컬러 필터의 현황 및 투자 전략(초안)

디스플레이 컬러 필터에 대한 기술 현황 분석 및 투자 전략

- KISTEP (한국과학기술기획평가원) 요청

 

 

        1. 품목 개요 (대일 의존도: 5O%, 품목 원료 의존도: 7O%)

 

        1-1) 품목의 정의 및 특징

 

• 컬러필터는 백색광에서 적색, 녹색, 청색 3가지 색(또는 청색에서 적색, 녹색)을 추출하는 도료나 안료가 들어있는 수지막으로 박막 필름형 광학부품임. 한 화소의 크기가 수십에서 수백 마이크로 정도로 사람의 눈으로는 구분하기 어려워 마이크로 컬러 필터라고도 함.

• 제조시 사용되는 유기물의 재료에 따라 안료 방식과 염료 방식이 있으며, 제작 방법에 따라 분산법(색소 산포), 염색법, 인쇄법(프린팅), 전착법(전기 증착) 등으로 분류할 수 있음.

• 투명 유리, 블랙 매트릭스(Black Matrix, BM), 컬러층, 투명 보호막(Overcoat), 투명전극으로 구성됨.  (블랙 매트릭스: 바둑판 모양의 검은 색 광 차단막으로 (부)화소들간의 색 경계선 역할을 하여 각 (부)화소의 개별 색깔들이 서로 섞이지 않도록 함.  또한 최적의 명암비를 위하여 반사율이 낮아야 함.  투명 보호막: 투명 아크릴, 폴리우레탄, 폴리이미드 레진 등이 사용되며 표면 거칠기, 내구성, 화학적 저항성 등을 개선함.)

• 필터 표면은 컬러 순도를 최대화하고 색 번짐을 최소화하기 위하여 표면 거칠기가 낮아야 함. 또한 기판에 강하게 고정되어 있어야 하며 빛에 민감하지 않아야 함.  디스플레이 셀의 액정 물질을 오염시키지 않도록 물질적으로도 안정되어야 함.

• 컬러 필터는 패널의 부품이자 개별 공정을 거쳐 제작되는 반제품 성격을 가짐.  50인치 이상의 LCD(Liquid Crystal Display)의 경우, 백라이트 유닛, 편광판에 이어 높은 원가 비중(11.6%)을 차지하고 있는 반면에, 백색 OLED(White Organic Light Emitting Diode, WOLED)에서는 원가 비중(0.8%)이 낮음.  (IHS, 한국투자증권, 산업분석 In-depth 디스플레이 소재, 2018년 7월 5일)

• 최근에는 무기물인 양자점(Quantum Dot, QD)을 사용한 컬러 필터가 연구 개발되고 있으며 이는 프린팅 공정 방식을 통해 원가 절감의 이점도 있음.

   

  1-2) 품목이 적용되는 제품

   

• 대부분의 LCD와 WOLED 제품에서 주로 사용함.

• 삼성의 QLED TV, 즉 QD-LCD에서 적용되며, 향후 생산 예정인 QD-OLED에서는 양자점을 적용한 컬러 필터(이하, QD 컬러 필터)가 탑재될 전망임.  현재 알려진 바에 따르면, QD 컬러 필터의 제조에는 잉크젯 프린팅 방식이 적용될 가능성이 높으며, 따라서 컬러 포토레지스트의 의존도는 감소할 가능성이 있음.  잉크젯 프린터 장비 업체로는 Kateeva(미국)와 Tokyo Electron(일본)이 있으며, QD 봉지장비, 열처리 장비 등은 세메스, 원익IPS, 테라세미콘 등의 국내 기업에서 제작 가능함.

• LG디스플레이의 LCD와 WOLED TV의 경우, 컬러 필터들은 컬러 포토레지스트를 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝하는 방식으로 제작되고 있음.  핵심 소재인 컬러 포토레지스트, 밀 베이스 등은 JSR, Toppan 등과 같은 일본 기업을 통해 수입하고 있음.

   

  1-3) 품목의 시장 규모 (또는 적용제품의 시장규모)

   

• 2017년 기준 전 세계 컬러 필터 시장 규모는 14.6억 달러임.

• 2017년 기준 국내 컬러 필터 시장 규모는 5.6억 달러임.

  (이상 자료: Markets and Markets, Display Material Market, 2018년)

   

  1-4) 품목을 구성하는 세부핵심 기술 또는 Spec.

• 내광성 항목: 200만 Lux·시간 이상 UV필터를 갖춘 수은-제논 램프에 노출 후 ΔEab 3 이하

• 내열성 항목: 250℃에서 1시간 후 ΔEab 3 이하

• 내화학성 항목: 디스플레이 공정 중 접하게 되는 약품(ex. NMP, IPA 등)과 산·염기에 대한 저항성

• 반사율 항목: BM 반사율 5% 이하

• 색재현율 기술: CIE 좌표 기준 NTSC Gamut 100% 이상 (OLED의 경우 107%)

• 평탄성 항목: 0.2㎛ 이하, ΔEab(색채변화) 3 이하

• 기타 항목: 고온, 고습, 저온 등에 대한 안정성 ΔEab 3 이하

   

  2. 기술 수준 및 격차

   

  2-1) 국내 주요 플레이어

   

• 동진세미켐, 삼성디스플레이, 삼성전자, 세우기업, 이리도스 제일모직, 한국알콜산업, LG 디스플레이, LG화학(이상 레지스트), 씨앤에이인더스트리, ENF테크놀로지, SKC 하이테크앤마케팅(이상 밀베이스), 한국화학연구원, 경인양행 (이상 색채 연구)

• 해당 품목의 국내 TRL 수준 : TRL 8 단계 (작성자의 판단)

  (TRL 1~3 : 기초 단계, TRL 4~6 : 개발 단계, TRL 6~ : 실증 단계, TRL 8~ : 상용화 단계)

   

   2-2) 해외 주요 플레이어

• 일본: 도시바, 미쿠니색소, 산요, 스미토모화학, 토요잉크, 호도가야, DIC, DNP, Japan Science Engineering, JSR, TOPPAN, TORAY 등

• 일본 외 선도국: MERCK(독일)

   

  2-3) 해외 선도국 대비 정성적 기술 수준 및 격차 (2년)

   

• 현재 디스플레이에 적용되는 컬러 필터의 생산 기술은 일본과 동등 수준이나 컬러 포토레지스트의 기초 원료는 70% 수준이며 개발격차는 2년 정도임.

   

  2-4) 해외 선도국 대비 기술 격차 사유

   

• 디스플레이 컬러 필터 기술 관련 특허 수의 경우 일본이 한국에 비해 현격하게 높아, 국내 기술 개발을 통한 경쟁력 제고가 필요함.  현재 디스플레이에 적용되는 컬러 필터 생산의 경우 LCD 시장이 감소함에 따라 모듈을 생산하는 국내 대기업에서 내재화를 진행해온 결과로 국산화율이 높아졌기 때문에 생산 기술 수준은 동등하지만, 핵심 기술인 컬러 포토레지스트 원료는 일본 의존도가 높아 기초 원료에 대한 연구 개발이 필요한 상태임.

   

  3. R&D 투자의 필요성

   

  3-1) 기술 수준 제고의 필요성 및 시급성

   

• 컬러 필터는 대부분 모듈 업체인 LG디스플레이, 삼성전자가 자체적으로 생산하고 나머지 부족분을 국내 중소업체나 일본 업체로부터 조달받음.  반면에 컬러 필터 소재의 경우 디스플레이 시장의 성장에 동반하여 시장 규모가 더욱 커져가고 있으나 상당 부분 수입에 의존하고 있어 무역 역조 개선을 위한 소재 국산화가 시급함.

• 수요-공급기업 간 상용화 연계가 중요하여, 국내 소재 전문기업과 융합형 기술 개발 투자가 필요함.

• 컬러 필터는 패널 부품 중 차지하는 원가비중이 약 12%로 추정되며(LCD의 경우) 선도기업과의 기술 격차가 크지 않아 향후 기술 우위성 확보가 시장 점유율에 직결될 것임.

• 장기적인 연구 개발을 통해 기술적인 우위를 지속시키고, 원가 절감을 통해 향후 고화질 패널의 제조 기술 개발과 대형화 기술의 우위성을 확보하여야 함.

   

   3-2) 기술 확보 방안·가능성

   

• QD 컬러 필터에 적용될 잉크젯 프린팅은 증착 공정이 필요하지 않으며, 버려지는 소재가 많은 마스크 방식(포토 레지스트를 사용)에 비해 생산 효율이 높아지는 장점이 있음.

• 잉크젯 프린팅 공법에 필수적인 열처리 장비는 국산화가 되어 있으며, 이와 함께 연관 장비류도 국산화가 가능할 것으로 예상됨.

   

   3-3) 기술 확보를 위한 소요 기간 (2년)

   

• 현재에는 잉크젯 프린팅 공정의 효율화 등의 이유로 QD-OLED 투자 결정이 미루어지고 있으나, 역설적으로 QD-OLED 양산을 가능케 하는 소재 및 장비 공급 업체가 확보된다면 독점적 지위를 누릴 수 있을 것으로 예상됨.

   

  4. 국내 R&D 현황

   

  4-1) 정부 R&D 투자 현황 (KISTEP 작성)

   

  4-2) 민간 R&D 투자 현황

   

• 삼성 디스플레이는 독자적으로 QD 컬러 필터를 연구하여 두께 감소, 효율 향상 등의 차별화를 꾀하고 있음.  LG 디스플레이는 LCD와 WOLED에 적용되는 컬러 필터에 들어가는 염료의 내열성이 우수한 국내기술을 채택하여 투입되는 염료의 양을 15~20% 증가시킴.  경인양행은 안료에 비해 물질의 특성상 색 선명도와 균일도가 높은 염료를 개발하여 LG 디스플레이에 제공하고 있음.

   

  5. 투자 전략

   

  5-1) 기술 내재화(중장기)

   

• 중장기적으로는 QD 잉크젯 프린터, 열처리 장비를 통한 컬러 필터 제조가 필요. 잉크젯 프린팅 기술은 생산 비용 절감을 통해 향후 중국과의 생산 원가 경쟁에서 유리한 고지를 선점하기 위해 필요함.  또한, 컬러 필터의 제조공정에서 노광과 현상 공정이 필요없기 때문에 해외 기술에 의존도가 높은 반도체 장비의 제약으로부터 자유로울 수 있음.

• FMM(Fine Metal Mask) 방식이 검토될 수 있으나 대면적 패널(8세대 이상)에서의 마스크 처짐이나 QD 소재의 부족한 내열성 문제로 인한 허들이 예상됨.

• QD 잉크는 기본적으로 QD 입자와 이를 잉크화하는데 필요한 용매를 함께 적용함.  용매는 잉크화를 위한 기본 소재로 일종의 불순물에 해당하여 열을 가하는 드라잉 공정으로 제거하여야 함.  이를 위하여 열처리 장비가 필요하고 또한 잉크를 필름화, 고체화하는 베이킹 공정 역시 특수한 열처리 장비를 필요로 함.  이와 같이 QD 잉크에 적합한 열처리 장비 개발이 필요하며, 열처리 공정은 기본적으로 장시간이 소요되므로 생산 속도 향상을 위하여 다수의 열처리 장비가 필요함.

   

  5-2) 해외 기술 도입(단기)

   

• 디스플레이 제조장비는 스펙 및 사양에 따라 주문 제작하는 방식이며, 장비별로 요구되는 기술력이 다름.  디스플레이 패널 기업들은 공히 국내 장비 기업들과의 공동 연구 개발을 통하 장비 국산화율을 끌어올렸으나, 증착기, 노광기 등은 여전히 일본, 미국 등 해외에 의존하고 있음.

• 컬러 필터 제조에 필요한 노광기는 높은 기술력이 요구되어 니콘, 캐논 등의 일본 의존도가 99.8%로 매우 높은 상황이며, 한국은 초기 진입이 쉬운 저부가가치 장비 위주로 성장을 시작하여야 함.  즉, 단기적 내재화의 가능성이 높지 않으므로 2년 동안 해외 기술을 도입하는데 주력하고 기술 확보는 장기적 관점의 접근이 필요함.

• 단기적으로 네덜란드 반도체 장비 업체인 ASML이 독점 생산하는 극자외선(Extreme Ultra Violet, EUV) 노광기를 확보하여 일본 의존도를 낮추는 전략도 고려할 수 있음.  이 장비의 연간 생산량은 30대 남짓이며, 대당 가격은 2000억원에 육박함.

• 컬러 포토레지스트의 기초 원료의 경우, 독일의 MERCK를 통하여 일본 의존도를 낮추고 수급 라인을 확보할 필요성이 있음.

   

  5-3) 민간과 정부 역할 분담

   

• 한국이 디스플레이 시장 1위를 지속 유지해온 특성상 경험 있는 우수 인력은 많으나, 장비와 부품 소재 분야에 대해서는 일본과 미국 등에서 우수한 인력을 수급, 기술력 확보를 위한 정부의 지원이 필요함.

• 경쟁국 대비 취약한 부품 소재 산업 및 장비 산업 육성을 위하여 관련 기업 및 연구 기관에게 연구 개발과 설비 구매 비용을 보조금 명목으로 지원이 필요함.

• 잉크젯 프린팅의 핵심 기술 특허인 잉크젯 헤드 기술이 미국, 일본의 5개사인 Canon, HP, Kodak, Seiko Epson, Xerox에 속하여 새로운 업체의 진입이 어려움.  따라서 정부는 특허 라이센싱을 위한 지원이 필요할 수도 있음.

   

  5-4) 우선적으로 투자해야 할 기술 또는 대상

   

• 디스플레이 컬러 필터 기술 관련 특허의 경우 일본에 비해 현격하게 낮아, 국내 기술 개발이 절대적으로 필요함.  또한 컬러 포토레지스트의 기초 원료 개발을 위한 대학 연구소 중심 기초 R&D 지원이 필요함.

• 노광기 개발 및 내수화를 위해 연구소 중심의 기초 R&D 지원이 필요하고, 동시에 프린팅용 QD 소재 자체의 개발도 절실함.  잉크젯 프린팅 공정을 사용하므로 프린팅 공정에 적합한 QD 소재용 용매, 높은 열 안정성과 내구성을 갖춘 새로운 QD 개발이 요구됨.

• 잉크젯 프린터로 양산 구현이 가능한 해상도가 대형 패널에서는 비교적 적합하나, 모바일 기기에서 요구되는 수준에는 이르지 못하여, 이를 위한 신기술 지원이 필요함.

   

  5-5) 정책 제언, 시간 부족으로 여기까지~