유기발광다이오드 (OLED) 의 기술개발동향
머리말 액정표시장치 (LCD) 에이어차세대디스플레이로많은기대를모으고있는유기발광다이오드 (OLED) 가빠른응답속도, 낮은구동전압, 넓은시야각, 저소비전력, 높은발광효율, 경량, 박형등많은장점을바탕으로새로운시대를예고하고있습니다. 그간우리보다앞서출발한미국, 독일, 일본, 대만등도 AMOLED 대량생산을위해부단한노력을해왔으나기술적한계로성공하지못하였습니다. 그러나우리나라의삼성SDI사와 LG필립스 LCD사의최근기술개발사례는 LCD 디스플레이에이어 OLED 디스플레이에서도세계시장을주도해나갈것을의미하며, 이들회사는세계최초로 AMOLED 생산공장을완성하여금년말부터대량생산및공급이가능하게되었습니다. 이 유기발광다이오드 (OLED) 의기술개발동향 보고서는 OLED에대한국내 외기술현황, 시장현황, 특허현황등을면밀히분석검토한것으로, 향후이분야의기술전략, 시장전략수립및차별화에기여할수있기를기대합니다. 이보고서는과학기술부의과학기술진흥기금출연사업으로저희한국과학기술정보연구원이수행하고있는원로과학기술인활용지원사업의일환으로오희갑전문연구위원과박로학전문연구위원이함께집필한것입니다. 필자의노고에감사드리며본고에서주장하는내용은필자의사견일뿐저희연구원의공식견해가아님을밝혀둡니다. 2006년 11월한국과학기술정보연구원 원 장
i 목차 제 1 장서론 1 1. 연구의필요성과목적 1 제 2 장기술의개요 3 1. 유기발광다이오드의개요 3 2. OLED 구조 5 3. OLED의작동원리 6 가. 작동원리 6 나. OLED의발광메카니즘 7 다. 엑시톤의형성 8 라. 발광효율 9 제 3 장기술개발동향분석 11 1. OLED의종류별특성및기술개발동향 11 가. Passive Matrix OLED(PMOLED) 11 나. Active Matrix OLED(AMOLED) 12 다. Transparent OLED(TOLED) 15 라. Foldable OLED & Flexible OLED 16
ii 마. White OLED 17 2. 발광재료의기술동향 17 가. 저분자발광소재 19 나. 고분자발광소재 26 3. 전하수송재료의기술동향 27 가. 정공주입재료 27 나. 정공수송재료 28 다. 전자수송재료 29 라. 전자주입재료 32 4. OLED소자제조공정기술 33 가. 풀컬러 (Full color) 화기술 33 나. TFT back plane 기술 38 다. 장수명화기술 39 라. 양산화기술 39 5. 유기박막트랜지스터 (OTFT) 의기술개발동향 42 가. 연구동향 42 나. OTFT의구조 44 다. OTFT 전기적특성 45 라. 유기박막성막공정 46 제 4 장핵심기술개발동향 48 1. 발광효율향상을위한 OLED 소재기술 48 가. 양극의조건 48
iii 나. 음극의조건 48 다. 유기박막의조건 49 라. 멀티포톤 (multiphoton) 소자개발 51 2. 가공기술 52 가. 봉지기술 52 나. 유기박막형성기술 52 3. 풀컬러 (Full color) 화기술 53 4. 구동소자기술 54 5. 플렉시블 (Flexible) 디스플레이기술 58 제 5 장시장동향분석 60 1. 국내 외시장현황 60 가. 세계시장현황 60 나. 국내시장현황 64 다. OLED 응용사례 65 2. 국내 외업체상품화현황 65 가. 국외현황 65 나. 국내현황 66 3. OLED 상품화전망과우리의역할 68 가. 요소기술은확립되었다 69 나. OLED의향후과제 71 다. 엔지니어링기술과우리의역활 74
iv 제 6 장기술정보 ( 특허 ) 분석 79 1. 분석의범위및검색방법 79 2. 한국특허분석 80 가. 국가별, 연도별현황 80 나. 연도별, 요소기술별현황 81 다. 연도별, 기술내용별현황 83 라. 주요출원인별현황 84 3. 일본특허분석 85 가. 국가별, 특허건수비율 85 나. 국가별, 연도별현황 86 다. 연도별, 요소기술별현황 88 라. 주요출원인별현황 89 제 7 장결론 91 참고문헌 93 표목차 < 표 5-1> LCD와 OLED 세계시장전망 61 < 표 5-2> 년도별세계 OLED 시장예측 61 < 표 5-3> 응용분야별 OLED 세계시장전망 63 < 표 5-4> 주요메이커별생산현황 63 < 표 5-5> 국가별생산량 63 < 표 5-6> OLED 국내시장동향 64 < 표 5-7> 국내 OLED 수출전망 64 < 표 6-1> 국가별연도별현황 80
v < 표 6-2> 연도별요소기술현황 82 < 표 6-3> 연도별기술내용별현황 83 < 표 6-4> 주요출원인별현황 84 < 표 6-5> 국가별특허건수비율 86 < 표 6-6> 국가별연도별현황 87 < 표 6-7> 연도별요소기술별현황 88 < 표 6-8> 주요출원인별현황 89 그림목차 < 그림 2-1> 유기발광다이오드구조 6 < 그림 2-2> OLED 발광메카니즘 7 < 그림 2-3> 엑시톤에너지의전자스핀배치도 8 < 그림 2-4> 형광및인광메카니즘 9 < 그림 2-5> OLED의발광과정과발광효율 10 < 그림 3-1> PMOLED의구조 12 < 그림 3-2> Top Emission AMOLED 단면 14 < 그림 3-3> 전자와홀의이동및발광 18 < 그림 3-4> SMOLED와 POLED의구조 19 < 그림 3-5> 대표적인형광호스트재료 21 < 그림 3-6> 대표적인형광재료 21 < 그림 3-7> 대표적인인광발광재료 23 < 그림 3-8> 청색발광재료 24 < 그림 3-9> 적색발광재료 25 < 그림 3-10> 고분자발광재료 27 < 그림 3-11> 대표적인정공주입재료 28 < 그림 3-12> 정공수송재료 29 < 그림 3-13> 전자수송재료 32 < 그림 3-14> 전자주입재료 33 < 그림 3-15> RGB와 RGBW 픽셀 (pixel) 구조비교 35 < 그림 3-16> 색변환방식 OLED 36 < 그림 3-17> 색변환방식에서파장변환과정 37 < 그림 3-18> 색변환 Top Emission 구조 OLED 38 < 그림 3-19> OTFT의구조 45
vi < 그림 3-20> 펜타센박막성막과정 47 < 그림 4-1> 전극주변의펜타센박막 AFM 사진 58 < 그림 5-1> PMOLED display 65 < 그림 5-2> AMOLED display 65 < 그림 6-1> 국가별연도별현황 81 < 그림 6-2> 연도별요소기술현황 82 < 그림 6-3> 연도별기술내용별현황 83 < 그림 6-4> 주요출원인별현황 85 < 그림 6-5> 국가별특허건수비율 86 < 그림 6-6> 국가별연도별현황 87 < 그림 6-7> 연도별요소기술별현황 88 < 그림 6-8> 주요출원인별현황 90
제 1 장서론 1 제 1 장 서 론 1. 연구의필요성과목적 유기발광다이오드 (OLED) 는응답속도가 TFT-LCD 에비해 1000배이상빠르고자체발광시스템이기때문에백라이트가필요없어무게를 TFT- LCD의 3분의 1로줄일수있을뿐만아니라박막, 플라스틱기판을이용한유연성, 180도의광시야각, 저소비전력, 간단한제조공정등우수한특성과저렴한생산공정으로 LCD, PDP에이어가장유망한차세대디스플레이로각광받고있다. 그러나아직도발광재료의수명연장, 대형화, Full color화등에서해결해야할기술문제들이많아이를둘러싼국가간, 기업간경쟁이치열하게전개되고있으며한국, 일본, 대만, 중국의각축전이전개되고있다. OLED 시장은휴대폰에적용하면서급속히성장하여 2003년에 3억달러, 2004년에 4.8억달러, 2005년에 6억달러로매년 50~60% 의고도성장을하고있으며 2011년에는 30억달러에이를것으로전망하고있다. 우리나라는유기발광체등원천기술에서는일본, 미국등선진국에뒤져있으나제조공정기술, 상품화기술면에서우위를확보하고있어 2005년세계시장점유율에서한국 53%, 대만 34%, 일본 18% 로 TFT-LCD, PDP
2 유기발광다이오드의기술개발동향 에이어 OLED 에서도한국이세계시장을주도하고있다. 지금까지는 PMOLED 가 OLED 시장을주도해왔으나 2006년부터 AMOLED 로급속히전환되고있으며중대형 TV에적용될것으로예상되는 2~3 년후에는디스플레이전체시장의재편성이불가피하다.
제 2 장기술의개요 3 제 2 장 기술의개요 1. 유기발광다이오드 (OLED) 의개요 OLED 디스플레이는 p-n 접합을형성하는유기박막층을이용하여양극으로부터주입된정공 (hole) 과음극으로부터주입된전자가결합하여빛을내는차세대디스플레이이다. OLED는 1963년 Pope에의해유기물인안트라센 (anthracene) 단결정에서처음발견한이래 1987년 Kodak사의 C.W. Tang이저분자유기재료를이용하여 50nm 두께의진공증착막을 2층적층한구조의고휘도, 고효율소자를만들면서부터본격적인상품화를위한연구개발이시작되었다. 당초소자의수명이수십시간으로짧은것이가장해결하기어려운과제였으나최근 1만시간달성의연구결과가속속발표되고있다. 일본 Sumitomo화학공업은 2003년 6월에고분자 OLED용으로수명이 10,000시간인청색발광재료를개발했으며유니버셜디스플레이 (Universal Display) 사는 2005년 7월 15,000시간의동작수명을가진청색인광재료를개발하여그간 OLED의어려운문제점중하나인수명문제도곧해결할수있을것으로전망된다. OLED는자체발광이므로 LCD에서와같은백라이트가필요하지않아
4 유기발광다이오드의기술개발동향 TFT-LCD에비해무계를 1/3으로줄일수있고박막화가가능하며 OLED 에서는패널전체가아니라필요한픽셀에서만빛을발할수있기때문에전력소모가 LCD의 1/5수준이고 15V이하에서도구동이가능하다. 또응답속도가 LCD에비해 1,000배이고고휘도, 광시야각, 표면색상에서 LCD에비해우수하며온도내성 (-30 ~80 ) 이좋고단단하거나, 유연하거나상관없이어떤기판에도제조가가능하다. 그간휴대폰등에적용되고있는저분자형 PMOLED는회로가외장형이기때문에제조공정이비교적간단하여대량생산에는유리하나고해상도 (high resolution) 를얻지못하여컴퓨터모니터, TV, 전자광고판과같은큰스크린에는적용이어려웠다. 이를해결하기위한대안으로 1999년부터 AMOLED 개발에착수하여실용화단계에와있으며삼성SDI에서는 2007년에중대형 OLED가, 2008년에는대형 OLED가상용화계획으로있으며제품수명도 5만시간이상으로향상되어기존 TFT-LCD와본격적인시장경쟁이시작될것으로전망된다. OLED는발광층에사용되는재료에따라크게저분자 OLED와고분자 OLED로구분할수있다. 대표적인유기저분자물질은 1987년 KODAK 사에서발표한녹색발광재료인 Tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum(Alq 3 ) 이며대표적인고분자재료로는 1990년 Cambridge 대학에서발표한 Poly (P-phenylene vinylene)(ppv) 이다. 저분자유기물질은용매에난용성이기때문에진공증착에의한코팅을하는반면고분자경우는수용성으로 spin splay 나 ink jet printing, 레이져전사법등으로상온에서작업이가능한것이특징이다. 28) 화소 (pixel) 의구성및구동방법에따라수동행열 (passive-matrix) 와능동행렬 (active matrix) OLED로구분한다. 수동형매트릭스 OLED(PMOLED)
제 2 장기술의개요 5 디스플레이에서는각픽셀은양극과음극커넥터의교차에의해구성된간단한구조로제조단가가낮은것이장점이나고전력소비손실을가지고있어제한된픽셀수만을제작할수있다. 능동형매트릭스 OLED는기판으로서통합된백플레인 (back plane) 으로구성되며이백플레인은박막트랜지스터와커패시터로구성된다. 능동매트릭스 OLED 디스플레이에서각각의픽셀을박막트랜지스터와커패시터를통해각각어드레스할수있으며고분해능, 저소비전력, 통합드라이버등과같은장점이있다. 2. OLED 구조 OLED의일반적인구조는유리와같은투명기판에투명한 ITO(indium Tin Oxide) 양극층을형성하고그위에수송능력이다른여러유기물의다층박막과 Mg-Ag 합금의음극을순차적으로형성한구조이다. 다층박막은양극쪽에서부터 C o 와 G a 의금속착염을함유한정공주입층 (HIL : Hol Injection Layer), 정공수송층 (HTL:Hol Transport Layer), 발광층 (EML : Emitting Layer), Al-Poly(p-phenylene vinylene) 과같은전자수송층 (ETL : Electron Transport Layer) 로구성되며이유기박막은 100nm 정도로 < 그림 2-1> 과같다. 양극은발광층에서발생한빛이외부로나갈수있도록 ITO와같은투명전극을사용하고있다. OLED는전하주입형발광소자이기때문에각계면간전하주입효율이소자의성능에가장큰영향을주는요인이다. 또한양극과정공전달층사이에정공주입층 (PEDOT : PSS 또는 C u -PC) 을추가하여정공의주입에너지장벽을낮추고음극과전자전달층사이에 0.5~1 나노미터정도의 L i F, L i O, C s F 등과같은전자주입층을삽입하여
6 유기발광다이오드의기술개발동향 전자주입을향상시켜발광효율을향상시킨다. < 그림 2-1> 유기발광다이오드구조 유리기판 음극전자주입층전자수송층 발광층 정공수송층 정공주입층 양극 정공수송층은양극으로부터정공주입이쉽게하기위하여이온화포텐셜 이작은전자공여성분자가사용되며주로트리페닐아민을기본골격으로 한디아민, 트리아민, 테트라아민유도체가사용된다. 발광층은주입된전자와정공의재결합으로적, 청, 녹색의빛을내는층 으로발광층내의결합에너지에따라스펙트럼이결정된다. 따라서발광 색은발광층형성재료에따라결정된다. 전자수송층은음극으로부터공급받은전자를발광층으로원활히수송하고발광층에서결합하지못한정공의이동을억제하여발광층내의재결합기회를증가시키는층으로전자친화성, 음극전극과의접착성이우수해야한다. 3. OLED 의작동원리 가. 작동원리 두전극사이에전압이인가되면정공은양극으로부터, 전자는음극으로부 터주입되고이들은각각정공수송, 전자수송층을따라발광층에도달하
제 2 장기술의개요 7 면전자와정공이만나여기상태의엑시톤 (excition) 을형성한다. 이엑시톤의발광재결합에의해빛을얻게되고기저상태 (ground state) 가된다. 이때발광파장은엑세톤의에너지즉 HOMO-LUMO 사이의에너지차에의해결정되며생성된빛은투명한전극 ( 양극 ) 쪽으로방출된다. 나. OLED 의발광메커니즘 OLED 발광은양극에서주입된정공과음극에서주입된전자의재결합에의해발광이일어나는현상이며 OLED 소자내에서발광과정은다음단계를거친다. (1) 양극과음극전극에서유기층으로캐리어 ( 정공또는전자 ) 의주입과정 (2) 이들캐리어는전자는음극에서전도대로, 정공은양극에서가전대로주입됨. < 그림 2-2> OLED 발광메커니즘 10) HIL EML EML HIL ETL EIL metal ITO Excition *HIL:Hole Injection Layer *HIL:Hole Injection Layer *EML:Emitting Layer *ETL:Election Transfer Layer *EIL:Election Injection Layer
8 유기발광다이오드의기술개발동향 (3) 주입된전자와정공이발광층내에서전자-격자상호작용 (electronlatticed interaction) 으로음성및양성폴라론 (polaron) 을생성하고이생성된폴라론들은유기물에가해진전기장하에서분자의사슬을따라반대전극으로이동한다. 이들이동폴라론이발광체내어느한부분에서만나재결합하여일중항폴라론엑시톤 (single polaron excition) 을형성한다. (4) 이들엑시톤이발광소멸하게되면폴라론과엑시톤의에너지차에해당하는빛이발생한다. 다. 엑시톤의형성 OLED에서발광은양쪽전극에서주입된전자와전공의재결합에의한것이다. 스핀 S=1/2인전자와정공이발광층에서엑시톤을형성할때두스핀이대칭으로배열 S=1인삼중항상태 (triplet exciton) 와두스핀이반대칭으로배열하는 S=0인일중항 (singlet exciton) 이 3:1 비율로생성된다. 일반적인유기물의경우삼중항상태에서는발광하지않는다. 양자역학 < 그림 2-3> 엑시톤에너지의전자스핀배치도 2) < 그림 2-4> 형광및인광메카니즘 2) S=1, Ms=+1 S=0, Ms=0 일중항 S=1, Ms=0 S=1, Ms=-1 (a) 일중항 (b) 삼중항
제 2 장기술의개요 9 < 그림 2-4> 형광및인광메카이니즘 2) Excite state Singlet state ISC Triplet state Phosphorescence Ground state 적선택룰 (selection rule) 에의해일중항엑시톤은빛을내며바닥상태로천이한다. 이것을형광이라한다. 따라서이론적인 OLED 소자의내부양자효율은최고 25% 이다. 삼중항엑시톤생성은일중항엑시톤에서 ISC(intersystem crossing) 에 의해형성되는것이가능하며더높이여기된일중항엑시톤상태에서두개의삼중항엑시톤으로분열되는과정을통해서도생성될수있다. 2) 라. 발광효율 OLED의발광효율은 < 그림 2-5> 에서와같이재결합사이트에도달하는전자와홀의주입, 수송비율 ( ), 재결합에의한엑시톤생성효율 ( ) 여기상태로부터내부발광양자수율 ( ), 광투과효율 ( ) 등 4인자의적으로계산한다. OLED 의최대발광효율을얻기위하여는 4개의인자각각이 100% 의값을유지해야한다. 여기에서 은 p-n 접합의적층구조를형성함으로써, 는내부발광수율이높은재료를사용함으로써 100% 에가까운값을얻을수있다. OLED의효율향상에서가장어려운점은엑시톤생성효율 ( ) 을향상시
10 유기발광다이오드의기술개발동향 키는일이다. 전자와홀이재결합할때분자내외로부터큰영향이없는한일중항여기상태와 3중항여기상태가 1:3의비율로형성되어보통형광재료를사용하면효율 은 25% 이며인광재료를사용하면 75~100% 까지엑시톤생성효율을올릴수있다. 20) 또굴절율이높은매체로부터광을투과할경우광투과율에문제가있다. 유리기판상에디바이스를형성하는경우유리와 ITO 전극간, 유리와공기간의굴절율차이에의해서 는 20% 이하로되어 OLED의효율을떨어뜨리는요인이다. 따라서형광재료를발광분자로사용하는경우효율은 가되어외부양자효율은 5% 가된다. 3중항엑시톤을발광천이로이용할경우원리적으로는 3~4배의높은발광효율을얻을수있다. < 그림 2-5> OLED 의발광과정과발광효율 20) int ~100% 25+75% 100% ~20% M - M 0 M + 양극 음극 p 공기 유리기판 ITO M 0
제 3 장기술개발동향분석 11 제 3 장 기술개발동향분석 1. OLED 의종류별특성및기술개발동향 OLED 는사용하는유기물질의분자크기에따라저분자 OLED 와고분자 OLED 로구분하기도하고구동방법에따라 Passive Matrix OLED(PMOLED) 와 Active Matrix OLED(AMOLED), Top-emitting OLED, Foldable OLED & Flexible OLED, White OLED 등이있다. 가. Passive Matrix OLED(PMOLED) PMOLED는 < 그림 3-1> 과같이외장형회로를가지며전극물질이열과행으로된일종의행렬에놓이고여기에전압을걸어주면교차점이하나의픽셀이되어빛을발하게된다. 만약각지점의빛을더밝게해주고싶으면그점에해당하는음극과양극에전압차를더크게걸어주면된다. PMOLED는회로가외장형이기때문이조립이비교적간단하여대량생산이유리하다. 그러나전력소모가크고또고해상도를얻을수없는단점이있다. 따라서 PMOLED는작은스크린에글자나기호를표현하는데적합하다. PMOLED 디스플레이는, 휴대폰, PDA, MP3 플레이어에주로사용한다.
12 유기발광다이오드의기술개발동향 < 그림 3-1> PMOLED 의구조 1) Glass Substrate Metal cathode Electron transport layer(etl) Emission layer(eml) Hole transport layer(htl) Anode(transparent electrode) Organic Layers Metal cathode Organic Layers Anode (transparent electrode) Glass Substrate PMOLED는구동특성상짧은시간동안에높은휘도가필요하다. 예를들면 64-row 풀컬러디스플레이경우평균밝기가 100 Cd/m 2 의백색화면을얻기위한 R, G, B sub-pixel의요구휘도는 30% Red, 60% Green, 10% Blue가필요하고개구율이 60% 라면 R, G, B의 peak 휘도는각각 28,800 Cd/m 2, 57,600 Cd/m 2, 9600 Cd/m 2 이필요하게된다. 이와같이단위화소에서높은휘도가요구되므로디바이스의수명이짧아지는현상이생긴다. 또높은휘도영역에서구동을하므로디바이스의효율이낮은영역을이용해야하고 muliplexing 구동으로인한손실이발생하므로전력이증가된다. 1) 나. Active Matrix OLED(AMOLED) AMOLED의구조적특징은내장형으로되어있고음극, 양극이전체적으로분포되어있으며 TFT 회로가양극과음극사이에설치된형태로픽셀이세밀할수록픽셀수가많아지고높은분해능을갖게된다. 또 TFT를통해필요한곳에만전력이공급되므로소비전력이낮아대면적디스플레이를구현할수있다. 1)
제 3 장기술개발동향분석 13 AMOLED는 PMOLED에비해저소비전력, 긴수명이기대되기때문에최근광범위하게연구가진행되어왔다. AMOLED에서가장큰애로기술은 TFT back plane 생산기술이다. OLED는전류구동이기때문에 back plane에서 TFT는각화소마다균일한특성을보여야한다. 또이동도, 문턱전압등이모두균일해야하며이는저온폴리실리콘 (LTPS) TFT 로는만족할수없다. 따라서균일한아몰퍼스 (a-si) 를이용하는것이균일도요구조건은만족하나이동도가낮아고효율의 OLED가결합되어야만성능을발휘할수있다. 13) 또아몰퍼스실리콘TFT(a-Si TFT) 의문턱전압이 TFT의채널내부에발생한결함 (depect) 으로인해구동하는동안이동 (shift) 되기때문에 OLED 전류치에손상을준다. 이것이아몰퍼스실리콘 (a-si) 을 AMOLED 에적용하기위해서극복해야할문제이다. 최근픽셀내에보상회로를설치하거나 TFT를보다안전하게만드는신공정개발에많은노력을하고있다. 또유기반도체트랜지스터 (OTFT) 에관한연구도활발히진행되고있으며실용화단계에와있다. OTFT에대해서는다음절에서상세히기술하기로한다. AMOLED 구동을위하여는 Active matrix back plane 로부터 OLED에지속적으로전류가공급되어야한다. 따라서적어도 2개의트랜지스트가필요하다. 현재생산에적용하고있는 Active matrix back plane는아몰퍼스실리콘 (a-si) 과폴리실리콘 (p-si) 이주류를이루고있다. 아몰퍼스실리콘 (a-si) 는생산성이뛰어나고균일도가우수하지만폴리실리콘 TFT가 a-si:htft보다더많은전류를공급할수있고장기안정도가뛰어나기때문에 OLED용 back plane 으로는폴리실리콘이많이사용된다. 3) LTPS TFT(low temperature poly silicon TFT) back plane의소자균일
14 유기발광다이오드의기술개발동향 도향상을위하여보상회로를적용할경우 Sub-pixel 내에여러개의 TFT가필요하므로 120PPi 이상고해상도의소면적디스플레이경우에는개구율이줄어드는문제가생긴다. 이를해결하기위하여 Sony는세계최초로 OLED 빛이전면으로발산되는 Top-Emissioin 방식을개발했다. < 그림 3-2> Top Emission AMOLED 단면 29) Metal cathode ITO Transparent Anode Cathode Light Transparent Sealing Emblan Layer AI electrodes Light Conventional Structure Emblan Layer Top Emission Structure Passivation Layer Metal Anode Bottom Emission 은 OLDE의빛중 TFT back plane 방향으로발산되는빛을이용하는구조이다. 고해상도의소면적디스플레이와달리대면적디스플레이경우는해상도가낮아 Sub-pixel 크기가상대적으로크므로휘도균일도향상을위한보상회로를적용해도개구율에큰영향을주지않아일반적으로적용되는 OLDE 기술을활용할수있다. 그러나 OLDE의빛이 back plane을구성하는무기절연체층을통과하면서 OLDE 특성에영향을준다. LTPS TFT의무기절연체층은주로 SiOx 와 SiNx를사용하는데 OLDE의빛이 SiOx와 SiNx 계면에서내부굴절이발생하여 OLED의효율을저하시키고스펙트럼을변화시키는문제가발생한다. 이문제를해결하기위하여무기절연체층의재료와두께를최적화시켜야한다. 3,8) 또이들무기절연체층에의해양극인 ITO 의표면모폴러지 (morphology) 가나빠져 OLED 의전류누출 (leakage current) 이증가하는문제가발생한
제 3 장기술개발동향분석 15 다. 따라서 ITO 하부에평탄화층을적용하여 ITO의표면모폴러지를향상시키는연구가필요하다. Active matrix 로사용되는 LTPS TFT 소자는레이져를이용하여결정화하는데이때결정화에따른소자특성특히문턱전압차이에의해 TFT의전류량이차이가나게된다. Driver TFT의소자특성이디스플레이내에서인접한 pixel 간에차이를보이게되면동일한화면신호에대해위치별로 Driver TFT의전류량이서로달라서로다른휘도를보이게되는데이로인한디스플레이전체적으로휘도의균일도가떨어지게된다. 디스플레이내에서인접한픽셀사이의휘도차가 2% 이하가되어야사람의눈에인식이안되므로휘도균일도를향상시키는기술이필요하다. 3) AMOLED 응용사례 - Sanyo는 LTPS TFT를사용한 10인치 OLED 컬러디스플레이를 2003 년에선보였으며 - 삼성SDI 역시 LTPS TFT를사용한 15.5인치컬러디스플레이를 2003. 5월 SID에서발표하였다. - IBM은 a-sihtft를사용한 20인치디스플레이를 2003년 5월 SID에서발표했다. 다. Transparent OLED(TOLED) TOLED는기존 OLED의응용제품으로기존 OLED 에서는음극쪽으로빛이투과하지못하여한쪽밖에볼수없으나 Cathode 역시빛을투과할수있는물질을사용하여양면디스플레이를개발하려는시도이다. 이방식은 PMOLED와 AMOLED 양쪽에모두쓸수있다. 대만의 AU 옵트로닉스가 2005년에 AMOLED형 1.5인치완전컬러양면
16 유기발광다이오드의기술개발동향 유기디스플레이를개발하여 SID 회의에서보고하였다. 양면디스플레이 가상품화될경우휴대폰등은새로운형태로바뀔것으로예상된다. 라. Foldable OLED & Flexible OLED 유연성 OLED는기판물질이구부러지기쉬운금속으로무게가가볍고휨 (bending) 에도잘견딘다. 최근에는유연성이좋은 plastic을기판으로한 OLED가상품으로선보여머지않아두루마리식모니터도나타날전망이다. 플렉시블 (Flexible) 디스플레이를구현하기위하여는기판에관한연구와소자의패시베이션 (passivation) 에관한연구가선행되어야한다. 기존의디스플레이와는달리플라스틱필름상에박형소자를구현할경우기판의특성은디스플레이공정에영향을미치며소자의수명을짧게하는문제점이있다. 또유기디스플레이의구현을위하여는소자의패시베이션이가장큰난제이다. 6) 즉소자의패시베이션특성에따라소자의수명이변하게되어일반적으로유리기판상에디스플레이구현때보다새로운물질과새로운공정이부가되어야한다. 또플라스틱기판의내열특성향상과열수축율을제어하는소재의개발이필요하다. 플렉시블디스플레이가요구하는박막특성으로는광투과특성, 배리어 (Barrier) 특성, 가스차단성, 화학적특성, 기계적특성, 전기적특성등이며최근개발되고있는고분자필름재료로는 PC, PI, PES, PAR, PEN, PET, PEEK, PEI, COC 등이주류를이루고있다. 6) 유기디스플레이용플라스틱소재는내열특성이가장중요한요소 ( 주로 T g ) 이며흔히사용되는필름은 PET와 PEN에대한가능성연구를많이하고있다. 최근에는이들보다내열온도가높은 PC(Poly Carbonate) 가주
제 3 장기술개발동향분석 17 목받고있다. 기판의광투과도는디스플레이특성을결정하는중요한항목으로기판의광특성은광투과도, 광학이방성, 색도등이중요한항목이며광학이방성은주로기판중플라스틱필름에의해결정된다. 그러나색도, 광투과도등은모재인플라스틱필름과모재상에형성되는코팅의영향이크다. 따라서적용되는코팅은모재필름의광학특성을감소시키지않는범위에서적용해야한다. 6) 마. white OLED white OLED 는현재사용하고있는형광등이나백열등대신 OLED 로대체사용하려는연구가진행되고있다. white OLED는형광등보다더밝고모든부분에서일정하게빛을발할수있으며에너지효율이높아전력소모를줄일수있고색감의질도백열등보다높다. 또대면적에도사용할수있어집이나빌딩에서도효과적으로사용할수있다는것이큰장점이다. 2. 발광재료의기술동향 유기 OLED의주된소재는탄소-탄소불포화결합 (π 결합 ) 이사슬이나평면상으로연결된 π전자계의유기물이다. π전자계분자는 π전자의비국재화 ( 한원자에구속되지않은상태 ) 에의해반도체성질이나가시영역에서형광을내는특이한전기적광학적특성을갖는다. 17) 지금까지 < 그림 3-3> 에서와같이저분자계, 고분자계유기분자들이검토되어왔으며이들유기분자는홀 ( 정공 ) 의운반, 발광, 전자의운반등 3가지의특성을가지고있다. 이중전자의이동속도를향상시키는 n형반도체특성을갖는 π-전자계유기분자개발이시급한과제이다.
18 유기발광다이오드의기술개발동향 < 그림 3-3> 전자와홀의이동및발광 17) 홀, 전자의흐름을유기화학적관점에서설명하면유기분자층과전극계면에서유기분자에서전극으로전자가흐르는것을홀을주입한다고하며반대로전극에서유기재료쪽으로전자가흐르면전자를주입한다고한다. 이는양이온래디컬, 음이온래디컬이생성된다는것을의미한다. 11,17) 일반적으로유기분자는홀 ( 정공 ) 의수송에비해서전자의수송이어렵다. 이점이 n형유기반도체개발에있어어려운점이다. 그원인은안전성문제이다. 전자수송특성은대기중안전성과더불어전극에서유기박막으로전자의주입이용이해야하고주입된전자가얼마나빨리이동하는가하는캐리어이동도도중요한변수이다. 높은전자수송성능을얻기위해서는위특성을모두향상시키는분자설계가필요하다. OLED는유기재료의종류에따라저분자와고분자가형으로구분되며그구조는 < 그림 3-4> 에서와같다. 저분자 OLED는분말상고체의유기재료를메탈마스크증착으로적층성막하고금속음극을증착한다. 한편고분자 OLED는유기용제에용해하여 Ink jet 법이나스핀코팅법으로성막하고그위에금속음극을도포하여성막한다. 7)
제 3 장기술개발동향분석 19 < 그림 3-4> SMOLED 와 POLED 의구조 7) 가. 저분자발광소재 유기발광반도체층은공액 π-결합을가진재료를함유해야한다. 이분자들은주입에너지를흡수하여가시광선을방출하는발색단이라는관능기를갖고있다. 방출된빛의색은재료의조성에따라결정되고녹색, 적색, 청색발광재료는풀컬러스펙트럼을내는데사용한다. SMOLED는최고수백 dalton에달하는저분자량의유기발광층을사용하며고분자처럼반복단위를갖고있지않다. 안트라센은 Pope가 SMOLED 에대해서최초로연구한재료이며최근에는벤젠을포함한방향족탄화수소 (arene계) 가주로사용되고그중 pentacene 이가능성이있는것으로알려졌다. 16) SMOLED 유기발광은전기에너지를빛에너지로변환시낮은전계발광효율, 산소나물과접촉시빠른열화, 난용해성등문제점이있으며이를해결하기위한연구가다양하게진행되고있다. 9) 그중하나가수은을함유한삼관능기 (triple functional) 의루이스산의삼량체 (trimer) 와 pyrene naphthalene, biphenyl과같은방향족탄화수소와의첨가생성물은고체상태이며대기온도에서고휘도적색, 녹색, 청색의인광을방출한다. 이들을함유하는 OLED는전계발광효율이 100% 까지
20 유기발광다이오드의기술개발동향 향상되며이에반해단순한방향족탄화수소는형광을내며발광효율이 25% 이다. 16) 형광발광재료 - OLED 소자는단독화합물로발광층을형성하는방법과정공또는전자수송성의호스트 (host) 재료에형광성색소화합물을도핑하는방법이있다. - 호스트재료로는 DPVBi, Alq 3, Bebq 2, NA등이있다. 발광 ( 도핑 ) 재료로는화합물독자의형광색을가진형광색소가많이사용된다. 또단독화합물로발광층을형성할수있는화합물로는 BAlq, ALq 3, Bebq 2 등이있다. 단독으로사용가능한화합물은고체로강한형광을나타내는특징이있다. 25) - 도핑재료는고체로는농도소광때문에형광이약하지만호스트재료중에수 % 정도도핑하면강한형광을나타낸다. 이러한도핑재료단독으로는정공또는전자수송능력이매우작고또균일한박막형성이어려워대부분의발광층은도핑법을채택한다. 25) - 도핑에의해서소자의발광효율, 최대발광휘도, 수명이향상된다. 수명의향상은발광층내의재결합사이트의경시변화억제, 열에의한배향성억제때문이다. - KODAK 사는기존 RGB보다효율과수명이향상된 Gen3 재료 ( 형광재료 ) 를개발하였으며수명은 25%(R), 150%(B), 73%(G) 정도향상되었다. - Idemitsu-Kosan 사는녹색발광도판트를개발하여초기휘도 1,000Cd/ m2에서반감수명이 20,000시간이상을실현하여 Alq 3 소자보다 5배이상뛰어난결과를얻었다. 또청색발광에서호스트재료로반감수명이 1,000Cd/ m2에서 7,000시간이상의장수명재료를개발했다 (SID, O4").
제 3 장기술개발동향분석 21 < 그림 3-5> 대표적인형광호스트재료 25) < 그림 3-6> 대표적인형광재료 25) - 그간개발된대표적인형광호스트재료를 < 그림 3-5> 에, 대표적인형 광발광재료는 < 그림 3-6> 과같다.
22 유기발광다이오드의기술개발동향 인광재료 - 고효율의인광발광성금속착제를발광층의도핑재로로사용한고발광효율소자의개발이활발하게진행되고있다. 형광발광소자의층구성을변형하여 N-phenylcarbarzole 등의골격을가진호스트재료에 Pt(thPY) 2, Ir(PPY) 3 등금속착제를도핑함으로써높은발광효율을얻을수있다. 즉일중항또는삼중항여기상태에서삼중항여기상태로계간전이또는에너지전이가잘일어나는원자번호가큰천이금속이중심원자로있는유기금속화합물에서높은인광을발광한다. - 인광발광성금속착체를사용한소자에대해서발광수명, 청색발광재료개발, 최적의소자구성결정, 귀금속공급체제등의문제가해결되면 OLED 소자의발광효율이비약적으로활성되어평면디스플레이로서의새로운시장전개가기대된다. 현단계에서는발광수명이짧고특히수명이긴청색발광재료의개발이시급히요구된다. 25) - 호스트에서도판트로엑시톤에너지이동을효율적으로발생시키기위해서는엑시톤에너지가 exothermic 하게발생해야한다. 이를위해서는인광호스트의삼중항에너지가도판트의일중항및삼중항에너지보다높아야하는데일반적으로 420nm이하의파장을가져야한다. 이러한수준을갖는유기물이나금속화합물제작은매우어렵고안정도도낮다. 2) - 현재인광재로로주목을받고있는것은 Ir(PPY) 3 로중금속이온을중심으로하는금속착체계재료이다. 전자수송, 발광소자로알려진 Alq 3 도금속착체재로에속하지만내부양자효율은 25% 에불과하다. - Ir(PPY) 3 의발광은금속 -배위자간천이 (MLT : Metal To Ligand Charge Transfer) 에속하고중심이온의무거운원자효과에의한계간교차 (ISC : Intersystem Crossing) 의촉진으로실온에서도높은효율을얻을수있다.
제 3 장기술개발동향분석 23 - 유기배위자의 π공액계를변화시켜기존의녹색발광으로부터황, 등, 적색으로발광하는이리듐착체도개발되었으며성능도양호하였다. 20) - PtOEP는적색이며매우우수한열안정성을보이고발광대역폭이좁아색순도가높은장점이있으나긴인광수명으로높은전류밀도에서삼중항-삼중항소멸현상이발생하여효율이나휘도면에서문제가있다. - 명지대고려대공동연구팀 ( 책임연구원이규왕 ) 은파장이 430nm이고공기중에서도안정한인광재료인 Zn cluster 를이용하여녹색과적색의고효율유기전지발광소자를제작하였다. 2) - UCLA와 Prinston대공동연구에서는이리듐계유기금속화합물 Ir(PPY) 3, Ir(btP) 2 ( 적색 ), Firpic( 청색 ) 등을개발했다. - 지금까지개발된대표적인인광발광재료는 < 그림 3-7> 에나타냈다. < 그림 3-7> 대표적인인광발광재료 20) 녹색발광재료 - 현재사용되고있는유기발광재료중가장먼저개발되어실용화에충분한발광특성을나타내고있는재료가녹색발광재료인 Alq 3 이다. Alq 3 는 1987년 Kodak 사에서개발한재료로발광특성은최대효율이 15cd/m 2
24 유기발광다이오드의기술개발동향 이상이며이들유도체중 4-위치에 methyl 이치환된 Alq 3 (4-MAlq 3 ) 가가장발광효율이높은것으로알려졌다. 이외에도 Alq 3 에도핑해서사용되는 C-545T로알려진 10-(2-benzohtiazolyl)-1.1.7.7-telramethyl- 2.3.6.7 -tetrahydro-h 5H 11H-[1]benzo-Pyrano[6.7.8-ij] quinolizin-11-one] 과그유도체들이알려졌다. 1) 청색발광재료 - 청색발광재료로서는 DPVBi가있으나 modified-dpvbi 계화합물이발광특성이더좋은것으로알려졌다. 디스트릴화합물을호스트로아민이치환된디스트릴아릴화합물을 guest로한 host/guest계소자경우발광효율이 6lm/w이고발광수명이 30,000시간이상이나시간에따라색순도가급격히떨어져풀컬러디스플레이에적용했을경우수명이불과수천시간에불과하다. 청색유기발광재료는색순도및효율의장기적열안정성에문제가있어실용화에충분한수명을갖지못하는단점이있어연구개발이시급한부분이다. 1,14) < 그림 3-8> 청색발광재료 1) R R Ar R ter-spirobifluorene R DSA ter-fluorene Ar Ar N Ar n Ar N Ar DSA-Amine - DNA - DNA n n S N N 0 N n n (n=0, 1,2,3) TBSA Spiro-oligo(phenylene) Ph3Si(PhTDAOXD)
제 3 장기술개발동향분석 25 적색발광재료 - 적색발광재료는낮은발광효율, 고농도경우 π전자를통한분자간상호작용에의한발광감쇄효과, 넓은발광대영역으로인한색순도의저하등단점으로 2~3년전까지만해도풀컬러 OLED 실용화에가장큰문제점으로지적되어왔다. 또낮은효율, 분자간상호작용에의한발광감쇄효과및색순도의저하등문제점이있어단독으로사용되기보다는호스트 (host) 물질에서부터도판트 (dopant) 인적색발광물질로의에너지전이를이용함으로써효율과색순도를개선하는방법이사용되고있다. - host/dopant에의한발광소자의경우 host에의한발광과높은전압시적색발광재료에서트래핑 (trapping) 효과의증가등의문제점을갖고있다. < 그림 3-9> 적색발광재료 1) NC CN NC CN O O N R - O R H3C N O O O O N DCJTB(R=r-Bu:R'=H) CH3 DCDDC AAAP DCJTI(R=i-Pr:R'=H) DCJMTB(R=r-Bu:R'=OCH 3) CN H3CO CN OCH3 BSN DDP NC CN H3C O CH3 N DCM2 (PPA)(PSA)Pe-1 CH3 Periflanthene
26 유기발광다이오드의기술개발동향 - 적색발광재로로잘알려진것은 Kodak사의 DCJTB dopant가있으며 DCJTB와함께황색발광물질인 Rubrene, 청색발광물질인 NPD를 Codopant 로사용할경우더향상된발광효율을나타내는것으로알려졌다. 1) 나. 고분자발광소재 고분자재료는주사슬에달려있는측쇄의기능또는공중합체의형성을통하여발광파장, 발광특성을유지한채실온에서간단한공정을이용하여저가의대면적소자를만들수있다는장점이있다. 발광효율을증가시키기위하여호스트내에저분자계인광재료들에대한연구를많이하고있으며고분자호스트개발뿐만아니라저분자인광도판트의고분자내박막특성을개선하려는핵심기술이연구되고있다. 26) 근본적으로는고분자재료의합성, 정제기술에따른 OLED 특성의신뢰성, 내구성등이해결해야할과제이다. 현재대표적인폴리플루오렌계합체는 DOW의 GK2라는녹색발광고분자로 16V에서 15,000cd/m 2 의휘도를나타내며최대효율이 22 lm/w이다. CDT는고분자정공주입재료인 PEDOT에서구성성분인산소와유황이유리되면서소자수명이떨어지는현상을발견하고해결책으로 PEDOT층과 LEP층사이에중간층을설치하는방법으로수명을 2배이상연장할수있었다. 독일의 Novaled 사는정공전달층을도핑하여낮은구동전압에서녹색인광재료를이용하여 1,000cd/m 2, 2.8V에서 75cd/A의효율을구현하였다. 고분자재료개발은주로 π공액고분자를이용한 OLED에관한연구가활발히이루어지고있으며대표적인예로는 Poly(p-PhenyleneVinylene)s
제 3 장기술개발동향분석 27 (PPV), Poly(p-Phenylene)s(PP), Poly(3-alkylthiophene)s(PT), Poly(9,9- dialkylfluorene)s(pf) 및이들의유도체가개발되었다. < 그림 3-10> 고분자발광재료 26) 3. 전하수송재료의기술동향 가. 정공주입재료 OLED는구동시전계강도가 10 5 V/cm 이상이다. 이와같이고전압하에서안정한소자로작동하기위해서는전공주입층이균일하고치밀한박막으로형성되어야한다. 이와같은박막을형성하려면입체성을가진화합물로서비정질상태이어야한다. 25) 정공주입재료로서적합한화합물로는방향족아민화합물특히트리페닐아민구조를가진화합물이다. 이들은입체성이있으며또한비정질상태를형성할수있는화학구조를가지고있다. 정공주입장벽을낮추기위해서는양극인 ITO와이온화에너지가비슷하고 ITO와의계면접착력이높아야하며외부양자효율을높이기위해서는가
28 유기발광다이오드의기술개발동향 시광선영역에서의흡수가없어야한다. 지금까지널리사용되고있는프탈로시아닌구리 (CuPc:Copper phthalocyanine) 는열및산화안정성은높으나청색및적색영역에서흡수가있기때문에풀컬러디스플레이제작시문제점이되고있다. 따라서청색영역에서흡수가없는 starburst형아민류가최근많이사용되고있다. 그중에서도 TCTA, p-dpa-tdab, m-mtdapb, 1-TNATA, 2-TNATA등은유리전이온도 (Tg) 가 100 이상으로안정한물질이다. 1,25) < 그림 3-11> 대표적인정공주입재료 25) 상기와같은전공주입재를사용한정공주입층은높은이동도, 비정질성에의한고내열성을나타내지만소자의신뢰성, 저전력화를위해서는성능을더욱개량해야한다. 최근에는정공주입층과발광층사이에정공수송층을설치하여정공주입효율을높이고있다. 나. 정공수송재료 정공수송재료는정공을쉽게운반시킬뿐만아니라전자를발광영역에 속박함으로서엑시톤형성확률을높여주는재료로정공이동도가빨라
제 3 장기술개발동향분석 29 야하고발광층과접하여계면을형성하기때문에정공수송층-발광층계면엑시톤발생을억제하기위해서이온화에너지가정공주입층과발광층사이의값을가지는것이바람직하다. 1) 또한발광층에서이동되어오는전자를적절히제어하는능력이필요하다. 초기에는 TPD(TriphenylDiamine) 을사용하였으나내열성이부족하여 TPAC (1.1-Bis[4-[N,N-di(P-tolyl)amino]phenyl]cyclohexane), α-npd 등을개발하여내열성문제를해결했다. 25) 내열성을향상시키기위해서는 Bulky한축합기를도입하거나트리페닐아민골격등의화학단위를많게하여분자량을크게하는방법도있다. 25) 정공수송성은전자를내보내음이온래디컬을형성하기쉬운화합물이유리하기때문에이온화포텐셜이낮은화합물이정공이동도가높다. < 그림 3-12> 정공수송재료 25) 다. 전자수송재료 전자수송재료는음극으로부터전자가주입되었을때생성되는음이온래디
30 유기발광다이오드의기술개발동향 컬을안정화할수있는전자당김체 (etectron attracting group) 를보유하고있는화합물이나전자를잘수용할수있는금속화합물이주로사용된다. 금속화합물경우상대적으로전자이동도가우수함으로많이사용되고있으며그중에서가장많이알려진것이안정성이우수하고전자친화도가큰 Alq 3 이다. 1) 음이온종유기분자특히탄소음이온종은전자의수송능력이낮고환원전위가낮은산소가존재하면음이온래디칼이산화되어어렵게형성된 n형반도체특성이대기중에서 p형으로변하게되어전자수송능력은더욱떨어지게된다. 따라서 OLED 성능을어느수준이상으로유지하기위해서는대기중에서도안정한 n형반도체특성을갖는재료를만들어야한다. 전자의수송성능은대기중에서전자의안전성, 유기박막으로의전자유입속도, 또주입전자의이동속도 ( 캐리어이동도 ) 에따라결정된다. 전자의주입은유기분자의 LUMO준위와전극으로사용하는금속과의균형에의해결정된다. 따라서전자의주입장벽 ( 에너지장벽 ) 이가능한낮은 LUMO를갖는 π-전자계유기물질이개발되어야한다. 지금까지 C=N 2중결합을갖고있는복소환에대한연구가주로이루어졌으며개발된전자수송재료는퀴놀린올, 옥시이라졸, 퀴녹살린등이며이중가장많이사용되는것은퀴놀인올-알미늄착체Alq이다 또한무정형박막의안정성을향상시켜야한다. 그러기위해서는유리전이온도 (Tg) 가높은물질의개발이다. Tg가높을수록유리상태의무정형에서결정으로변하기어렵다. 저분자계유기분자는일반적으로융점이하에서는결정으로존재하나적당한분자설계를통해서 Tg가높은분자성유리를만들수있다. 이와같이 Tg가높은분자설계에바탕을두고질소함유복소한을기본구조로한 star구조의소재가개발되고있으며이중 150 이상의 Tg를갖
제3장기술개발동향분석 31 는것도있다. 또상온에서안정한무정형막을형성할수있다. 17) OLED용전자수송재료설계기준은전자주입효율의향상과박막의안정성이다. 그러나전자이동도에관해서아직도규명해야할기술적문제들이많이남아있으며무정형상태이면서분자간상호작용까지포함한정밀분자설계란매우어려운일이다. 실제로가장널리사용되고있는 Alq 의전자이동도는겨우 10-5 ~10-6 cm 2 v-1s -1 정도에지나지않는다. 최근에와서무정형이며이동도가비교적높은화합물이개발되고있다. 이들중홀, 전자모두 10-3 cm 2 v -1 s -1 정도의높은이동도를갖고있는것도보고되고있다. n형전자수송재료의분자설계에서가장중요한것은 LUMO 준위를낮게조정하는것이다. 그중하나가불소치환기를도입하는방법으로전자수송능력이크게향상되었다. 17) 또새로운시도로는붕소나규소등전형원소를도입하며이들과 π 공액골격과의궤도상호작용에의해전자구조를개질하는방법이다. 예를들면 p형특성의올리고치오펜사슬말단에붕소치환기를도입해서 OLED 용 n형전자수송재료를만들수있다. 이는붕소에비어있는 p궤도와올리고치오펜의 π궤도와의상호작용에의해 LUMO준위가낮아져 n형으로바뀌었다. 17) OLED의상품화및응용의확대를위하여는전자수송능을향상시키는것이최급선무이다. 정공의이동속도에비해전자의이동속도가매우늦기때문에전자의이동속도를정공수준까지올릴수있다면 OLED의상품화는급속도로신장될것이다.
32 유기발광다이오드의기술개발동향 < 그림 3-13> 전자수송재료 1) 라. 전자주입재료 지금까지개발된전자주입재료는 Alq 3, Bebq 2, 8nPBT등의금속착체계와화합물에규소를함유한복소환화합물계가대표적이며 Alq 3 는내열성이높고양호하며또한전극과의접합성이좋아전자주입재료로적합하다. 25) 고성능전자주입재료사용한 OLED 소자는 Alq 3 를전자주입층으로사용한경우보다소자특성이비약적으로향상되며고이동도의전자주입재료를사용한소자는실용휘도용역에서 Alq 3 를사용한소자에비해구동전압이 2~3V 낮다. PBO, Spiro-PBO, oligothiophene, 2.5-Diarylsilile 유도체등은전자전달과정공차단성이있는것으로알려졌으며 TPBI와 PF-6는 Alq 3 보다우수한전자전달능력을보이는것으로알려졌다. 또한 PyPyPSPyPy는실용화에서가장중요한성질인소자의안정성을크게향상시키는것으로알려졌다.
제 3 장기술개발동향분석 33 < 그림 3-14> 전자주입재료 25) 4. OLED 소자제조공정기술 가. 풀컬러 (full color) 화기술 컬러디스플레이는 R.G.B 의발광층을효율적으로형성하는방법이필요 하다. OLED 디스플레이의풀컬러화기술로는 3 색분별도포법, 컬러필터 법, 색변환법의 3 가지로구분할수있다. (1) 삼색분별도포법 진공증착법, inkjet printing 방법. 레이저전사법등을사용하여 R.G.B 화소를각각형성하는방법으로이방법은광의손실이적고낮은소비전력으로고휘도를낼수있다는장점이있다. 그러나아직까지는 R.G.B 화소의열화정도가다르다는것이문제점으로지적되고있다. 진공증착접 (Organic Molecular Beam Deposition : OMBD) 은저분자유기물질박막을형성할때주로사용한다. 저분자유기물질은대부분상온에서고체분말상태이며유기용매에녹지않는성질이있다. 따라서 150
34 유기발광다이오드의기술개발동향 ~300 온도범위에서증발시켜유기박막을형성한다. 진공증착법은유기박막을적층하여초격자구조를제작하는데도사용된다. 고분자유기재료는용매에용해성이있어유기박막형성시 InkJet Printing 방법으로저코스트성막이가능하다. 잉크젯방법은디바이스표면과직접접촉하지않기때문에디바이스를손상시키거나오염시키지않고재료의퇴적과패터닝이동시에진행되는패터닝방법이며공정이단순하고재료와에너지를절감할수있다. 최근에는다수의노즐을갖춘잉크젯헤드가개발되어대량생산도가능하게되었다. 23) 레이저전사법 (LITI) 은레이저빔을조사하여발생하는열에의해 Donor film의형성기술, film의증착기술, LITI imaging 기술이핵심기술이다. 전사시키는 Donor 필름의형상및분자간의인력을이용한제어, 코팅필름박막의두께균일도제어, 다층박막제작시적층제어기술등이핵심요소기술이다. 대면적제작에우수하고고정세화된패터닝, 박막의균일도향상이장점이며구동전압, 제조공정단가가다소높은것이단점이다. 삼성 SDI와미국 3M사가공동개발한고유기술로이기술의장점은정열, 정밀도가매우높고소형기관의초미세패턴에서부터대형까지적용이가능하고고분자, 저분자구분없이적용된다. (2) 컬러필터 (color filter) 사용법 컬러필터방식은일본 Kodak에서개발한기술로백색OLED 를광원으로사용하여적, 녹, 청색광을컬러필터를이용하여얻는방법으로기존의 R.G.B 에백색 Sub-pixel을추가하여 4Sub-pixel(R.G.B.W) 과컬러필터를조합하는기술이다. Kodak은 R.G.B. 발광층을패터닝하는기존의 FMM을대체하고자이기술을개발했다. FMM을이용한방법은 3세대크기이상의기판에적용이
제 3 장기술개발동향분석 35 어렵고 R.G.B독립발광에의한 differential aging문제와 130ppi 이상의고정세화실현이어렵다. Kodak의 4색컬러필터접근법은컬러화기술을크게향상시켰다. < 그림 3-15> 은 3 혹은 4color Sub-pixel을사용할때백색효율의차이를나타낸다. 4 color Sub-pixel 방식은 Sub-pixel 을컬러필터없이직접이용하기때문에같은전류에서더밝은소자를구현할수있다. < 그림 3-15> RGB 와 RGBW 픽셀 (pixel) 구조비교 29) RGBW 디스플레이는 RGB 디스플레이에비해소비전력이절반수준이다. 그러나컬러필터에의한흡수로휘도가감소하는단점이있다. (3) 색변환방법 색변환법은단파장을주로한 OLED 소자를형광재료와조합하여녹. 적. 색의발광을얻는방법으로컬러필터법과의차이점은형광변환을이용하는것이다. 형광변환을이용하기때문에 OLED광을유효하게활용하여효율이높고스펙트럼에청색을함유한 OELD이면광원으로적용이가능하다. 문제점은고효율색변환층이필요하고공정수가증가하는것이다. 색변환풀컬러 OLED의구조는유리기판사이에컬러필터를형성한다음에적색및녹색의 Sub-pixel에대한색변환층을형성하고색변환층은포토폴리머에형광색소를분산시킨것으로일반적인포토리소그래피에의해형성할수있다.
36 유기발광다이오드의기술개발동향 패시베이션층을형성한다음그위에투명전극을스퍼터에의해형성한 다. 이어서유기막을적층하여금속전극을형성한다. 형광은에너지가높은광을흡수하여낮은광을방출한다. 따라서 3 원색 중에서가장에너지가높은청색광은형광변형으로만들수가없기때문 에색변환법에이용되는유기발광소자는청색의원색을포함해야한다. 청색광은광원에서컬러필터에의해뽑아낸다. 녹색및적색은형광변환 에의해서광의파장을변환할수있으며필요에따라서는 OLED 의광을 투과시켜서출력하는것은가능하다. 본래의 OLED 소자는청색측에서가장높은피크를가진스펙트럼을보이며청색화소는필터에의해스펙트럼을뽑아낸다. 녹색및적색의화소는형광변환을하기때문에색변환에의해본래의소자에는없는피크가스펙트럼에나타난다. 최종적으로발광의색도조정및콘트라스트의조정을위해컬러필터로투과되어출력된다. < 그림 3-16> 색변환방식 OLED 24) 색변환층 R 투명양극 색변환층 G 음극 유기발광층 Black Mask 유리기판 적색 filter 녹색 filter 청색 filter 디스플레이로서가장중요한요건은표시내용을보여주는것이다. 이용자 가밝은환경 ( 직사광조건 ) 하에서도표시내용을볼수있어야한다. OLED 에서문제는외부로부터조명등의광이패널면에비춰지면점등부와비
제 3 장기술개발동향분석 37 점등부의패널면의휘도에차이가나는것으로이휘도차이의비율을밝은환경에서의콘드라스트라한다. 24) OLED 소자는처리를하지않는경우에는대부분이거울면으로되어있다. 따라서단색의 EL디스플레이나 3색분별도포에의한풀컬러 EL 디스플레이에는필수적으로 OLED 소자의표면에편광판을접착한다. 편광판은거울면의반사를완전차단하는광학필름이다. 이로인해밝은환경에서양호한콘트라스트를얻을수있다. 그러나편광판은투과율이 40~ 45% 로 EL 디스플레이의발광효율을반감시키는문제가있다. 색변환 EL 컬러디스플레이는밝은환경에서의콘트라스트를향상시키기위하여 OLED 소자에색변환층과컬러필터로구성된다. 컬러필터가없는경우에는색변환층을여기시키는광이외부로부터입사될때마다색변환층에서강한형광을발생시켜시인성이저하된다. 24) < 그림 3-17> 색변환방식에서파장변환과정 24) 색변환후 color filter 투과후 발광스펙트럼 파장 (nm) 파장 (nm) 파장 (nm) 파장 (nm) 파장 (nm) 지금까지개발된색변환 OLED 디스플레이의제조방법은순차적으로형성 하는방식으로색변환층을형성한다음에전극을접착한다. 색변환층은
38 유기발광다이오드의기술개발동향 TFT형성에필요한온도에는견디지못하기때문에 AM 디스플레이에색변환방식을이용하기위하여는별도의방법이필요하다. FuJi Denki Advanced Technology 는색변환방식 OLED 디스플레이를 < 그림 3-18> 에서와같이색변환 Top Emission구조 OLED를개발했다. < 그림 3-18> 색변환 Top Emission 구조 OLED 24) color filter 색변환층 기판 기판 Passivation 층 OLED 소자 나. TFT back plane 기술 지난수년간 OLED 시장은 PMOLED의상품화에힘입어휴대폰과같은소형화면, 수명이비교적짧은제품에적용하여시장성장성을유지해왔다. 그러나 LCD나 PDP와시장경쟁을위하여는대화면, 장수명, 풀컬러화, 저가화기술재발이필수적이다. 그간연구개발로장수명화문제는많이개선되었으며저가의대화면개발이시급하다. 이에대한대안으로 AMOLED에대한관심이집중되고있다. AMOLED의저가대화면구현이가능한방안은 EL구도용 TFT back plane 제작공정을여하히단순화하며가격을낮추느냐에달려있다. 지금까지는주로 poly-si 를기반으로한 TFT의공정개발 (PSTFT) 과비정질실리콘 (a-si) 를이용한 a-si TFT의적용에대하여많은연구를하고있다.
제 3 장기술개발동향분석 39 다. 장수명화기술 고해상도, 저전력, 빠른응답속도, 경량등에서기존 LCD나 PDP에비해월등한장점을가지고있으면서도상품화가늦어지는가장큰요인은짧은수명에기인한다. 그간장수명화를위한많은연구개발결과그간어려웠던청색발광소자에서도 10,000 시간이상을낼수있는유기발광체가개발되었으며소자의제조공법에서도크게개선되어삼성 SDI, LG필립스에서 2006. 4Q부터 AMOLED양산시운전에들어갈예정이며 2007년부터는 5~6세대에서도 TFT LCD와한판경쟁체제에들어갈전망이다. 소자의수명에영향을미치는외부인자로는외부에서침투되는산소, 수분영향으로인한수명열화, 소자제조공정상에서유입되는입자오염, 등이며이들을해결하기위한방안으로수분, 산소의침투를막기위한봉지기술 (encapsutation), 과흡습제사용, 불활성조건에서의소자제작및소작제작시청정도유지등이핵심기술이다. 13) 소자수명에미치는내부적인요인으로는전극과유기박막계면에서의노화. 유기박막간의내부확산, 화학적변화에의한발광색좌표의변화, R.G.B 소재의서로다른내구성, 열적안정성, 발광층에주입되는전자와정공의밸런스등을들수있으며이들을해결하는것이핵심기술이다. 또한최근에는형광, 인광뿐만아니라 multiphoton 에대한연구결발도활발히이루어져장수명화문제는머지않아해결될수있을것으로전망된다. 라. 양산화기술 대만, 일본은 AMOLED 를이용 20 인치풀컬러디스플레이시제품을전시 하였고삼성 SDI, LG 필립스는 2006 년 8 월에 AMOLED 디스플레이양산 화공장시운전을할것으로알려졌다. 이는 OLED 디스플레이시대가곧
40 유기발광다이오드의기술개발동향 눈앞에전개됨을의미하며향후경쟁력은대형과, 풀러화, 장수명등품질특성에서기술우위확보와제조원가면에서경쟁력우위를확보해야세계시장을주도할것이다특히 AMOLED의경쟁력있는양산화기술을확보하는자가세계시장에서강자로군림할것이다. 지금각제조회사들은그들고유의양산화장비개발에박차를가하고있고많은부분에서기술확보를발표하고있다. 양산화기술은다음부분에서기술우위성을확보해야할것이다. (1) 풀컬러화기술 풀컬러화기술은삼색분별도포법, 컬러필터법, 색소변환법등크게 3가지로구분할수있으며이방법들중에서고유기술의확보와풀컬러화공정이전체연속생산공정에연계기술등이생산경쟁력의큰요인이될것이다. 삼색분별도포방식은이론적으로는하나의증착실에서기판에대해마스크를이동시키면서 3색 (R.G.B) 을증착할수있으나실제적으로는오염문제가있어. 3색의증착은각각별도의증착실에서전용의마스크를사용해야한다. 기판과마스크와의위치결정에핀얼라인먼트, 기계적얼라이먼트 CCD 얼라인먼트방법이있는데이들과전후자동화연결공정이생산성에크게영향을준다. CCD얼라이먼트경우유리기판과증착마스크의얼라인먼트직전의위치정밀도가허용오차범위내에들어와야된다따라서프리얼라인먼트실을설치하여미리기판과마스크의정도를오차범위내로조절한다음증착실로넘어가는공정이필요하다. 21) (2) 고분자 OLED 제조장치 고분자 OLED 는아직재료의문제, 잉크젯방식에의한인쇄기술문제등 실용화에해결해야할문제들이많이남아있다. 고분자 OLED 경우는진공
제 3 장기술개발동향분석 41 증착장치가필요없으므로낮은비용으로생산이가능하고대형기판에 대한대응도용이하므로향후디스플레이의주류를이를것으로전망된다. (3) 유기발광충의봉지공정 (encapsulation) 유기발광충이대기와직접접촉하게되면대기중의수분을흡수하여수명이급격히열화되고발광층에검은반점이생겨발광기능을저하시킨다. 따라서유기발광층이대기환경과직접접촉이안되도록유기발광층을봉지해야한다. 지금까지봉지재료는스틸, 유리등이많이사용되고있으나앞으로는시트 PC, 막형태의봉지로진전될것이다. 또증착프로세스와봉지프로세스는일관된연속공정으로처리될수있어야한다. 봉지는증착공정과는달리저진공으로질소가스분위기에서처리되어야한다. 질소가스를연속적으로순환정제하면서로점관리에의해향상최적조건에서봉지작업이이루어지도록설계되어야한다. 21) (4) 유기재료처리공정 OLED 디바이스에서핵심적인요구품질중의하나는유기발광층의두께가균일하게분포되어야한다. 또저분자유기디바이스 (SMOLED) 에사용하는유기재료는고체분말상태이므로안정적증발을위한증발원의개발과증발속도의적절한제어기술이확보되어야한다. 또한증착시개구부분에유기재료의퇴적방지기술과재료의충전량의변화에따라증발량이변화하지않도록증발속도는증발율과온도에의한 PID제어등을통해균일한증발속도를유지할수있도록설계되어야한다. 양산장치를효율좋게가동하기위해서는유지관리를고려하면서가능한연속운전시스템으로이루어져야하며장기간연속운전이가능하기위해
42 유기발광다이오드의기술개발동향서는유기재료증발원의대형화와공급기구가확립되어야한다. 21) 셀이커지면여러가지문제들이더욱복잡하게되므로이에대한기술축적도확보되어야한다. 특히향후 8세대판넬과같은대형화사이즈에대한기술축척도확보되어야한다. (5) 양산장치예 일본의 Tokki가개발한 ELVESS-C 장치는박막형성과봉지의공정을일체화한풀컬러 OLED 디바이스양산용제조장치이다. 반송실의처리실을방사상으로배치한 8각형의 Cluster형으로구성되었으며반송실의중앙에는로봇이설치되어유리기판을각처리실로순차적으로이송하면서 OLED 디바이스를완성하는시스템이다. 양산에대응하기위해방막형성제 1공정 ( 정공수송층증착실 ), 박막형성제 2공정 (R,G,B 발광층증착실 ), 봉지공정의 3개의 cluster 로구성되어연결되어있다. 21) 5. 유기박막트랜지스터 (OTFT) 의기술개발동향 가. 연구동향 AMOLED가개발및실용화되면서구동소자로서 a-si TFT, LTPSTFT 를채택하고있다. 그러나이들무기구동소자는기술개선되어야할문제점들이많다. LTPSTFT 경우는각화소에서의균일성, 이동도, 문턱전압의균일성등에서문제점이있고 a-si TFT 경우는채널내부에서발생하는결함 (depect) 으로문턱전압이이동 (shift) 되는현상이발생하여 OLED 전류치에손상을준다. 따라서이들결함을개선하는연구와병행해서차
제 3 장기술개발동향분석 43 세대구동소자로서유기박막트랜지스터 (OTFT) 에대한관심이모아지고있다. 유기재료는무기재료에비해서경량, 우수한가공성, 유연성, 분자설계의용이성, 경제성및폐기처리의용이성등장점이많아 OTFT로서관심이많으나대부분유기반도체재료는무기반도체에비해전도율, 캐리어이동도가낮아유기박막트랜지스터를실용화하기위하여는이들성능향상이과제이다. 22) OLED 디스플레이패널기술은기판의종류 ( 유리, 플라스틱 ), 컬러화정도 ( 단색, 풀-컬러 ), 구동방식 ( 수동형, 능동형 ) 에따라단순기능성패널 ( 유리기판, 단색, 수동형 ) 에서고기능성패널 ( 플라스틱기판, 풀컬러, 능동형 ) 로발전될것으로전망된다. 지금까지의상품화는유리기판, 단색, 수동형패널이주류를이루고있으나연구개발방향은플라스틱기판, 풀컬러, 능동형 ( 유기 TFT) 패널개발에집중하고있다. 25,22) OTFT에사용하는재료는 전자계물질로 conjugated 고분자와 oligomer 이다. 전자계분자및물질은광흡수, 발광, 전하발생, 전하수송, 광에대한고속응답성, 큰비선형광학효과, - 상호작용등독특한특성을가지고있기때문에유기반도체, 유기도체, 비선형광학재료, 전하수송재료, 광전변환재료, 발광재료등광및전자기능재료로많이응용되고있다. 4,22,26) OTFT는 1980년부터 philips, Pen.state Univ, Bell Lab, 3M 등이꾸준히연구해왔으며 2003년 3M에서발표한펜타센 OTFT의이동도값이 ~5 cm2 /V s로 1986년도 10-6 cm2 /V s에비하면비약적기술개발이다. 국내에서는 ETRI, 서울대, 홍익대, 동아대, 삼성, LG 등에서펜타선 OTFT에대한연구를진행하고있다. 지금까지원천기술특허는 Kodak, Idemitsu, CDT 등이선점하고있으며특히청구범위가광범위한 Kodak의원천기술은 2003년에완료되어특허선점을위한경쟁이국내 외적으로치열
44 유기발광다이오드의기술개발동향하게전개되고있다. 4) 폴리아센계열은분자간의평면성이높기때문에고품질의결정을얻기쉽 고 전자계가발달하여분자간의 전자의중첩이크며큰캐리어이동도를가지고있어 OTFT 재료로유망하며최근이를이용한캐리어이동도가 8cm2 /V s의높은값을발표했다. 그러나폴리아센계열은유기용매에난용성으로진공증착법으로성막해야한다. 26) 습식공정법으로는펜타센전구체를사용하여스핀코팅법으로성막한다음가열처리하여펜타센을생성하는방법이있다. n형유기반도체는 p형유기반도체에비해산소에대한안정성이떨어지기때문에그간연구가활발하지않았으나최근플러렌 (C 60 ) 을이용한 OTFT 전자이동도가 0.5~0.3cm2 /V s이고 on/off 비가 10 8 으로 n형반도체로서가능성이확인되었으며유기분자내에불소원자나전자를끌어당기는기를도입한프탈로시아닌 (F 6 C u P c ) 이나올리고티오펜 (DFH-6T) 을합성하여 n형유기반도체를제작하여전자이동도가 5 10-3 cm2 /V s의값을얻었다. 26) 나. OTFT 의구조 지금까지여러종류의 OTFT 구조가개발되었으며그대표적인것이 < 그림 3-19> 와같다. < 그림 (a)> 는게이트절연막으로 SiO 2 를형성한 Si 기판 (gate 전극 ) 위에 Source, Draine 전극과유기박막을형성한것이다. (a), (b) 에서는유기박막의면내방향으로형성된채널층을따라서전류가흐르는횡형구조이다.
제 3 장기술개발동향분석 45 < 그림 3-19> OTFT 의구조 22) 유기반도체층 유기반도체층 Gate 절연막 유기반도체층 절연성기판 Gate 절연막 유기반도체층 Donor 분자 Acceptor분자전계전하이동 Gate 절연막 분자 Gate 절연막 또 (c), (d) 는유기박막의수직방향즉막두께방향으로전류가흐르는종형구조이다. 이구조는정전유도트랜지스터 (SIT: Static Induction Transister) 소자구조이다. 횡형구조에비해많은장점이있다. 이종형구조는 SIT 본래의특징인낮은전력, 낮은동작속도를크게개선할수있는가능성이있다. 즉 SIT 소자는횡형에비해서채널길이가짧고, 유효전극면적이넓고, 계면의영향등으로같은이동도를갖는재료를사용해서도큰전류, 고속동작이기대된다. (e), (f) 는 Donor, Acceptor 성분자층또는단일분자를이용한분자트랜지스터의연구에도관심을갖기시작했다. 이상에서와같이 OTFT의성능은재료, 소자구조면에서많은연구가진행되고있어머지않아 30MHz 이상에서동작하는 OTFT도가능할것이다. 또한나노레벨의분자트랜지스터나유기박막의특징을살린신형트랜지스터의개발도기대된다. 22) 다. OTFT 전기적특성 OTFT 의전계이동도는여러가지요소들의영향을받으며다음식으로 주어진다.
46 유기발광다이오드의기술개발동향 즉전계이동도는포논산란 ( ), 불순물산란 ( ), 계면거칠기산란 ( ), 표면전위산란 ( ), 입경경계 (grain boundary) 산란 ( ) 등에의해결정된다. 동일한조건에서제조된 OTFT의이동도가다르게나타나는것은입경의크기가일정하지않아입경경계산란이다르기때문이다. 채널길이에따라서도전계이동도가다소다르게나타나는데이는 Au 전극과분자간상호간의관계에기인한다. 즉 Au의전극가장자리주변에증착된입경이채널중심부의입경보다작아지고이것이전계이동도를감소시키는원인이다. 4) 라. 유기박막성막공정 유기반도체트랜지스터의전하이동통로가되는유기물의결정화는전하이동도를결정하는가장중요한요소중하나이다. 즉유기방막을어떻게성막하느냐에따라유기트랜지스터의성능이결정된다. 이동도를증가시키기위해서는포논산란 ( ), 불순물산란 ( ), 계면거칠기산란 ( ), 표면전위산란 ( ), 입경경계산란 ( ) 등을여하히줄이느냐에따라결정된다. 포논산란에의한이동도성분은유기반도체자체가가지는고유의성질이므로온도, 압력을조절하는방법외에다른방법은없다. 고순도화는승화법을수차반복하여고순도를얻을수있다. 또트랜지스터에서전하는유전체표면에서아주가까운영역으로만흘러가기때문에표면거칠기도전하이동도에큰영향을미친다. 표면거칠기와입경경계산란은유기반도체의결정화와직접관계가있다. 입경성장메커니즘에의하면펜타센분자는초기에핵을형성하고그핵
제 3 장기술개발동향분석 47 을중심으로입경 (graine) 이나뭇가지형태로성장하여그레인이맞닿는 곳에서입자경계가형성된다 (< 그림 3-20> 참조 ). < 그림 3-20> 펜타센박막성막과정 4)
48 유기발광다이오드의기술개발동향 제 4 장 핵심기술개발동향 1. 발광효율향상을위한 OLED 소재기술 OLED는전하주입형발광소자이기때문에유기층및전극의각계면간전하의주입효율이소자의성능을좌우하는주요인이다. 따라서전자와정공의이동속도 ( 주입효율 ) 를향상시키는것이곧 OLED 발광효율을향상시키고성능을개선하는길이다. 각계면간기술사항을정리하기로한다. 가. 양극의조건 양극은투명전극인 ITO로이루어지며정공의주입효율을향상시키기위하여는 ITO와유기반도체접합계면에서에너지장벽을가능한낮게설계해야한다. 이를위한한방법으로 ITO 표면을산화시킴으로서가능하며산화방법으로는오존을이용하여산화시키는방법과플라즈마에의해생성한산소래디컬을이용하여산화시키는방법이주로사용되고있다. 15) 나. 음극의조건 음극전극은낮은구동전압에서전자공급이가능하도록일함수가낮아야
제 4 장핵심기술개발동향 49 하고전류전도성이우수해야한다. 지금까지개발된음극으로는 MgAg 합금이주로사용되고있으며 MgIn, MgCu에대한연구도많이이루어지고있다. 또음극과전자전달층사이에 0.5~1 나노미터정도의 LiF, LiD, CsF와같은전자주입층을삽입하여전자주입효율을향상시켜발광효율을높일수있다. 다. 유기박막의조건 유기박막은정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 전자주입층등 5개박막층으로형성되며총두께가 50~100nm 정도이다. 박막공정에서열등에의한변성이없어야하고각층의막두께가균일해야하는것이무엇보다중요한사항이다. OLED 제조공정에서핵심기술중하나가나노기술을응용한유기물질코팅기술이며이기술은삼성전자, 삼성 SDI, LG전자, LG 필립스 LCD 등국내기업들이이기술을선도하고있다. 정공이동층재료는낮은 Tg( 전이온도 ) 로인해열변형이쉽게일어나수명을줄이고있으므로열적안정성이우수한재료개발이선행되어야하고전자수송층재료는이동도가낮고 LUMO 에너지가높아전자주입이어려워정공과의전하균형을맞추기가어렵다. 낮은 LUMO 에너지를가지고높은전자이동도를가지는재료개발이시급한과제이다 일반적으로유기물질에서전자의수송은정공에비해매우낮은데그원인은유기분자의음이온종특히탄소음이온종이갖고있는불안정성이원인이다. 특히환원전위가낮은산소가존재하면음이온래디컬이산화하여 n형특성이 p형특성으로변하게된다. 대기중안정한 n형반도체를만드는것이급선무이다. 17) 전자의주입은유기분자의 LUMO 준위와전극에사용되는금속과의균형에의해결정된다. 전자의주입장벽이가능한낮은 LUMO를갖는 π전
50 유기발광다이오드의기술개발동향 자계설계가요구된다. 또한고분자재료는저분자에비해전자수송이느리므로고분자호스트에저분자도판트를사용하는것도시도해볼만하다 LUMO를낮게조정하는방법은불소치환기를도입하는방법으로예를들면프탈로시아닌은 p형특성을나타내는데이를불소로치환하면 LUMO가 1.6 ev(alq 3 경우 3.3eV) 까지낮아져 n형으로바뀐다. 17) 엑시톤생성시일중항 ( 형광 ) 과 3중항의비가 1:3 비율로형성되어형광재료 ( 일중항 ) 만을사용하면엑시톤생성효율은 25% 로외부양자효율은 5% 에지나지않으며인광재료를사용할경우엑시톤생성효율을 70~100% 까지올릴수있어외부양자효율이최대 20% 까지가능하다. 따라서인광재료의개발이필요하며특히청색, 적색에서는장수명인광재료개발이시급하다. 삼중항엑시톤은일중항천이가가능하며이때인광을발하게된다. 삼중항엑시톤을사용하기위해서는 spin-orbit 결합을증가시켜야하는데이는무거운원자를이용하여증가시킬수있다. S.R.Forrest 등은스핀궤도결합이큰 Ir, Pt와같은무거운원소를중심에갖는인광색소를이용하여고효율 OLED를개발했다. 인광재료의단점과대책 - 인광재료의가장큰단점은저전류밀도에서는효율이실용화가능할정도로충분히높으나고전류밀도에서는삼중항여기상태의포화로인한소멸현상으로효율이급격히감소하는현상이있다따라서이러한단점을개선하기위해서는도판트인발광체의삼중항여기상태의수명이짧고, 삼중항-삼중항소멸현상이방지되는재료를개발해야한다. - POELD(Phosphorescent Organic Electroluminescence device) 의효율을높이려면인광이포화되는전류밀도를증가시켜야하는데크게두가지를고려할수있다.
제 4 장핵심기술개발동향 51 - 인광색소를도핑하여삼중항엑시톤을빠르게바닥상태로전이시키는방법과도핑되는호스트물질을인광색소보다인광수명이긴인광재료를사용하여높은전류밀도에서인광색소로전달되지못한삼중항엑시톤을계속인광색소가바닥상태로전이할때까지호스트에유지해서효율을높이는방법이다. 최근에는규소를포함한실롤 (silole) 고리를기본구조로사용한 π-전자계분자가 OLED의높은전자수송능력을나타낸것이보고되었다. 또이실롤골격을더확장한사다리형분자도합성되었으며완전평명구조를갖는규소분자를다른원소로치환한골격을기본구조로한새로운유기전자재료개발도추진중이다. 실롤화합물중에서 PyPySPyPy 화합물은 Alq 3 보다매우우수한특성을나타낸다. 라. 멀티포톤 (multiphoton) 소자개발 고효율을위한또다른시도는 multiphoton 이라고명명한새로운소자개발이다. 지금까지소자는하나의전자를하나의광자로변환함으로써 100% 내부양자효율을얻었다. 이에대해하나의전자를다섯개의광자로변환할수있다면내부양자효율은 200%, 300% 도가능하게된다. 또 1,000 Cd 발광시전류밀도는 1/5에서 1/10으로되어수명은 10배 100배로연장될수있다. 기본원리는종래의소자를직렬로중첩한구조로양극과음극사이에전하발생층을삽입하고전압을걸면정공과전자가발생하여인접한발광유닛으로주입되고외부에서주입된전자나정공과재결합하여발광하는원리이다. 8) 이러한 multiphoton 소자는 Yamagata 대학의 Kido Junji 에의해개발되었으며전하발생층을 1층삽입하면종래소자의 2배로, 2층삽입하면 3
52 유기발광다이오드의기술개발동향 배로높일수있다. 2. 가공기술 OLED의상품화시기를앞당기고경쟁력을확보하기위하여는가공기술의뒷받침이없이는불가능하다. 최근 OLED에대한기초기술, 요소기술등핵심기술들이상품화수준까지개선된상태에서도시장확대가늦어지는이유가바로이가공기술에달려있다고해도과언이아니다. 몇가지핵심적인가공기술을살펴보기로한다. 가. 봉지기술 (encapsulation) 소자수명에치명적인외부영향인자는산소와수분의침투이다. 따라서수분, 산소의침투를막기위한봉지기술은핵심가공기술중하나이다. 지금까지봉지재료는스틸, 유리등이많이사용되고있으나앞으로는시트 PC, 박막형태의봉지기술이개발될전망이다. 또한봉지공정은저진공상태의질소가스분위기에서처리되어야한다. 모디스텍 ( 대표이충훈 ) 은 OLED 양산에필수적인봉지기술용필름형태유기물질인하이브캡을개발했으며본기술은 OLED의보호와방습은물론대면적 AMOLED와 Top emission을양산하는데가장큰걸림돌인봉지기술을근본적으로해결할수있게되었다. 나. 유기박막형성기술 나노기술을응용한유기물질성막기술은 OLED 의수명과성능을좌우하 는핵심기술로이분야에서는한국이독보적인기술우위를확보하고있다.
제 4 장핵심기술개발동향 53 레이져전사법 (LITI) 은레어져를조사하여발생하는열에의해 Donorfilm 의형성기술, 필름의증착기술, LITI Imaging 기술이핵심기술이며박막의균일도제어, 대면적제작에우수하고고정세화된패터닝, 박막균일도향상에장점이있다. 삼성 SDI가미국 3M사와공동개발하여그간 50 여건의특허공개로실용화단계에와있어향후 OLED 상품화에크게기여할전망이다. 삼성 SDI는경희대와공동으로금속촉매를이용하여대면적 LTPS막을형성함으로써 OLED를초대형화할수있는 SGS(Super Grain Silicon) 기술을세계최초로개발하여 17인치 AMOLED를제작하고 30~40 인치도앞당길예정이다. 이기술은 a-si TFT 기판에극소량의금속촉매를도포한후고속열처리로 LTPS 막을형성하는기술이다. 종래방법은 ELA (Eximer Laser Annealing) 기술로결정화공정을처리했으나입자크기조절이어렵고대형화에한계가있다. 본방법은기존방법에비해설비투자비가 1/4, 유지비가 1/10로대폭줄일수있어가격경쟁에서도크게기여할것이다. 저분자 OLED 소재는유기용매에녹지않아진공증착법을사용하고있다. 진공증착법은제조공정이비싸고균일증착에기술적어려움이있어수율이떨어진다. 듀폰코리아 ( 대표원철우 ) 는저분자 OLED의액상인쇄방식이가능한공정개발로제조원가를낮추고수명을연장하는기술을확보했다. 3. 풀컬러 (full color) 화기술 풀컬러화방법은삼색분열도포법, 컬러필터법, 색변환방법등 3 가지가있 으며삼색분별도포법은광의손실이적고낮은소비전력으로고휘도를 낼수있는것이장점이다. 그러나 R.G.B 화소의열화정도가다른것이
54 유기발광다이오드의기술개발동향 문제점이며특히청색, 적색의장기수명이아직실증되지않은것이문제점이다. 향후 3색모두장기수명이충분히개선 (40,000 시간이상 ) 되면이방법이각광을받을것이다. 컬러필터방법은 Kodak 사에서개발한기술로백색광원을사용하여 R, G.B.W의 4 Sub-pixel 과컬러필터를조합한기술로고정세화및대면적화가가능한것이큰장점이다. 색변환방식은형광변환을이용하기때문에효율이높고스펙트럼에청색을함유한 OLED이면광원으로사용이가능하다. 문제점은색변환층이필요하기때문에제조공정수가증가한다. 또 3원색중에서에너지가가장높은청색광은형광변형으로만들수없기때문에청색의원색을포함해야한다. 4. 구동소자기술 (back plane) 향후 OLED 시장은 AMOLED로갈것이며기존디스플레이인 LCD, PDP와시장경쟁도 AMOLED의몫이다. 그간풀컬러화, 대형화, 장수명화등 OLED 상품화에장해요소들이하나하나해결되어이제본격적인상품화시대로접어들게되었다. 그러나 LCD와가격경쟁을위해서는여하히제작공정을단순화하고가격을낮추느냐에달려있다. 특히 back plane 의제작공정의단순화와성능안정화가급선무다. back plane은 LTPS TFT, a-si TFT, OTFT에대하여많은연구를하고있으며기술수준도크게개선되고있다. OLED는전류구동이므로 TFT 각화소마다특성이균일하고문턱전압, 이동도등이균일해야한다. LTPS TFT는이러한요구조건을만족할수없고기판크기도 4세대수준으로 5~8세대를지향하는 LCD와경쟁을위
제 4 장핵심기술개발동향 55 하여는개선해야할점이많다. 19) - LTPS TFT back plane의소자균일도향상을위하여보상회로를적용하면 Sub-pixel 내에여러개 TFT가필요하며이로인한개구율이줄어드는문제가생긴다. Sony는 Top emission 방식을개발하여이문제를해결했다. - Top Emission 방식을적용할경우음극에서빛이반사되어야하므로일함수가크고반사율이높은 Cr과같은금속이필요하며 MgAg와같은투명음극과패시베이션 (passivation) 층개발이필요하다. 아몰퍼스실리콘 TFT의경우품질면에서각 pixel의균일도요구조건은만족할수있는수준이며기존 TFT LCD 기술을이용할수있다는장점이있다. 그러나이동도가매우낮고가동중문턱전압이 shift 되는경향이있어 OLED 전류치에손상을주는문제점이있다. - 아몰퍼스실리콘TFT(a-si TFT) 문턱전압이 TFT 채널내부에발생한결함 (defect) 으로인해구동하는동안이동되는문제는픽셀내에보상회로를설치하여해결하려는연구가진행중이다. 19) - 아몰퍼스실리콘 TFT(a-Si:HTFT) 경우현재의 OLED효율수준에서는전류량이부족하고구동전압이높아안정도 (stability) 면에서문제점이있고또현재가능한디바이스가 n-type 이므로음극과양극을반대로한 OLED 구조를택해야하는문제점이있다. 이를해결하기위한방안으로고효율의 phosphorescent OLED를이용하여 a-si:htpt 로구동하는연구가진행중이다. - LD Tech는세계최초로 a-si를이용한풀컬러 20인치 AMOLED 를개발하여 a-si TFT 어레이의가능성을제시했다. 또삼성전자는 a-si TFT를이용한 AMOLED 40인치 TV를 SID(2005) 에전시했다. 대만의 Rit-Display, Au Optronics 역시 a-si TFT 개발에집중하고있다.
56 유기발광다이오드의기술개발동향 OTFT는무기재료에비해경량, 우수한가공성, 경제성등장점이많으나전도율, 캐리어이동도가낮아이들에대한성능개선이주요과제이다. 최근 Oligomer 에대한연구가진행되고있으며 Philips, Pen State Univ, Bell Lab, 3M 등이이분야에많은연구를하고있으며 3M에서개발한펜타센 OTFT의이동도값이 ~5cm2 /v s 로 1986년도 10-6 cm2 /v s에비하면비약적인기술진전이다. OTFT의성능은소자구조, 재료면에서많은기술개선이이루어져머지않아 30MHz에서작동하는 OTFT도가능할것이다. - OTFT의성능을좌우하는중요한요소중하나는활성층유기박막의결정성이며이결정성은성막조건에크게영향을받는다. - 방막을성형할때증착온도가너무낮거나증착속도가빠른경우, 기판의격자상수와박막의격자상수에현저한차이가있을경우박막의결정내결함이많이발생한다. 즉박막의결정화를이루기위한조건이열악할수록결정내결함의밀도가높아지게되는것이다. 이러한결함을줄이는방법으로는큰입계를형성하는것이다. 유기박막트랜지스터경우채널내에큰입계가형성되면소스 (source) 에서나온전하가드레인 (Drain) 으로들어갈때까지만나는결정립경계의수가감소하게된다. 이것은이동도를향상시키게된다. 이러한결정립경계에의한산란의기여가나머지전체에의한기여보다크기때문에결정립을크게유지하는것이무엇보다중요하다. 4) - PVD(Physical Vapor Deposition) 는고진공에서분자를증기화시켜기판에부착하는건식방법이며분자를증기화시키는방법에따라진공증착법, 스퍼터링 (Spattering) 법, 이온빔 (Ion-Beam) 법, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 법으로나눈다. 이방법은불순물의영향을줄일수있고여러유기물의복합막, 유기무기혼합복합막형성이가능하고막의조성변경이용이한점이장점이다. 반면내열성이낮은재료는사용할수없
제 4 장핵심기술개발동향 57 고성망속도가늦고균일한성막이어려운단점이있다. - CVD(Chemical Vapor Deposition) 은중합시키려는단량체 (monomer) 가스를반응계에도입하여열, 플라즈마, 광등의에너지로활성화하여기판에성막하는방법으로기판의선택이나성막조건에따라고도로배향된막을성막하거나 3차원적인배치를고려한신기능성박막연구에주로사용된다. - OMBD(Organic Molecular Beam Deposition) 법은 MBE법과유사한성막방법으로 10torr 이하의초고진공에서 Effusion Cell에유기물시료를넣고가열하여시료를증기화하여기판에증착시키는방법으로최근에적용하기시작하였으며기존의스핀코팅 (Spin Coating) 법에비해미세결함이없고고도의배향성을지닌유기박막을제작할수있는것이장점이다. 4) 유기박막을증착하기전에 RIE(Reactive Ion Ething) 시스템을통해 O 2 플라즈마로표면처리하면펜타센 OTFT의전류-전압특성은 20배정도로크게증가하며전계이동도역시 10배정도증가하여 0.05cm2 /V s 수준까지향상된다. 이러한원인은 < 그림 4-1> 에서와같이 O 2 플라즈마처리하면펜타센의입계가처리전에비해커지고또금속전극위의펜타센입계가조밀하게성장한다. 이러한펜타센입계의크기의증가가성능개선의주요인이다. 입계크기가증가하면입계경제밀도가감소하고입계경계산란 (grain Boundary Scattering) 이감소하여전계이동도가증가하기때문이다. 4) - 소스 / 드레인, Au 전극과펜타센사이의접촉저항을줄이는방법으로전극계면에 MNB(2-Mercapto 5-nitrogenimidazole) 을자기조립 (self assembly) 방법으로 Au 전극위에도포하면 MNB는 Au 전극위의분자정열을개선한다. 이는한쪽에는치올 (thiol) 기가있어 Au에잘붙고
58 유기발광다이오드의기술개발동향 다른쪽은벤젠이있어펜타센의접촉저항을낮춘다. 또드레인전류, on/off 전류비역시크게개선된다. < 그림 4-1> 전극주변의펜타센박막 AFM 사진 4) (a) 처리전 OTFT (b) O 2 플라즈마처리후 OTFT 5. 플렉시블디스플레이기술 기존의디스플레이기판으로유리를많이사용해왔으나앞으로플렉시블디스플레이시대를위해서는접을수있고두루마리할수있는플라스틱기판개발이필수적이다. 그러나플라스틱을기판으로사용하기위해서는플라스틱의내열특성, 열팽창성, 수축율제어, 광투과성, Barrier 특성, 가스차단특성등이해결되어야한다. 플라스틱기판은유리기판에비해내열특성과기체투과방지특성이열악하다. 따라서플라스틱을디스플레이기판으로사용하기위해서는기체투과방지기술이개발되어야한다. 그이유는수분이나산소가유기디스플레이수명에치명적인영향을주기때문이다. 이러한기체투과방지막으로는무기물코팅방법을주로사용한다. 최근에는나노복합재를이용한기체투과방지막에관한연구가활발히진행되고있다. 플라스틱기판의열수축율은기판의열이력에따라결정되지만디스플레
제 4 장핵심기술개발동향 59 이제조공정조건에의해서도크게변한다는사실이최근발견되었다. 예를들면플라스틱필름은흡습성이있으며이경우낮은온도에서도쉽게변형을일으키는등수분이필름내에침투하여일종의가소제역할을하고이에따라필름의내재된스트레스를쉽게전이시켜변형이용이하게한다는사실이밝혀졌다. 따라서수분의제거및흡습방지기술이확보되어야한다. 플라스틱필름은유리기판에비해광투과특성이떨어진다. 따라서광투과특성을여하히향상시키느냐가핵심기술중의하나이다. 최근플라스틱필름에적절한굴절율의물질을코팅함으로서반사방지특성을부여하는기술이개발되어활용하고있다. 그러나코팅두께에따라광투과성이저하할수있으므로최적조건을찾는것이중요하다. 5,6) 기체투과방지막 (gas barrier) 은디스플레이용플라스틱필름에는절대적으로필요한기술이며이는플라스틱필름에각종코팅을형성함으로서달성할수있다. 그러나 barrier 코팅과플라스틱필름과의밀착성이가장중요한변수이며최근진공풀라즈마 (plasma) 공정이개발되어효과를보고있다. 또무기물코팅경우기판과무기막간의 stress에의한기판이휘어지는현상이발생할수있다. 이스트레스를해소해주기위하여무기막과플라스틱사이에고분자막을형성하여휨현상을개선하는방법도연구하고있다. 6)
60 유기발광다이오드의기술개발동향 제 5 장 시장동향분석 1. 국내 외시장현황 가. 세계시장현황 현재평판디스플레이 (FPD) 시장은 LCD의기존시장고수전략과차세대디스플레이로각광받고있는 OLED의한판결전이시작되었다. 그간 OLED는기술부문에서풀컬러화, 장수명화, 대형화기술등해결해야할과제들이많아 FPD 시장공략에어려움이많았다. 그러나그간꾸준한연구결과로이들문제점들이상품화가가능한수준까지개선되어 2000년부터 PMOLED로시작한시장은매년 50~60% 의급성장을지속하고있으며특히 2003년부터시제품으로선보이던 AMOLED가 2006년에대량생산공장이삼성SDI, LG필립스 LCD에의해완성되어 8월부터시운전단계를거쳐 2007년 1월부터본격생산될전망이다. LCD 역시그간꾸준한기술개선으로대형화, 광시야각, 휘도등품질개선과제조원가절감으로시장경쟁력을키워왔다. 특히최근들어제조원가절감으로인한가격경쟁력은 OLED 로서도쉽게넘볼수없는장벽이될것이다.
제 5 장시장동향분석 61 < 표 5-1> LCD 와 OLED 세계시장전망 단위 : 억달러 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 비고 LCD 318.0 459.8 493.7 553.6 615.2 662.3 663.1 726.1 44.6 7.3 11.1 11.1 7.7 0.12 10.0 년간성장률 OLED 2.7 4.8 7.4 14.9 28.8 52.5 79.2 99.7 77.7 54.2 101.4 93.3 82.3 50.9 25.9 년간성장률 자료원 : 디스플레이뱅크 2005. 07 < 표 5-1> 에서보면 LCD 경우매년 10% 수준으로성장하여 2010년에는세계시장이 700억달러를넘어서는것으로나타났으며 OLED 경우평균 70% 성장으로 2010년에는 100억달러까지급성장하는것으로나타났다. 또 2003년 OLED는 LCD에비해 1% 이하인것이 2010 년에는 14% 까지따라잡을것으로전망하고있다. < 표 5-2> 년도별세계 OLED 시장예측 단위 : 백만달러 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 비고 PMOLED AMOLED 448 694 1081 1437 1750 1708 840 54.9 55.8 35.6 21.8-2.4-50.8 년간성장률 22 50 115 284 604 1381 3162 127.3 130.0 150.0 112.7 128.6 129.0 년간성장률 AM/PM 비 4.9 7.2 10.6 19.8 34.5 77.6 376.4 자료원 : OLEDNET 2006. 4. 7. PMOLED 시장은 2003년대량생산체제에들어간후매년 50% 수준의고성장을유지해왔으나 AMOLED의상품화및대량생산에들어갈것으로예상되는 2007년부터는성장세가둔화되어 2009년부터는마이너스성장으로전망하고있다. 그러나 PMOLED는제조공정이단순하며투자비
62 유기발광다이오드의기술개발동향 가적고대량생산이용이하여모바일시장에서는고유의시장을유지할것으로전망된다. AMOLED는 2004년상품화개시후매년 120~130% 의고도성장을유지하고있으며이러한성장세는 AMOLED의 back plane 기술, 수명연장문제등이해결되어중대형 TV에적용되면서 LCD와본격적인시장경쟁에돌입할것으로예상되는 2010년이후부터는시장성장속도는더욱가속될전망이다. 2003년이래 OLED 시장은 PMOLED를중심으로한휴대전화, 차량탑재용오디오, 전기면도기, MP3 플레이어등에적용되어왔으며 2002년 9,200 만달러, 2003년에 2억 1,900만달러, 2004년에는 4억 8,000만달러로높은성장을해왔고 2010년에는 31억달러까지성장할것으로전망하고있다. 디스플레이서치는 AMOLED가얇고가벼우며선명하고빠른동영상구현이가능해차세대평판디스플레이로급부상하고있어 2009년까지매년 79% 씩성장하여 2009년에는 53억 5,000만달러에이를것으로보고있다. AMOLED의대량생산이이루어지는 2007년부터는그응용분야도확대되어고급휴대폰, DMB폰, 와이브로폰, PMP 등에도 OLED 탑재가실현될것이며향후세계시장은 AMOLED 시장선점여부에의해국가간주도권이결정될것이다. OLED NET에의하면지난해세계생산량의 43% 로 1위였던대만이 2006 년에도 46% 로계속 1위를유지할것이며한국이 37%, 일본이 12% 로전망하고있다. 그러나매출액기준으로보면한국이 53%, 대만 34%, 일본 18% 로전망되며이는한국이대만보다고가제품에치중하고있기때문이다. 올해에도기업별로는삼성 SDI, Rit display, LG 전자동부파이오니어, 유니비젼등이주생산기관이될것이며특히 LG 전자의상승폭이두드러질것으로보인다.
제 5 장시장동향분석 63 분야년도 휴대폰메인창 < 표 5-3> 응용분야별 OLED 세계시장전망 휴대폰외창 MP3 P 디지털카메라 자동차오디오 단위 : 만달러 기타총계비고 2005 3,400 2 억 3,620 5,760 3,720 5,940 3,090 5 억 1,810 2006 9 억 1,820 2 억 4,110 1 억 9,510 1 억 1,760 8,290 2 억 1,290 16 억 8,740 2009 38 억 530 2 억 6,810 2 억 6,070-1 억 1,310 5 억 4,420 51 억 910 회사년도 < 표 5-4> 주요메이커별생산현황 단위 : 만대 삼성 SDI Rit Display Univision Pioneer LG 전자년간총생산량 2005 1,658 1,574 780 671 440 6,110 점유율 (%) 27.1 25.8 12.8 11.0 7.2 < 표 5-5> 국가별생산량 단위 : 만대 대만한국일본 2004 1,100 1,600 700 2005 2,700 2,200 800 2006 년 OLED 시장은 2005 년대비 150% 이상성장할것으로보이며특 히 AMOLED 의점유율이전년도 1% 수준에서 13% 대로확대될것으로 보인다.
64 유기발광다이오드의기술개발동향 나. 국내시장현황 < 표 5-6> OLED 국내시장동향 구분 2002 2003 2004 2006 2008 2010 2012 비고 물량 - - 14,220 55,690 94,854 161,278 279,802 단위 : 천대 금액 04 1 237 1,128 1,741 2,647 4,108 단위 : 백만달러 자료원 : 전자부품연구원 < 표 5-7> 국내 OLED 수출전망 단위 : 억달러 구분 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 OLED 0.5 0.7 1.2 3.2 8.2 13.2 23.5 자료원 : 디스플레이뱅크 : 2005. 07 국내시장은 2003년삼성 SDI가 500만개판매를시작으로본격적인 OLED ( 당시는 PMOLED) 생산국이되었으며 2005년 11월에세계최초로누적출하량이 3,000만대를돌파하였다. 수출은 2004년 5천만달러를시작으로매년수출성장율이높아서 2010년에는 23억달러가넘어설것으로전망하고있으며삼성 SDI 와 LG 필립스에서일본대만에앞서 AMOLED 생산공장준공으로 2007년부터수출량은더욱증대될것으로보인다.
제 5 장시장동향분석 65 다. OLED 응용사례 < 그림 5-1> PMOLED display 29) Pioneer 96x64 Full Color PM Display Riteck EXAMPLES OF PRODUCTS WITH KODAK DISPLAY TECHNOLOGY Motorola(by Appeal) Samsung Electroniccs Kodak Licensed SNMD to Manufacture PM OLED Displays TDK SNMD Lucky Glodstar(LG) Nippon Seiki < 그림 5-2> AMOLED display Eastman Kodak : Digital camera Sanyo : Cell Phone with Digital camera 2. 국내 외업체상품화현황 가. 국외현황 Motorola 는세계최초로 PMOLED 를탑재한휴대전화를생산하였고 Dohoku pioneer은 1999년 PMOLED 양산에성공하였다. Sanyo Kodak는컬러화 AMOLED를 2003년에디지털카메라에최초로적용하였으며 Sanyo는 LTPS TFT를사용하여 10인치 OLED 디스플레이를개발했다.
66 유기발광다이오드의기술개발동향 Sony는세계최초로 Top Emission 방식의 13인치 AMOLED를개발하여 OLED 대형화의길을열었다. 또 Top Emission OLED를 PDA에적용하여상용화하였다. Seiko-Epson은고분자를이용한 20인치의 AMOLED 패널을개발했으며이를 4장붙인 40인치 AMOLED 패널도개발했다. 대만의 Rit Display는대만최대의 PMOLED 생산회사로세계시장 20% 를점유하고있으며휴대폰 MP3등의용도를주로생산하고있다. 또비정질 Si를이용한 AMOLED에대한연구개발에집중하고있다. 대만 TFT-LCD의최대회사인 Au Optronics 역시비정질 Si를이용한 AMOLED 연구개발에참여했다. I.D Tech는세계최초로비정질 Si를이용한풀컬러 20인치 AMOELD를개발했으며 Top Emission 방식을이용했다. 이로인해 AMOLED용 back plane 으로비정질 Si TFT 어레이의가능성을제시했다. 나. 국내현황 한국은 OLED 분애에서후발국가이면서도매우높은수준의기술을확보하고있다. 특히삼성 SDI는 LTPS TFT형 AMOLED를이용하여 15.5인치디스플레이를 2003년 SID에발표하였다. 삼성 SDI는 OLED의박막형성공정에레이져열전사법 (LITI) 를 3M사와공동개발하여향후경쟁력에크게기여할것으로기대하고있다. 삼성 SDI는천안공장에 AMOLED 생산라인을건설하여 2006년 10월에시제품에이어 2007년 1월부터세계최초로 25만장을양산해로키아, 모토로라, 삼성전자에공급할예정으로이렇게되면세계휴대폰 3대메이져업처에능동형 OLED를모두공급하게된다.
제 5 장시장동향분석 67 LG 필립스역시 2006년 4Q부터 AMOLED 양산에들어가삼성 SDI와차세대디스플레이세계시장을둘러싼치열한경쟁이예상된다. LG 필립스 LCD는 LTPS TFT을채용한 2.4인치 AMOLED를 2006년 10월부터양산한다고 2006SID( 샌프란시스코 ) 에서밝혔다. 삼성 SDI와 LG필립스 LCD의 AMOLED 양산체제돌입은전세계의비상한관심을끌고있으며양사의행보가 AMOELD 시장의방향을결정짓는분수령이될것이다. 양사는 2007년에중대형 AMOLED 디스플레이가, 2008년에는대형이실용화되며제품수명도 5만시간으로늘어기존 LCD와가격경쟁이가능하다고보고있다. 삼성전자는비정질 Si를이용한 AMOLED 개발에집중적인연구투자를하고있으며 40인치급 TV개발에주력하고있다. 또유기소재는고분자, 저분자양부분모두연구범위에포함하고있다. 네스디스플레이는 OLED 전문벤처기업으로휴대폰서브창용 PMOLED 를양산하고있다. 포천시는벤처기업체인 ( 주 ) 엘리아테크 ( 대표박석원 ) 와공동으로 400억원을투입 OLED 생산공장을건설계획이며 2007년에제 1공장, 2008년에제 2공장을완공하여생산계획으로추진하고있다. ( 주 ) 현원 ( 대표송오식 ) 은최근유기발광다이오드 (OLED) 의원가를획기적으로줄일수있는대면적글라스캡 (Glass Cap) 가공기술을개발했다. 현원이개발한원판의크기는 730 460mm로지금까지세계최대사이즈이며현원은이보다더큰글라스캡양산화기술도이미확보하고있는것으로알려졌다. ( 주 ) 현원은구미공단에월 8만장의생산능력을갖춘글라스캡전용생산공장을건설하여 2005. 07월부터양산중이다. LG 필립스 LCD는미국의 Kodak과 2006. 02. 16일 AMOLED에관한상호기술평가협약을체결했다. 양사는 LG필립스의세계최고수준인 TFT
68 유기발광다이오드의기술개발동향 생산기술과 Kodak 의 OLED 재료기술이결합하여차세대디스플레이로 각광받고있는 AMOLED 사업에서세계리더위치를확보할것으로기 대하고있다. 3. OLED 상품화전망과우리의역할 향후평판디스플레이 (FPD) 의시장은빠른속도로재편될것으로보인다. 그간패널의크기경쟁에서는기존 TFT LCD와 PDP가주도해왔으나 AMOLED의기술성숙도에따라서는자연스럽게그리고빠르게 OLED 쪽으로옮겨갈것으로보이며그시기는 2008년부터가시화될것이다. OLED는초박형, 경량, 고명암비, 빠른응답속도, 광시야각등에서장점이있어이동멀티미디어폰 (DMB) 에가장알맞다. 향후경쟁력제고를위하여는품질과가격대량생산체제확립이다. 1987년 OW.Tang 에의해 2층적층한소자를만들면서부터 OLED는차세대광원, 차세대디스플레이로부상되고세계각국은 OLED 실용화연구개발에심혈을기울여 1990년대후반에들어오면서본격적인상품화가나타나기시작했다. OLED가여러가지장점을갖고있으면서도상품화가늦어진것은풀컬러화, 장수명화, 대형화, 봉지기술등에서넘어야할기술적인장벽이높았기때문이며이들애로기술이 2006년에들어오면서대부분개선되었거나해소되었으며일부남은문제도그해결방안이나와있는상태이다. 즉소재개발, 소재의특성개선등재료기술과생산설계기술등요소기술은이미확립된단계에와있으며향후대량생산체제를위해각국이치열한경쟁을벌이고있다. 이에대한각국현황을종합정리했다.
제 5 장시장동향분석 69 가. 요소기술은확립되었다. (1) 유기발광소재기술개발사례 영국캠브리지디스플레이테크놀러지 (CDT) 는초기휘도 100Cd/ m2를 10 만시간동안지속시키는청색폴리머발광다이오드 (PLED) 를개발하였다 (2005.06). Mitsui Chemical 과 Idemitsu Kosan은초기휘도가 1,000Cd/ m2 ( 기존의 32 배 ) 이고, 전류휘도가 11Cd/A( 기존의 3.4배 ), 휘도반감수명이 160,000시간인고성능적색발광재료를개발했다.(2006.03) 또한 Idemitsu 는형광청색및녹색발광재료에서세계최고수준의수명재료를제조판매하고있어발광재료부문에서앞서가고있다. 미국유니버셜디스플레이 (Universal Display : UDC) 사는청색인광재료의수명을 200Cd/ m2에서 15,000시간으로획기적인연장에성공했다 (2005.07). CDT와 Sumotomo 화학의합작사인 Sumation 은인광적색발광재료의수명을 500,000시간까지연장하였으며청색발광재료경우 150,000 시간까지수명을연장하여 AMOLED의상품화를한발앞당겼다. 이상에서와같이컬러구현에서녹색발광재료는수명과효율성면에서이미실용성이입증되었고적색광재역시최근의연구결과로실용화수준에와있다고볼수있다. 다만청색발광재료에서좀더개선해야할점은있으나흰색광재를추가한 RGBW를도입함으로서실용화에별문제가없다. (2) 발광효율개선사례 Nakamura 교수팀은 1990년대청색발광다이오드를개발하여휴대폰조명용으로보급해왔으나효율이낮은것이문제였다. Nakamura 교수팀은기판에질화칼륨결정을성장시켜발광효율을 10배까지향상시켰다 (2006.09).
70 유기발광다이오드의기술개발동향 Royal Philips Electronics 와 Novaled 는공동으로고효율백색 OLED를개발했다. 1,000 Cd/ m2밝기에서 88의 CRI 색좌표 0.47/0.45로 32 lm/w를얻었으며수명도 20,000 시간이상이다 (2006.06). 일본 Yamagata 대학 Kito Sunji 교수팀은발광효율이최대 37 lm/w인청색인광 OLED 소자를개발했다. 또본소자는외부양자효율이이론효율에근접한 20%( 내부양자효율은 100%) 이고휘도는인가전압 5V에서 700Cd/ m2였으며 8V에서는 1,000Cd/ m2이상이었다 (2005.07). 독일포츠담대학 Diter Neher 교수팀은고효율 PLED를개발했다 (2006.05). PLED는잉크젯프린팅스핀코팅법으로제조하기때문에진공증착으로만들어지는 SMOLED에비해공정이간단하고저렴하다. 그러나 PLED 경우 SMOLED에비해발광효율이매우낮다. Diter Neher 교수팀은인광의이리듐착염물을활용하였으며녹색 OLED에서 65 lm/w의발광효율을내고양자효율은 18.8% 의고효율을얻었다. (3) 시제품개발사례 PMOLED는 2000년부터상품화를위한생산체제가확립되었으므로여기에서는 AMOLED의상품화를위한시제품생산사례를살펴보기로한다. Pioneer 는 2003년부터 2.4인치 AMOLED를생산하여휴대전화내부창에부분적으로공급하고있다. 대만 Au 옵트록닉스 (AuO) 는양면에서서로다른동화상을나타낼수있는 AMOLED를세계최초로개발했다. 삼성전자는 a-si TFT를이용한 AMOLED 를개발 2005년 10월에 21인치시제품을개발한데이어 4개월후인 5월에 40인치 (SID 2005) 에시제품을전시하여기술력을과시했다.
제 5 장시장동향분석 71 삼성 SDI는고해상도의입체영상을표현하는능동형 OLED 개발에성공하였으며 (2006.6월) 2007년부터는소형모바일장비에적용하고노트북 PC, 모니터, TV에도적용할수있는기술을개발중이다. LG 필립스 LCD가 10.1인치 e-book를개발하고일본엡손이 EPD( 전기영동디스플레이 ) 시계개발, 삼성전자도 a-si TFT 기술을적용투명플라스틱기판에유연성 OLED를구현했다. Sharp, Philips, Aomori, Sony 등도플렉시블디스플레이시제품개발에성공하여응용기술을개발중이다. 일본의 Rom, Pioneer, Mitsubisich Chem은공동으로 OTFT를이용한 8 8 화소의 AMOLED 패널을개발하였으며 (2006.02) 최대휘도 1,000Cd/ m2, 외부양자효율이 0.8% 로 flexible Display 에응용할계획이다. 본 OTFT 는테트라페닐피렌 (tetraphenyl pyrene:tppy) 을사용하였으며발광효율을높이기위한방안으로 TPPy층을형성하기전에게이트전연막표면을개질하였으며게이트전극의표면평탄화로 TPPy 층에서발생한빛을효율적으로외부로출광되도록하였다. 나. OLED 의향후과제 (1) PMOLED로서 LCD와경쟁할수없다. 2009년에들어와서상품화되기시작한 PMOLED는매년 40~50% 의성장을하면서모바일시장에서바람을일으켰다. PMOLED는외장형회로구조로음극과양극이유기층을사이에두고열과행으로놓이고전압을걸어주면각교차점이하나의픽셀이되어빛을발하게되는원리로제조공정이간단하고투자비가적게드는것이큰장점이다. 그러나 PMOLED는구동특성상짧은시간동안에높은휘도가필요하다.
72 유기발광다이오드의기술개발동향 이와같이단위화소에서의높은휘도는디바이스의수명이짧아진다. 또 multiplexing 구동으로전력손실이발생하여전력소모가증가한다. 따라서 PMOLED는소형이고비교적수명이짧은모바일장비에적용되어왔으며이러한 PMOLED 로서는 LCD 영역을넘보기는무리이다. 따라서그대안으로 AMOLED 에대하여많은연구가이루어져 2004년부터 PMOLED 시장이 AMOLED로급속히바뀌고있다. 실제로 2005년에 AMOLED 시장은 PMOLED의 1% 수준이었으나 2006년에는 13% 대로보고있다. 또 2009년경부터는 PMOLED는마이너스성장할것으로보고있다. (2) Mobile 장비는생활공간의중심 앞으로휴대폰등모바일장비는시간과공간장소에관계없이우리생활의중심에위치할것이다. 가정, 회사, 사회를연결하는유비쿼터스네트워크 (ubiquitous network) 가빠른속도로진행되고있고이들을연결하고집계, 관리, 통제, 조정하는매체가모바일장비이다. 따라서모바일장비는기능이더욱다양하고용량이커질수밖에없다. 외국어를전혀모르면서도외국인과불편없이대화할수있고파리의문화행사, 모스코바의발레를동영상으로감상할수도있을것이다. 화면을크게할필요가있는경우에는플렉시블스크린에연결하면쉽게해결된다. 이모든기능은모바일폰의몫이다. 따라서향후모바일폰은오늘의 PC보다도더욱기능이다양하고용량이커져야한다. 물론지금보다작고가벼우면서 지금까지모바일폰은젊은세대를중심으로수요가형성되어 2~3년사용하면새로운기능, 새로운모델로쉽게바꾸는대표적인 fashion 상품이었으며이러한특성에잘맞는 PMOLED가틈새상품으로성장해왔다. 그러나기능이다양해지고용량이커지면수명이짧은 PMOLED는점점자리가좁아지고또용량이큰동영상을구현할필요가증가하면서 LCD 디스플레이는응답속도가빠른 OLED 쪽으로바뀔것이다. 다시말
제 5 장시장동향분석 73 하면향후디스플레이는 AMOLED 로갈수밖에없다. (3) AMOLED의남은과제 앞절에서살펴본바와같이모바일장비의기능다양화, 용량증대요구, 빠른동영상등은 AMOLED 시대가다가오고있다는것을의미한다. 더욱이 AMOLED의핵심기술인발광소재수명개선문제, 풀컬러화기술, 대형화문제등이상품화가능한수준까지개선되었거나방향이수립된상태이다. 또한각국이앞다투어시제품도생산하였으며 40인치 TV도이미선보인상태이다. 그러면서도각국은막상대량상산설비투자에는망설이고있다. - SK 디스플레이는 2003년에세계최초로 AMOED를카메라에장착하여상품화에성공했으나설비투자를포기하고라이센스에대한비즈니스쪽으로선회하고있다. 그원인은수율이낮고생산비용이높아 LCD 장벽을넘기어렵다는판단에서이다. - Kodak은 2004. 11월수율문제를해결했다고발표했으나최근까지 80% 를넘지못하는것으로알려졌다. (LCD와경쟁력확보를위하여는 96% 이상 ) - 대만의 Poto Tech, 일본의 Pioneer 역시 PMOLED의가격하락으로 PMOLED 시장에서도어려움을격고있으며 AMOLED는수율문제로엄두를내지못하고있다. - Seiko-Epson사는 AMPLED 상품화를 2007년이후로미룬다고발효하였으며 PLED와경쟁일환으로용액공정이가능한저분자인광재료개발에역점을두기로했다.