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별지 1 내표지>2014 년 12 월 14ZB1200-14-8043P
교감형 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발
Core technologies of OLED light sources for interactive smart lighting
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-인 사 말 씀
1997년 일본 교토에서 개최된 기후변화협약 제3차 당사국 총회에서 채택되고 2005년 2월 16일 공식 발효된, 지구온난화의 규제와 방지를 위한 기후변화협약의 구체적 이행 방안으로, 기후변화에 관한 국제연합 규약의 교토의정서(Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change)가 발효된 후에 꾸준하게 에너지 절약에 대한 논의가 진행중이다. 세계 에너지 소비에 조명이 차지하는 비중이 19%를 차지하고 있으므로 이에 대한 대책도 시급하다.그래서 LED,OLED를 비롯한 차세대 고체 조명은 대안이 될 수 있다.
OLED (Organic Light Emitting Diode)는 디스플레이로 응용될 수 있을 뿐만 아니라 조명용 광원으로도 응용될 수 있는 기술로서 디스플레이 산업의 경쟁력을 유지함과 동시에 성장력이 매우 높은 신수종 산업을 일으킬 수 있는 기술로 주목받고 있다. 특히, 조명 산업은 한국의 국제 경쟁력이나 시장 점유율이 매우 낮은 분야로서 OLED 산업의 높은 기술력을 기반으로 시장 경쟁력이 매우 높을 것으로 기대되며, 향후 고부가가치 산업으로 성장할 수 있는 가능성이 매우 높다고 판단된다. OLED 조명은 얇고 가볍고 열이 나지 않은 이점을 가질 뿐만 아니라 형광등 절반의 전력으로 같은 밝기가 구현 가능하여 저전력 조명기구가 가능하게 될 것이며, 또한 태양광에 가까운 균일한 면광원으로 부드러우면서 자연스러우면서 다양한 모양의 등 기구 제작이 가능한 차세대 조명이다. OLED 조명은 2020년에 이론적인 발광 효율인 200lm/W가 구현이 되면 일상생활의 조명이 획기적으로 변화되는 사회를 맞을 것으로 기대되므로,전 세계적으로 시장형성 초기단계이므로 선제적이고 전주기적인 지원을 통하여 시장선점 및 확대가 필요하다. 본 사업은 교감형 스마트 OLED 광원 핵심기술의 개발을 목표로 하는 것으로서 OLED 조명 분야에 있어서도 차세대 스마트 광원 기술을 개발하는 것이다. 앞으로 OLED 조명 산업이 발전함에 따라서 단순한 친환경 고효율 광원 이상의 새로운 기능을 갖는 광원을 시장에서 요구할 것으로 판단되며, 이러한 시장의 요구를 선제적으로 대응할 수 있도록 기술 개발을 수행하고 있다. 본 사업의 결과물이 한국의 조명 산업 발전의 성장 추진력이 될 수 있기를 기대하며, 기술 개발을 위하여 노고를 아끼지 않은 연구원들에 치하를 드린다.
2014 년 12 월
한국전자통신연구원 원장 김 흥 남
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-제 출 문
본 연구보고서는 주요사업인 "교감형 스마트 OLED 광원 핵심기술개발에 관한
연구"의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의 연구팀이 작성한 것입니다.
2014 년 12 월
연구책임자 : 책임연구원 유병곤 (소프트I/O인터페이스연구실)
연구참여자 : 책임연구원 이정익 (소프트I/O인터페이스연구실)
책임연구원 조두희 (소프트I/O인터페이스연구실)
책임연구원 박승구 (소프트I/O인터페이스연구실)
책임연구원 전상훈 ( 자연모사I/O인터페이스연구실)
책임연구원 정태형 (에너지변환소자연구실)
책임연구원 박영준 (경제분석연구실)
선임연구원 문제현 (소프트I/O인터페이스연구실)
선임연구원 이종희 (소프트I/O인터페이스연구실)
연구원 한준한 (소프트I/O인터페이스연구실)
연구원 이수진 (소프트I/O인터페이스연구실)
연구원 박은숙 (스마트I/O제어연구실)
연구원 김현정 (소프트I/O인터페이스연구실)
연구원 강민희 (소프트I/O인터페이스연구실)
연구원 양승용 (소프트I/O인터페이스연구실)
연구원 차아밍 (소프트I/O인터페이스연구실)
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-가. 요 약 문
Ⅰ. 교감형 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발
Ⅱ. 연구목적 및 중요성
- 교감형 스마트 OLED 조명은 OLED 기술의 한계를 극복하는 초박형, 내충격성을 갖는 광원을 기반으로 하여 센서 기술, 구동 기술 등의 IT 기술과의 융합을 통하여 신개념의 조명임 - 초박형, 내충격성을 갖는 유연 면광원 핵심기술과 OLED 광원을 이용한 교감형 조명 응용 기술을 선제적으로 확보하여 국내 OLED 조명의 국제 경쟁력 및 기술 우위를 확보Ⅲ. 연구내용 및 범위
교감형 스마트 OLED 광원 핵심기술 개발 o 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발 - 유연광원용 소재/부품 (광추출효율 증대 > 80 %) - 유연 면광원 (두께 < 1mm, 효율 > 50 lm/W) - 주름구조 내화학성 및 내광학성 평가o 교감형 OLED 조명(Interactive lighting) 응용 기술 개발 - 교감형 공간 임베디드/정보표시 스마트 조명 시스템 (박형 광원, 센서연동)
Ⅳ. 연구결과
○ 유연 광추출 시뮬레이션 기술 - OLED 에 삽입된 주름구조의 광학적 해석을 위한 2D FDTD 시뮬레이션을 진행하여 ETRI 독창적인 주름구조에서의 효과를 조사한 결과 광추출 효과를 얻기 위해서는 평탄층을 도입하지 않는 것이 효가가 더 큰 것을 도출함. 상기의 시뮬레이션 결과에 근거하여 주름내부 광추출 기반의 구조적 설계를 확립함. ○ 광추출용 주름구조 필름 소재 및 주름필름의 신뢰성 - ETRI 독자적으로 고분자 주름필름 소재 원천 기술로 발전시켜서, 필름의 주름구조를 조절 하기 위한 액상 프리폴리머층의 UV 경화시 필름 표면에 형성되는 주름의 형성 메카니즘을 규명하였고, 또한 주름 필름의 내구성을 확인함.내열성, 내화학성, 내광학성을 테스트 한 결과 모두 변화가 없이 양호함을 확인 하였다. ○ 저온 공정용 전극 기술 - 양극용 그래핀에 플라즈마 표면처리를 하여 일함수를 2.8~6.8eV 범위내에서 조절할수 있 음을 실험적으로 증명함. 이는 유기층의 선택을 용이하게 해줄수 있는 접근법임. 그래핀5 -용 음극상에 버퍼층 및 전자수송층 리튬 도핑을 통하여 그래핀/전자수송층 계면 장벽을 조 절할수 있음을 UPS 분광법으로 검증함. 상기의 결과는 그래핀의 OLED 적용 및 공정 설계 에 매우 유용함. ○ 광추출 유연 기판 개발 - 소자의 적층구조를 최적화한후 내부 및 외부 광추출 구조가 구비되어 있는 유기발광소자를 제작하여 소자 적층구조 최적화로 22%, 내부광추출 구조체 구비로 47%,외부광추출 구조체 구비로 82 %의 전력효율증대를 가져올수 있었음(목표 80%). 또한 주름필름부착으로 발광스펙트럼의 시야각 의존성을 거의 제거할수 있었음. 내부광추출 구조 제작에 있어 은나노선을 용융시켜 얻은 액적을 마스크로 활용하여 무작위 배열의 나노산란구조체를 제작하는 방법을 개발함. ○ 고효율 백색 유연 면 광원 최적화 기술 - 백색 소자 최적화된 백색 OLED 구조에 광추출구조를 도입하여 전력효율을 약 45% 정도 향 상된 결과를 확보 할 수 있었고, 연구목표에 언급된 휘도 3000 nit에서는 구동 전압 3.8V 에서 약 50.2 lm/W의 전력효율을 얻었음. ○ 유연기판용 나노 구조체 기술 개발 - OLED 내부 전반사에 의해 손실되던 빛을 외부로 추출하기 위하여 내부 광 산란층으로 사용 될 유연기판용 나노 구조체 기술을 개발하였는데, Reactive Ion Etching의 서로 다른 두 가지 플라즈마와 초음파 처리를 통하여 다양한 종류의 나노 구조체를 형성하게 되었음. 나노 구조체의 높이가 공정 조건에 따라 80nm에서 약250nm까지 조절이 가능함.
○ 교감형 OLED 조명 응용 시스템
- 조명기기의 무선화로 조명기기의 설치 방식 및 장소에 구속 받지 않도록 사용자 편의성이 증가된 차세대 조명기술로써, 기존의 구현 방식에서 문제가 되었던 구동방식의 개선과 시 스템화를 진행하였다. Balanced Power Amp. 방식의 송신부와 송신 코일, 수신 코일과 DC 전력 발생 모듈, OLED 광원을 내장한 OLED 조명 모듈로 구성되는 무선 전원 OLED 조명 시 스템을 구현하였음.
○ OLED 조명 표준화
- IEC TC34에서 OLED PT의장으로서 활동하여 OLED조명용 패널의 안전요구사항은 FDIDS를 통 과하여 최종 IS(국제표준)으로 확정되었으며, OLED조명용 패널의 성능요구 사항은 CD를 통과시켜 CDV를 준비 중임.
Ⅴ. 기대성과 및 건의
○ 유연 OLED 면광원 제조를 위한 기초 기술을 확보하였으며, 이를 기반으로 효율과 신뢰성 이 향상된 스마트 OLED 광원 핵심 기술을 개발 ○ 유연 OLED 면광원 제조를 위하여 구축된 인프라는 관련 부품/소재 개발 기업의 지원에 활용 ○ 고유의 주름구조를 활용하여 유연 OLED 광추출 필름을 개발. ○ 무선 통신 및 전력전송을 기반으로 한 교감형 스마트 유연 OLED 조명 응용 기술을 활용 한 조명 시스템 개발에 활용6
-나. ABSTRACT
I. TITLEDevelopment of Key Technology for Interactive Smart OLED Lighting II. THE OBJECTIVITIES
- Interactive Smart OLED Lighting is a technology that overcomes conventional OLED technologies. It offers ultra-slimness and resistance against fractures. In addition it can be combined with sensor and driving technologies to offer a new concept in lighting.
- We aim to develop interactive OLED light sources by combining planar OLED technology and features such as ultra-slimness and fracture resistance. Such development will enable us to have international competitiveness and technological superiority in OLED technology.
Ⅲ. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY
Development of key technologies for interactive smart OLED light sources. -Development of key technologies for smart OLED light sources.
Materials and components for flexible light sources. (light extraction efficiency > 80%)
Flexible planar light source. (thickness < 1mm, power efficiency 50 lm/W) -Development of appllied technologies for interactive OLED lighting. Information display smart lighting system.
Ⅳ. RESULTS
○ Simulation techniques for flexible ligth extraction
In order to find optimum structure of OLED device with wrinkled polymer layer, FDTD numerical simulation was conducted for calculating the external quantum efficiency (EQE) of the proposed device. In this structure, the guided mode in the organic-ITO layer could be radiated out when the light is propagating through the bended waveguide occurred by the wrinkle. Point dipole sources with a temporal coherence similar to that of the green OLED emission were inserted at the peak and valley points of the emission organic layer, which was also wrinkled by following the wrinkled polymer layer. For the period and amplitude of 1.6 um and 0.2 um, respectively, the EQE enhancement was about 1.4 times of the reference device. When the wrinkled polymer layer was planarized with another polymer layer, the EQE enhancement was much reduced. FDTD simulation provides a guide line for the optimization of the OLED device structure with wrinkled pattern prior to the fabrication and experimental confirmation.
○ Flexible light extraction technology
By applying internal and external light extraction structures, it was possible to achieve an enhancement in power efficacy of 82 %. For internal structure, we have used randomly nanostructures (RNS) of SiOx and a high refractive planarization layer.
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-Externally, we have applied wrinkle films. In addition to enhancement in efficiency, spectral stability was also obtained.
Using wrinkle films we have achieved 35 % enhancement in power efficacy of all phosphorescent white OLED. In addition, the original white spectrum was preserved without distortion over a wide range of viewing angle.
The processing methods suggested obviates the needs of vacuum deposition, photolithography and high temperature annealing. Our approaches can offer enhancement in efficiency, spectral stability and uniform luminance distribution.
○ Development of electrode for low temperature processes
In this work, we have investigated the electronic structure of the interface between organic material and electrode (graphene and ITO) by using Ultraviolet Photoemission Spectroscopy (UPS). First of all, we observed that the work function of graphene is increased from 5.12 eV to 6.33 eV as a function of oxygen plasma treatment time. Increase of the work function affects to reduce the highest occupied molecular orbital (HOMO) level of deposited organic molecule (TAPC) on graphene which results in decrease of the hole injection barrier (0.72 eV --> 0.2 eV).
We have also analyzed the interfaces of electron injection layer (EIL)/graphene and EIL/ITO to find a possibility of graphene as a cathode at the inverted OLED structure. To overcome the work function limitation, we prepared Li doped interface. We found that decrease of the work function by Li doped influences upon the electron injection barrier (BMPYPB : 1.35 eV --> 0.23 eV and 3TPYMB : 1.00 eV --> 0.11 eV) contrary to plasma treatment experiments.
From these results, we conclude that the electronic structure of graphene can be modified by oxygen plasma treatment and alkali metal (Li) doping. Therefore, in the view of the energy level alignment, these experimental results should be considered to make graphene a suitable electrode for the flexible and transparent OLEDs.
○ Fabrications of flexible white OLED
As an effort to develop high efficiency flexible white OLED, we have studied the optimization of white OLED, light extraction and substrate/electrode. Based on the preliminary studies, it was possible to obtain a PC/IZO based white OLED with power efficacy of 50.2 lm/W at a luminance of 3000 nit. The operating voltage and color temperature were 3.8 V and 3000 K, respectively.
○ Development of flexible light extraction nanostructures
OLEDs with highly efficient internal light extraction and angle-stable EL spectra have been developed by using a simple and easy manufacturing process. The nanoscale structures for light extraction form a corrugated surface that enhances the light scattering effect and diminishes the microcavity effect. The nanoscale corrugation with refractive index of 1.57-1.63 is fabricated between the ITO and EXG glass, and thus, the total internal reflection loss is reduced according to the Snell's law. These properties enhance the current efficiency by 34.19% and the power efficiency by 35.75%. Furthermore, the OLEDs with nanoscale corrugation exhibited angle-stable EL
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-spectra for the entire visible spectrum at different viewing angles, with no change to the FWHM and peak wavelength. The nanoscale corrugation were fabricated with reactive ion etching, which allows nanoscale corrugation to be applied to large-area OLEDs.
○ Smart OLED Lighting system.
- Development of wireless power OLED driving system using balanced power amplifier. - Implemented reliable driving system without impedance matcher.
- Changing the operation frequency to 6.78MHz in accordance with the communication act.
- Development of reliable and productive wireless powered OLED lighting system
Ⅴ. EXPECTED RESULTS AND PROPOSITIONS
○ We have established fundamental technologies for the fabrication of flexible OLED light sources. We plan to develop improved core technologies for reliable smart OLED light sources.
○ Our infrastructure for the fabrication of flexible OLED light sources will be used as supporting facilities to related companies of components and materials developments.
○ Our original wrinkle structure will be futher optimized for wide applications in OLED light extraction technologies.
○ Wireless communications and power transport based interactive smart OLED lighting technoliges will be applied to construct lighting systems and extended to flexible OLED area.
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-다. CONTENTS
CHAPTER 1 Introduction --- 4
SECTION 1. Motivation and Importance--- 4
SECTION 2. Status and approach methodology---12
CHAPTER 2 Development objectivity and method --- 14
SECTION 1 Research objectivity and contents --- 14
SECTION 2 Methods and expected effects --- 16
SECTION 3 Summary of annual research achievement ---18
CHAPTER 3 Development and research --- 19
SECTION 1 Annual research plan --- 19
SECTION 2 Human resources --- 20
SECTION 3 Annual budget--- 21
SECTION 4 Expected results and achievements --- 22
SECTION 5 Major results --- 23
1. Flexible light extraction simulation techniques --- 23
2. Flexible light extraction films; materials and reliability ---- 28
3. Low temperature electrode technology --- 37
4. Development of flexible light extraction substrates --- 41
5. Optimization of high efficiency flexible white OLEDs --- 50
6. Development of flexible light extraction nanostructures --- 54
7. Technologies for interactive OLED lighting systems --- 57
SECTION 6 1.Major achievements --- 65
2. Representative patents --- 65
3. Representative papers --- 65
4. Prototypes and Exhibitions --- 66
5. Standardizations --- 67
6. Technology transfer/ Technology support --- 69
CHAPTER 4 Conclusion --- 70
SECTION 1 Conclusion --- 70
SECTION 2 Future outlook--- 70
List of Tables
Table 1. The market share of glass and flexible types. Table 2. Domestic production of OLED lighting panels. Table 3. Economical effect.10
-Table 5. Simulation parameters for planarized wrinkle equipped OLED.
Table 6. Weight change in the wrinkle films after immersion into 5 types of chemicals. Table 7. Change in chromacity in wirnkle films after light exposure.
Table 8. Yellowing effects in wirnkle films after light exposure.
Table 9. Abbrevations and chemical names of organics used in phosphorescent white OLEDs. Table 10.Specifications of driving system.
Table 11.Measurment results of fabricated sending module.
Table 12. The characteristics of wireless power OLED lighting system without sending/receiving coils.
List of Figures
Figure 1. Prediction of lighting energy consumption saving Figure 2. Technology development roadmap of OLED lighting Figure 3. Conceptual diagram of interactive smart OLED lighting Figure 4. History of lighting and its recent developmentFigure 5. Value chain of OLED lighting and display industry Figure 6. Map of OLED lighting industry
Figure 7. Research process diagram
Figure 8. Optical simulations on wrinkle structures (a) Simulation cell (b) Fabricated wrinkle morphology and its SEM image.
Figure 9. Planarized wrinkle OLED
Figure 10. Simulation parameters for planarized wrinkle OLED
Figure 11. Actual wrinkle SEM image (a) cross sectional view (b) tilt top view
Figure 12. Structure of wrinkle OLED for 3D simulations (a) top view (b) cross sectional view
Figure 13. Light extraction enhancements as a function of wrinkle period and amplitude in wrinkle OLED.
Figure 14. Calculation of wrinkle scattering effect (a) Simulation structure of BPM (b) Measured normal transmitted light intensity as a function of light traveling path length.
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-Figure 15. Calculated (a) light extraction enhancement effect and (b) scattering efficiency as a function of wrinkle period and amplitude.
Figure 16. Three types of liquid prepolymer used in research
Figure 17. Wrinkle formability as functions of absorption/transmission relation of photo lnitiator/liquid prepolymer mixtures
Figure 18. Photo initiator and the UV-vis absorbance and transmittance spectra of prepolymer
Figure 19. SEM images of photo cured films, formed using three types of liquid prepolymers
Figure 20. Prepolymer 3/Photo Initiator A (a) Photos of photo cured films as a function of the concentration of the photo initiator (b) SEM images of films
Figure 21. Prepolymer 3/Photo Initiator A. The apparent photo curing rate (kapp) as a function of the concentration of the photo initiator
Figure 22. The blue shifts of transmittance spectra of model compounds of styrene and ethyl benzene in which styrene is a photo active group.
Figure 23. The formation of three dimensional net structure of prepolymer upon UV photo curing.
Figure 24. The thermal stability of wrinkle structure film.
Figure 25. The changes in work function and XPS spectrum as a function of oxygen plasma treatment duration time.
Figure 26. The changes in work function and XPS spectrum in UHV environment.
Figure 27. The energy level diagrams of ITO/HIL and Graphene/HIL as a function of oxygen plasma treatment duration time.
Figure 28. The effect of Cs layer insertion on the energy diagram of Graphene/ETL structure.
Figure 29. The 5 % doping effect into ITO and its effect on the energy diagrams of BMPYPB/ITO, 3TPYMB/ITO and TMPYPB/ITO
Figure 30. The 5 % doping effect into ITO and its effect on the energy diagrams of BMPYPB/ITO, 3TPYMB/ITO and TMPYPB/ITO
Figure 31. Wrinkle film formed on PET.
Figure 32. Optical simulations on the effect of wrinkle film on the luminance distributions Without film (left), With film (right)
Figure 33. SEM images of wrinkle (left) and microlens array(right)
Figure 34. Lumininance as a function of viewing angle(left) and efficiency enhancement(right)
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-Figure 35. Emission spectra as function of viewing angle (a) OLED with flat emission surface (b) MLA attached OLED (c) Wrinkle film attached OLED) (d) Change in the color temperature.
Figure 36. Optical simulations on the radiance as a change in the ETL an HTL thickness. Figure 37. Change in the luminance distribution as a function of ETL thickness (left) and
change in EQE (right)
Figure 38. SEM images of Ag droplet, light scattering SiO2 nanopillar structure, Planarized light scattering layer
Figure 39. OLED with wrinkle film attached (left), SEM image of wrinkle (right) Figure 40. Luminance distribution of OLED (left) Luminance efficacy and EQE (right) Figure 41. Emission spectra of OLED as a function of viewing angle
Figure 42. J-V-L relations(left) and emission spectra of white OLED
Figure 43. The effects of light extraction structure on white OLED, EQE vs. luminance (left), power efficacy vs. luminance (right)
Figure 44. PC/IZO substrate based flexible white OLED optimization. J-V-L (left) emission spectra vs wave length (mid), power efficacy vs. luminance (right)
Figure 45. PC/IZO substrate based flexible white OLED with and without light extraction. J-V-L (left) emission spectra vs wave length (mid), power efficacy vs. luminance (right)
Figure 46. Optimized flexible white OLED. Emission spectra vs wave length (left), normalized emission spectra vs wave length (right)
Figure 47. Optimized flexible white OLED. power efficacy vs. luminance (left), EQE vs luminance (right)
Figure 48. Optimized flexible white OLED. Device working image(upper) With MLA (lower). Figure 49. Flexible substrate nano structure fabrication flow chart
Figure 50. SEM images of nano structures for flexible substrate.
Figure 51. Surface profiles and 2-D AFM images of nano structures for flexible substrate. Figure 52. Optical characteristics of nano structures for flexible substrate.
Figure 53. Nano structures for flexible substrate which will be applied as internal light scattering layer.
Figure 54. Schematics of resonance type wireless power transfer system
Figure 55. Driver system based on function generator, power amplifier and impedance matcher.
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-Figure 57. Wireless powered OLED driving system based on Balanced Power Amp. Figure 58. Fabricated sending module
Figure 59. Receiving DC power generation module system
Figure 60. Fabricated receiving DC power generation module system
Figure 61. Sending and receiving coils with insulating and ground layers. Figure 62. Design of wireless powered OLED
Figure 63. Wireless powered OLED with its panel, internal DC generator part and receiving coil part.
Figure 64. Wireless powered OLED lighting system with sending RF power generating moduled and receiving DC power module.
Figure 65. Receiving coil part and DC power generating module driven by Balanced Power Amp.method.
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목 차
제 1 장 서 론 1 1. 연구의 필요성 및 중요성 3 가. 연구개발과제의 필요성 3 나. 연구개발과제의 중요성 4 다. OLED 조명의 산업적 특징 6 라. OLED 조명 시장 전망 7 마. 경제적 파급 효과 9 바. 연구개발과제 수행의 제약요인 10 사. 연구개발과제 수행 결과 기대효과 10 2. 현황 및 접근 방법 11 가. 국내.외 현황 및 기술 수준 11 나. 접근방법 및 독창성 12 제 2 장 연구개발 목표 및 수행 방법 13 1. 연구목표 및 내용 15 가. 최종목표 15 나. 연차별 연구개발 목표 및 내용 15 다. 당해연도 목표 및 내용 16 2. 연구개발 추진 체계 및 방법 17 가. 연구개발 추진 체계 17 나. 연구개발 방법 17 다. 위탁과제 18 3. 당해연도 성과 목표 19 가. 성과목표의 개요 19 나. 성과지표 선정 및 목표 설정 19 다. 목표달성을 위한 추진전략 및 실천 계획 19 제 3 장 연구개발 수행 및 연구 결과 20 1. 연구개발 당해연도 추진일정 22 2. 참여 연구원 23 3. 당해연도 연구 예산 24 4. 연구목표 계획 대비 실적 25 5. 주요 연구결과 26 가. 유연 광추출 시물레이션 기술 26 나. 광추출용 주름 구조 필름 소재 기술 및 주름 구조 필름의 신뢰성 31 다. 저온 공정용 전극 기술 40 라. 광추출 유연기판 개발 44 마. 고효율 백색 유연 면광원 최적화 기술 53 바. 유연기판용 나노 구조체 기술 개발 57 사. 교감형 OLED 조명 응용 기술 60 6. 주요 연구 성과 68 가. 주요 특허 68 나. 주요 논문 69 다. 시제품/전시회 69 라. 표준화 70 마. 기술이전/애로기술지원 72 제 4 장 결론 및 연구결과의 활용계획 73 제 1 절 결론 75 제 2 절 활용계획 75 <부록>15
-라. 표목차
(표 1.) 글래스 타입과 플렉시블 타입의 시장 비중 (표 2.) OLED 조명 패널 국내생산액 (표 3.) 경제적 파급효과 (표 4.) 주요 기술 개발 현황 (표 5.) 평탄화를 한 주름구조 OLED 시뮬레이션 parameter> (표 6.) 주름구조 필름의 5종 화학약품 침지 전후 무게 변화. (표 7.) 광 노출 후 주름구조 필름 색차 변화. (표 8.) 광 노출 후 주름구조 필름의 황변도. (표 9.) 백색 인광 유기발광소자에 사용된 유기물의 약칭과 화학명 (표 10.) 구동 시스템 개발 사양 (표 11.) 제작된 송신 모듈의 측정 결과 (표 12.) 송수신 코일 없이 구동한 무선 전원 OLED 조명 시스템의 효율 특성마. 그림목차
(그림 1.) 조명 에너지 소비 절감 예측도 (그림 2.) OLED 조명 기술 개발 로드맵 (그림 3.) 교감형 스마트 OLED 조명 개념도 (그림 4.) 조명의 역사 및 최근 흐름 개념도 (그림 5.) OLED 디스플레이/조명 산업 Value Chain (그림 6.) OLED 조명산업 지도(그림 7.) 추진체계도
(그림 8.) 주름구조 시뮬레이션을 위한 (a)설계 구조 (b)제작된 주름의 형상과 SEM 사진 (그림 9.) 평탄화를 한 주름구조 OLED
(그림 10.) 평탄화를 한 주름구조 OLED 시뮬레이션 parameter>
(그림 11.) 실제 제작된 주름구조의 SEM 사진 (a)cut view, (b)tilted top view>
(그림 12.) 주름구조를 이용한 OLED 의 3D 시뮬레이션을 위한 구조 (a) top view, (b) cut view> (그림 13.) 주름구조를 이용한 OLED 의 주름의 주기와 크기에 따른 3D 시뮬레이션 광 추출 증가 효과 계산> (그림 14.) 주름층의 산란효과를 계산하기 위한 (a) BPM 시뮬레이션 구조와 (b)빛이 진행한 거리에 따라 측정된 수직 투과광의 세기 (그림 15.) 주름의 주기와 크기 변화에 따라 계산된 (a)광 추출 증가효과 와 (b)산란 효율 계산 (그림 16.) 연구에 사용한 3가지 액상 프리폴리머. (그림 17.) 광개시제/액상 프리폴리머의 광 흡수/투과 관계에 따른 필름의 주름의 형성 여부. (그림 18.) 광개시제와 프리폴리머의 UV-vis 흡수 및 투과 스펙트럼. (그림 19.) 3가지 광경화 용액으로부터 얻은 광경화 필름의 SEM 사진. (그림 20.) Prepolymer 3/광 개시제 A 광경화 용액으로 부터 광개시제 농도 변화에 따라 제조된 광경화 필름의 사진 (a) 및 필름의 SEM 사진 (b). (그림 21.) Prepolymer 3/광 개시제 A 광경화 용액으로 부터 광개시제 농도 변화에 따른 겉보기 광경화 속도상수 (kapp). (그림 22.) 광기능성 그룹으로 스티렌을 갖고 있는 조성물이 광경화됨에 따라 투과 스펙트럼이 blue-shift함을 보여 주는 스티렌과 에틸벤젠의 모델화합물의 투과 스펙트럼. (그림 23.) UV 광경화시 프리폴리머의 3차원 망목상 구조 형성. (그림 24.) 주름구조 필름의 열안정성. (그림 25.) O2 플라즈마 처리 시간에 따른 UPS 스펙트럼(일함수) 변화와 XPS 스펙트럼의 변화 (그림 26.) UHV 환경 속에서 시간에 따른 UPS 스펙트럼(일함수) 변화와 XPS 스펙트럼의 변화 (그림 27.) ITO와 그래핀의 산소 플라즈마 처리 시간에 따른 정공 주입 층과의 에너지 레벨 다이어그램
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-(그림 28.) 그래핀의 Cs 삽입층의 여부에 따른 전자 주입 층과의 에너지 레벨 다이어그램
(그림 29.) ITO에 리튬을 5%의 농도로 각각의 유기물 BMPYPB, 3TPYMB 그리고 TMPYPB의 물질을 같이 증착하여 측정한 후 나타낸 에너지 레벨 다이어그램
(그림 30.) ITO에 리튬을 5%의 농도로 각각의 유기물 BMPYPB, 3TPYMB 그리고 TMPYPB의 물질을 같이 증착하여 측정한 후 나타낸 에너지 레벨 다이어그램 (그림 31.) PET 상에 형성된 주름 필름. (그림 32.) 주름필름의 부착여부가 발광분포에 미치는 영향을 시뮬레이션한 결과. 주름필름이 없는 경우 (왼쪽). 주름필름이 부착된 경우 (오른쪽). (그림 33.) 주름 (왼쪽) 과 마이크로렌즈 어래이(오른쪽)의 주사전자현미경 사진. (그림 34.) 시야각에 따른 휘도 분포 (왼쪽) 와 효율증대 (오른쪽). (그림 35.) 시야각에 변화에 따른 발광 스펙트럼 (a) 평면 발광 OLED (b) 마이크로렌즈 어래이 부착 OLED (c) 주름 필름 부착 OLED (d) 시야각 변화에 따른 색온도의 변화 양상. (그림 36.) ETL 및 HTL 두께 변화에 따른 Radiance 의 변화를 보여주는 광학시뮬레이션 결과. (그림 37.) ETL 두께 변화에 따른 발광분포 (왼쪽), ETL 변화에 따른 EQE 변화.
(그림 38.) Ag 액적(左上), 광산란구조체 SiO2 nanopillar (右上) 및 평탄화된 광산란구조체 ((아랫줄)의 SEM 이미지. (그림 39.) 주름필름이 부착된 유기발광소자의 사진(왼쪽). 주름구조의 EM 이미지 (오른쪽). (그림 40.) 유기발광소자의 발광분포(왼쪽). 전력 및 외부양자효율 (오른쪽). (그림 41.) 시야각 변화에 따른 유기발광소자별 발광스펙트럼. (그림 42.) 기판/전극 변화에 따른 백색 OLED의 (좌) 전류밀도-전압-휘도, (우) 전기발광스펙트럼 변화 (그림 43.) 광추출구조 도입에 따른 백색 OLED의 (좌) 외부양자효율-휘도, (우) 전력효율 – 휘도 특성 변화 (그림 44.) PC/IZO 기반의 유연 백색 OLED 소자 최적화 결과 (좌) 전류밀도-전압-휘도, (중) 전기발광스펙트럼-파장, (우) 전력효율-휘도 특성 (그림 45.) 광추출구조 도입 전 후의 PC/IZO 기반의 유연 백색 OLED 소자 결과 (좌) 전기발광스펙트럼-파장(우), 전력효율-휘도 특성 (그림 46.) 최적화된 유연 백색 OLED소자의 (좌) 전기발광스펙트럼-파장, (우) 정규화된 전기발광스펙트럼-파장 특성 (그림 47.) 최적화된 유연 백색 OLED소자의 (좌) 전력효율-휘도, (우) 외부양자효율-휘도 특성 (그림 48.) 유연 백색 OLED소자의 (상) 발광이미지, (하) MLA 외부광추출 필름 도입 전/후 발광 픽셀 이미지 (그림 49.) 유연 기판용 나노 구조체 공정 과정도 (그림 50.) 유연 기판용 나노 구조체들의 SEM 사진
(그림 51.) 유연 기판용 나노 구조체들의 Surface profile과 2-dimensional AFM 사진 (그림 52.) 유연 기판용 나노 구조체의 광학 특성
(그림 53.) 내부 광 산란층으로 적용될 유연 기판용 나노 구조체 (그림 54.) 공진형 무선 에너지 전송 시스템의 개략도
(그림 55.) 함수발생기, 전력증폭기, Impedance Matcher를 이용한 구동 장치 (그림 56.) Impedance matching을 이용한 기존의 구동 방식
(그림 57.) Balanced Power Amp. 방식의 무선 전원 OLED 구동 시스템 (그림 58.) 제작된 송신 모듈 (그림 59.) 수신 DC 전력 발생 모듈 시스템 (그림 60.) 제작된 수신 DC 전력 발생 모듈 시스템 (그림 61.) 차폐 및 접지 층이 삽입된 송신 코일과 수신 코일 (그림 62.) 무선전원 OLED 모듈의 설계 (그림 63.) 제작한 무선전원 OLED 모듈에 포함된 OLED 패널, 내장된 DC 전력 발생부와 수신코일의 모습 (그림 64.) 송신 RF 전력 발생 모듈과 수신 DC 전력 발생 모듈로 구성한 무선 전원 OLED 조명 시스템 (그림 65.) Balanced Power Amp. 방식의 송신부와 송신 코일로 구동한 수신 코일부와 DC 전력 발생
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-제 1 장. 서 론
1. 연구의 필요성 및 중요성
가. 연구개발과제의 필요성 o 전 세계 전력소모의 약 19%에 달하는 조명의 효율을 향상시켜 온실가스의 배출을 억제하기 위하여 차세대 반도체 조명인 OLED 조명 개발을 위한 연구가 다각적으로 이루어지고 있음. (그림 1.) 조명 에너지 소비 절감 예측도 o 전 세계 조명용 전력소모의 50%가 넘는 백열등 (효율 15 lmW)의 사용 및 판매를 중지시킬 법안이 선진국을 중심으로 준비 중에 있어 이를 대체할 수 있는 우수한 효율의 광원 개발이 요구되며, 백 열등에 비하여 7배의 우수한 효율 특성을 갖는 형광등(CFL 포함)은 수은을 사용하고 있어 RoHS, WEEE 환경규제로 인하여 점진적으로 사용을 줄이고 있는 실정임. o 우리나라도 2013년부터 Post Kyoto 기후협약에 가입하게 됨으로서 이산화탄소 발생량을 7%이상 의무적으로 감소시켜야 하므로, 이산화탄소 감축 정책에 선도적인 역할을 위하여 저탄소 녹색 성장 기본법을 제정하고 2020년까지 온실가스 배출전망치(BAU) 대비 국가 온실가스 배출량의 30%를 감축하는 것을 중기 감축을 목표로 하고 있음. o 산업통상자원부는 2008년 12월에 발표한 백열전구 퇴출계획에 따라 2014년 1월부터 국내 시장에서 백열전구 의 생산과 수입을 전면 중단한다고 최근에 발표하였음. 130년간 사용하였던 백열등을 퇴출한다는 것임. 백열전 구 퇴출은 세계적으로 순차적으로 진행되고 있는데 미국은 현재 100watt와 75watt 백열전구의 생산과 수입이 중단되어 있고, 60watt와 40watt 백열전구도 내년까지 생산과 수입을 점진적으로 중단할 예정임. 유럽은 상당 수의 국가가 생산을 중단하였고 일본, 중국, 러시아도 점진적으로 생산을 중단하거나 줄이고 있는 중임. o 이에 OLED 조명이 고효율과 장수명, 저가격의 특성을 확보할 수 있는 가능성이 높아 저탄소배출이 라는 사회적 요구에 부합할 수 있는 차세대 기술로 기대되고 있기 때문임. o OLED 조명은 단기적으로는 유리를 기반으로 하여 타일링한 형태의 조명이 2014년부터 상용화될 것이며, 중기적으로는 투명 조명/색가변 조명이, 장기적으로 플렉서블 조명이 상용화될 것으로 예상 되고 있으며, 현재의 OLED 조명 기술의 개발은 조기 상용화를 위한 고효율화 및 가격경쟁력 확보 에 초점이 맞추어져 있음.19 -(그림 2.) OLED 조명 기술 개발 로드맵 o 조명의 발전추이를 보면, 기존의 수동형 조명에서 능동형 조명으로 발전하고 있으며, 이를 위해서 는 광출력, 디밍, 색, 색온도의 제어가 가능한 광원의 개발과 선형, 원형의 형태를 탈피한 면광원, 투명광원, 유연광원 등 새로운 형태의 광원 개발과, 센서연동 구동, 무선제어, 컨텐츠를 포함한 IT 융합형 조명 시스템의 개발이 요구됨. o 또한, 조명은 그 자체로의 산업뿐만 아니라 건설업, 운송업(자동차, 선박, 항공 등), 농수산업, 가전 산업, 의료산업등과의 융합을 통하여 기존 산업을 고부가가치화하거나 신산업이 창출을 위한 동력 원으로 부각되고 있음. o 조명의 발전 트랜드에 부합할 수 있도록 에너지 절감, 친환경과 더불어 인간 친화, IT 컨버젼스형 조명 에 걸맞게 환경의 광량, 온습도, 실내 환경, 피조광물의 상태, 조광의 목적에 따라 환경을 감지하여 광원의 조도, 색온도, 컬러가 변화하는 인간-환경-빛의 교감하는 정보표시/전달형 교감형 OLED 조명의 개발이 요구됨. 나. 연구개발과제의 중요성
o 이와 같은 교감형 OLED 조명(Interactive OLED Lighting)을 구현하기 위해서는 센서와 연동하여 구 동이 가능한 OLED 패널과 OLED 기술의 한계를 극복하는 고연색성, 고내열성, 저발열성, 초박형, 내충격성을 갖는 면광원 기술의 개발이 요구됨.
- OLED를 구성하는 소재들의 스펙트럼이 LED 광원과 비교하여 넓고(wide) 평탄(flat)하여 모든 색 의 광원을 구현할 수 있으며, 연색성이 우수하고 색변환이 용이함.
- 기존 OLED 면광원 기술과 대비하여 고연색성, 고내열성, 저발열성, 초박형, 내충격성 면광원, 광 추출 기술과 저가격 센서 연동 면조명의 개념 및 핵심기술이 전혀 없음.
- 전 세계적으로 기술개발이 미약한 상태이므로 선진국과 차별화된 원천 특허를 확보할 수 있어 적 기 기술개발이 요구됨.
20 -(그림 3.) 교감형 스마트 OLED 조명 개념도 o 교감형 OLED 조명 기술은 OLED 광원을 기반으로 하여 센서 기술, 구동 기술 등의 IT 기술과의 융합을 통하여 신개념의 조명을 구현할 수 있게 됨. - 1mm 내외의 초박형 OLED 조명의 장점을 활용하여 센서연동 건축, 가구 공간 임베디드 조명 - 유연, 초경량, 초박형 및 저발열 OLED 조명의 특징과 자유로운 디자인 구현이 가능한 특징을 기 반으로 자동자, 선박, 항공기용 조명 - 생체와 같은 유기소재의 이용하는 진단/치료 기능을 갖는 바이오 유기조명 - 감성조명을 이용한 조명 콘텐츠에 대한 새로운 개념을 정의하고 색상, 모양, 글씨 등의 정보를 지능적으로 제어할 수 있는 디지털 조명 등의 다양한 응용분야 및 신개념의 조명 산업을 창출할 수 있음. o 특히, 인구 고령화와 소득 증대를 통해 건강한 삶의 질을 추구함에 따라 헬스케어에 대한 수요는 급격하게 증가하고 있으며, 특수 광원을 이용하여 Photothermal, Photomechanical 효과와 Photodynamic Therapy기술 등으로 피부의 상처 치유 활성화, 주름 제거, 여드름 치료, 통증 완화, 점막 치료, 미백 등에 활용할 수 있는 새로운 형태의 광 치료 연구가 선진국을 중심으로 활발히 진 행되고 있음. o 자동차 개발 관점에서 완성차 자체의 성능을 제외하고 빠지지 않는 트랜드가 안정성과 디자인이며, 최근에는 높은 에너지 효율성이과 친환경성을 들 수 있음. 다양하고 스타일리쉬한 디자인을 가능케 하는 슬림형 OLED 조명이 내/외장 조명으로 활용될 수 있고, 큰 시장이 형성될 것으로 전망됨. o 쇼윈도우, 자동차, 박물관, 미술관, 건축물 장식, 광고 등의 응용 분야에 조명이 중요한 요소로 사 용되고 있으며 각 응용 분야에 따라 요구되는 조명의 특성이 다름. 각 분야의 디자인 및 성능 업그 레이드를 위하여 얇고 휘어지는 OLED 조명은 중요한 역할을 할 것으로 기대되며 그의 다양한 요 구에 최적화된 OLED 면광원의 개발이 요구됨. o 전통조명기준으로 전 세계 조명시장의 2% 점유에 그치고 있으나, OLED조명이 본격적으로 시장에 진입하여 다양한 응용분야를 확보할 경우에 2015년 540억원 규모로 형성되어 연평균성장율 41.7%의 고속성장을 통하여 2018년에는 6조원규모로 발전할 것으로 전망됨.(출처 : 유비산업리서 치 2009, DisplaySearch 2009, 야노경제연구소 2009)
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다. OLED 조명의 산업적 특징
□ 조명은 1879년 에디슨이 발명한 백열전구로 시작하여, 형광등을 거쳐 LED 조명 및 OLED 조명 등과 같은 고체 조명시대로 발전하고 있는 상황
ㅇ 백열전구는 자연광(태양빛)과 같은 연색성(Color Rendering Index, CRI)을 보인다는 장점이 있으나, 소 비되는 에너지의 95% 이상을 열로 방출하기에 매우 낮은 에너지 효율을 보여 세계적으로 생산을 줄이 는 추세임 ㅇ 형광등은 현재 가장 광범위하게 사용되는 조명으로 1938년 General Electric 사에 의해 실용화가 되었 으며, 긴 수명과 높은 효율을 보이는 장점이 있으나, 수은 등의 중금속은 형광등을 폐기할 때 특히 문 제가 되고 있음 ㅇ LED 조명은 매우 긴 수명, 소형화, 색감 및 밝기 조절이 매우 용이하다는 장점이 있으며, 또한 수은 등을 사용하지 않기에 환경 친화적인 조명으로 각광을 받고 있으나 제작 단가가 비싸고 강한 빛의 직 진성으로 인해 빛 확산판 등을 따로 장착해야 하며 또한 발열이 매우 심하기에 방열, 냉각 시스템이 필요하다는 문제가 있음. ㅇ OLED 조명은 친환경, 높은 효율 등의 LED의 장점을 그대로 가지고 있으면서도 발열 문제가 발생하지 않고, 얇고, 가벼우며, 투명하거나 구부림이 가능한 면조명이라는 특징이 있으나, 아직까지는 효율 및 경제성 등에 있어서 다른 조명광원에 비해 경쟁력이 떨어지는 상황 (그림 4.) 조명의 역사 및 최근 흐름 개념도 □ 플렉시블 OLED 조명산업은 지금까지 조명분야에서 변방국에 불과한 우리나라가 글로벌 리 더로 도약할 수 있는 체세대 핵심 융합산업임 ㅇ 우리나라는 세계최고의 플렉시블 OLED 디스플레이 산업 경쟁력을 확보하고 있으며, 이를 플렉시블 OLED 조명산업으로 확대하여 글로벌 리더로 도약 가능 - 플렉시블 OLED 조명산업은 플렉시블 OLED 디스플레이 산업과 유사한 가치사슬을 구성하고 있으 며, 디스플레이 산업 생태계를 구성하고 있는 대다수의 기업이 조명산업 생태계에 그대로 참여할 것으 로 예상됨 ㅇ 플렉시블 OLED 조명은 디자인 자유도가 높아 발광벽재, 가구일체형 조명, 두루마리 조명, 광 테라피 등 타 산업과의 융합을 통해 조명의 응용분야를 획기적으로 확대시킬 것으로 전망됨
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-(그림 5.) OLED 디스플레이/조명 산업 Value Chain
라. OLED 조명시장 전망
□ OLED 조명은 한국, 일본, 유럽 등에서 기술을 개발하고 있는 상황
ㅇ 현재 OLED 조명 패널을 개발 또는 양산하고 있는 업체는 총 22개로서, 우리나라의 LG 화학이 세계 최고 수준의 제품을 개발하여 상용화하고 있음
ㅇ Osram과 Philips는 일반조명으로써 OLED와 LED 조명을 조합하는 전략을 갖고 있으며, Light+Building 2014에서도 LED와 OLED 조명을 조합한 공간을 전시함
ㅇ DOE는 2020 Luminaire Projects에서는 LED 조명과 OLED 조명이 각각 적용되는 응용분야는 서로 다르지만 상호보완적이어서 실내에 같이 적용하였을 경우 비용과 효율이 극대화되는 것으로 분석함 ㅇ LG화학은 시장 초기에는 LED 조명과 OLED 조명을 같이 조합하는 시나리오를 가지고 있지만 최종
적으로는 일반조명에서 LED를 OLED로 대체하는 것을 목표로 하고 있음
ㅇ 최근 luminaire 업체들에 의해 전시되는 OLED 조명 제품은 주로 OLED 조명패널을 이용한 스탠드 조명이 주를 이루고 있는 것을 고려할 때, 현재까지 OLED 조명은 넓은 공간을 비춰야 하는 천장조 명보다는 스탠드 조명을 활용하여 제한된 공간을 편안한 빛으로 비출 수 있는 제품이 보다 효율적 이라고 업체들이 판단하고 있는 것으로 보임
23 -(그림 6.) OLED 조명산업 지도 □ 세계 OLED 조명패널 시장은 2016년에 약 5.4억 달러 수준에서 2020년에 47.3억 달러 시 장을 형성할 것으로 전망되며, 플렉시블 OLED 조명은 2020년에 19.9억 달러 규모로 성장 할 전망 ㅇ 글라스 타입의 OLED 조명패널 시장은 2019년에 20억 달러를 돌파하여 2020년에서는 27.4억 달러의 시장을 형성할 것으로 전망됨 ㅇ 플렉시블 OLED 조명패널 시장은 2017년부터 큰 폭으로 성장하여 2020년에는 19.9억 달러 규모로 성 장할 전망 ㅇ 글래스 타입과 플렉시블 타입의 시장 비중은 2016년에 각각 94%, 6%에서 2020년에는 각각 58%, 42%로서, 점차 플렉시블 조명이 시장을 확대할 것으로 전망 (표 1.) 글래스 타입과 플렉시블 타입의 시장 비중 출처: 유비산업리서치(2014)
구분 2016 2017 2018 2019 2020 합계 생산유발효과 1,730 3,786 6,685 11,555 15,126 38,882 부가가치유발효과 428 936 1,653 2,857 3,740 9,614 고용유발효과 455 995 1,757 3,037 3,976 10,220 구분 2016 2017 2018 2019 2020 합계 생산액 44 123 814 1,782 3,147 5,438 마. 경제적 파급효과 □ 국내 생산액 전망 o OLED 조명패널의 국내 생산액은(내수용+수출용) 2016년에 44억 원 규모에서 2020년 7,119억 원 규 모에 이를 것으로 전망됨 (표 2.) OLED 조명 패널 국내생산액 (단위: 억원) 주1) 세계 OLED 조명 시장의 14.4%(LED조명의 ’11년 국내시장 비중)를 가정 주2) 환율은 1,045원 적용 ※ <참고> LED 조명산업의 국내시장 비중 구분 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 평균 세계시장 ($ M) 28,825 34,701 42,420 53,085 69,098 88,040 115,158 -국내시장 (억원) 47,616 65,457 88,807 117,370 154,640 195,760 250,211 -국내시장 비중 (%) 14.4% 16.4% 18.2% 19.2% 19.5% 19.3% 18.9% 18.0% 출처 : 정보통신산업 산업융합원천 R&D전략, LED/광 산업, 2012.9 (환율 1,150원 적용) □ 경제적 파급효과 • 2012년 산업연관표(2014 한국은행 발행) 적용 • OLED 조명산업의 유발계수는 통합소분류상의 ‘기타 전기장치’ (81부문)을 적용 - 생산유발계수 : 2.1247 - 부가가치유발계수 : 0.5254 - 고용유발계수(명/10억당) : 5.585 o OLED 조명패널의 국내생산으로 인해 2016년에서 2022년까지 5년 동안 총 3조 8,882억 원의 생산유 발효과, 9,614억 원의 부가가치유발효과, 10,220명의 고용유발효과 예상 (표 3.) 경제적 파급효과 (단위: 억원,명)
25 -바. 연구개발과제 수행의 제약요인 o 교감형 스마트 OLED 광원 중 유연 면광원은 공간 임베디드 조명, 의료용 광원, 자동차용 광원 등 다양한 분야로 응용될 수 있는 핵심 부품으로 요구되고 있으나, 현재의 OLED 면광원은 단단하고 평탄한 유리 기판을 기반으로 개발되어 유연하고 충격에 강하며 초박형 면광원이 요구되는 새로운 조명 응용 분야에 적합한 기술은 개발되어 있지 않음. - 특히, OLED 조명은 외곽 금형 구조물을 최소한으로 사용하여 새로운 조명 디자인과 응용 분야를 창출함에 유리하나 OLED 면광원의 상기 장점을 살릴 수 있는 슬림형 OLED 조명 구동 드라이버 의 개발이 함께 이루어져야 할 것임. - 교감형 디지털 조명을 위한 감성, 환경 센서와 일체화된 OLED 조명 구동 드라이버 개발 및 감지 된 휴먼, 환경 정보를 OLED 조명 조절에 연계하는 새로운 조절 알고리즘의 개발과 함께 컴팩트 한 컨트롤 장치 제조 기술이 필요함. - OLED의 교감형 디지털 조명화를 위하여 필요한 스마트 센서 연동 디지털 구동 알고리즘 및 슬 림형 구동 드라이버 기술에 대한 연구 개발은 아직 이루어지고 있지 않음. o 새로운 시장 창출을 위하여 인텔리전트 빌딩 및 가구 일체형 임베디드 조명 등을 혁신적 인테리어 및 가구 디자인 기술뿐만 아니라 휴먼테크놀로지와 연계하여 종합적 연구 개발을 진행하여야 할 필요가 있음. 사. 연구개발과제 수행결과 기대효과 □ 기술적 측면 o OLED 조명은 고효율화의 잠재성이 높은 기술로 2020년에 기존 조명(백열등, 형광등 등)의 50%를 대체할 경우에 2005년 대비 약 28%의 에너지 절감 및 6%이상의 탄소배출억제 효과가 기대됨. o 교감형 OLED 디지털 면조명을 위한 고휘도, 유연, 초박형, 내충격 OLED 광원 핵심 요소기술들이 확보되면 혁신적 디자인을 채용한 인텔리전트 녹색 빌딩, 가구일체형 조명, 자동차 조명, 정보전달 기능창 등에 활용이 가능함. o 고휘도 고연색성 면광원 및 적외선 등의 의료용 특수 파장 OLED 면광원은 세계적으로도 거의 연 구가 이루어지지 않은 새로운 분야로 원천기술을 확보할 수 있음. □ 경제․ 산업적 측면 ㅇ 세계 조명시장은 2008년 기준 약 1,130억불 규모로 연 5.4%씩 지속 성장 중이며, 현재 세계 조명 시장은 GE, OSRAM, Philips 등 빅 3가 점유율 50%이상을 차지함.
ㅇ 국내 조명시장 규모는 수출 27위, 수입 29위로서 전 세계시장 규모의 2.3%를 차지하며, 등기구분 야의 경우 수출 27위, 수입 25위 규모로 국가 경쟁력이 취약함 (근거 : LG전자(주)/한국조명기술 연구소) o 차세대 조명 기구의 한 축인 반도체 LED 조명 산업의 기존 인프라를 일부 공유함으로서 공동 성장 할 수 있는 계기를 마련하며 수입 의존도가 높은 국내 조명시장의 국산화 및 국가 경쟁력 확보 가 능함. □ 사회적 측면 o 인간-환경-빛 교감형 OLED 디지털 면조명은 고효율/장수명/에너지 절감형 친환경/인간 친화적 well-being 조명으로 백열등, 형광등으로 대표되는 기존 조명 산업의 패러다임의 변화를 선도할 것으
26 -로 기대됨. o 대면적 면광원, 디자인 자유도, 박형화 및 경량화가 가능하여 효과적인 공간 활용의 장점으로 인하 여 참신한 디자인으로 기존 조명시장을 잠식하고, 신규 기능성 조명 시장도 창출할 수 있을 것으로 예상됨. o 광, 온습도 등 환경 및 인간의 신체 상태에 따라 조명의 휘도/색온도룰 제어할 수 있도록 하여 인 간-환경-빛 교감형 OLED 디지털 면조명에 응용함으로써 조명의 발달과 더불어 문제점으로 대두되 는 조명공해로부터 자유로울 수 있을 것으로 기대됨.
2. 현황 및 접근방법
가. 국내.외 현황 및 기술 수준 o 국내에서는 세계 제 1위의 OLED 디스플레이 산업 환경에도 불구하고 조명 응용을 위한 기술 개발 은 선진국에 비하여 약 5년 이상 늦게 시작됨. o 2006년 11월에 국내에서는 처음으로 지식경제부의 지원하여 백색 광원을 개발하는 것을 목표로 OLED를 이용한 면광원 기술 개발 과제가 시작이 되어 현재 ETRI, 생산기술연구원 등이 주축이 되어 연구개발 하고 있음. o 조명용 OLED 패널 양산을 추진하고 있는 업체로는 국내의 LG화학, 삼성SMD, 네오뷰코오롱, 금호 전기 등이 있음. 특히 LG화학은 2013년 양산을 목표로 OLED 조명 사업을 준비 중에 있음. (표 4.) 주요 기술 개발 현황ㅇ 1999년부터 2020년까지 DOE (Department of Energy)의 지원으로 미국 전체 에너지의 20 %를 소 비하고 있는 조명용 에너지의 절약을 위해 진공조명을 고체 조명으로 대체하기 위한 “Next generation lighting” 프로젝트가 수행중임.
ㅇ OLLA (Organic Light emitting diodes of ICT & Lighting Applications)프로젝트는 2004년 10월에 서 2008년 8월까지 15 × 15 cm2, 50 lm/W, 70 CRI, 10,000 시간 수명의 백색 OLED 면조명 개
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-발을 목표로 Philips, Seimens, Osram-OS, Novaled, Merck 등 24개 업체와 학교가 참여하여 성 공적으로 수행을 완료하고, 후속 프로젝트로 OLED100.eu 프로젝트가 2008년 9월부터 3년간 100 lm/W, 1 m X 1 m, < 100 euro/m2를 목표로 30 M$ 연구비를 투입하du 성공적으로 완료함. ㅇ 필립스는 2008년부터‘Lumiblade' 라는 브랜드의 OLED 조명용 광원 판매를 시작했으며, 세계 최초
로 교감형(Interactive) OLED 조명을 시연한 바 있음.
ㅇ 산업기술총합개발기구 (NEDO)/산업기술 진흥기구 주관으로 2004년 4월 ~ 2011년 3월까지 43 억 엔의 연구비를 투입하여 BLU 및 일반조명 개발을 목표로 미쯔비시중공업과 IMES 등의 OLED 조 명 관련 업체들이 참여함.
나. 접근방법 및 독창성
o OLED 기술의 한계를 극복하는 고휘도, 고연색성, 고내열성, 저발열성, 초박형, 내충격성 면광원 핵 심 기술 의 구현을 위한 소재/부품 및 스마트 OLED 광원 기술과 이를 기반으로 하여 IT 기술과 융 합한 인간-환경-빛이 교감형 OLED 라이팅(Interactivel Information OLED Lighting) 기술을 개발 함.
o 특히, 고휘도, 고연색성, 고내열성, Color tunable, 적외선 OLED 면광원은 기존에 개발되어진 OLED 디스플레이용 소재로는 구현이 불가능하며 이를 해소하기 위해서는 신개념의 소재 개발이 선행되어야 함. o 국내에서는 관련한 선행기술이 전혀 없는 관계로 1단계에서는 학교를 중심으로 다양한 접근방법을 통하여 소재개발을 추진하며, 2단계에서는 1단계에서 확보된 DB 등을 활용하여 소재의 신뢰성확보 와 소자의 고효율화로 접근함. o OLED 면광원이 저발열, 초박형, 내충격 특성을 확보하기 갖는 기존의 유리를 기반으로 하는 OLED 면광원의 부품 및 제조방식을 탈피하여 유연성이 있는 기판에 적용할 수 있는 기술 확보가 요구되 나, 현재까지 관련 요소기술의 개발이 전혀 없는 실정임. o 교감형 OLED 조명 기술 개발의 구현을 위해서는 OLED 광원을 디지털 제어 기술을 확보하고 센서 (환경-, 오감-, 동작센서 등) 기술, 감성인식 기술 등 IT 기술과의 융합을 통하여 빛과 환경, 빛과 감 성을 교감하는 조명을 구현함. o 고효율 OLED 조명 구동 드라이버와 환경/감성 센서를 연동하는 구동 알고리즘을 개발하고 슬림형 센서 연동 구동 장치를 개발하여 초박형 유연 OLED 면광원의 장점과 광특성을 극대화할 수 있는 슬림형의 유연 OLED 조명 등기구 및 슬림형 구동 드라이버를 개발함. o 초박형, 내충격성 OLED 면광원을 이용한 공간 임베디드 조명, 고내열성, 유연 OLED 면광원을 이용한 자동차용 조명, color tunnable, 적외선, 저발열, OLED 면광원을 이용한 패치형 피부치료 Kit, 센서연 동 디지털 구동기술 기반 정보표시형 타일 조명 기술 개발 o 이를 구현하기 위하여 개발되어야 하는 고휘도, 고연색성,적외선 OLED 광원은 지금까지 개발된 OLED 기술의 한계를 극복하는 기술로 개발될 경우 기존의 디스플레이 기술의 동반성장도 예측됨. o 의료용 적외선 및 특수 파장 OLED 면광원 개발은 세계적으로 최초 개발되는 것으로 원천 기술을 확보할 수 있으며, 이를 이용한 패치형 의료용 조명은 BT 산업의 발전과 더불어 신시장 창출이 가능한 혁신적인 기술임. o 자동차, 항공기, 선박 등의 조명으로 사용할 수 있는 내열성, 내충격성이 향상된 유연 OLED 면광 원의 핵심요소기술들은 극한 기술에 가까운 기술로 태양전지, 디스플레이, LED 등 타 산업분야에 서 공동 활용이 가능함. o 경량, 박형, 구부림이 가능함 등의 OLED만의 고유한 성질을 활용할 경우 기존 LED의 한계로 인하 여 접근하기 힘들었던 휴대형, 착용형, 패치형 광 치료 분야에 선구적, 독창적 연구 분야를 개척할 수 있음. (세계 기술 및 시장 주도)
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-제 2 장. 연구개발 목표 및 수행
방법
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제 2 장. 연구개발 목표 및 수행 방법
1. 연구개발목표 및 내용
가. 최종목표 구 분 내 용 최종목표 교감형 스마트 OLED 광원 핵심기술 개발 세부목표 o 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발 - 유연광원용 소재/부품 (유연기판 평탄도 <2nm, 광추출효율 > 90%) - 유연 면광원 (두께 <1mm, 효율 > 60lm/W @ 3000nit & 3000K) o 교감형 OLED 조명(Interactive lighting) 응용 기술 개발- 교감형 공간 임베디드/정보표시 스마트 조명 시스템 (유연 광원, 센서연동) 나. 연차별 연구개발 목표 및 내용 구 분 목 표 내 용 1차년도 (2011) o 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발 - 유연광원용 소재/부품 (유연기판 평탄도 < 10 nm, 광추출효율 증대 > 20 %) - 유연 면광원 (두께 < 1mm, 효율 > 20 lm/W) o 교감형 OLED 조명(Interactive lighting) 응용 기술 개발 - 정보표시 스마트 조명 시스템 (4 bit dimming) o 유연 평탄층 소재 기술 o 유연 광추출 시물레이션 기술 o 유연 광추출 구조 기술 o 저온공정용 전극 소재 기술 o 저온공정용 절연 소재 기술 o 유연기판 백색 OLED 기술 o 필름 봉지 공정 기술 o 슬림형 조명 패키지 설계 o Dimming 구동 설계 및 제작 2차년도 (2012) o 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발 - 유연광원용 소재/부품 (유연기판 평탄도 < 8 nm, 광추출효율 증대 > 40 %) - 유연 면광원 (두께 < 1mm, 효율 > 25 lm/W, @ 3000 nit & 3000 K)
o 교감형 OLED 조명(Interactive lighting) 응용 기술 개발 - 교감형 정보표시 스마트 조명 시스템 (4 bit dimming, 센서연동) o 유연 내부 평탄층 필름 코팅 기술 o 유연 광추출 시뮬레이션 최적화 기술 o 유연 광추출 구조 제작 기술 o 저온공정 전극 코팅 기술 o 저온공정 절연소재 코팅 기술 o 유연기판 고효율 백색 OLED 기술 o 필름 봉지 공정 최적화 기술 o 슬림형 패널 프레임 및 접속 단자 최적화 기술 o 환경 센서연동 정보표시 조명 구동/제어 기술 3차년도 (2013) o 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발 - 유연광원용 소재/부품 (유연기판 평탄도 < 6 nm, 광추출효율 증대 > 60 %) - 유연 면광원 (두께 < 1mm, 효율 > 30 lm/W, @ 3000 nit & 3000 K)
o 교감형 OLED 조명(Interactive lighting) 응용 기술 개발 - 교감형 공간 임베디드/정보표시 스마트 조명 시스템 (6 bit dimming, 센서연동) o 유연 내부 평탄층 필름 소재 및 코팅 기술 최적화 o 유연 광추출 구조 적용 및 공정 최적화 기술 o 저온공정 전극 패터닝 기술 o 저온공정 절연층 패터닝 기술 o 고효율 백색 유연 면광원 기술 o 유연 봉지 공정 기술 o 슬림형 패널 프레임 및 접속 단자 고도화 o 고성능 Dimming 구동 설계 및 제작
31 -4차년도 (2014) o 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발 - 유연광원용 소재/부품 (유연기판 평탄도 < 4 nm, 광추출효율 증대 > 80 %) - 유연 면광원 (두께 < 1mm, 효율 > 50 lm/W, @ 3000 nit & 3000 K) - 주름구조 내화학성 및 내광학성 평가 o 교감형 OLED 조명(Interactive lighting) 응용 기술 개발 - 교감형 공간 임베디드/정보표시 스마트 조명 시스템 (박형 광원, 센서연동) o 유연 광추출 필름 신뢰성 향상 기술 o 유연 평탄층 신뢰성 향상 기술 o 저온공정 전극 패터닝 최적화 기술 o 저온공정 절연층 패터닝 최적화 기술 o 광추출 주름 구조 최적화 기술 o 고효율 백색 유연 면광원 최적화 기술 o 유연 봉지 공정 최적화 기술 o 유연광원 패널 프레임 및 접속 단자 최적화 기술 o 환경센서 연동 정보표시 조명 구동/제어 최적화 기술 5차년도 (2015) o 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발 - 유연광원용 소재/부품 (유연기판 평탄도 < 2 nm, 광추출효율 증대 > 90 %) - 유연 면광원 (두께 < 1mm, 효율 > 60 lm/W, @ 3000 nit & 3000 K)
o 교감형 OLED 조명(Interactive lighting) 응용 기술 개발 - 교감형 공간 임베디드/정보표시 스마트 조명 시스템 (유연 광원, 센서연동) o 유연 광추출 필름 대면적화 기술 o 유연 평탄층 대면적화 기술 o 저온공정 전극 패터닝 신뢰성 향상 기술 o 저온공정 절연층 패터닝 신뢰성 향상 기술 o 고효율 백색 유연 면광원 신뢰성 향상 기술 o 유연 봉지 공정 신뢰성 향상 기술 o 유연광원 패널 프레임 및 접속 단자 신뢰성 향상 기술 o 환경센서 연동 정보표시 조명 구동/제어 신뢰성 향상 기술 다. 당해년도 목표 및 내용 가) 연구개발목표 교감형 스마트 OLED 광원 핵심기술 개발 o 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발 - 유연광원용 소재/부품 (유연기판 평탄도 <6nm, 광추출 효율 증대 > 80%) - 유연 면광원 (두께 <1mm, 효율 > 50lm/W) - 주름구조 내화학성 및 내광학성 평가
o 교감형 OLED 조명(Interactive lighting) 응용 기술 개발 - 교감형 공간 임베디드/정보표시 스마트 조명 시스템 (박형광원, 센서연동) 나) 연구개발 내용 o 유연 광추출 필름 신뢰성 향상 기술 o 유연 평탄층 신뢰성 향상 기술 o 저온공정 전극 패터닝 최적화 기술 o 광추출 주름 구조 최적화 기술 o 고효율 백색 유연 면광원 최적화 기술 o 유연 봉지 공정 최적화 기술 o 유연광원 패널 프레임 및 접속 단자 최적화 기술 o 환경센서 연동 정보표시 조명 구동/제어 최적화 기술
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-2. 연구개발 추진체계 및 방법
가. 연구개발 추진체계 o 교감형 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발은 소재기반의 후방산업부터 조명시스템 및 응용의 전방 산업까지 산업 가치사슬에 따라 전주기적으로 통합 연계 추진함으로써 기술개발의 단계에 수요기 업의 니즈(Needs)가 적극 반영할 수 있도록 함. o OLED 광원 핵심 기술을 보유하고 있는 신소자소재연구부의 OLED 조명 연구팀을 중심으로 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발을 추진하면서, 부문내 소자/패널기술, 광학설계 및 공정기술 등의 필요 기술을 보유한 부서와 협력을 통하여 효율적으로 과제를 수행함. o 교감형 조명시스템 기술 개발에 필요한 요구사항을 반영한 광원 핵심기술을 개발할 수 있도록 관련 부서 및 전문가의 자문을 적극적으로 활용함.o 또한, IT의료, IT자동차, IT조선, IT건설 등과의 융합을 통한 신산업 창출을 위하여 관련 산업 전문 가들의 자문을 적극적으로 활용함. o 정부주도로 개발되고 있는 기술 분야는 기 수행 프로젝트 혹은 연구기관과의 워크샵, 정기적인 교 류회 등의 통하여 기술교류를 적극적으로 추진하고 기술 정보의 공유를 통하여 중복 투자를 배제함. o 개발된 기술은 관련부서 R&D 인프라를 적극 활용하여 수요 산업체 기술을 지원하여 신시장 창출 에 기여함. o 산학연 전문가로 구성된 OLED조명 융합신기술 자문단을 구성하여 기술로드맵과 산업체의 Needs 를 반영한 기술 개발을 추진함. (그림 7.) 추진체계도 나. 연구개발 방법 o 교감형 스마트 OLED 광원 핵심 기술 개발은 소재기반의 후방산업부터 조명시스템 및 응용의 전방 산업까지 산업 가치사슬에 따라 전주기적으로 통합 연계 추진함으로써 기술개발의 단계에 수요기 업의 니즈(Needs)가 적극 반영할 수 있도록 함.
33 o OLED 면광원이 초박형, 내충격 특성을 확보하기 갖는 기존의 유리를 기반으로 하는 OLED 면광 원의 부품 및 제조방식을 탈피하여 유연성이 있는 기판에 적용할 수 있는 기술 확보가 요구되나, 현재까지 관련 요소기술의 개발이 초보적인 개발 수준임. - 이와 같은 특성을 확보하기 위해서는 고내열 고내투습 특성을 갖는 플라스틱 소재의 기판이 개발 이 요구되는바, 관련 국가 과제와의 협력을 통하여 기판을 확보하는 한편, 해외에서 개발 중인 기 판의 사용도 적극적으로 검토함. - 기판 이후의 전극 공정 및 이를 위한 패터닝 공정에 필요한 소재 및 공정 개발에 집중하여 소재/ 공정 핵심 기술 확보에 집중함. - OLED 제조 공정은 기 확보된 진공공정을 기반으로 수행하는데, 유연 기판의 이송과 저온 공정 OLED 제조 기술을 개발함. o 교감형 OLED 조명 기술 개발의 구현을 위해서는 OLED 광원의 디지털 제어 기술, 센서(환경-, 오 감-, 동작센서 등) 기술, 감성인식 기술 등 IT 기술과의 융합을 통하여 빛과 환경, 빛과 감성을 교감하 는 조명을 구현하는 것으로서, 본 과제에서는 구동 관련 핵심 기술에 집중함. - 고효율 OLED 조명 구동 드라이버와 환경 센서를 연동하는 구동 알고리즘을 개발하고 슬림형 센 서 연동 구동 장치를 개발하여 초박형 유연 OLED 면광원의 장점과 광특성을 극대화할 수 있는 슬림형의 유연 OLED 조명 등기구 및 슬림형 구동 드라이버를 개발함. o 초박형, 내충격성 OLED 면광원을 이용한 공간 임베디드 조명, 센서연동 디지털 구동기술 기반 정보 표시형 타일 조명 기술을 개발 다. 위탁과제 o 관련한 선행기술은 학교를 중심으로 다양한 접근방법을 통하여 개발을 추진하며, 2단계에서는 1단 계에서 확보된 DB 등을 활용하여 소재의 신뢰성확보와 소자의 고효율화로 접근함. 구 분 과 제 명 수 행 자 (수행기관) 세부 과제내용 연구기간 소요금액 (천 원) 위탁과제 유연 광추출 전 산모사 기술개발 오민철 (부산대) OLED 광원의 고효율화를 위한 내/외부 광추출 필 름의 전산모사 기술 개발 14.03~14.11 40,000 유연 OLED용 전 극 특성 분석 박용섭 (경희대) 유연한 특성을 갖는 새로 운 OLED용 전극 개발 14.03~14.11 35,000 유연 기판용 나 노구조체 기술개 발 주병권 (고려대) 비주기성을 갖는 나노구 조체의 제조 및 oled 특 성 분석 14.03~14.11 25,000
