<30312D342DB1E2BCFAC6AFC1FD5FC0CCC1A4C0CD2E687770>

Size: px

Start display at page:

Download "<30312D342DB1E2BCFAC6AFC1FD5FC0CCC1A4C0CD2E687770>"

선경 문
5 years ago
Views:

기술특집 조명용 백색 OLED 이정익, 이종희, 조두희, 이주원, 추혜용 Ⅰ. 서 론 (한국전자통신연구원 OLED조명 연구팀) 형태이므로, 조명제품에 매우 근접한 광원이라고 할 수 있다.

또한, 필요하다. 또한, 형광등과 같은 기존 조명의 경우 효율은 OLED 광원은 기존 조명용 광원이 가질 수 없는 얇고 가 높지만 수은을 사용하는 문제점을 가지고 있어 이를 대체 벼운 면광원의 특성 이외에도, 투명한 특성과 유연한 특 할 수 있는 환경 친화적인 신광원이 필요하다.

1 기술특집 조명용 백색 OLED 이정익, 이종희, 조두희, 이주원, 추혜용 Ⅰ. 서 론 (한국전자통신연구원 OLED조명 연구팀) 형태이므로, 조명제품에 매우 근접한 광원이라고 할 수 있다. 따라서, LED를 조명 기구로 이용하는 데에는 여러 최근 녹색성장 및 에너지 산업에 대한 관심이 높아지 가지 효율의 감소를 겪지만 OLED는 광원 효율이 거의 면서 조명 산업에서도 저전력 친환경의 새로운 광원의 필 조명 효율이라고 할 수 있을 정도로 조명 기구 제작에 따 요성이 높아지고 있다. 조명은 전 세계 전력소모의 약 른 효율 감소가 미미하다고 할 수 있다. 이러한 이유로 광 19%를 점하고 있는 주요한 에너지 소비원이며, 따라서 원으로서의 효율을 비교하면 LED가 우수하다고 할 수 지속적인 세계 경제 성장에 따른 전력소모의 증가를 낮추 있지만, 조명 기구의 효율을 비교하면 OLED 조명 기구 기 위해서는 기존 조명보다 높은 효율의 새로운 조명이 의 효율은 거의 유사할 것으로 예측할 수 있다. 또한, 필요하다. 또한, 형광등과 같은 기존 조명의 경우 효율은 OLED 광원은 기존 조명용 광원이 가질 수 없는 얇고 가 높지만 수은을 사용하는 문제점을 가지고 있어 이를 대체 벼운 면광원의 특성 이외에도, 투명한 특성과 유연한 특 할 수 있는 환경 친화적인 신광원이 필요하다. 이와 같이 성을 부여할 수 있다는 점에서 매우 높은 관심을 받고 있 고효율 환경친화적 신광원은 미래 지속성장을 위한 필수 다. 물론 단기적으로는 얇고 가벼운 면광원의 특성을 이 요소로 인식되고 있으며, LED (Light Emitting Diode)와 용한 조명이 주된 응용이 되겠지만, 추후 중기적으로 투 OLED (Organic Light Emitting Diode)는 이러한 신광원 명 또는 색가변 광원을 이용한 조명과 장기적으로 유연한 의 후보 기술이 될 수 있을 것이다. 광원을 이용한 조명이 출현할 것으로 기대된다. LED와 OLED는 명칭에서는 유사성이 있지만, 그 특성 이와 같이 OLED 조명은 기존의 조명과는 완전히 다른 과 제조방법 그리고 산업의 가치사슬 등에서 큰 차이점을 있다. 특히, LED가 점광원인데 반해 OLED는 면광원의 [표 1] 광원별 면광원으로서의 비교 [그림 1] 조명 에너지 소비 절감 예측도 2009년 제10권 제4호 31

기술특집 [ 그림 2] OLED 조명기술로드맵 (IPMS) 새로운패러다임을창조할수있을것으로기대되며, 유럽, 미국, 일본등에서적극적인연구개발이진행되고있다. 먼저, 유럽에서는 OLLA라는프로젝트를성공적으로마치고, 이후 OLED100.eu, comboled 등과같은다양한프로젝트가진행중이다. 유럽의대표적인 OLED 조명프로젝트인 OLED100.

일본은 2004년부터신에너지산업기술종합개발기구 (New Energy and Industral Technology Development Organiczation: NEDO) 주관으로 21세기조명프로젝트를진행하고 2011년까지 1m x 1m 크기의조명, tact time 1 분을목표로진행하고있다.

GE의접근방법은다른조명기업들의접근방법과는다르게롤투롤프린팅공정을주요내용으로하고있다. 우리나라는 2006년부터지식경제부지원과생산기술연구원의주관으로 2013년 100 lm/w 효율의백색광원개발을목표로프로젝트가진행중에있다. 2008년까지 1 단계 50 lm/w를달성하고지금은 2단계에접어들어기업중심으로 80 lm/w와부분조명상용화를목표로진행중에있다.

2 기술특집 [ 그림 2] OLED 조명기술로드맵 (IPMS) 새로운패러다임을창조할수있을것으로기대되며, 유럽, 미국, 일본등에서적극적인연구개발이진행되고있다. 먼저, 유럽에서는 OLLA라는프로젝트를성공적으로마치고, 이후 OLED100.eu, comboled 등과같은다양한프로젝트가진행중이다. 유럽의대표적인 OLED 조명프로젝트인 OLED100.eu에서는 1m x 1m의면적에서 2012년 100 lm/w, 반감수명 100,000 시간, 100 euro/m 2 의제조단가등을목표로하고있으며, 필립스나오스람과같은주요조명대기업이적극적으로참여하고있다. 일본은 2004년부터신에너지산업기술종합개발기구 (New Energy and Industral Technology Development Organiczation: NEDO) 주관으로 21세기조명프로젝트를진행하고 2011년까지 1m x 1m 크기의조명, tact time 1 분을목표로진행하고있다. 미국은에너지국 (Department of Energy: DOE) 주관으로 Next Generation Solid State Lighting 프로그램을통하여 LED와 OLED 조명을다루고있다. 2020년 200 lm/w의효율을목표로하고있으며, [ 그림 4] OLED 조명과제별효율목표 GE, UDC 등이참여하고있다. GE의접근방법은다른조명기업들의접근방법과는다르게롤투롤프린팅공정을주요내용으로하고있다. 우리나라는 2006년부터지식경제부지원과생산기술연구원의주관으로 2013년 100 lm/w 효율의백색광원개발을목표로프로젝트가진행중에있다. 2008년까지 1 단계 50 lm/w를달성하고지금은 2단계에접어들어기업중심으로 80 lm/w와부분조명상용화를목표로진행중에있다. 또한, 2009년지식경제부의지원과한국전자통신연구원의주관으로 OLED광원의투명및주색가변성을구현하기위한새로운프로젝트를시작했다. 이과제에서는투명광원과색가변광원을개발하고, 이를이용한감성조명의개발을목표로하고있다. 한편, 2007년부터 2010 년까지에너지관리공단의지원으로저가격 OLED 조명의개발프로젝트가성균관대의주관으로진행중에있다. Ⅱ. 본론 [ 그림 3] 해외 OLED 조명개발현황 조명광원으로서의 OLED는디스플레이응용을위한 OLED와공통적인기술요소도있지만, 각각특징적요소도가지고있다. 공통적인기술요소는전력효율, 안정성, 수명, 제조가격등이있으며, OLED 디스플레이만의기술요소는미세화소패턴형성, 콘트라스트, 해상도, 32 인포메이션디스플레이

조명용백색 OLED 하다보면 y 좌표가너무높아져서조명으로사용하기어려운광원이될수가있으므로주의하여야한다. 또한, 광원의색안정성역시중요한요소로서광원의수명과구동전압에따른색상변화와광원의배광방향에따른색상변화가적어야한다.

luminous efficacy 는주어진발광스펙트럼에서내부양자효율, 1/ 구동전압, 그리고광추출효율과비례관계가있으므로이들을높이 [ 그림 5] 태양광스펙트럼과연색지수에따른색재현력차이 (OLED 조명기술현황및전망, 문대규 ) 색재현능력등이있고, OLED

그값은 0에서 100까지나타낼수있으며, 100에근접할수록태양광에가까운스펙트럼을가지는우수한광원이라고할수있다. 일반적으로백열등은효율은낮지만 100에가까운연색지수를가지고있다.

내부양자효율은인광소자등과같이고효율소재를활용하는등의발광층에대한엔지니어링을통해서 100 % 에가까운효율을얻을수있고, 구동전압은전극과유기층과의계면엔지니어링과발광층에서의전하주입장벽및전하트랩핑을조절하여낮출수있다.

3 조명용백색 OLED 하다보면 y 좌표가너무높아져서조명으로사용하기어려운광원이될수가있으므로주의하여야한다. 또한, 광원의색안정성역시중요한요소로서광원의수명과구동전압에따른색상변화와광원의배광방향에따른색상변화가적어야한다. OLED 조명을위한광원은기술적으로효율, 수명, 대면적공정성을확보하는것이중요한것이라고할수있다. 먼저, 조명용광원에있어서효율은 power efficiency 또는 luminous efficacy (lm/w) 가중요하다. luminous efficacy 는주어진발광스펙트럼에서내부양자효율, 1/ 구동전압, 그리고광추출효율과비례관계가있으므로이들을높이 [ 그림 5] 태양광스펙트럼과연색지수에따른색재현력차이 (OLED 조명기술현황및전망, 문대규 ) 색재현능력등이있고, OLED 조명광원만의기술요소로는연색지수 (CRI, Color Rendering Index), 대면적발광균일도, 색유지능력등이있다. 조명용 OLED에서가장큰차이점인연색지수는한마디로얼마나태양광과근접한스펙트럼을가지느냐를정량화한것이라고할수있다. 그값은 0에서 100까지나타낼수있으며, 100에근접할수록태양광에가까운스펙트럼을가지는우수한광원이라고할수있다. 일반적으로백열등은효율은낮지만 100에가까운연색지수를가지고있다. 또한, 색좌표기준으로는블랙바디라디에이션곡선으로부터많이벗어나게되면조명의품질이떨어지는광원이된다. 일반적으로 1931 CIE 좌표상에서 y 좌표가커지면효율 (efficacy) 은증가하게되는데, 효율만을높이고자 기위한연구가필요하다. 내부양자효율은인광소자등과같이고효율소재를활용하는등의발광층에대한엔지니어링을통해서 100 % 에가까운효율을얻을수있고, 구동전압은전극과유기층과의계면엔지니어링과발광층에서의전하주입장벽및전하트랩핑을조절하여낮출수있다. 한편, 광추출효율은유기박막모드와기판모드에의한광손실을줄이기위한층간필름의개발이중요하다. 수명은재료, 소자구조, 봉지구조등모든부분과관련된것으로디스플레이용으로는상당수가이미해결되었지만, 조명용스펙에서는좀더향상된결과가필요하다. 상용화에있어서가장중요한이슈는제조가격이될것으로예상되는데, 단위면적당패널의제조가격을혁신적으로낮출수있는제조공정의개발이필수적으로선행되어야한다. 따라서이러한이슈들에대하여조금더상세한설명을덧붙이고자한다. [ 그림 6] 조명용광원으로적합한색온도 (CCT) 별색좌표범위 [ 그림 7] 조명용 OLED 광원의연구범위 2009 년제 10 권제 4 호 33

기술특집 1. OLED 발광층고효율백색 OLED 소자는조명용광원을위한핵심기술이다. 백색 OLED는소자구조에따라서 stack 구조, 단일발광층구조, Horizontal RGB, down conversion으로나눌수있는데, 보통의경우제조가용이하고고효율을얻을수있는 stack 구조를사용하게된다.

4 기술특집 1. OLED 발광층고효율백색 OLED 소자는조명용광원을위한핵심기술이다. 백색 OLED는소자구조에따라서 stack 구조, 단일발광층구조, Horizontal RGB, down conversion으로나눌수있는데, 보통의경우제조가용이하고고효율을얻을수있는 stack 구조를사용하게된다. 또한, 사용하는소재에따라서는형광, 인광, 그리고하이브리드백색 OLED로나눌수있다. 형광소재를사용하는경우에는소자안정성면에서는우수하지만고효율을얻는데한계를가지고있는문제가있으며, 인광소재를사용하는경우에는고효율을얻을수는있지만, 안정적인청색소재가없다는문제점을가지고있다. 이러한두가지소재의문제점을상호보완하고자하는노력으로청색은형광소재를사용하고그외의색상은인광소재를사용하는하이브리드방식의연구가활발히진행되고있다. 최근의고효율인광소자의구조는다음 [ 그림 8] 과같이정공주입 / 수송층과전자주입 / 수송층이외에두층의발광층을기본골격으로하고있다. 이때발광층은 p-type 호스트와 n-type 호스트로이루어지며각각의호스트는높은정공주입과전자주입장벽을가지는 HOMO/LUMO 구조를가진다. 이러한구조는흡사 LED의 PN 정션과도같은구조라고할수있으며, 재결합영역을두호스트의계면으로제한함으로써전류손실을최소화할수있는장점을가지고있다. 이때재료적으로요구되는것은전기화학적 / 열적안정성이외에도호스트의삼중항에너지가청색인광도판트의것보다높으며, 정공이동도나전자이동도가너무낮지않아야한다. 여기에높은전하이동도 [ 표 2] 소재별백색 OLED의분류 [ 그림 8] 두층발광층을갖는인광백색 OLED의소자구조를가지면서삼중항에너지가청색인광도판트의것보다높은정공수송층또는전자수송층소재가있다면소자구조를설계하는데많은자유도를제공할수있게된다. 독일드레스덴공대의 Leo 교수그룹에서는 TcTa와 TPBi로이루어진발광호스트들과 FIrpic 등의인광도판트들을이용하여다음그림과같은백색 OLED를구성하였고, 1000nit에서 % 의외광효율및 lm/w 의 luminous efficacy를얻었다. 일본야마가타대학의 Kido 교수그룹에서는새로운넓은삼중항에너지를갖는 bipolar 호스트와전자수송재료를개발하여 1000nit에서 44 lm/w의효율을달성하였다. 한편 ETRI에서도새로운 n-type 호스트를적용하여 1000nit에서 lm/w 를달성하여보고하기도하였다. 이와같이고효율인광백색 OLED의개발은새로운넓은삼중항에너지를갖는소재의개발이관건이라고할수있다. 호스트뿐만아니라정공수송층과전자수송층에서도기존의전하이동도와안정성을유지하면서청색인광도판트의삼중항에너지를소멸시키지않도록넓은삼중항에너지를갖는것이중요하다. 또한, 공정성을확보하기위한도판트의수를줄이는것역시중요한이슈이다. 기존의디스플레이용도판트가넓은색재현범위를확보하기위하여좁은스펙트럼을갖는도판트를선호하였다면, 조명용도판트는작은도판트의수로높은연색 34 인포메이션디스플레이

조명용백색 OLED 지수를확보할수있도록넓은스펙트럼을갖는도판트를선호하게된다. 따라서, 기존디스플레용 OLED 소재의개발과는별개의방향으로조명용 OLED 소재의개발이절실히요구된다고할수있다. 한편, 하이브리드백색 OLED는앞서설명한인광백색 OLED에서안정성에가장큰문제를제공하는청색을형광으로대체한소자이다.

5 조명용백색 OLED 지수를확보할수있도록넓은스펙트럼을갖는도판트를선호하게된다. 따라서, 기존디스플레용 OLED 소재의개발과는별개의방향으로조명용 OLED 소재의개발이절실히요구된다고할수있다. 한편, 하이브리드백색 OLED는앞서설명한인광백색 OLED에서안정성에가장큰문제를제공하는청색을형광으로대체한소자이다. 하이브리드백색 OLED는다시형광층의삼중항을사용할수있는 triplet harvesting 타입과그렇지않는 direct recombination 타입으로나눌수가있다. 먼저, triplet harvesting 타입은이론적으로모든전류를빛에너지로바꿀수도있다는점에서매우매력적인방법이다. 즉, 인광백색 OLED와같은효율을얻을수있으면서소자안정성도확보할수있기때문에 OLED 소자연구자들의많은관심의대상이되어왔다. 이러한타입의소자가작동하는원리는다음그림과같이형광층에서대부분의재결합이일어나고, 따라서형광층의단일항엑시톤에의한청색발광을얻게된다. 형광층재결합영역에서사용되지않은삼중항은에너지이동 (diffusive transfer) 에의해서인광층으로이동하여녹색과적색의인광발광을얻게된다. 이러한원리로 25% 의단일항은형광층의청색발광으로, 나머지 75% 의삼중항은인광층의녹 / 적색발광으로번환되어 100% 의전환효율을얻을수도있게된다. 이러한소자에서중요한사항은재결합영역을형광층 으로만한정할수있도록제어하는것과삼중항엑시톤이인광층에서만발광할수있도록에너지이동을조절하는것이다. 이와같은현상은미국 Forrest 그룹에서처음실현되어보고되었다. CBP로이루어진발광층의양끝에재결합영역이형성되도록공통층소재를조절하고형광도판트로양끝만도핑을한후, 발광층의가운데는형광층과적절한거리를두고인광도판트로도핑을하여소자를제작하였다. 이러한소자에서는위와같이청색형광이외에에너지이동에의한녹 / 적색인광을얻을수있었다고한다. 다만, 그효율은 1000nit에서 10% 정도의외부양자효율로그다지높지않았는데, 최초로 triplet harvesting 타입이구현되었다는데그의의가있다고할수있다. 이러한타입의하이브리드소자는독일드레스덴대학의 Leo 그룹과 ETRI에서도연이어보고되었는데, 드레스덴대학에서는넓은삼중항갭을갖는청색소재 (4P-NPD) 를이용하여 1000nit에서 15.2 % 의외부양자효율을보고하였고, ETRI에서는넓은삼중항갭과높은효율을보이는청색호스트와소자구조를이용하여 1000nit 에서 18% 의양자효율을보고하였다. 그러나, 이러한원리의소자는까다로운작동조건으로인하여실질적으로사용하기어렵다는문제점을가지고있었다. 즉, 형광층의삼중항엑시톤을최대한손실없이인광층으로이동시켜야하는데, 이러한경로는형광층에서의비발광프로세스에의해서소멸되거나인광층에서형광층으로다시이 [ 그림 9] Triplet harvesting 형하이브리드백색 OLED 의작동원리 [ 그림 10] Triplet harvesting형하이브리드백색 OLED의예 (S. Forrest 교수그룹 ) 2009 년제 10 권제 4 호 35

기술특집 동하여소멸되는등의소멸경로와경쟁하여야한다. 이때, 다른소멸경로보다우리가원하는경로를빠르게생성하는조건에대한정보가부족하여, 소자를설계하고예측하는것이불가능하여, 현실적으로소자를구현하는것이매우어렵게된다. 이러한문제점을해결하기위하여 direct recombination 타입의하이브리스소자연구가필요로하게되었다.

6 기술특집 동하여소멸되는등의소멸경로와경쟁하여야한다. 이때, 다른소멸경로보다우리가원하는경로를빠르게생성하는조건에대한정보가부족하여, 소자를설계하고예측하는것이불가능하여, 현실적으로소자를구현하는것이매우어렵게된다. 이러한문제점을해결하기위하여 direct recombination 타입의하이브리스소자연구가필요로하게되었다. 이타입의소자는재결합영역이형광층과인광층에모두형성될수있도록조절하여형광과인광으로부터모두발광을얻어내는방법이다. 앞선 triplet harvesting 타입에비해청색형광층의삼중항엑시톤을사용할수없기때문에효율은낮을수있지만, 다양한소재를활용할수있고, 또한소자를설계하는데있어많은자유도를갖는구조라고할수있다. 이러한타입의소자에서는형광층과인광층을분리하는중간층 (interlayer) 의역할은매우중요한데, 이는재결합영역을형광층과인광층에걸쳐서형성되도록조절하는역할을할뿐만아니라, 인광발광층의삼중항엑시톤이형광층으로이동하여소멸되는것을막아주는기능을하게된다. ETRI에서는 direct recombination 타입의하이브리드백색 OLED를이용하여 1000nit에서 15% 의외부양자효율과 lm/w의 luminous efficacy를보고한바있다. 또한, Philips에서도 ETRI의결과와유사하게 lm/w의효율을달성하였으며, 수명의경우 1000 nit에서 10,000 시간정도인것으로보고하였다. 이와같이안정적인청색인광소재가개발되기전까지는하이브리드백색 OLED, 특히 direct recombination 타입이단기적으로는백색 OLED의 solution이될것으로예측되고있다. 2. 유기층 / 전극계면조명용 OLED 소자의효율에많은영향을미치는것이구동전압이다. 구동전압은발광층과공통층의이동도와전하주입장벽에도영향을받지만전극들과유기층의계면에의해서도많은영향을받는다. 먼저, 양극과정공주입층간의주입장벽을낮추기위하여 p 도핑된정공층을이용하여 ohmic 접합을만들수있다. 이때강력한전자받게를이용하여도핑하게되는데, 도판트의 LUMO가정공층의 HOMO보다높은값을갖도록하여야한다. 최근에는금속산화물을이용한접합층도많이개발되고있는상황이다. 한편, 음극과전자층사이에는 n 도핑된전자층을도입하여 ohmic 접합을만들어줄수있다. 여기서는강력한전자주게를이용하여도핑하게되는데전기음성도가낮은금속재료를사용하게된다. 전기음성도가낮은금속소재는핸들링이어려운문제가있기때문에일종의 precursor (Cs 2CO 3, Li 3N 등 ) 형태로사용하기도한다. 한편, 이러한방법들은구동전압을낮추어주는장 [ 그림 11] Direct recombination 형하이브리드백색 OLED 의구조예 [ 그림 12] PIN 소자의예 (Novaled) 36 인포메이션디스플레이

조명용백색 OLED 점이있지만, 도판트의안정성및공정신뢰성이많이떨어지는문제점을노출하여실재양산에적용하기어려운문제점을가지고있다. 따라서, 안정성과공정신뢰성을해결할수있는새로운해결방안의연구개발이절실히요구되어지고있다. 인식시켜준다. 따라서, 각각층에균일하게전압이인가될수있는소자조합도고려되어야하는부분이다.

7 조명용백색 OLED 점이있지만, 도판트의안정성및공정신뢰성이많이떨어지는문제점을노출하여실재양산에적용하기어려운문제점을가지고있다. 따라서, 안정성과공정신뢰성을해결할수있는새로운해결방안의연구개발이절실히요구되어지고있다. 인식시켜준다. 따라서, 각각층에균일하게전압이인가될수있는소자조합도고려되어야하는부분이다. 필립스에서는청색형광소자와녹색및적색인광소자의적층을통한적층형백색 OLED 소자를 [ 그림 13] 과같이제작하여 26 lm/w의효율을얻은바가있다. 3. 장수명백색 OLED 조명용백색 OLED는디스플레이 OLED에비해높은휘도나높은전류밀도에서구동될가능성이크다. 따라서, 기존 OLED에비해안정성이더강력하게요구될것으로예상된다. 소자의안정성은소재, 소자구조, 봉지등에의해서결정되는데, 기존디스플레이용 OLED와달라질수있는부분이소자구조부분이될것이다. 특히, 적층형 (Tandem) 구조의 OLED는조명용백색 OLED의장수명화를위한필수적인선택이될수있다. 적층형 OLED는비록효율면에서는장점이거의없지만, 동일한휘도를얻는데있어서단층형 (single stack) 의소자에비해적층되는소자의수에반비례하여감소하기때문에수명향상을이끌어낼수있다. 물론소자와소자를연결하는연결층의개발이핵심적인부분이될수있는데, 이는앞서설명한저전압구동을위한 p 도핑된정공층과 n 도핑된전자층을주로활용할수있다. 따라서, 앞서제기된문제점인안정성과공정신뢰성의확보가적층형소자의개발에핵심적인부분이될것으로예상된다. 또한소자구조의조합도매우중요한부분이다. 여러층의소자가적층되면마이크로공진효과는더욱심각해지는데, 이는각각의발광색상과두께조절의중요성을 [ 그림 13] Tandem 백색 OLED (Philips) 4. 광추출향상초기 OLED의광추출효율은간단한 ray optics를이용하여 1/2n 2 으로약 20% 정도로이해하고있었으나, 최근이를상회하는실험적인결과들이보고되면서이에대한정밀한이론적고찰들이연구되고있다. 배면발광 OLED 에서생성된빛은표면으로나와외부로방출되는것과손실되는것이있는데, ITO와유기층사이에서 waveguide 모드로빠져나가거나 (Waveguided 모드 ), 기판의전반사로인해기판에갇히는 (Substrate guided 모드 ) 현상들이그대표적인예이다. 물론금속전극의표면플라즈몬효과로인한손실등도있지만위의손실에비하면미미한수준이라고할수있다. 이러한손실의원인은 ITO/ 유기층과 ( 굴절률약 1.8) 기판 ( 굴절률약 1.4) 또는기판 ( 굴절률약 1.4) 과공기 ( 굴절률 1.0) 간의높은굴절률차이에서찾을수있다. 이론적계산에의하면일반적인배면발광 OLED는외부로나오는광량이약 20%, waveguided 모드약 45%, substrate guided 모드약 35% 나타난다. 따라서대부분의빛이외부로나오기보다는손실메카니즘에의해소멸된다고할수있다. 기존디스플레이용 OLED에서는 pixel blur나공정성등의이유로외부로향하는빛을늘이는방법이매우제한적일수밖에없었다. 그러나, 조명용 OLED 광원에서는높은효율의달성이매우중요한사항이므로다양한방법으로광추출효율을높이는노력을하고있다. 먼저, substrate guided 모드를줄이기위한방법으로는, 마이크로렌즈어레이나산란을유도하는여러형태의박막들을기판과공기사이에형성하는방법들이시도되고있다. 이러한시도는사용되는재료나박막구조에따라서광추출효율은달라질수있으므로이에대한최적화가필요하다. Waveguided 모드를줄이기위한방법으로는고굴절률의기판을사용하거나, 기판과 ITO 사이에산란층을도입하는방법등이보 2009 년제 10 권제 4 호 37

기술특집 고있다. 또한, 마이크로공진효과를높일수있는박막을삽입하여광추출을높일수도있다.

따라서, 앞서소개한백색 OLED의효율은소자효율의증가없이도 50-70 lm/w에이르며, 장기적으로는 70-100 lm/w에다다를것이다. 물론소자효율의증가를고려한다면이보다더높은광원효율을예상할수있다.

대면적광원 OLED 광원은투명한전극을통하여빛이방출되는특성을가지는데, 보통투명전극은광투과도는 80-90% 로높지만면저항이 10 ohm/sq 이상으로높은단점이있다.

이러한휘도불균일과효율의감소를최소화시키기위해서는투명전극의면저항을낮추는방법과함께보조배선전극을형성하는방법이이용되고있다.

8 기술특집 고있다. 또한, 마이크로공진효과를높일수있는박막을삽입하여광추출을높일수도있다. 이와같이 substrate guided 모드와 waveguided 모드를줄일수있는방법을모두동원한다면현재의효율보다는 2배이상, 장기적으로는 3배이상까지도효율을높일수있을것으로기대된다. 따라서, 앞서소개한백색 OLED의효율은소자효율의증가없이도 lm/w에이르며, 장기적으로는 lm/w에다다를것이다. 물론소자효율의증가를고려한다면이보다더높은광원효율을예상할수있다. 따라서, 광추출효율이우수할뿐만아니라공정성이역시우수하여낮은가격으로제조가용이한박막들의개발이절실하며, 이에대한많은연구자들의관심이필요한상황이다. 5. 대면적광원 OLED 광원은투명한전극을통하여빛이방출되는특성을가지는데, 보통투명전극은광투과도는 80-90% 로높지만면저항이 10 ohm/sq 이상으로높은단점이있다. 따라서, 작은면적의광원에서는큰문제가없지만광원의면적이커짐에따라서전극에서멀어질수록전압강하가심하게일어나고효율의감소가발생한다. 이러한휘도불균일과효율의감소를최소화시키기위해서는투명전극의면저항을낮추는방법과함께보조배선전극을형성하는방법이이용되고있다. 먼저, 면저항을낮추는방법으로는투명산화물박막중간에흡수가낮은얇은금속박막을삽입하는방법이많이사용되고있는데, 비록투과도에서는약간의손실이발생하지만면저항은 2-3 ohm/sq 수준까지개선할수있는것으로알려져있다. 보조배선은단순한공정으로높은효율을얻을수있도록다양한구조및방법이연구되고있으며, 테스트소자의 90% 이상의효율을유지할수있는것으로알려져있다. [ 그림 14] 배면발광 OLED에서의광추출경로 (Phys. Rev. B, 58, 3730, 1998) [ 그림 16] OLED에서의면적에따른휘도분포의예 (Siemens, 2005) [ 그림 15] 마이크로렌즈어레이를이용한광추출효율향상 (SID 03 Digest, 979, 2003) [ 그림 17] 타일구조의 OLED 면광원및보조배선구조예시 (GE) 38 인포메이션디스플레이

조명용백색 OLED 대면적광원화의또다른방법은타일구조이다. 타일구조는전압강하를낮출뿐아니라필요시광원서브모듈을교체할수있어서광원수명및수율관리에유리하게한다. 따라서, 손쉬운광원의교체가매우중요한사항이될것으로사료된다. 한편, 대면적화에있어서광원의발열문제는점점중요해지고있다.

기존의광원에서는광원의뒷면에 LED 광원에서주로개발되고있는방열필름을주로사용하고있지만, 보다좋은방열특성을얻기위해서는봉지공정과융합된방열 solution이개발되어야할것이다. 또한, 제조단가면에서경쟁력을가질수있는제조공정의개발이무엇보다도중요할것으로예상된다.

결론 OLED 조명기구의효율은대부분 OLED 광원에의해결정된다고볼수있다. 앞서설명한바와같이내부양자효율과광추출효율의증대, 구동전압의최소화등을통하여 OLED 소자의효율은지속적으로증가하고있다.

9 조명용백색 OLED 대면적광원화의또다른방법은타일구조이다. 타일구조는전압강하를낮출뿐아니라필요시광원서브모듈을교체할수있어서광원수명및수율관리에유리하게한다. 따라서, 손쉬운광원의교체가매우중요한사항이될것으로사료된다. 한편, 대면적화에있어서광원의발열문제는점점중요해지고있다. 특히, 고휘도로사용되어야하는 OLED 광원에서는더욱발열문제가심각할것으로예측되며이에대한적절한대응이요구된다. 다행히 OLED 광원은 LED 광원에비해발열은매우미미한상황이지만광원의효율및수명을고려한다면간과해서는안될사항이다. 기존의광원에서는광원의뒷면에 LED 광원에서주로개발되고있는방열필름을주로사용하고있지만, 보다좋은방열특성을얻기위해서는봉지공정과융합된방열 solution이개발되어야할것이다. 또한, 제조단가면에서경쟁력을가질수있는제조공정의개발이무엇보다도중요할것으로예상된다. 기존조명용광원과의가격경쟁력확보를위해서제조공정을간단히하고, 사용하는재료의손실을최소화하는등의또다른노력이이루어져야한다. OLED 광원이기존광원과의직접적인경쟁은매우어려워보이는상황에서, 긍정적인소식은 OLED로조명을제작하는경우조명단가의대부분을 OLED 광원이차지할수있다는것이다. Ⅲ. 결론 OLED 조명기구의효율은대부분 OLED 광원에의해결정된다고볼수있다. 앞서설명한바와같이내부양자효율과광추출효율의증대, 구동전압의최소화등을통하여 OLED 소자의효율은지속적으로증가하고있다. OLED 조명의상용화를위해서는효율이외에도수명, 스펙트럼특성, 색안정성, 대면적화등이중요한이슈이며이에대한관심도높여나가야할것이다. [ 그림 19] 기존조명과가격경쟁력을갖기위한 OLED 조명의단가 (Eastman Kodak, DOE SSL Manufacturing Workshop 2009) [ 그림 18] 백색 OLED 소자의효율증가추이 (UDC, ETRI modified) [ 그림 20] OLED 면광원 (ETRI 2009) 2009 년제 10 권제 4 호 39

그러나, 너무조급한나머지성숙하지않은기술로제품을출시하여시장의신뢰를잃지않는주의를필요로한다. 지속적인기술개발로제품의완성도를빠르게높여가고, 아울러 OLED 광원의특성을살릴수있는새로운조명디자인을적극적으로발굴하여새로운미래조명시장을창조해나가야할것이다. [10] J. Lee, J.-I. Lee, J. Lee, J. Y. Lee, D. M. Kang, W. Yuan, S.

10 기술특집 물론, 조명이어떤모습을하고있는지에따라서광원이조명에차지하는비용은천차만별이겠지만, 확실한것은기존조명에서광원이차지하는부분보다는높은단가를차지할것이다. 이러한가정하에서는기존조명에대비한가격경쟁력을확보할수있는가능성이있어보인다. 올해 4월개최된조명용 OLED 제조의관한워크샵 ( 미국 DOE 주관 ) 에서, 이스트만코닥사는 OLED는광원이아니라등기구라는컨셉과 5세대장비로 Tact time 40초, 재료사용효율 75% 등을가정할경우기존조명보다훨씬싼가격으로조명을만들수있음을보여주었다. 이제주변에서 OLED 조명을볼수있는날이그리멀지않은것같다. 그러나, 너무조급한나머지성숙하지않은기술로제품을출시하여시장의신뢰를잃지않는주의를필요로한다. 지속적인기술개발로제품의완성도를빠르게높여가고, 아울러 OLED 광원의특성을살릴수있는새로운조명디자인을적극적으로발굴하여새로운미래조명시장을창조해나가야할것이다. [10] J. Lee, J.-I. Lee, J. Lee, J. Y. Lee, D. M. Kang, W. Yuan, S.-K. Kwon, H. Y. Chu, J. Information Display, 10, 92 (2009). [11] T. Matsumoto, T. Nakada, J. Endo, K. Mori. N. Kawamura, A. Yokoi, J. Kido, SID 03 Digest, 979 (2003). [12] P. A. Levermore, M. S. Weaver, M. Hack, J. J. Brown, LED/OLED Lighting Tech. Expo, L7-1 (2009). [13] F. Creuzet, LED/OLED Lighting Tech. Expo, L7-2 (2009). [14] A. Mikami, LED/OLED Lighting Tech. Expo, L7-3 (2009). [15] Y.-S. Tyan, US DOE SSL Manufacturing Workshop (2009). [16] J.-I. Lee, J. Lee, H. Y. Chu, ICEL7, OR 5a-1 (2008). 저자약력 참고문헌 [ 1 ] S. Reineke, F. Lindner, G. Schwartz, N. Seidler, K. Walzer, B. Lussem, K. Leo, Nature, 459, 234 (2009). [ 2 ] G. Schwartz, S. Reineke, T. C. Rosenow, K. Walzer, K. Leo, Adv. Funct. Mater., 19, 1319 (2009). [ 3 ] G. Gaertner, H. Greiner, Proc. of SPIE, 6999, 69992T-1 (2008). [ 4 ] V. Bulovic, V. B. Khalfin, G. Gu, P. E. Burrows, D. Z. Garbuzov, S. R. Forrest, Phys. Rev. B, 58, 3730 (1998). [ 5 ] V. Bulovic, V. B. Khalfin, G. Gu, P. E. Burrows, D. Z. Garbuzov, S. R. Forrest, Phys. Rev. B, 58, 3730 (1998). [6] Y. Sun, N. C. Giebink, H. Kanno, B. Ma, M. E. Thompson, S. R. Forrest, Nature, 440, 908 (2006). [ 7 ] H. Loebl, V. van Elsbergen, H. F. Boerner, C. Goldmann, D. Bertram, S. Grabowski, SPIE (2009). [ 8 ] J.-J. Kim, S.-Y. Kim, SPIE (2009). [ 9 ] J.-I, Lee, J. Lee, J. Lee, J. -H. Shin, C.-S. Hwang, H. Y. Chu, SPIE (2009). 이정익 1992 년 : KAIST 화학과이학사 1994 년 : KAIST 화학과이학석사 1997 년 : KAIST 화학과이학박사 1998 년 : IBM Almaden Research Center Post. Doc 년 ~ 현재 : ETRI( 한국전자통신연구원 ) OLED 조명연구팀책임연구원관심분야 : OLED 디스플레이및조명, OLED 소자 이종희 2002 년 : KAIST 화학과이학사 2004 년 : KAIST 화학과이학석사 2007 년 : KAIST 화학과이학박사 2007 년 ~ 현재 : ETRI( 한국전자통신연구원 ) OLED 조명연구팀연구원관심분야 : OLED 디스플레이및조명, 유기전자소자 40 인포메이션디스플레이

of Materials Engineering, Auburn University. Post. Doc.

11 조명용백색 OLED 조두희 1987 년 : 한양대학교재료공학과공학사 1989 년 : KAIST 재료공학과공학석사 1996 년 : 일본경도대학재료공학과공학박사 1998 년 ~ 현재 : ETRI( 한국전자통신연구원 ) OLED 조명연구팀책임연구원관심분야 : OLED 디스플레이및조명, 산화물 TFT, OLED 광추출 이주원 2001 년 : 선문대학교물리학과이학사 2003 년 : 경희대학교물리학과이학석사 2006 년 : 경희대학교물리학과이학박사 2007 년 : Dept. of Materials Engineering, Auburn University. Post. Doc 년 ~ 현재 : ETRI( 한국전자통신연구원 ) OLED 조명연구팀연구원관심분야 : OLED 디스플레이및조명, 투명전극 추혜용 1987 년 : 경희대학교물리학과이학사 1989 년 : 경희대학교물리학과이학석사 2008 년 : 경희대학교정보디스플레이학과공학박사 1989 년 ~ 현재 : ETRI( 한국전자통신연구원 ) OLED 조명연구팀책임연구원 ( 팀장 ) 관심분야 : OLED 조명및디스플레이, OLED 응용소자 2009 년제 10 권제 4 호 41

OLED 조명 기술 현황 및 전망 (1)

OLED 조명 기술 현황 및 전망 (1) OLED 조명기술현황및전망 (1) 순천향대학교디스플레이신소재공학과 문대규 1. 개요 OLED (Organic Light Emitting Diode) 는양극과음극사이에놓인유기물에서전자와정공의재결합에의해발광이일어나는소자로디스플레이에주로응용되고있다. 1987 년 Eastman Kodak 에서 1 lm/w 의이종접합 (Heterojunction) 녹색 OLED 를발표한이래