[특별기획] 유기전기발광디스플레이와 첨단화학산업

특^별기획

단분자형 유기재료를 이용한 유기전기발광(organic electroluminescence) 현상은 1960년 초부터 연구가 되기 시작하여 1980년 중반에 성능이 크게 개선되기 시작하였다. 몇 년 후 고분자재료에서도 전기발광현상이 관찰되 어 유기반도체 재료 전반에 대한 연구와 이를 기반으로한 유기전기발광소자(organic light-emitting devices)에 대한 관심이 높아지기 시작하였다. 특히, 유기금속인광재료를 이용한 인광형 유기전기발광소자의 개발은 유기전 기발광소자의 효율을 극대화시킬 수 있는 계기를 만들었다. 이로 말미암아 전세계의 화학산업체가 새로운 첨단 정밀화학분야인 유기반도체재료에 관심을 가지기 시작했다.

유기전기발광소자의 우선적인 응용분야가 ‘평판디스플레이’이기 때문에 기존의 액정디스플레이(LCD)와 비교 될 수 밖에 없었다. 초기에는 액정디스플레이의 많은 단점때문에 유기전기발광디스플레이가 비교적 우위에 있었 으나, 액정디스플레이의 지속적인 발달로 유기전기발광디스플레이의 장점들이 많이 희석되기 시작하였다. 그러나 유기전기발광디스플레이는 액정디스플레이에 비해서 총천연색상, 초박막형, 초경량, 우수한 유연성 등 여전히 많 은 장점을 가지고 있다. 이러한 특징 때문에 국내외의 디스플레이 제조업계에서는 유기전기발광디스플레이를 차 세대 디스플레이로 선정하고 지속적인 기술개발 및 소형 디스플레이 양산을 진행하고 있다. 현재까지 생산되고 있는 소형 유기전기발광디스플레이는 차량용온도조절기, 카오디오, MP3플레이어, 휴대폰, 면도기, PDA 등이다.

그러나 텔레비전과 같은 대형 디스플레이를 만들기 위해서는 장수명 청색발광재료기술, 대면적증착(코팅)기술, 장수명화기술, 필름봉지기술, 구동용 저가형유기트랜지스터기술, 소자구조단순화기술 등이 반드시 개발되어야만 한다. 일본, 대만, 중국 등 우리나라와 디스플레이분야의 경쟁국가들에서는 정부주도하에 기업체-연구소-대학 사 이의 공동연구개발을 점점 더 강화하고 있으며, 특히 핵심유기반도체재료 분야에 집중적인 투자를 하고 있다. 그 러나 아쉽게도 우리나라의 경우는 대기업 주도의 일부 대형과제(전략기술개발사업)만 있을 뿐 집중적으로 핵심 연구를 할 수 있는 대학에는 거의 투자가 없는 실정이다. 물론 대학 인적자원의 대부분이 대학원생이라는 단점은 있지만 이것은 오히려 창의성의 핵심이 되기 때문에 향후 우리나라가 디스플레이 강국으로 계속 남기 위해서는 장기적인 안목에서 지속적인 투자가 되어야 한다. 특히 핵심이 되는 유기반도체재료기술은 향후 유기태양전지 등 과 같은 새로운 분야에도 접목되기 때문에 반드시 집중적으로 연구개발되어야할 첨단화학산업분야이다.

본 특집에서는 다양한 유기전기발광디스플레이 기술 중에서 고분자재료를 이용한 유기전기발광디스플레이, 단분자유기재료를 이용한 수동형유기전기발광디스플레이, 그리고 유연하며 휠 수 있는 고분자필름기판을 이용 한 유기전기발광디스플레이에 대해서 소개하고자 한다. 향후 핵심재료전반 및 능동구동형유기전기발광디스플레 이에 대한 추가 특집을 기대해 본다[참고：Y. Kim and C. S. Ha, Advances in Organic Light-Emitting Device, Trans-Tech Publication, Switzerland, 2008].

김 영 규

경북대학교 화학공학과 [email protected]

특·별·기·획(Ⅰ)

서론

21세기 고도의 영상정보화 사회를 둘러싼 환경은 점차 복잡ㆍ다양해지고 있다. 인터넷을 중심으로 정 보화 기술이 급속도로 발전하면서 평판 디스플레이 (FPD)는 아주 중요한 위치를 차지하게 되었다. 1970 년대 이후, 액정의 응용연구가 급속히 진전하여, 현재 FPD의 중심이 되었고, 현재 2015년까지 약 100인치 크기의 대형디스플레이 시장까지 내다보고 있으며 원 가절감을 위해 새로운 부품소재의 구조와 저렴한 소 재개발 열기가 뜨거운 상황이다. PDP의 경우는 2015 년 약 150인치의 크기의 제품출시를 계획하고 있지만 현재 LCD에 의해 대형사이즈의 디스플레이 시장이 상당히 위축된 상황이다. 그러나, 판매율이 높은 화면 크기인 32~40인치 제품을 출시하는 한편 전력소모 량, 밝기, 명암비 등을 개선하고 재료비를 아껴 제품 가격을 보다 낮게 책정하는 전략으로 LCD TV 진영 에 맞서고 있다. 1999년 최초 OLED(organic light- emitting diodes)(색재현율·명암비·응답속도·전 력소모량·두께 모든면이 LCD

대비 우수) 출현 후 기존 LCD 킬 러로서 다양한 응용성을 가지고 그 세를 확대해가고 있는 OLED 의 경우 지금까지는 PM(passive matrix) 방식으로 소형 디스플레 이(핸드폰, PDA 등)에 주로 적용 되어 왔지만 앞으로는 TFT를 이 용한 AM(active matrix) 방식을 적용해 중대형 사이즈로의 진출이 가시화되고 있다. 작년 9월 삼성 SDI에서 2.2~2.4인치 QVGA급 의 AM OLED를 양산을 시작했

고, 또한 12월에는 삼성전자에서 AM 31인치 TV 개 발을 발표하였다. 로드맵상으로는 2011년 약 40인치 사이즈의 AM OLED의 출시가 가능하리라 예측된 다. 사실 현재까지 시장을 주도해가고 있는 것은 발광 재료로서 저분자재료를 사용한 것들이지만, 고분자 발광재료의 용이한 가공성, 저비용, 대형화의 용이성 등의 큰 장점으로 궁극적으로 고분자 OLED가 크게 발전할 것으로 보인다. [그림 1]은 고분자 발광재료를 사용해 관련 업체에서 지금까지 발표한 고분자 OLED의 개발현황을 보여주고 있다. 고분자 OLED 의 풀칼라화 방식으로 최초부터 사용되어오고 있는 잉크젯 프린팅 방식의 기술이 계속 발전해오면서 여 전히 고분자 OLED의 풀칼라화 기술에 적용되고있 다. 작년 4월 일본에서 개최된 3차 FED expo (Display 2007)에서 Toshiba Matsushita Display Technology(TMD)사는 20.8인치의 풀칼라 고분자 OLED TV를 데모하였다. 이 디스플레이는 저온폴리 실리콘(LTPS) 기술과 고분자발광재료를 잉크젯 프

OLED

이지훈·김명종

충주대학교 나노고분자공학과 [email protected]

그림 1. 고분자 OLED의 개발현황.

특·별·기·획(Ⅰ)

린팅 방식을 이용해 패터닝하여 제조된 것이다. 특히 이 디스플레이는 LTPS를 기반으로 하는 세계에서 가장 큰 사이즈의 고분자 OLED다. TMD는 앞으로 2 년 이내에 TV 사이즈의 고분자 OLED를 상용화할 계획을 가지고 있다. [표 1]은 구체적인 사양을 보여 준다.

또한 SID 2007에서 Casio는 자사의 아몰퍼스 실리 콘 backplane 위에 Litrex사의 2세대 잉크젯 프린팅 기술과 CDT의 RGB재료를 사용하여 고해상도 (QVGA, 160ppi) 3인치 풀칼라 고분자 OLED를 선 보였다.

본 고에서는 고분자 OLED의 핵심재료개발 현황과 소자에 있어서의 최근 이슈와 동향에 대해 개괄적으 로 살펴보고자 한다.

상업화 수준의 고분자 발광재료의 최신동향 고분자 OLED 개발의 선두회사로서 2005년 11월 경 영국의 CDT사와 일본의 Sumitomo사가 50:50 지 분으로 만든 “Sumation” 회사의 작년 SID에서 발표 한 고분자 발광재료의 개발의 가장 최근 공식결과를 [표 2]에 나타내었다. 대부분의 소자의 성능이 크게 향상되었고 특히 청색소자의 경우 2004년도 저분자 OLED 대비 6% 수준이었던 것이 발표 당시 약 80%

정도까지 수명향상이 있었다.([표 3] 참조. 여기서 1,000cd/m²에서의 10,000시간은 400cd/m²에서는 약 62,000시간에 해당) 최근에는 색좌표 또한 (0.14, 0.21)에서 (0.14, 0.19)까지 더 향상되었다고 보고되고 있다(수명은 약 45,000시간 @ 400nits). 이들 수치는 2005년말 보고된 자료를 기준으로 보면 적색은 5배,

녹색은 11배, 그리고 청색은 5배의 성능향상이 이루어 진 셈이다. 한편 백색소자의 경우는(0.33, 0.31)의 색 좌표, 발광효율 7cd/A 그리고 수명은 약 5,200시간의 성능이 현재까지의 공식발표 수치다.

한편, 미국 Dupont Displays사는 동일학회에서 용 액공정 가능한 OLED 재료(Dupont^TM HIL 등)를 이 용해 기존 LCD에 비해 약 30% 낮게 OLED를 제조 할 수 있다고 밝히고 있다. 이들 재료를 이용한 백색소 자의 경우 200nits에서 약 20,000시간의 수명을 보였다.

그리고 1,000nits에서 청색의 경우 14,000시간[CIE 1931(0.14, 0.16)], 녹색의 경우 230,000시간[CIE 1931(0.29, 0.65)], 적색의 경우 46,000시간[CIE 1931(0.66, 0.34)]의 소자 수명을 보인다고 한다. 이 회 사는 이들 재료를 이용해 기존 TFT Backplane과 잉 크젯 프린팅기술을 이용 4.3인치(128ppi)와 6.1인치 (80ppi)의 풀칼라 디스플레이를 선보였다.

스크린사이즈 52.8cm / 20.8-inch Pixel수 1,280(H) × RGB × 768(V) / WXGA 색구현 16.7million colors(8bits/color)

방식 Top emission structure (2007년 TMD 자료) 표 1. 20.8”Full color 고분자 OLED 스펙

항목 규격

청색 (0.14, 0.21) 9 10,000

녹색 (0.29, 0.64) 16 35,000

적색 (0.67, 0.32) 10 24,000

(2007년 SID자료) 표 2. 고분자 발광재료의 최신 개발현황

Color CIE 1931 효율 소자수명 (cd/A) @ 1,000cd/m²(hr)

적색 0.67, 0.33 11 >100,000 형광 녹색 0.30, 0.63 25 >100,000 청색 0.15, 0.15 7 >12,000

0.13, 0.22 9 > 23,000 적색 0.67, 0.33 12 >300,000

@500cd/m² 인광 녹색 0.28, 0.63 60 >40,000

청색 0.16, 0.29 21 17,500

@200cd/m² (일본 Idemitsu Kosan사와 미국 UDC사의 최근 발표자료) 표 3. 저분자 F-OLED(형광)과 Ph-OLED(인광) 발광재료

성능

CIE 1931 효율 소자수명

(cd/A) @ 1,000cd/m²(hr)

특·별·기·획(Ⅰ)

대표적인 고분자 OLED용 발광재료의 구조 지금까지 선두 기업들이 상업화에 성공한 전계발광 고분자들은 아래 [그림 2]에 나타낸 것처럼 (1) polylfluorenes(PF), (2) polyspirofluorene(spiro-PAF), (3) poly-p-phenylene vinylene(PPV)들의 고분자 구조에 정공수송(hole transporting)과 전자수송 (eelctron transporting)을 원활히 하기위해 구조 (4), (5)와 같은 그룹들의 유도체를 곁가지나 주쇄에 도입 한 공합체가 대부분이라고 할 수 있

다.

사실 여러 종류의 방향고리와 측쇄 를 지닌 PPV계 유도체들은 발광효율 이 아주 높고(~22lm/W) 색상면에 서도 공중합을 통해 고효율의 녹색에 서 적색까지 낼 수 있어 초기 발광재 료개발의 선두를 차지 해왔지만 광산 화와 고분자 주쇄내의 defect 등에 의 한 재료자체의 수명이 상대적으로 나 중에 개발된 PF유도체나 polyspiro- fluorene(spiro-PAF) 대비 떨어져 지 금은 거의 모든 개발업체에서 이들 재 료를 위주로 청색에서 적색까지 모든 영역의 전기발광재료를 개발하고 있 는 상황이다. 그러나, 저분자와 달리 오랫동안 청색발광 고분자의 짧은 수 명이 고분자 OLED의 상업화 속도를

크게 저해해왔으나 앞서 언급했듯이 많은 개선이 이 루어져 조만간 많은 관련 제품들이 쏟아져 나올 것으 로 보인다.

청색발광 고분자 OLED 재료 개발

아래 내용는 최근 2년 동안에 ACS(American Chemical Society)와 Wiley InterScience 출판사에 투고된 논문들 중 청색발광 재료의 주요 결과들을 요 약한 것이다. 고분자 OLED는 저분자 OLED에 비해 분자량이 큰 단독중합체 혹은 공중합체 형태로 spin- coating, inkjet printing 등의 공정으로 제작이 용이하 며 대면적 디스플레이로의 응용, 그리고 저분자 OLED보다 우수한 열안정성을 가지고 있다. 하지만, 고분자 OLED재료의 정제과정, 청색 발광재료의 짧 은 소자 수명 등의 문제점들이 있었지만 현재 상당히 개선되었다.

[그림 3]을 자세히 보면 모든 고분자들의 main- chain이 PPP나 PPV의 형태로 되어있음을 볼 수 있 그림 2. 대표적인 고분자 전기발광재료들(S는 치환체들).

그림 3. 최근 2년 동안 발표된 대표적 청색발광 고분자재료의 분자구조.

특·별·기·획(Ⅰ)

다. PPV는 최초 고분자 발광재료로 알려졌지만 일반 유기용매에 잘 녹지 않는 성질과 발광하기 위해서 높 은 turn on voltage를 요구하여 주로 그 유도체들을 많이 연구해왔다. 구조(1)같은 재료의 경우 PPV의 주쇄에 spiro-fluorene을 결합하여 높은 열 안정성과 용해도를 향상시키고 blue-greenish한 color를 나타내 지만 PPV계열 중에 가장 blue에 가까운 파장을 보였 다. Ladder-type으로 구조(2)를 들 수 있는데 이것은 가운데 bridge-head position을 탄소가 아닌 질소를 도입하여 모두 탄소로 이루어진 재료보다 열 안정성 이 우수하며 deep blue의 color를 나타낸다. 구조(3) 은 Heck coupling을 통해 fluorene과 silole 유도체와 의 합성으로 만들어졌고 구조(4)는 fluorene과 silole 유도체와 SCC(Suzuki cross coupling)을 통해 합성 되어졌다. 전자는 deep blue color를 보여주지만 Heck coupling의 결함으로 볼 수 있는 oligomer 형태로 얻 어졌다. 반면 후자는 분자량, 높은 열 안정성 등을 나 타내지만 색 순도에 있어서 전자의 경우에 비해 green 영역으로 이동하였다. 구조(5)는 silafluorene계 열로 fluorene의 9-position에 Si를 결합한 Hybrid type의 재료라고 할 수 있다. 3,6위치와 2,7위치를 가 진 silafluorene monomer를 SCC 합성법으로 합성하 여 2,7위치의 homopolymer보다 청색발광에서의 color purity 향상과 열 안정성이 우수한 것으로 나타난다.

구조(6)은 cynofluorene-PPV계열 고분자 재료로서 Knoevenagel 축합중합반응으로 합성되어 열 안정성

과 alkyl group의 도입으로 일반 유기용매에도 잘 녹 는 성질을 나타내고 소자 특성 향상을 나타내었다. 구 조(7) carbazole을 main-chain으로 하여 합성한 copolymer로서 N-position에 alkyl group 대신 phenyl group의 o-,m-,p-위치에 triethylene oxide group이나 triphenylamino group 등을 도입하여 HOMO level을 조절하고 청색계열 발광을 유도하였 다. 구조(8)은 효과적인 energy transfer/charge trapping으로 고순도 청색발광 소자의 성능향상을 유 도하였다. 이들의 EL특성은 [표 4]에 요약되어있다.

한편, 고분자발광재료의 성능개선은 중합공정에서 endcapping 그리고 중합체의 정제 등을 통해 상당히 향상될 수 있다는 사실은 이제 공공연한 사실이 되어 버렸지만 아직까지도 그 정제법에 대해서 체계적인 보고가 되어 있질 않다.

소자 파괴 현상 연구 및 Interlayer 재료개발 사실 고분자 OLED용 재료에서 청색발광고분자가 항상 관심의 대상이 되어왔는데 그 이유는 가장 높은 에너지갭을 가지고 있는 청색을 기반으로 에너지갭이 낮은 녹색이나 적색 심지어는 이들 재료의 화학적결 합이나 물리적 혼합으로 백색발광에 이르기까지 다목 적으로 사용될 수 있음에 있다. 그러나 현재까지 이들 청색발광재료는 다른 색상에 비해 가장 낮은 소자수 명을 보이고 있고 이를 개선하기 위한 많은 연구들이 행해지고 있다. 특히 소자의 분해메카니즘을 연구하

2 445 700-900 @ 10V 0.1 (0.19, 0.19) – 4

5 421 6,000 @ 394mA/cm² 1.69 (0.16, 0.08) 1.95 8.2

6 – 3,000 0.73(@ 3V) – – 2.4

7 415 2,700 at 7V 0.48(@ 7V) (0.16, 0.11) – –

8 440 4,730 2.5 (0.15, 0.08) 2.83 5.6

* Device 구조 : (2) ITO/PEDOT:PSS/Polymer/Ca/Al, (5) ITO/PEDOT:PSS/PVK/Polymer/Ba/Al, (6) ITO/PEDOT:PSS/Polymer/Al, (7) ITO/PEDOT:PSS/Polymer/CsF/Al, (8) ITO/PEDOT:PSS/PVK/Polymer/PFN-OH/Al

표 4. 최근 발표된 청색발광 고분자의 EL 특성

Polymer λEL Lmax LEmax

CIE 1931 EQEmax Turn on V

No. (nm) (cd/m²) (cd/A) (%) @ 1cd/m²

특·별·기·획(Ⅰ)

여 이를 개선하고자 하는 연구도 큰 비중을 차지하고 있다. 그 중 CDT에서 사용되고 있는 한 방법은

“reverse engineering”, 즉 사용된 고분자 OLED소자 를 구성하고 있는 층을 하나하나 분석하는 것이다 ([그림 4] 참조. 봉지층 → cathode → 고분자 발광층

→ PEDOT:PSS 순). CDT의 연구 결과를 하나 소 개하면 습식방법 등으로 층을 하나씩 제거할 때 제거 되지 않는 불용성층의 두께와 소자의 성능저하와의 상관관계를 연구한 결과이다. 일반적으로 소자구성은 ITO(anode) / PEDOT:PSS / polymer emitter / cathode이며 이때 cathode는 Ca/Al, LiF/(Ca)/Al 등이 사용되는데 소자가 구동이 되기 시작하면 cathode쪽으로부터 주입된 전자가 PEDOT:PSS 층 으로 주입되기 시작하게되고 이때 이 층이 서서히 분 해가 되면서 생성된 잔여물이 발광층으로 확산되게 되고 이때 불용성 층이 생성되기 시작한다는 것이다.

따라서 이 현상을 미연에 방지할 수 있으면 소자의 수 명이 향상될 수 있다는 결과다.

이것은 PEDOT:PSS 층과 고분자 발광층사이에 새로운 interlayer층을 삽입하므로서 그 목적을 달성 할 수 있었다. 이 층은 HTL 특성도 가지고 있고 PEDOT:PSS 층으로 전자가 주입되는 것도 막아준 다. 또 다른 기능으로는 생성된 엑시톤들이 anode쪽 에서 소멸되는 것을 막아주어서 소자의 발광효율을 크게 향상시키기도 한다고 보고되었다. 이들 재료는

잉크젯 프링팅 기술에 의해서도 도포가 가능하기도하 여, 보다 향상된 성능을 가진 새로운 interlayer의 개 발이 활발히 진행되고 있다.

백색발광 고분자 OLED의 개발현황 및 조명으로의 응용

최근 백색발광재료 개발의 개발 경향은 우수한 특 성의 백색발광을 구현하기 위해 고분자 주쇄에 재료 적 관점에서 필요한 모든 필요 요소, 즉 청색, 녹색, 주 황, 또는 적색발광(보통 2~3가지 색상만을 선택하여 적용)을 하는 각각의 성분구조와 고분자내의 전하주 입 및 수송특성을 향상시키기 위한 HTL과 ETL특성 들이 적절히 가미된 단일 고분자(single-polymer system)의 개발이 주류를 이루고 있다. 이 방법은 기 존 blending system에서 야기되는 상분리현상(심지 어 잉크젯 formulation에서도 일어남)으로 인한 소자 의 안정성과 가공성이 크게 개선될 수 있다. 몇 가지 최신 연구결과를 소개하면 다음과 같다. 2006년 중국 의 Wang 그룹은 2색(청색, 주황색) 발광시스템의 [그림 5]의 구조(A)를 발표하였다. 이 WPF-BT-3 는 Turn-V가 3.5V, 최대효율 8.99cd/A와 5.75lm/W (EQE~3.8%) 그리고 최고휘도 12,680cd/m², 색좌 표(0.35, 0.34)의 우수한 결과를 발표하였다. 또 다른 Shu 그룹에서는 3색(청색, 녹색, 적색) 발광시스템에 HTL과 ETL특성을 추가하여 2007년 구조(B)를 발 표하였는데 유사한 색순도(0.37, 0.36)에서 최대효율 4.87cd/A(EQE~2.22%)를 보였다. 좀 색다른 백색 발광소자 제작은 고분자 블랜딩시스템에서 fluorenone의 defect들과 HTL특성을 가진 고분자 poly-TPD와의 exciplex 생성을 이용해 최고휘도

~4,800cd/m²와 약 3cd/A의 효율을 달성한 결과를 발표한 적이 있다. 한편 저분자 주황색 발광체 (rubrene)와 ETL재료로 잘알려진 PBD를 청색 고분 자 발광체(polyfluorene)에 분산시켜 만든 백색발광소 자의 경우 2,000cd/m²에서 13.5lm/W의 우수한 효율 의 백색광소자가 2006년 9월에 발표되기도 하였다.

그림 4. 고분자 OLED의 이상적인 소자 구성 및 발광메카 니즘(CDT, 2007 SDI자료).

특·별·기·획(Ⅰ)

Novaled사는 1,000cd/m²(@3V)에서 18,000시간 의 백색 top emission 소자를 발표하였고, 인광재료 [Ir(ppy)3]를 이용한 녹색발광소자의 경우는 같은 휘 도(@ 2.5V)에서 95cd/A(~110lm/W)의 고효율의 OLED소자를 발표한 적이 있다. 한편 고분자 OLED 를 이용한 소자는 Osram에서 약 25lm/W효율의 백 색소자를 발표하였다(참조 : 백열등 15lm/W). 고성 능 고분자의 백색발광 소자의 개발에 대한 업체의 움 직임이 활발해지고 있고 또한 각종 학회에서도 OLED를 이용한 조명산업에의 관심이 집중되고 있는 상황이라 곧 세계 조명산업에도 큰 변화가 올 것으로 보인다.

기타 재료

최근 고분자 시스템에서 장점과 저분자 시스템의 정점을 모두 표현할 수 있는 solution processable한 저분자 재료개발의 열기가 뜨겁다. 이유는 소자 제작 공정의 편리성과 저비용, 그리고 대면적 디스플레이 및 플렉스블 디스플레이로의 응용의 용이성이 주된 이유다. 재료 합성적 관점에서 본다면 기존 고분자시 스템의 순도 문제를 분자수준에서 어느 정도 개선할

수 있고 또한 분자구조를 보다 다양하게 제어할 수 있 다는 것이 큰 장점이라 하겠다. 초기 연구에서는 덴드 리머 구조의 재료가 많이 발표되었고 지금도 역시 같 은 부류의 신규재료들이 많이 발표되고 있는 상황이 다. 특히 인광을 이용한 dopant용 재료, 예를들면 이 리듐 착체의 리간드를 2~3세대의 dendron으로 치환 하여 용액가공성을 준다든지 아니면 비금속성의 발광 재료 개발을 들 수 있다. 최근 국내 지식경제부에서 발표한 15대 원천소재기술개발에 용액공정용 OLED 용 재료개발이 포함될 정도로 개발에 대한 중요성이 갈수록 부각되고 있다.

소자성능 개선을 위한 연구

발광재료의 성능향상이 아닌 소자자체의 성능향상 에 대한 연구는 주로 양쪽 전극, 즉 anode와 cathode 를 다양한 방법으로 수정하여 시도되어 왔는데 몇 년 전만 하더라도 anode쪽 ITO를 여러가지 물질 (Teflon, LiF, NiO 등과 -H, -Cl, CF3-terminated benzoyl chlorides 등 : 두께 1~10nm)로 처리하여 정공 주입특성과 발광층 내 전체 전하(전자와 정공) 의 균형을 조절하여 소자의 성능을 개선한 보고가 많 그림 5. 백색발광 고분자 OLED 재료 예시.

특·별·기·획(Ⅱ)

이 있어왔지만, 최근에는 cathode쪽을 수정하는 연구 결과가 많이 나오고 있다. 최근 2년 이내에 발표된 주 요 연구결과를 몇 가지 소개하면 다음과 같다 : suplamolecular insulating nanolayer인 CH3(CH2CH2O)45

-CONH-C2H4-SH(SH-PEO)로 표면이 개질된 Ag coated glass cathode를 사용하여 전자주입능력을 향 상시켜 EL특성을 개선시킴, 약 15Å정도의 분자량 2000 정도의 PEO를 열증착시킨 Al/Ag composite cathode를 사용 microcavity 효과와 charge-balanced injection를 유도하여 성능을 향상시킴, conjugated polyelectrolyte electron injection layer(~25nm)를 cathode와 발광고분자층사이에 삽입하여 성능을 크 게 향상시킨 연구결과 등이 활발히 발표되었다.

결언

이제 향후 5년 이내에 본격적인 고분자 OLED의 시대가 올 것으로 기대된다. [표 5]에서는 2006년 전 세계 OLED시장의 부품소재의 매출규모와 향후 몇 년간의 연 평균성장률을 시장조사기관에서 조사한 결 과이다. 다른 부품소재에 비해 고분자 발광재료의 성

장률이 크게 두드러진다. 이제 머지않아 저온 프로세 스가 가능한 OLED의 특징과 유연성 및 저비용 등 많은 장점을 보유한 고분자 OLED의 다양한 응용으 로, 플라스틱 기판을 이용한 플렉시블 디스플레이의 시대가 도래되고 휘어지고 심지어는 둘둘 말 수 있는 꿈의 디스플레이가 우리 앞에 나타날 것이다.

표 5. OLED 부품소재 세계시장 및 연평균성장률 OLED 부품소재 2006 매출 전체시장 CAGR(%)

(백만엔) 비중(%) 2005~2011

OLED

임 우 빈

네오뷰코오롱 주식회사 개발팀 [email protected]

서론

20세기 중반부터 시작된 유기 반도체에 대한 연구 의 성과들이 하나 둘씩 응용 분야를 넓혀가며 대중에 게 다가 가고 있는 것 같다. 단결정 유기 반도체로부 터 시작된 연구가 전도성 고분자 등의 연구를 거쳐 현 재는 차세대 디스플레이로서 각광받고 있는 OLED(organic light emitting diode), 유기 TFT (thin film transistor), 유기 태양 전지, 조명 및

flexible display까지 응용 범위를 넓혀가며 21세기의 전자분야에서의 새로운 패러다임으로서의 입지를 서 서히 굳혀가고 있다.

최근 소니에서 11인치의 OLED TV의 소량 생산 을 시작함으로써 OLED가 차세대 디스플레이로서 급 부상하고 있는 실정이며 현재 평판 디스플레이를 장 악하고 있는 TFT-LCD의 시장을 서서히 위협할 것 으로 기대된다.

Polymer EML 500 3.6 53.7

EML 2,656 19.2 10.7

HIL 1,600 11.5 14.2

HTL 1,066 7.7 9.0

ETL 860 6.2 8.8

Driver ics 6,400 46.2 16.9

Sealants 525 3.8 12.8

Getters 250 1.8 19.2

World market 13,857 100.0

(Fuji Chimera Research Report 2007 자료 재편집)

특·별·기·획(Ⅱ)

본 글에서는 차세대 디스플레이로서 각광받고 있는 OLED의 상용화의 선구자인 PM OLED에 대해서 간략하게 소개하고자 한다.

PM OLED의 역사

1980년대 초반에 Eastman Kodak의 Tang 연구진 에 의해서 빛을 내는 기능 이외의 전하를 운송하는 특 성을 갖는 물질들이 개발된 이후 1987년 정공 운송층 (hole transport layer)과 발광층(emission layer)으로 구성된 2층형 소자를 개발함으로써 OLED의 비약적 인 특성 향상이 있었다. 이때의 특성은 구동 전압 10V 에서 1000cd/m²의 특성을 나타내어 상용화의 가능성 을 보였다. 하지만 수명이 50cd/m²에서 100시간 정도 로 수명확보가 관건이었다. 이로부터 10년 정도의 연 구 개발의 결과로 일본의 동북 파이오니어가 1997년 에 최초의 단색 PMOLED를 제품화하여 자동차용 audio 플레이어로 출시함으로써 상용화의 첫발을 내 딛게 되었다.

이후 4색(red, green, blue 및 yellow 또는 red, green, blue 및 orange)의 multi color 제품의 개발이 이루어 졌다.

꾸준한 재료의 개발과 유기물의 R, G, B의 패터닝 을 위한 정밀한 shadow mask의 개발 등의 결과로 2000년대 초에 삼성 SDI와 일본의 NEC가 합작한 SNMD(Samsung NEC mobile display)에서 최초로 color PM OLED를 개발하여 휴대폰의 sub 창에 채 택되게 된다.

OLED는 이후 고휘도, 훌륭한 색순도, 초박형, 광시 야각 등의 장점을 기반으로 시장을 넓혀왔으며 이후 그림 1. 소니의 OLED TV인 XEL-1.

그림 3. 동북 파이오니어에서 출시한 4 color PM OLED

를 적용한 car audio 시스템. 그림 4. 휴대폰에 장착된 SNMD의 최초 color OLED 제품.

그림 2. Eastman Kodak에서 개발한 2층형 OLED의 소자 구조(상)와 그에 사용된 물질 그림. 아래그림 좌 측은 전공 수송층으로 사용된 α-NPD이며, 우측 은 발광층으로 사용된 Alq3의 그림이다.

특·별·기·획(Ⅱ)

꾸준한 제품 개발이 이루어져 휴대폰, car audio, MP3 player, 장비용 표시소자 등 다양한 표시 소자에 PMOLED가 진입하게 되었다. 최근에는 제품의 slim 화가 추세여서 OLED에 대한 needs가 증가하고 있는 추세이다. 제품을 제작하는 입장에서 OLED는 다른 디스플레이에 비해서 사용하기 쉽고 얇아서 기구 설 계나 디자인 측면에서 유리한 부분이 많은 것 같다.

현재까지는 2.0인치급까지의 PM OLED가 개발이 되어 생산이 되고 있다. 해상도로는 최대가 QCIF 급 인 176×220이 있다.

Matrix 구동에서는 scan line(통상 가로방향)과 data line(통상 세로방향)으로 구성이 되는데 PM OLED는 구동 방식이 한 순간에 한 줄씩 구동되는

line 구동 방식이다. 구동 특성 상 scan 수가 증가할수 록 한 line당 표시되는 시간이 줄어들어 휘도가 저하 되는 현상이 발생하며, 그로 인해서 128×160의 해상 도를 갖는 QQVGA 정도의 해상도가 의미 있는 제품 으로서의 최대 해상도가 될 것으로 판단된다.

PM OLED의 구조 및 제조 공정

PM OLED는 Kodak의 Tang 연구진이 2층형 구 조를 제안한 이후로 전하 운송, 주입, 발광의 기능들을 층별로 세분화하여 더욱 효율적인 소자 구조를 개발 함으로써 저소비전력, 고휘도, 장수명의 향상된 결과 를 얻기에 이르렀다.

[그림 6]과 같이 OLED는 발광층으로 정공과 전자 를 효율적으로 주입하여 발광층에서 재결합하게 함으 로써 빛을 내는 구조를 갖는다.

전하가 효율적으로 이동하기 위해서는 이동하고자 하는 매질의 특성이 해당 전하를 잘 운반할 수 있는 특성을 가져야 하며, 아울러 이동하고자 하는 매질과 매질 사이의 에너지 장벽이 낮을수록 효율적으로 이 동하기 쉽다. 정공 수송층 및 전자 전달층은 각 물질 의 특성이 전자와 정공의 이동에 대해서 거부감 없이 잘 흐를 수 있는 특성을 갖는 물질이어야 효과적이며, 그림에서와 같이 발광층의 에너지 level과 양극 또는

그림 5. 다양한 PM OLED 응용 제품. 위부터 KTFT의 휴 대폰 모델과 Creative의 MP3(중), 그리고 도시바 Gigabeat의 MP3(하) player이다. OLED는 네오뷰 코오롱 사 제품.

그림 6. OLED의 발광 원리. 정공은 각 물질의 HOMO (highest occupied molecular orbital) 에너지 준위 로 이동하며, 전자는 각 물질의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위로 이 동한다.

특·별·기·획(Ⅱ)

음극과의 사이에 계단 형태가 되도록 에너지 level을 취할수록 효과적으로 전하를 운반할 수 있다. OLED 가 개발된 초창기에 비해서 현재는 좀더 복잡한 구조 를 갖게 되었는데 이는 궁극적으로 발광층과 양극 또 는 음극과의 에너지 level 차이를 다른 기능 층들을 사용하여 극복하고자 하는 노력의 결과이다.

또한 발광층 내에서도 발광하는 물질과 발광하는 물질(dopant)로 전하를 이송하는 역할을 하는 기능 (host)을 분리하여 발광 효율이 뛰어난 물질들이 분 자간에 서로 상호작용이 강하여 효율이 낮아지는 현 상을 도핑이라는 host에 dopant를 균일하게 분산하는 방법을 사용하여 효율의 극대화에 기여하였다.

전달층 및 수송층의 개발과 더불어 양극과 음극의 일 함수(work function)를 개선하고자 하는 연구가 진행되었다. UV ozone 처리 또는 산소 plasma 처리 를 통해서 양극으로 주로 사용되는 투명 전극인 ITO(indium tin oxide)의 일함수를 개선하여 주입 장벽을 낮춤으로서 정공의 주입을 효과적으로 개선하 였고, 음극에 대해서는 저 일함수 금속인 알카리 금속 류(Li, Cs 등) 및 알카리 토류금속(Ca, Mg 등)의 도 입으로 일함수를 개선하여 전자 주입의 특성을 향상 시켰다. 또한 알카리 금속 자체로는 반응성이 강하고 handling하기 불편한 점이 많아 알카리 금속 화합물

을 사용하여 얇게(10Å 내외) 전자 전달층과 음극 사 이에 끼워 넣음으로써 음극과 전자 전달층 사이의 tunneling 효과를 이용하여 효율적인 소자 구조를 완 성하였다. 이러한 층을 전자 주입층이라 하는데 이러 한 주입층을 사용함으로써 음극 재료로 좀 더 안정한 Al과 같은 금속을 사용할 수 있게 되었다.

양극을 산소 플라즈마 처리를 함으로써 통상 4.8eV 정도의 ITO의 일함수를 5.2eV 정도까지 향상시킨 결 과가 있었고, 가장 많이 사용되고 있는 정공 수송층의 그림 7. 정공 주입층 재료의 예.

그림 8. 정공 전달층 재료의 예.

그림 9. 발광 기능을 하는 dopant 재료의 예.

특·별·기·획(Ⅱ)

HOMO 준위는 5.4~5.6eV 정도이기 때문에 양극의 일함수와 정공 수송층의 HOMO 준위 사이의 준위를 가지며 양극과 부착력(adhesion)이 좋은 물질들을 개 발하게 되었다. 이러한 물질을 정공 주입층이라 하며 현재까지의 재료 연구 중 발광 물질 다음으로 가장 많 이 연구가 되고 있는 층이다.

전자 주입층과 정공 주입층의 도입으로 OLED 소 자는 효율과 수명 면에서 비약적인 발전을 거듭하였 다. 최근에는 각 기능층(주입층 및 전달층)의 전하에 대한 이동도가 많이 상승하여 발광층으로의 전하를 전달하는 역할은 충분히 되고 있는 것으로 판단되어 발광층을 지나쳐서 발광에 기여하지 못하는 전하를 발광층 내부에 가두기 위한 새로운 기능 층의 개발이 추진되고 있다. 이러한 층을 전자 저지 층(electron blocking layer) 및 정공 저지 층(hole blocking layer) 이라 한다.

전자 저지층은 정공 수송층과 발광층 사이에 층으 로 형성하거나 정공 수송층에 도핑함으로써 발광층에 서 발광에 기여하지 못하는 전자가 정공 수송층 쪽으 로 진입하지 못하도록 하는 기능을 하며, 전공 저지층 은 발광층과 전자 주입층 사이에 형성하거나 전자 주 입층에 도핑하여 발광층에서 발광에 기여하지 못한 정공의 전자 전달층으로의 진입을 막는 역할을 한다.

두 새로운 기능 층이 형성됨으로써 기존까지의 발광 효율을 추가로 더 끌어내는 것이 가능하였다. 하지만 현재까지는 수명에 취약한 단점을 보이고 있어 재료

에 대한 꾸준한 연구 개발이 필요할 것으로 판단된다.

[그림 11]은 통상적인 OLED 제품의 모식도와 구 동 driver IC가 장착된 module 사진이다. OLED는 양 극, 유기물, 음극이 증착된 소자와 그 소자를 외부의 환경으로 보호하기 위한 뚜껑, 뚜껑과 기판을 부착시 키기 위한 sealant, 그리고 내부 또는 외부에서 유입된 수분 및 산소의 흡수를 담당하는 getter라는 흡습제로 이루어져 있다. 유기물은 수분과 산소에 매우 민감하 여 유기 소자를 외부로부터 얼마나 잘 차단하느냐가 OLED의 신뢰성을 좌우한다.

그림 10. 정공 저지층으로 사용되는 재료의 예.

Getter Cover

glass

Substrate

Sealant Organic film

structure

Anode Light emission

~10VDC

Glass Substrate

Column: Data line Row: Scan line

Organic Layers ~ 0.1mm

Metal Cathode(Row) Electron Transport Layer(ETL)

Emission Layer(EML) Hole Transport Layer(HTL) Hole Injection Layer(HIL) ITO Anode(Column)

그림 11. 통상의 OLED 소자의 그림(위)과 OLED 소자의 회로 및 층 구성 그림(중간). 맨 아래는 OLED module 제품의 사진이다.

특·별·기·획(Ⅱ)

OLED 초창기에는 소자를 감싸는 재료로 metal can이라고 하는 금속으로된 뚜껑을 사용하였으나 제 품이 다양화되고 박형에 대한 요구가 많아져서 지금 은 cover glass라는 유리를 사용한다. Metal can을 사 용하였을 경우에는 가공 후 변형이 발생하거나 can 표면의 거칠기가 거칠어 수율 확보하기에 좋지 않았 을 뿐 아니라 제작하고자 하는 모델에 따라 metal can을 장착하는 치구가 필요하여 생산성 및 cost 측면 에서도 많은 저해 요소를 가지고 있었으나 cover glass로 대체함으로써 이러한 문제를 해소하여 수율 및 생산성이 향상되었다. 현재는 glass sliming이라는 유기 기판 표면을 깎아내는 방식(불산에 의한 etching 방식 또는 CMP-chemical mechanical polishing 방 식)을 사용하면 OLED 소자를 0.6mm까지 얇게 만드 는 것이 가능하다.

흡습제인 Getter는 BaO나 CaO 계열을 주로 사용 하나 환경 문제로 CaO 계열이 주로 사용된다. 초기에 는 CaO나 BaO를 powder 형태로 사용하였으나 현재 는 polymer binder에 CaO를 분산하고 cover glass에 부착이 용이하도록 점착층을 형성하여 제공된다.

Getter의 제조 업체나 사용자의 요구에 의해서 특 수한 용도의 gas를 흡수하는 첨가제를 넣기도 한다.

제조 공정상 봉지 공정은 수분 관리가 tight하여 주로 1ppm(percent per million) 이하의 수분 관리가 되는 N2 분위기에서 공정이 이루어 진다.

유기물이 고온에서 결정화되어 본래의 특성을 잃어 버리거나 상이 변하는 경우가 발생하여 100℃ 이하에 서 작업이 이루어져야 하기 때문에 봉지용 sealant는 UV 경화제를 주로 사용하며 완전한 경화 및 부착강 도를 높이기 위하여 80℃ 정도에서 1시간 정도의 열 경화도 병행한다.

OLED의 color를 구현하기 위해서는 개별 화소 마 다 패터닝이 이루어 져야 하는데 주로 shadow mask 를 이용하여 증착하고자 하는 영역을 제외한 다른 부 분은 가리는 방식을 사용한다. 일부에서는 CCM (color changing medium)이라는 물질을 사용하여

고효율의 sky blue 물질의 색을 RGB로 변환하는 방 식을 사용하기도 하며, 백색 발광을 갖는 OLED 소자 에 color filter를 사용하여 RGB를 내는 white + color filter 방식도 사용된다. CCM이나 color filter를 사용 한 OLED의 경우에는 패터닝에 위한 문제점이나 생 산성 측면에서 유리하지만 RGB 개별 패터닝 방식에 비해서 효율이 저하되거나 색순도가 저하되는 단점이 있며 OLED의 자발광 특성이 상대적으로 저하되는 단점이 있다.

현재까지 shadow mask를 사용한 패터닝 방식으로 는 대략 200ppi(pixel per inch) 정도의 정밀한 패터 닝도 가능해 졌다. 주로 양산에 사용되는 shadow mask는 얇은 금속판(주로 100µm 이하)을 습식 etching하는 방식을 주로 사용하는데 etching 방식의 특성상 약액이 침투되는 부분이 균일하게 깍여 나가 그림 12. OLED의 color화 방식들. 맨 위는 RGB 개별 패 터닝 방식, 가운데는 CCM을 사용한 색변환 방 식이며, 맨 아래는 white + color filter를 사용 한 방식이다.

특·별·기·획(Ⅱ)

기 때문에 정밀한 형상 구현이 어렵다. 직각으로 형성 된 패턴의 경우에도 etching 작업을 하면 corner 부분 이 둥근 모양을 하며 대략 mask의 두께만큼 동그래 진다. 이러한 문제 때문에 현재의 etching type mask 는 해상도의 한계가 있으며 더욱 정밀한 shadow mask가 요구된다. 이에 대한 대안으로는 전기 도금 (electro-forming) 방식을 사용한 mask가 300ppi 급 까지의 고정밀화가 가능할 것으로 보이나 제작 후 mask의 변형 문제, handling 문제, shadow mask size의 한계, 가격문제 등이 남아 있어 아직까지는 양 산에 활발하게 적용되지 못하고 있다.

[그림 13]은 shadow mask를 사용하여 RGB의 색 을 개별 패터닝하는 그림이다. PM에서는 특별한 경 우를 제외하고는 발광층을 제외한 정공 주입층, 전공 수송층, 전자 전달층, 전자 주입층 등은 RGB 공통으 로 증착하며 RGB 삼색의 발광층 만을 정밀 패터닝

한다.

[그림 14]는 PM OLED의 제조 과정을 나타낸다.

Photo-lithography 방식을 사용하여 ITO가 코팅된 유기 기판을 원하는 형태의 배선 형태로 wet etch 방 식을 사용하여 형성하고, 식각된 ITO의 edge 부분의 roughness에 의한 ITO와 음극 사이의 short를 방지하 기 위하여 insulator라는 절연체를 형성한다. 통상의 PM OLED 소자의 두께는 150nm 정도의 두께를 가 지기 때문에 OLED 소자의 특성은 ITO의 roughness 와 파티클에 상당히 민감하다. 또한 음극의 패터닝을 위해서 separator라는 역삼각형 형태의 구조물을 패터 닝하고자하는 배선과 배선 사이에 형성한다. 이 부분 은 OLED 소자를 형성하는 증착 과정에서 음극의 별 도 패터닝 없이 역삼각형 형태의 구조물에 의한 shadow 현상으로 증착과 동시에 패터닝이 되도록 하 기 위함이다.

OLED 제품의 해상도가 증가할수록 ITO의 배선 폭이 좁아지기 때문에 배선 저항이 증가하게 된다. 통 상 ITO는 면저항이 10Ω/□ 정도를 사용하는데 배선 폭에 따라서 수십 kΩ까지도 배선 저항이 커진다. 이 러한 배선 저항에 의한 전압 강하 현상을 최소화하기 위하여 발광영역 이외의 배선 영역에 보조 전극이라 고 하는 저저항 금속을 추가로 형성한다. 초창기에는 그림 13. Shadow mask를 사용한 RGB 패터닝.

그림 14. PM OLED 제조 공정도.

특·별·기·획(Ⅱ)

주로 Cr을 보조 전극으로 많이 사용했으나 현재는 해 상도가 높아지고 저 전압 구동에 대한 요구가 커져 Al 합금이나 Ag 합금을 사용하기도 한다. 이러한 보조 전극의 형성은 ITO 배선 형성 과정과 동일하다.

이러한 photo lithography 공정이 완료된 기판은 OLED 소자의 형성을 위하여 증착기라고 하는 진공 chamber로 이동하게 되어, 주로 저항 가열에 위한 열 증착 방식을 사용하여 유기물과 음극의 증착이 진행 된다. 이렇게 형성된 OLED 소자는 cover glass와 기 판을 부착하는 봉지 과정을 거쳐 완성이 된다.

완성된 기판은 scribe라고 하는 절단 작업을 거치고 break-up이라고 하는 분해과정을 거쳐 패널 모양을 한 개별 cell로 분리되며, 개별 cell들은 모듈작업이라 고 하는 구동 IC를 개별 cell인 패널에 부착하는 공정 을 거쳐 OLED 제품으로서 완성된다.

PM OLED의 구동 방식

PM OLED 구동 방식에는 전력원을 기준으로 정 전류구동형과 정전압 구동형이 있으며, 빛이 발광하 는 정도를 시간으로 조절하는 펄스 폭 변조 방식 (pulse width modulation)과 구동 파형의 크기를 조 절하는 펄스 높이 조절 방식(pulse amplitude modulation) 방식으로 크게 나눌 수 있다.

전압 구동 방식은 OLED의 capacitance를 빠르게 충전하여 OLED 소자의 capacitance에 관계없이 원 하는 파형을 공급할 수 있는 장점이 있으나 OLED 소자의 전압-전류 특성에 민감하다. OLED는 전류의 양에 따라 빛을 발하기 때문에 소자의 문턱 전압 (threshold voltage-Vth)의 변화에 따라 휘도 불균일 현상이 발생할 수 있다.

전류 구동 방식은 상대적으로 OLED의 capacitance 를 충전하는데 느리며, 이로 인해서 입력 전원의 파형 왜곡이 발생하여 OLED 소자의 capacitance 값이 클 경우 낮은 level의 계조 표시가 힘들어 질 수 있다. 이 러한 문제를 방지하기 위해서 OLED 소자의 capacitance를 구동 신호 인가 전에 충전하는 여러 가 지 기술이 사용된다.

[그림 17]은 PAM(pulse amplitude modulation) 이라고 하는 pulse 높이 조절 구동 방식의 파형을 나 타낸다. PAM 구동 방식에서는 계조 표시를 한 line time(1초/scan수/구동 주파수) 동안에 입력되는 입 력원(전압 또는 전류)의 크기를 조절하여 표시하는 방식이다.

+

-

COLED

Va OLED

그림 15. 전압을 가변하여 구동을 하는 전압 구동 방식의 구성.

COLED

Is OLED

그림 16. 전류를 가변하여 구동을 하는 전류 구동 방식의 구성.

1 frame

Line time Amplitude Voltage or current

Voltage or current

column 1

Data Row 1 Row 2 Row 3

Row n

Row 1 Row 2 Row 3

Row n 0 Gray

0 gray 1 gray 2 gray 3 gray 4 gray 5 gray

1 Gray 2 Gray

0 Gray

그림 17. Pulse 높이 조절 구동 방식(PAM)의 구동 파형 (위)과 계조 표시에 따른 data 파형의 모양(아래).

특·별·기·획(Ⅱ)

[그림 18]은 PWM(pluse width modulation)이라 고 하는 pulse 폭을 조절하여 계조 표시를 하는 구동 방식에 대한 그림이다. PWM 방식에서는 계조 표현 을 한 line time을 시간으로 분할하여 입력원을 조절 하는 방식이다.

PM OLED 구동에서는 대개 전류 구동 방식을 사 용하며 구동 IC maker에 따라 PWM이나 PAM을 사용한다. 하지만 다양한 계조를 표현하는 경우에는 PWM 방식이 OLED의 색 표현 능력면에서 좀더 유 리하겠다.

PM OLED는 앞서 언급한 것처럼 한 line time 동 안만 점등이 되는 방식이기 때문에 높은 해상도로 갈 수록 휘도를 표현할 수 있는 시간이 줄어 든다. Scan line 수의 역수를 duty라 하는데, duty 값이 작다는 말은 OLED의 점등 시간이 줄어든다는 말이다. 해상 도가 높아질수록 OLED의 점등 가능 시간이 줄어들 어 원하는 휘도를 내기 위해서는 해상도가 증가하는 만큼 높은 peak 휘도가 필요하다. 이는 OLED 재료 의 효율의 상승이 되거나 구동 전압이 상승이 되어야 충족이 가능하다. 하지만 구동 전압의 상승은 구동 IC

의 cost 상승과 직결되며 OLED 재료의 효율은 계속 적으로 향상되고 있는 추세이지만 어느 정도 안정 궤 도에 들어온 듯 하다. 현재 PM OLED에서 128×160 정도의 해상도가 최대일 것이라고 판단하고 있는 이 유가 이러한 문제 때문이다.

현재로선 휴대폰의 내부창에 가장 많이 사용되고 있는 해상도인 QVGA(quarter video graphics array- RGB 320×240의 해상도) 정도 이상의 해상 도에 PM OLED가 대응하기 위해서는 새로운 구동 방식이 아마도 가장 빠른 해결책일 것 같다. 아직까지 는 상용화되고 있지는 않지만 여러 업체에서 MLA(multi line addressing) 방식과 같은 새로운 구 동 방식에 대한 개발이 진행되고 있다. MLA는 한번 에 한 line씩 scan하는 기존 PM OLED 구동 방식에 비하여 한 line time 동안 여러 line을 동시에 점등하 는 방식으로, 결과적으로 OLED의 duty 값을 향상시 키는 결과를 낳는다. 관건은 이러한 구동 방식을 어떻 게 한 IC에 넣느냐이며, 그에 따른 구동 IC의 비용 상 승이 어느 정도 될까이다.

PM OLED 시장의 현황과 향후 과제

PM OLED는 2000년대 초반 여러 업체가 양산을 시작하면서 꾸준한 성장세를 보이며 시장을 형성해 왔 으나 소형 표시 소자 시장의 저가화와 해상도 등의 한 계로 현재는 성장세가 주춤하거나 감소하는 추세이다.

TFT LCD가 소형 시장에 진입하면서 1.5”~2.0”급을 주로 사용하는 MP3 player의 디스플레이 창이나 디스 플레이가 작은 소형 휴대폰의 main 창의 자리를 두고 경합을 하게 되었으며, 단색이나 multi color 시장에서 는 저가인 STN이나 CSTN과 경합하게 되었다.

1.5인치~2인치 사이의 제품에서는 가격 뿐만 아니 라 특성 면에서 TFT LCD를 능가하는 특성을 보여 야 하는 문제가 있고, 현재로선 PM OLED를 양산하 는 제조사의 수가 작아(한국 2개 업체, 대만 2개 업체, 일본 2개 업체) 디스플레이를 채용하는 수요자 측면 에서 선뜻 선택하기 쉽지 않은 상황에 처해있다.

1 frame

Voltage/

current

column 1

Data Row 1 Row 2 Row 3

Row n

Row 1 Row 2 Row 3

Row n

0 Gray 1 Gray 2 Gray

4 Gray

Line time

[gray]

0 1 2 3 4 5

그림 18. Pulse 폭 조절 구동 방식(PWM)의 구동 파형(위)과 계조 표시에 따른 data 파형의 모양(아래).

특·별·기·획(Ⅲ)

1인치 급의 소형 디스플레이에서는 STN 등 초 저 가 제품과 가격 경쟁이 관건이다. 2000년대 중반부에 는 OLED와 같이 시야에 잘 띠는 디스플레이에 대한 요구가 많았으나 최근에는 완제품의 가격 압박도 심 하여 저가의 디스플레이가 요구된다. OLED는 산업 의 규모가 작고 모델당 판매 수량이 적기 때문에 원부 자재의 cost가 상대적으로 높은 편이며, 특히 구동 IC 의 가격이 높은 편이다. 2000년대 초반부터 지금까지 상당한 원부자재의 가격 하락이 진행되어 왔으나 판 매가의 하락은 더욱 극심한 형편이다. 2000년대 초반 에 1인치 기준으로 20$에 육박하는 10$대 후반의 판가를 형성하던 PM OLED가 현재는 2$대의 판가 요구를 받는다. 이러한 저가 요구를 달성하기 위하여 제조사들은 공정 단순화 및 수율 향상에 최선을 다하 고 있으며, COG(chip on glass)와 같은 모듈 공정 방 식을 사용하여 추가 비용 절감에 총력을 기울이고 있 는 추세이다. 최근에는 중국 업체들이 PM OLED의 양산화 계획을 발표하면서 앞으로 PM OLED 시장 은 더 많은 가격 압박을 받을 것으로 판단된다.

[그림 19]와 같이 PM OLED 시장은 시장 규모 측 면에서 어느 정도의 안정세를 취하고 있으며, AM OLED에 대한 요구가 상당히 많아질 것으로 전망된 다. PM OLED가 향후 시장에서의 의미 있는 경쟁력 을 확보하기 위해서는 AM OLED에 비견하는 특성 과 탁월한 가격 경쟁력을 확보하는 것이 과제이다. 현 재 개발이 진행되고 있는 여러 가지 구동 기술의 성공 과 꾸준한 생산성 향상 및 원가 절감을 통한 가격 경 쟁력 확보를 통해서 PM OLED가 중-소형 디스플레 이에서의 dark horse가 되기를 희망해 본다.

종류별 OLED 시장규모 추이 및 전망 (억달러)

능동형 OLED

수동형 OLED 40

3530 25 2015 10 50

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

그림 19. OLED의 시장 추이 및 전망.

Flexible OLED Displays:

모 연 곤

삼성 SDI, [email protected]

Flexible OLED 디스플레이 소개

디지털 방송의 도입 및 인터넷의 빠른 성장과 더불 어 ‘언제 어디서나 누구나’ 영상 정보를 볼 수 있는 휴 대 단말기용 디스플레이에 대한 관심이 높아지고 있 다. 지상파 및 위성 DMB 방송에 따른 휴대전화 단말 기용 서비스가 시작되어 야외에서 영상이나 데이터 정보를 손쉽게 입수할 수 있는 정보 서비스 환경이 형 성되고 있다. 이러한 환경에서는 초박형, 경량은 물론, 둥글게 말아서 휴대할 수 있는 플렉서블 디스플레이

에 대한 실용화가 필수적으로 요구된다. 금년부터 시 장에 첫 선을 보이고자 하는 플렉서블 디스플레이는 아직 전기 영동 디스플레이와 같은 전자종이 기술을 기반으로 하는 디스플레이가 유일한 실정이다. 특히, 풀 컬러와 동영상이 요구되는 경우에는 OLED 소자 가 플렉서블 디스플레이의 주요 표시 소자로 가장 주 목을 받고 있다. 특히, 플렉서블 OLED 디스플레이는 [그림 1]에서와 같이 얇고, 가볍고, 튼튼한, 그리고 공 간적으로 효율적이며 디자인이 자유로운 저가의 디스

특·별·기·획(Ⅲ)

플레이로 특징지워진다는 점에서 많은 관심을 끌고 있다.

OLED를 기반으로 하는 평판 디스플레이는 이미 삼성SDI 등에서 사업을 하고 있으며 고객으로부터 많 은 관심을 받고 있다. 이와 같은 평판 디스플레이와 다르게, 플렉서블 OLED 표시 소자는 100nm의 얇은 유기 박막에 전류를 흘려 보내서 그 유기재료 고유의 발광을 얻을 수 있는 자발광 소자로 얇은 플렉서블 기 판 상에 소자를 형성하여 플렉서블 OLED 디스플레 이를 구현한다.

플렉서블 OLED 디스플레이의 기본 구조는 [그림 2]에 나타낸 것과 같이 플렉서블 기판, 구동 소자, 표 시 소자, 박막 봉지 등으로 구성되며, 주요 특성은 [그 림 2]에 보이는 바와 같이 표현할 수 있다. 플렉서블 기판은 주로 플라스틱 재료가 대부분이며, 경우에 따 라 얇은 금속 박막 또는 유리 기판이 사용되고 있다.

구동방식으로는 수동(passive matrix:PM)와 능동 (active matrix:AM) 구동의 2가지 방식으로 구분되 며, 디스플레이의 대형화에 어려움이 있는 수동 방식 보다 다양한 사이즈의 디스플레이 구현에 유리한 능 동 구동 방식이 주로 연구가 많이 되고 있다. 능동 구 동은 박막 트랜지스터(thin-film transistor: TFT)를 기반으로 OLED 디스플레이의 구동에 검증된 다결정 실리콘 TFT와 산화물 TFT, 유기 TFT 등이 주요한 구동 소자로 연구하고 있다. 현재 상품화가 되고 있는 평판 OLED 디스플레이에 구동 소자로 사용되고 있 는 다결정 실리콘 TFT가 가장 많이 구동 소자로 사 용되고 있으나, 향후에는 산화물 TFT 또는 저가격의 유기 TFT가 사용될 수 있다. 특히, 유기 TFT는 반 도체층에 유기 반도체 재료를 이용한 트랜지스터로 OLED 소자의 능동 구동 소자로 쓰인다. 플렉서블 OLED 디스플레이 능동 구동은 고휘도와 고콘트라스 트 및 장수명화라는 점에서 장기적으로 매우 중요한 기술이다. 유기재료를 이용한 전자 소자는 아직 신뢰 성이나 특성 측면에서 미흡한 수준이지만 무기재료를 이용한 것에 비해 유연성이 뛰어나고 저온에서 제작 할 수 있다는 장점이 있기 때문에 플라스틱 기판을 기 본으로 하는 플렉서블 OLED 디스플레이에 적합하 다. 또한 유연성에 기판 외에 중요한 부분이 OLED 층 위에 형성되는 박막 봉지이며 디스플레이의 유연 성 확보 및 유기물을 물과 산소로부터 보호해야 하는 측면에서 반드시 필요하다.

Flexible OLED 디스플레이 기술 개발 현황 Flexible 디스플레이의 개발 현황은 [그림 3]에 나 타낸 것과 전자 종이(e-paper) 방식이 가장 많이 연 구되고 있으며, 그 다음으로 OLED 방식이 관심을 끌 고 있다는 것을 알 수 있다. 기술적으로 구현이 비교 적 쉬운 전자 종이 방식의 플렉서블 디스플레이가 비 록 4096컬러 수준과 동영상 구현이 어려운 정도임에 도 불구하고 먼저 시장에 출시될 것으로 보인다. 주로 흑백 또는 8 color 이하의 수준으로 signage와 e-book 그림 1. Flexible OLED 디스플레이의 특성.

그림 2. 플렉서블 OLED 디스플레이 구조.