OLED는 스스로 빛을 내는 자발광 디스플레이입니다. 그리고 현재 경쟁 중인 LCD는 비자발광 디스플레이죠. 이로 인하여 OLED는 LCD와 비교할 때 자발광 디스플레이로서의 특징과 장점들을 가지게 됩니다. 성능면에서 볼 때, 소재의 개발이 진행될수록 색 순도가 높아져서 다양한 색, 높은 색 재현율을 구현할 수 있으며, 화소 단위로 점멸되므로 완전한 블랙 구현이 가능하고 빛이 번지는 무라 현상도 없어 명암비가 높습니다. 응답 속도도 빨라 동영상 구현에도 유리하죠.

 

OLED는? (2)>>

 

OLED의 장점은 무엇이 있나요?

첫째, 훌륭한 인테리어 소품이 됩니다. 자체발광이라 별도의 빛을 내는 장치가 필요 없으니 보다 슬림하고 멋진 디자인으로 만들 수 있고, 사용되는 부품도 적어 무게도 10분의 1 정도로 줄일 수 있습니다.

둘째, 실제로 사물을 보는 듯한 느낌을 줍니다! OLED는 픽셀 하나하나가 스스로 빛을 내기 때문에 보다 미세한 색상 차이도 뚜렷하게 구현합니다.

셋째, 빠르게 움직이는 화면도 자연스럽게 볼 수 있습니다. OLED는 화면 구현 속도가 빨라 영상의 잔상 문제가 없는데요. 예를 들면 축구 경기를 볼 때 빠른 볼의 움직임도 잔상 없이 시청할 수 있습니다.

넷째, 온 가족이 함께 똑같은 영상을 즐길 수 있습니다. OLED는 시야각이 넓어 위, 아래, 옆 등 어떤 각도에서 바라봐도 동일한 화질과 색상의 영상을 보여줍니다.

 

이 밖에도 친환경 제품이라는 점, 휘어질 수 있어 마치 아이맥스 극장서 영화를 보는 듯 몰입도를 주는 점 등 다양한 장점이 있습니다.

한마디로 LCD가 현재 TV 시장의 대세라고 한다면 OLED는 무궁무진한 잠재력을 가진 차세대 TV라고 정의 할수 있겠지요?

 

 

OLED, 발전사 >>

 

유기 물질의 전기, 광학적 특성에 관한 연구는 1906년, 이탈리아의 과학자 포체티노(A. Pochettino)가 유기 화합물인 안트라센의 결정에서 광전도 현상을 발견한 것을 시작으로 보고 있습니다. 이후 1963년, 뉴욕대의 포프(M. Pope) 교수와 그의 동료들이 수십 마이크론 두께의 안트라센 단결정에 400V 이상의 전압을 인가하여 발광 현상을 관찰, 측정하였죠. 그리고 1970년대에 들어서면서 증착과 함께 LB(Langmuir-Blodgett) 막 등을 통한 박막 개념의 소자화가 시도되었습니다. 이 시점에서 유기물에서의 발광 매커니즘에 관한 기초적인 이해가 시작되었으며, 다만, 만들어진 유기 발광 소자의 효율이 1 lm/W보다도 매우 낮고 안정성 또한 미흡하여서 실용화는 생각하기가 어려웠습니다. 즉, 안트라센 결정은 전기 전도도가 매우 낮은 절연체이기 때문에, 전자와 정공을 주입하기 위해서는 매우 높은 전압이 필요하였고 발광 효율도 매우 낮았습니다.
 

그러다가, 1980년대 초, 이스트만 코닥의 탕(C. Tang) 박사 그룹은 유기 태양 전지를 연구하는 과정에서 유기물에 전기를 흐르게 하면 빛이 발생하는 것을 봅니다. 그리고, 얇은 유기 반도체 박막을 사용, 발광 효율이 1.5 lm/W 정도인 유기 발광 소자를 개발, 1987년에 미국 물리학회에 발표를 하죠. 이 소자는 녹색 발광 물질인 Alq3(Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum, Al(C9H6NO)3) 층과 정공 수송층, 두 개의 유기물 층으로 이루어졌으며, 양 쪽에 전극이 설치된 총 네 개 층을 갖는 다이오드 구조였습니다. 유기막들의 총 두께는 약 100 나노미터 정도로, 구동 전압은 10 V 이하, 휘도는 1,000cd/m2, 그리고 외부 양자 효율은 1%로 가능성을 충분히 보여준 데이터이죠. 코닥의 연구 결과는 OLED를 이용하여 고휘도, 고효율 디스플레이를 개발할 수 있다는 가능성을 제시하며 주목을 받았고, 전 세계적으로 OLED를 본격적으로 연구, 개발하게 되는 발화점이 되었습니다.
 

이후로, OLED에 관한 연구 개발은 꾸준하면서도 활발하게 이루어져 왔는데, 연대순으로 소개하여 보겠습니다. 코닥에서의 저분자 OLED가 소개되고 약 2~3년 후인 1990년에 영국의 캠브리지대에서 저분자가 아닌 고분자 OLED 소자를 Nature지에 발표하여 OLED 연구의 두 번째 방향을 제시하였습니다. 1996년에는 TDK사에서 최초의 능동구동형 OLED를 시연하죠. 1997년에는 일본의 파이오니어사가 자동차의 오디오 기기용 OLED 제품을 개발, 1999년에 제품화하고, 1998년에는 미국의 프린스턴대에서 인광 물질을 적용한 OLED를 발표합니다. 2001년 무렵에는 몇가지 흥미있는 연구 개발 결과들이 발표되는데, TDK가 백색 OLED에 컬러 필터를 채택하는 아이디어를 제시하고, 미국의 eMagine사는 0.72 인치급의 HMD(Head-Mounted Display)용 고정세 OLED를 실리콘 기판 위에 제작하였으며, 일본의 소니가 13인치, SVGA(Super Video Graphics Array)급의 AM-OLED 시제품을 발표합니다. 연이어서 소니는 2003년에 비정질 실리콘 백플레인 위에 만들어진 20인치의 인광 AM-OLED 시제품을 발표하죠. 그리고 같은 해에 일본의 야마가타대에서 tandem 구조의 OLED 소자를 보고합니다. 2006년에는 미국의 UDC사가 인광 에미터를 적용한 백색 OLED를 개발하고, 2007년에는 소니가 11인치급 OLED TV를 소개합니다.

2007년은 우리나라에 매우 중요한 해이죠. 삼성디스플레이에서 세계 최초로 AM-OLED 양산에 성공하면서 모바일 폰, 디스플레이의 새로운 모델을 제시하였고, 이를 적용한 갤럭시 폰에서는 현재까지 메인 디스플레이로 OLED를 채택하고 있습니다. 또한 2017년 하반기에 애플의 아이폰 X에 OLED가 탑재되면서 고급 사양의 휴대폰에서는 OLED가 대세가 되었죠. 2008년에는 삼성디스플레이가 12인치급 투명 OLED, 4인치급 유연 OLED를 연이어 발표합니다. 2009년에는 코닥이 NTSC 규격을 100% 만족시키는 백색, 컬러 필터 방식을 적용한 저전력 OLED를 소개하죠. 이 무렵부터 일본의 코니카 미놀타와 네덜란드의 필립스가 OLED 조명 사업을 본격적으로 시작하게 됩니다. 2010년에 일본의 큐슈대는 열활성 지연 형광(Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF) 동작 기구를 제안하며, 미국의 UDC는 백색 OLED의 효율로 100 lm/W를 넘기게 됩니다. 2013년에 LG 디스플레이는 55인치급 OLED TV를 소개하면서 TV의 새로운 영역에 들어섭니다. 이후로부터 2019년에 이르기까지 소형은 삼성 디스플레이, 대형은 LG 디스플레이의 양강 구도가 형성, OLED를 모바일 기기들과 TV 등에 폭넓게 적용하면서 선두를 유지하고 있습니다. 2019년 , OLED는 중소형 모바일 기기와 대형 TV에서 새로운 디스플레이 시대를 열어가고 있으며, 그 주역은 삼성 디스플레이와 LG 디스플레이입니다. 물론 중국은 한국의 기술을 획득, 선두 진입을 위하여 혼신의 힘을 기울이고 있으며, 일본은 용액 공정과 새로운 소재, 장비 기술의 활용을 통하여 역전을 노리고 있죠. 한국은 이러한 견제와 추격을 의식하며, 유리 기판에서 플라스틱 기판으로, 롤러블과 폴더블 OLED를 통하여 기술 격차를 유지하기 위해 전력 투구 중입니다.
 

한편, 분자량이 10만 이상인 유기 화합물을 이용하는 고분자 OLED의 연구 개발도 1990년대부터 시작이 되었는데, 연구의 초기 단계에는 저분자와 고분자, 두 종류의 유기 물질 가운데 상용화에 어느 것이 유리한가에 대해서도 다소 논란이 있었지만, 결과적으로 고분자 소자가 지닌 색순도, 수명, 효율 등에서의 문제점들로 인하여 저분자 OLED 소자가 먼저 상용화되었습니다. 다만, 고분자 물질 또한, 용액 공정, 유연 디스플레이 적용 가능성을 목표로 상용화를 위해 연구가 진행 중입니다. 이제 격전의 장이 되고 있는 OLED의 세계로 한 발 더 들어가 보죠.

 

 

OLED, 특징과 장점>>

 

OLED는 스스로 빛을 내는 자발광 디스플레이입니다. 그리고 현재 경쟁 중인 LCD는 비자발광 디스플레이죠. 이로 인하여 OLED는 LCD와 비교할 때 자발광 디스플레이로서의 특징과 장점들을 가지게 됩니다. 성능면에서 볼 때, 소재의 개발이 진행될수록 색 순도가 높아져서 다양한 색, 높은 색 재현율을 구현할 수 있으며, 화소 단위로 점멸되므로 완전한 블랙 구현이 가능하고 빛이 번지는 무라 현상도 없어 명암비가 높습니다. 응답 속도도 빨라 동영상 구현에도 유리하죠. 구조에 있어서도 BLU와 컬러 필터가 필요하지 않으며 얇은 박막들로만 구성되므로, 얇고 가벼우며, 또한 공정 온도를 낮추어 플라스틱 기판 위에도 제작이 가능하므로 휘어지거나 접고 마는 디스플레이도 가능합니다. 특히, BLU가 없어 소비 전력이나 효율면에서도 유리하죠.

 

다만, 아직 완벽하게 해결하지 못한 문제점들이 유기 물질의 열화(burn-in)에 따른 잔상과 수명, 특히 효율이 낮은 파란색 발광 물질 등에 잔존하고 있습니다. 이에 더하여, 물과 습기에 약하다는 이유로 전형적인 포토리소그래피 대신에 FMM(Fine Metal Mask)를 이용하여 패터닝을 함으로써 발생하는 대면적, 고해상도 이슈, 그리고 생산성과 수율과 관련된 가격 경쟁력에서의 불리한 점 등이 해결되어야 할 포인트나 이는 연구 개발을 통하여 충분히 개선할 수 있는 문제들이죠.

 

 

OLED, 응용  >>

 

 

OLED의 응용도는 크게 두 가지로 분류할 수 있습니다. 즉, 디스플레이와 조명이죠. 디스플레이에서는 먼저 7 세그먼트형 문자나 숫자 표시기가 있고, 좌표 구동을 따르는 매트릭스형이 있습니다. 매트릭스형은 수동 구동 방식과 능동 구동 방식으로 구분이 되는데, 해상도가 높아지고 화면이 커질수록 능동 구동 방식을 취하게 되며, 지금의 모바일 폰, 태블릿, TV 용 OLED는 대부분 이에 해당하죠. 양면 발광이 가능한 투명 OLED는 사이니지, 쇼 윈도우나 스마트 윈도우에도 사용할 수가 있습니다. 기판이 유리에서 유연성이 있는 플라스틱으로 확장되면서 변형이나 휨을 강조한 웨어러블 기기, 폴더블 폰, 그리고 롤러블 TV 등으로 응용 분야들이 더욱 다양해지는 추세입니다.

조명의 경우, OLED 고유의 색 혹은 색온도 변환 기능, 투명, 그리고 구부러지거나 휠 수 있는 면 광원으로써 성능부터 디자인에 이르기까지 미래의 감성 조명으로 이어질 특징들이 다양합니다. 이를 토대로, 간접 조명이나 부조명 등을 거쳐 주조명으로의 응용에 이르기까지 현재, 다양한 제품, 활발한 사업화가 준비, 진행 중에 있습니다. 다음으로, 이제 막 시작되고 있는 유연 디스플레이, 그리고 OLED의 또 다른 응용, OLED 조명의 특징, 실용성을 다음 코너에서 좀 더 짚고 넘어가겠습니다.
 

 

OLED, 응용, 유연 디스플레이에 더하여 >>

OLED는 공정 온도가 낮고 열 안정성이 좋은 폴리머 개발을 통하여서 유리 기판뿐만이 아니라 플라스틱 기판, 더 나아가서는 탄성 폴리머 기판 위에도 제작될 수 있습니다. 그리고 OLED의 대부분의 소재는 유기물이죠. 이러한 특징으로 인하여, 변형이 가능하고, 탄성이 있으며, 생체 친화성으로 진화할 수가 있고 따라서 유연, 탄성, 생체 삽입형 디스플레이로서의 응용도 가능해집니다. 이를 통하여, 현재 출시 중인 접을 수 있는 폰, 말 수 있는 TV를 넘어서 몸에 감거나 붙이는 디스플레이, 자동차의 내부와 같은 곡면에 설치하는 디스플레이, 그리고 콘텍트 렌즈와 같이 체내에 일부 삽입하는 디스플레이 등이 고안될 수 있습니다.

 

 

 

OLED, 응용, 조명에 관하여 (1) >>

 

조명은 각종 광원을 이용하고, 어떠한 목적을 가지고 특정의 장소를 밝게 하는 행위나 기능을 말합니다. 조명을 위한 광원으로는 고대 이집트 등에서 촛불, 횃불 등이 사용되어 왔으며, 나름 과학적인 기반을 갖춘 조명용 광원은 1780년대의 오일 램프로부터 시작합니다. 이후, 1795년에 가스를 이용한 램프가 개발되었고, 1800년대에 들어서면서 전기를 이용한 조명 쪽으로 무게 중심이 옮겨가죠. 1800년대 초에 백금 필라멘트, 진공관 램프 등이 연구, 개발되고, 1840년대에는 아크 램프가 출현합니다. 1867년에 최초로 형광 램프가 개발되었으며, 1875년에는 백열 전구가 등장하죠. 그리고 1880년에 보다 수명이 긴 필라멘트가 만들어지고, 뒤를 이어 1884년에 기체 방전관이 나오며, 조금 시간이 흘러 1926년에 형광등용 저압 가스 방전 장치가 개발되어, 제너럴 일렉트릭이 형광 램프를 생산하게 되죠. 형광체의 발견에서부터 형광 램프의 생산까지는 무려 260년이 걸렸습니다. 1973년에는 컴팩트 형광 램프가 등장하였고, 1990년대에는 LED 조명이 등장, 활성화되기 시작하였으며 2000년대에 들어서면서 백열 전구는 점점 역사의 뒤안길로 사라져 가고, 요즘은 형광 램프들이 LED 조명으로 대체되고 있는 시기입니다.
 

조명용 광원의 역사를 돌이켜보면 1780년대에는 Argand burner로 대표되는 오일 램프, 1790년대에는 가스등, 1870년대에는 Yablochkov candle을 비롯한 아크등, 1880년대에는 백열 전구, 1890년대에는 네온사인과 방전등, 1970년대에는 컴팩트 형광등, 그리고 LED 조명으로 이어지며, 2000년대에 새로이 등장하고 있는 광원이 OLED 조명입니다. 여러 발명가들의 노력이 결실을 맺어왔지만, 그래도 대표적인 조명 발명가들을 꼽으라면 오일 가스등(1810년)의 W. Murdoch, 백열 전구(1879년)의 T. Edison, 형광등(1934년)의 R. Thayer와 G. Inman, 컴팩트 형광등(1976년)의 E, Hammer, 그리고 백색 LED(2006년)의 N. Holonyack 등을 들 수 있습니다. 일반용 조명의 광원은 백열 전구에서 형광등, 그리고 컴팩트 형광등을 거쳐서 LED 조명으로 이어져왔죠. 효율은 10 lm/W에서 100 lm/W 이상으로 올랐고, 수명은 천시간 남짓에서 수만 시간으로 증가하였습니다.  

 

다음호에 이어서 계속...

<저작권자ⓒ '플라스틱사이언스' 무단전재-재배포 금지.>