소자의 발광효율과 수명 문제가 상용화 걸림돌
소자성능 유지하며 층수 줄이려는 노력 진행 중

얼마 전 손담비 폰으로 알려진 AMOLED 폰이 화제가 된 적이 있다. 하지만 많은 사람들이 AMOLED라는 이름은 알고 있지만 그것이 능동 유기발광 다이오드(Active Matrix Organic Light Emitting Diode)라는 것은 잘 모르고 있다. 이 글에서는 유기발광 다이오드(이하 OLED)가 재료공학적 관점에서 어떤 원리로 작동되며 어떤 분야에 응용되고 있는지에 대해 간단히 소개하고, 그중에서도 향후 유망한 응용분야로 예상되는 고체발광(Soild-state lighting)에서의 조명용 백색 OLED에 대한 연구동향을 소개한다.

OLED(Organic Light Emitting Diode)란 적겞?청색 등의 빛을 내는 유기화합물을 사용하여 자체  발광시키는 디스플레이이다. OLED는 유기물 층과 음극과 양극으로 구성되어 있으며, 유기물 박막(저분자 혹은 고분자)에서 음극(Cathode)과 양극(Anode)을 통해 주입된 전자(Electron)와 정공(Hole)이 재결합되고, 이때 생성된 여기자(Exciton)가 바닥상태(Ground state)로 되돌아가면서 특정 파장의 빛을 발광하는 현상을 이용한 것이다<그림 1>. 여기자가 바닥상태로 떨어지며 발광층의 물질에 해당하는 빛을 발광하게 되며, 따라서 발광층의 물질을 바꿔줌으로써 적ㆍ녹ㆍ청색의 빛을 낼 수 있다.

한편 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, 이하 LCD)는 별도의 광원을 필요로 한다. LCD는 광원의 역할을 하는 백라이트가 존재하고, 이 광원을 액정에 전기적 신호를 주어 열고 막음으로써 작동시킨다. 그러나 이러한 LCD와는 달리 OLED는 직접 발광하는 유기물을 이용한다.

OLED의 응용분야는 현재는 주로 제작이 용이한 수동형(Passive Matrix) OLED를 위주로 카오디오, 휴대폰 외부창, 디지털 카메라 표시창, 카 네비게이션, PDA와 같은 소형 디스플레이를 중심으로 활용되고 있다. 능동형(Active Matrix) OLED의 기술 발전에 따라 조만간 데스크 탑 PC 모니터, 노트북 PC 모니터 등과 같은 중대형 디스플레이와 TV 같은 대형 디스플레이 영역으로 확장해 나갈 것으로 보인다.

산요ㆍ코닥ㆍ파이오니어ㆍNMD 등의 기업들은 이미  2~5인치 급  OLED 제품을 발표하여  실용화  단계에  이르고  있다. 핸드폰,  카 네비게이션,  Hand  PC 등의  제품은 이미 채용되어 있으며, 특히 핸드폰 외부창에서 OLED를 쉽게 찾아볼 수 있다. AM OLED는 대형화가 가능한 만큼 TV 디스플레이 업체들과의 경쟁을 통해 TV 디스플레이에 진입하기 위해 노력할 것이며, PM OLED는 소형 디스플레이에 주로 적용되어 향후 조명용으로 발전할 것이다.

디스플레이 분야에서는 이미 AM OLED의 상용화가 이루어지고 있다. 하지만 고체조명(Solid-State Lighting) 분야에서는 조명용 백색 OLED가 가장 유망한 응용분야로 손꼽히고 있으나 기술적인 문제로 인해 상용화가 이루어지지 않고 있다. 조명용 백색 OLED는 실제로 몇 가지 기술적 문제들만 해결하면 상용화가 가능한 수준까지 이르렀으므로 고체조명과 이 분야에서의 연구방향에 대해 간단히 설명하고자 한다.

고체조명(Solid-state lighting)은 필라멘트나 플라즈마ㆍ가스 등을 사용하지 않고 반도체물질에서의 자체발광을 이용한 조명을 일컫는다. Light-emitting Diode (LED), Organic Light-emitting Diode(OLED), Polymer Light-emitting Diode(PLED) 등이 이에 해당된다. 그중 특히 OLED는 우리가 통상적으로 사용하는 형광등이나 백열등과 비교해보았을 때 환경오염 물질인 수은(Hg)과 같은 물질을 포함하지 않고 있으며, 형광등의 약 70% 정도, 백열등의 약 90% 정도의 전력을 아낄 수 있다. 따라서 수 년 후에는 거의 모든 조명에 쓰이고 있는 형광등이나 백열등이 환경친화적인 고체조명으로 대체될 것으로 예상된다.

고체조명 중 OLED는 조명 분야에서 가장 적합한 후보이다. 무기물 LED에 비해 OLED는 3차원의 유연한(flexible) 조명이 가능하고 두께가 매우 얇게 구현할 수 있으며, 빛이 부드러워 태양광과 매우 흡사하다는 점 등 많은 장점을 지니고 있다<그림 2>.

하지만 수많은 장점들에도 불구하고 조명용 OLED에서 소자의 발광 효율과 수명의 문제가 상용화를 가로막고 있으며, 현재 이 문제를 소자를 적층구조로 쌓음으로써 해결하고 있다. 하지만 이와 같이 사용되는 층수가 증가함에 따른 공정 시간 및 비용의 증가가 큰 문제점으로 부각된다. 따라서 이러한 층수가 많은 구조를 단순화하여, 층수를 줄이면서 소자의 성능을 유사하게 가져가는 단순화 구조(simplified device structure)를 설계하는 것이 현재 조명용 OLED에서 절실히 요구되고 있다<그림 3>.

위에서 살펴본 바와 같이 OLED는 향후 디스플레이와 조명에서 가장 실현가능하고 유망한 기술 중 하나로 떠오르고 있다. 현재 조명용 백색 OLED는 환경친화적 기술에 역량을 집중하는 일본과 독일을 중심으로 개발 및 투자가 선도되고 있다. 우리나라도 디스플레이 분야에서의 강점을 기반으로 LGㆍ삼성 등의 기업이 OLED 디스플레이 제품을 이미 개발하여 시연하고 있다. 앞으로 한국은 디스플레이 분야의 선두위치를 OLED 디스플레이를 통해 계속 유지해야 하는 한편 전세계적인 에너지 및 환경문제에 발맞춰가기 위해 조명용 백색 OLED에 대한 연구개발 및 투자에도 역량을 집중해야 할 것이다.