OLED, 분류, 고분자 OLED

고분자 OLED

고분자 OLED는 일반적으로 양극으로 ITO를 사용하죠. 그리고 이 위에 용액 공정으로 고분자 유기막들을 도포합니다. 유기막의 경우, 발광층 하나만으로도 작동은 가능하나 정공과 전자의 균형을 맞추어 발광 효율을 높이기 위해 전하들을 잘 전달하거나 혹은 발광층을 지나는 전자를 막아주기 위해 부가적인 유기막들을 삽입하여 대부분 두 층 이상의 유기막이 적용됩니다. 유기막들은 저분자 OLED와 유사하게 전하들의 주입층, 수송층, 저지층, 그리고 발광층들이 적용되는데, 보통 하나의 유기막이 복합적인 역할을 하는 경우가 많습니다. 다만, 고분자의 경우, 막의 형성 과정은 간단하나 분자 구조가 복잡하고 전하 균형을 맞추는 것이 만만치 않으며, 또한 정제 과정에서 불순물이 함유, 혹은 잔류될 소지가 높은 점, 그리고 막 형성시 상호 반응이나 섞임이 일어날 수 있다는 점 등이 고려되어 소자 설계가 이루어져야 합니다.

고분자 OLED, 밴드 다이어그램

고분자 OLED, 소재

고분자 소재는 저분자에 비해 분자량이 만 배 이상이 커서 안정화되어 있으며, 따라서 진공 공정대신에 용액 공정이 가능하다는 점을 앞서 말한 바 있습니다. 따라서, 고분자 OLED의 경우, 저온 공정이 가능하고 전반적인 공정이 단순하며, 대면적에 유리한 특징을 가지고 있고, 재료의 사용 효율과 친환경적인 측면에서도 유리하고, 설비 투자와 제조 가격의 부담이 저분자 OLED에 비해 적습니다. 이에 더하여 구동 전압이 낮다는 특징도 있죠. 다만, 소재 합성 후 반응 촉매 등이 완전히 제거되지 못하여 소재의 순도가 떨어지고, 용액 공정 후 가열이나 열처리를 통해서도 용매나 반응 촉매들이 온전히 제거되지 못하여 오염에 취약하다는 단점이 있습니다. 이는 제작된 소자의 색순도나 효율, 수명 등이 저하되는 원인으로서 작동하죠. 이에 더하여 용액 공정의 특성상 유기층들간의 섞임이나 번짐, 그리고 화소 크기를 줄이는 데 제한이 있다는 등의 문제점들도 남아있습니다.

고분자 OLED, 제조와 소자

용액 공정을 좀 더 들여다보죠. 가장 흔한 용액 공정은 스핀 코팅이며, 이 외에도 그라비아 인쇄, 스크린 프린팅, 임프린팅, 그리고 노즐을 이용하는 잉크 젯 프린팅 등이 있지만 연속적인 막의 도포 시, 상호 반응 내지는 침투할 가능성이 높아 보통 2 ~3층 정도에서 소자를 완성합니다. 특히, 비접촉식이며, 원하는 위치로만 토출되므로 마스크 공정이 없이 패턴 형성이 가능하며, 버려지는 재료가 적어 재료 사용의 효율성이 높은 잉크 젯 프린팅 기술이 많은 주목을 받고 있는데, 이의 완성을 위해서는 높은 순도는 물론 일정 이상의 점도, 낮은 증기압 등을 특징으로 하는 잉크 소재의 개발과 함께 미세 패턴을 만들기 위한 연구 개발이 더 진행되어야 합니다. 고분자, 용액 공정을 통한 OLED는 적지 않은 어려움에도 불구하고 저온 공정, 생산성과 환경 등의 장점을 살리기 위해 지속적으로 연구 개발이 진행되고 있습니다.

OLED, 분류, 수동 구동과 능동 구동

수동 구동과 능동 구동형 OLED

OLED 역시, LCD와 마찬가지로 수동 구동과 능동 구동으로 구분됩니다. 수동 구동의 경우 가로 라인과 세로 라인, 즉, 행과 열의 교차점에 전류가 흘러 구동이 되며, 능동 구동의 경우에는 각 부화소마다 스위칭소자인 TFT와 전하 저장 소자인 커패시터(storage capacitor)가 내장되어 있죠.

수동 구동 OLED는 구조 및 제조 방법이 간단하고 가격이 저렴하지만 화소들이 전극을 통하여 상시 연결되어 있어 서로 신호가 넘어가면서 화소들간의 간섭이 일어나기도 하고, 또한 스캔 신호가 인가될 때만 화소가 한 라인 단위로 작동하면서 화소들이 작동되는 시간이 짧아집니다. 이러한 현상들은 해상도를 높이기 위해 화소 크기를 줄이거나 혹은 화면의 크기를 키우면서 영상의 품질과 밝기가 저하되는 원인이 됩니다.

수동 구동

능동 구동

따라서, 이의 해결을 위해 각 부화소마다 스위칭 소자인 TFT와 배터리 역할을 하는 커패시터를 설치하여 이웃 화소와의 간섭을 막고, 또한 스캔 신호가 지나간 후에도 화소들이 지속적으로 작동을 하도록 하죠.

이러한 능동 구동 방식을 통하여 화소의 크기가 작아지고 화면의 크기가 커질 수 있으므로, 대부분의 OLED에는 능동 구동 방식이 적용되고 있습니다. LCD는 전압 구동 방식이므로 전압 인가 여부를 결정하는 스위치 소자, TFT가 한 개로도 작동이 가능하였지만, OLED는 전류 구동 소자이므로 스위칭 소자에 더하여 전류량을 조절하기 위한 구동용 TFT가 추가로 필요하여서 기본적으로는 두 개의 TFT와 한 개의 커패시터를 필요로 하죠. 이에 대해서는 앞서 백플레인 노트들에서 상세히 설명한 바 있습니다.

능동 구동

OLED, 분류, 배면 발광과 전면 발광

OLED에서의 빛의 방향

배면 발광(bottom emission)과 전면 발광(top emission)은 용어 그대로 빛이 나오는 방향을 일컫습니다. 즉, 배면 발광은 뒷면, 혹은 아래에 해당하는 기판 쪽으로, 전면 발광은 윗쪽으로 빛이 나오게 되죠. 후면 발광 OLED가 기본적인 제조 공정을 따르며 제작도 상대적으로 용이합니다. 투명 전극인 양극, ITO 전극을 먼저 형성하기 때문이죠. 일반적으로 ITO의 전도성을 높이기 위해서는 공정 온도, 열처리 온도를 높여 전극의 결정질을 우수하게 하여야 하며, 또한 평탄도도 좋아야 하는데, 전면 발광에서는 유기물 위에 투명 전극을 형성하기가 만만치 않습니다. 추가로 유기물 위에 ITO를 형성할 경우, 스퍼터링 작용으로 인하여 유기물의 변형을 야기할 수 있는 문제도 존재합니다. 따라서, 지금까지의 OLED는 주로 후면 발광 방식이 주류를 이어왔죠. 그러나, 배면 발광 OLED의 경우 빛이 나오는 길목에 TFT 영역이 있습니다. 즉, 빛은 TFT를 통과할 수가 없죠. 이는 TFT 소자가 투명하지 않다는 이유도 있지만, 빛이 TFT 영역, 특히 채널층에 입사될 경우 빛 에너지로 인하여 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 생성, 원치 않는 전하 운반자로 작동할 우려를 피하기 위함입니다. 여하는 TFT 영역만큼 개구율의 손실이 있습니다. 이는 해상도가 증가하고 화소의 크기가 작아지면서 점점 큰 문제가 됩니다. TFT는 화소에의 크기에 비례하여 작아질 수 없으니까요.

배면 발광과 전면 발광, 개구율의 차이

결국, 빛을 앞으로 나오는 전면 발광이 중요하게 되며, 따라서 유기물 위에 형성되는 전극, 주로 음극의 광 투과도가 증가하여야 합니다. 일함수가 낮고, 전도도가 높은 금속을 얇게 코팅한 반투명 음극이 주로 적용되고 있으며, 광학적 특성을 개선하기 위하여 보조층(capping layer)이 사용되고 있습니다. 혹은 금속 전극의 폭을 가능한 줄여 개구율을 높이는 방식들을 취하고 있죠. 나아가서는 일함수가 조절된 ITO 막이나 은 나노선이 블랜딩된 전도성 유기막, 그리고 2차원 물질들까지도 투명한 음극의 후보가 될 수도 있으나, 유기물 위에 직접 형성하기에는 아직 재료, 공정과 관련된 연구가 더 필요한 상황입니다. 이러한 전면 발광형 OLED는 마이크로 디스플레이 적용을 위해 실리콘 기판 위의 OLED(OLED on Silicon, OLEDoS)를 구현하는 데에도 물론 필요합니다.

전면 발광과 투명 OLED

투명 OLED

이상을 토대로 빛이 후면과 전면으로 나오도록 소자를 구성할 경우 이는 투명 OLED가 되죠. 현재에도 투명 사이니지 등으로 일부 제품이 나오고는 있지만, 기술이 더 발전할 경우 투명 모니터나 TV 등으로 응용 분야가 확장될 수 있습니다. 이에 더하여 유연 OLED, 즉 휨을 강조하는 OLED에서도 높은 전도도, 투명과 유연성, 그리고 장기적인 안정성을 가지는 전극 재료 및 구조는 여전히 중요한 이슈입니다.

OLED, 제조

OLED 제조 공정

OLED 패널의 기본적인 제조는 TFT 백플레인 설치, OLED 형성, 그리고 봉지 공정으로 구분됩니다. 즉, 먼저 기판 위에 백플레인을 설치하고, 다음으로 양극에 해당하는 ITO 막을 증착, 패터닝한 뒤 증착기 내로 이동하여 유기막들을 순차적으로 형성하고, 끝으로 봉지 공정으로 마무리하죠.

편광판, 터치 센서 패널이나 커버 글라스 등의 부가 공정들은 제조 라인이나 모델들마다 다양한 공정과 설계가 적용되죠. 따라서 제조 라인도 TFT 백플레인 라인, OLED증착 라인, 그리고 봉지 라인으로 이루어지며, 특히 증착 라인과 봉지 라인을 구성하는 각각의 클러스터가 진공 상태에서 운반될 수 있게 인 라인(in-line)으로 연결되어있어서, 유기물이 증착된 후에 봉지 공정까지 완료되고서야 패널이 외부로 반출됩니다. 물론 산소, 습기 등과 유기물간의 접촉을 피하기 위해서입니다. 이후로 모듈 공정이 이어지며, LCD와는 달리 모듈은 패널부와 구동 회로부만으로 구성됩니다.

OLED 제조 공정

OLED 제조 공정

이상은 현재의 OLED에 해당하는 능동 구동형 저분자 OLED의 제조 과정을 기본으로 하여 설명된 내용입니다. 수동 구동 OLED의 경우에는 TFT 백플레인 형성이 생략되죠. 플라스틱 기판 위에 만들어지는 OLED의 경우, 캐리어용 유리 기판 위에 폴리이미드를 도포, 경화시킨 뒤 마찬가지로 백플레인 공정, OLED 증착 공정, 그리고 봉지 공정을 거쳐 소자를 완성한 후 유리 기판을 분리, 제거하는 순서로 진행됩니다.

플라스틱 OLED 제조

이러한 OLED 제조 공정은 빨강, 초록, 파랑 부화소들의 패터닝 여부, 혹은 패터닝을 크게 필요로 하지 않는 백색 OLED와 컬러 필터 적용, 봉지 구조에 있어서도 금속 캔이나 글라스 리드 방식, 하이브리드 방식, 혹은 박막 봉지 방식 중 어느 것을 택할 것인지, 터치 센서 패널이 패널의 어느 부분에 설치되는지 등에 따라 매우 다양하게 변형, 개선되어 적용이 되고 있습니다. 그리고, 고분자 OLED 제조에는 증착이 아닌, 잉크 젯 공정을 비롯한 용액 공정들이 적용 됩니다. 다음으로는 저분자 OLED 제조를 기본으로 하여, 핵심 공정들 위주로 설명을 이어갑니다.



OLED 제조, 백색 컬러필터 적용

고분자 OLED

<"본 고의 내용은 저자의 주관적인 견해를 포함하고 있으며, 인용 자료들이 다양하여 일일이 표기하지 못한 점을 양해, 참조 바랍니다.”>