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		디스플레이 이야기 23
		[플라스틱사이언스] 기사입력 2022-03-09 15:09:40

OLED 조명의 특징과 잠재적인 가능성은 높은 품질의 빛과 스펙트럼의 조절, 우수한 에너지 효율성과 친환경성, 그리고 폼 팩터의 특징과 디자인 자유도 등에 있습니다. 특히 색과 빛의 품질 향상과 디자인 아이디어의 접목은 OLED 조명을 가정은 물론 건축, 광고, 자동차, 전시장 등에서 보다 폭 넓은 내장형(built in) 응용, 다양한 성능과 형태로 안내할 것입니다. 이를 위해, 효율과 함께 수명과 안정성, 아웃 도어 적응력, 그리고 가격에 관한 이슈들이 더욱 속도감있게 해결되어가야 할 것이며, 특히 새로운 디자인을 통한 미관과 예술적인 감성에의 호소도 중요하죠.

•OLED, 응용, 조명에 관하여 (2)

•OLED, 응용, 조명에 관하여, 장점과 단점

•OLED, 응용, 조명에 관하여, 디자인과 (시)제품

•OLED, 응용, 조명에 관하여, 전략과 전망

•OLED, 구조

•OLED, 동작 원리

OLED, 응용, 조명에 관하여(2) >>

LED 조명의 도약은 폭발적입니다. 2007년, 4% 정도에 불과하던 조명 시장 점유율이 2019년에는 60%를 훌쩍 넘으며, 2020년에는 세 개의 조명 중에서 2개는 LED가 될 정도입니다. 시장 규모도 거의 100억불에 이르고 있죠. LED 조명이 갖는 장점은 여러가지입니다. 빛의 품질은 물론이고 긴 수명, 낮은 소비 전력과 높은 효율, 디자인 자유도와 환경 친화성 등 실로 다양하죠.

이러한 LED 조명의 아성에 감히 도전하는 OLED 조명은 LED가 지니지 못하였거나 아직은 부족한 몇 가지 독특한 특징을 가지고 있죠. 빛의 품질이 동등 내지는 우위에 있고, 열이 적게 발생하고, 자외선 발생 정도가 적고, 투명한 조명이 가능하며, 점 광원이 아닌 표면 광원이 가지는 편안함, 얇고 가벼우며 모양을 바꿀 수 있는 디자인 유연성 등이 특징입니다. 물론 이런 특징들이 아직은 LED 조명에 비해 많이 열세인 수명과 가격, 기술의 성숙도, 아웃 도어용으로서의 취약함 등을 어떻게 극복하여가느냐가 관심을 끌고 있습니다만, 다음 코너에서 이야기를 더 이어가 보죠.

OLED, 응용, 조명에 관하여, 장점과 단점 >>

OLED 조명은 유기물을 이용하는 면광원입니다. 즉, 전압을 인가하게 되면, 발광층으로부터 빛이 나오게 되죠. 전하 주입층, 수송층 등은 전하, 즉 전자와 정공들의 흐름을 최적화하여 발광층의 성능을 최고로 만드는 역할을 하죠. 이러한 OLED조명이 갖는 이점들은 다양합니다. 먼저 면광원이므로 눈부심(glare)이 없고 균일한 빛을 만들어내죠. 사용 전압이 낮고 효율이 높아 소비 전력이 낮으며, 색 재현율이 우수하고 색과 색온도의 조절, 제어도 가능합니다. 즉, 천연색이나 태양광 스펙트럼을 만들어낼 수 있죠. 얇고 가벼우며, 휨과 같은 변형을 줄 수도 있습니다. 투명할 수도 있죠. 수은과 같은 유해 물질을 쓰지 않는 친환경 소자이며, 자외선 방출도 최소화할 수 있습니다. 열 발생이 적어 방열(heat sink)을 필요로 하지 않죠.

특히, LED는 점광원인 반면에 OLED는 면광원이라서 LED처럼 눈부심 방지 등을 위한 확산판 설치가 필요하지 않고 이 외의 구성품, 조립 과정도 단순합니다. 또한, 백색을 만들더라도 스팩트럼이 가시광선 전반에 걸쳐 넓게 퍼져 있으므로 햇빛에 가까운, 보다 안정감 있고 편안한 빛을 만들죠. 이와 함께 태양이 동에서 떠서 정오를 지나, 서쪽으로 저물어가는 동안에 변해가는 색온도의 변화를 그대로 따를 수 있어 감성 조명의 완벽한 스펙트럼을 제공할 수 있습니다. 현재, 눈의 건강에 문제가 되고 있는 415~455nm 파장의 청색 영역(deep blue) 발생도 억제할 수 있습니다.

결론적으로 현재의 시점에서 LED 조명과 비교할 때, 색이나 스펙트럼, 디자인과 모양, 그리고 열 문제 등과 관련된 부분에서는 우위를 점하고 있으며, 효율, 밝기와 수명, 그리고 가격에서는 열세입니다. 물론 이러한 부분들은 기술 개발이 가속화된다면 해결이 가능하다고 봅니다만, 이는 기업의 의지를 필요로 하죠.

OLED, 응용, 조명에 관하여, 디자인과 (시)제품 >>

OLED 조명을 효과적으로 사용할 수 있는 공간이나 장소들은 우리의 실생활과 밀접하게 관련이 되며, 실로 다양합니다. 가정에서는 물론, 호텔의 로비나 룸, 행사장, 병원, 카페 등 용도와 취향에 맞도록 설계, 설치할 수가 있죠. 기능이나 성능도 유연성의 강조, 투명 디자인, 터치 디밍 기능 등을 접목하여서 간단한 문자 표시기에서 장식, 스마트 거울, 큰 샹들리에 등에 이르기까지 다방면에서 장점을 발휘하고 있습니다.

2019년 기준, OLED 조명으로 새로운 도전에 나서고 있는 회사들을 나열하여 보면, 알파벳 순으로 Ason Technology, Blackbody, First-O-Lite, GE, Konika Minolta, LG Display, NEC Lighting, Osram, Philips, Showa Denko, Toshiba, Universal Display 등을 꼽을 수 있습니다. 이들은 각각 소재와 소자, 혹은 디자인과 응용도 등에서 고유의 강점들을 바탕으로 새로운 시장을 노크하고 있죠. 아이디어와 장식이 가미된 미니 일상용 조명, 가벼움을 이용하여 줄로 연결한 동그라미 광원들, 빗줄기에 걸린 불빛의 느낌을 주는 디자인, 개인 소비자를 대상으로 온라인 판매하는 여러 모델의 휘는 면광원들, 등기구와 프레임의 디자인을 강조한 예술적인 조명, 빛나는 벽, 혹은 구름처럼 뿌려지는 허공의 빛줄기들, 자동차 후미등의 미려한 설계, 그리고 실내등의 우아함, 나뭇잎들처럼 부드럽게 일렁이는 얇고 곡선이 강조된 광원, 그리고 미니 조명부터 대형 샹들리에까지의 새로운 모델들까지… 디자인을 중심으로 한 예술 수준의 시제품, 제품들이 소개가 되고 있습니다. 이러한 내용과 작품들은 각 회사들의 홈 페이지나 전시를 통하여 우리에게 보여지고 있죠.

OLED, 응용, 조명에 관하여, 전략과 전망 >>

앞서 언급하였듯이 OLED 조명의 특징과 잠재적인 가능성은 높은 품질의 빛과 스펙트럼의 조절, 우수한 에너지 효율성과 친환경성, 그리고 폼 팩터의 특징과 디자인 자유도 등에 있습니다. 특히 색과 빛의 품질 향상과 디자인 아이디어의 접목은 OLED 조명을 가정은 물론 건축, 광고, 자동차, 전시장 등에서 보다 폭 넓은 내장형(built in) 응용, 다양한 성능과 형태로 안내할 것입니다. 이를 위해, 효율과 함께 수명과 안정성, 아웃 도어 적응력, 그리고 가격에 관한 이슈들이 더욱 속도감있게 해결되어가야 할 것이며, 특히 새로운 디자인을 통한 미관과 예술적인 감성에의 호소도 중요하죠.

기술적인 발전의 진행 방향은 디스플레이용 OLED와 큰 차이가 없습니다. 즉, 하부 발광보다는 상부 발광, 혹은 양면 투명 발광쪽으로의 개선이 요구되며, 딱딱한 유리 기판보다는 소프트한 플라스틱 기판이 디자인 활용성을 높여 줄 것입니다. 형광 물질보다는 인광 물질의 적용이 효율과 수명 향상에 기여할 것이며, 반도체 박막 공정에서 용액 공정으로의 전이를 통하여 가격과 대면적 경쟁력을 강화시킬 수 있겠지요. 즉, 현 시점에는 여전히 파랑 스펙트럼의 미완성, 두꺼운 유리와 패널, 아직은 작은 크기이지만 향후 수 년 내에 패널 두께는 1 mm 이하로 더욱 얇아지고, 빨강, 초록, 파랑이 모두 완전한 흰색 스팩트럼이 얻어지며, 스팩트럼의 제어도 가능해질 것입니다. 그리고 10년 이내에 플라스틱 기판에 만들어진 변형 가능한 조명, LED를 능가하는 최고의 효율, 1 평방 미터까지도 가능한 대면적화, 투명화와 보다 수려한 디자인으로 발전할 수 있겠지요. 물론, 수은과 같은 유해 물질이 없고, 자외선 발생이 극도로 적은 친환경 조명으로서 말이죠. 응용 분야는 가정, 건축, 마켓, 병원, 사무실, 자동차 등을 거쳐 아웃 도어까지 확장이 될 것이고.

OLED 조명의 추진력은 OLED 디스플레이의 발전에서 더욱 자극 받을 수 있으며, OLED 디스플레이 시장이 커질수록 조명에게도 더 많은 기회가 주어질 것입니다. 다만, 초고속으로 발전, 확장되고 있는 LED 성능과 시장에 어떤 전략으로 도전하는가, 그리고 과감한 투자와 함께 디스플레이와는 또 다른 조명 산업, 시장의 가치 사슬(value chain)에 어떤 전략으로 적응할 수 있는가 등이 흥미로운 관점입니다.

OLED, 구조 >>

OLED는 양극과 음극, 두 개의 전극 사이에 전자와 정공이 결합, 빛을 만들어내는 발광층(Emission Layer, EML)이 샌드위치형으로만 되어있어도 작동이 가능하며, 1960년대의 연구는 이 구조로 시도되었습니다. 그러다가 1980년대에 실용화 가능성을 보여준 OLED 구조는 발광층을 별도로 형성하고, 여기에 정공 수송층(Hole Transport Layer, HTL)이 더해진 두 개의 유기층 구조였죠. 이 후에 보다 성능을 개선하기 위하여 유기층들의 수가 증가하는 다층막(multi-layer), 혹은 이종 구조(hetero-structure)로 발전됩니다.

즉, 캐리어들, 다시 말해, 전자와 정공들이 각각 음극과 양극으로부터 보다 쉽고 충분하게 주입되도록 하기 위한 전자 혹은 정공 주입층(Electron or Hole Injection Layer, EIL or HIL), 양쪽 방향에서 주입된 전자와 정공들이 서로 개수와 속도의 균형을 가지고 발광층까지 이동하기 위한 전자 혹은 정공 수송층(Electron or Hole Transport Layer, ETL or HTL) 등이 추가적으로 설치가 되었죠. 이에 더하여서 발광층에 도달한 캐리어들이 발광층을 지나 반대쪽으로 더 진행하지 않고 발광층 내에 머무르면서 계속 결합을 시도할 수 있도록 전자 혹은 정공의 차단층(Electron or Hole Blocking Layer, EBL or HBL)을 추가하기도 하죠. 이러한 유기층들은 양극 쪽에서부터 따라가보면, 정공 주입층(HIL), 정공 수송층(HTL), 전자 차단층(EBL), 발광층(EML), 정공 차단층(HBL), 전자 수송층(ETL), 그리고 전자 주입층(EIL)까지 총 7개에 이르게 됩니다. 이러한 다층막 구조의 에너지 준위는 각각 정공과 전자가 약간의 에너지 장벽을 극복하면서 원활이 이동하도록 설계되며, 다만 차단층에서는 차단하여야 할 캐리어에 대해서만 높은 장벽이 형성되죠. 물론, 양극과 음극의 전극 라인들은 서로 교차하는 방식을 취하며 교차점에 화소, 혹은 부화소가 형성됩니다.

한편, 제조 공정과 생산 가격을 고려하면 유기층의 개수가 너무 많아서 한 개의 층이 두가지 이상의 역할을 하도록 물질을 설계, 제조하여 유기층들의 수를 줄여갑니다. 특히, 전자나 정공 차단층들의 역할을 수송층들이 함께 행하는 경우가 많고, 전자 주입층은 음극 물질을 개선하거나 혹은 전자 수송층이 역시 역할을 함께 하는 경우가 종종 있죠. 양극의 경우에는 투명 전극으로서 ITO 이외의 대안이 거의 없어서 정공 주입층은 대부분 필요로 하게 됩니다. 따라서 OLED는 기본적으로 4 ~ 5개의 유기층들로 이루어지며, 이러한 유기층들의 전체 두께는 약 200 nm 정도입니다. 이는 빨강, 초록, 그리고 파랑 각각의 빛을 내는 부화소에 대한 설명이며, 만일 대형 OLED나 OLED 조명에서 쓰이는 백색 OLED의 경우에는 세가지 색을 모두 만들어야 하므로 3원색에 대해 각각의 역할을 하는 유기물 층들이 더 추가됩니다. 앞으로는 주로 RGB 발광을 독립적으로 하는 저분자 OLED 소자를 대상으로 설명을 이어가려고 합니다.

제작된 OLED 패널은 봉지 구조로 완성되는데, 봉지(encapsulation, passiva-tion)는 산소나 습기를 외부로부터 차단하는 역할을 합니다. 만일, 산소나 습기가 OLED 내부로 들어간다면 전극과 유기물의 계면에 손상을 주어 소자의 작동을 방해하게 되죠. 따라서 진공 클러스터 내에서 음극 증착까지 완료된 OLED는 금속 캔이나 유리 뚜껑을 씌우거나 혹은 별도의 시트나 필름 등을 합착하여 산소나 습기의 침투를 막죠. 최근에는 무기와 유기막들을 증착하여 다층 구조의 보호막을 형성하기도 하며, 이를 박막 봉지(Thin Film Encapsulation, TFE)라고 표현하죠. OLED 패널에 구동 회로부를 부착하면 OLED 모듈이 되는데, OLED는 자발광 디스플레이이므로 별도의 광원은 부착되지 않습니다.

OLED, 동작 원리 >>

동작 원리는 구조에서 설명하였듯이 양쪽 전극에서 주입된 정공들과 음극에서 주입된 전자들이 각각 안쪽, 발광층으로 이동하고, 여기에서 결합을 함으로써 빛을 만들어내는 전계 발광 현상을 따릅니다. 발광이 일어나기까지의 과정을 살펴보면, 먼저 전극들로부터 캐리어들이 주입되고(injection), 다음으로 이동을 하게 되며(transport), 마지막으로 전자와 정공이 만나 여기자(exciton)를 형성하고, 형성된 여기자가 안정화되는 과정(recombination)에서 빛을 만들어 내죠(luminescence). 물론 모든 에너지가 빛으로만 나오는 것은 아니며, 열과 같은 다른 에너지로도 변환됩니다. 동작 원리는 다음 노트에서 다룰 ‘OLED에서의 캐리어 이동, 결합, 그리고 발광’에서 설명을 이어갑니다.

<다음호에 이어서 계속>