[테크다이브] OLED의 ‘파란 눈’ 청색 인광이란?

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[테크다이브] OLED의 ‘파란 눈’ 청색 인광이란?

디지털데일리 발행일 2023-04-17 17:50:26

백승은

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[디지털데일리 백승은 기자] 지난주 유기발광다이오드(OLED) 소재 원천기술 기업으로 잘 알려진 미국 유니버셜디스플레이(UDC)가 “작년 청색 인광 OLED 소재에 대한 내부 목표 사양을 충족했다”라고 발표했습니다.

UDC는 올해 안으로 청색 인광 소자의 발광 효율 등을 대폭 개선해 내년 중에 상용화하겠다는 목표를 가지고 있는데요. 그렇다면 청색 인광이란 무엇이며, 어떤 역할을 하고, LG디스플레이와 삼성디스플레이 등 패널 업체들에게 왜 중요한 것일까요?

스스로 빛을 내는 OLED는 ‘유리(또는 플라스틱 기판) -유기 발광층-유리 덮개- 편광판’ 구조를 갖추고 있는데요. 이때 빛을 내는 유기 발광층은 다시 ‘양극(Anode) -정공주입층(HIL)-정공수송층(HTL)-발광층(EML)-전자수송층(ETL)-전자주입층(EIL)-음극(Cathode)’으로 나눠집니다. 실제로 빛이 나오는 구간은 발광층으로, ▲도판트(발광체) ▲호스트(발광층) ▲프라임(보조층)의 구조를 갖추고 있습니다.

그렇다면 이 발광층에서 어떻게 빛을 내는 걸까요?

우선 발광의 정의부터 알아보도록 하겠습니다. 발광 물질 속 전자가 높은 에너지 상태(들뜬 상태, excited)에서 낮은 에너지 상태(바닥 상태, ground)로 변할 때 줄어든 에너지가 빛의 형태로 방출되면서 나타납니다. 대표적인 발광 방식은 형광(Fluorescence)과 인광(Phosphorescence)이 있습니다.

형광은 바닥 상태에 있는 발광 물질에 에너지를 주입해 들뜬 상태로 만든 뒤, 전자가 다시 바닥 상태로 변할 때 방출되는 빛을 발광원으로 이용합니다. 이 형광 방식은 열이나 진동으로 버려지지 않는 에너지 25%만을 빛으로 바꿀 수 있어 효율성이 그렇게 좋지 않습니다.

형광 방식에서 효율성을 좀 더 높인 게 바로 인광입니다. 인광은 열 또는 진동으로 버려지는 75%의 에너지를 활용하는데요. 한 마디로 전기에너지를 최대 100%까지 빛으로 바꿀 수 있죠.

삼원색인 적색·녹색·청색(RGB) 중 녹색과 적색 인광 방식은 이미 수 년 전부터 디스플레이 업계에서 사용되고 있었습니다. RGB마다 3개씩 총 9개가 하나의 세트죠. LG디스플레이와 삼성디스플레이 모두 적색과 녹색 소재에 인광 방식을 도입하고 있습니다.

그렇지만 청색 인광은 ‘깍두기’ 신세였습니다. 청색 재료는 발광 파장대가 RGB 중 가장 짧아 발광 에너지의 가장 큰 부분을 담당하고 있는데, 그렇지만 삼원색 중 수명이 제일 적습니다. 게다가 안정성에 대한 요구사항도 높아 형광 방식을 이어 나가고 있었는데요.

LG디스플레이의 화이트(W)-OLED에는 청색 형광 소재가 2개층이 들어가는 3개 발광층이 구성돼 있고, 삼성디스플레이의 퀀텀닷(QD)-OLED에는 역시 청색 형광 소재가 3개층까지 들어가는 4개 발광층이 있습니다. 좀 더 쉽게 말하면, 적색과 녹색에는 인광 방식을 차용하고 있는 데 반해 청색은 형광 방식을 유지하고 있는 것이죠.

이런 상황에서 UDC가 청색 인광 상용화에 대한 로드맵을 발표한 것인데요. 그렇다면 LG디스플레이와 삼성디스플레이가 청색 인광을 접목하면 어떤 점이 달라질까요?

마이크 핵 UDC 부사장은 청색 OLED를 형광에서 인광으로 바꾼다면 발광 효율을 4배 높일 수 있다고 설명했습니다. 소비전력 역시 20~25%까지 절감할 수 있고요. 수명을 비롯해 배터리나 휘도 등과 같은 전반적인 성능도 높아질 공산이 큽니다.

현재 사용하는 청색 형광 방식에서 청색 인광 방식을 적용하면 생산량을 늘릴 수 있다는 게 큰 장점 중 하나입니다. 예를 들어 현재 삼성디스플레이의 QD-OLED는 앞서 말했듯 청색 발광층을 3번 적층해야 하는데, 청색 인광이 적용될 경우 적층을 1~2번으로 줄일 수 있습니다. 이 과정에서 공정이 단축되고 생산량도 늘어나게 되는 것이죠.

이와 관련해 유비리서치 이충훈 대표는 “청색 인광 소재를 적용하게 되면 패널 업체는 별도의 추가 투자 없이 생산량을 최대 30~50%까지 늘릴 수 있을 것으로 보인다”라고 말했습니다. 이렇게 되면 OLED TV 생산량을 오는 2025년에는 최대 1500만대까지 늘릴 수 있는 것이죠.

한편 삼성디스플레이 역시 청색 인광 소재를 개발 중인데요. 작년 9월에는 청색 OLED를 개발했던 독일 사이노라(Cynora)를 인수하는 등 OLED의 ‘파란 눈’에 대한 연구를 활발하게 실시하고 있습니다.