디스플레이의 핵심 부품 기술
OLED 광원 및 BLU 기술

글 : 김한기 교수 / 금오공과대학교 신소재시스템공학부

[출처 : 전자부품]

광원으로써 유기전기발광소자는 높은 휘도 및 발광 효율, 우수한 색순도, 대면적 면광원 제작 가능, 저가 공정, 및 다양한 재질의 기판에 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 아직까지 유기물 박막 재료의 수명 문제점을 가지고 있다. 이 글에서는 점점 가시화 되어 가고 있는 유기전기발광소자를 이용한 광원 및 BLU 기술의 동향을 살펴보고 앞으로 새로운 광원으로써의 유기전기발광소자의 가능성을 보이고자 한다.



1879년 에디슨의 백열전구(Incandescent light bulb) 발명 이래 고효율, 장시간 특성을 가진 새로운 광원에 대한 끊임없는 인간의 관심은 고체 상태 광원(Solid state lighting)이라는 새로운 광원을 탄생시켰다. 반도체 광원(LED)와 유기전기발광 다이오드(OLED)로 대표되는 고체 상태 광원은 기존의 가스 상태 광원(Vapor state lighting)인 백열전구나 형광등과 달리 고체 상태의 발광체를 이용하기 때문에 장시간의 사용이 가능한 가장 이상적인 광원으로 알려져 있다. 이러한 새로운 반도체 광원과 유기전기발광 다이오드 광원 개발이 본격화됨에 따라 10년 후인 2016년에는 현재 광원으로 가장 많이 사용되는 형광등이 사라질 전망이다.

이중 그림 1에 나타낸 유기전기발광소자를 이용한 광원은 유기물 재료가 가진 여러 가지 장점으로 인해 차세대 광원 및 BLU(Back light unit)로 많은 연구가 진행되고 있다. 광원으로써 유기전기발광소자는 높은 휘도 및 발광 효율, 우수한 색순도, 대면적 면광원 제작 가능, 저가 공정, 및 다양한 재질의 기판에 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 아직까지 유기물 박막 재료의 수명 문제점을 가지고 있다. 이 글에서는 점점 가시화 되어 가고 있는 유기전기발광소자를 이용한 광원 및 BLU 기술의 동향을 살펴보고 앞으로 새로운 광원으로써의 유기전기발광소자의 가능성을 보이고자 한다.

유기전기발광소자를 광원으로 사용하기 위해서는 먼저 백색 유기전기발광소자(White OLED)에 대한 이해가 필요하다. 백색 유기전기발광소자란 디스플레이뿐만 아니라 범용의 광원으로 사용할 수 있는 백색을 발광하는 소자로 이때 발생하는 백생광은(0.33, 0.33)에 근접하는 색도좌표(chromaticity coordinates)와 3,000K~8,000K의 색온도, 그리고 80이상의 연색지도 특성을 가져야 한다(그림 2). 유기 소재를 이용한 유기전기발광소자의 경우 여러 가지 유기물 재료의 자유로운 선택이 가능할 뿐만 아니라 우리가 필요한 소재를 합성할 수 있기 때문에 합성기술 및 소자 제작 기술의 최적화에 의해 백색 광원으로서 효율 및 빛의 특성을 향상 시킬 수 있다.

백색 유기전기발광소자는 1995년 야마가타(Yamagata) 대학의 기도(Kido) 교수팀이 적색, 녹색, 청색 발광 특성을 갖는 발광 층을 적층하여 백색 발광 특성을 보고한 이래로 고효율, 장수명 특성 및 우수한 색순도를 구현하기 위한 여러 가지 재료 및 소자 구조 개발이 진행되어 오고 있다. 현재까지 제안되어온 백색 유기전기발광소자의 구조를 그림 3에 나타내었다.

유기전기발광소자에서 백색광을 구현하는 방법은 크게 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue) 발광 물질을 공통의 호스트 물질에 도핑하는 방법, 레드, 그린, 블루 발광 물질을 각각 수평으로 적층하여 동시에 발광시키는 방법, 서로 보색 관계를 갖는 두 색을 적층하는 방법, 단일 발광층으로 eximer, exciplexes의 형성에 의한 넓은 파장대의 발광특성을 얻는 방법, 그리고 청색 발광층으로부터 컬러 변화층을 이용하는 down conversion등의 방식이 보고되고 있다.

먼저 공통 호스트 물질에 레드, 그린, 블루 도펀트를 사용하는 방법은 제작공정은 간단하지만 공동층에 들어있는 도펀트를 동시에 이용하기 때문에 색조절이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 레드, 그린, 블루 발광 물질을 적층하여 동시에 발광을 시켜 백색을 구현하는 방식은 색순도는 좋으나 여러 종류의 유기물을 적층하는 다층구조이므로 제작이 어렵고 효율이 낮으며 각 발광층간의 열화가 서로 다르게 일어나기 때문에 시간에 따른 색순도가 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 즉 가장 수명이 짧은 Blue의 특성이 열화되면 그린 및 레드의 수명이 길다고 하더라도 백색광의 특성이 열화되게 된다. 서로 보색 관계의 발광 특성을 이용하는 방법은 제작이 간단하고 효율이 높은 장점을 가지고 있으나 녹색 발광 효율이 낮으며 연색지수에 문제를 가지고 있다. 이러한 여러 가지 방법으로 백색광의 효율 및 특성 향상이 계속적으로 보고되고 있고 새로운 소자 구조 역시 계속적으로 제안되고 있기 때문에 머지않아 경쟁력을 가진 고효율의 백색 유기전기발광소자 광원이 구현될 것으로 사료된다.

이러한 구조의 백색 유기전기발광소자를 이용하여 백색 광원을 구현하게 되면 그림 4에서 나타내듯이 고화질의 OLED 디스플레이뿐만 아니라 LCD용 BLU와 일반 조명 등의 다양한 응용 분야가 이루어 질 수 있어 유럽 및 미국을 중심으로 기술 선점을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

특히 백색 유기전기발광소자를 일반 조명으로 활용하고자 하는 연구가 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있는데 백색 유기전기발광소자를 이용한 광원의 경우 백열등이나 형광등과 같은 가스 상태 광원에 비해 에너지 효율이 높아 에너지 활용의 효율 측면에서 그 중요성이 대두되고 있다.

표 1에서 알 수 있듯이 백색 유기전기발광소자 광원은 일반적으로 많이 사용되는 백열등의 효율 (~16 lm/W)에 비해 높은 효율(~85 lm/W)를 나타내고 있으며 수명에 있어서도 백열등 보다 우수한 특성을 나타내고 있다. 또한 반도체 광원에 비해 높은 플럭스(Flux)를 나타내기 때문에 반도체 광원만큼의 수명을 백색 유기발광소자가 구현한다면 차세대 광원으로써 그 가능성은 높아지리라 예상하고 있다. 특히 유기발광소자 관련 업계에서는 2010년쯤이면 백열등, 형광등, 혹은 무기 반도체 광원보다 우수한 특성의 백색 유기발광소자가 개발될 것으로 예상하고 있고 이때쯤이면 광원으로써 충분히 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 업계에서는 내다보고 있다.

유럽의 경우 여러 조명 업체가 컨소시엄을 이루어 진행 중인 OLLA(Organic LED for Light Application) 프로젝트를 기반으로 조명용 백색 유기전기발광소자의 상업화에 전력을 기울이고 있다. Phillips, Axitonix, IMN, Merck, IPMS, Novaled, Osram, Imec 등의 조명, 장비, 및 소재 관련 업체들이 컨소시엄을 이룬 OLLA 프로젝트는 백색 유기전기발광소자를 광원으로 사용하기 위해 각기 특정 분야에 역량을 가지고 있는 업체들이 공동으로 백색 발광용 유가 재료, 백색광을 위한 소자 구조, 대면적 저가 공정용 장비 연구를 수행하고 있고 현재 우수한 연구결과를 보고하고 있다(그림 5).

미국의 경우 에너지부(US department of energy)의 중점 프로젝트인 SSL(Solid-State Lighting)를 통해 유기전기발광소자의 효율을 높여 신광원으로써의 가능성을 모색하고 있다. 특히 고체 상태 광원인 반도체 광원과 유기전기발광소자 광원 개발을 동시에 진행하고 있어, 신광원 기술 관련 원천 기술 선점을 꾀하고 있다. 그림 6에서 알 수 있듯이 미국은 SSL 프로젝트를 통해 2010년에는 100lm/W 정도의 효율을 가지는 백색 유기전기발광소자 광원을 계획하고 있으며 조명 시장 진입을 위한 사업화 준비도 UDC(Universal display company)를 중심으로 준비하고 있는 상황이다.

UDC에서 제안 하고 있는 OLED light house의 개념을 보면 모든 층이 투명한 백색 유기전기발광소자가 코팅된 창문을 대면적으로 만들어 창문 대신 사용하게 되면 낮에는 창문으로 활용하다가 밤에는 높은 효율을 갖는 유기전기발광소자 광원으로 사용함으로써 에너지 소비 효율을 극대화 시킨다는 것이다. 현재 전체 층이 투명한 유기전기발광소자가 보고되고 있고 유기물 재료의 특성상 투명한 소자를 제작하는 것은 어려운 일이 아니기 때문에 UDC에서 제안한 OLED light house는 머지않아 실용화가 예상된다. UDC가 제안한 창문이 실용화가 된다면 조명 시장에 일대 변화가 일어나고 주거 문화에도 큰 변화가 일어날 것이다. 국내에서도 산업자원부가 반도체 조명 및 유기전기발광소자를 이용한 신조명 산업을 고부가가치 차세대 신성장 산업으로 육성하기 위한 노력을 기울이고 있고 이에 대한 일환으로 대규모 국가 과제를 진행하고 있어 백색 유기전기발광소자의 조명 시장 진입을 눈앞에 두고 있는 현실이다.

백색 유기전기발광소자는 점 광원을 이용하는 반도체 광원이나 선 광원을 이용하는 CCFL 광원과 달리 면 발광을 이용한 면 광원 소자이기 때문에 차세대 LCD의 BLU로도 그 가능성이 높아지고 있다. 수명 문제를 제외하고 LCD용 BLU가 요구하는 휘도 특성, 효율, 백색 스펙트럼 및 온도 민감성을 백색 유기전기발광소자가 만족시킬 수 있기 때문에 LED BLU, CNT BLU와 함께 차세대 BLU로써 연구 및 양산화가 진행되고 있다. 삼성전자의 경우 차세대 LCD BLU로 백색 유기전기발광소자를 채택하고 5세대 라인 투자를 준비하고 있는 것으로 알려져 있다. 국내업체인 KDT 역시 유기발광소자를 광원으로 이용한 LCD용 BLU를 양산한다고 밝히고 월 100만대의 BLU를 생산할 수 있는 라인을 갖추고 사업화 준비를 진행하고 있다. 현재 많은 기술적 진전이 이루어진 반도체 LED BLU와 백색 유기전기발광소자 BLU를 비교해 보면 표 2에서처럼 여러 가지 장점을 백색 유기전기발광소자 BLU에서 찾을 수 있다. 특히 간단한 제작공정, 저가공정, 우수한 발광 특성, 플렉시블 광원 제작 가능 및 대면적 면발광원 제작이 가능하기 때문에 대면적 LCD용 BLU로써 LED BLU와 치열한 경쟁을 하고 있다. 또한 LED BLU에 비하여 에피 성장에 의한 제약이 없고 여러 가지 유기 재료층을 선택적으로 사용함으로 높은 연색지수를 갖는 백색 구현이 가능하여 LCD용 BLU가 요구하는 백색 광원용으로 백색 유기전기발광소자의 가능성이 높아지고 있다.

그러나 백색 유기전기발광소자를 이용한 광원 및 BLU 부품이 조명시장에 진입하기 위해서는 아직 까지 해결해야 할 문제는 남아 있다. 특히 효율과 수명이 우수한 유기물 소재의 개발과 저가의 대면적 공정 및 장비 개발이 필요하다. 뿐만 아니라 오랜 시간 소자가 작동한 후에도 색순도, 휘도, 색연색지도, 대면적 균일도 등의 특성 변화가 작은 안정된 소자를 구현해야만 광원시장에서 경쟁력을 가질 수 있기 때문에 이에 대한 계속적인 투자와 개발이 필요하다. 또한 대면적 면발광 소자를 안정하게 보호할 수 있는 새로운 개념의 봉지 공정 (encapsulation) 역시 필수적으로 개발되어야 하는 기술로 남아 있다. 이를 위해 현재 전 세계적으로 기술선점을 위한 연구가 치열하게 진행되고 있으며 아래의 로드맵에서 알 수 있듯이 2010년 이후에는 광원으로써의 충분한 경쟁력을 가진 백색 유기전기발광소자를 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있을 것이라 생각한다.