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 OLED 의효율은급속히향상되어 2006 년 100 lm/w 이상의녹색소자가발표되었으며최근 100 lm/w 이상의백색소자가발표되고있어조명용광원으로서의응용가능성이증가하고있다 ( 그림 1). 또한에너지및환경의중요성이대두되며기존의조명이고체조명으로점차대체될것으로예상됨에따라 OLED 조명은점점더중요해지고있다. 몇몇주요조명회사는이미 OLED 조명생산을계획하고있다. 따라서본칼럼을통하여 OLED 조명기술현황및발전방향을살펴보고자한다. [ 그림 1] OLED 기술의발전방향 2. 디스플레이와조명 OLED 의주요응용분야는디스플레이와조명이다 ( 그림 2). OLED 를이용하여 PMOLED (Passive Matrix OLED) 혹은 AMOLED (Active Matrix OLED) 와같은디스플레이를구현할경우에는미세하며정밀한화소패턴을필요로한다. 또한 AMOLED 의경우화소구동용 TFT (Thin Film Transistor) 를필요로한다. 따라서 OLED 를디스플레이로응용할경우에는공정이복잡하며대형투자를필요로한다. 반면, 조명용 OLED 는구조가단순하여미세하고정밀한패턴이필요없으며대형투자를필요로하는 TFT 와같은구동소자또한필요없기때문에공정이간단하고대형투자를필요로하지않는다. 따라서 OLED 조명은중소기업에서도생산투자를진행할수있는기술영역이다.
[ 그림 2] OLED 디스플레이와조명 OLED 디스플레이와조명은공통적인기술요소가있고, 디스플레이와조명각각의특징적요소가있다. 공통적인기술항목으로는변환효율 ( 전류가빛으로변환되는비율 ) 및전력효율 ( 입력전력에대한출광량 ), 안정성, 수명, 제조가격등이있으며 ( 그림 2), OLED 디스플레이만의기술항목은미세화소패턴형성, 콘트라스트, 해상도, 색재현능력등이있다. OLED 조명만의기술항목은연색지수 (CRI, Color Rendering Index), 대면적발광, 전체전력효율등이있다. 특히색상의구현능력을나타내는연색지수가낮으면색이분명하지않고눈에피로를많이주기때문에, 연색지수는효율및수명과더불어 OLED 조명에있어서가장중요한요소로간주되고있다 ( 그림 3). 또한 OLED 디스플레이를위한전력효율과 OLED 조명을위한효율은차이가나는것으로알려져있다. OLED 디스플레이는주로정면효율이중요한반면 OLED 조명을위한전력효율은정면뿐아니라측면방향의빛도이용하므로전체효율이중요하다. [ 그림 4] 연색지수에따른색재현능력차이 3. OLED 조명과백색 OLED
조명은다양한색을필요로하기때문에조명용 OLED 는항상백색을필요로하는것은아니지만백열등, 형광등과같은일반조명이백색이기때문에백색 OLED 가조명용광원으로가장널리이용될것으로예측되고있다. 따라서백색 OLED 에대한연구개발은해마다증가하는추세를보이고있다. 조명용백색 OLED 는고휘도의구현이가능하며, 효율, 수명, 연색지수가개선되고있다. 또한초박형, 다차원, 색가변, 투명조명, 구동전압등많은장점이있는것으로알려져있다 ( 표 1) [ 표 1] 조명용백색 OLED 의특징 백색 OLED 를조명에응용하기위해가장중요한요구조건의하나는전력효율이다. 기존의백열등은전력효율이 9~17 lm/w 이며형광등은 60~110 lm/w 이기때문에에너지효율이낮은백열등을 OLED 조명으로대체할수 있지만, 형광등의대체를위해선최소 50~100 lm/w 이상은되어야한다 ( 그림 5).
[ 그림 5] 백열등및형광등의종류및사양 백색 OLED 의효율은해마다개선되고있다 ( 그림 6). 2000 년초반까지만해도약 5 lm/w 의백색 OLED 가보고되었으나 2000 년중반에는약 10 lm/w 의효율이보고되었으며, 이후효율이급속히개선되어현재 100 lm/w 이상의백색 OLED 가보고되고있다. 미국의 DOE (Department of Energy) 는 150 lm/w 의효율을 2015 년달성목표로제시하고있다. 백색 OLED 의효율이형광등의효율을넘어섬에따라주요조명회사는백색 OLED 조명시험생산을위한투자를진행하고있으며대량생산계획또한발표하고있다. [ 그림 6] 연도에따른백색 OLED 전력효율향상 백색 OLED 조명의상용화를위해선전력효율, 면적당휘도, 수명, 연색지수, 색온도, 색좌표, 가격등이중요한기술사양이며, 이를위한핵심기술로대면적화기술, 소자및소재기술, 패키징기술, 등기구관련기술및구동기술등이필요한것으로알려져있다 ( 그림 7). 다음주에는이러한백색 OLED 조명핵심기술에대하여살펴보겠다.
[ 그림 7] OLED 조명기술사양및핵심기술 OLED 조명기술현황및전망 (2) 순천향대학교디스플레이신소재공학과 문대규 1. 백색 OLED 조명핵심기술 지난주에 OLED 기술의발전방향및 OLED 의중요한기술분야인디스플레이와조명기술의차이점에대하여살펴보았으며, 조명용백색 OLED 의특징및기술발전현황등에대하여살펴보았다. 이번주에는백색 OLED 조명핵심기술에대하여살펴보겠다. OLED 내에서발생한빛은양극과음극의어느한쪽을통하여바깥으로방출된다. 일반적으로는투명한도전체인 ITO 를양극으로이용하여소자내에서생성된빛이 ITO 를통과하여방출되도록한다. ITO 는가시광선영역에서광투과도가 80~90% 이상으로좋지만전기비저항이 10-4 Ωcm 이상으로큰단점이있다. 따라서 ITO 를양극으로사용할경우전극에서멀어질수록전압강하가심하게일어난다 ( 그림 1).
[ 그림 1] OLED 에서전류및휘도공간분포 (Siemens, 2005) 따라서 ITO 의면적이클경우, 즉대면적면광원을제조할경우전압강하에의해휘도가불균일해진다. 이러한휘도불균일을감소시키기위해타일구조및보조배선전극을형성하는구조가일반적으로이용되고있다. ( 그림 2). 타일구조는필요시광원서브모듈을교체할수있는구조로주로개발되고있다. 보조배선의구조는면광원서브모듈혹은면광원대형화에중요하지만제조공정을복잡하게한다. 주요조명관련기업은다양한보조배선구조를제안하고있으며, 보조배선공정을단순화하기위한연구개발또한활발히진행되고있다. [ 그림 2] 타일구조의 OLED 면광원및보조배선구조예시 (GE) 2005 년미국의 DOE (Department of Energy) 는백색 OLED 조명의효율향상을위해효율을감소시키는요인을 분석하고각효율손실을최소하기위한개발전략을마련하였다 ( 그림 3). 2005 년 OLED 조명기기의전체 효율은약 4% 였다. OLED 조명은구동회로및 OLED 소자및등기구로구성되어있다. 2005 년 OLED 조명
구동회로에의한손실은약 15% 였으며, OLED 소자로인한효율손실은약 94% 였고, 등기구에의한손실은약 30% 였다. 따라서 OLED 소자가 OLED 조명기기의효율에결정적인역할을하였다. OLED 소자의효율은전극에의한저항손실 (resistive loss), 내부양자효율 (Internal Quantum efficiency), 광추출효율 (Extraction efficiency), 전력효율 (Power efficiency) 및광산란에의해결정된다. 특히, 형광 OLED 는내부양자효율이 25% 로낮고, OLED 의광추출효율또한 30% 로낮기때문에 OLED 소자의효율이 6% 로제한되었다. DOE 는이러한분석을바탕으로 OLED 조명구동효율을 90% 로, OLED 소자효율을 70% 로, 등기구효율을 90% 로개발목표를설정하였다. 특히, OLED 소자의내부양자효율을 100% 로, 광추출효율을 80% 로, 전력변환효율을 80% 로개발목표를설정하였다. 인광 OLED 를통하여 OLED 소자의내부양자효율목표는이미달성되고있다. 인광 OLED 는내부양자효율이 100% 로높아형광 OLED 에비해효율이 4배높다. 청색인광재료와녹색, 적색인광재료를사용하여백색인광 OLED 를구현한다. 이러한인광재료를이용하여내부양자효율이 100% 에가까운백색소자가발표되고있다. 하지만이러한발전에도불구하고청색인광재료로주로사용되는 FIrpic, FIr6 등의수명이짧은단점이있어이러한단점을극복하기위한연구가활발히진행되고있다. [ 그림 3] 백색 OLED 조명에서효율분석및효율목표설정 (US DOE, 2005) 청색인광재료의짧은수명을보완하기위해새로운재료의개발, 하이브리드백색 OLED 개발등이진행되고있다. 표 1에서보는것처럼 FIrpic 은수명이짧으나새로운청색재료는 300 cd/m2 의초기휘도에서약 16000 시간을보이고있다. 이재료는 1000 cd/m2 에서약 10,000 시간의수명을보여백색 OLED 조명의가능성을높이고있다. [ 표 1] 청색인광재료에따른특성 (Konica Minolta, 2008)
새로운청색인광재료의개발과더불어하이브리드백색 OLED 소자개발또한활발히진행되고있다. 하이브리드백색 OLED 는청색형광재료를이용하는기술로, 청색형광재료와적색, 녹색인광재료를혼합하여사용하면내부양자효율 100% 의구현이가능함과동시에청색형광재료의수명이긴장점을이용할수있다 ( 그림 4). 청색형광재료는이미디스플레이에상용화되어사용되고있으므로이러한하이브리드백색 OLED 를이용하면상용화수준의백색 OLED 조명이가능하다. [ 그림 4] 하이브리드백색 OLED 및발광스펙트럼 (Princeton Univ. 2006) 그림 3에서설명한바와같이광추출효율은 OLED 소자의효율에결정적인영향을미친다. OLED 는유리기판위에양극인 ITO, 유기재료, 음극인금속으로구성되기때문에유기재료내에서생성된빛은금속에서반사되기도하며, ITO 및유리기판을통과할때굴절되며광손실이생긴다. 유기물내에서생성된빛이소자밖으로빠져나오는비율은 20~30% 로알려져있다 ( 그림 3). 따라서광추출효율을개선하기많은노력이진행되고있다. 광추출효율은유기물및 ITO 의두께등에영향을받으므로 OLED 소자구조를개선하여광추출효율을개선하려는연구, 마이크로렌즈혹은표면굴곡등을통하여광추출효율을개선하려는연구 ( 그림 5) 등다양한방향으로연구개발이진행되고있다.
[ 그림 5] 마이크로렌즈를통한 OLED 광추출효율향상 (OLLA, 2005) OLED 조명은디스플레이와달리정면으로향하는빛과측면으로향하는빛을모두이용할수있다 ( 그림 6). 그일례로그림 6에서와같이측면으로향하는빛을등기구를통하여앞으로향하게할수있다. 따라서광효율향상을위한등기구설계는 OLED 조명효율향상에중요한기술이된다. 등기구설계와더불어 OLED 조명구동기술또한중요한기술로인식되고있다. 앞에서설명한바와같이 OLED 조명은타일형태로제작되기때문에타일서브모듈구동기술, 각서브모듈휘도균일도향상기술등과같은기술이있다. [ 그림 5] 등기구를이용한백색 OLED 조명효율향상 오스람, 필립스, GE 와같은주요조명회사는대면적기술, 백색 OLED 소자기술, 등기구기술, 구동기술등의 OLED 조명기술을개발하고있다. 또한미국, 유럽및일본정부는 OLED 조명상용화를위한로드맵을마련하여 OLED 조명조기상용화를위한각종지원정책을시행하고있다. 다음주에는각국의현황, 세계주요조명기업의연구개발및상용화계획에대하여살펴보겠다. OLED 조명기술현황및전망 (3) 순천향대학교디스플레이신소재공학과 문대규 1. 국가별 OLED 조명프로젝트현황
지난주에는백색 OLED 조명의핵심기술인대면적화기술, OLED 소재및소자기술, 외광효율향상기술, 등기구기술등에대하여살펴보았다. 이번주에는국가별 OLED 조명연구개발현황에대하여살펴보겠다. OLED 조명은미국, 유럽, 일본의선진국을중심으로연구개발이진행되고있다. 일반조명업체인필립스, 오스람, GE 등이연구개발을주도하고있다. 미국은 DOE (Department of Energy) 의적극적인지원하에서 Solid State Lighting 프로젝트를통하여 OLED 조명을개발하고있다. 1999 년부터시작하였으며 2020 년까지 200 lm/w 이상의효율을목표로연구개발을진행하고있다. 주요목표는휘도 1000 cd/m2 에서 20,000 시간이상의수명및 200 lm/w 이상의전력효율을갖는 OLED 조명을개발하는것으로되어있으며, 오스람및 GE 등의주요조명회사및 UDC (Universal Display Corporation) 등의 OLED 재료 / 소자기업도같이참여하고있다. [ 그림 1] 미국, 유럽, 일본및한국의 OLED 조명관련프로젝트 ( 생산기술원, 2009) 유럽은 2004 년부터 OLED 조명프로젝트를시작하여 1단계프로젝트인 OLLA (Organic LEDs for ICT & Lighting Applications) 프로젝트를마치고후속프로젝트로 OLED100 프로젝트를진행하고있다. OLED100 프로젝트는 2013 년 8월까지진행될예정에있으며 120 lm/w, 1000 cd/m2 의휘도에서수명 50,000 시간을목표로하고있으며, 1m x 1m 의면적에서 100 lm/w 의효율및수명 100,000 시간, 가격 100 유로및측정표준화를생산기술개발목표로설정하고있다. OLED100 프로젝트에는필립스, 오스람, 지멘스등의대형조명회사가참여하고있다. 일본은 2004 년부터 NEDO 주관으로 21 세기조명프로젝트를진행하고있다. 21 세기조명프로젝트는 2011 년까지 1m x 1m 크기의조명, tact time 1 분을목표로진행하고있으며, 미쓰비시, IMES 등이참여하고있다. 우리나라는 2006 년부터지식경제부지원으로 OLED 조명프로젝트를진행하고있으며, 생산기술원을중심으로 2013 년효율 100 lm/w 달성을목표로프로젝트를진행하고있다. 1 단계를마치고현재 2단계를진행하고있다. LG 전자등이프로젝트에참여하고있으며최근에는 ETRI 를중심으로 SMD 등이참여하는별도의 OLED 조명프로젝트를시작하였다. 2. OLED 조명개발목표및마일스톤
미국및유럽의조명개발프로젝트에는수명, 연색지수, 전력효율, 구동전압, 가격등에대한마일스톤이제시되어있다. 미국은 2017 년까지수명 20,000 시간, 연색지수 98, 전력효율 100 lm/w 이상, 구동전압 4 V 등의마일스톤을제시하고있으며, 유럽은 2013 년까지수명 50,000 시간 ( 실용화 100,000 시간 ), 연색지수 90, 전력효율 120 lm/w ( 실용화 100 lm/w) 등의마일스톤을제시하고있다. [ 표 ] 미국및유럽의 OLED 조명개발목표및마일스톤 3. OLED 조명개발현황 대표적인조명업체인 GE 는 2000 년초반부터 OLED 조명기술을개발하기시작하여초기의약 5 lm/w 이하의효율을발표하였다. GE 는 2005 년 15 lm/w 의효율을갖는 61 cm x 61 cm 의면조명을발표하였으며, 2008 년에는 Flexible OLED 조명을발표하였다. GE 는청색 OLED 및 Down Conversion Layer 를이용하여백색을구현하는방식을개발하였다. GE 는 2010~2011 년경에 OLED 조명양산을목표로하고있다.
[ 그림 2] GE 의 OLED 조명연구개발현황 ( 생산기술원, 2009) 유럽의대표적인업체인필립스는 OLED 조명개발에가장적극적이다. 필립스는 OLLA 프로젝트를주도하며고분자및저분자를이용하는다양한방식의 OLED 조명을개발하여왔다. 그일례로필립스는형광 OLED 를이용하고녹색및적색인광 OLED 를이용하여백색을구현하는하이브리드방식을개발하여발표하였으며, 마이크로렌즈등을이용하여전체효율 50~80 lm/w 를구현하고있으며, 최근투명백색 OLED 를개발하여발표하였다. 필립스는 2010 년조명시제품생산을목표로하고있다. [ 그림 2] 필립스의 OLED 조명연구개발현황 미국의 UDC 는조명프로젝트를통하여 102 lm/w 의백색 OLED 조명기술을개발하여발표하였다. UDC 는자사의인광청색, 녹색, 적색도판트를이용하였다. 인광적색도판트를정공수송층에도핑하고, 인광청색및녹색도판트를발광층에도핑하는구조를이용하였다. 개발된백색 OLED 의연색지수는 70, 색좌표는 (0.41, 0.46) 혹은 (0.48, 0.46) 이었으며, 소자의색온도는 3900 및 2800 K 로백열등의특성과유사하였다. 소자의효율은 1000 cd/m2 에서 100 lm/w 이상을나타내었으며, 구동전압은 3.5V 였다.
[ 그림 3] UDC 의백색 OLED 특성 (UDC, 2008) 독일의 Novaled 는자사의 pin OLED 기술을이용하여백색 OLED 를개발하고있다. 2008 년에 35 lm/w 의효율을 갖는 Stack 구조의백색 OLED 를발표하였다. Novaled 는소자의수명을 100,000 시간으로예측하고있다. [ 그림 4] Novaled 에서개발한스택구조백색 OLED (Novaled, 2008) 일본의파나소닉은청색형광층을이용하고적색및백색인광재료를이용하여연색지수 85, 색좌표 (0.38, 0.40), 효율 28 lm/w, 수명 20,000 시간의백색 OLED 를개발하였으며이를이용하여밑의그림과같은 OLED 램프를 제작하여전시하였다.
[ 그림 5] 일본파나소닉에서개발한 OLED 조명 ( 파나소닉, 2008)/span> 이밖에도오스람이 OLED 조명연구개발을활발히진행중에있으며, 2011~2012 년경에 OLED 조명양산을계획하고있으며, 일본의 Lumiotec 및코니카미놀타또한 2011 년경에 OLED 조명양산을계획하고있다. 우리나라또한최근에 OLED 조명연구개발이활발해지고있다. SMD 는 PMOLED 라인을이용하여 OLED 조명을개발하고있으며네오뷰코오롱또한 PMOLED 라인을이용하여 OLED 조명을개발하고있다. 국내의조명업체인금호전기또한 OLED 조명개발에참여하고있다. 4. 결론 최근녹색성장및에너지산업의신성장동력화가가속되며조명산업또한기존의가스조명을바탕으로한전통산업에서고체조명을바탕으로한신성장동력산업으로진보하고있다. 특히, OLED 조명은 OLED 가가진풍부한장점으로인하여멀지않은미래에성장동력산업으로자리를잡을것으로기대된다. 최근들어백색 OLED 의효율및수명이상용화가가능한수준으로급격히향상됨에따라제조가격이가장중요한이슈가되고있다. OLED 조명의본격양산을준비하기위한다양한저가격생산기술개발노력이필요한때이다.