<테마특강>유기EL 디스플레이 기술 동향

<金永寬>

◇ 81년 서울대 사범대학 화학과 졸업

◇ 82∼85년 KIST 연구원

◇ 90년 미국 UCLA 대학원 화학 박사

◇ 90∼92년 삼성반도체 기흥연구소 수석연구원

◇ 92년∼현재 홍익대학교 공과대학 화학공학과 부교수

◇ 99년∼현재 홍익대학교 부설 유기정보소재및소자연구센터 소장

정보사회의 급진전으로 언제 어디에서나 정보를 주고 받게 됐다. 이에 따라 정보를 표시하는 디스플레이장치도 무겁고 휴대하기 힘든 브라운관(CRT)에서 가볍고 평평한 평판 디스플레이로 옮겨가는 추세다.

그 중 액정 디스플레이(LCD)는 가볍고 전력소모가 작은 평판 디스플레이로서 현재 가장 많이 사용된다. 앞으로도 상당기간 수요 측면에서 강세를 유지할 것이다.

하지만 LCD는 자체 발광소자가 아닌 수광소자이며 밝기·콘트라스트·시야각·대면적화 등에 기술적 한계가 있다. 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 평판 디스플레이를 개발하려는 노력이 전세계적으로 활발하게 전개되고 있다.

이 가운데 하나가 유기EL(Organic Electroluminescence) 디스플레이다. 유기EL은 저전압 구동·자기발광·경량박형·광시야각·빠른 응답속도 등의 장점으로 최근에 일본과 한국, 그리고 미국에서 실용화 움직임이 활발하다.

유기EL은 유기물(단분자 또는 고분자) 박막에 음극과 양극을 통해 주입한 전자와 정공이 여기자를 형성하고 형성된 여기자로부터 특정한 파장의 빛이 나온다. 1963년 포프 등은 안트라센(염료의 일종)의 단결정에서 이 현상을 처음 발견했다.

1987년에 미 코닥사의 탕 등은 발광층과 전하수송층으로 각각 Alq3와 TPD라는 이중층 단분자 유기물 박막을 형성하여 효율과 안정성이 개선된 녹색의 발광현상을 발견했다. 이후 단분자를 이용한 유기 EL디스플레이(이후 단분자 유기EL)의 개발 노력이 본격화됐다.

1990년 영국 케임브리지 대학에서는 PPV라는 π공액성 고분자 박막으로부터 EL특성을 바탕으로 고분자를 이용한 유기EL 디스플레이(이후 고분자 유기EL)를 개발하려는 연구를 진행했다.

단분자 유기EL 디스플레이에 사용되는 소자구조는 일반적으로 양극(anode)·정공수송층·발광층·전자수송·음극(cathode)으로 구분된다.

이러한 박막층들은 진공증착법으로 형성된다. 양극과 음극에서 정공수송층과 전자수송층을 통해 정공과 전자가 각각 발광층으로 들어가 여기자를 형성하고 여기에서 정공과 전자 사이의 에너지에 해당하는 빛이 나온다.

이때 여기자의 상태는 일중항 상태와 삼중항 상태가 1:3의 비율로 존재한다. 일중항 상태에서 기저 상태로 떨어질 때에만 발광이 가능, 내부양자효율이 이론적으로 25%를 넘을 수 없다고 알려져왔다. 이러한 소자구조로는 평판 디스플레이에 충분한 휘도를 얻기가 어렵다. 다양한 방법을 이용하여 유기EL 소자의 양자효율을 높이려는 노력이 진행되고 있다.

양극재료로는 ITO 전극을 주로 사용한다. UV-ozone 또는 O2나 CF4 플라즈마 전처리를 통해 ITO의 일함수를 높이고 따라서 정공수송층의 이온화전위와의 장벽높이를 낮춰 정공주입을 쉽게 한다. 또는 양극과 정공수송층 사이에 프탈로사이아닌과 같은 정공주입층을 추가 사용하는 방법도 있다. 이 방법은 정공주입을 쉽게 하면서 구동전압을 낮추고 안정성을 높일 수 있다.

정공수송층에는 TPD와 같은 Tg(유리전이온도)가 높은 다이아민 유도체를 사용한다. 소자의 안정성과 효율을 높이기 위해서다. 발광층의 경우 호스트 박막을 증착할 때 dopant를 동시에 소량 증착시키는 방법을 많이 이용한다. 호스터 박막재료는 크게 Alq3와 같은 금속착물계와 oxadiazole 유도체와 같은 형광색소계 발광재료로 나뉜다.

dopant에는 형광양자수율이 높은 laser 색소(예를 들면 적색은 DCM 유도체 등)와 녹색의 안료인 quinacridone 유도체 등을 많이 쓴다. 발광기구에 따라 carrier trapping 형과 에너지이동형 등으로 나뉜다.

전자는 dopant 분자가 직접 carrier를 trap한 후 재결합하여 발광하며 후자는 host 재료에 형성된 여기자로부터 에너지 이동에 의하여 dopant 분자를 여기시켜 발광한다. 이러한 도핑법의 장점은 발광재료(dopant)의 농도소광을 억제할 수 있어 고효율, 고휘도가 가능하다. 또 호스트와 dopant의 적절한 선택에 의하여 적색에서 청색까지 발광색을 임의로 낼 수 있으며 발광색을 합성하여 백색을 낼 수도 있다.

한편 음극재료로는 Al, Ca, Li:Al, 그리고 Mg:Ag 등이 사용되며 최근에는 Al/LiF, Al/CsF, Al/Li2O 등도 쓴다.

고분자 유기EL은 소자의 동작기 등이 단분자 유기EL과 동일하다. 그렇지만 단분자 유기EL 소자와 달리, 박막재료의 분자량이 매우 크며 스핀코팅에 의해 박막을 형성하기 때문에 소자 제작 공정에 큰 차이가 있다.

고분자 유기 EL의 소자 구조는 단분자 유기EL의 그것에 비해 매우 단순하다. 양극과 음극에서 정공과 전자가 각각 발광층으로 주입되어 여기자를 형성한 후 여기자로부터 정공과 전자 사이의 에너지에 해당하는 빛을 내는 것이다. 이때 양극에 정공의 주입을 촉진하기 위하여 양극과 발광층 사이에 폴리스티렌 유황산을 도핑한 polythiophene 유도체(PEDOT) 박막을 넣기도 한다.

또 발광층용 고분자계는 주사슬이 π공액성이거나 σ공액성으로 확장한 공액성 고분자계 방식과 단분자 색소에 이용되는 단분자 색소를 고분자화하는 방식으로 분류된다. 음극재료로는 단분자 유기EL 소자의 경우와 같이 일함수가 낮고 화학적으로 안정한 금속을 주로 사용한다.

조금 복잡하지만 지금까지 단분자 유기EL과 고분자 유기EL의 기본 개념을 설명했다. 이제부터 실용성 측면을 서술하겠다.

풀컬러용 평판 디스플레이에서 요구되는 청색, 녹색, 그리고 적색의 발광효율은 각각 1, 6, 3lm/W다. 녹색 및 청색 발광 재료의 효율은 단분자든 고분자든 어느 정도 수준에 올랐다.

다만 적색의 경우에는 단분자의 경우 0.6lm/W, 고분자의 경우에는 1.8lm/W 정도로 목표치를 밑돈다. 그렇지만 최근 이론적으로 이용할 수 없다고 여겨졌던 삼중항 상태를 이용하려는 노력으로 적색의 목표 발광효율에 도달하는 것도 시간 문제다.

소자의 안정성 측면에서는 100cd/m²의 휘도에서 최소한 1만시간 이상 지속돼야 한다. 단색용은 단분자 및 고분자의 경우 모두 녹색, 청색, 그리고 적색 소자의 수명이 목표치에 도달했다. 풀컬러화를 위한 안정성 측면에서는 단분자가 고분자보다는 약간 우수하나 두 소자 모두 청색 수명이 녹색이나 적색에 비하여 아직 부족한 편이다. 지속적인 개선이 필요하다.

풀컬러화 기술은 단분자의 경우 백색 유기EL에 컬러필터를 이용하는 방법, 청색 유기EL에 색변환 물질을 이용하는 방법, 섀도 마스크를 사용하는 방법 등이 적용된다. 섀도 마스크 방식이 가장 일반적이다.

고분자의 풀컬러화 기술은 비용이 많이 들며 관련 기술의 축적도 초기단계다.

유기EL은 LCD와 달리 전압구동이 아니라 전류구동이어서 단순 매트릭스로 구동할 경우 면적 증가에 따라 소비전력이 급격히 늘어나 주로 5인치 안팎의 소형 디스플레이로 적합하다.

유기EL의 제조기술로 중요한 것은 봉지기술(encapsulation)이다.유기EL 소자가 수분과 산소에 매우 취약하기 때문이다.

봉지기술은 바륨산화물와 같은 흡습제를 포함한 금속판을 유기EL 뒷면에 접착제로 부착하는 방법이 일반적이다. 하지만 양산용으로는 부적합해 새로운 봉지기술을 개발해야 한다.

단분자 유기EL 디스플레이의 상용화는 지난 97년 일본 파이오니아사에서 자동차 FM 리시버용 모노컬러 유기EL 패널 출시에서 시작됐다. 지난해에는 카스테레오용 컬러(4색, 해상도 64×256 dot) 유기EL 패널을 양산했으며 최근에는 미국 모토로라사의 휴대전화기에 모노컬러 유기EL 패널(96×32 dot)을 공급키로 했다.

TDK도 올들어 카오디오용, 휴대전화단말기 그리고 계측기기용을 겨냥하여 단색 및 멀티컬러 유기EL 패널을 양산하고 있다.

이스트만코닥과 산요는 저온 폴리실리콘 TFT를 적용한 2.4인치 QVGA급 풀컬러 패널을 공동 개발하고 내년께 카메라 및 비디오용으로 양산할 예정이다.

NEC·산요·이데미츄 코산·도시바 등에서 단순 및 액티브 구동의 풀컬러 단분자 유기EL 패널 시제품을 개발했다.

고분자 유기EL 디스플레이의 개발도 활발하다.

필립스는 세그먼트 타입의 디스플레이와 액정용 백라이트를 개발, 시연했으며 올해 도트 매트릭스 제품으로 상품화할 예정이다.

또 미국의 UNIAX사는 휴대전화시장을 겨냥해 1.5∼2인치 정도의 소형 도트 매트릭스 디스플레이를 개발중이다.

세이코 엡손은 CDT와 공동으로 고정세인 소형의 액티브 매트릭스 구동의 도트 매트릭스 제품을 개발하고 있다.

엡손은 또 잉크젯 프린팅에 의해 녹·적·청색을 분리, 도포한 멀티컬러 소자로 시제작하는 단계에 있으며 조만간 상품화할 예정이다.

미국의 유니버설디스플레이사(UDC)는 플라스틱이나 금속 박등과 같은 유연 기판을 이용하여 경량이며 충격에 강하고 유연한 유기EL 디스플레이를 개발중이다.

국내에서는 LG종합기술원·삼성SDI·현대전자·오리온전기 등에서 단순 매트릭스 풀컬러 단분자 유기EL 시제품을 개발하거나 개발중이다. LG필립스 LCD는 액티브 매트릭스 풀컬러 단분자 유기EL 시제품을 개발했으며 풀컬러 고분자 유기EL의 개발에도 착수했다.

유기EL 디스플레이는 그 특성을 발견한 이후 10여년만에 모노 및 멀티컬러 제품은 이미 양산 체제에 들어갔으며 동영상용 풀컬러 제품 개발도 박차를 가하고 있다.

지금까지 유기EL과 관련된 특허는 5000여건에 이르는 것으로 알려졌다. 조사에 따르면 2005년께 유기EL 디스플레이의 세계 시장 규모는 35억 달러에 이를 전망이다.

최근의 개발속도로 보면 그 시장규모는 예상보다 더 커질 가능성이 높다.

따라서 유기EL 풀컬러 디스플레이가 전세계적으로 양산될 시점에서 기술적으로 선진국과 대등하거나 우위에 서려면 국가적인 지원 아래 산·학·연의 체계적이고 조직적인 연구개발이 매우 시급하다.

동시에 장비 및 소재의 국산화도 추진돼 양산시점에서 장비 및 소재의 국산화율이 제고될 수 있도록 하여야 한다.

제품 측면에서 유기EL은 중단기적으로 휴대전화기·PDA·CNS 등의 소형 제품에, 중장기적으로는 active matrix형 notebook PC용 등의 중대형 중심으로 전략적 접근을 시도해야 한다.