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백색 OLED 추혜용 이정익 서 론 Emitting Layer OLED 디스플레이의풀컬러구현방식에는적색 (R), 녹색 (G), 청색 (B) 을발광하는 OLED 소자를각각독립적으로제작하는 RGB 서브픽셀 (sub pixel) 방식 ( 혹은, 셔도우마스크방식이라함 ) 과 R, G, B 발광특성을포함하고있는 OLED와특정파장만을투과시키는컬러필터를이용한컬러필터방식과청색 OLED와청색으로부터녹색과적색을얻을수있는색변환물질 (Color Change Medium; CCM) 을사용한 CCM 방식등이있다.( 그림 1 참조 ) 기존의상용화된풀컬러방식은 RGB 서브픽셀방식이주로적용되었으나, 기판크기가커지고고해상도의요구에따른미세패턴제작에대응할수있는셔도우마스크의제작이큰문제점으로대두되고있다. 특히, 고해상도를요구하는디스플레이에서는그림 2의시뮬레이션결과에서보여주듯이능동구동 OLED(AM-OLED) 디스플레이에있어기판의아래로발광특성을얻는하부방출형 (Bottom emission type) 디스플레이의경우에는화소를구동하는트랜지스터의면적으로인하여개구율 ( 開口率 ) 을높이는데한계가있다. 개구율을높이기위하여트랜지스터의상부에 OLED가배열되는상부방출형 (Top emission type) 의디스플레이개발이이루어지고있다. 그러나상부방출형의경우에도 RGB 서브픽셀방식 ( 그림 2의 TE-RGB) 으로는서브픽셀의피치가 60 μm 이하가되면개구율이 40 % 이하로줄어들게된다. 따라서고해상도디스플레이의구현을위해서는 WOLED와컬러필 저자약력 추혜용연구원은경희대물리학과석사 (1989) 학위를받고 1989 년부터한국전자통신연구원에서연구활동을하였으며현재동연구원기반기술연구소 OLED 팀책임연구원으로재직중이다. (hychu@etri.re.kr) 이정익연구원은한국과학기술원화학과박사 (1997) 로서 IBM Almaden Research Center(San Jose, USA) 박사후연구원 (1997-98) 을거쳐현재한국전자통신연구원기반기술연구소선임연구원으로재직중이다. (jiklee@etri.re.kr) 컬러화방식 백색효율 색재현율 장점 해결할점 Blue,Green, Red EL ~ 10 cd/a (w/o polarizer) ~ 95 % 고효율, 고색순도 고해상도, 대면적 White EL + C/F for LCD ~ 4 cd/a ~ 80 % 단순공정, 고해상도 고색순도, 고효율 그림 1. OLED 디스플레이풀컬러화방식. [1] Mameno, et al. IDW'03, Dec 3 (2003). [2] Kido, M. Kimura, K. Nagai, Science 267, 1332 (1995). Blue EL + Color Changing Material ~ 5 cd/a ~ 85 % 단순공정, 고해상도 고효율, CCM 단가 터를이용한상부방출형의디스플레이로개구율을높이는것이불가피하다. [1] WOLED(White lighting OLED) 는 1995년 Yamagata 대학의 Kido 교수팀이적색, 녹색, 청색발광특성을갖는발광층을적층하여백색발광특성을보고한이래로 [2] 고효율, 장수명특성을가지며색순도가우수한소재및소자개발을위한연구가꾸준히이루어지고있다. WOLED는앞서설명한바와같이대면적고화질의 OLED 디스플레이로의응용성뿐만아니라 LCD 백라이트와일반조명등의다양한응용가능성으로인하여국내외연구자들에의하여본격적인연구가이루어지고있다. 특히, WOLED 기술의새로운응용분야로서일반조명으로활용하고자하는연구는선진국을중심으로활발하게이루어지고있다. OLED와무기 LED와같은고체상태광원 (Solid State Lighting) 이기존의형광등과백열등같은가스상태광원 (Vapor State Lighting) 에비하여에너지효율이매우높아에너지절약측면에서그중요성이대두되고있다. 통계에따르면 2003년미국에서연간조명에소비된에너지가 ~ 765 TWh로미국전체소비에너지중의약 8.3% 에달한다. 일반조명으로가장많이사용되고있는백열등의효율이 12~17 lm/w이나, 현재보고되고있는 OLED 효율은약 30 ~ 60 lm/w에달하며 물리학과첨단기술 April 2005 25

그림 2. AM-OLED 의서브픽셀피치에따른개구율시뮬레이션. [1] 최근에는 100 lm/w가넘는효율이보고되기도하였다. 이와같은추세라면 2025년에는고체상태광원을이용한조명이일반적으로사용되어조명의사용에의한전체에너지소비의약 29% 가감소될수있을것으로기대된다. 이를위하여미국, 유럽, 일본에서각각 21세기 energy saving, OLLA, NEDO 프로젝트가수행되고있다. 본글에서는백색광의개요와 WOLED의기술동향그리고응용예등에대하여살펴본다. 백색광이란? 그림 3. CIE 색도좌표계. 3,000K ~ 8,000K의색온도그리고 80 이상의연색지수특성을갖도록요구되어진다. WOLED는다양한유기소재를이용하여색순도가우수하고, 면광원으로제작이가능하며, 다양한재질의기판에제작이가능하다는장점이있다. 그러나백색광원으로서효율을높이고, 시간에따른색의변화를최소화할수있는최적화된소자의개발이요구된다. 광원으로써백색특성은색도좌표 (Chromaticity Coordinates) 와색온도, 연색지수로색순도를나타낸다. 색도좌표는국제조명위원회 (Commission Internationale de l E clairage; CIE) 의정의를따른다. 적색, 녹색, 청색의 3색을색도좌표의기본색으로삼고기본색을 X,Y,Z 양만큼배합했을때 x=x/(x+y+z), y=y/(x+y+z), z=z/(x+y+z) 로구해진 x,y,z의값으로색도좌표를나타낸다. 일반적으로모든종류의색깔은 (x,y) 로나타내며, 이론적인순수백색은 (0.333,0.333) 의색도좌표를갖는다. [3] 색온도 (color temperature; CCT) 는캘빈온도 (K) 로나타내며빛의반사가없는흑체 (0 K) 와의비교를통하여정의된다. 여름정오태양광의색온도가 5,500 K이며, 색온도가낮을수록붉은색을, 높을수록푸른색을띄게된다. 연색지수 (color rendering index; CRI) 는자연의색을재연해주는능력으로 Ra로나타내며 0~100의값을갖는다. 5,500 K 온도의여름정오태양광을표준광 (100 Ra) 으로하여광원아래에서본피사체의색재연능력을수치로나타내는것으로연색지수가높을수록재연성이우수한광원이다. 일반적으로디스플레이뿐만아니라범용의광원으로사용하기위한백색광원은 (0.33,0.33) 에근접하는색도좌표와 WOLED 소자구조 OLED 소자의구조는투명전극의상부에정공주입층 (HIL)/ 정공수송층 (HTL)/ 발광층 (EML)/ 전자수송층 (ETL)/ 전자주입층 (EIL)/ 금속층이순차적으로적층되며, 전자및정공의주입에의하여형성된엑시톤 (exiton) 의재결합에의하여발광특성을얻게된다. WOLED 소자도일반적인 OLED 소자와기본적인구조는동일하며, 발광층을적절하게조절함으로써백색의발광특성을얻을수있게된다. OLED에서백색을구현하는방법으로는 R,G,B 발광물질을수평으로적층하는방법, 서로보색관계를갖는두색을적층하는방법, 단일발광층으로 eximer, exciplexes의형성에의한넓은파장대의발광특성을얻는방법과청색발광층으로부터컬러변화층을이용하는방법 (Down conversion 방법 ) 등이있다. 1. R,G,B 발광물질을적층하는방법으로는직접적층하는방법 [3] G. Wyszeeki, W.S. Stiles, Commission Internationale de l'eclairage (CIE) Chromaticity coordinates, Color Science (Wiley, New York, 1982). 26 물리학과첨단기술 April 2005

그림 4. RGB 적층구조 (a) 직접적층한구조 (b) 양자우물구조 (c) 다중광자발광구조 (d) RGB 적층구조에의한 EL 스펙트럼. ( 그림 5(a)) 과양자우물구조 ( 그림 5(b)) 와다중광자발광 (Multi Photon Emission; MPE) 구조 ( 그림 5 (c)) 등이있다. R,G,B 발광층적층방법은색순도는좋으나, 여러종류의유기물을적층하는다층구조를갖게되므로제작이어렵고색조절이어려우며, 효율이낮고, 각발광층간의열화 (degradation) 가서로다르게일어나시간에따라색순도가나쁘게되는문제점이있다. 적층구조에서나타나는낮은효율특성의문제점을보완하고색순도를높이기위하여 R, G, B 각각의색을갖는독립적인소자를수직으로직렬연결하여전류효율 (cd/a) 을극대화하는다중광자발광구조가보고되고있다. [4-6] 2. 서로보색관계의발광특성을갖는발광층을적층하는방법은 R,G,B 발광층을적층하는구조에비하여제작이용이하며효율이높은장점이있다. 그러나하늘색- 적색과청색- 오렌지색의보색을갖는발광층을적층하므로녹색발광효율이낮으며, 연색지수가낮은문제점이있다. 이러한문제점은 WOLED의고효율화와고휘도화로부분적으로보상될수있다. 이를위하여형광소재에비하여효율이좋은인광소재를이용하여백색발광특성을얻거나 [7] 정공과전자의주입층을극대화하는구조로고효율특성을보고하고있다. [7-9] 그림 5. 보색구조 (a) 직접적층구조 (b) 다중광자발광구조 (c) 보색구조에의한 EL 스펙트럼. 3. 단일막구조는정공수송층이나전자수송층의호스트에 RGB 혹은보색의도펀트 (dopants) 를동시에증착하거나고분자를블랜드하여호스트와도펀트간의에너지전이나 excimer, exciplexes 형성을통하여넓은영역에서발광을나타내는소재나소자구조로백색발광특성을얻는방법들이보고되고있다. [10-12] [4] H.Y. Chu, J.I. Lee, L.-M. Do, T. Zyung, B.-J. Jung, H.-G. Shim, J. Jang, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 405, 119 (2003). [5] Z.Y. Xie, J.S. Huang, C.N. Li, S.Y. Liu, Y. Wang, Y.Q. Li, J.C. Shen, Appl. Phys. Lett. 74, 641 (1999). [6] T. Matsumoto. T. Nakada, J. Endo, K. Mori, N. Kawamura, A. Yokoi, and J. Kido, SID 03 Digest, 979 (2003). [7] L.S. Liao, K.P. Klubek, and C.W. Tang, Appl. Phys. Lett. 84, 167 (2004). [8] Brian W. D.'Andrade, M.E. Thompson, S.R. Forrest, Adv. Mater. 14, 147 (2002). [9] Kido, E-MRS 2002 Spring Meeting June18-21 (2002). [10] S. Tasch, E.J.W. List, O. Ekstrom, W. Graupner, and G. Leising, Appl. Phys. Lett. 71, 2883 (1997). [11] C.-I. Chao, S.-A. Chen, Appl. Phys. Lett. 73, 426 (1998). [12] Brian W. D.'Andrade, M.E. Thompson, S.R. Forrest, Adv. Mater. 16, 624 (2004). 물리학과첨단기술 April 2005 27

Cathode ETL EML HTL Anode Substrate 그림 6. 단일막구조및단일막구조에의한 EL 스펙트럼. 그림 7. Down conversion 구조및백색발광이미지. 표 1. WOLED 연구동향. 3-2- Structure Efficiency CIE(x,y) Down Conversion Lifetime(hrs) /CRI(Ra) 7 lm/w *CRI:90 Researcher General Electric co. PHOLED 6.4 lm/w; 5.2% 0.37,0.40 *CRI:83 Princeton Univ. Microcavity 7.9 cd/a 0.33,0.34 Sony Co. SEL-OLED 13 cd/a; 6.7 lm/w 3.7% 0.39,0.42 *CRI:85 ETRI pin-oled 16.0 lm/w 0.30,0.38 - PHOLED PLED TOLED 38 cd/a; 18.4 lm/w 16% 11.3 cd/a; 4.3 lm/w 4.0% 8 cd/a; 2.75 lm/w Yamagata Univ. 0.39,0.39 20@100cd/m 2 UDC 0.33,0.33-0.29,0.35 5,000 @1,000cd/m 2 Kanazawa Ins. E-Magin Co. WOLED를위한소재는 Idemitsu Kosan, Mitsubishi Chem., Taiho 공업, 스탠리전기, Kodak 등에서단분자형광소재를, UDC 등에서인광소재를, CDT, DuPont, Merck 등에서고분자소재를개발하고있다. 응용예 그림 8. RGB 수평적층구조, 확산막부착전 ( 좌 ) 과후 ( 우 ) 발광이미지. 4. Down Conversion 방법은청색발광으로부터컬러변환층을이용하여백색을도출해내는방법이다. 이방법은단일발광층을이용하므로 R,G,B 발광층이나보색의발광층을적층하는방법에서발생하는열화에따른색순도의변화의문제를해결하며간단한구조로대면적으로제작할수있다. 또한, 컬러변환층의조절로연색지수가우수한백색광원을얻을수있는장점이있어디스플레이뿐만아니라면광원으로써활용이가능한기술이다. 그러나컬러변환층의형광소재의안정성문제로시간이지남에따라색순도가변하는문제점을가지고있다. [13] 5. 그외 R, G, B 혹은서로보색의발광층으로수평으로나란하게배열한후확산층을앞에부착하여백색을얻는방법이있다. 이러한방법은발광층을패터닝하는공정과빛을펴주는확산층을붙여야하므로디스플레이보다는면광원으로의응용가능성이높다. [14] 현재, WOLED 연구는풀컬러디스플레이에적용하기위한연구에주력하고있다. 그예로 e-magin 사 ( 미 ) 에서는단분자소재로고정세화가필요한 0.5인치 SVGA급마이크로디스플레이를시연하였으며, MED사 ( 영 ) 는고분자소재를이용하여 0.3인치 QVGA 급마이크로디스플레이를생산판매하고있다. [15] TDK 사 ( 일 ) 는 WOLED를이용한차량용오디오디스플레이를생산하고있다. [16] SK 디스플레이사 ( 일 ) 와 SONY 사 ( 일 ) 가각각 14.7 인치급과 20인치급의디스플레이를 WOLED로시연한바있다. [17,18] WOLED를이용한풀컬러화를위해서는색순도가우수 [13] A.R. Duggal, J.J. Shiang, C.M. Heller, and D.F. Foust, Appl. Phys. Lett. 80, 3471(2002). [14] http://www.universaldisplay.com [15] http://www.emagincorp.com, http://www.microemissive.com [16] http://www.tdk.co.jp [17] http://www.kodak.com, CEATEC Japan 2002 conference, October 2, 2002, Makuhari, Japan. [18] M. Kashiwabara, K. Hanawa, R. ASaki, I. Kobori, R. Matsuura, H. Yamada, T. Yamamoto, A. Ozawa, Y. Sato, S. Terada, J. Yamada, T. Sasaoka, S. Tamura, and T. Urabe, SID04 Digest, 1017 (2004). 28 물리학과첨단기술 April 2005

그림 9. WOLED 를이용한고해상도마이크로디스플레이 ( 좌 ) e-magin, ( 우 ) MED. 그림 11. WOLED 를이용한면광원적용예 ( 좌상 ) Siemens ( 우상 ) UDC ( 좌하 ) 한국전자통신연구원 ( 우하 ) Matsushita. 그림 10. WOLED 를이용한대면적 OLED 디스플레이 ( 좌 ) SK 디스플레이, ( 우 ) SONY. 하고효율이높은백색을구현하는것과더불어장수명및구동동안에색의변화가없는특성의확보가매우중요하다. 한편, OLED는기존의무기 LED와는달리대면적으로제작이가능하므로면광원특성을이용한 LCD 백라이트, 면조명, 인테리어용광원등으로활용이가능하다. UDC 사 ( 미 ), GE ( 미 ), Osram, Siemens, Philips, IMES, Matsushita 등에서는대면적의면광원조명을위한연구가이루어지고있으며, 코디텍 ( 한국 ), OLT( 미 ) 등에서 LCD 백라이트개발을위해박차를가하고있다. 이를위해서는무기 LED에비견될수있는높은효율과수명이요구되고있어앞으로더많은연구가이루어져야한다. 하지만플라스틱과같이다양한기판에서구현이가능하고대면적제작의용의성등의장점으로무기 LED와는다른시장이형성될수있을것으로기대하고있다. 또한무기 LED에비하여에피성장에의한제약이없고다양한유기소재를선택적으로 이용할수있으므로높은연색지수를갖는백색의구현이가능하여높은연색지수가요구되는백색광원시장의진입이가능할것으로기대된다. 맺음말 WOLED 기술은대면적, 고화질화의풀컬러 OLED 디스플레이개발에적용할수있을뿐만아니라, 나아가서는 OLED의면발광특성을이용하여면발광광원분야에도적용할수있을것으로기대된다. 이러한응용을위해서는앞서기술한바와같이된효율과수명특성이우수한유기물소재의개발과백색 OLED에서요구되는색순도, 고휘도, 수명등의특성뿐만아니라높은색연색지수, 대면적균일도가요구되며, 오랜시간동작해도효율뿐만아니라색순도의변화를극소화할수있는소자구조의최적화와봉지기술의개발이숙제로남아있다. 물리학과첨단기술 April 2005 29