OLED는 전계 발광에 의해 동작하는 자발광 디스플레이로써, 현재까지의 디스플레이들 중에서 가장 얇은 두께를 가지고, 또한 공정 온도가 낮아 유리 기판은 물론 플라스틱 기판에도 만들어지므로 휘거나 말 수 있는 디스플레이로도 제작이 되고 있습니다. 크게 보면 동작 원리는 LED와 같으나 두 개의 전극, 즉 양극과 음극은 투명 전극과 금속과 같은 무기물이고 두 전극 사이의 나머지 층들은 모두 유기물이라는 점이 LED와 다릅니다. 그리고, 두 전극간의 유기물이 분자량이 작은 저분자인지, 혹은 큰 고분자인지에 따라 저분자 OLED와 고분자 OLED로 구분됩니다. (분자량이 1,000 이하이면 저분자, 10,000 이상이면 고분자로 분류하죠. 1,000에서 10,000 사이는 올리고머로 부릅니다. 다만, OLED에서 저분자와 고분자를 분자량 10만 정도를 기준으로 합니다)
지금 제품으로 나오고 있는 OLED는 저분자 OLED들입니다. 동작 원리를 살펴보면, 양극에서 주입된 정공들은 정공 주입층, 전송층을 지나면서 발광층에 도착하고, 반대쪽인 음극에서 주입된 전자들 역시, 주입층, 전송층을 지나서 발광층에 도달합니다. 발광층에서 정공과 전자들이 만나서 결합 과정을 거치면서 들뜬 상태의 결합체인 여기자(exciton)을 만듭니다. 여기자는 말 그대로 결합은 되었으나 여기 상태(excited state)에 있는 경우로, 전자가 에너지를 흡수하여 기존의 상태보다 들뜬 상태에 해당합니다. 이러한 여기 상태는 일시적으로 불안정한 상태로, 안정한 상태인 기저 상태(ground state)로 다시 돌아가며, 그 차이에 해당하는 에너지가 빛으로 만들어집니다. 즉, 전자나 정공의 입장에서 보면 주입, 전송, 여기자 형성, 발광의 4단계를 거치죠.
OLED의 시작은 유기 재료에서의 전계 발광에서 비롯되었습니다. 1963년, 뉴욕 대학교의 M. Pope 교수가 유기 결정에서의 전계 발광을 최초로 보고하였으며, 1987년, 이스트먼 코닥의 연구진들에 의하여 가능성 있는 OLED가 최초로 발표되었는데, 이는 저분자 진공 증착 방식으로 제작되었으며, 2층의 전극과 2층의 저분자 유기막으로 구성되었습니다. 한편 고분자를 이용한 OLED는 전도성 고분자의 개발과 함께 발전하게 되었는데, 전도성 고분자는 1977년, 캘리포니아 대학교의 연구진이 개발하였으며, 이후 1990년에 캠브리지 대학교의 연구진에 의하여 고분자 OLED가 출현하게 됩니다. 그리고, 1998년, 고효율 OLED의 원천 기술인 인광 OLED (Phosphorescent OLED, PHOLED)가 프린스턴 대학교와 남캘리포니아 대학교의 연구진에 의하여 개발되면서 효율을 비롯한 성능이 크게 개선되며, 코닥과 산요가 능동 구동형 OLED(AM-OLED)를 발표합니다. 여기서 잠깐, OLED 발전에 획을 그은 연구 결과들을 살펴보죠.
1906년, 유기 화합물인 안트라센(Anthracene)의 결정에서 광도전 현상 발견 (A. Pochettino)
(안트라센; 콜타르에서 추출된 고체 상태의 탄화 수소로 목제 보존제, 살충제, 코팅 재료 등으로 사용)
1963년, 수십 마이크로 두께의 안트라센 단결정에 400V 전압 인가, 발광 현상 발견 (뉴욕대, M. Pope 등)
1982년, 진공 증착으로 안트라센 박막을 제작, 발광 소자 제작 (제록스, P.S. Vincett 등)
1987년, 저분자 다층 박막 발광 소자 제작 (코닥 C.W. Tang등)
1997년, 차량용 오디오에 적용된 최초의 PM-OLED 패널 출시 (파이오니아)
1999년, 인광발광체를 사용한 인광 소자 제작 (프린스턴대, S. R. Forrest)
2003년, 최초의 AM-OLED 패널 적용 제품 출시 (Sanyo Kodak Display, SKD)
2003년, Tandem 구조 OLED 개념 최초 도입 (야마가타대, J. Kido)
2005년, TADF(Thermal Activated Delayed Florescent) 소자 제작 (규슈대, C. Adachi)
2007년, 모바일 기기용 소형 AM-OLED 양산 시작 (삼성 SDI)
2013년, TV용 대형 OLED 패널 양산 개시 (LG 디스플레이), OLED TV 출시 (LG 전자)
2015년, 초형광(hyper fluorescence) 소자 제작 (규슈대, C. Adachi)
제품화 과정을 따라가 보면, 1996년, 일본의 파이오니어가 자동차 오디오용 단색 디스플레이를 출시하였고, 2003년에 코닥이 카메라 디스플레이용으로 칼라 AM-OLED를 출시하였습니다. 2007년에는 소니에 의해 최초로11인치급 OLED TV가 상용화 되었으나, 소량 생산에 그치고 더 발전하지 못하였으며, 2012년에 OLED TV 사업에서 잠정적으로 철수를 합니다. 그러나, 2007년에 삼성이 스마트폰 적용을 목표로 모바일 기기용 디스플레이로서 성장을 주도하였고, 이어서 LG에서 TV용 OLED를 출시하게 되면서 바야흐로 꽃을 피우게 됩니다. 2013년에는 LG에 의하여 백색 OLED에 칼라 필터를 적용한 방식으로 50인치급 이상의 OLED TV가 상용화 되면서, LCD와의 본격적인 경쟁을 시작하게 되었으며, 이후 중소형 모바일 기기 시장에서는 LCD를 넘어섰고, 대형 프리미엄급 TV 시장에서는 양자점 광원을 적용한 LCD, 즉, QLED(Quantum-dot LED)와 치열한 경쟁 구도를 형성하고 있습니다. TV에서는 현재, 88인치-8K급 OLED TV가 상용화 되었으며, 이후 소형 모바일 기기로부터 대형 TV에 이르기까지 넓은 시장을 차지하여 가고 있으며, 플라스틱 기판 위에 제조되는 특징을 이용하여 접는(foldable) 스마트 폰과 말 수 있는(rollable) TV 제품들이 등장하는 등, 디스플레이 시장에서 LCD와 함께 쌍두마차를 달리고 있습니다.
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# 더! 생각해보기
a. OLED에서 전자와 정공이 빛을 만들어가는 과정을 고등학생에게는 어떻게 설명할까
b. OLED가 기술적 성능면에서 지니고 있는 지금의 약점은 어디에 있을까
c. OLED는 LCD와의 경쟁에서 왜 고전 내지는 경합을 하며, 쉽게 이기지 못할까
d. OLED가 경쟁 디스플레이들과의 완전한 차별성을 갖기 위해서는 특히, 어떤 특징들이 발휘되어야 할까
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