현재 OLED는 낮은 구동전압, 빠른 응답속도 및 얇은 두께 등의 장점을 바탕으로 스마트폰에서 TV에 이르는 다양한 디스플레이 기기에 적용되고 있으며, 높은 연색지수와 glare가 없는 면발광 특성을 바탕으로 조명산업에서도 주목받고 있다.

산업조사 전문 기관인 씨에치오 얼라이언스(CHO Alliance)는 ‘2015 차세대 LED·OLED 시장전망과 핵심 기술개발 동향' 보고서를 발간했다. 

특히 일반 조명이 갖지 못하는 파장제어, 변조, 편광, 광색 가변 등 복합적 기능들을 고루 갖추고 있어 자동차, 정보통신, 환경, 의료, 교통, 농업, 생명 등 다양한 산업과의 융합에 의한 고부가가치 파생산업을 견인하고 있다.

▲ 그림 1. OLED 조명산업과 디스플레이 산업과의 융합

또한 자체발광 소자이기 때문에 플렉시블 기판 위에 제작이 가능해 미래형 소자로 각광받고 있다. 그러나 이처럼 많은 장점과 잠재적인 가능성에도 불구하고 OLED의 본격적인 상용화는 짧은 수명, 낮은 외광효율, 명암비 저하 등 다양한 문제로 인해 지연되고 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 현재 진행되고 있는 OLED의 효율 향상 연구는 직접적인 결과인 외광효율 향상뿐 아니라 수명과도 높은 관련성이 있다.

LED 조명은 2012년부터 선진국들의 백열등 규제 정책 시행과 가격 인하로 인해 대중화되기 시작했다. 올해에는 국내 LED 조명 시장이 본격적으로 성장할 것으로 전망된다. 지속적인 가격 하락과 품질 개선, 소비자의 인식 전환, 다양한 금융프로그램 도입 등으로 민수 및 실외조명 시장 활성화가 기대된다.

한편, OLED 조명은 눈부심과 발열이 없고, 납, 수은 등의 중금속이 함유되지 않은 대표적인 친환경 조명이어서 미래 조명 시장을 선도할 광원으로 부각되고 있다. OLED는 면 형태의 광원이라 백열등, 형광등이 면의 모양을 갖추기 위해 필요로 했던 전등갓, 확산판 등의 부가적인 부품도 필요하지 않아 가격을 줄일 수 있다.

유비산업리서치에 따르면 OLED 조명 Panel 시장은 2015년부터 2020년까지 큰 폭으로 지속적으로 성장해 2016년에는 약 5억4천만달러, 2020년에는 약 47억달러의 시장을 형성할 것으로 전망된다. 주로 효율 및 수명 향상 중심으로 개발되고 있으며, 2015년에 120lm/W 이상, 휘도 5,000cd/m2, 수명 LT70 30,000Hr 등을 목표로 개발되고 있다. 현재 우리나라의 LG화학이 가장 공격적이고 적극적인 목표를 잡고 있어 향후 시장을 주도할 것으로 예상되며, 기존의 조명업체, OLED 디스플레이 업체, 신규 업체, OLED 패널사업 전문업체 등의 업체들이 경쟁할 것으로 예상된다.

LED시장에 OLED 제품이 진입하기 위해서는 OLED 제품과 LED 제품을 조합한 하이브리드 제품을 조기 개발해야 한다. 그 후 조명시장에 빈번한 노출을 통해 OLED 조명 제품에 대한 소비자 인지도를 강화하는 전략을 추진해야 한다.

시장진입에 성공하기 위해서는 저가격화가 필수적이며, 6$/Klm(2016년), 1$/Klm(2020년)의 단계적 목표로 OLED 제조장비 및 공정기술 개발을 추진해야 한다. 또한, 건축, 수송, 테라피 등 OLED 플렉시블 조명이나 투명 조명이 새롭게 적용될 수 있는 응용 품목을 전략적으로 발굴하고, 요구 성능 및 가격 수준을 확보해야 한다.

OLED 조명의 특징

OLED 광원은 면광원으로서 공정이 단순하고 광학필름이 불필요해 공정단가가 낮으며, 전력 소모가 적다. 또한 고휘도에서 밝기가 균일하고, 3파장(R,G,B)을 합성하기 때문에 색순도가 높아 감성광원 구현이 가능하다.

OLED 조명은 형광등 사용 시보다 70%, 백열등 사용 시보다 90%의 전력을 감소시킬 수 있다. 가정용 광원의 30%를 OLED 광원으로 대체하면 연간 2950만KWh의 전력 절감 효과를 가져올 수 있다. 이는 원자로 4~5개의 연간 발전량에 해당하는 전력이다.

OLED 조명은 현재 LED보다 효율과 수명, 휘도에서 경쟁력이 다소 떨어지지만 면광원을 통한 확산광으로서 눈에 피로감을 줄이고 낮은 높이에서 넓은 면적을 밝힐 수 있으며, 가볍고 다양한 형태로 제조가 가능하다. LED 면조명의 경우는 방열팬, 방열판 및 확산판이 필요하고 투명 조명이 불가능한 반면, OLED 면조명은 방열팬, 방열판 및 확산판이 불필요하고, 플렉시블 및 투명 조명이 가능하다는 차이가 있다.

OLED 조명의 중요성

OLED 조명 산업은 기존 조명에 IT 기술과 디스플레이 기술이 융합돼 새로운 시장을 창출할 수 있는 차세대 융합산업이다.

OLED 조명 산업에 속해 있는 Value Chain에는 핵심 산업인 광원 사업과 후방 사업인 부품과 소재, 장비 사업이 있다. 또한 전방 사업에는 모듈과 조명 사업이 있다.

OLED 조명은 LED 조명의 모든 응용 분야에서 상호 보완 및 경쟁을 통해 기존 조명을 대체하거나 신규 시장을 창출할 것으로 예상된다. LED 조명 시장은 고객군 및 시장 특성에 따라 일반, 건축, 공공, 상업, 특수조명의 5개 영역 및 기타 레트로피트(Retrofit)로 구분할 수 있다. 조명 사업 이외의 시장에서 OLED가 응용되는 사례를 정리하면 다음과 같다.

▲ 그림2. OLED 조명산업 Value Chain

1. 저전력 구조

LCD는 외부 광원(BLU)을 사용하기 때문에 부분적으로 광원을 활성화시키지 못한다. 그러나 OLED는 자체발광 구조로 보다 선명하고 전력소모가 낮다. 또한 LED는 검은색을 표현할 때 도 전원이 필요하나, OLED의 경우 필요하지 않다.

2. 플렉서블 디자인

유리기판 대신 플라스틱(PI) 필름기판 위에 디스플레이를 구현할 수 있으며, 휘어진(Bendable), 말 수 있는(Rollable), 접는(Foldable) 디스플레이 등을 구현할 수 있다. 

스마트폰 플렉시블 OLED의 비중은 2013년 0.2%에서 2015년 12%로, 2018년에는 40%까지 성장할 것으로 전망된다. 또한 웨어러블 시장에서 플렉시블 OLED 기술은 더욱 부각될 전망이다.

▲ 그림3. OLED 조명 패널의 기판별 매출 비중 전망

3. 투명 디스플레이

유기재료는 투명하고 자체 발광하기 때문에 백라이트, 컬러필터 등이 필요하지 않다. 투명 디스플레이는 자동차 HUD(Head-Up Display), 웨어러블 기기, 일반 가구 및 가전제품, 광고 등에 응용될 수 있으며, 투명 디스플레이 시장은 2017년 10억달러에서 2022년 100억달러까지 성장할 것으로 전망된다.

현재 투명 디스플레이의 투과도는 60% 수준으로 미흡하다. 그러므로 산화물(Oxide) TFT, 투명 배선, 자외선(UV)에 강한 OLED 발광 소재 등의 개발이 필요하다.

OLED는 LED에 비해 강력한 장점이 많음에도 불구하고 아직까지는 제조상 또는 성능상의 많은 문제점을 내포하고 있다. 

OLED는 금속전극, 유기재료, ITO, 유리기판의 다층구조로 구성되기 때문에, 내부 구성 층간 굴절률 차이에 의한 내부 전반사로 광 손실이 발생해 외광효율이 약 20%~30%로 제한된다.

광 손실은 2단계에 걸쳐 일어나는데, 먼저 유기층과 ITO 사이에서 약 50%의 빛이 광도파로 내부에 갇히게 되고, 유리기판과 공기층 사이에서 약 30% 정도의 손실이 발생한다. 

이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 다양한 방법을 통한 OLED의 효율 개선을 시도하고 있다. 주로 ITO와 유리기판 사이에 다양한 구조를 삽입해 내부의 빛을 추출하고, 유리기판과 공기층 사이에 마이크로 렌즈를 형성시킴으로써 진행되는 빛의 전반사를 줄여 외부 광 추출을 강화하는 방식들이 소개되고 있다.

내부 광 추출을 위해 삽입되는 구조 중에서 현재 많이 시도되고 있는 방법인 광결정(photoniccrystal)과 같이 일정한 주기로 배열된 구조체를 삽입하는 방식은 기존 LED에서도 많이 시도된 방법이다. 

그러나 특정 주기를 갖는 구조를 삽입하는 것은 특정 파장의 광 추출 효과를 강화하기 때문에 외부 광 추출 효율을 개선하는 데 한계가 있다. 따라서 현재는 특정 파장에 국한되지 않고 가시광 전 영역에서 광 추출 효율을 개선할 수 있는 나노구조체에 관한 연구가 각광받고 있다.

또한, OLED 광원을 향후 주 조명으로 사용하기 위해서는 대면적 패널 기술을 필요로 한다. 하지만 패널 크기가 증가할수록 제조 비용 절감 측면에서 불리하다. 

따라서 최근 보조전극을 인쇄전자 기술로 패터닝 하는 방법들이 많이 연구되고 있다. 기존의 포토리소그래피 기술을 사용하는 전자제품 제조법을 인쇄전자 기술로 대체하면 소요 공정수가 간단해지면서 시설 투자비, 재료비 및 유지비용을 약 80% 절감할 수 있어 제조 단가를 낮추는 데 유리하다. 또한 포토리소그래피 공정에서 필연적으로 발생하는 현상액, 에칭액, 박리액 등의 약액 폐기물 발생을 감소시켜 친환경적 공정을 진행할 수 있다.

패널 크기가 증가할수록 미세먼지에 의한 short-circuit 발생 확률이 증가하고 양극재료의 낮은 전기전도도에 의한 발광 분균일 문제가 발생한다. short-circuit 발생은 기판 제작 공정 중에 발생한 미세먼지에 의한 영향이 약 60%, 포토리소그래피 공정 중에 발생한 미세먼지에 의한 영향이 약 30%, 그리고 유기증착 중에 발생하는 미세먼지에 의한 영향이 약 10%를 차지한다. 

따라서 기판 제작 후에는 반드시 미세먼지 제어 공정이 수반돼야 한다. 

또한 포토리소그래피 공정 중 기판 이동 시 미세먼지가 묻지 않도록 주의해야 한다. OLED 조명 패널 크기가 증가하면 투명전극의 낮은 전기전도도로 인해 패널의 발광 분포가 불균일해지는 현상이 나타나기 쉽다. 

즉, 패널의 가장자리 부분은 전류밀도가 높아 휘도가 높아지고 패널의 중앙 부분은 전류밀도가 낮아 휘도가 낮아지게 된다. 대면적 패널의 발광 불균일도를 개선하기 위해서는 저항이 낮은 투명전극 개발이 우선시되어야 한다. 

또한 OLED 소자 저항 등가모델에서 보듯이, 수평방향으로의 투명전극저항(RTCO)이 수직방향으로의 소자저항(RDEV)보다 상대적으로 높으면 전류는 패널 가장자리 부근에서 소자로 흐르게 돼 발광 불균일도가 상승한다. 그러므로 대면적 패널의 발광 불균일도를 개선하기 위해서는 RTCO와 RDEV의 비율을 고려해 소자구조를 설계해야 한다.

결론적으로 OLED조명이 점진적으로 성장하기 위하여는 무엇보다도 LED와 OLED가 조합된 중간 제품이 먼저 시장에 진입해야 한다. Osram과 Philips는 일반 조명으로 OLED와 LED를 조합하는 전략을 가지고 있다. Light+Building 2014에서는 LED 조명과 OLED 조명을 조합한 공간을 전시해 2가지 조명을 조합했을 때 효율을 높일 수 있음을 보여 주었다. 미국 DOE는 65ft²인 사무실 공간에서 LED와 OLED를 각각 단독으로 사용한 경우와 LED와 OLED를 모두 적용했을 경우를 비교했다. 그 결과, LED는 34%, OLED는 56%의 에너지 절감 효과를 보였으며, OLED와 LED를 함께 사용한 경우에는 65%의 에너지 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.

▲ 그림4. LG 디스플레이 제품