유기 물질의 전기, 광학적 특성에 관한 연구는 1906년, 이탈리아의 과학자 포체티노(A. Pochettino)가 유기 화합물인 안트라센의 결정에서 광전도 현상을 발견한 것을 시작으로 보고 있습니다. 이후 1963년, 뉴욕대의 포프(M. Pope) 교수와 그의 동료들이 수십 마이크론 두께의 안트라센 단결정에 400V 이상의 전압을 인가하여 발광 현상을 관찰, 측정하였죠. 그리고 1970년대에 들어서면서 증착과 함께 LB(Langmuir-Blodgett) 막 등을 통한 박막 개념의 소자화가 시도되었습니다. 이 시점에서 유기물에서의 발광 메커니즘에 관한 기초적인 이해가 시작되었으며, 다만, 만들어진 유기 발광 소자의 효율이 1 lm/W보다도 매우 낮고 안정성 또한 미흡하여서 실용화는 생각하기가 어려웠습니다. 즉, 안트라센 결정은 전기 전도도가 매우 낮은 절연체로, 전자와 정공을 주입하기 위해서는 매우 높은 전압이 필요하였고 발광 효율도 매우 낮았습니다.
그러다가, 1980년대 초, 이스트만 코닥의 탕(C. Tang) 박사 그룹은 유기 태양 전지를 연구하는 과정에서 유기물에 전기를 흐르게 하면 빛이 발생하는 것을 봅니다. 그리고, 얇은 유기 반도체 박막을 사용, 발광 효율이 1.5 lm/W 정도인 유기 발광 소자를 개발, 1987년에 미국 물리학회에 발표를 하죠. 이 소자는 녹색 발광 물질인 Alq3(Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum, Al(C9H6NO)3) 층과 정공 수송층, 두 개의 유기물 층으로 이루어졌으며, 양 쪽에 전극이 설치된 총 네 개 층을 갖는 다이오드 구조였습니다. 유기막들의 총 두께는 약 100 나노미터 정도로, 구동 전압은 10 V 이하, 휘도는 1,000 cd/m2, 그리고 외부 양자 효율은 1%로 가능성을 충분히 보여준 데이터이죠. 코닥의 연구 결과는 OLED를 이용하여 고휘도, 고효율 디스플레이를 개발할 수 있다는 가능성을 제시하며 주목을 받았고, 전 세계적으로 OLED를 본격적으로 연구, 개발하게 되는 발화점이 되었습니다.
이후로, OLED에 관한 연구 개발은 꾸준하면서도 활발하게 이루어져 왔는데, 연대순으로 소개하여 보겠습니다. 코닥에서의 저분자 OLED가 소개되고 약 2~3년 후인 1990년에 영국의 캠브리지대에서 저분자가 아닌 고분자 OLED 소자를 Nature지에 발표하여 OLED 연구의 두 번째 방향을 제시하였습니다. 1996년에는 TDK사에서 최초의 능동구동형 OLED를 시연하죠. 1997년에는 일본의 파이오니어사가 자동차의 오디오 기기용 OLED 제품을 개발, 1999년에 제품화하고, 1998년에는 미국의 프린스턴대에서 인광 물질을 적용한 OLED를 발표합니다. 2001년 무렵에는 몇가지 흥미있는 연구 개발 결과들이 발표되는데, TDK가 백색 OLED에 컬러 필터를 채택하는 아이디어를 제시하고, 미국의 eMagine사는 0.72 인치급의 HMD(Head-Mounted Display)용 고정세 OLED를 실리콘 기판 위에 제작하였으며, 일본의 소니가 13인치, SVGA(Super Video Graphics Array)급의 AM-OLED 시제품을 발표합니다. 연이어서 소니는 2003년에 비정질 실리콘 백플레인 위에 만들어진 20인치의 인광 AM-OLED 시제품을 발표하죠. 그리고 같은 해에 일본의 야마가타대에서 tandem 구조의 OLED 소자를 보고합니다. 2006년에는 미국의 UDC사가 인광 에미터를 적용한 백색 OLED를 개발하고, 2007년에는 소니가 11인치급 OLED TV를 소개합니다.
2007년은 우리나라에 매우 중요한 해이죠. 즉, 삼성디스플레이에서 세계 최초로 AM-OLED 양산에 성공하면서 모바일 폰, 디스플레이의 새로운 모델을 제시하였고, 이를 적용한 갤럭시 폰에서는 현재까지 메인 디스플레이로 OLED를 채택하고 있습니다. 또한 2017년 하반기에 애플의 아이폰 X에 OLED가 탑재되면서 고급 사양의 휴대폰에서는 OLED가 대세가 되었죠. 2008년에는 삼성디스플레이가 12인치급 투명 OLED, 4인치급 유연 OLED를 연이어 발표합니다. 2009년에는 코닥이 NTSC 규격을 100% 만족시키는 백색, 컬러 필터 방식을 적용한 저전력 OLED를 소개하죠. 이 무렵부터 일본의 코니카 미놀타와 네덜란드의 필립스가 OLED 조명 사업을 본격적으로 시작하게 됩니다. 2010년에 일본의 큐슈대는 열활성 지연 형광(Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF) 동작 기구를 제안하며, 미국의 UDC는 백색 OLED의 효율로 100 lm/W를 넘기게 됩니다. 2013년에 LG 디스플레이는 55인치급 OLED TV를 소개하면서 TV의 새로운 영역에 들어섭니다. 이후로부터 2019년 현재에 이르기까지 소형은 삼성 디스플레이, 대형은 LG 디스플레이의 양강 구도가 형성, OLED를 모바일 기기들과 TV 등에 폭넓게 적용하면서 선두를 유지하고 있습니다. 2019년 현재, OLED는 중소형 모바일 기기와 대형 TV에서 새로운 디스플레이 시대를 열어가고 있으며, 그 주역은 삼성 디스플레이와 LG 디스플레이입니다. 물론 중국은 한국의 기술을 획득, 선두 진입을 위하여 혼신의 힘을 기울이고 있으며, 일본은 용액 공정과 새로운 소재, 장비 기술의 활용을 통하여 역전을 노리고 있죠. 한국은 이러한 견제와 추격을 의식하며, 유리 기판에서 플라스틱 기판으로, 롤러블과 폴더블 OLED를 통하여 기술 격차를 유지하기 위해 전력 투구 중입니다.
한편, 분자량이 10만 이상인 유기 화합물을 이용하는 고분자 OLED의 연구 개발도 1990년대부터 시작이 되었는데, 연구의 초기 단계에는 저분자와 고분자, 두 종류의 유기 물질 가운데 상용화에 어느 것이 유리한가에 대해서도 다소 논란이 있었지만, 결과적으로 고분자 소자가 지닌 색순도, 수명, 효율 등에서의 문제점들로 인하여 저분자 OLED 소자가 먼저 상용화되었습니다. 다만, 고분자 물질 또한, 용액 공정, 유연 디스플레이 적용 가능성을 목표로 상용화를 위해 연구가 진행 중입니다. 이제 격전의 장이 되고 있는 OLED의 세계로 한 발 더 들어가 보죠.
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a. OLED의 실용화 역사에서 위기들은 무엇이었고, 어떻게 극복이 되어왔을까
b. 앞으로 나아갈 방향은 어떻게 설계될 수 있을까
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