OLED 디스플레이 시장은 스마트폰, TV, 웨어러블 장치 등 여러 기기에 OLED가 사용되며 급속히 성장 중이다. 이로 인해 시장추세에 부응하기 위한 새로운 기술들이 요구되고 있으며 패널 생산에 필요한 소재들에 대한 수요도 전반적인 시장 성장과 함께 늘어날 것으로 예상된다.

시장조사 업체인 iHS에 따르면, OLED 디스플레이 시장은 2020년에 316억 달러 규모가 될 것이며 21%의 연평균 성장률을 보일 것이라고 한다. 주요 모바일 제조업체들이 자사의 스마트폰에 OLED 디스플레이를 채택할 계획이고, 중국과 일본의 디스플레이 패널 제조업체들은 OLED 디스플레이 개발에 집중하고 있다. 또한 반도체 생산 라인인 팹(FAB) 라인에도 공격적으로 투자할 계획이므로 이 시장의 성장속도는 더욱 빨라질 것이다.

장치제조 업체들이 OLED 디스플레이를 채택하는 주된 이유 중 하나는 설계의 유연성 때문이다. OLED 디스플레이는 플렉서블(flexible) 디스플레이에 가장 적합한 기술이므로 장치제조 업체들은 설계의 유연성이라는 자유를 누리게 되며, 유연한 OLED 디스플레이 기술을 적용함으로써 접거나 말 수 있는 새로운 유형의 모바일 장치들을 개발할 수 있다. 

이밖의 다른 이점으로는 향상된 화질, 넓은 시야각, 낮은 전력소비 등을 들 수 있다. OLED는 독자적으로 색상을 생성하기 때문에 보다 폭넓은 색상범위는 물론 깊은 블랙을 생성해 높은 명암 대조비를 제공할 수 있다. 또한 OLED 디스플레이는 170도 정도의 넓은 시야를 제공함과 더불어서 자체 발광 능력도 갖추고 있어 빛을 차단해준다. 그렇기 때문에 이미지를 생성하는 LCD에 비해 시야각이 훨씬 더 넓다. OLED는 LCD보다 전력소비가 낮은데, 대부분의 전력이 소비되는 LCD의 백라이팅과 달리 OLED는 자체적으로 빛을 생성하기 때문이다.

▲ 종래의 OLED 장치

이러한 OLED 디스플레이의 이점들 때문에 많은 스마트폰 제조 업체들이 OLED 디스플레이의 채택을 고려하고 있으며, 가까운 미래에 첨단 OLED 디스플레이를 갖춘 프리미엄 스마트폰을 출시할 예정이다.

산화반응이 일어나는 전극인 애노드(anode)와 전자가 방출되는 전극인 캐소드(cathode) 사이에 유기물질을 얇게 입히고, 양 전극에 전계를 걸어 정공과 전자가 전극으로부터 주입되어 발광층(EML)에서 발광하게 되는 것이 OLED발광의 메커니즘이다. 정공주입층(HIL)과 정공수송층(HTL)은 각 전극으로부터 유기물로의 정공주입을 원활하게 하고 발광층(EML)으로의 정공 전달을 효과적으로 할 수 있는 물질을 사용하며, 전자주입층(EIL)과 전자수송층(ETL)은 효과적으로 전자의 주입과 전달을 할 수 있는 물질을 사용한다. 이렇게 전달된 정공과 전자가 발광층(EML) 내에서 재결합하며, 여기서 생성된 엑시톤(exciton)이 빛의 형태를 띄며 소멸되는 것을 이미션(emission)이라고 한다. 

발광층(EML)은 발광 특성을 향상시키기 위해 호스트(host)와 도판트(dofant) 시스템을 사용한다. 만들어진 엑시톤(exciton)의 사용에 따라, 엑시톤(exciton)의 25%를 사용할 수 있는 형광발광층과 100%를 사용할 수 있는 인광발광층으로 나눌 수 있다.

OLED 컬러 패터닝 방법에는 두 종류가 있다. 하나는 RGB 타입이고 다른 하나는 컬러 필터를 이용하는 백색 OLED(WOLED)이다. RGB 타입은 미세한(R, G, B)단위의 마스크를 이용해서 증착을 하는 방법인 FMM(fine metal mask)을 이용한 열증착 제조공정을 통해 적녹청(RGB)의 각 픽셀 패턴을 생성한다. WOLED 타입은 마스크 없이 OLED 소재 층의 다중 스택을 만들며, 백색 발광 다이오드(LED)와 유사한 백색을 생성하며 각 픽셀의 색상 제어에는 컬러 필터가 적용된다. RGB 타입 OLED 디스플레이의 주된 시장은 태블릿, 스마트폰 및 스마트 워치와 같은 중소형 디스플레이 애플리케이션들이며 WOLED의 주된 시장은 OLED TV와 같은 대형 애플리케이션들이다.

2000년대 초반 모노 컬러로 된 자동차 오디오 시스템과 폴더 핸드폰의 외부창에 사용되기 시작한 OLED 디스플레이는 2005년부터 본격적으로 핸드폰의 내부창으로 사용되면서 OLED 디바이스에 급격한 변화가 일어났다. 핸드폰 내부창으로 OLED가 사용되면서 사용자의 효율적인 인식을 위해 강한 휘도에서 핸드폰 수명주기 이상의 장수명이 요구되었고, 이를 계기로 OLED시장은 형광 발광물질에서 인광발광물질의 필요성을 찾게 됐다. 현재는 삼성에서 만들어지는 거의 모든 스마트폰 화면이 OLED 디스플레이로 만들어지고 있으며, 그 외의 많은 스마트폰 업체들도 OLED로 디스플레이를 전환하고자 준비 중이다.

다우전자재료그룹은 현재 생산되고 있는 OLED 기반의 스마트폰, 태블릿, 스마트워치뿐만 아니라 플렉서블 디스플레이 스마트폰을 위한 OLED 발광소재도 제공하고 있다. 다우전자재료그룹의 발광소재는 OLED 디스플레이가 자연의 색상에 가장 가까운 컬러를 표시하는 데 있어서 중요한 역할을 한다. 

OLED 디스플레이가 초기에 핸드폰 폴더의 외부창에서 사용되기 시작했을 때는 숫자를 읽을 수 있는 정도의 사양이면 충분했으나 휴대폰 내부창에 적용되기 시작하면서 가독성과 밝기, 수명 등 OLED 사양의 중요성이 대두됐다. 이에 따라 OLED 패널 업체에서는 인광발광층 사용에 대한 필요성을 느끼게 됐고, 다우케미칼 OLED R&D에서는 아연(Zn), 베릴륨(Be) 등의 메탈을 기반으로 한 Red인광호스트용 호스트를 개발했다. 그리하여 다우의 인광레드 호스트를 이용한 첫 번째 인광 발광 OLED 디바이스가 2006년에 처음으로 출시됐다. 이뿐만 아니라 2013년에는 처음으로 순수 올가닉 인광 레드호스트를 개발해 양산에 적용하기도 했다.

현재는 휴대폰 디스플레이 사양이 계속 높아지면서 인광 레드뿐만 아니라 그린도 인광재료로 사용되고 있으며, 이로 인해 아직까지 형광재료를 사용하고 있는 블루재료의 효율과 수명을 높이려는 노력이 많이 진행되고 있다. 인광 블루재료는 삼중선(triplet)의 발광을 유도해야 하는데 기본적으로 삼중선의 에너지가 일중선(singlet)의 에너지보다 작기 때문에 발광에너지 보다 큰 일중선 에너지를 가지는 인광호스트와 도판트의 개발은 오랫동안 난제로 남아있다. 여기서 요즘 새롭게 주목을 받고 있는 재료가 TADF(Thermally ActivatedDelayed Fluorescence)용 재료이며, 일본의 안다치(Adachi)교수 연구실에서 열심히 연구가 이루어지고 있다. 

하지만 TADF 재료 역시 인광발광체의 특성(높은 T1)과 형광발광체의 특성(높은 형광발광특성), 총 두 가지 특성을 전부 가지고 있어야 하기 때문에 아직까지는 블루발광 TADF재료까지 도달하기에는 시간이 필요할 것으로 예상된다.

OLED 디스플레이 패널에 대한 수요가 증가함에 따라 많은 디스플레이 패널 공급업체들이 OLED 디스플레이의 공급에 집중하게 될 것이다. 일단 첨단 OLED 디스플레이 생산 기술이 성숙하고 OLED 디스플레이의 총비용이 감소하게 되면 보다 많은 OLED 디스플레이 애플리케이션들을 일상생활 속에서 보게될 것이다. 

자동차 제조업체들이 중앙정보디스플레이(CID)를 채택해 자동차 계기판에 통합시켰듯이, 가정의 냉장고에도 머지않아 정보 디스플레이가 통합될 것이며, 욕실에는 거울 디스플레이, 탁자에는 투명 디스플레이, 그리고 거실에는 OLED 조명이 통합될 것이다. 사물인터넷(IoT)이 더욱 보편화되고 보다 많은 정보 상호작용을 요구한다면 디스플레이를 통해 이루어지는 정보의 습득과 교환으로 보다 나은 삶을 경험하게 될 것이다.

강상호 부사장

다우케미칼 전자재료그룹 디스플레이 사업부 글로벌 총괄