[OLED 디스플레이] OLED 디스플레이의 계면 특성 및 제어 기술 1 - OLED 계면 연구의 필요성
[OLED 디스플레이] OLED 디스플레이의 계면 특성 및 제어 기술 2 - OLED 계면 측정 방법
OLED는 무기물로 이루어진 기존의 LED와 달리 구조상 여러 종류의 층간 물질로 이루어져 있다. 때문에 OLED에서 계면 특성 및 제어는 중요한 요소 된다. 여기서는 OLED 계면 연구의 개요와 측정 방법, 향후 전망 등에 대해 살펴본다.
OLED 계면 연구가 필요한 이유
OLED는 저소비전력, 친환경성, 초박막 실현 등 기존 디스플레이에 비해 미래형 디스플레이의 면모를 두루 갖추고 있지만, 제작 기술이 난해하여 대면적 소자의 양산 효율을 높이기 어려운 분야이다.
시장 성장 관점에서 살펴보면, 대기업을 중심으로 생산되는 세계 OLED 패널 시장에서 2012∼2013년에만 20%대 성장을 거두었고, 그 파급 효과로 국내에서도 이와 관련된 장비, 소재 기업들이 급성장했다. 또한, 차세대 디스플레이를 이용한 각종 전자기기 제품들이 속속 출시되었으며, 특히 지난해에는 국내 LG화학을 비롯, 여러 회사들이 조명 산업에 뛰어들어 TV와 함께 기존 LED 시장과 한판 승부를 벌이고 있다.
그림 1. LED와 OLED의 구조 비교
그렇다면, 유독 OLED에서 계면 특성 평가 및 제어 기술이 필요한 이유는 무엇일까. 그림 1은 기존의 LED와 OLED에서 전자의 밴드구조를 비교하여 그려놓은 모식도이다.
무기물로 만드는 기존 방식의 LED는 결정 성장한 물질 속에서 전하의 이동도가 매우 높고, 물질 내 불순물을 비교적 자유롭게 조절하여 에너지 준위, 즉 페르미 준위(EF)를 맞출 수 있다는 장점이 있다. 즉 LED에서는 발광물질의 결정성을 높인 후 불순물의 종류와 농도를 잘 선택해 이를 조절하고, 적당한 전극재료만 붙이면 상당히 높은 효율의 소자를 구성할 수 있는 것이다. 이와 같은 구조에서 n＋ 쪽에 적당한 음전압을 인가하면 전자가 p 쪽으로 흘러가 정공과 결합하면서 빛을 낼 수 있다.
그런데, OLED에서 사용되는 유기물들은 자체 결함이 많고 대부분 비정질 상태이며 물질 고유의 성질에 따라 p형 또는 n형 성질을 띠게 된다. 게다가 이 고유의 성질은 무기물에서처럼 약간의 불순물 도핑에 의해 쉽게 바뀌지 않는다. 그러므로 발광층(EL)에 도달하는 전하의 비율을 높이기 위해 전극 물질 사이에 전자수송층(ETL)과 전하수송층(HTL) 등의 물질들을 삽입하여 전하의 주입장벽을 단계적으로 낮추고, 상대적인 전하주입량을 동일하게 제어함으로써 전력 효율을 높여야 한다. 때문에 OLED에는 일반 LED보다 많은 수의 층간 물질이 포함되어 있고, 이를 세심히 선택해서 공정으로 가져가야 한다. 이러한 이유로 OLED에서는 계면문제가 더 복잡한 이슈로 부각된다.
그림 2. 초기 C. Tang에 의해 개발된 OLED의 구조들
OLED를 처음으로 실현할 수 있도록 발전시킨 것은 1987년 코닥의 탕(Tang)과 반슬라이크(VanSlyke)였다. 그들은 그림 2와 같은 구조로 양자효율 1%을 달성하여 그 당시로는 최고 효율을 발표했는데, 가장 큰 변화는 양극 쪽에 Mg : Ag 합금을 도입하여 일함수를 낮춤으로써 전자의 주입장벽을 획기적으로 낮추고, 음극 쪽에는 디아민(Diamine)으로 정공 주입장벽을 낮춘 것이었다. 10년이 지난 후, 양극과 음극에 CuPc와 LiF 완충층을 각각 보완 삽입하여 계면쌍극자에 의한 밴드 휨을 유도함으로써 소자의 효율과 수명을 더 증대시킬수 있었다. 그리고 지금까지 20년 동안 이 구조는 OLED 박막의 기본 구조가 되어 오고 있다.
김정원 책임연구원 / 한국표준과학연구원 소재게놈측정센터
