기획 꿈과미래를열어가는신산업기술 AMOLED 기술 손영훈, 박미진, 권장혁 ( 경희대학교정보디스플레이학과 ) 1. OLED 구조및발광원리 OLED 란 Organic Light Emitting Diode 의약어로유기물로만들어진다이오드형태의소자로전류가흐르면빛을내는전계발광현상을의미한다. 이는유기물내로전하를주입하여유기발광분자를바닥상태 (ground state) 에서여기상태 (excited state) 로만든후다시바닥상태로돌아오면서내놓는에너지를빛으로방출하는원리를이용한것이다. [ 그림 1] OLED (Organic Light-Emitting Diode) 의기본발광원리 [ 그림 1] 은 OLED 의가장기본적인구조를나타낸다. 이는수백 nm의두께를갖는유기박막과양극과음극으로구성된다. 이는단계적으로전극에서유기물로전하가주입되는과정, 유기물내에서전하가발광층까지수송되는과정, 발광층에서전자와정공이만나여기자 (Exciton) 를형성하고재결합하는과정의세단계로나눌수있다. 이러한기본발광원리를원활히하기위해, 정공주입층 (HIL, Hole Injection Layer), 정공수송층 (HTL. Hole Transport Layer), 발광층 (EML, Emissive Layer), 전자수송층 (Electron Transport Layer), 전자주입층 (Electron Injection Layer) 등으로기능이나누어진다층구조를사용한다. 자세한 OLED 층의유기재료에대해서는다음 4월호 와 6월호에서자세하게소개하고자한다. OLED 소자에사용되는유기물은에너지밴드갭이크기때문에열평형상태에서소자안에존재하는자유전하밀도가아주작다. 이때문에 OLED 소자에사용되는유기물의여기와발광은외부전극에서주입된전하에의해서만이뤄진다. 양극은정공을잘주입시키고배면발광을위해서 ITO 와같은투명한재료를사용한다. 하지만금속과반도체인유기물이접합되면금속의페르미에너지준위와유기물의 HOMO 에너지준위및 LUMO 에너지준위의차이에해당하는정공과전자주입장벽 (Φh, Φe) 이접합계면에서발생한다. 이장벽을쇼트키장벽 (Schottky Barrier) 라하며전하는이장벽에해당하는전위차이를극복해야지주입이가능하다. 실제금속 / 유기물접합계면에서는두물질사이의전하이동, 흡착된유기분자에의한금속표면의자유전자파동함수의변화등의원인에의해형성되는전기쌍극자층 (dipole layer) 에의해진공에너지준위 (Vacuum level) 는 Δ만큼차이가생긴다. 금속의일함수를 Φm 이라고하고, 유기반도체의전자친화도 (electron affinity) 를 EA, 이온화에너지 (ionization potential) 를 IP라고하면전자와정공주입의에너지장벽은다음과같이표현할수있다. Φh = IP Φm + Δ, Φe = Φm EA Δ 양전극에서주입된전하는유기물을통해수송된다. 유기반도체에서의전하수송과정은무기반도체에서의수송과정과크게다른특성을보인다. 이러한이유는유기물의분자는약한반데르발스인력 (van der Waals Interaction) 으로결합되어있기때문에무기물의결정과같이원자가주기적인질서구조를형성하지못하기때문이다. 이 48 화학세계 2013. 02
AMOLED 기술 때문에분자고립성이유지되어밴드 (band) 형성은거의발생하지않는다. 결정구조가규칙적이지않은유기물내로주입된전하는우선주위분자의격자와상호작용하여안정화된폴라론 (polaron) 을형성한다. 그뒤외부전계를구동력으로하여에너지준위사이를호핑 (hopping) 이동한다. 일반적으로비정질고체내에서의에너지준위는호핑가능한준위를기점으로 Gaussian 분포를하고있으며호핑전도는호핑준위사이에서일어난다. 이는전자가분자사이의파동함수의중첩을통해서터널효과로인접한호핑준위사이를이동하는것이다. 호핑준위보다깊은준위에갇힌전하의경우, 준위의상태밀도가작기때문에분자간거리가커지게되고파동함수의중첩도약해져터널호핑확률이크게저하한다. 이런경우갇힌전하는호핑가능한준위로여기된뒤에야터널호핑이가능하다. 각각전자수송층과정공수송층을거쳐발광층으로주입된전자와정공은쿨롱에너지 (Coulomb energy) 에의해결합하여엑시톤 (exciton) 을형성한다. 일반적으로유기분자내의자유전하의평균자유행로 (mean free path) 는약 10A 이하로엑시톤을형성하기위해선양성폴라론과음성폴라론이동일한분자에주입이되어야한다. 일반적인유기분자에서전계에의해형성되는초기엑시톤은두스핀이비대칭으로배열하는단일항 (singlet state) 과두스핀이대칭으로배열하는삼중항 (triplet state) 이 1:3 의비율로형성된다. 일반적으로단일항상태 (S1) 의에너지가삼중항상태 (T1) 의에너지보다높다. 전류에의해형성된엑시톤이다시기저상태로전이하면서일부는열로소실되고일부는가지고있던에너지를빛으로방출하면서이동하는현상을발광 (luminescence) 이라한다. 전하의재결합과정에서일중항여기자 (S1) 에서바로기저상태 (S0) 로돌아가는발광을형광 (fluorescence) 이라한다. 일반적으로전류에의해형성된삼중항여기자 (T1) 는전자스핀보존규칙에의해전이과정에서스핀변화가불가능하기때문에열에너지로소모된다. 하지만중원자 (heavy atom) 를포함하는물질의경우, 강한스핀궤도상호작용 (spin-orbit coupling) 을통해일중항상 태가삼중항상태로이동할수있도록보조하며삼중항상태 (T1) 에서기저상태 (S0) 로돌아가는것이가능하다. 이때, 삼중항여기자 (T1) 에서바로기저상태 (S0) 로돌아가는발광을인광 (phosphorescence) 이라고한다. 2. AMOLED 동작원리기존 LCD (liquid crystal display) 는상하 ITO 전극에인가되는전압에의해액정의투과도를조절하는전압구동방식디스플레이이다. 반면 OLED 의휘도 ( 빛의밝기 ) 는전류밀도에선형적으로비례하는특성을가진다. 그렇기때문에디스플레이로구현하기위해전류구동방식을사용한다. 일정한전류를유지하는구동을위해선기존 LCD 에서사용하는 a-si:h TFT (thin film transistor) 보다성능이뛰어난트랜지스터가적어도두개이상필요하다. [ 그림 2] ( 상 ) 2T-1C 의가장기본적인 AMOLED TFT 회로, ( 하 ) Driving TFT 의게이트전압에따른 TFT 의 I-V 특성 ( 검정 ) 과 OLED 소자의 I- V 특성 ( 녹색 ) 2013. 02 화학세계 49
기획 꿈과미래를열어가는신산업기술 [ 그림 3] ( 좌 ) 삼성에서출시한갤럭시노트 2 의외관및사양, ( 우 ) 2013 년판매계획중인 LG 에서출시한 55 AMOLED TV [ 그림 2] 는 AMOLED 를구동하기위한가장기본적인회로및이를이용한구동방식을나타내고있다. 주파수에따른시간만큼한라인에만 scan 신호가들어왔을때스위칭 TFT 가동작하게되고 scan 신호가들어오지않는시간에는캐패시터에의해픽셀의전압이유지된다. 이스위칭 TFT 는입력신호 (VDATA) 를받아구동 TFT 의 gate 신호로사용되는데 VDATA 의크기에따라전압 (VDD) 으로공급되는전류량이조절되며이에따라 OLED 의밝기를조절할수있다. OLED 는구동 TFT 의포화영역에서동작하도록되어있다. [ 그림 2]( 우 ) 는구동 TFT 의 gate 에인가되는전압에따라포화영역전류의크기가선형적으로증가하는것을보여준다. 때문에 AMOLED 의밝기는구동 TFT 로부터공급된전류의증가에따라선형으로증가한다. 구동 TFT 는앞서언급한 a-si:h TFT 보다전류특성이뛰어난소자로 LTPS (low temperature polycrystalline silicon) TFT 가 AMOLED 제조에보편적으로사용된다. 하지만 LTPS TFT 의공장상문제점인문턱전압과이동도편차를보상하기위해 6T-1C 의다소복잡한회로가실제제품에적용된다. 3. 시장현황과전망 AMOLED 는자체발광현상을이용하고매우저전류저전압에서구동이가능한환경친화적디스플레이다. 특히 LCD 보다우수한소비전력, TV로서우수한빠른스위칭스피드, 우수한색특성등으로차세대디스플레이로일찍이대두되어왔다. 지난 3년간 AMOLED 산업은차세대디스플레이로써 LCD 의대체제로부상하며디스플레이로써의품질개선과대량양산기술확보에초점을맞춰발전했다. 옴니아 2를시작으로갤럭시노트 2까지눈에띄는디스플레이품질개선을했고 4세대 (730x920mm 2 ) 2분할에서 5.5 세대 (1200x1500mm 2 ) 4분할방식으로개선된대량양산기술이확보되었으며빠른속도로장비및소재부문의국산화까지이루어졌다. 과거 OLED 기술발전방향이해상도와양산기술확보에있었다면, 앞으로의 OLED 기술발전방향은원가절감을통해 LCD 시장을잠식하고기존디스플레이가진입하지못했던대면적 TV 시장진입및새로운형태의디스플레이를창출하는것이다. AMOLED 성장의견인차는단연스마트폰 (smart phone) 이다. 최근멀티미디어에대한소비자요구가증가하고있고, 스마트폰의강력한멀티미디어기능을뒷받침할최적의디스플레이로 AMOLED 가주목받기시작하면서보급속도는시장조사기관의예상을뛰어넘을가능성도충분하다는분석이다. 현재삼성에서판매하고있는갤럭시노트2 [ 그림 3( 좌 )] 는 AMOLED 를적용한최신기기로 55인치 HD (1280X720) 해상도를적용하였다. 반면, 디스플레이시장에서 TV가차지하는비중이절대적인점을감 50 화학세계 2013. 02
AMOLED 기술 [그림 4] (좌) AMOLED 시장 전망, (우) AMOLED Application별 구성 [그림 5] 두 가지 대면적 TV 제조방식 (좌) RGB 독립 구동 방식 (Samsung Display), (우) WOLED + C/F (LG Display) 안하면 대형 AMOLED 타깃은 AMOLED TV로 보는 것이 상용화되기 시작했다. 초기에는 MP3 player와 휴대폰에 타당하다. 이를 뒷받침하듯 중소형 AMOLED시장에서 적용되며 시장성을 타진한 AMOLED는 2009년 SMD(삼 Samsung Display의 독주로 인하여 시장진입시기를 놓친 성모바일디스플레이)가 본격 양산에 성공하면서 놀라운 성 LG디스플레이, Sony, AUO 등은 대형 AMOLED 시장, 장세를 기록하고 있다. 그 동안 주로 5인치 미만의 휴대폰 특히 OLED TV시장에 대한 적극적인 대응을 준비 중이다. 에 적용되었던 AMOLED는 2012년 하반기부터 5인치 이 CES 2013 에서는 삼성과 LG 모두 55인치 커브드 상의 태블릿 PC에 본격적으로 채용하는 등 2012년 AMOLED TV[그림 3](우)를 발표하였고 소니가 56인치 AMOLED 패널의 수요 급증에 따른 시장확대로 중소형 AMOLED TV를 발표하는 등 현재 AMOLED는 우리나라 AMOLED 패널의 비중이 수량 기준으로 2010년 1.8%에 를 비롯하여 수많은 글로벌 TV set 업체들이 중소형 패널 서 2012년 7.4%로 확대되었다. 2013년 삼성 및 LG의 55 보다는 TV용 대형 패널 기술개발에 집중할 전망이다. 인치 AMOLED TV 판매를 시작으로 AMOLED 패널의 본 AMOLED는 2007년부터 2인치급 소형 디스플레이부터 격적인 대형화가 시작될 전망이다. 2013. 02 화학세계 51
기획 꿈과 미래를 열어가는 신산업기술 [그림 6] 소형 AMOLED 패널 인치별 시장 수량 전망 (2011년 11월, 디스플레이뱅크 자료 인용) [그림 7] 대형 AMOLED 패널 시장 인치별 금액 전망 (2011년 11월, 디스플레이뱅크 인용) 52 현재까지 AMOLED는 대면적 양산기술을 보유하지 못 소자 기술로 인하여 가격요인이 큰 걸림돌로 여겨지고 있 해 짧은 수명과 높은 제조비용 등의 문제점을 가지고 있지 으나 가격을 넘어 display의 value 메시지를 주어 차별화 만, 근본적으로 LCD TV의 약점을 모두 극복할 수 있는 이 포인트를 어필하는 전략으로 시장 진입을 시도하고 있다. 상적인 디스플레이 기술이다. 현재 LG Display는 백색 이에 현재 당면하고 있는 기술적 이슈 및 cost 저감을 위한 OLED 기술과 color filter를 결합하는 기술 개발하고 있 소재의 개발과 소자 기술이 요구된다. 으며 삼성디스플레이에서는 RGB 독립화소 방식의 개발을 2009년부터 스마트폰의 수요가 늘어나면서 고사양 제품 통해 대형 TV를 빠른 시일 내에 구현할 수 있도록 개발에 에 AMOLED 패널이 적용되고 있으며 지속적으로 증가 중 박차를 가하고 있다. 이다. 모바일 제품의 주력 사이즈가 2009년에 3인치대였 다양한 기술적 난제 및 cost 저감 등 해결해야 할 issues 던 반면, 2010년부터는 4인치대의 스마트폰이 프리미엄 를 포함하여 현재 개발 진행 및 출시가 예정되고 있지만 대 상품으로 자리잡으면서 AMOLED 패널도 4인치대의 제품 형 AMOLED TV에 적합한 특성을 확보하지 못한 소재와 이 주로 생산됐다. 화학세계 2013. 02
AMOLED 기술 < 대형 AMOLED 패널가격전망 > <LED LCD 패널대비 AMOLED 패널가격비율예상 > [ 그림 8] 대형 AMOLED 패널가격전망및비교 (2011 년 11 월, 디스플레이뱅크인용 ) 5인치이하소형 AMOLED 디스플레이패널시장은스마트폰을중심으로지속적인성장이예상되고 2013 년이후에는휴대폰이외에도다양한어플리케이션으로용도가확장될것으로예상된다. AMOLED 패널은 4~4.5 인치에이르는스마트폰을포함한고급모바일디스플레이를중심으로시장을확대할것으로예상된다. 반면대형 AMOED 패널은평판 TV 패널을주력으로하여 2012 년부터출시가되었으며향후대형 AMOLED TV 시장이확대될것으로예상된다. 글로벌경기악화로인해 2011 년이후에는평판 LCD TV 모듈시장의감소및정체가예상되고 TV용 AMOLED 모듈의평판디스플레이시장내비중은점차확대가예상되고있다. AMOLED 는 8.5 세대생산성이양호하고고부가가치창출이가능한 55인치제품으로진입할것으로예상되어왔고 CES 2013 에서실제로여러기업이 55인치이상의 AMOLED TV를발표하였다. 이후생산성의확대및기술의발전을토대로사이즈를하향전개할것이전망된다. 시장의규모는 2013 년 4.7 억불에서 2015 년에는 20억불까지성장할것으로예상되며초기진입기에 55인치 AMOLED TV를중심으로시장규모를확대할것으로예상된다. 55인치 TV용 AMOLED 패널가격은 LED LCD 패널대비매우높은가격을형성할것으로예상되어왔고현재 1000 만원을넘는가격으로출시되어있다. 그러나 2013 년경부터는 LED LCD 패널대비 1.x 배수준으로하락하여 55인치대형패널기준 1100 달러 (USD) 가넘는가격에서 2015 년 500 달러미만의수준을갖는가격경쟁력을차츰갖추어나갈것으로예상된다. 패널업계는대부분 2012 년이후 AMOLED 패널을양산하기시작했다. CES 2013 을통해 OLED 에대한우수성을입증하였고 LCD 와차별화가가능하다는인식을확산시켰으며특히 OLED TV는 2012 년을기점으로프리미엄시장에서침투속도를가속화하고있다. 해외업체로는일본의소니는 2007 년 Microcavity 발광방식 27인치 AMOLED 를제작하여그색순도가매우우수하고고효율소자를개발하였으나연구라인규모로만생산하여양산화진입에어려움을겪고있고, 대만 AUO 와 CMI 는 AMOLED 에대한투자를적극적으로진행하고있 2013. 02 화학세계 53
기획 꿈과미래를열어가는신산업기술 으나양산화까지는 (a) LG전자시일이필요한상태이며 (b) ETRI 기술적완성도가낮은관계로 (c) LGD 소규모시장을형성하고 (d) 있을 SMD 뿐이다. 그러 [ 그림 9] 투명 AMOLED 시제품나소니 / 도시바 / 히타치의합작회사인 Japan Display 는 AMOLED 의축적된기술력을통해잠재경쟁자로부각될가능성이높다. 4. AMOLED 현재와미래 LCD 의등장은디스플레이시장의팽창을가지고오면서급격한성장을이루었지만, TV 시장에진입하면서신시장의고갈로성장률이감소하고있는상황이다. 반면 AMOLED 는향후대형 TV 시장진입과더불어디스플레이신시장을개척할수있는가능성을지니고있다. 유리기판대신에플라스틱과같은유연한기판위에제작하여더얇고, 더가볍고, 깨지지않는필름형 ( 플렉시블 ) 디스플레이를개발하거나, 투명한화소및구동소자로구현함으로써기존디스플레이가가지고있는공간적 / 시각적제약을확장하고자하는노력이경주되고있으며이에가장적합한기술로 AMOLED 가대두되고있다. 투명전자소자는투명반도체, 투명전극, 투명유전체를기반으로제조된전자소자에관한기술분야이며, 투명전자소자는정보인식, 정보처리, 정보표시의기능을투명한전자기기로구현함으로써기존전자기기의공간적 / 시각적제약을해소할수있다. 이를이용하여스마트창, 고부가가 치유리, 기능성자동차부품 ( 유리, 대쉬보드, 내비게이터등 ), 보안전자기기, 군용전자기기, 게임기, 장난감, 투명 PC, 실내 외쇼윈도우등다양한응용을할수있다. 또한, 의료용, 개인용, 군사용, 차량용, 건축용등다양한응용분야를가지고있어시장잠재력이매우높다고할수있다. 전문가들은투명디스플레이가 2010 년에시장이형성되어 2017 년에는약 300 억달러의규모로성장할것으로전망하였다. 투명디스플레이는기존의반도체및디스플레이인프라를이용하여개발될수있는전자소자이기때문에발전속도가매우빠를것으로예상되고, 향후이에따라소재기술, 소자기술, 부품기술이동시에개발되는것이반드시필요하다. 투명 AMOLED 를구현하는경우에능동구동을담당하고있는 TFT 의투과도가전체디스플레이의투과도에영향을주기때문에투명 TFT 를이용하는것이관건이다. 이러한이유로투명한산화물 TFT 를이용하여투명 AMOLED 를구현하는연구가최근에급속히진행되고있으며이외에도 poly-si TFT 를이용한 AMOLED 중에서발광부를투명하게하고양극의투과도를증가시켜서투명한 AMOLED 를개발하고있다. 이처럼구동부및전극을제외한 OLED 자체의투과도는매우우수하기때문에 AMOLED 를이용한투명디스플레이는매우낙관적이다. 투명디스플레이와더불어미래신시장으로주목하는것은플렉시블 (flexible) 디스플레이이다. 플렉시블 OLED 디스플레이는유연하고가벼운기판으로제작하기때문에휴대하기가편리하여이동성이용이하며, 정보기기로서디자인변형이자유롭고, 외부의충격에도잘깨지지않으며저가격으로인한경제적장점도있어서현재의유기기판기반의 portable 디스플레이를대체할수있다. 플렉시블 OLED 디스플레이에서가장중요한부분은기판이다. 기판은디스플레이의성능, 신뢰성, 가격을결정하는가장중요한부품으로서어떠한종류의기판을적용하느냐에따라응용성에서많은차이를나타낸다. 적용가능한것으로는플라스틱, 얇은유리, 얇은금속막등이있다. 이중에플라스틱재질의기판이플렉시블 OLED 소자의기판으로가장적합할것으로판단된다. 이는플라스틱기 54 화학세계 2013. 02
AMOLED 기술 [ 그림 10] 삼성전자가 CES 2013 에서선보인플렉시블 OLED 디스플레이윰 (YOUM) 판의가벼운무게와유연한특성으로충격에강하고가공이편리하기때문에형태와두께의제약이거의없기때문이다. 하지만낮은봉지특성에의한별도의 barrier 나 passivation 층이필요하고낮은열안정성때문에높은온도를요구하는 TFT 공정을할수없는단점도가지고있다. 이러한단점을극복하기위해고성능플라스틱기판소재기술, TFT 저온공정기술, 박막봉지기술에초점을맞춘연구개발이중점적으로이루어졌으며최근이러한연구성과를종합하여상용화가능한플렉시블 OLED 디스플레이를삼성전자에서발표한바있다. 우리는삼성전자가 CES 2013 에서발표한윰 (YOUM) 을통해가까운미래의디스플레이를접할수있다. (CES2013 삼성플렉시블디스플레이 Youm 동영상참고 ). 출처 1. 2012.4.26 우리투자증권 OLED 산업전망 2. 2011.10. Displaybank, AMOLED Technology Analysis & Market Forecast 3. 박정수, 전우식, 권장혁, 차세대 AMOLED 장비기술동향 4. Displaybank, AMOLED 시장자료 2013. 02 화학세계 55