCD(또는 LED)-TV에는 꼭 들어가는 두 가지 부품이 OLED-TV에는 없다.

첫째, 액정 패널 뒤의 백라이트 유닛(BLU)이라는 별도의 광원이다.

OLED 디스플레이는 패널 뒤에서 형광등(CCFL)이나 LED전구로 빛을 비춰주지 않아도 패널 자체가 빛을 발한다.

LCD-TV와 LED-TV는 뭐가 다를까? 광원이 CCFL이면 LCD-TV라 부르고 LED면 LED-TV라 부른다. 즉, LCD-TV와 LED-TV는 패널(TFT LCD)은 똑같고 광원만 다를 뿐이다.

둘째, 액정 패널 앞의 컬러필터(Color Filter)다.

LCD-TV는 BLU가 액정 패널을 밝히면 그 빛이 패널 앞에 매우 얇게 부착된 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 RGB컬러필터를 통과하면서 색상을 보여준다.

OLED 패널은 액정 패널과 달리 이런 과정을 거치지 않고 패널 자체가 빛과 색상을 보여주기 때문에 영상의 전환이 신속하고 잔상이 없다.

LCD의 액정 패널은 검은 색을 표현할 때 액정 뒤 BLU의 빛을 가려야 하기 때문에 100% 검은색의 구현이 어렵다.

OLED는 패널의 발광소자에서 빛을 꺼버리는 방식으로 ‘올 블랙’을 보여주기 때문에 보다 명암비가 높고 선명한 영상의 구현이 가능하다.

또 OLED는 언제나 패널 뒤에서 빛을 밝혀야 하는 LCD보다 전력소모가 적다. BLU가 없어서 필름처럼 매우 얇게 만들어 자유자재로 말거나 접을 수도 있다.

LG의 롤러블TV와 삼성의 갤럭시Z 폴더블폰은 모두 OLED 패널이다.

그러면 OLED가 모든 점에서 LCD보다 우월할까? 꼭 그렇지는 않다.

OLED 패널은 적녹청 발광소자중 청색 소자의 수명이 짧아서 발생하는 번인(Burn-In) 현상이 생긴다. 현재 기술로는 막을 수 없다.

패널 자체를 바꿔야 해서 수리비도 많이 든다.

또 별도의 광원을 가진 LCD와 달리 야외나 밝은 실내에서는 상대적으로 흐릿하게 보일 수 있다.

무엇보다도 가격이 LCD패널보다 월등히 비싸다.

현재의 OLED 패널이 가진 문제점을 해소하고 가격을 낮춘 ‘퀀텀닷(양자점) 디스플레이’ 개발 작업이 민관 협력 연구개발(R&D)로 진행되고 있다.

디스플레이의 혁신성 이상으로 개발 작업 또한 혁신적이다.

디스플레이에 필요한 소재와 부품, 장비를 연계해서 동시 개발하는 방식이다.

2019년 일본의 반도체·디스플레이 핵심 소재와 부품 수출규제이후 국내 소재·부품·장비 경쟁력 강화 정책이 기적적인 성공을 거두었다.

이 때 각광받은 ‘소부장 이어달리기’의 시즌2가 ‘소부장 함께달리기’다.

기초기술부터 부품과 생산시설까지 정보를 공유하면서 최종 제품의 완성도를 동시에 추구해 ‘이게 아닌가벼’라는 시행착오를 줄이려는 취지다.

개발 기간도 획기적으로 단축시킬 수 있다.

이를 위해 산업통상자원부와 과학기술정보통신부, 중소벤처기업부와 각각의 산하기관인 한국산업기술평가관리원(KEIT), 한국연구재단(NRF), 중소기업기술정보진흥원(TIPA)이 고질적인 부처간 장벽을 걷어내고 협력하고 있다.

‘소부장 함께달리기’는 퀀텀닷 디스플레이를 비롯해 전력반도체와 유기섬유, 렌즈, 인쇄회로기판 등 5개 분야에서 스타트했다.

이중 ‘퀀텀닷 팀’을 이루고 있는 KAIST 이도창 교수(원천기술 개발-과기부 과제), 한국전자기술연구원(KETI) 한철종 박사(응용기술 개발-산업부 과제), ㈜파인랩 송진원 대표이사(상용화-중기부 과제)가 만나 의견을 나누고 OLED냐, 퀀텀닷이냐를 고민하는 미래의 소비자들에게 현재 개발중인 기술의 장점과 경쟁력을 소개했다.

3자 회동은 서울 세종대로 상공회의소 4층 한국산업기술평가관리원(KEIT) 서울사무소에서 이뤄졌다.

혁신 디스플레이의 핵심 기술은 ‘퀀텀닷 발광소자’다. ‘소부장 함께달리기 퀀텀닷팀’ 팀장 역할을 맡은 한철종 연구원이 퀀텀닷을 설명했다.

“퀀텀닷은 쉽게 말해 아주 미세한 돌가루의 일종입니다. 그런데 이 돌가루가 빛을 낼 수 있도록 성분과 크기를 조절하여 발광 물질을 만들어 낸 것입니다.

퀀텀닷은 카드뮴 또는 인화인듐으로 만들어진 나노크기의 극소형 반도체다. 외부에서 빛을 비추거나 전기를 연계시키면 적색, 녹색, 청색의 색채를 선택적으로 구현한다.

이 특성을 활용해서 기존 유기발광다이오드인 OLED를 대체할 수 있는, 무기나노 발광 디스플레이를 만드는 기술입니다.

현재 시중에서 판매되고 있는 OLED TV와 견주어 색을 더 정확하게 표현할 수 있는 특질, 즉 높은 ‘색재현율’ 덕분에 퀀텀닷은 크게 각광받고 있습니다.

또 LED나 OLED패널 같은 광원을 받아 색을 표현하기도 하는데 이를 ‘광발광소자’라 합니다. 또 전기를 공급받아 자체적으로 색을 표현하기도 합니다. 이를 ‘자발광소자’ 또는 ‘전계발광소자’라고 부릅니다.

즉 기존 TV 패널의 컬러필터 기능을 할 수도 있고, 퀀텀닷 자체가 나노입자 두께로 매우 얇으면서 탁월한 색재현율을 가진 패널이 될 수도 있는 거죠.

한철종 KETI 연구원

소부장 함께달리기 퀀텀닷팀에서는 과기부 과제를 수행하는 카이스트가 퀀텀닷의 소재를 만드는 기초기술 개발을 담당하고, 산업부 과제를 수행하는 KETI에서 신소재 퀀텀닷을 OLED 패널에 프린팅하는 잉크화 기술을 개발합니다. 이어 중기부 과제를 수행하는 파인랩에서 퀀텀닷을 합성하고 정제하고 캡슐화하는 중소기업 단위의 사업을 시행합니다.”

그러면 퀀텀닷이라는 소재는 과연 어떤 물질로 만들고 제품화를 위한 개발 과제는 무엇일까. 이도창 카이스트 교수의 답변이다.

“1세대 퀀텀닷은 카드뮴을 기반으로 개발됐는데 유독성이 있어서 상용화되지 못했습니다.

유독성 문제를 해결한 2세대 퀀텀닷은 인화인듐(InP)을 기반으로 개발돼 상용화에 성공했고 지금도 사용되고 있지만 색의 순도와 안정성에 한계가 있습니다.

이도창 KAIST 교수

3세대는 ‘포스트 인화인듐’을 기반으로 한 퀀텀닷인데 우리 팀의 개발 목표입니다.

개발에 성공하면 색재현성, 안정성이 2세대 보다 더 뛰어나고 가격경쟁력도 높아질 것입니다.

인화인듐은 청색을 표현하는데 한계가 있습니다. 향후 자발광(전기와 연결시킨 전계발광과 같은 의미)소자로 구성된 TV를 개발할 때 문제가 있습니다.

현재 사용되고 있는 광발광소자와 달리 자발광소자에서는 적색과 녹색, 청색을 낼 수 있는 소재가 각각 필요하기 때문인데요.

이 때문에 함께달리기 과제를 수행중인 과학기술정보통신부 연구진에서는 인화인듐을 대체할 ‘포스트 인화인듐 퀀텀닷’ 소재의 합성과 개발을 주제로 연구를 수행하고 있습니다.

이를 통해 궁극적으로 청색까지 자연스럽게 구현 가능한 자발광소자를 구현하고 제품화할 수 있는 기술을 개발하려 합니다.”

이 같은 첨단 기술은 중소기업에서 어떻게 상용 기술로 연결시킬 수 있을까. 중기부 과제를 수행중인 송 대표의 답변이다.

송진원 파인랩 대표이사

“중기부는 과기부와 산업부가 협력해 개발하고자 하는 3세대 포스트 인화인듐 퀀텀닷과 이를 잉크화하는 기술, 이와 별개로 2세대와 3세대 모두에 적용할 다량 생산기술을 목표로 합니다. 2세대 인화인듐, 3세대 포스트 인화인듐의 합성과 정제, 캡슐화 기술입니다.

저희 파인랩은 이중 정제기술을 사업화 수준까지 개발함으로써 소재의 상용화 시 나노입자의 균일한 품질을 보장하고, 이 과정에서 사용되는 유기폐액을 최소화시키는 것이 과제입니다.”

IT 기술에 관심있는 소비자들은 알겠지만 삼성전자의 QLED TV에도 퀀텀닷이 적용돼 있다. ‘함께 달리기 과제’를 통해 개발중인 퀀텀닷 기술은 이미 상용화된 QLED TV에 적용되는 것과는 어떻게 다를까? 한 연구원은 ‘적용되는 패널의 차이’라고 설명했다.

“함께달리기 과제에서 개발하고 있는 기술은 삼성전자의 QLED TV의 연장선상에 있는 것이라고 볼 수 있습니다.

QLED TV는 기존 LCD TV에 퀀텀닷을 소재로 한 컬러필터를 적용해서 LCD의 색재현성등 화질을 향상시킨 것이죠. 즉 LED를 광원으로 삼는 LCD 패널 위에 퀀텀닷으로 구성된 컬러필터를 입힌 것입니다.

함께 달리기 과제에서는 OLED 패널에 퀀텀닷을 적용해서 특성을 향상시키는 기술입니다. 명암비가 높고 잔상이 없는 OLED의 장점을 살리되 색재현성 등에서는 OLED보다 화질이 개선된 디스플레이입니다.

퀀텀닷이 가진 적용분야가 휴대폰이 아닌 TV이고요, LCD TV가 아닌 OLED TV의 미래 버전으로 보시면 됩니다.“

이 교수는 최종적으로 ‘광원의 차이’가 생길 것이라고 설명했다. 퀀텀닷이 전기와 연결하면 스스로 발광하고 색을 재현하는 특성을 살려 BLU가 없는 퀀텀닷 디스플레이를 만들 것이라고 했다.

“현재 시중에 QLED TV로 판매되고 있는 제품의 구동방식과 함께달리기 과제를 통해 연구개발하고자 하는 퀀텀닷을 통한 디스플레이 구현방식은 차이가 있습니다.

현재의 QLED TV에서는 백라이트유닛이 있고 퀀텀닷 소재가 들어가 있는 필름에서 청색광을 흡수하여 적색과 녹색을 발광하는 형식인 광발광 방식을 쓰고 있습니다.

백라이트유닛만큼의 두께를 줄이고, 광손실을 줄여 더 에너지 효율이 높은 디스플레이를 얻기 위해 전기를 연결시켜 자체 발광하는 자발광 또는 전계발광 소자로 디스플레이 장치를 구현할 수 있는데요.

함께 달리기 과제에서는 이러한 전계발광소자에 적합한 퀀텀닷을 생산하는 기술개발을 목표로, 적색과 녹색뿐 아니라 청색도 발광할 수 있으면서 백라이트유닛이 필요 없는 차세대 디스플레이용 소재 개발이 목표입니다.”

퀀텀닷 디스플레이의 시장성은 어떨까. 송 대표는 매우 긍정적으로 전망했다.

“퀀텀닷 디스플레이는 기존 OLED 보다 색재현율, 발광 효율 및 신뢰성 등 제품의 성능에서도 뛰어납니다.

잉크젯 등 용액공정으로 생산 가격을 낮출 수 있는 소지가 큽니다.

따라서 시장 잠재력이 매우 높은 기술입니다.

특히 프리미엄 TV의 대안 기술로써 접근해 나아갈 예정이며 OLED TV시장을 크게 양분할 것으로 보여집니다.

퀀텀닷 소재가 적용되어 질 수 있는 분야는 LCD, OLED, LED, μ-LED 등 디스플레이를 구현하는 거의 모든 광소재에 적용이 가능하며, 나아가 디스플레이뿐만 아니라 조명, 바이오 분야 등 광특성을 이용하는 다양한 분야에 활용이 가능함으로써 시장규모는 OLED 시장 규모을 압도할 수 있을 것이라 전망됩니다.”

왼쪽부터 과기부 과제를 맡은 KAIST 이도창 교수, 중기부 과제를 맡은 파인랩 송진원 대표, 산업부 과제를 맡은 한국전자기술연구원(KETI) 한철종 박사. 팀장인 한 박사를 비롯한 3명의 퀀텀닷 R&D 팀원이 모여 퀀텀닷 기술에 대한 소개와 그동안의 협력 성과를 이야기하고 있다.

소부장 함께달리기라는 협력방식은 그동안의 산학연 연계방식 공동개발과 비교해 어떤 강점이 있을까? 한 연구원은 ‘원활한 기술 이전’을 꼽았다.

“우리 세 기관으로 이뤄진 팀은 전체 연구조직의 일부일 뿐입니다.

현재 국내 거의 모든 퀀텀닷 관련 연구기관, 학교, 기업들이 참여해 개발 플랫폼을 공유하고 있습니다.

표준 퀀텀닷을 과기부 컨소시엄에서 일차 개발하고 이를 중소기업에 기술 이전해 합성 정제기술을 개발해 시양산 하고 있으며, 이를 표준 퀀텀닷으로 전체 컨소시엄에 개발을 진행하고 있습니다. 그 전까지는 계약에 묶여 개발을 위한 퀀텀닷이 원활하게 공급되기 어려웠습니다.

함께 달리기 매트릭스 내에서는 기술이전을 매우 장려하고 있습니다.

실제로 참여기관인 성균관대에서 파인랩으로 퀀텀닷 정제기술이 이전되었고, 홍익대학교에서도 두군데 중소, 중견기업에 기술이전을 하고 있습니다.

이렇듯 다양한 기술이전을 통해 전체적인 우리나라 기업의 기술수준이 향상될 것입니다. 또 수요기업에서 제시하는 표준 공정을 받아들여 개발을 진행함으로써 시행착오를 최소화 하며 개발기간을 단축할 수 있는 시너지 효과가 날 것입니다.”

이 교수는 ‘기술개발 기간의 단축’을 꼽았다.

“그동안 원천기술-응용기술-상용화기술을 순차적으로 지원하는 ‘이어달리기 트랙’과 같은 부처 간 협업 노력은 지속돼 왔습니다.

이번에 진행하는 함께 달리기 트랙은 이어달리기 트랙과는 다르게 원천기술-응용기술-상용화기술 개발을 동시에 추진한다는 점에서 눈여겨 볼 만합니다.

보호무역주의와 같은 국제 흐름에 대응하기 위해서는 국내 소재부품장비 품목의 국산화가 시급한 시점인데, 함께 달리기 트랙은 원천기술 개발부터 사용화까지의 기간 단축을 가져올 수 있어서 이 부분이 가지는 의미가 크다고 생각합니다.“

퀀텀닷 팀장인 한 연구원은 그동안의 협업과정을 ‘스피드스케이팅 팀추월’ 종목에 비유했다. 또 기술개발을 보다 촉진시킬 제도적 뒷받침을 제안하기도 했다.

“과학기술 개발이 원활하게 이루어지기 위해서는 가장 중요한 것이 정보의 공유입니다. 그래야 같은 실수를 반복하지 않고, 원하는 목표를 향해 빠르게 나아갈 수 있습니다. 이를 위해서는 최대한 같은 목표를 가진 큰 컨소시엄이 구성되고 협력 체계를 구축해서 같이 정보를 공유해야 앞으로 나아갈 수 있을 것입니다.

항상 연구 주체별 각자 연구가 이루어져 파편화되고 ‘연구의 섬’ 현상이 심했었는데 이러한 큰 컨소시엄 구축을 통해 벌써 많은 정보들이 공유되고 빠르게 실력이 상향 평준화되고 있습니다.

협업과제를 한 마디로 정의한다면 스피드스케이팅 종목 중 유일한 단체종목인 ‘팀 추월’과 같은 느낌입니다. 마지막으로 들어오는 선수의 기록이 팀 기록이 되는 만큼 혼자 앞에서 모든 풍압을 견디기 보다는 구간별로 기량에 따라 순서를 바꿔가며 팀 속도를 조정하고 함께 호흡을 맞춰야 전체 팀이 승리할 수 있습니다. 선수들의 실력이 엇비슷해야하고 팀워크가 중요합니다.

저희 함께달리기 팀은 소재 전문가팀, 소자 전문가팀, 분석전문가 및 공정전문가 팀들이 서로 적극적으로 상호 부족한 부분들을 메꾸어 주고 있어 효율적으로 과제가 진행되고 있다고 생각합니다 .

끝으로 협업을 위한 컨소시엄내에서 지금보다도 기술이전이 보다 원활히 이뤄질 수 있는 기업 회계기준상의 제약 완화 등 제도 개선이 이뤄진다면 한층 더 커다란 시너지가 발휘될 수 있을 거라 봅니다.”

글·사진=이창훈기자 / 영상=손성봉연구원

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