OLED는 유연한 기판에서 디스플레이와 조명을 구현할 수 있는 최적의 발광 소자이다. OLED 조명의 경우 롤 투 롤 방식을 이용하여 유연한 OLED를 연속 생산함으로써 기존의 조명과 달리 저가로 생산할 수 있는 방식이 개발되고 있다. GE 등은 진공증착 방식 대신 유기박막을 프린팅하여 OLED를 제작하는 방식을 개발하고 있다. 여기서는 조명과 디스플레이를 위한 OLED 패널 기술에 대해 살펴본다.

그림 1. OLED의 역사

1987년, 이스트먼 코닥(Eastman Kodak)에서 두 종류의 유기박막으로 구성된 혁신적인 구조의 형광 OLED를 발표했다. 그 후 OLED를 디스플레이와 조명에 적용하기 위해 본격적인 연구개발이 시작됐다.
파이오니아, TDK 등의 일본 기업은 1990년대 중반에 소형 PMOLED를 제품화하여 OLED의 가능성을 확인했으며 소니, 산요, 세이코 엡슨 등은 2000년 이후부터 AMOLED 생산을 시도했다.
산요와 코닥은 합작회사를 통해 디지털 카메라용 AMOLED를 출시했으며 소니는 PDA용 AMOLED를 출시했으나, 재료의 성능이 낮고 생산 수율 또한 낮아 AMOLED의 대량 생산에 어려움이 있었다.
2000년대 중반 이후, 삼성 SDI는 PMOLED 생산 기술과 저온 다결정 Si TFT 기술을 기반으로 휴대폰용 AMOLED 대량 생산을 성공적으로 추진하여 AMOLED 시대를 열었다. 2010년 이후 OLED는 대형 TV, 스마트 패드, 스마트 워치 등에 본격적으로 적용되기 시작하여 가장 가능성이 높은 차세대 디스플레이로 주목 받고 있다(그림 1).
이와 더불어 OLED는 최근 투명 디스플레이, 투명 플렉서블 디스플레이 형태로 발전하고 있으며 효율과 수명이 급격히 향상됨에 따라 조명에도 본격적으로 적용될 가능성이 높아지고 있다.

조명용 OLED와 디스플레이용 OLED

그림 2. GE에서 개발한 OLED 광원과 광원 위치에 따른 밝기 변화

조명과 디스플레이는 응용 목적이 다르므로, 적용되는 OLED 기술도 다르다. 즉, 조명은 사물 또는 대상을 인식하기 위한 목적으로 사용되고, 디스플레이는 빛을 이용하여 정보를 인식하기 위한 수단으로 사용된다. 따라서 OLED를 조명으로 사용할 경우 사물을 효과적이고 자연스럽게 인식하기 위해 대형 램프 형태로 제작하며, 디스플레이로 사용할 경우 정보를 생생하고 생동감 있게 인식하도록 하기 위해 미세한 화소 형태로 배열하여 각각의 화소를 TFT와 같은 능동소자로 조절한다.
그러므로 OLED를 조명에 사용할 경우 대형 광원 형태로 제작하는 기술, 사물 또는 대상이 가진 원래의 색을 잘 표현하기 위한 고연색화 기술, 전기 에너지를 빛 에너지로 효율적으로 변환하기 위한 전력 변환 효율 향상 기술, 높은 광출력을 위한 기술 등이 중요한 기술로 인식되고 있다.
반면에 OLED를 디스플레이로 사용할 경우에는 OLED를 미세한 화소로 제작하는 기술, 화소를 조절하기 위한 화소 구동 소자 기술 등이 중요한 기술로 인식되고 있다.
OLED를 조명으로 사용하려면 기존의 광원보다 에너지 효율이 높아야 한다. 조명용 광원으로 주로 사용되고 있는 백열등과 형광등의 전력 효율은 각각 15lm/W, 80lm/W 정도이다. 따라서 80lm/W 이상의 전력 효율을 가진 OLED를 개발해야 한다. 또한 조명용 OLED는 연색성도 우수해야 한다. 연색성은 광원이 태양광에 가깝게 색을 표현할 수 있는 능력으로, 태양광에 해당하는 정도로 색이 표현되면 100%라고 한다. 백열등의 연색성은 100%이며 형광등의 연색성은 80% 이상이다.
OLED를 조명으로 사용하기 위해서는 80% 이상의 연색성을 나타낼 수 있어야 한다. 또한 적절한 색 온도의 백색을 방출해야 한다. 일반적으로 가정이나 사무실에서 사용되는 색 온도인 3000∼8000K 정도를 나타낼 수 있어야 한다. 그뿐만 아니라, 조명용 OLED는 주로 면 광원 형태로 사용되기 때문에 대면적에서 비교적 균일한 백색 빛을 방출할 수 있어야 한다.
따라서 조명에 사용되는 고성능 OLED 패널을 제작하기 위한 기술로는 대면적 OLED 기술, 고효율 장수명 백색 OLED 기술, 광 추출 기술, 보호막 및 봉지 기술 등을 들 수 있다.
조명으로 사용하기 위한 OLED 광원은 주로 대면적 면광원 형태로 제작되므로 대면적에서 균일한 빛을 방출할 수 있어야 한다. 그러나 OLED의 양극으로 주로 사용되는 ITO의 저항이 크므로, 대면적으로 제작할 경우 ITO에 의한 전압 강하로 인해 균일한 빛을 방출하기 어렵다. 따라서 OLED를 미세한 광원으로 분할하거나, 비저항이 작은 금속 재료를 보조 전극으로 이용하기도 한다.
그리고 보조 배선 패턴을 OLED의 양극 위 또는 밑에 형성하는 기술이 필요하며 주로 노광에 의한 방식으로 형성하지만, 공정을 단순화하기 위해 보조배선을 프린팅하는 기술 또한 개발되고 있다.

OLED 조명의 핵심 … 백색 OLED 기술

조명용 광원은 백색을 사용하므로 고효율, 장수명 백색 OLED 기술은 OLED 조명에 있어서 필수적이라고 할 수 있다. 백색 OLED는 광원의 효율, 수명과 더불어 연색성을 결정하는 가장 중요한 기술이다.
OLED 조명 초기에는 백색 OLED의 효율이 조명의 전력 효율을 제한하는 요소였지만, 형광 재료에 비해 이론 효율이 4배 더 높은 인광 재료를 사용함에 따라 효율이 급격하게 향상됐다.
백색 OLED를 이용하여 연색성이 우수한 광원을 제작하려면 진한 청색에서부터 진한 적색까지 넓은 파장 영역의 발광 재료를 사용해야 한다. 그러나 진한 청색 인광 재료는 수명이 짧기 때문에 진한 청색 인광 재료 대신 형광 재료를 사용하여 인광 재료에 준하는 효율을 얻는 방식인 하이브리드 백색 OLED가 개발되어 수명과 효율이 향상됐다.
백색 OLED의 구조 또한 광원의 효율과 수명을 결정하는 중요한 요소이다. 백색 OLED를 제작하기 위해 하나의 발광층에서 백색을 구현하는 방식인 단층발광 방식, 두 층 이상의 발광층을 사용하여 백색을 구현하는 다층발광 방식, 청색 OLED를 이용하여 색을 변환하는 방식, 마이크로 캐비티를 사용하는 방식, OLED를 수직으로 적층시키는 방식 등 다양한 방식이 개발되고 있다(그림 3).

그림 3. 백색 OLED를 구현하는 방식

현재 가장 널리 이용되는 방식은 적층 방식이다. OLED를 수직으로 적층시키는 방식은 발광 스펙트럼 조절이 용이하며, 효율과 수명 향상 면에서 유리하다. 하지만 여러 개의 OLED를 적층시키므로 유기박막의 수가 많다는 단점이 있다.
백색 OLED 기술은 OLED 조명과 더불어 디스플레이에서도 중요한 기술로 부각되고 있다. OLED-TV와 같은 대형 OLED 디스플레이를 제작하기 위해 백색 OLED와 컬러 필터를 이용하는 방식이 주로 사용되고 있다. 이때 사용되는 백색 OLED의 구조 또한 OLED 조명과 유사한 구조인 적층 방식이 주로 사용되고 있다.
백색 OLED의 효율과 수명 향상을 위해 광 추출 효율 증가를 연구개발이 활발히 진행되고 있다. OLED는 구성 재료의 굴절률 차이로 인해 유기박막 내에서 생성된 빛의 약 20% 정도만 소자 밖으로 방출되므로 소자의 최대 양자 효율은 20%가 되며, 이를 광 추출 효율이라고 한다(그림 4).

그림 4. OLED 내에서 생성된 빛이 소멸되거나 소자 밖으로 빠져나오는 비율

조명의 수명을 좌우하는 광 추출 효율

광 추출 효율은 광원의 효율 향상에 직접 영향을 미치므로, 광추출 효율을 향상시키기 위한 연구개발이 다양한 방식으로 진행되어 왔다.
광 추출 효율 향상을 위한 방식으로, 소자 내부의 유기박막 두께 등을 조절하여 소자 내에서 생성된 빛의 반사와 굴절 현상을 최적화하는 내부 광추출 향상 방식과, 소자 내에서 생성된 빛을 마이크로 렌즈 필름 등으로 전반사와 굴절 현상을 조절하는 외부 광추출 향상 방식이 있다. 마이크로 렌즈를 필름으로 부착하는 방식 또는 기판에 요철을 형성하는 방식 등이 일반적으로 개발되고 있다.
OLED 봉지 기술은 조명과 더불어 디스플레이에서도 중요한 기술로 인식되고 있다. OLED는 수분과 산소에 취약하기 때문에 외부의 수분과 산소가 OLED 내로 유입되는 것을 차단하는 기술이 필요하며, OLED를 외부의 기계적인 손상 등으로부터 보호하기 위한 봉지 기술도 중요하다.
봉지 방식으로는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스 분위기에서 유리 캡을 이용하여 OLED를 덮는 방식이 일반적으로 이용되고 있지만, OLED 동작에 따른 발열을 차단하기 어려워 봉지 캡과 OLED 사이에 방열이 잘되는 접착제를 부착하는 방식, 또는 방열 특성과 투습 특성이 우수한 플라스틱 필름을 부착하는 방식이 개발되고 있다. 그리고 봉지 캡 대신 무기박막과 고분자 박막을 교차하여 적층하는 박막 봉지 방식도 개발되고 있다.

OLED 조명의 또 다른 핵심 요소 … 디자인 기술

OLED 조명은 효율, 수명, 연색성 등의 성능적인 특성과 더불어 디자인 또한 중요한 요소로 인식되고 있다. OLED 조명 디자인은 OLED가 나타낼 수 있는 감성 조명, 면 광원 특성을 가장 효과적으로 부각시킴과 동시에 OLED를 이용한 다양한 상호 작용의 표현에 필수적인 요소로서 점점 더 중요해지고 있다.
이와 관련, 오스람은 투명 OLED 조명, 원형 형태의 OLED 조명 등과 같이 다양한 디자인의 OLED 조명을 개발하고 있으며, 자동차를 위한 OLED 조명도 개발하고 있다(그림 5).

그림 5. 오스람에서 개발한 다양한 OLED 조명 디자인

필립스에서도 원형 OLED 조명을 비롯해 투명 OLED, 사용자와 상호 작용하는 OLED 조명, 자동차를 위한 OLED 조명 등을 개발하고 있다(그림 6).

그림 6. 필립스에서 개발한 다양한 OLED 조명 디자인

그리고 일본의 루미오텍 또한 사각형 OLED, 원형 OLED 조명 등 다양한 조명을 개발하고 있으며, 파이오니아와 미쓰비시도 색가변 OLED 조명 등 다양한 디자인의 조명을 개발하고 있다(그림 7). 우리나라의 LG화학은 사각형 OLED, 플렉서블 OLED 등 다양한 디자인의 OLED 조명을 개발하고 있다.

그림 7. 파이오니아/미쓰비시에서 개발한 다양한 OLED 조명 디자인

기존의 조명과 차별화하여 저가로 생산할 수 있는 롤 투 롤(Roll to Roll) 방식은 OLED 조명 생산에 필요한 투자비와 패널 가격을 획기적으로 감소시킬 수 있는 기술로 인식되고 있다
(그림 8).

그림 8. 롤 투 롤 방식에 의한 유연 OLED 조명 투자비와 제조원가 비교

롤 투 롤 방식을 플렉서블 AMOLED 제작에 적용하기는 쉽지 않지만 그림 9에 나타난 바와 같이, 접을 수 있는 방식인 폴더블(Foldable) AMOLED도 개발되고 있어 머지 않아 다양한 제품에 상용될 것으로 기대되고 있다.

그림 9. 일본의 반도체에너지연구소에서 개발한 폴더블 AMOLED

문대규 교수 / 순천향대학교 디스플레이신소재공학과