OLED 구동기술 및 산업동향

최초의 유기전기 발광 현상은 1963년 Anthracene에 의해서 발견됐다. 1970년대에는 진공증착 박막을 이용한 소자 제작을 했으며, 1987년에 코닥(Kodak) 사의 Tang과 VanSlyke가 효율과 안정성이 개선된 녹색 발광 현상을 찾아냈다. 1990년도에는 캠브리지 대학에서 PPV에 전기장을 가해 녹색 발광 현상을 발견했다.그 후, 급격한 발전으로 1997년에 파이어니어(Pioneer) 사에서 최초로 유기 단분자 진공증착에 의한 단색 유기 EL 디스플레이(녹색)가 상용화됐고, 1998년에는 다중색 유기 전기 발광 디스플레이를 구현하기에 이르렀다.OLED(Organic Light Emitted Diode)는 유기물 층의 발광재료에 따라 저분자 OLED와 고분자 OLED로 분류할 수 있다. 또한 구동 방식에 따라서 수동 모드(PM mode: passive matrix type)와 능동 모드(AM mode: active matrix type)로 나눌 수 있다.OLED는 현재 효율, 수명 등에서 다른 FPD(Flat Panel Display)에 비해 뒤떨어진다. 그러나 소재 변화 및 구동 회로 변경을 통해 기능이 향상되고 있으며, 휴대전화 및 PDA 등 휴대 단말기를 중심으로 소형 디스플레이 시장에서 LCD를 앞지를 것으로 예상된다. OLED는 LCD처럼 백라이트 없이 스스로 빛을 내기 때문에 두께와 무게를 LCD의 1/3으로 줄일 수 있다. 이를 통해 다양한 기능을 추가함과 동시에 전자기기를 더욱 얇게 만들 수 있을 것이라 예상된다. 또 LCD에 비해 상대적으로 구조가 간단하기 때문에, 공정절차 역시 단순해져 생산 비용을 줄일 수 있다. 그러나 아직은 다른 디스플레이 소자들에 비해 생산성과 수율이 낮아 경쟁력이 약한 실정이다. 그럼에도 불구하고 OLED가 빠르게 성장할 수 있는 요소는 LCD와 비교하여 동력원의 소모가 거의 비슷하고, PDP와 달리 거의 열을 발생시키지 않으며, 응답속도가 매우 빨라 거의 완벽하고 자연에 가까운 동영상을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 향후 OLED의 진화와 더불어 휴대전화는 동영상 촬영과 TV 시청기능이 더해져 다기능화 된 DMB폰으로 진화될 것으로 예상되므로 이러한 장점은 더욱 더 부각될 수 있다.구동원리 및 패터닝 기술OLED 발광 메커니즘OLED의 발광 메커니즘은 형광물질의 전기적인 에너지에 의한 발광이라는 개념에서 시작되며 가장 중요한 여기 과정에 대한 설명은 그림 4에 도식적으로 나타냈다.먼저 양극과 음극 전극에서 유기층으로 전자와 정공의 주입이 일어난다. 이 주입된 캐리어들은 각기 양극과 음극으로 이동하게 되고 여기자가 생성되며, 이동 및 확산에 따라 발광이 일어난다.OLED는 정공과 전자의 재결합을 통해 최고의 발광효율을 구현할 수 있는 적층형 구조를 가지고 있다. 일반적으로 기판은 유리를 사용하지만 경우에 따라서는 구부림이 가능한 플라스틱이나 필름 종류를 이용하기도 한다.OLED 발광재료 및 소자OLED는 유기물 층의 발광재료에 따라 저분자 OLED와 고분자 OLED로 분류 할 수 있다. 저분자 계열은 진공 증착방식에 의해 기판위에 박막을 형성시키는 반면 고분자 계열은 용액상을 회전도포(spin coating) 방식을 이용해 기판 위에 박막을 형성시킨다.저분자 계열의 재료는 분자 구조 면에서 금속 착화합물과 금속을 포함하지 않는 순수 유기물로 구분을 할 수 있다. 고분자에서는 적절한 정공과 전자 수송체를 치환기로 도입함으로써 각 재료의 캐리어 수송 능력을 조절하고 있다.OLED 소자 제작 시 저분자나 고분자 계열의 재료를 쓰게 되는데 각각의 사용에 따라 소자 구조가 달라진다. 먼저 저분자 계열의 재료를 사용해 OLED 소자를 제작하면 그림 6의 왼쪽과 같이 음극, 전자 주입층(그림에서는 생략), 전자 수송층, 발광층, 정공 수송층, 정공 주입층 그리고 양극의 순서로 여러 층을 적층하게 된다. 이것은 OLED 소자의 발광효율을 높이기 위해서 각 역할을 하는 층들을 적층한 것이다.저분자 계열은 진공상태에서 증착시키므로 여러 층으로 소자 제작이 가능하다. 반면에 고분자 계열의 재료를 쓰게 되면, 용액상을 회전도포 방식으로 박막을 형성시키므로 여러 층을 적층시키기에는 상당한 어려움이 있다. 따라서 그림 6의 오른쪽과 같이 단순한 전자 수송층과 정공 수송층의 양 층으로 되어 있음을 알 수 있다.OLED 패터닝 기술앞서 말한 바와 같이 저분자 OLED는 진공 증착법을 사용하므로 패터닝에 유리한 섀도 마스킹(shadow masking) 기술을 이용해 저분자 OLED를 패터닝한다. 이 기술은 그림 7에 나타나있다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 회색 부분이 섀도 마스크 부분을 사용해 원하고자 하는 픽셀을 구성할 자리에 R, G, B를 발광할 저분자들을 도포시켜 OLED 픽셀을 제작한다.패터닝이 용이한 저분자 OLED에 반해 고분자 OLED를 패터닝하는 것은 용액상에 적층하는 공정이 필요하므로 상당히 어려운 방법이다. 하지만 그림 8과 같이 잉크젯 프린팅 방식을 사용해 좀 더 쉽게 소자를 제작하는 방법을 고안했다. 실제로 여러 회사들이 이와 같은 방식으로 고분자 OLED를 패터닝하여 제품으로 생산하려는 시도를 많이 하고 있다. 하지만 상당히 작은 공간에 프린팅을 해야 하기 때문에 실제 OLED 제작 시에는 많은 어려움이 따른다.OLED 구동 방식OLED를 구동시키는 방식에는 두 가지 방식이 있다. 먼저 수동 모드는 표시 영역을 양극과 음극에 의한 단순 매트릭스로 구성하고, 음극과 양극이 교차한 부분에 발광시키는 방식이다. 이것은 로우(Row) 라인, 즉 음극이 선택될 때만 점등하는 Duty 구동이다. 수동 모드는 이처럼 음극이 선택되면 점등하므로 순간적으로 높은 휘도로 발광한다.수동 모드의 경우 해상도가 높아지면, 순간 발광 휘도가 높아져야 한다. 따라서 대면적 디스플레이를 구현하기 위해 로우 라인의 수를 증가시킬수록 휘도는 감소하여 해상도가 떨어지는 단점이 있다. 또한 높은 휘도의 빛을 내므로 OLED 소자의 열화에도 큰 영향을 미치게 된다. 그리고 수동소자의 패널의 구조적인 특징 때문에 기생 커패시터가 커지게 되어 구동 이외에 불필요한 전력 소모도 발생한다.이이 비해 능동 모드의 경우 픽셀 하나하나에 이것을 조절하기 위한 TFT 소자가 같이 구성되기에 한 화면 동안 픽셀에서 계속적으로 빛을 발산하므로 낮은 전류로 구동이 가능해져 해상도에도 영향을 적게 받는다. 또한 수동 모드와는 달리 기생 커패시터가 적기 때문에 소비전력도 낮다. 다만 픽셀 형성이 복잡해 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 수동 모드와 능동 모드에 대한 동작원리는 그림 9, 10에 각각 나타냈고, 표 3은 수동 모드와 능동 모드를 비교한 것이다.응용분야OLED의 응용은 크게 세 가지 분야로 나눌 수 있다.첫째, 휴대전화와 같은 단말기 화면 및 PDA, CNS 등에 응용된다.둘째, 노트북, TFT-LCD 등과 같은 좀 더 대형화된 디스플레이에 사용된다.셋째, 현재 개발 진행중인 플렉시블 디스플레이에 적용된다.첫 번째 분야에서는 PMOLED(Passive Matrix OLED) 시장형성 단계라 할 수 있다. 이는 OLED가 2000년부터 휴대전화, 카오디오 및 MP3 플레이어 등에 이용되면서 본격적으로 양산화 단계에 접어드는 시기를 말한다. 그 후 두 번째 단계에서는 AMOLED(Active Matrix OLED) 기술이 완성되는 단계로 앞에서 형성된 기술을 기반으로 한다. 10인치 이상 대형 OLED를 생산해 동영상 디스플레이, 시야각 등에서 LCD보다 뛰어난 것으로 평가 받아 데스크톱 PC 모니터, 노트북 및 실내 TV 등에 응용되는 것이다. 마지막으로 궁극적인 디스플레이인 플렉시블 디스플레이가 완성되면 전자종이(e-paper) 혹은 벽지와 같은 초박형 디스플레이가 완성될 것이다.현재 OLED의 최대 응용분야는 휴대전화의 서브 디스플레이 분야이다. 전 세계적으로 OLED 패널 시장의 절반은 휴대전화의 서브 디스플레이가 자리 잡고 있고, MP3 플레이어는 45%의 시장을 차지하고 있다. 그 다음은 카 오디오 시장으로 약 3%의 시장을 보유하고 있다. 하지만 2006년에는 OLED 패널 부분에서 MP3 플레이어가 최대 응용분야로 자리 잡을 전망이다. MP3 플레이어의 시장이 급격하게 증가하는 추세로, 2006년에는 규모가 9,000만 달러로 성장할 것으로 보인다. 이것은 2004년 3,700만 달러, 2005년 5,800만 달러와 비교해 볼 때 상당한 성장이다.대부분의 OLED 패널 시장을 점유하고 있는 RiTdisplay 사는 현재 MP3 플레이어, 휴대전화 서브 디스플레이 그리고 다른 OLED 적용분야에 6:3:1의 비율로 제품을 출하하고 있다. 그리고 OLED 기술의 발전과 제품원가의 계속적인 하락이 지속된다면 MP3 플레이어의 디스플레이에 적용될 수 있는 다른 STN-LCD나 TFT-LCD와의 경쟁에서 우위를 보일 것으로 예상된다.국내외 개발동향현재 OLED 사업에 관여하고 있는 업체는 전 세계적으로 100여개 업체로 대거 참여하고 있고, 일본 업체들이 기술 개발과 상용화를 주도하고 있다. 이런 경쟁 상황에서 OLED 업체들은 기술 개발 기간을 단축하고 시장 선점을 위해 원천 기술을 보유한 업체들과 전략적 제휴나 합작 형태로 사업 전략을 실행하고 있다.OLED 재료개발에서 저분자계는 미국 코닥 사의 형광재, 미 UDC(Universal Display Corporation)사의 인광으로 증착 방식을 사용한다. 고분자계는 영국의 CDT(Cambridge Display Technology) 사가 발광 폴리머(Light Emitted Polymer)의 개발기업으로 알려져 있다. 코닥은 1999년 9월, 산요전기와 공동개발로 세계에서 처음으로 AM형 풀 컬러 OLED 디스플레이(24인치)를 개발, 그 후에도 15인치 풀 컬러 OLED 탑재의 TV 개발에 성공했다. 코닥도 자사의 디지털카메라에 AM형 유기 EL을 탑재, 판매에 들어갔다.UDC는 미 프린스턴 대학의 연구팀이 1994년에 출발, 10년 가까운 세월을 거쳐 현재 인광재료기술을 내놓아 호평을 받았다. 최근 도호쿠 파이어니어와 제휴함으로써 앞으로 동 재료를 사용한 제품을 순차 발매할 예정이다.영국의 CDT는 세계 다수 기업과 기술특허 계약을 맺고 있지만, 일본에서는 세이코엡손(Seiko Epson)과 주로 관계를 갖고 있다. 엡손에서는 CDT의 재료기술을 사용한 엡손 독자적인 잉크젯 분사기술을 이용해 2.1인치 컬러 OLED 디스플레이를 개발, 출시했다. TMD(Toshiba-Matsushita Display techno- logy)는 전면발광(top emission)에서 발광면적을 향상시키거나 도파로 구조개선으로 글라스 광을 줄이는 등 수명향상에 노력하고 있다.이러한 외국 업체들의 제휴와 합작 속에서 한국 업체들 역시 다양한 방도로 돌파구를 찾고 있다. 삼성 SDI와 같은 경우, 일본의 NEC와 합작으로 SNMD(Samsung NEC Mobile Display Co.Ltd)를 설립하여 OLED 디스플레이 개발에 박차를 가하고 있다. 또한 LG Philips LCD의 경우, 파주 클러스터의 8세대 라인에 OLED 패널 라인을 설립할 계획에 있다. 이 밖에도 LG전자, Orion전자, SKC 등이 연구하고 있으며, 코오롱 같은 경우 OLED의 발광물질 개발에 힘쓰고 있다.현재는 삼색 발광법(Three-color separate coating method)에 의한 OLED 제품이 주류를 이루고 있다. 그러나 메탈 섀도우 마스크 사용 시 해상도와 디스플레이 사이즈를 확대하는 데에는 한계가 있다. 이에 따라 메탈 섀도우 마스크를 사용하지 않는 백색법과 색변환법 등에 관한 연구가 진행되고 있다.또한 OLED의 실용화를 위한 발광특성을 고려해 보면, 청색재료의 경우 발광효율은 실용화에 근접했으나 수명 문제에 부딪치고 있다(UDC의 발광재료 수명: 적색 25,000시간, 녹색 20,000시간, 청색 1,000시간).시장 규모현재의 OLED 시장규모를 살펴보면, OLED 디스플레이는 초기시장은 소형이고 제한적인 응용제품 분야를 중심으로 시장이 형성됐다. 많은 관련 업체들이 시제품을 속속 발표하고 있어 빠르면 2년에서 5년 이내에는 본격적인 시장이 형성 될 것으로 전망되고 있다. iSupply에 따르면, 앞으로의 OLED 디스플레이의 시장 규모는 기존 평판 디스플레이보다 성능과 가격 면에서 우수해 본격적인 시장이 형성될 경우 급속한 시장성장이 예상된다. 2008년에 0.1%만 교체되어도 약 2억 3천만 달러 규모의 시장이 형성될 수 있을 것으로 전망된다.한편 시장조사기관인 디스플레이서치는 세계 OLED 시장 규모가 2004년 5억 9,800만 달러에서 2005년 12억 3,000만 달러로 늘어났으며, 올해는 20억 200만 달러로 폭발적인 성장세를 보일 것으로 전망하고, 연평균 30%의 고성장이 기대된다고 한다.전 망OLED 디스플레이는 유비쿼터스 사회로 진입하면서 진정한 의미의 유비쿼터스 컴퓨팅의 디스플레이로 자리 잡을 것으로 예상된다. 기존 디스플레이의 단점을 보완해 나가면서도 가격성과 광범위한 응용성을 바탕으로 디스플레이 산업 규모를 확대할 것으로 전망된다.그리고 현재 디스플레이 시장 주도권 확보를 위해 40개 이상의 거대 디스플레이 업체의 참가 확대로 경쟁이 치열해지고 있다. 이미 미국과 일본, 그리고 유럽 등의 주요 평판 디스플레이 업체 및 관련 업체들은 활발한 연구 개발을 통해 시제품의 출시 및 상용화 제품을 생산하고 있는 단계에 들어서 있다. 본격적인 상용화가 이루어질 것으로 예상되고 있는 OLED 디스플레이 분야에서 해외의 동향과 비교하여 국내의 상황을 SWOT 분석하면 다음과 같다.결과적으로 OLED 디스플레이에 대해서 선진국과 기술격차가 벌어져있는 상황이나 일부 기술에 대해서는 강점도 보이고 있다. 본격적인 시장형성이 이루어지기 전의 단계에서 정부의 지원과 대기업의 적극적인 R&D활동 아래, 중소기업과 정부출연 연구소, 학계 간의 공동 개발 체제를 통해 적극적인 산업육성과 경쟁력을 확보하는 것이 시급하다고 평가된다.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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