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유기 발광 다이오드

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목차

1. 개요

유기 발광 다이오드(OLED)는 전압을 가하면 빛을 내는 유기 화합물 층을 사용하는 디스플레이 기술이다. 1950년대에 처음 발견되었으며, 1990년대에 효율적인 소자 개발이 이루어졌다. OLED는 수동형(PM OLED)과 능동형(AM OLED)으로 분류되며, 백라이트 없이 자체 발광하여 얇고 유연한 디스플레이를 구현할 수 있다는 장점이 있다.

OLED는 소형 분자, 고분자, 인광 재료 등 다양한 재료를 사용하며, 발광 방식에 따라 3색 방식, 변환 방식, 컬러 필터 방식 등으로 색상을 구현한다. 구조는 하부 발광, 상부 발광, 투명 OLED, 적층형 OLED, 역전 OLED 등 다양하며, 박막 트랜지스터(TFT) 백플레인을 사용하여 픽셀을 구동한다. OLED는 LCD에 비해 응답 속도가 빠르고, 시야각이 넓으며, 명암비가 높고, 플렉서블 디스플레이 구현에 적합하다는 장점이 있지만, 유기 재료의 수명이 제한적이고, 제조 비용이 높을 수 있다는 단점도 있다.

OLED는 스마트폰, TV, 자동차, 조명 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 삼성디스플레이와 LG디스플레이가 주요 생산 업체이다. 한국은 OLED 기술 개발을 선도하며, 관련 시장에서 높은 점유율을 차지하고 있다.

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유기 발광 다이오드
개요
명칭유기 발광 다이오드
영어 명칭Organic Light-Emitting Diode (OLED)
일본어 명칭有機EL (Yuuki EL, 유우키 이-에루)
기타 명칭유기 전기 발광 (Organic Electro-Luminescence: OEL)
발광 폴리머 (Light-Emitting Polymer: LEP)
기술 정보
유형LED
원리유기 화합물에서 빛을 방출
추가 정보
활용 분야디스플레이 장치
조명 패널

2. 역사

1950년대 초, 프랑스 낭시 대학교의 앙드레 베르나노스(André Bernanose)와 동료들은 유기 물질의 전기발광을 처음 발견하였다. 이들은 아크리딘 오렌지와 같은 물질을 셀룰로스나 셀로판 박막 필름에 용착시키거나 용해시킨 후, 공기 중에서 높은 교류 전압을 가했다. 이들이 제안한 메커니즘은 염료 분자의 직접 여기(勵起) 또는 전자의 여기였다.[353][354][355][356][9][10][11][12]

1960년 뉴욕 대학교의 마틴 포프(Martin Pope)와 그의 동료들은 유기 결정에 옴 접촉(Ohmic contact) 어두운 주입 전극 접촉을 개발했다.[13][14][15] 그들은 또한 정공 및 전자 주입 전극 접촉에 필요한 에너지 요구 사항(일함수)을 설명했다. 이러한 접촉은 모든 현대 OLED 소자에서 전하 주입의 기반이 된다. 1963년 포프의 연구팀은 진공 상태에서 안트라센의 단일 순수 결정과 테트라센으로 도핑된 안트라센 결정에서 400 볼트의 소형 실버 전극을 사용하여 직류(DC) 전기발광을 최초로 관찰했다.[16] 제안된 메커니즘은 전기장에 의해 가속된 분자 형광의 전자 여기였다.

1965년 포프의 연구팀은 외부 전기장이 없는 경우 안트라센 결정의 전기발광은 열화된 전자와 정공의 재결합에 의해 발생하며, 안트라센의 전도 레벨은 엑시톤 에너지 레벨보다 에너지가 높다는 것을 보고했다.[17] 같은 해, 캐나다 국립연구회의회(National Research Council (Canada))의 볼프강 헬프리히(Wolfgang Helfrich)와 W. G. Schneider는 정공 및 전자 주입 전극을 사용하여 안트라센 단결정에서 최초로 이중 주입 재결합 전기발광을 생성했는데,[18] 이는 현대 이중 주입 소자의 선구자였다. 같은 해, 다우 케미칼(Dow Chemical) 연구원들은 안트라센 분말, 테트라센 및 흑연 분말로 구성된 용융 형광체의 전기적으로 절연된 1밀리미터 두께의 얇은 층을 500~1500V의 고전압(100~3000Hz) AC로 구동하는 전기발광 셀을 제조하는 방법을 특허 받았다.[19] 그들의 제안된 메커니즘은 흑연 입자와 안트라센 분자 사이의 접촉에서 전자 여기를 포함했다.

최초의 고분자 LED(PLED)는 영국 국립물리연구소(National Physical Laboratory (United Kingdom))의 로저 파트리지(Roger Partridge)에 의해 만들어졌다. 이것은 두 개의 전하 주입 전극 사이에 위치한 최대 2.2 마이크로미터 두께의 폴리비닐카바졸 필름을 사용했다.[20] 1974년 특허를 받았을 때[21] 정부 산업부가 추가 개발을 위한 산업 협력자를 찾으려고 시도했지만 실패했다.[22][23][24][25][26]

1987년 이스트만 코닥(Eastman Kodak)의 화학자 청 완 탕(Ching Wan Tang)과 스티븐 반 슬라이크(Steven Van Slyke)는 최초의 실용적인 OLED 소자를 개발했다.[51] 이 소자는 정공 수송층과 전자 수송층이 분리된 2층 구조를 사용하여 유기층 중간에서 재결합과 발광이 일어나도록 했다.

1990년 영국 케임브리지 대학교(Cambridge University) 캐번디시 연구소(Cavendish Laboratory)의 J. H. 버로즈(J. H. Burroughes)가 100nm 두께의 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene)) 필름을 사용한 고효율 녹색 발광 폴리머 기반 소자를 보고했다.[27] 분자 재료에서 고분자 재료로 전환함으로써 이전에 유기 필름의 장기 안정성과 관련하여 발생했던 문제들이 해결되었고, 고품질 필름을 쉽게 제작할 수 있게 되었다.[27] 그 후의 연구를 통해 다층 폴리머가 개발되었고, 플라스틱 전자(plastic electronics)라는 새로운 분야와 OLED 연구 및 소자 생산이 급속도로 발전했다.[28] 1995년 일본 야마가타 대학교(Yamagata University)의 J. 키도(J. Kido) 등이 개척한 백색 OLED는 OLED 백라이트 디스플레이와 조명의 상용화를 달성했다.[29][30]

1999년 코닥(Kodak)과 산요(Sanyo)는 OLED 디스플레이의 공동 연구, 개발 및 생산을 위한 파트너십을 체결했다. 같은 해 9월, 세계 최초의 2.4인치 능동형 매트릭스 풀 컬러 OLED 디스플레이를 발표했다.[31] 2002년 9월에는 CEATEC Japan에서 컬러 필터가 장착된 백색 OLED를 기반으로 한 15인치 HDTV 형식 디스플레이 시제품을 선보였다.[32]

소형 분자 OLED 제조는 1997년 파이오니아(Pioneer Corporation)에서 시작되었고, 2001년 TDK, 2002년 삼성(Samsung)-NEC 모바일 디스플레이(SNMD)(이후 세계 최대 OLED 디스플레이 제조업체 중 하나인 삼성디스플레이(Samsung Display)가 됨)가 뒤를 이었다.[33]

2007년 출시된 소니 XEL-1(Sony XEL-1)은 최초의 OLED TV였다.[217] OLED 재료 업체 중 하나인 유니버설 디스플레이(Universal Display Corporation)는 전 세계 주요 OLED 제조업체에서 사용하는 OLED 상용화와 관련된 여러 특허를 보유하고 있다.[34][35]

2017년 12월 5일, 소니(Sony)와 파나소닉(Panasonic)의 인쇄형 OLED 사업부의 후계자인 JOLED는 세계 최초로 잉크젯 인쇄 OLED 패널의 상업적 출하를 시작했다.[36][37]

3. 발광 원리

이중층 OLED의 도식: 1. 음극 (−), 2. 발광층, 3. 광선의 발산, 4. 도전층, 5. 양극 (+)


OLED는 음극과 양극 사이에 유기물 층을 두고 전압을 가하여 작동한다. 음극과 양극에 전압을 걸면 각각의 극에서 전자와 정공을 주입한다. 주입된 전자와 정공은 각각 전자수송층과 정공수송층을 통과해 발광층에서 결합한다.[38]

전자와 정공이 결합하면 엑시톤이 형성된다. 엑시톤은 전자와 정공의 결합 상태를 말하며, 이들이 다시 결합하면서 에너지를 방출한다. 이 에너지로 인해 발광층의 발광 재료가 들뜬 상태가 된다. 들뜬 상태에서 다시 기저상태로 돌아갈 때 빛을 발생한다. 이때 방출되는 빛의 파장은 발광 재료의 종류에 따라 달라진다.[38]

엑시톤의 상태에 따라 발광 방식은 두 가지로 나뉜다. 들뜬 상태(일중항)에서 그대로 기저상태로 돌아가는 발광은 형광이며, 일중항 상태에서 다소 에너지 준위가 낮은 삼중항 상태를 경유해 기저상태에 돌아갈 때의 발광을 이용하면 인광이다. 들뜬 상태가 돼도 빛으로 잘 이용하지 못하는 에너지는 방사되지 않고 불활성화한다.[38]

음극에는 알루미늄이나 은·마그네슘 합금, 칼슘 등의 금속박막을, 양극에는 '''ITO'''(Indium Tin Oxide)이라고 불리는 산화 인듐 주석 등의 투명한 금속박막을 사용한다. 발생한 빛은 반사면에 반사되고 투명 전극과 기판(유리판이나 플라스틱판 등)을 투과한다.[38]

4. 분류 및 특징

OLED는 제어 방식에 따라 '''PM OLED'''(Passive Matrix, 수동형)와 '''AM OLED'''(Active Matrix, 능동형)로 나뉜다. AM OLED는 '에이엠 오엘이디'로 읽는 것이 맞으나, 삼성이 자사 제품 광고에서 "아몰레드"로 홍보하면서 이러한 이름으로 더 잘 알려져 있다.[51] 발광 방식과 유기물 등에 따라 여러 종류로 구분된다.

Alq3


OLED에 일반적으로 사용되는 분자에는 유기금속 킬레이트(예: Alq3)와 형광 및 인광 염료, 그리고 공액 덴드리머가 포함된다.[51] 트리페닐아민 및 그 유도체는 정공 수송층 재료로 일반적으로 사용된다.[55] 형광 염료는 서로 다른 파장에서 발광을 얻기 위해 선택될 수 있으며, 페릴렌, 루브렌, 퀴나크리돈 유도체와 같은 화합물이 종종 사용된다.[56] Alq3는 녹색광 방출체, 전자 수송 물질, 그리고 황색광 및 적색광 방출 염료의 호스트로 사용되어 왔다.

OLED 픽셀은 직접 빛을 내기 때문에 백라이트가 필요 없다. 빛의 표현 범위가 액정표시장치(LCD)보다 넓고 검정 수준이 뛰어나다. 또한 LCD에 비해 1000배 빠른 응답 속도를 가지지만(소자의 경우에만 해당되며 실제로는 회로의 RC delay로 인해 큰 차이는 없다), 휠 수도 있다.

유기EL 디스플레이의 특징은 다음과 같다.

  • 응답 속도: 유기EL은 엑시톤의 수명이 매우 짧아 전류를 변화시키면 휘도가 순간적으로 변하여 응답 속도가 매우 빠르다. 액정 디스플레이는 액정 분자의 방향을 바꾸어 휘도를 변화시키므로 응답 속도가 느리고, 저온에서는 더욱 느려진다. 그러나 유기EL 디스플레이는 저온에서도 응답 속도가 변하지 않는다.[289]
  • 시야각: 액정처럼 보는 방향에 따라 계조가 반전되는 현상이 없으며, 명암비 저하도 낮아 시야각은 180도에 가깝다.[290][291]
  • 해상도: 초기에는 200ppi~300ppi가 상한선이라고 여겨졌으나, 기술 발전으로 500ppi를 넘는 제품도 양산되고 있다.[295]
  • 구동 전압·소비 전력·발광 효율: 발광 자체에 필요한 전압이 수 V 정도로 낮고, 발광 효율도 향상되고 있다. 원리적으로 효율이 높은 인광 재료의 개발이 진행되어 더 높은 효율 향상이 기대된다. 검은색이나 어두운 색이 많은 상황에서는 유기EL이 유리하다.
  • 색순도·색 재현성: 유기EL은 소자의 자발광으로 불필요한 색의 발광을 완전히 멈출 수 있어 높은 색순도를 유지할 수 있다.[300] Adobe RGB 비율은 삼성 "GALAXY Tab S"에서 약 94%[301], 델의 4K 유기EL 디스플레이 "UltraSharp 30 OLED"에서 100%이다.[302]
  • 명암비: 발광을 멈춤으로써 검은색을 명확하게 표현하여 높은 명암비를 달성할 수 있다. 소니의 유기EL TV XEL-1은 100만:1의 명암비를 공표했다.[304]
  • 자기의 영향: 브라운관과 달리 자기의 영향을 받지 않는다.
  • 크기: 기판이 1장이고 백라이트가 필요 없어 박형화가 가능하다.
  • 플렉서블: 플라스틱 등의 기판을 사용한 구부릴 수 있는 디스플레이 시제품이 발표되고 있다.
  • 수명: 발광체의 유기물은 통전 및 산소와 습기의 영향으로 점차 열화되어 휘도가 저하되지만, 기술 발전으로 개선되고 있다. 최신 제품은 50,000시간 이상의 수명을 확보하고 있다.[305]
  • 비용: 원리적으로 액정표시장치(LCD)보다 단순한 구조가 가능하여 제조 비용이 저렴해질 것으로 기대된다.

5. 색을 표현하는 방식

OLED 디스플레이는 다음과 같은 세 가지 방식으로 색을 표현한다.[357][50]


  • 3색 방식: 적색, 녹색, 청색의 발광층을 각각 사용하여 색을 표현한다. 색의 순도를 높이기 위해 컬러 필터를 함께 사용하기도 한다.
  • 색 변환 방식: 청색 발광층에서 나온 빛이 색 변환층을 통과하면서 적색과 녹색을 만들어내는 방식이다. 파장이 짧은 색으로 바꾸는 것이 어렵고, 청색 재료 개발도 다른 색에 비해 어려워 재료가 충분하지 않다는 단점이 있다. 하지만, 청색 LED에 희토류 복합체 등을 사용한 색 변환 재료를 결합하여 흰색 조명을 개발하는 연구도 진행되고 있다.[357]
  • 컬러 필터 방식: 흰색 발광층을 사용하고, 그 빛이 컬러 필터를 통과하면서 적색, 녹색, 청색을 얻는 방식이다.

6. 재료 기술

유기 EL 소자 재료에는 고분자와 저분자가 있으며,[276] 발광층은 형광 재료와 인광 재료로 나뉜다.

; 형광 재료

: 단일항 발광을 이용하는 재료로, 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색 모두 비용, 수명, 내구성, 박막 형성성에서 좋은 조건을 갖추고 있다. 1993년 야마가타 대학의 시로토 준지 연구실에서 백색 유기 EL (White OLED영어)을 발견하면서,[279] 유기 EL 조명과 대형 디스플레이 패널의 실용화가 가능해졌다.

; 인광 재료

: 삼중항 발광을 이용하는 재료로, 형광 재료보다 발광 효율이 높다. 인광 유기 발광 다이오드(PHOLED)는 전기인광 원리를 이용하여 전기에너지를 빛으로 효율적으로 변환하며, 내부 양자 효율은 100%에 가깝다.[73] 그러나 인광 재료는 수명, 전류 증가 시 효율 저하(삼중항-삼중항 소멸), 정제 및 내열성 등의 문제가 있었으나, 현재 적색과 녹색 재료는 실용화되었다. 청색은 아직 충분한 특성을 가진 재료가 개발되지 않아 실용화되지 못하고 있다 (2016년 기준).[280]

고체 상태 조명에서 OLED는 우수한 CIE 좌표(백색 방출의 경우)와 높은 밝기를 달성해야 한다. 인쇄형 OLED에서 Ir과 같은 인광종과 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(POSS) 같은 거대분자를 사용하면 10,000cd/m2의 높은 밝기를 얻을 수 있다.[75]

6. 1. 저분자 재료

저분자 재료는 주로 진공 증착을 사용하여 유기 재료를 박막으로 만들고 여러 층으로 쌓아 소자를 제작한다. 고분자 재료와 비교했을 때, 저분자 재료는 제조 기술이 복잡하고, 섀도우 마스크의 정밀도와 열팽창 때문에 대형화가 어렵다는 단점이 있다.[276] 현재 유기 EL 디스플레이가 소형에 한정되는 것은 이 때문이다(2008년 기준).[276] 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 방법이 제안되고 있으며, 인쇄 기술에 대응하기 위해 용해성을 갖게 한 저분자 재료도 연구 개발이 진행되고 있다.

저분자 재료에는 다양한 유기금속 킬레이트, 형광 및 인광 염료, 공액 덴드리머 등이 사용된다. 인광 유기 발광 다이오드(PHOLED)는 전기인광 원리를 이용하여 OLED에서 전기에너지를 매우 효율적으로 빛으로 변환하며, 내부 양자 효율은 100%에 가깝다.[73] PHOLED는 섀도우 마스크를 통한 진공 증착으로 증착할 수 있다.[74]

upright


일반적으로 폴리(N-비닐카바졸)과 같은 고분자를 호스트 물질로 사용하며, 여기에 유기금속 착물을 도판트로 첨가한다. 2004년 기준으로 Ir(mppy)₃[70]과 같은 이리듐 착물[72]이 연구의 중심이었지만, 백금[71]과 같은 다른 중금속을 기반으로 하는 착물도 사용되었다. 이러한 인광 재료를 사용하면 일중항 및 삼중항 엑시톤이 모두 복사적으로 붕괴될 수 있으므로, 단일항 상태만이 빛 방출에 기여하는 표준 OLED에 비해 소자의 내부 양자 효율이 향상된다.

6. 2. 고분자 재료

고분자 발광 다이오드(PLED, P-OLED) 또는 발광 고분자(LEP)는 전도성 고분자를 포함하며, 외부 전압에 연결될 때 발광한다. 고분자 OLED는 효율적이며 생성되는 빛의 양에 비해 상대적으로 적은 전력을 필요로 한다.[27]

upright


고분자는 용액에서 처리될 수 있으며, 스핀 코팅은 얇은 고분자 필름을 증착하는 일반적인 방법이다. 이 방법은 열 증발보다 대면적 필름을 형성하는 데 더 적합하다. 진공이 필요하지 않으며, 발광 재료는 상업용 잉크젯 인쇄에서 파생된 기술을 통해 기판에 적용될 수도 있다.[62][63] 그러나 후속 층의 적용이 이미 존재하는 층을 용해시키는 경향이 있으므로, 이러한 방법으로 다층 구조를 형성하는 것은 어렵다.

PLED 디스플레이에 사용되는 일반적인 고분자에는 폴리(p-페닐렌 비닐렌) 및 폴리플루오렌의 유도체가 포함된다. 고분자 주쇄에 대한 치환은 방출되는 빛의 색상[64] 또는 성능과 처리 용이성을 위한 고분자의 안정성과 용해도를 결정할 수 있다.[65] 비치환 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(PPV)는 일반적으로 불용성이지만, 유기 용매 또는 물에 용해되는 여러 PPV 및 관련 폴리(나프탈렌 비닐렌)(PNV)가 개환 메타세시스 중합을 통해 제조되었다.[66][67][68]

고분자 재료는 잉크로 만들어 인쇄 기술을 응용하여 대량, 저렴, 대형 유기 EL 소자를 쉽게 생산할 수 있다고 여겨진다. 차세대 재료로서 일본 국내의 대기업 인쇄 회사, 화학 기업, 전기 가전 메이커 등에서 연구 개발이 계속되고 있다.[278] 하지만 고분자 재료로 유기 EL 소자를 제작하는 경우, 층간의 재료끼리 용해되기 쉬워 유기 EL에 필수적인 헤테로 구조를 갖게 하는 것이 매우 어렵다. 따라서 단층 또는 소수의 층의 소자 구조밖에 만들 수 없고, 많은 기능(각 층의 기능)을 이들 단수 또는 소수의 층이나 재료에 갖게 할 필요가 있다. 따라서 고분자 재료의 분자 설계에 대한 요구는 저분자 재료에 비해 매우 높다.

6. 3. 인광 재료

이리듐 착물[72] 등은 삼중항 엑시톤을 이용하여 발광 효율을 높이는 인광 재료이다. 일중항 상태만 빛 방출에 기여하는 형광 재료에 비해 소자의 내부 양자 효율이 향상된다.[73] 이러한 인광 재료는 100%에 가까운 내부 양자 효율을 보인다.[73]

하지만 인광 재료는 수명, 전류 증가 시 효율 저하(삼중항-삼중항 소멸), 정제의 어려움, 내열성 등의 문제가 있다.[280] 현재 적색이나 녹색 등의 재료는 실용화되어 보급되고 있지만, 청색은 아직 충분한 특성을 가진 재료가 개발되지 않아 실용화되지 못하고 있다.[280]

7. 소자 구조



일반적인 OLED는 기판 위에 증착된 양극과 음극 사이에 유기물 층으로 구성된다. 유기 분자는 분자의 일부 또는 전체에 걸친 공액계에 의한 π전자의 비편재화로 인해 전기 전도성을 띤다. 이러한 재료는 절연체부터 도체까지 다양한 전도도 수준을 가지므로 유기 반도체로 간주된다.[38] 유기 반도체의 최고 점유 분자 궤도(HOMO)와 최저 비점유 분자 궤도(LUMO)는 무기 반도체의 가전자대와 전도대와 유사하다.

음극과 양극에 전압을 걸면 각각의 극에서 전자와 정공을 주입한다. 주입된 전자와 정공은 각각의 전자수송층, 정공수송층을 통과해 발광층에서 결합한다. 결합에 의한 에너지로 발광층의 발광재료가 들뜬 상태가 된다. 들뜬 상태에서 다시 기저상태로 돌아갈 때 빛을 발생한다. 이때 발생하는 빛이 형광이며, 삼중항 상태를 경유해 기저상태에 돌아갈 때의 발광을 이용하면 인광(燐光)이다.

음극에는 알루미늄과 은・마그네슘 합금, 칼슘 등의 금속박막을, 양극에는 '''ITO'''(Indium Tin Oxide)이라고 불리는 산화 인듐 주석 등의 투명한 금속박막을 사용한다. 발생한 빛은 반사면에 반사되고 투명 전극과 기판(유리판과 플라스틱판 등)을 투과한다.

초기에는 가장 기본적인 고분자 OLED가 단일 유기층으로 구성되었으나, 소자 효율을 높이기 위해 다층 OLED를 제작하기도 한다. 전도층과 발광층으로 구성된 이중층 구조가 대표적이다.

작동 중에는 양극이 음극에 대해 양전위가 되도록 전압을 인가한다. 양극은 광학적 투명성, 전기 전도도 및 화학적 안정성을 고려하여 선택한다.[43] 전자가 음극에서 유기층의 LUMO로 주입되고 양극에서 HOMO에서 빠져나오므로, 전자의 전류가 음극에서 양극으로 흐른다. 정전기력은 전자와 정공을 서로 가깝게 하여 엑시톤을 형성한다. 유기 반도체에서 정공이 전자보다 이동성이 높아, 발광층의 전자 수송층 부근에서 주로 발생한다. 이 여기 상태가 붕괴하며 전자의 에너지 준위가 이완되고, 가시 영역 주파수의 복사가 방출된다. 복사의 주파수는 재료의 밴드갭에 따라 달라진다.

전자와 정공은 페르미온이므로, 엑시톤은 단일항 상태 또는 삼중항 상태가 될 수 있다. 인광 유기 발광 다이오드(PHOLED)는 스핀-궤도 상호작용을 통해 단일항과 삼중항 상태 간 계간 교차를 유도하여, 두 상태 모두에서 방출을 얻어 내부 효율을 높인다.

산화인듐주석(ITO)은 양극 재료로, 바륨과 칼슘 등은 낮은 일함수로 인해 음극 재료로 사용된다.[45] 이 금속들은 반응성이 높아 알루미늄 캡핑층으로 보호한다.

양극 특성은 OLED 효율, 성능, 수명에 중요하며,[46] 단일 캐리어 소자는 유기 재료의 반응 속도론 및 전하 수송 메커니즘 연구에 유용하다.[47][48][49]

액티브 매트릭스 방식의 스마트워치


패시브 매트릭스 구동은 대형화에 불리하여, 대형 패널에는 액티브 매트릭스 구동이 주로 쓰인다. 하지만 액정 디스플레이보다 복잡한 회로[286]가 필요하다.

7. 1. 하부 발광 (Bottom Emission)

저방출형 유기 발광 다이오드(BE-OLED)는 초기 AMOLED 디스플레이에 사용되었던 구조이다. 빛은 유리 기판 위에 제작된 투명 양극 방향으로 방출된다. 알루미늄과 같은 비교적 두꺼운 금속 음극은 모든 빛을 양극 방향으로 반사하는 데 사용된다. 양극의 경우, 가능한 한 많은 빛을 방출하기 위해 고투명도 산화인듐주석(ITO)이 일반적으로 사용되었다.[76] 실제로 빛을 생성하는 발광층을 포함한 유기 박막은 ITO 양극과 반사형 금속 음극 사이에 끼워진다. 저방출 구조의 단점은 빛이 박막 트랜지스터(TFT) 기판과 같은 픽셀 구동 회로를 통과해야 하며, 빛을 추출할 수 있는 영역이 제한되어 빛 방출 효율이 감소한다는 것이다.

a) 저방출형과 b) 고방출형 OLED 구조; c,d) 각각 낮은 명암비와 높은 명암비를 가진 저방출형 및 고방출형 OLED를 기반으로 한 개략도

7. 2. 상부 발광 (Top Emission)

상부 발광 OLED(TE-OLED)는 반사형 양극과 투명(또는 반투명) 음극을 사용하여 빛이 기판 반대 방향으로 방출되는 구조이다. 하부 발광 OLED(BEOLED)와 달리, 상부 발광에서는 빛이 여러 구동 회로층을 통과할 필요가 없어 빛 추출 효율이 높다.[77] 고해상도 디스플레이에서는 픽셀당 액정은 1개 이상, 유기EL은 2개 이상의 TFT가 필요하여 제약이 있을 수 있지만, 탑 에미션[298][299] 등의 기술이 개발되고 있다.

7. 3. 투명 OLED

투명한 층에 렌즈 모양의 돌기를 만들어 OLED 발광 물질에서 나오는 빛이 통과하게 하면, 디스플레이 내부에서 산란되는 빛의 양이 줄어들고 빛이 앞으로 향하게 되어 밝기가 향상된다.[83][84][85][86][87]

7. 4. 적층형 OLED

소니의 슈퍼 탑 에미션 OLED 기술은 방출되는 빛의 색 순도를 향상시킨다.


TEOLED는 두 전극이 모두 반사체이기 때문에 다이오드 내에서 빛의 반사가 발생할 수 있으며, 이는 BEOLED보다 더 복잡한 간섭을 유발한다. 두 광선 간섭 외에도 두 전극 사이에 다중 공진 간섭이 존재한다. TEOLED의 구조는 파브리-페로 공진기 또는 레이저 공진기와 유사하기 때문에,[88] 이 효과는 TEOLED에서 특히 강하다. 이러한 두 광선 간섭과 파브리-페로 간섭은 OLED의 출력 스펙트럼 강도를 결정하는 주요 요소이다. 이 광학적 효과를 "마이크로 공진기 효과"라고 한다.

OLED에서 TEOLED의 공진기는 더 많은 전력을 소비하지 않고도 좁은 파장 대역으로 광 출력 강도와 색 순도를 향상시키도록 특별히 설계될 수 있다. TEOLED에서는 마이크로 공진기 효과가 일반적으로 발생하며, 이 효과를 억제하거나 활용하는 시기와 방법은 소자 설계에 필수적이다. 보강 간섭 조건과 일치하도록 특정 색상의 공진 파장에 따라 서로 다른 층 두께를 적용한다. 두께 조건은 청색광(460 nm), 녹색광(530 nm), 적색광(610 nm) LED의 최대 공진 방출 파장에 따라 신중하게 설계 및 제작된다. 이 기술은 OLED의 발광 효율을 크게 향상시키고 높은 색 순도로 인해 더 넓은 색 영역을 달성할 수 있다.

7. 5. 역전 OLED

역전 OLED는 음극이 아래에 위치하는 구조로, n-채널 TFT를 사용하는 능동 매트릭스(AMOLED) 디스플레이 제조에 유용하다. Inverted OLED영어

8. 박막 트랜지스터 (TFT) 백플레인

박막 트랜지스터(TFT) 백플레인은 고해상도 OLED 디스플레이에서 픽셀을 구동하는 데 필수적이다. 2019년 기준으로, 저온 다결정 실리콘(LTPS) TFT는 비정질 실리콘(a-Si) TFT보다 전류 처리 능력이 우수하여 상용 AMOLED 디스플레이에 널리 사용된다.[112] 그러나 LTPS-TFT는 디스플레이 성능 변화가 있어 다양한 보상 회로가 필요하다.[113] 또한 LTPS에 사용되는 엑시머 레이저의 크기 제한으로 인해 AMOLED 크기가 제한되는 문제도 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘 백플레인이 연구되었으며, 대형 디스플레이 시제품으로 시연되었다.[114]

인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO) 백플레인도 사용 가능하다. 대형 OLED 디스플레이는 일반적으로 AOS(비정질 산화물 반도체) TFT 트랜지스터를 사용하며,[115] 이는 주로 IGZO 기반이다.[116]

많은 AMOLED 디스플레이는 LTPO TFT를 사용한다. LTPO TFT는 낮은 재생률에서 안정성과 가변 재생률을 제공하여 전력 효율을 높이고 시각적 아티팩트를 줄인다.[117][118][119]

TFT에 비정질 실리콘을 사용하면 화소별 편차는 줄지만, 경년 변화가 크다. 반면, 저온 다결정 실리콘을 사용하면 경년 변화는 작지만 화소별 편차가 크다. 이러한 편차를 보정하기 위해 회로를 추가할 수 있지만, TFT 수가 증가하면 바텀 에미션 방식에서는 개구율이 낮아지므로 탑 에미션 방식이 고려된다.

9. 장점

OLED는 다음과 같은 다양한 장점을 가진다.

; 미래의 낮은 비용

: OLED는 잉크젯 프린터 또는 스크린 프린팅으로 적합한 기판에 인쇄될 수 있어,[120] 이론적으로 LCD 또는 플라즈마 디스플레이보다 생산 비용이 저렴해질 수 있다. 그러나 2018년 기준으로 OLED 기판 제작은 TFT LCD보다 비용이 더 많이 든다.[121] 유기 소자에 대한 롤투롤 증착 방식은 분당 수천 개의 소자를 최소 비용으로 대량 생산할 수 있지만, 정합 — 서로 다른 인쇄된 층을 필요한 정확도로 정렬하는 것 — 문제 때문에 여러 층으로 된 소자는 만들기 어려울 수 있다.

; 가볍고 유연한 플라스틱 기판

: OLED 디스플레이는 유연한 플라스틱 기판 위에 제작될 수 있어, 직물이나 의류에 내장된 롤업 디스플레이와 같은 새로운 응용 분야를 위한 유연한 유기 발광 다이오드 제작 가능성을 가져온다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와[122] 같은 기판을 사용할 수 있다면 디스플레이를 저렴하게 생산할 수 있다. 또한, 플라스틱 기판은 LCD 장치에 사용되는 유리 디스플레이와 달리 파손에 강하다. 유연한 OLED 디스플레이는 생산 중에 유리 패널에 접합된 폴리아미드 플라스틱 필름으로 만들어지며, OLED 디스플레이가 밀봉되면 레이저 리프트오프(LLO) 공정에서 레이저를 사용하여 플라스틱을 유리에서 분리한다.[123]

; 전력 효율

: LCD는 백라이트에서 방출되는 빛을 필터링하여 소량의 빛만 통과시키므로 진정한 검정색을 표현할 수 없다. 그러나 비활성 OLED 요소는 빛을 생성하거나 전력을 소비하지 않으므로 진정한 검정색을 표현할 수 있다.[124] 백라이트를 제거하면 일부 기판이 필요하지 않아 OLED가 더 가벼워진다. OLED는 검은색이 주를 이루는 이미지를 표시할 때 LCD 소비 전력의 약 40%를 소비하지만, 대부분의 이미지에서는 LCD 소비 전력의 60~80%를 소비한다. 그러나 문서나 웹사이트처럼 흰색 배경의 이미지를 표시할 때는 LCD보다 300% 이상의 전력을 소비할 수 있다.[155]

; 응답 시간

: OLED는 LCD보다 훨씬 빠른 응답 시간을 가진다. LG에 따르면, OLED 응답 시간은 LCD보다 최대 1,000배 빠르며,[125] 보수적인 추정치는 10μs(0.01ms) 미만으로, 이론적으로 100kHz(100,000Hz)에 가까운 재생 빈도를 수용할 수 있다. 매우 빠른 응답 시간 덕분에 OLED 디스플레이는 스트로브 방식으로 쉽게 설계되어 CRT 깜박임과 유사한 효과를 생성하여 LCD와 일부 OLED 디스플레이에서 볼 수 있는 샘플 앤 홀드 동작을 방지하고 모션 블러 인식을 생성할 수 있다.[126]

; 높은 다이나믹 레인지 지원

: OLED는 개별 픽셀을 꺼서 진정한 검정색을 표현할 수 있으므로 OLED 디스플레이의 명암비가 매우 커서 고품질의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 이미지와 비디오를 표현할 수 있다. 최대(피크) 밝기도 OLED 디스플레이에 따라 다르며, 이는 표현할 수 있는 다이나믹 레인지에 영향을 미친다.

10. 단점

OLED의 가장 큰 기술적 문제는 유기 재료의 수명이 제한적이라는 점이다.[127] 특히 청색 OLED는 수명이 짧아, 초기 밝기의 절반으로 감소하는 데 약 14,000시간(하루 8시간 사용 시 5년)밖에 걸리지 않았다. 이는 LCD, LED, PDP의 일반적인 수명(25,000~40,000시간)보다 짧은 수치이다.[127] 2016년 LG전자는 OLED 수명을 100,000시간으로 연장했다고 발표했다.[131]

OLED 디스플레이는 장시간 같은 화면을 표시할 경우, 소자가 열화되어 잔상이 남는 번인 현상이 발생할 수 있다. 또한, 청색 OLED 재료의 빠른 열화는 디스플레이의 색 균형을 변화시킬 수 있다.[127]

유기 재료는 수분과 산소에 매우 민감하여, 효율적인 봉지(encapsulation) 기술이 필수적이다.[137] 수분이나 산소에 노출되면 OLED의 발광 재료가 산화되어 검은 반점이 생기고, 빛을 내는 영역이 줄어들어 결국 패널 전체가 고장 날 수 있다.[137]

OLED는 밝은 환경에서 반사율이 높아 시인성이 저하될 수 있다. TOLED는 명암비를 향상시켜 밝은 햇빛 아래에서도 디스플레이를 보기 쉽게 만들어, 헤드업 디스플레이 등에 활용될 수 있다.[92]

OLED는 흰색 배경의 이미지를 표시할 때 LCD보다 더 많은 전력을 소비할 수 있다.[155] 예를 들어, 문서나 웹사이트처럼 흰색 배경을 표시할 때는 LCD보다 300% 이상의 전력을 소비할 수 있어, 휴대 기기의 배터리 사용 시간이 단축될 수 있다.[155]

11. 기업 동향

삼성디스플레이는 AMOLED 디스플레이 시장의 선두 주자로, 2010년 전 세계 AMOLED 시장의 98%를 점유했다.[195] 2006년에는 세계 OLED 시장에서 총 4.75억달러 매출 중 1.02억달러를 창출하며 OLED 업계를 선도했으며, 같은 해 기준으로 600개 이상의 미국 특허와 2800개 이상의 국제 특허를 보유하여 AMOLED 기술 특허 최대 보유 업체였다.[196] 삼성은 2005년 당시 세계 최대 크기였던 OLED TV를 발표했고,[197] 2008년에는 두께 4.3mm의 OLED TV를 선보였다.[198] 2010년 CES에서는 최대 40% 투명도를 가진 대형 투명 OLED 디스플레이를 장착한 노트북 컴퓨터를 시연했다.[202] 갤럭시 S 등 스마트폰에 슈퍼 AMOLED 상표를 사용했으며, 2011년에는 개선된 슈퍼 AMOLED Plus 디스플레이를 발표했다.[204] 2013년에는 곡면 OLED TV를 출시했으며,[207][208] 갤럭시 폴드와 같은 폴더블 OLED 디스플레이를 탑재한 제품도 출시했다.[359]

LG디스플레이는 2009년 미국 코닥의 OLED 사업을 인수하면서 OLED TV를 주력 상품으로 양산하고 있다.[366] 2011년에는 31인치 OLED 3D TV를 발표했고,[235] 2012년에는 55인치 OLED 패널을 공개했다.[236] 2015년에는 유니버설 디스플레이와 OLED 재료 공급 및 특허 사용 계약을 체결했다.[238] 2022년 기준으로 세계 최대 크기인 97인치 OLED TV를 생산하고 있다.[239][240]

소니는 2007년 세계 최초의 OLED TV인 XEL-1을 출시했으나,[359] 소량 생산에 그쳤다.[360] 2012년에는 OLED TV 사업에서 잠정 철수했다.[360] 그러나 2017년 A1E 모델을 시작으로 OLED TV 시장에 복귀했으며, 이후 다양한 OLED TV 모델을 출시하고 있다.[228]

일본의 JOLED는 소니와 파나소닉의 OLED 사업 부문을 계승하여 2017년 세계 최초로 잉크젯 인쇄 방식의 OLED 패널 상업 출하를 시작했다.[275]

애플은 2015년 애플 워치를 시작으로 OLED 패널을 사용하기 시작했으며,[246] 2017년에는 아이폰 X에 자체 최적화 OLED 디스플레이를 탑재했다.[247] 2024년에는 7세대 아이패드 프로에 "탠덤 OLED" 패널을 탑재했다.[248]

닌텐도는 닌텐도 스위치의 세 번째 모델에 OLED 패널을 사용했다.[249]

OLED 재료 회사인 유니버설 디스플레이는 다수의 OLED 관련 특허를 보유하고 있으며, 세계 대형 OLED 제조업체들이 이 회사의 기술을 채택하고 있다.

12. 특허 및 권리 이동 동향

세계 각 기업이 기술 개발 투자 의욕을 잃고 OLED 디스플레이 제품화에서 순차적으로 철수하는 가운데, 이용권 양도가 이루어졌다. 2010년 LG 그룹은 코닥의 기술과 지적 재산 이용권을 양도받았다.[368]

2009년 6월, LG는 이데미츠코우산(出光興産|이데미츠코산일본어)과 전략적 제휴를 맺고, 이데미츠 사로부터 고성능 OLED 재료를 제공받고 디바이스 구성 제안도 받게 되었다.[369]

2011년 7월에는 도쿄공업대학과 과학기술진흥기구가 보유한 IGZO 박막 반도체(산화물 반도체) 특허를 삼성이 라이선스 취득했다.[370]

13. 응용 분야

OLED 기술은 휴대전화, 휴대용 디지털 미디어 플레이어, 자동차 라디오, 디지털카메라 등의 디스플레이와 조명 등 상업적 응용 분야에 사용된다.[190] 햇빛 아래에서도 가독성을 높이는 OLED의 높은 광 출력과 낮은 전력 소모는 휴대용 디스플레이 응용 분야에서 유리하다.[190] OLED의 독특한 특성을 활용한 플렉서블 디스플레이와 롤러블 디스플레이의 시제품이 제작되었으며, 플렉서블 사인 및 조명 분야의 응용 프로그램도 개발 중이다.[190]

구글 넥서스 원 스마트폰의 AMOLED 화면


크리에이티브 ZEN V 미디어 플레이어의 OLED 디스플레이


독일 아헨의 쇼핑몰에 설치된 OLED 조명

  • 소비자 가전
  • 노키아는 N85와 N86 8MP를 포함한 OLED 휴대전화를 출시했다.[190]
  • OLED는 모토로라, 삼성, HTC, LG, 소니 에릭슨 등 다양한 제조사의 컬러 휴대전화에 사용되었다.[190]
  • 크리에이티브 ZEN V, 아이리버 클릭스, Zune HD, 소니 워크맨 X 시리즈와 같은 디지털 미디어 플레이어에도 OLED 기술이 적용되었다.[190]
  • 구글과 HTC 넥서스 원 스마트폰에는 AMOLED 화면이 탑재되었다.[190]
  • 포슬(JR-9465)과 디젤(DZ-7086) 시계에도 OLED 디스플레이가 사용되었다.[190]
  • 갤럭시 S7 엣지 등에는 플렉서블 OLED 디스플레이가 사용되어 곡면 디자인을 구현했다.[189]
  • 2018년 로욜(Royole)은 세계 최초의 폴더블 스크린 휴대폰을 공개했다.[189]
  • 2019년 삼성은 삼성 갤럭시 폴드를, 화웨이는 화웨이 메이트 X를 발표하며 폴더블 OLED 디스플레이 기술을 선보였다.[189]
  • 애플은 2015년 애플 워치를 시작으로, 2016년 맥북 프로에 OLED 터치 바를, 2017년 아이폰 X 이후 대부분의 아이폰에 OLED 디스플레이를 탑재했다.[246],[247]
  • 2024년 애플은 7세대 아이패드 프로에 "탠덤 OLED" 패널을 적용했다.[248]
  • 닌텐도 스위치의 세 번째 모델은 OLED 패널을 사용한다.[249]
  • 자동차
  • 2010년형 렉서스 RX를 시작으로, 파이오니어(Pioneer Electronic Corporation), 애스턴 마틴(Aston Martin)(DB9), 지프 그랜드 체로키, 쉐보레 콜벳 C6, 현대 쏘나타, 기아 쏘울 EV 등 다양한 차종에 OLED 디스플레이가 적용되었다.[190],[191],[193],[194]
  • 조명
  • OLED 조명은 LED 조명보다 고품질, 확산 광원, 패널 형태 등에서 장점을 가진다.[190]
  • 필립스 라이팅("Lumiblade"), 노발레드(Novaled AG)("Victory"), 루미오텍(Lumiotec) 등에서 OLED 조명 제품을 선보였다.[190],[241]
  • 패션
  • OLED는 섬유와 결합하여 패션 분야에서 혁신적인 시도를 가능하게 한다.[189]
  • 기타
  • 2011년 미쓰비시전기(Mitsubishi Electric)는 도쿄 과학 박물관에 6미터 크기 OLED '구체'를 설치했다.[241]
  • Recom Group은 웨어러블 비디오 명찰, 비디오 마이크 플래그 등에 OLED 디스플레이를 활용했다.[242],[243]
  • 델(Dell)은 2016년 Ultrasharp UP3017Q OLED 모니터를 발표 및 출시했다.[244],[245]
  • 유기 반도체 레이저는 다양한 발광색을 구현할 수 있지만, 발열 문제가 있어 연구 개발이 진행 중이다.[351]

14. 연구 개발 동향

OLED 디스플레이는 발광층 패터닝 방식으로 그림자 마스크(shadow masking) 방식을 주로 사용하는데, 이는 "RGB 나란히 배열" 또는 "RGB 픽셀화" 방식으로도 불린다.[98] 이 방식은 열팽창 계수가 낮은 니켈 합금 등으로 만들어진 미세 금속 마스크(FMM)를 사용한다. FMM은 포토케미컬 머시닝으로 제작되며, 마스크의 점 밀도가 디스플레이의 픽셀 밀도를 결정한다.[99] 미세 하이브리드 마스크(FHM)는 FMM보다 가벼워 휨 현상을 줄일 수 있으며, 전기도금 공정으로 제작된다.[100][101]

이 방법은 고진공 상태에서 열적 방법을 사용하여 전기 발광 재료를 가열해야 한다. 그림자 마스크는 최대 2250dpi의 높은 픽셀 밀도를 가능하게 하여 가상현실 헤드셋 등에 사용된다.[104]

OLED 제조성을 높이기 위한 다양한 패터닝 기술들이 연구되고 있다.


  • 패터닝 가능한 유기 발광 다이오드는 빛이나 열에 활성화되는 전기활성층을 사용한다.[106]
  • 레이저를 이용한 방사선 유도 승화 전사(RIST) 기술로 색상 패터닝을 할 수 있다.[107]
  • 유기 증기 제트 프린팅(OVJP)은 불활성 운반 기체를 사용하여 유기 분자를 운반하여 다층 패턴을 인쇄한다.
  • 잉크젯 식각(IJE)은 용매를 사용하여 기판 물질을 선택적으로 용해시켜 패턴을 형성하며, OLED의 빛 추출 효율을 높일 수 있다.[108]
  • 전사 인쇄는 다수의 OLED 및 AMOLED 소자를 효율적으로 조립하는 기술이다.[109]


FMM 대신 포토리소그래피 기술을 사용하는 실험도 진행되었으며, 이는 대형 기판에 유리하다.[110] Visionox는 OLED 발광 재료 증착에 포토리소그래피를 사용한다고 발표했다.[111]

2014년, 미쓰비시 케미컬은 기존 OLED 패널의 두 배인 3만 시간 수명의 OLED 패널을 개발했다.[250] 효율적인 OLED 재료 연구는 시뮬레이션 방법으로 지원되어 재료 개발 비용을 절감한다.[251][252]

2018년, 삼성은 디스플레이 내장 지문 인식(FoD), 디스플레이 내장 센서(UPS), 디스플레이 내장 햅틱(HoD), 디스플레이 내장 사운드(SoD) 등의 연구 로드맵을 공개했다.[253]

여러 업체들이 OLED 아래 카메라(Under Display Camera)를 연구하고 있다. IHS Markit에 따르면 화웨이는 BOE와, 오포는 차이나스타와, 샤오미는 비전옥스와 제휴했다.[254]

2020년, 퀸즐랜드 공과대학교 연구원들은 인모를 사용하여 OLED 디스플레이를 제작하는 방안을 제시했다.[255]

15. 대한민국 현황 및 전망

초기 OLED 제조부터 사용되어 온 섀도우 마스크 패터닝 방식은 마스크-기판 접촉으로 인한 암점 형성이나 섀도우 마스크 변형으로 인한 패턴 정렬 오류와 같은 여러 문제점을 야기한다. 이러한 결함 형성은 디스플레이 크기가 작을 때는 사소한 것으로 간주될 수 있지만, 대형 디스플레이 제조 시 심각한 문제를 야기하여 상당한 생산 수율 손실을 초래한다.[105]

이러한 문제를 해결하기 위해 대형 텔레비전에는 4개의 서브픽셀 컬러 필터(흰색, 빨간색, 녹색, 파란색)를 사용하는 백색 발광 소자를 사용해 왔다. 컬러 필터에 의한 광 흡수에도 불구하고, 최첨단 OLED 텔레비전은 NTSC 100%와 같이 색상을 매우 잘 재현하고 동시에 전력 소비량이 적다. 이는 높은 인간 눈 감도를 가진 발광 스펙트럼, 스펙트럼 중첩이 낮은 특수 컬러 필터, 색상 통계를 고려한 성능 조정을 사용하여 달성된다.[105] 이 방법은 "화이트 컬러 방식"(Color-by-white method)이라고도 한다.

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