OLED 개발 역사

OLED의 기술 개발 역사

OLED는 EL 과정을 통한 발광을 위하여 유기물을 이용하는 디스플레이 소자로서 유기물을 전자 소자에 응용하여 제품화한 최초의 제품이라고 할 수 있다. 유기 전자 재료를 활용하는 전자 소자로는 OLED, 유기 태양 전지, 유기 트랜지스터 등이 있으며, 대부분의 제품이 일부 상용화되기는 하였으나, 시장에서 주력 제품으로는 자리 잡지 못하였다. 제품화를 통하여 시장에서 다른 전자 소자들과 경쟁하고 있는 것은 OLED가 유일하며, 향후 시장에서의 지배력은 지속해서 강화될 것으로 예상한다. 유기물을 이용하는 OLED 소자의 경우 초기에는 유기물의 안정성 문제로 인하여 상용화하기 어려울 것으로 예상하였으나, 소재의 개발 및 소자 개발을 통하여 안정성 문제를 극복하여 현재는 디스플레이로서 다양하게 활용되고 있다.

유기물의 발광을 이용하는 OLED의 시초는 1963년 뉴욕대의 Pope 교수가 고체 상태의 안트라센 결정을 이용하여 400V 이상의 전압을 가할 경우 발광이 가능하다는 것을 발견한 것이다. Pope 교수가 안트라센으로부터의 발광을 관측할 당시에는 높은 전압에서만 발광이 관찰되었고, 결정상태에서 발광이 관찰되었으며, 발광 특성도 좋지 않았기 때문에 큰 관심을 받지 못하였다. 안트라센 결정으로부터의 발광을 기반으로 현재 사용하는 OLED 소자와 유사한 박막 발광 소자가 최초로 논문으로 보고된 것은 1987년이며, 코닥사에서 두 개의 전극 사이에 빛을 내는 유기물을 박막으로 적층하면 발광이 가능하다는 것을 보고하였다. 본 보고 이전에 전극 사이에 빛을 내는 유기물을 적층하여 빛을 받아서 전기가 통하는 유기 태양 전지가 가능하다는 것을 발견하였다. 초기의 소자 구조는 매우 단순하여 anode 역할을 하는 투명 전극으로 ITO를 사용하였고, cathode 역할을 하는 반사 전극으로 Mg : Ag 전극을 사용하였다. 유기 막 층으로는 발광 역할을 하는 녹색 형광 발광 물질로 Alq3를 사용하였고, 약 100nm 수준으로 박막 유기 발광 소자로서의 가능성을 보였다. Alq3가 발광 물질 겸 전자 수송 물질의 역할을 하고, TAPC가 정공 수송 층의 역할을 하여 발광은 Alq3 발광이 구현되었다. 최초로 개발된 OLED 소자 구조와 사용된 물질의 화학 구조를 나타내었다. EL 소자로부터의 발광이 발광 물질의 발광 스펙트럼과 일치하는 것을 통하여 Alq3 발광 물질로부터 EL 과정에 의하여 발광이 가능함을 확인하였다.

동 연구자들은 1989년에는 소자 구조를 개선하여 발광층을 하나의 물질이 아닌 현재 제품에서 사용하고 있는 발광층 구조인 호스트와 도펀트를 사용하는 구조를 보고하였다. 처음 보고한 Alq3를 사용하는 구조를 개선하여 Alq3를 호스트 물질로 사용하고, 도펀트 물질로 DCM이라고 하는 적색 형광 도펀트를 적용하여 소자 구조를 개선하였다. 개선된 소자 구조를 통하여 단일 발광층을 사용하는 구조에 비하여 휘도 및 효율을 개선할 수 있었으며, 도펀트 물질을 제어하면 다양한 컬러의 발광 스펙트럼을 구현할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 이후 다양한 저분자 형광 발광 물질들이 개발되었고, 제품에 적용되어 현재까지 사용되고 있다.

증착 공정을 이용하는 저분자 발광 물질을 이용하는 소자 구조가 개발된 이후, 1990년에는 분자량이 큰 고분자 물질을 발광 물질로 이용하는 OLED 소자가 개발되었다. 고분자 물질은 저분자 물질과는 달리 증착 공정을 이용할 수 없기 때문에 용매에 용해하여 잉크를 만들어 스핀 코팅하는 방법으로 고분자 OLED 소자를 제작하였다. 최초로 보고된 고분자 발광 물질을 polyphenylenevinylene이었으며, 소자 구조는 anode로 ITO, cathode로 AI을 사용하고 전하 수송 층 없이 PPV를 두 전극 사이에 도입하여 소자를 구성하였다. PPV 물질이 발광 물질의 역할과 전하 수송 물질의 역할을 동시에 하고, 발광을 PPV 물질로부터 관찰되었다. 초기에 고분자 발광 물질을 이용하는 고분자 OLED 소자는 발광 물질로 활용할 수 있는 물질을 저분자로부터 고분자까지 다양하게 활용할 수 있다는 측면에서 의미가 있었으며, 증착 공정뿐 아니라 용액 공정을 이용한 OLED 소자 제작이 가능하다는 것을 제시한 점에서 중요한 연구 성과였다. 이후 용액 공정 소자는 다양하게 개발되었으며, 고분자 OLED뿐 아니라 저분자 용액 공정 OLED, 덴 드림 용액 공정 OLED, 올리고머 용액 공정 OLED 등이 개발되었다.

증착 공정과 용액 공정 OLED를 통하여 다양한 공정 및 소재를 이용하여 OLED 제작이 가능하다는 것을 검증한 이후, OLED 역사에서 중요한 전환점인 인광 OLED가 1998년 개발되었다. 프린스턴 대학의 스테판 교수와 USC 대의 톰슨 교수가 공동으로 백금 귀금속을 포함하는 유기 금속 화합물에서 인광 발광이 가능하다는 것을 보고하였다. 초기의 효율 자체는 10% 미만으로 낮은 수준이었으나, 중금속을 포함하는 유기 금속 화합물을 이용하여 인광 발광이 가능하다는 것을 처음으로 보고하였다. 초기 개발 이후 다양한 Ir 및 Pt 계열 발광 물질이 개발되고, 인광 발광 소자의 발광 효율을 최대화하기 위한 소자 구조 개발을 통하여 인광 소자에서 구현할 수 있는 이론적인 최대 효율을 구현하였으며, 이를 통하여 적색, 황색 및 녹색 인광 발광 재료가 제품에 적용되어 사용되고 있다.