OLED, 플렉시블에 가장 적합한 디스플레이로 각광
얇고 가볍고 휠 수 있는 OLED 만들기 위해서 봉지 기술이 관건
 
디스플레이는 이제 ‘플렉시블’의 시대로 접어들고 있다. 플렉시블에 관심이 옮겨가면서 플라스틱 유기발광다이오드(POLED)가 주목받고 있다. 시장조사기관인 IHS마켓에 따르면 스마트폰 디스플레이 시장을 주도하는 액정표시장치(LCD)를 OLED가 따라잡았고, 플렉시블 OLED 패널의 수요도 급격히 증가하고 있어 올해 3분기에는 평판형 OLED 패널을 앞설 것이라 예측했다.
 
LED와 비교했을 때, OLED는 사용자가 색온도, 색상, 밝기를 조절할 수 있고 모든 면에서 빛이 나는 면광원이기 때문에 열이 발산되는 영역이 넓어 비교적 열에 대해서 자유롭다. 일반적인 환경에서 동작한다고 가정했을 때 방열판이 필요 없고 필름의 두께가 얇아서 투명화가 가능하다. 유리가 아닌 플라스틱으로 만들 수 있어 휘는 것도 가능하다.
 
OLED 기술에서 아직 해결하지 못한 부분은 효율과 수명, 광추출, 가격이다. OLED는 이론적으로 190lm/W까지 광효율을 낼 수 있지만 현재는 70lm/W 정도로 LED와 비슷한 수준이다. 수명도 1만시간까지는 가능하지만 LED와 겨루려면 3만시간은 되야 한다.

 
OLED는 전자를 주입하는 반사층 역할의 음극(Cathode)과 정공을 주입하는 역할의 양극(Anode) 사이의 전자수송층, 발광층, 정공수송층, 정공주입층 등이 유기물로 되어있다. 정공(+)과 전하(-)가 발광층에서 충돌하여 생기는 에너지로 빛이 발생한다. 이 때 형광과 인광을 내는데 비율에 따라 광효율이 결정된다.
 
발광층에서 전하와 정공의 결합으로 발생하는 에너지를 받아 빛을 내는 입자들이 들뜬상태가 된다. 들뜬 입자가 일중항(Singlet)을 거쳐 발생하면 형광, 삼중항(Triplet)을 거쳐 발생하면 인광이다. 형광은 이론적으로 내부양자효율이 25%이다. 이것은 기존의 어떤 재료를 쓰더라도 마찬가지다.
 
효율을 높이기 위해 삼중항의 입자들을 살릴 방법으로 재료에 대한 연구가 진행되었다. 이리듐(Ir), 백금(Pt), 티타늄(Ti) 등의 중금속을 이용하면 인광을 활용할 수 있다. 인광의 이론적 내부양자효율은 100%이다. 현재는 형광과 인광을 모두 활용할 수 있는 재료를 사용하고 있다. 하지만 중금속은 재료로 사용하기에는 가격이 비싸기 때문에 대체제로 연구되는 것이 TADF(Thermally activated delayed fluorescence)이다.
 
TADF는 에너지가 상대적으로 높은 일중항으로 삼중항의 에너지를 이동시키는 방법으로 일중항과 삼중합의 에너지 차이를 열적으로 작게 만들면 된다. 아직 기업에서 사용하는 방법은 아니지만 내부양자효율이 100%로 중금속을 대체하기 위해 연구 중이다.
 
봉지 기술에서 중요한 것은 습기와 산소를 막는 것
 
OLED는 양극과 음극 사이의 층들이 유기물로 되어 있기 때문에 산소, 습기, 입자로 인한 오염에 약하다. 봉지 기술(Encapsulation)은 오염 입자들이 층으로 들어가지 못하게 하는 것으로 생산 가격을 낮추고 수명을 늘이는데 중요한 기술이다.
 
봉지 기술이 제대로 적용되지 않으면 외부요인에 의해 검은 반점이 생겨 빛이 나오지 않는 면적이 점점 커지게 된다. 외부요인은 크게 4가지로 구분되는데 그 중에서 습기와 산소를 막는 것이 가장 중요하다. 박막공정시 생기는 2~3나노 정도의 홀을 통해 산소와 습기가 들어온다. 하지만 홀이 없어도 농도차에 의한 이동으로 베리어 필름(Barrier Film)에 녹아 들어가는 산소와 습기가 있다. 이것은 외부에서 전자 이동층까지 도착하는 시간을 우리가 원하는 수명만큼 늘리는 것으로 해결할 수 있다.
 
보통은 산소보다 물분자가 작기 때문에 습기를 막는다면 산소도 막을 수 있다. 필름을 투과하는 수분량이 적을수록 투습율(WVTR)이 낮고 유기물이 많을수록 더 까다롭게 요구된다. 플렉시블 OLED가 필요한 투습율은 10^-6 정도이다.
 
시중에 나오고 있는 CAN방식은 금속이나 유리로 뚜껑을 만들어 유기물층을 씌우고 옆의 틈을 에폭시로 막아주는 것이다. 기술적 난이도가 낮고 설비 투자비가 낮은 장점이 있는 반면 소재와 뚜껑을 따로 만들어야해 시간이 오래 걸리고 유리가 두꺼워 휠 수 없다는 단점이 있다.
 
L사가 선호하는 방법으로 유기물층을 플라스틱으로 만들고 베리어 필름을 코팅한 플라스틱을 붙이는 방법을 하이브리드 방식이라고 한다. 이 방법을 좀 더 보완한 것이 TFE(Thin Flim Encapsulation)방식으로 플라스틱 기판에 얇은 필름을 부착해 유기물과 무기물을 번갈아가며 여러층을 쌓는 방식이다. 공정설비와 생산성 측면, 두께에 유리해 궁극적으로 가야할 방식이지만 기술적 난이도가 높다.
 
TFE방식은 유기물과 무기물을 번갈아 가면서 쌓는 것인데 그렇게 되면 두께가 두꺼워진다. 그럼에도 산소와 습기에 약한 유기물을 사용하는 이유는 무기물만 쌓게 되면 스트레스가 발생해 크랙이 생긴다. 유기물이 스트레스를 완화시키는 역할을 하고 표면의 울퉁불퉁한 부분을 평탄화 시켜준다. 또, 휠 때 유기물이 중간에서 유연성을 준다.
 
TFE를 만들때 Sputter 방식과 플라즈마 CVD 방식을 선호한다. Sputter는 싸고 대면적이 가능하기 때문이고 CVD는 공정 온도가 높아서 기판이 못 견디고 유기물에 영향을 주는데 플라즈마 CVD는 상대적으로 공정온도가 낮기때문에 사용한다. ALD(Atomic Layer Deposition) 방식은 양산으로 사용하지는 않지만 막이 치밀하고 울퉁불퉁한 표면을 커버할 수 있고 얇게 쓸 수 있다는 장점이 있다. 단, 공정온도가 높고 시간이 오래 걸린다.
 
S사의 최근 제품은 유기물 3층, 무기물 2층으로 5개의 층으로 되어 있다. 이 층을 유기물 2층, 무기물 1층의 3개의 층으로 줄이는 연구를 하고 있다.
 
고려대학교 전기전자전파공학부 주병권 교수는 “얇고 가볍고 휠 수 있는 OLED를 만들기 위해서는 봉지 기술이 중요하다”며 “플라스틱 봉지 기술을 위해서는 베리어 필름이 중요하다. 대면적이고 낮은 가격으로 가려면 Solution processed encapsulation 방식을 개발할 필요가 있다”고 말했다.