2. 유기EL 작동원리 및 기술동향이제 유기EL 온라인 강좌 두번째
시간이다.
첫 번째 강의가 나간 후 많은 분들이 감사의 글과 함께 계속되는 강좌를
기대한다는 내용의 응원을 보내주셨다. 이에 힘을 얻은 필자는 어줍잖은 지식이지만 용감하게
다음 강좌를 준비했다.
이번 강좌는 유기EL의 구동원리와 기술
동향에 대한 내용이다.
글을 읽는 분에 따라 다소 어려울 수 있기
때문에 강의의 수준과 범위를 LCD나 CRT를 어느 정도 이해하고 있는 분들의 눈높이에
맞추기로 하겠다. 참고로 이번 강좌는 매우 Dry하기 때문에 자칫 브라우저를 꺼 버릴
소지가 많다. 그래서 강남 쪽집게 학원의 강의 형식을 빌어 일단 중요 포인트를
짚어보면...유기EL이 빛을 내는 원리와 구동소자의 종류와 특징만은 반드시 암기해야 한다.
자 그럼 시작해보자.
유기 EL은 어떤
원리인가?
대부분의 보고서에 나와있는 유기
EL의 원리를 설명한 글을 보면“유기 EL이란 유리기판에 적,녹,청색 등의 빛을 내는
유기화합물을 사용해 자체 발광시키는 디스플레이”라고 되어있다. 도대체 무슨 메커니즘이
숨어있는 지 도무지 알 길이 없다. 우리 주변의 지식이란 것들이 대부분 다 이런 식이다.
더 파고들지 않으면 알 수 없는 그네들만의 지적 유희… 이에 필자는 지식전달의 사명감으로
물리학, 전자기학을 총동원하여 해석하고 정리해 보았다.
유기 EL을 다룬
최초의 논문에 따르면 유기결정에 전류를 흘리면 발광이 관측된다고 했다. 이 현상을
체계적으로 정립하여 표현하면 “유기 EL은 전극과 유기재료 사이의 포텐셜 장벽에 의해
발광한다.”라고 할 수 있다.
그럼 유기 EL의 기본 구조를 가지고 따져보기로
하자.
유기 EL은 기본적으로 음극,양극의 전극과 유기물 그리고 기판의 구조로
되어 있다.
전극에 전기를 가하면 양극에서 발생된 정공과 음극에서 발생된 전자가
유기물 층에서 재결합되며 이 때 생긴 에너지 갭에 해당하는 빛이 발생하게 된다. 에너지가
빛으로 바뀌는 현상은 화학시간에 배운 에너지 보존의 법칙에 의해 설명될 수 있을 것이다.
받은 만큼 돌려주는 철저한 자연현상이라고 할 수 있다.
좀
더 자세히 들어가보자.
유기물 층은 재료에 따라 저분자형과 고분자형으로 나뉘며
두께는 일반적으로 100nm정도이다.
유기물 층은 세부적으로 보면 정공 관련
층과 전자 관련 층 그리고 발광 층의 구조를 가진다. 정공 관련층은 정공 주입 층과 정공
운송 층으로 나뉘며, 전자 관련 층 역시 주입 층과 운송 층으로 나뉜다.
전극에 전압을 가하면 양극에서는 정공이 주입, 운송되고 음극에서는 전자가
주입, 운송되어 발광 층 내에서 포논(Phonon)과 상호작용에 의해 각각 양성, 음성
폴라론(Polaron)을 생성하며, 이 폴라론 들이 서로 만나 재결합하여 여기자를 생성하게
된다. (여기자는 여자 기자를 말하는 것이 아니라 흥분상태라고 표현할 수 있는
Exciton (Excited State)을 한글로 표현한 것이다.)
이
여기자는 확산하며 빛을 생성하고 에너지 준위가 낮은 상태(Ground State)가 된다.
생성된 빛은 투명전극인 ITO와 유리기판 쪽으로 방출된다. 여기자와 관련된 원리와 효율에
관한 더 자세한 얘기는 어려운 학문으로 일컬어지는 이른바 “양자역학”의 영역에 해당하기
때문에 생략하기로 한다. ^^
유기 EL 구동방법 -
수동/능동
위에서 살펴 본 유기 EL의 원리를
실제로 디스플레이기기화 시키기 위해서는 구동방법이 필요하다.
현재 유기 EL의
구동방법에는 수동 구동과 능동 구동 방법이 있다. ( 이 부분은 다소 어렵기 때문에 약간의
참을성을 요한다. 참기 힘든 분들은 건너뛰어도 무방하다. 하지만 이번 강좌가 “유기 EL
기술”인 만큼 계속 읽어주었으면 하는 바람이다.)
 수동 구동은 양극과 음극이 교차하는 부분에 유기 EL 소자를 위치
시키는 방식이다. 유기 EL 소자는 응답시간이 빠르며, 전압이나 전류 등의 정보를 저장하지
않기 때문에 구동 펄스가 제거되면 곧바로 Off된다. 따라서실생활에 쓰일 수 있는
디스플레이 휘도를 유지하기 위해서는 On 상태에서 빛의 휘도가 아주 밝아야 한다. 순차
구동이라는 특성을 지닌 수동 구동 방법은 이런 조건에서 패널의 해상도와 크기가 증가할수록
소비전력이 급격히 증가하게 된다.
따라서 수동 구동 방식의 유기 EL은
5인치 미만의 디스플레이 기기로 활용되고 있으며, 소자의 효율 증가나 구동 전압의 감소,
배선의 저 저항화 기술, 저 소비전력 구동 IC 개발 등의 방안을 통해 소비전력을
억제시키는 연구가 시도되고 있다.
능동 구동은 하나의 유기 EL 소자당 한 개
이상의 트랜지스터를 사용하여 각 소자 별로 On/Off를 조절하며, 저장용량을 이용하여
정보를 저장하기 때문에 수동 구동 방식에 비해 소비전력이 작아진다. 또한 픽셀 형성 공정이
수동 구동에 비해 간단하고, 고해상도의 패널을 제작할 수 있는 장점이 있다.
 이 때 사용되는 트랜지스터는 일반적으로 출력전류가 큰 단결정 혹은
다결정 실리콘 TFT를 사용하며, 대면적에서 저가형으로 제작하기 위해 주로 LTPS
TFT(저온 다결정 실리콘 TFT)가 사용된다. 유기 EL 소자는 전류 구동 방식이
유리하기 때문에 기존의 전압구동방식의 LCD와는 다른 구조를 가지게 된다. 전류 구동을
위해서는 2개 이상의 트랜지스터가 필요하며, LTPS TFT 사용 시 균일도가 좋지 않은
문제를 보완하기 위하여 3개 이상의 TFT를 사용하는 것이 일반적이다. 하지만 이렇게 되면
TFT와 기타 보조물 들의 차지 면적이 커지게 되어 실제로 빛이 발생하는 영역은 작아지게
된다. 이것을 보상하기 위해서는 전류의 증가가 필연적이므로 전체적인 소비전력 증가 현상이
생긴다. 때문에 일부 제조사들(소니)은 이런 소비전력 및 수명감소 현상을 보상하기 위해
빛이 기판의 반대방향으로 방출되도록 하는 Top Emission 방식을 채용하고 있다. 이
경우 투명 전도성 물질을 음극으로 사용해야 하며, 투명 전극이 가지는 전자 주입의 어려움
때문에 여러 가지 해결방안에 대한 연구가 시급한 상황이다.
유기 EL 소재와 구동방식은 어떤
의미인가?
이번에는 유기 EL의 제조에 있어서
가장 중요한 사항을 살펴보자.
유기 EL 기술은 관련된 기본 특허를 일부 회사
(미국의 Eastman Kodak, UDC, 영국의 CDT 등)가 소유하고 있어서 최근
합작회사의 설립 및 특허 기술 공유 등의 제휴 관계가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 제휴
관계에 있어 가장 중요한 것이 유기 EL의 재료와 구동 방식이라고 할 수 있다. 유기
EL의 재료와 구동방식이 결정되어야 Poly Si TFT 기술이나 전압, 전류의 구동 회로
기술과 같은 후공정이 결정되기 때문이다.
아직 어떠한 기술도 표준화 되어 있지
않은 상태로 치열한 경쟁관계에 있는 유기 EL 산업에 있어 가장 중요한 문제인 이 내용을
산업자원부의 발표자료를 근거로 도표화 해보았다.
유기 EL의 재료와 구동 방식의 비교
| 구분 |
장점 |
단점 |
원천기술보유업체 |
| 저분자 |
조기양산 가능 |
대화면 곤란 |
Kodak |
| 고분자 |
고색상 가능 |
재료의 신뢰성 미흡 |
CDT |
| 수동형 |
저가격,
단순 제조공정 |
고 소비전력 |
Pioneer |
| 능동형 |
대화면 용이,
저 소비전력 |
고가격 |
Sanyo |
구분 : 발광 재료에 따른 분류 (고분자, 저분자),
신호정보를 화면에 구현하는 방법에 따른 분류 (수동형,
능동형)
핵심기술동향
이상으로
유기 EL의 작동 원리와 구동 방식에 대해 살펴보았다.
최근 유기 EL의 중요성과
시장성을 깨달은 미국, 영국, 일본, 독일, 대만 등 해외기업들과 우리나라의 몇 개
회사들이 유기 EL 사업에 뛰어들어 여러 가지 활발한 연구가 진행 중이다. 점차적으로
상용화를 시도하고 있지만 소형 사이즈에 그치고 있으며, 아직은 연구 개발 수준에 머물고
있는 실정이라고 할 수 있다.
유기 EL의 상용화를 위해 최근 진행되고 있는
기술동향을 살펴보자.
- 소재기술 :
기판, 발광물질, 전극 등
유기 EL을 구성하는 기판의
재료는 현재 유리와 플라스틱이 주로 사용되고 있다. 특히 플라스틱은 유리보다 유연하고
가벼우며, 유기 재료의 접착력에 유리한 장점을 지니고 있다. 하지만 습기나 산소 침투,
유리보다 약한 강도, 열에 대한 내구성과 투명성 등의 문제를 가지고 있다. 향후
Electronic Paper나 Wall Display와 같은 분야에 있어 유기 EL이
우월성을 갖기 위해서는 기판 소재의 연구가 가장 중요하다고 할 수 있다. 특히, 유기
박막에서는 발광층의 효율을 증가시키기 위한 전자 및 정공의 수송층과 관련된 연구가 매우
중요하다고 할 수 있다.
기판 소재 연구가 성공적으로 진행된다면 아마도 머지
않은 미래에는 둘둘 말아서 휴대 할 수 있는 디스플레이를 기대할 수 있을
것이다.
아울러 디스플레이 기기에 있어 색(色)은 가장 중요한 요소이다.
LCD의 경우 CRT에 비교하여 전체적인 색감이나 천연색의 표현에 있어 불리한 것이
사실이다. 유기 EL 역시 자연색과 같은 색감과 발광의 효율성을 극대화 할 수 있는
유기물과 고분자 재료에 대한 연구가 절실한 상황이다.
- 가공기술 : 패터닝, 보호층, 프린팅 기법
등
유기 EL의 특성상 유기층을 형성 한 후에 음극과
패터닝 작업이 가능하다. 따라서 유기층의 수분과 화학적 성분에 의해 이러한 작업들이 영향을
받지 않기 위해서는 건식 가공 공정의 연구가 필요하다. 더욱이 유기 소재는 진공이나 불활성
기체 내에서 밀봉성 패키징을 하여 신뢰성과 수명을 향상시켜야 하므로 공정이 간단하고 짧아야
한다.
또한 향후 대화면 유기 EL 디스플레이를 만들기 위해서는 발광층을
형성시키는 방법으로 잉크젯 프린팅 기법이 필요하다. 면적에 관계없이 선택된 영역에 발광층을
자유자재로 형성할 수 있는 프린팅 기법과 생산성의 연구가 필요하다.
- 소자기술 : 구동전압 저감, 전하주입, LTPS
등
칼라 디스플레이를 위해서는 R-G-B의 발광층을
효율적으로 형성하는 방법이 필요하다. 현재 연구되는 방법은 5가지 정도이며, 각각의
발광층을 이용하는 Side-By-Side 방법과 백색 발광층 위에 칼라필터를 사용하는
방법, 색 변환물질을 사용하는 방법, 칼라 스펙트럼의 광학적 메커니즘을 사용하는 방법,
Sub-화소를 통한 선택적 생성 방법 등이 있다.
또한 응답속도 지연이나 소비
전력의 문제를 위해 능동구동 소자를 사용하게 되어 이와 관련한 효율적인 구동 소자의 개발이
필요하다. 최근에는 LTPS TFT (저온 다결정 실리콘 TFT) 공정에 대한 연구가
활발하여 많은 진척을 보이고 있다고 한다.
이외에도 유기 EL이 안고 있는
안정성 문제나 수명의 문제와 관련된 많은 연구와 새로운 특허기술들이 기업 단위로 활발히
진행 중이다. 업체별 동향에 대한 내용은 다음 강좌에서 다루기로 하겠다.
다소
어려운 내용을 끝까지 읽어주신 당신의 인내력과 지적 호기심에 찬사를 보내는
바이다.
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