OLED(Organic Light Emitting Diode)는 디스플레이 트렌드에 따라 소재 개발이 이루어지고 있다.
OLED는 형광성 유기화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 전계 발광현상을 이용해 스스로 빛을 내는 자체발광형 유기물질로 LCD(Liquid Crystal Display)와 함께 디스플레이용으로 채용되고 있다.
원편광판, 저분자 발광소재(EML: Emitting Layer Material), 정공주입소재(HIL: Hole Injection Material), 정공수송소재(HTL: Hole Transfer Material), 전자수송소재(ETL: Electron Transfer Material), 봉지용 실링제 등이 소재로 사용된다.
저분자 발광소재는 삼성SDI, 두산, Dow Chemical, Nippon Steel Chemical, Chisso, UDC, Idemitsu Kosan이, 전자수송 및 주입 소재는 LG화학, 삼성SDI, 두산, Dow Chemical, Novaled, Idemitsu Kosan이, 정공주입 및 수송 소재는 덕산네오룩스, 두산, LG화학, Merck, Idemitsu Kosan, Novaled 등이 공급하고 있다.
저분자 발광소재는 적색, 녹색, 청색이 있으며 발현방법에 따라 또다시 인광과 형광으로 구분되고, 정공주입소재는 ITO (Indium Tin Oxide)로부터 정공을 촉진해 양극에서 유기층 주입장벽을 낮추어 정공이 발광층으로 쉽게 진입하도록 도와주는 역할을 한다.
정공수송소재는 양극에서 정공 주입층을 통해 전달된 정공을 원활하게 발광층으로 이동하게 하며 음극에서 전달된 전자를 발광층에 속박하고, 전자수송소재는 음극에서 주입된 전자를 효과적으로 발광층에 전달해 OLED의 특성을 향상시키는 역할을 수행한다.

2020년 시장규모 30억달러 상회
OLED는 글로벌 시장규모가 계속 확대되고 있다.
OLED는 2013년부터 급격히 성장하며 2015년 5억6000만달러에서 2016년 6억7700만달러로 약 16% 성장했으며 2020년까지 연평균 46% 성장해 30억8000만달러에 달할 것으로 예상되고 있다.
LCD에 비해 수율이 좋지 않고 코스트가 높아 관련기업들이 사업을 정리하는 추세였으나 삼성이 꾸준한 연구개발(R&D)로 수율, 크기, 해상도 문제를 극복함으로써 휴대폰용 중소형을 중심으로 수요가 증가하고 있다.
휴대폰용 OLED와 LCD 채용비율은 2017년 29대71 수준에서 2019년 56대44로 OLED가 역전하고 2021년에는 82대18로 OLED가 80% 이상 차지할 것으로 전망되고 있다.
애플(Apple)이 11월 출시하는 아이폰(iPhone) X 디스플레이에 LCD 대신 삼성전자의 OLED를 채용한 것이 상당한 영향을 미칠 것으로 판단된다.
시장 관계자는 “애플이 LCD를 고집하면 아이폰 자체의 경쟁력을 잃을 수도 있다는 우려가 제기되면서 경쟁기업이 생산하는 OLED를 채용한 것”이라며 “LG전자 역시 OLED를 채용한 핸드폰을 출시하기 때문에 앞으로 OLED 시장이 더욱 빠르게 성장할 것”이라고 주장했다.
TV용 대형 OLED는 삼성전자가 큰 영향을 미치고 있다.
삼성전자는 TV 디스플레이에 QLED(Quantum-dot LED)를 채용하고 있으나 최근 개최된 IFA 2017에서 LG전자의 OLED TV에 비해 혹평을 받아 OLED로 전환할 가능성이 제기되고 있다.
프리미엄 TV의 OLED, LCD 채용비율은 2015년 9대91에서 2017년 22대78로 개선된 뒤 2020년에는 68대32로 OLED가 크게 역전할 것으로 예상되고 있다.
국내 OLED 생산능력은 2016년 790만평방미터에서 2019년 2330만평방미터로, 중국은 20만평방미터에서 480만평방미터로 확대할 것으로예상되고 있다.
시장 관계자는 “중국은 막대한 자금력을 바탕으로 OLED 투자를 확대하고 있다”며 “장기적으로 중국 신증설에 대비해야 한다”고 강조했다.

OLED, LCD 대체수요 증가
OLED는 LCD 대체수요가 꾸준히 증가할 것으로 예상된다.
LCD는 가해지는 전기신호의 종류에 따라 빛의 굴절 패턴을 바꾸는 액정소자를 채용하는 디스플레이로 액정 자체가 발광하지는 못하기 때문에 액정패널이 빛을 공급하는 백라이트(Back Light)를 탑재해야 하는 반면 OLED는 자체적으로 발광할 수 있어 백라이트가 불필요하기 때문에 디스플레이를 더 얇게 생산할 수 있으며 LCD에 비해 시야각, 색 재현력, 명암비, 설계 자유도 등이 뛰어나 휴대폰, TV 등 디스플레이용 채용이 증가하고 있다.
LCD는 빛의 방향을 일정하게 정렬하는 선편광 필터를 사용하기 때문에 필터와 액정 결정의 정렬방향을 거스르는 각도에서는 시야각이 극도로 나빠져 시야각 문제가 거의 없는 OLED에 비해 큰 단점으로 지적되고 있다.
또 백라이트의 빛이 액정을 거치면서 파장의 영향을 받기 때문에 발광하기까지 소실되는 부분이 많아 색 재현율이 떨어지는 것으로 알려졌다.
백라이트가 항상 켜져 있기 때문에 빛이 새어나갈 수밖에 없어 최소 밝기에 한계가 존재하며 OLED에 비해 전력 효율도 낮은 것으로 파악된다.
특히, 디스플레이에서 불필요한 부분을 제거하고 플렉서블(Flexible) 디스플레이를 구현하는 것이 트렌드로 부상함에 따라 설계 자유도 부문에서 OLED의 강점이 극대화되고 있다.
LCD는 사각형 구조를 탈피하기 어려우나 OLED는 소자를 개별적으로 배열하는 방식이기 때문에 모서리가 둥근 패널이나 플렉서블 디스플레이를 구현하기에 유리한 편이다.
플렉서블 디스플레이는 LCD로도 생산이 가능하나 액정, 백라이트, 컬러필터를 휘어지게 만들면서 컬러, 밝기를 균일하게 맞추는 것이 힘들어 곡률에 제한이 생기기 때문에 원통형 디스플레이를 구현하기는 힘든 것으로 알려졌다.
시장 관계자는 “아이폰은 OLED를 채용한 아이폰 X를 출시하면서 디스플레이 상단에 M자형 구조를 구현했다”며 “LCD에서 불가능한 디자인을 채택함으로써 OLED로 전환한 것을 극단적으로 표현한 것”이라고 주장했다.
하지만, 동일한 화면을 계속해 띄우고 있을 때 특정 픽셀만 수명이 닳아 화면의 모양대로 어두워지는 번인(Burn-In) 현상이 일어나기 때문에 앞으로 개선을 위한 연구가 요구되고 있다.
시장 관계자는 “중소형 OLED 시장을 독점하고 있는 삼성전자의 휴대폰에서도 번인 현상이 나타나고 있다”며 “앞으로 연구를 통해 LCD와 비슷한 수준으로 개선해야 할 것”이라고 강조했다.

저분자 발광소재, 청색 인광은 지지부진…
저분자 발광소재는 고효율 청색 발광소재 개발이 시급해지고 있다.
저분자 발광소재는 형광, 인광, 지연형광 3가지로 구분되며 적색, 녹색은 인광 발광소재가 상용화됐으나 청색 인광 발광소재는 재료 효율성, 안정성, 색 순도 등의 문제로 상용화가 이루어지지 않고 있다.
형광 발광소재는 양자효율이 내부 25%, 외부 5-10%로 인광 발광소재가 내부 100%, 외부 20-30%를 나타내는데 반해 4분의 1 수준에 불과한 것으로 알려졌다.
초기에는 모두 형광 발광소재를 사용했으나 적색 인광 발광소재가 가장 먼저 상용화됐으며 현재 녹색 인광소재까지 상용화됐으나 녹색 인광소재 역시 수명 문제로 TV 등 대형 OLED에는 채용하지 못하고 중소형 OLED 채용에 그치고 있다.
최근 고효율 청색 발광소재는 3가지를 연구하고 있다.
청색 인광 발광소재는 가장 활발한 연구가 이루어지고 있는 소재로 청색 인광용 호스트(Host), 청색 인광 Ir(Iridium) 도펀트(Dopant)로 구성되며 양자효율이 30%로 꽤 높은 것으로 알려졌다.
고효율 형광소재와 지연 형광소재는 개발초기 단계로 앞으로 상용화가 이루어질 가능성이 기대되고 있다.
고효율 형광소재는 지연 형광 호스트와 기존 형광 도펀트로 구성돼 있으며 양자효율이 15%로 기존 형광소재보다 개선됐다. 지연 형광소재는 높은 삼중항 에너지 호스트와 지연 형광 도펀트로 구성되며 양자효율이 25%로 인광소재와 비슷한 수준을 구현할 수 있다.

TADF, 인광소재 대체 가능할까?
TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence)는 청색 인광소재를 대체할 것으로 기대되고 있다.
TADF는 삼중항 여기자를 일중항 형태로 빛을 발산하는 방식으로 삼중항이 일중항으로 빛을 방출하는데 시간이 걸려 지연형광이라 명명하고 있으며 형광의 긴 수명과 인광의 고효율 장점을 갖추고 있다.
하지만, OLED 소재의 열화를 가속시킬 위험성을 내포하고 있고 높은 휘도에서 발광효율이 떨어지는 현상이 두드러지고 높은 소비전력이 요구된다는 단점이 있어 추가 연구가 요구되고 있다.
삼성디스플레이와 LG디스플레이는 TADF 소재 전문기업인 독일 Cynora에 100억원 이상을 투자함으로써 TADF가 청색 인광소재를 대체할 가능성을 제기하고 있다.
2017년 7월10일 Cynora의 2차 투자자 모집에서 LG디스플레이가 1500만유로, 삼성벤처스는 1000만유로 수준의 투자를 결정해 국내기업의 투자규모가 가장 큰 것으로 알려졌다.
Cynora는 Karlsruher Institut für Technologie에서 분사해 2008년 설립됐으며 고효율 청색 OLED 발광소재 개발에 집중해 TADF 신소재를 선보였다.
2017년 말 TADF를 양산할 계획이라고 발표했으나 생산량을 확대하는 수준에 불과해 상용화하기는 어려울 것으로 판단된다.
Cynora 관계자는 “2017년 말 청색 TADF를 생산한 뒤 2018년 녹색 TADF, 2019년 적색 TADF를 순차적으로 양산하는 것이 목표”라고 밝혔다.

정공수송소재, 새로운 구조적용 “미미”
정공수송소재는 새로운 장치 세대가 개발됐으나 채용이 지연되고 있다.
저분자 발광소재는 색마다 파장에 따라 구조상 위치가 다르게 배정되는데 세대마다 다양한 방법으로 배치돼 왔다.
일반적으로 청색 발광소재가 정공수송소재에 가장 가깝게 배치되며 녹색, 적색 순으로 뒤를 잇는 구조를 나타낸다.
덕산네오룩스는 기존 구조와 정공수송소재 배치가 다른 새로운 구조를 개발했으며 낮은 코스트와 높은 효율을 나타낼 수 있는 것으로 알려졌다. 하지만, 기존 구조가 내부 구조에 가장 최적화된 것으로 알려져 채용이 이루어지지 않고 있다.
최근 연구는 정공주입소재와 발광층 사이의 HOMO 레벨 매치, 전자 차단을 위한 높은 LUMO 레벨, 발광층의 높은 T1 상태 등을 개선하고 높은 내열성과 안정성 등을 구현하기 위해 진행되고 있다.
정공주입소재의 양극과 비슷한 HOMO 레벨을 구현하고 옴 접촉, ITO와의 계면 접착력, 필름 균일성 및 편평성을 개선하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

TFT, OLED 채용 확대로 수요 증가
TFT는 디스플레이에서 주로 스위치로 사용하는 반도체 소재로 a-Si(amorphous-Silicon), LTPS(Low Temperature Polycrystalline Silicon), Oxide 등이 사용되고 있다.
일반적으로 a-Si는 가격이 낮게 형성돼 낮은 전자 이동도에도 불구하고 꾸준히 채용됐으나 OLED에는 채용이 불가능하며, LTPS는 면적을 적게 차지하고 높은 해상도를 구현할 수 있어 중소형 디스플레이에 주로 채용했으나 낮은 균일도 때문에 현재 사이즈가 6.5세대(1500mm×1850mm)로 제한돼 있다는 단점이 존재하고 있다.
Oxide는 a-Si에 비해 전자이동도가 약 100배 빠르고 LTPS에 비해 균일도가 높아 대형 패널에서도 균일한 화면전환 속도를 구현할 수 있어 대형 OLED 채용에 적합한 것으로 알려졌다.
이에 따라 TV 등 대형 OLED에는 Oxide TFT만 채용되고 있으며, 앞으로 투명 디스플레이를 구현하기에도 적절해 수요가 증가할 것으로 전망된다.
또 OLED에서는 On/Off를 제어하는 Switching TFT 외에 Driving TFT가 필요하기 때문에 TFT 소재 수요가 증가할 것으로 예상되고 있다.<임슬기 기자>