유기EL 디스플레이 개발 동향ㆍ대형 디스플레이 유기EL 시장

 

유기EL 디스플레이 개발 동향

 

 

1. 서언

○ 유기EL은 자발광소자로서 충실한 색재현성과 높은 콘트라스트, 고속응답 등의 특징이 있다. 최근 업계가 유기EL 재료의 특성개선에 노력하고, 소자의 발광기구 해석이 진행되어 종합적인 디스플레이에 적합한 유기EL 소자가 제안되고 있다. Display Search Co.에 의하면 능동매트릭스 유기EL 패널의 2010년 출하는 4600만 매를 초과할 것으로 예측하고 있다.

○ 한편 유기EL은 전류구동형 소자(액정은 전압구동)로 각 소자를 제어하는 TFT에 고신뢰도의 LTPS(저온 다결정 실리콘)이 사용되고 있다. 현재는 제4세대(730×920㎜)보다 큰 유리기판을 채용할 수 없어 대형 TV를 위한 패널생산이 곤란하다. 또한 화소도 적, 녹, 청색의 발광부를 선택 형성하는 기술이 미세화나 기판 대형화에 한계로 지적되고 있다.

 

2. TFT(backplane)의 개발

○ 현재의 기술로 기판 대형화가 어려운 이유 중의 하나는 Si박막 결정화에 사용되는 엑시머 레이저의 강도가 부족한 것이다. 레이저 파워 기술개발이나 레이저를 사용하지 않는 Si결정화 기술개발 등의 여러 방법이 시도되고 있다. 그 중에서 새로운 산화물 반도체 재료를 사용한 기술이 유력시 되고 있다. 산화물 반도체 TFT는 큰 ON전류, 작은 OFF전류와 우수한 TFT 특성을 구비하고 있으나 신뢰성의 개선 여지가 있다.

○ TFT 구조 : 산화물 반도체는 산소 결손에 의해 자유 캐리어가 발생하기 때문에 도체에서 절연막까지 산소 함유량이 변화한다. 현재 주로 사용되는 In-Ga-Zn-O(IGZO) 재료도 열, 플라즈마, 진공 등의 프로세스 요인에 따라 산소가 흡수 또는 방출되고 있다. 여기서 에칭·스토퍼·보텀·게이트 구조의 TFT를 선택하여 IGZO 성막 후의 제조 프로세스의 영향을 받지 않도록 한다.

○ 소스·드레인 재료 : 이 재료는 통상 Ti가 가장 우수한 특성을 나타내는 것으로 보고되어 있다. 그러나 Ti의 이온화 에너지는 작고, 접촉 층 내의 산소가 존재하면 쉽게 산화가 예상된다. Ti 접촉부와 Mo 접촉부를 가진 단면을 TEM으로 조사하였다. Ti 접촉부의 경우 Ti의 계면은 IGZO층에서 방출된 산소와 반응하여 약 20㎚의 TiOx 층이 형성되고, 역으로 IGZO 층은 산소가 작은 층이 관찰되었다. TFT 특성에서 Ti에서는 문턱전압(Vth) 변동이 나타났으나 Mo에서는 변동이 없었다.

○ 보호 프로세스

– 산화물 반도체 TFT의 보호막은 종래 CVD로 형성된 SiNx 보호층에서는 TFT의 성능이 열화하기 쉽다. 이 열화는 보호층의 성능이 불충분하여 산소나 수분의 침투에 의해 발생한다. 또한 막 형성 시에 SiNx막 또는 SiH4 기체 중의 수소의 전자 공여체에 의해 생기는 것으로 생각된다. 여기서는 보호층 재료로 직류 스퍼터링 법에 의한 Al2O3을 선택하였다.

– BTS(Bias Temperature Stress)를 걸어서 Vth 이동을 조사하였다. Al2O3 보호층은 BTS 후의 Vth 이동은 1만 초 이후 최대 0.2V이다. 10만 시간에서도 이동은 1V 미만이다.

○ 11.7형 유기EL 시작품 패널 : 상기의 산화물을 이용하고, TFT 구조와 공정을 최적화하여 전달곡선을 조사하였다. 이동도 11.5cm2/Vs, S값 0.27V/decade, Vth 0.3V를 나타내었다. 이 backplane을 채용하여 11.7형 유기EL 시작품을 만들었다. 얼룩짐은 시인성 이하이며, 휘도 피크값은 600cd/m2 이상, 색 영역은 NTSC비에서 100% 이상을 달성하였다.

 

3. 유기EL 컬러화소 형성기술

○ RGB 화소는 양극 상에 직접 형성할 수 있으며, 효율 높은 색 순도 발광이 용이하다. 그러나 세밀화하면 개구율(화소의 발광면적)이 매우 작아지는 프로세스 상의 한계가 지적된다. 최근 유기EL을 탑재한 스마트폰은 유사적 해상도 향상기술을 채용하고 있다. 기판을 대형화하면 마스크가 커져서 증착 마스크의 중량이 크게 되는 문제도 있다.

○ 신규 기술로서 정밀 화소형성에 적합한 공정 및 재료개발에 주목하고 있다. 특히 RGB 미세 도포를 실시한 도포형 EL소자 및 컬러필터에서 RGB를 용이하게 형성할 수 있는 백색 발광소자 개발에 중점을 두고 있다.

○ 도포형 EL소자

– 발광기를 가진 π공역계 고분자나 비공역 고분자를 이용하여 용액화하고, 잉크젯 방법으로 도포하였다. FPD2010에서 Sameishon Co. Ltd의 발표에 의하면, 적색은 31cd/A의 고효율 및 35만 시간의 반감수명을 얻었다. 청색은 7.5cd/A의 효율에서 0.8만 시간의 반감수명에 머무르고 있어 안정성 개선이 필요하다.

– Sony는 GR 발광층은 고분자 재료 도포를 하고, B발광층으로 RGB공통의 증착 층을 이용한 시험을 보고하였다. 특수한 연결층을 전면에 형성하여 충분한 RGB 발광이 가능하다.

○ 백색소자(백색 유기EL과 컬러필터 조합)

– 백색 발광소자는 많은 기업이나 연구기관이 개발을 진행하고 있다. 백색 발광에는 RGB의 3색 발광층을 양극, 음극 간에 내포할 필요가 있다. 여기에는 두 가지 방법이 있으며 하나는 양극음극 사이에 RGB의 3색 발광층을 순차적으로 적층하여 형성한다. 다른 하나는 양극음극 간에 전하 발생층을 형성하여 2개의 발광 소자를 직렬로 배열하는 것이다. 어느 것이고 발광층으로 정공 전자 캐리어 공급의 정밀한 균형조정이 필요하다.

– 각각 방식의 소비전력을 보면 백색 발광에서는 여기 에너지를 각 발광층에 분배하기 때문에 전력효율 저하로 인하여 RGB 원색의 소비전력이 높게 된다. 따라서 백색 소자에서 CF를 투과하지 않는 백색의 서브 화소를 더하여 4서브 화소 패턴이 제안되고 있다.

– 또한 보이는 각도에 의해 색이 변화하기 쉽고 색도 시야각이 협소하게 되어, 구동 중 발광색의 변화가 디스플레이 색변화로서 관측된다. 또한 3D 디스플레이를 위해 고휘도 영역에서 수명을 확보해야 하며, 이를 조정하는 유기EL 디스플레이 기술개발이 기대된다.

 

4. 결언

○ 향후 유기EL 소자의 성능을 활용한 새로운 디스플레이로서 3D 디스플레이가 기대된다. 유기EL은 액정에 비하여 높은 콘트라스트에서 재생속도와 응답속도가 고속이고 잔광 시간도 짧기 때문에 크로스 토크가 매우 작은 3D 영상을 얻을 것으로 예상된다.

○ 장래 주류가 될 것으로 보이는 3D 디스플레이는 입체상의 해상도가 높고 시야를 넓히는 것이 중요하다. 이를 달성하기 위해 시차수를 증가하면서 해상도를 높이는 것이 필요하다. 시차수와 해상도 및 휘도는 트레이드오프 관계가 있으므로 2D 표시에 비하여 발광 휘도를 비약적으로 올릴 필요가 있다. 이를 위해서 미세화 및 기판의 대형화가 가능한 기술을 개발하면 유기EL에 의한 3D 디스플레이가 실현될 것으로 예상한다.

출처 : 紳戶 江美子, 德永 和彦, “有機ELディスプレイの開發動向”,「工業材料(日本), 59(4),2011, pp.22~26

 

 

◃전문가 제언▹

○ 최근 I-phone과 스마트폰이나 태블릿 PC 시장 확대에 따라서 유기EL디스플레이가 주목을 받고 있다. 유기EL은 전계발광을 이용한 자발광 소자이다. OLED(Organic Light Emitting Diode)이라 부르며, 유기물질 자체가 발광하여 높은 발광효율, 저전압 구동, 넓은 시야각 등의 특징을 갖고 있다. 백라이트가 필요 없어 PC나 휴대전화의 소형화, 박형화, 낮은 소비전력이 가능하다.

○ Display Search Co.에 따르면 능동 매트릭스 유기EL 패널의 2010년 출하량은 4600만 매를 초과할 것으로 예측하고 있다. 국내 OLED 업계는 전세계 시장의 70% 이상을 점유하고 매출액 기준으로 1위를 고수하고 있다.

○ 그러나 OLED는 아직 가격이 너무 높다는 약점을 가지고 있다. 특히 제조장비나 부품의 소재도 고가이고, LCD에 비하여 5배 이상의 긴 제조 시간과 수율이 낮다. 제조비용은 기술개발을 통하여 극복해 나가야 할 과제로 지적된다.

○ 현재 OLED 산업의 가장 큰 이슈는 20~30인치 이상의 대형제품의 상용화이며, 이를 위해서는 대형 유리 기판을 사용할 수 있는 backplane 기술 및 화소형성 기술 개발이 시급한 과제이다. 수명과 효율 면에서 재료기술이 많이 향상되었으나, 아직 중대형 TV에는 부족하고 특히 청색인광용 호스트와 도펀트 개발이 중요하다.

○ 미국, 유럽 일본 등은 디스플레이 이외에도 조명용도 개발이 활발히 진행되고 있다. 그러나 국내는 이 분야의 연구개발이 미진하여 원천기술(특허)에 대한 우려가 높다. 디스플레이 분야에서 겪었던 선진국 기술개발→한국 패널생산→소재 및 장비 수입의 악순환이 지속될 가능성이 높아 이에 대한 대책이 필요하다.

○ 국내는 정부가 10대 차세대 성장 동력산업에 디스플레이를 선정하여 꾸준한 지원이 되고 있다. 특히 OLED는 그 성장력과 친환경성을 인정받아 예산이 책정되었다. 향후에도 OLED와 관련한 세계적 기술 제품을 생산할 수 있는 인프라 구축에 지원이 계속되기를 바란다.

 

 

 

 

 

대형 디스플레이 유기EL 시장

 

2011년은 I-phone과 스마트폰이나 태블릿 PC 시장 확대에 따라서 유기EL 디스플레이가 주목을 받고 있다. 유기EL은 전계발광을 이용한 자발광 소자이다. OLED(Organic Light Emitting)라 부르며, 유기물질 자체가 발광하여 높은 발광 효율, 저전압 작동, 넓은 시야각 등의 특징을 가지고 있다. 백라이트가 필요 없어 PC나 휴대전화의 소형화, 박형화, 낮은 소비전력이 가능하다. 기본구조는 ITO(Indium Tin Oxide)를 전극으로 하는 2매의 기판에 유기물의 발광층을 삽입한 것이다. 유기재료에 따라서 고분자와 저분자 재료로 구분되며, 고분자는 저분자보다 수명·변환효율은 열세이나, 필름이나 잉크젯으로 박막이 가능하여 대형화가 용이하여 생산성이 높다.

유기물 분자구조 조합은 무수히 많으며, 그 중에서 발광효율과 내구성을 겸비한 유기물질을 발견하는 것이 중요하다. 발광효율이 높은 것은 「인광」물질이다. 10억 회 반복하여 발광에 견디는 유기물질을 합성하고, 형광등 이상의 발광효율, 수명 내구성, 휘도가 최저 1000cd 정도의 유기EL 개발이 진행되고 있다.

유기EL(OLED) 기술은 디스플레이와 조명 분야로 전개되고 있다. 대형 디스플레이 분야에서는 적, 녹, 청색의 발광소자는 동화상에 대응하기 위해서 정밀한 제어기술이 필요하다. 그러나 발광을 제어하는 IC 드라이버나 폴리실리콘의 트랜지스터는 대화면화에 한계가 있다. 일반조명 기구의 시장 확대를 위해서는 낮은 가격과 양산화, 장수명의 3가지 요소가 해결되어야 한다.

현재 유기EL 시장은 거의 디스플레이 분야이다. 2010년 시장규모는 1,000억 엔으로 추정되며, 2013년에 5,000억 엔으로 예상하고 있다. 그리고 2014년에는 대형 TV용도의 시장이 형성되고, 2015년에 약 8000억 엔의 시장이 될 것으로 예상한다.

우리나라는 지식경제부에서 유기EL개발 프로젝트를 수립하고 재료개발이나 제6세대 (1500×1850㎜)의 제조장치 개발을 지원하는 체제를 구축하였다.

삼성전자는 4,000억 엔을 투자하여 5.5세대(1300×1500㎜)의 유리기판을 10만 매/월 제조하는 생산라인을 2011년까지 완성하는 것을 목표로 하고 있다.

중국도 산업정보기술부(MIIT)가 Truly사, IRICO사, CHANGHON사, Anwell사 등 중국의 20여 개 기업과 Sun Yat-Sen University 등의 산학협동으로 능동 매트릭스 유기EL 개발을 진행하고 있다. 중국 Visionox사는 독자적인 기술을 보유하고 수동 매트릭스 유기EL에서 큰 시장을 보유하고 있다.

2010년 세계 조명기기 사장은 약 860억 달러로 예상되며, 이 중 330억 달러는 전구, 형광등, LED와 같은 조명 디바이스가 점유하고 있다. 2008년 조명 디바이스 내역은 85%가 전구, 12% 형광등, 2%가 전구형 소형 형광등이다. 에너지 절감 정책으로 점차 저렴한 전구 조명제품은 감소하고, 에너지절감과 수명이 긴 전구형 소형 형광등이 보급되고 있다. 이어 LED 제품, 유기EL 제품이 진행될 것으로 생각되며, 2014년에 1,638억 달러로 예측된다.

2010년 유리EL 조명기기 시장은 40억 엔으로 큰 시장은 아니다. 그 이유는 유기조명은 프로세스 비용이 높고, 밝기나 수명에 문제가 있기 때문으로 생각한다. 유기EL 조명제품은 음영이 없으며, 디자인성이 우수하다. 또한 응답이 빠르며, 색과 속도를 자유롭게 변화시킬 수 있다. 이러한 장점을 배경으로 양산기술이 구축되고 필름이 공급되면, 2014년 유기EL 조명기기 시장은 48억 달러에 이를 것으로 예상된다.

현재 유기EL 조명 개발에 참여하고 있는 기업은 56개사이며, 그 중에 27개사가 유기EL 재료개발을 하고 있다. 고발광 효율을 얻기 위해 유기물 인광재료 개발이 진행되고 있으며, 적색과 녹색은 실용화 주준에 도달하였다. 독일 Osram Opto Semiconductors사는 「ORBEOS」출하를 개시하였다. 한국의 모리스텍도 플렉서블 형태의 유기EL 패널을 2010년 상품화 하였다.

유기El 장치 재료시장은 2015년 8000억 엔으로 예상되며, 이를 대비하여 기업제휴나 개발투자가 시작되었다. Tokyo 일렉트로닉스와 Seiko Epson은 대형 액정제조 장치기술과 잉크젯 기술을 공동개발을 시작하고, ULVAC과 TOKKI도 증착장치 대형화를 위해 공동개발을 진행하고 있다. ASAHI 유리는 유기EL 유리 기판의 접착 신 재료를 개발하고, Sumitomo화학은 도포형 고분자형 유기EL 개발을 진행하고 있다.

출처 : 武野 泰彦, “大型ディスプレイ市場を睨んで激化する有機EL市場”, 「工業材料(日本)」,59(4), 2011, pp.31~33

 

Source : KISTI-ReSEAT 프로그램