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기획특집 > 생생 Talk
디스플레이 이야기 26
[플라스틱사이언스] 기사입력 2022-06-20 22:38:14

OLED, 특성 측정과 이해, 전기적 성능>>

전기광학적 성능은 전기적인 입력과 출력 특성, 그리고 입력 신호를 전기적인 신호 로 인가할 경우 얻어지는 광학적 신호와 관련된 그래프나 데이터입니다. 이 중에 서 전기적 특성 측정과 의미를 먼저 다룹니다. 

전압을 입력으로 하고 출력되는 전류값 을 얻으면, 일반적인 다이오드 특성이 나 타납니다. 즉, 순방향으로는 전류를 잘 통 과시키지만, 역방향으로는 거의 전류가 흐르지 않죠. 이 경우, 입력을 전기장, 출 력을 전류 밀도로 표현하기도 하지요. 그 리고 매개 변수나 인자들로 도핑 정도, 막 소재나 구조(두께)의 변화, 온도, 주파수 등을 넣어 각각의 변수들에 대해 다이오드로서의 특성 변화를 읽기도 합니다. 물 론 가속 수명 테스트나 열화 과정 전후의 소자에 대해 전류-전압 특성을 비교하여 소자의 손상 정도를 살펴보기도 하죠. 일 반적으로 열화는 재료 자체와 각 층들의 계면에서 발생하는 것으로 구분이 되며, 인가 전압이 같아도 전류가 상대적으로 적게 흐르는 문제를 일으킵니다. 그리고 특정한 전류값에 이르려면 얼마 정도의 전압이 필요한지, 소자가 파괴되는 최고 전압이나 전류값은 어느 정도인지를 알 수도 있죠. 전압, 전류값을 로그 스케일로 표시하기도 하고, 능동 구동의 경우 신호 전압과 OLED를 흐르는 전류값을 통하여 보다 광범위하고 실용적인 데이터 해석 을 하기도 합니다. 그리고, 이러한 전류- 전압 특성과 휘도를 함께 표시한 휘도-전 압-전류 특성을 통하여 전기광학적인 특성을 함께 볼 수도 있습니다.

 

OLED, 특성 측정과 이해, 전기광학적 성능

전기광학적 특성으로서는 전류-전압 특 성과 함께 휘도를 나타낸 휘도-전압-전 류 특성이 대표적입니다. 이를 통하여 소자의 전기적인 특성과 광학적인 특성을 함께 비교, 분석할 수 있습니다. 예를 들 어, 최소 발광에 필요한 인가 전압인 턴 온 전압(turn on voltage), 특정 휘도를 얻 기 위한 전압 및 전류값들을 알 수 있죠. 그리고 서로 다른 소재와 발광층의 도핑 농도 등을 가지는 소자들을 서로 비교하 는 데에도 이용이 됩니다. 인가 전압의 증 가에 대해 휘도와 전류 밀도의 증가를 로그 스케일로 표기하면, 서로 비슷한 경향 을 보입니다. 아울러, 소자 성능을 대표하 는 양자 효율, 전류 및 전력 효율 등을 산 출할 수 있습니다.

 
특히 능동 구동의 경우, 화소 구동 회로와 OLED 소자를 함께 묶어서 테스트할 수 도 있는데, 예를 들어 신호 구동 IC에서 제 공되는 신호 전압과 실제 OLED를 흐르는 전류와의 관계를 얻을 수도 있습니다. 물 론 각각의 부화소들에 대한 동시 측정도 가능하며, 부화소들에서 나오는 빛의 밝 기도 신호 전압과 OLED를 흐르는 전류별 로 측정, 분석할 수도 있죠.

광학적 성능은 주로 스펙트럼 분포의 측정 과 분석에서 시작됩니다. 즉, 가시광 스펙 트럼 범위에서의 전체 스펙트럼을 통하여 파장 영역에 따른 빛의 세기를 관찰하기도 하고, 같은 흰색이라도 빨강(R), 초록(G), 파랑(B) 각각의 스펙트럼들이 어느 정도의 비율과 세기로 존재하는지도 살펴봅니다. 특히, 색순도를 높이기 위해서는 각각의 3 원색이 가능한 좁은 반치폭을 가져야 하는 데, 이 값도 측정을 하게 됩니다. 이와 함께 색재현율도 얻을 수 있으며, 3원색들의 혼 합으로 만들어지는 색이 색좌표 내에서 어 디에 위치하는가도 분석이 됩니다.
 
 
OLED, 특성 측정과 이해, 효율
OLED 소자의 효율 중에서 양자 효율이 기초 이론 및 원리에 충실하며, 이는 전류 효율이나 전력 효율을 통하여 우리에게 일반화될 수 있습니다. 양자 효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율로 정의되는 데, 내부 양자 효율은 ‘인가된 전하의 개수 에 대한 생성된 광자의 개수’를 의미합니 다. 즉, 전자와 정공이 결합하는 비율, 결 합된 전하들이 여기자를 생성하는 비율, 생성된 여기자들이 발광하는 비율에 의해 결정되죠. 즉, 발광층으로 유입된 전자와 정공은 가능한 많이 결합하기 위하여 개 수의 균형과 함께 비슷한 속도로 와서 오 래도록 머물러야 합니다. 이러한 소재와 구조적인 접근을 통하여 100%를 목표로 하고 있죠. 결합된 전하들이 여기자를 생 성하는 비율은 다른 노트에서 설명을 하 였지만, 형광의 경우 25%이며, 인광이나 열 활성 지연 형광, 초형광 등의 기술 발전 을 통하여 역시 100%를 지향하고 있습니 다. 다음으로 생성된 여기자들이 빛을 만 들어 내는 비율 또한, 물질 고율의 손실, 열 에너지로의 전환 과정을 최소화함으로 써 100% 수준으로 끌어올리는 것이 가능 합니다.
외부 양자 효율은 발광으로 인하여 생성 된 광자들이 밖으로 나오는 비율을 추가 하면 됩니다. 결국 우리가 볼 수 있는 빛 으로 도달할 수 있는 정도이죠. 결국, 주입된 전하들이 얼마나 많은 광자를 소자 바 깥으로 내보내는가에 달려있습니다. 통 상적으로 소자 내부에서 생성된 광자들 의 20% 안쪽인데, OLED 구성 부분들의 굴절률 차이, 불투명한 전극(주로 음극)과 유기물 계면간에 빛이 갇히는 광 도파 현 상 등이 주된 원인입니다. 이러한 광 손실 을 줄이기 위해 광 추출 효과 등을 적용하 여 가능한 많은 빛을 밖으로 끌어내려고 노력 중이죠. 일례로 내부 전반사 방지를 위한 굴절율 매칭, 요철 구조나 미소 렌즈 설치를 이용한 빛의 경로 개선 등이 적극 개발되고 있습니다.
효율을 공학적으로 좀 더 편하게 표현하 고자 하면, 전력 효율(lm/W)과 전류 효율 (cd/ m2)을 사용합니다. 전력 효율의 경 우, ‘lm/W’의 단위에서 알 수 있듯이 전력이 입력으로, 광속(광선속, 발광 출력) 이 출력으로 표현되는 입출력의 비율입 니다. 전력 효율은 발광 효율(luminous efficacy), 전등 효율 등으로 표현되기도 하죠. 즉, 분모는 qV, 단위 전하량과 인가 전압의 곱이 되며, 분자는 외부 양자 효율 에 hv, 빛의 에너지를 곱한 값이 되겠죠. (분모는 화소에 흐르는 전류와 인가 전압 의 곱, 분자는 화소 면적에 휘도와 파이(π) 를 곱한 값의 형태로 표현하기도 합니다.) 여기서 변환 효율(luminous efficiency)이 란 용어도 등장하는데, 이는 단위가 없거 나 혹은 %로, 말 그대로 전기 입력과 광출 력의 비(율)를 뜻합니다. 다만, OLED는 전 류로 구동이 되므로 전류 효율이 이해가 더 쉽죠. 전류 효율은 소자를 흐르는 전류 와 이로 인하여 생성되는 빛의 밝기와의 관계를 나타냅니다.
 
 
OLED, 특성 측정과 이해, 수명, 그리고>>

일반적으로 디스플레이의 수명은 화면의 밝기가 초기 휘도의 50%까지 감소되는데 걸리는 시간으로 정의합니다. 물론 휘도 이외에도, 수명을 결정하는 요인들은 더 있죠. 예를 들어 동작 전압이나 소비 전력 이 급격히 증가하거나 색상이 변하고 혹은 화면 전체가 균일하지 않은 경우에도 수명 을 다 하였다고 볼 수 있습니다. 그리고 수 명에 영향을 주는 요인도 다양한데, 화면 밝기를 지나치게 높여도 수명이 줄어들고, 인가되는 전기 입력이 직류인지, 혹은 교 류나 펄스인지, 그리고 듀티 비(duty ratio) 는 얼마인지 여부가 수명을 결정하기도 하 죠. 디스플레이의 사용 환경도 중요한데, 특히 온도나 습도가 높거나, 자외선 등 직사광선이 강한 공간에서는 수명이 영향을 받을 수 있습니다. 요구되는 수명 기간도 디스플레이 응용 제품들에 따라 서로 다른 데, TV의 경우에는 7년~10년, 5만 시간 이 상의 수명이 요구되고, 휴대폰은 3년 정도 의 수명으로 3만 시간 정도가 통상적인 관 례로 볼 수 있습니다.
 

디스플레이 수명을 측정하기 위해서는 가 속 수명 테스트를 하는데, 디스플레이를 사용 환경보다 한층 가혹한 조건, 주로 고 온 다습 환경에 설치하고 수명 측정을 한 뒤, 이 값에 노화 인자(aging factor)에 해 당하는 가속 계수(acceleration factor)를 곱하여서 실제 수명을 추정하고 있습니 다. 일례로 OLED의 경우, 섭씨 60~85도 의 온도, 80~90%의 상대 습도 분위기에 서 수명을 측정 한 후, 이 값에 수십~수백 범위의 가속 계수를 곱하여서 실제 수명 을 추정하지요. 가속 계수는 가혹 조건뿐 아니라 소자에 적용된 소재, 혹은 소자의 구조 따라 다르기 때문에, 일반적으로는 가혹 조건의 변화를 통해 확보한 데이터 를 기반으로 아레니우스 모형과 같은 모델을 사용하여 도출합니다. 하지만 이러 한 가속 계수를 활용하여도 측정 시간이 너무 길어지면, 일정 기간만 측정을 한 후 에 외삽법(extrapolation)을 통해 수명을 추정하기도 합니다.
일반적인 사용 환경 하에서 수명 측정 을 하는 경우도 있는데, 이 경우에 특 성 곡선은 가로축은 로그 스케일의 시 간, 세로축은 정규화된 휘도(normalized luminance)로 표기하는 경우가 많습니 다. 이 때 매개 변수로는 인가된 전류값이 나 휘도, 혹은 환경에 대한 온도나 습도값 등을 넣기도 하고, 혹은 발광층 등의 소재 종류, 산소와 수분 침투 방지를 위한 봉 지 구조 등으로 데이터를 구분하기도 하 죠. 이 외에도 세로축을 수명으로 하고 가 로축으로는 개구율이나 휘도 등으로 표기 하는 경우도 있으며, 실로 다양한 측정 방 법과 데이터 표현이 OLED의 수명 측정에 적용되고 있습니다.
지금까지 전기광학적인 특성, 효율, 그리고 수명에 관한 이야기를 하였으며, 이 외에 도 OLED의 특성과 관련해서는 적지 않은 내용들이 남아있습니다. 특히, 재료에 관한 특성, 공정에서의 변수 등이 언급되지 못하 였으며, 이에 더하여 기계적인 내구성, 그 리고 유연성과 관련된 부분들이 추가되어 야 합니다. 각각의 소재와 박막들에 대한 유연성, 탄성도, 광투과도, 혼탁도(haze), 접착력과 열적 안정성, 투산소율과 투습률 등도 주요 특성이며, 측정 방법과 함께 데 이터, 특성 곡선의 의미 등을 이해할 수 있 어야 하죠. 이들에 대해서는 시간이 허락되 는 대로 차근차근 풀어가고자 합니다.
 
 
OLED, 백플레인 >>

디스플레이의 백플레인(backplane), 용 어 그대로 화면의 뒤쪽에 위치하여서 각 각의 화소들을 선택하고, 선택된 화소에 신호를 인가하는 얇은 판입니다. 능동 구 동형 디스플레이라면, LCD와 OLED 모두 에 사용이 되죠. 물론, LCD는 전압 구동, OLED는 전류 구동이므로 백플레인에 설 치되는 소자들, 즉, 박막 트랜지스터(TFT)와 저장 커패시터(SC)의 특성과 성능 규 격은 상이하나, 기본적으로 화소간 간섭 방지를 위한 스위칭 기능과 선택된 화소 에 전압 혹은 전류 데이터를 인가한다는 점에서는 일맥상통합니다.
LCD는 전압 구동 방식이므로 주로 비정 질 실리콘 TFT(a-Si TFT)와 저온 다결 정 실리콘 TFT(LTPS-TFT)를 적용하였 고, OLED는 전류 구동 방식으로 상대적 으로 이동도가 높은 LTPS-TFT나 산화물 TFT(oxide-TFT)를 쓰고 있습니다. 다만, 화소 크기가 작아지면서 개구율 유지를 위해 a-Si TFT보다는 LTPS-TFT와 산화 물-TFT가 흐름을 주도해가고 있는 상황 입니다. 즉, 하부 발광(bottom emission)에서는 개구율 유지를 위해서, 그리고 상 부 발광(top emission)에서는 개구율보 다는 전압이나 전류 스트레스에 대해 신 뢰성이 보다 우수한 LTPS-TFT, 산화물- TFT가 주도적이죠. 특히 대면적, 혹은 유 연 OLED의 경우, 공정이 단순하여 가격 경쟁력이 있고, 또한 휨에 대해 어느 정 도 적응력이 있는 oxide-TFT가 강세를 보일 것으로 생각됩니다. 이에 더하여 유 연성을 향상시키는 데 도움이 되는 유기 TFT(organic TFT)서 개발되고응 있지만, 낮은 이동도를 비롯한 소자 성능에서의 한계, 신뢰성과 안정성 문제가 충분히 해 결되지 못하고 있는 실정입니다.
 
 
OLED, 백플레인, 화소 회로>>
능동 구동형 디스플레이에서는 각 부화소 별로 TFT와 커패시터가 설치되어서 TFT 는 화소간 상호 간섭 방지를 위한 스위 치 역할, 커패시터는 한 프레임 동안 신 호를 인가하기 위한 전원 역할을 합니다. LCD의 경우에는 스위치역할만 하는 1개 의 TFT와 커패시터로 능동 구동이 가능하 였지만, OLED는 전류 구동형이므로 화소 선택을 위한 스위칭 TFT와 전류 조절을 위한 구동 TFT, 2개의 TFT가 기본이 되죠. 즉, 기본적으로 OLED의 화소 내에 있는 세 개의 부화소들 각각에는 최소 두 개의 TFT와 한 개의 SC가 필수적으로 필요하 며, 따라서 OLED의 화소수보다 최소 6배 이상으로 많은 TFT들이 백플레인 위에 만 들어지고 있습니다. 물론 전류 안정화, 배 선 길이에 따른 전압 강하 보상 등을 위하 여 TFT들의 개수는 추가됩니다. OLED의 화소 회로를 설명함에 있어서 지금부터는 LTPS-TFT를 대상으로 합니다.
2개의 TFT와 1개의 커패시터, 즉 2T + 1C 회로의 경우, 스위칭 TFT에 스캔 전압이 인가되면, 대기 중이던 데이터 전압이 스 위칭 TFT를 통과하여 구동 TFT의 게이트 에 걸리게 되죠. 스캔 전압이 다음 라인으 로 이동하여도 충전된 커패시터에 의해 게이트 전압은 계속 인가되며, 이로 인하 여 구동 TFT를 통과하는 전류도 지속적으 로 OLED로 흐릅니다. 다만, 스캔 전압이 커패시터 전압으로 전환되는 순간에 일부 전압 강하가 일어나며, 이러한 과도 현상 들은 전류에도 물론 영향을 미치게 되죠. 또한 TFT의 문턱 전압이 변하거나, OLED 소재의 열화로 OLED 전류가 감소할 경우 에도 TFT의 출력 특성과 OLED의 전류- 전압 특성이 서로간의 영향으로 변하게 됩니다.
예를 들어, LTPS-TFT의 결정화 과정에 는 주로 엑시머 레이저 어닐링(Excimer Laser Annealing, ELA)이 적용됩니다. 이 경우, TFT가 결정립(grain boundary)에 어떻게 위치하느냐에 따라서, 전기적인 특성, 특히 문턱 전압이 달라지게 되죠. 따 라서 문턱 전압의 편차를 보상하는 등의 방법을 통하여 TFT의 특성 편차를 보상하 여야 하며, 이는 화소 회로의 중요한 역할 입니다. 이와 함께 화면이 커지고 배선 길 이가 길어지면서 배선을 따라 흐르는 전 류(I), 그리고 저항(R) 성분으로 인한 IR 전 압 강하의 보상도 역시 필요하게 되죠. 문 턱 전압의 변화나 OLED의 열화에 무관하 게 OLED에서는 항상 원하는 밝기와 색의 빛이 얻어지려면 화소 회로는 물론, 패널 외부의 회로에서도 다양한 보상회로들을 필요로 하게 됩니다.
먼저, TFT는 주로 n-채널보다는 p-채널 TFT를 사용합니다. n-채널 TFT를 사용할 경우, 전공 대비 빠른 전자 이동도로 인해 스위칭 속도가 빠르다는 장점도 있지만, 데이타 데이터 전압(VDATA)이 구동 TFT 의 게이트-소스간의 전압(VGS)과 OLED 양극과 음극간의 전압(VOLED)으로 나뉘 어서 걸리게 되죠. 이 경우, OLED의 동작 시간이 경과하면서 OLED 전류(IOLED) 가 감소하게 되어 TFT의 VGS도 감소하 며, 따라서 VOLED도 영향을 받고, 이로 인하여 IOLED가 계속 영향을 받아 잔상 (image sticking) 등의 문제가 발생할 우 려가 있습니다. 반면에 p-채널 TFT를 사 용할 경우, VDATA가 VGS에만 고스란히 전달됩니다. 따라서, OLED의 전류-전압 특성이 변하더라도, 전류는 VGS에 의해 결정되므로 IOLED는 일정하게 유지가 됩니다 . 
 
 
... 다음호에 이어서 계속
 
“본 고의 내용은 저자의 주관적인 견해를  포함하고 있으며, 인용 자료들이  다양하여 일일이 표기하지 못한 점을 양해, 참조 바랍니다.”


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