유기 발광 디스플레이 (Organic Light Emitting Diode, OLED) Part 2

유기 발광 디스플레이

(Organic Light Emitting Diode, OLED)

Part 2

OLED의 수명 및 봉지

 OLED 소자에 전압 혹은 전류를 인가하면 시간에 따라 발광 특성이 변한다.

 OLED 소자에 일정한 전류를 인가하면 시간이 지남에 따라 그림 2.42에서 보는 것처럼 빛이 방출되지 않는 영역이 생기며, 이와 동시에 휘도가 점차 감소한다.

빛이 발광되지 않는 영역을 흑점 (dark spot)이라고 하며 시간에 따른 휘도 변화를 휘도 열화 (degradation) 현상이라고 한다. 시간이 지남에 따라 흑점은 계속 커져 결과적으로는 OLED 전체가 빛이 방출되지 않는다.

OLED를 이용하여 디스플레이 혹은 조명 등의 응용 제품을 제작할 경우 이러한 시간에 따른 특성 변화를 고려해야 한다.

초기의 OLED는 흑점 및 휘도 열화 현상이 아주 심하였으나 빠른 속도로 기술이 발전하여 흑점 현상은 거의 완벽히 제어할 수 있게 되었으며, 시간에 따른 휘도 변화 특성 또한 빠른 속도로 향상되고 있다.

 OLED 소자에서 시간이 지남에 따라 빛이 방출되지 않는 흑점 영역이 증가하는 현상은 주로 수분 및 산소와 관련이 있다.

그림 2.43와 같이 수분은 유기물과 금속 전극을 들뜨게 하여 기포를 형성한다. 기포는 주로 주로 수분에서 분리된 수소에 의해 형성되는 데 이러한 기포로 인하여 전극이 들뜨면

결과적으로 전류가 통하지 않게 되어 기포가 생긴 영역은 빛을 생성하지 못하게 된다.

OLED 내에서 흑점 현상은 수분 뿐만 아니라 산소에 의해서도 형성된다. 산소는 전극을 미세하게 산화시켜 전류를 통하지 못하게 된다.

 따라서 외부의 수분과 산소를 차단하기 위하여 그림 2.44와 같이 질소 혹은 아르곤 분위기에서 소자를 봉지 (encapsulation)시키며, 캔의 내부에 흡습제를 바르거나 붙여 내부의 수분을 제거 한다.

금속 혹은 유리 캔을 이용하여 OLED를 봉지시킬 경우, 외부의 수분이나 산소를 거의 완벽하게 차단하여 흑점의 형성을 차단할 수 있으나 이에 의해 OLED의 두께가 두꺼워지고 공정이

복잡해지므로 봉지 캔을 사용하지 않고 얇은 박막의 형태로 봉지를 수행하기 위한 기술 개발이 진행되고 있다.

그림 2.45와 같이 유기물과 무기물을 반복적으로 코팅함에 의해 수분과 산소의 침투를 막아주는 구조가 가장 많이 개발되고 있다.

 그림 2.46에 시간에 따른 OLED 휘도 변화를 나타내었다.

OLED의 휘도는 초기에는 급격히 감소하며 이후 시간이 지남에 따라 서서히 감소한다.

시간이 지남에 따라 OLED의 휘도는 감소하여, 일정 시간이 지나면 초기 휘도의 50%에

도달하는 데, 이를 OLED의 반감수명 (half-lifetime)이라고 하며 이를 OLED의 수명으로 정의 하고 있다.

OLED 소자의 수명은 같은 소자 내에서도 소자의 초기 휘도에 따라 달라지는 데, 이는 OLED가 자발광 (self-emission) 소자이기 때문에 나타나는 현상이다. (그림 2.47)

예를 들어, 초기 휘도가 1,000 cd/m²일 경우 반감수명이 1,000 시간이면, 초기 휘도가 10,000 cd/m²일 경우에는 100시간이 되지 않는다.

 이러한 현상으로 인하여 OLED의 초기 휘도는 수명에 중요한 영향을 미치며 이는 OLED 응용 제품 개발에도 영향을 미친다.

예를 들어, 핸드폰과 같은 소형기기에 사용되는 디스플레이는 디스플레이의 휘도도 약 100 cd/m²으로 높지 않으며 제품의 수명 주기도 짧아 OLED를 사용할 경우 초기 휘도가 높지 않아 수명이 긴 디스플레이의 제작이 가능하다.

반면, TV와 같은 대형 디스플레이는 초기 휘도가 핸드폰보다 훨씬 높기 때문에 OLED를 이용 하여 디스플레이를 제작하면 같은 OLED를 사용하여도 수명은 훨씬 짧아 문제가 될 수 있다.

 OLED의 수명 현상은 컬러 디스플레이의 개발에도 영향을 미친다.

그림 2.48에 나타낸 바와 같이 OLED의 수명은 사용하는 재료, 구조 및 컬러에 따라 다르다.

예를 들어 녹색 OLED 소자의 수명이 상대적으로 길 경우 이를 이용하여 컬러 디스플레이를 제작하면 녹색 소자의 휘도는 천천히 감소하는 반면 적색 및 청색 OLED 소자의 휘도는 빨리 감소하기 때문에 적색, 녹색, 청색을 혼합하여 컬러 디스플레이를 만들면 시간에 따라 색이 변하게 된다.

따라서 컬러 OLED의 수명은 각각의 색을 나타내는 소자에 비해 짧다.

 OLED 소자의 휘도에 따라 수명이 달라지기 때문에 컴퓨터 모니터와 같은 사무용 기기의 제작 보다는 움직이는 영상을 위주로 하는 멀티미디어 기기의 개발에 적합하다.

예를 들어 그림 2.49와 같은 화면을 표시할 경우, 밝은 부분은 OLED에서 빛을 방출하는 부분 이고, 검정색 부분은 OLED 소자에서 빛을 방출하지 않는 부분이기 때문에 그림의 화면을 계속 켜둘 경우, 밝은 부분은 수명이 짧아지고 어두운 부분은 소자의 수명이 상대적으로 길어 다른 화면으로 전환될 경우 그림의 밝은 부분은 손상되어 화면의 밝기가 달라지게 된다.

따라서 컴퓨터 모니터와 같이 장시간 같은 화면을 켜고 있으면 밝은 부분은 수명이 짧게 되어 디스플레이가 불량이 나게 된다. 이러한 수명 현상으로 인하여 OLED 디스플레이는 TV와 같은 동영상을 표시하는 기기에 적합한 것으로 알려져 있다.

PMOLED 및 AMOLED

 그림 2.14는 PMOLED 구동의 개념을 나타내었다.

 PMOLED는 배선 형태의 양극과 음극이 수직으로 교차하는 부분이 화소가 되는 구조로 되어 있다. PMOLED는 음극 배선에 (-)전압을 순차적으로 인가하며, 양극 배선에 화면 신호를 인가하여 디스플레이를 구동한다.

즉, 첫 번째 줄에 (-)전압을 인가함과 동시에 첫 번째 줄의 화면 신호를 인가한 후, 두 번째 줄로 신호가 넘어가는 방식으로 구동을 하게 된다.

첫 번째 줄에서 두 번째 줄로 신호가 넘어가면 첫 번째 줄의 OLED 화소는 OFF가 되어 발광하지 않게 된다.

PMOLED (Passive Matrix OLED)

그림에서처럼 4줄의 디스플레이를 구동할 경우, 디스플레이 화면의 휘도는 OLED 화소 휘소 보다 4배 작게 된다. 예를 들어, OLED 화소의 휘도가 100 cd/m²일 경우 디스플레이 화면의 휘도는 25 cd/m²이 되며 발광 면적 및 빛의 손실을 고려하면 휘도는 더욱 감소하게 된다.

노트북과 같은 디스플레이는 일반적으로 500줄 이상이며, 100 cd/m² 이상의 휘도를 필요로 하므로 PMOLED 디스플레이를 제작하면 OLED 화소의 휘도는 최소 50,000 cd/m² 이상이 필요하기 때문에 구동전압이 증가하며 소비전력이 급격히 커지고 PMOLED의 수명이 짧아져 제품으로서 사용할 수 없게 된다.

따라서 PMOLED는 대략 2인치 이하의 줄수가 많지 않고 해상도가 작은 디스플레이를 사용하는 응용 제품에 주로 장착된다.

AMOLED (Active Matrix OLED)

 그림 2.15는 AMOLED 구동의 개념을 나타내었다.

 AMOLED는 각각의 화소에 구동용 TFT를 형성하여, TFT에 의해 OLED 화소가 구동되도록 한다.

또한 각각의 화소에는 화면신호를 저장하는 저장용량 (storage capacitor)이 있어 신호가 다음 줄로 넘어가도 정보가 그대로 저장됨에 의해 OLED 화소에서 계속 빛이 방출되도록 구성한다.

이에 의해 AMOLED는 디스플레이 화면의 줄 수가 많아져도 필요한 휘도가 급격히 증가하지 않아 대면적의 디스플레이 구현에 적합하다.

또한, AMOLED는 TFT에 의해 각각의 화소가 조절되기 때문에 화면 불량이 적고, 높은 해상도의 구현이 가능한 장점이 있다.

 AMOLED 화소는 그림 2.57과 같이 구성되어 있다.

 OLED는 LCD와 달리 전류에 의해 휘도를 조절하는 전류구동 방식의 소자이므로 AMOLED 각각의 화소를 구동하기 위해서는 최소 2개 이상의 TFT가 필요하다.

AMOLED 화소를 구동하기 위한 TFT는 스위칭 TFT 및 구동 TFT로 나뉜다.

스위칭 TFT는 각 OLED 내로 데이터 정보를 전달하는 역할을 하며, 데이터 버스선에 의해 전달된 정보는 구동 TFT의 게이트 전압으로 인가되어 구동 TFT에 의해 전류로 변화되어 OLED 화소로 전달된다.

또한 데이터 저장용량은 전달된 데이터를 저장함에 따라 스캔 버스선의 신호가 다음 줄로 넘어가도 계속해서 정보를 유지하여 OLED 화소에서 빛이 방출되도록 하는 역할을 한다.

전력선은 구동 TFT로 부터 전류가 흘러갈 수 있도록 한다.

 그림 2.58에 OLED 구동 TFT와 OLED와의 연결 부위를 기준으로 한 AMOLED 화소의 단면 구조를 나타내었다.

 구동 TFT 부분의 드레인 전극이 OLED의 양극인 ITO와 연결되어 있다.

ITO 위에는 절연층이 패턴되어 있어 각 화소마다 독립시켜 주는 역할을 한다.

양극인 ITO 및 음극 사이에는 OLED를 구성하는 유기물이 있다.

이때 발광층을 제외한 정공주입층, 정공수송층, 전자수송층, 음극 등은 모든 화소에서 공통적으로 사용할 수 있어 공통층이라고 한다.

구동 TFT의 드레인에 OLED 화소가 연결되어 전류는 TFT를 통하여 OLED로 흘러간다.

 하나의 AMOLED 화소에서 화소 전체의 면적에 대한 빛이 방출되는 부분의 면적의 비를 개구율 (aperture ratio)이라고 한다.

 개구율은 화소의 초기 휘도에 영향을 미쳐, 디스플레이의 소비전력 및 수명에 중요한 영향을 미친다.

예를 들어, 그림 2.59의 오른쪽과 같이 개구율이 작은 경우 디스플레이 휘도를 맞추기 위해서는 OLED의 휘도가 높아져야 한다. 만약 AMOLED 화소의 개구율이 50%인 경우 1,000 cd/m²의 휘도가 필요하다고 하면 개구율이 25%인 경우에는 같은 휘도를 맞추기 위해 2,000 cd/m²의 휘도가 필요하다. 따라서 개구율이 작아지면 더 많은 전류 밀도를 필요로 하므로 구동전압이 높아져 결과적으로 소비전력이 증가하게 된다.

또한 OLED의 수명은 OLED의 초기 휘도에 따라 달라지며, 초기 휘도가 높을수록 감소하므로 개구율이 작아지면 초기 휘도가 높아지게 되어 결과적으로 수명이 감소하게 된다.

 OLED는 전류에 의해 구동되는 소자이기 때문에 OLED의 효율은 전류의 양에 절대적인 영향을 미치며 전류의 양은 디스플레이의 소비전력 및 수명에 영향을 미치며 AMOLED 구동용 TFT의 선택에 영향을 미친다.

 예를 들어 그림 2.61에서 처럼 효율이 높은 OLED의 경우 같은 휘도를 내기 위해서 필요한 전류 밀도는 작지만 효율이 낮은 OLED의 경우 같은 휘도를 내기 위해 필요한 전류가 증가한다.

따라서 효율이 낮은 OLED를 이용하여 AMOLED를 제조할 경우, 각각의 화소를 구동하기 위해서는 높은 전류를 필요로 하며, 구동 TFT에 의해 공급되는 전류의 양이 결정되므로 구동 TFT가 충분한 전류를 공급할 수 없게 되면 AMOLED의 제작이 어렵게 된다.