OLED 조명 기술 현황 및 전망 (1)

순천향대학교 디스플레이신소재공학과

문 대 규

1. 개 요

OLED (Organic Light Emitting Diode)는 양극과 음극사이에 놓인 유기물에서 전자와 정공의 재결합에 의해 발광이

일어나는 소자로 디스플레이에 주로 응용되고 있다. 1987년 Eastman Kodak에서 1 lm/W의 이종접합 (Heterojunction)

녹색 OLED를 발표한 이래 OLED의 효율은 급속히 향상되어 2006년 100 lm/W 이상의 녹색 소자가 발표되었으며

최근 100 lm/W 이상의 백색 소자가 발표되고 있어 조명용 광원으로서의 응용 가능성이 증가하고 있다 (그림 1).

또한 에너지 및 환경의 중요성이 대두되며 기존의 조명이 고체 조명으로 점차 대체될 것으로 예상됨에 따라

OLED 조명은 점점 더 중요해지고 있다. 몇몇 주요 조명회사는 이미 OLED 조명 생산을 계획하고 있다. 따라서 본

칼럼을 통하여 OLED 조명 기술 현황 및 발전 방향을 살펴보고자 한다.

[그림 1] OLED 기술의 발전 방향

2. 디스플레이와 조명

OLED의 주요 응용분야는 디스플레이와 조명이다 (그림 2). OLED를 이용하여 PMOLED (Passive Matrix OLED)

혹은 AMOLED (Active Matrix OLED)와 같은 디스플레이를 구현할 경우에는 미세하며 정밀한 화소 패턴을 필요로

한다. 또한 AMOLED의 경우 화소 구동용 TFT (Thin Film Transistor)를 필요로 한다. 따라서 OLED를 디스플레이로

응용할 경우에는 공정이 복잡하며 대형 투자를 필요로 한다. 반면, 조명용 OLED는 구조가 단순하여 미세하고

정밀한 패턴이 필요 없으며 대형 투자를 필요로 하는 TFT와 같은 구동 소자 또한 필요 없기 때문에 공정이

간단하고 대형 투자를 필요로 하지 않는다. 따라서 OLED 조명은 중소기업에서도 생산 투자를 진행할 수 있는

기술 영역이다.

[그림 2] OLED 디스플레이와 조명

OLED 디스플레이와 조명은 공통적인 기술 요소가 있고, 디스플레이와 조명 각각의 특징적 요소가 있다. 공통적인

기술 항목으로는 변환효율(전류가 빛으로 변환되는 비율) 및 전력효율 (입력전력에 대한 출광량), 안정성, 수명,

제조가격 등이 있으며(그림 2), OLED 디스플레이만의 기술 항목은 미세 화소 패턴 형성, 콘트라스트, 해상도,

색재현 능력 등이 있다. OLED 조명만의 기술 항목은 연색지수 (CRI, Color Rendering Index), 대면적 발광,

전체전력효율 등이 있다. 특히 색상의 구현 능력을 나타내는 연색지수가 낮으면 색이 분명하지 않고 눈에 피로를

많이 주기 때문에, 연색지수는 효율 및 수명과 더불어 OLED 조명에 있어서 가장 중요한 요소로 간주되고 있다

(그림 3). 또한 OLED 디스플레이를 위한 전력 효율과 OLED 조명을 위한 효율은 차이가 나는 것으로 알려져

있다. OLED 디스플레이는 주로 정면 효율이 중요한 반면 OLED 조명을 위한 전력 효율은 정면 뿐 아니라 측면

방향의 빛도 이용하므로 전체 효율이 중요하다.

[그림 4] 연색지수에 따른 색 재현 능력 차이

3. OLED 조명과 백색 OLED

조명은 다양한 색을 필요로 하기 때문에 조명용 OLED는 항상 백색을 필요로 하는 것은 아니지만 백열등,

형광등과 같은 일반 조명이 백색이기 때문에 백색 OLED가 조명용 광원으로 가장 널리 이용될 것으로 예측되고

있다. 따라서 백색 OLED에 대한 연구개발은 해마다 증가하는 추세를 보이고 있다. 조명용 백색 OLED는

고휘도의 구현이 가능하며, 효율, 수명, 연색지수가 개선되고 있다. 또한 초박형, 다차원, 색가변, 투명조명,

구동전압 등 많은 장점이 있는 것으로 알려져 있다 (표 1)

[표 1] 조명용 백색 OLED의 특징

백색 OLED를 조명에 응용하기 위해 가장 중요한 요구 조건의 하나는 전력효율이다. 기존의 백열등은 전력효율이

9~17 lm/W이며 형광등은 60~110 lm/W이기 때문에 에너지 효율이 낮은 백열등을 OLED 조명으로 대체할 수

있지만, 형광등의 대체를 위해선 최소 50~100 lm/W 이상은 되어야 한다 (그림 5).

[그림 5] 백열등 및 형광등의 종류 및 사양

백색 OLED의 효율은 해마다 개선되고 있다 (그림 6). 2000년 초반까지만 해도 약 5 lm/W의 백색 OLED가

보고되었으나 2000년 중반에는 약 10 lm/W의 효율이 보고되었으며, 이후 효율이 급속히 개선되어 현재 100 lm/W

이상의 백색 OLED가 보고되고 있다. 미국의 DOE (Department of Energy)는 150 lm/W의 효율을 2015년 달성

목표로 제시하고 있다. 백색 OLED의 효율이 형광등의 효율을 넘어섬에 따라 주요 조명회사는 백색 OLED 조명

시험 생산을 위한 투자를 진행하고 있으며 대량 생산 계획 또한 발표하고 있다.

[그림 6] 연도에 따른 백색 OLED 전력 효율 향상

백색 OLED 조명의 상용화를 위해선 전력효율, 면적당 휘도, 수명, 연색지수, 색온도, 색좌표, 가격 등이 중요한

기술 사양이며, 이를 위한 핵심 기술로 대면적화 기술, 소자 및 소재 기술, 패키징 기술, 등기구 관련 기술 및

구동 기술 등이 필요한 것으로 알려져 있다 (그림 7). 다음 주에는 이러한 백색 OLED 조명 핵심 기술에 대하여

살펴보겠다.

[그림 7] OLED 조명 기술 사양 및 핵심 기술

OLED 조명 기술 현황 및 전망 (2)

순천향대학교 디스플레이신소재공학과

문 대 규

1. 백색 OLED 조명 핵심 기술

지난 주에 OLED 기술의 발전방향 및 OLED의 중요한 기술 분야인 디스플레이와 조명 기술의 차이점에 대하여

살펴보았으며, 조명용 백색 OLED의 특징 및 기술발전 현황 등에 대하여 살펴보았다. 이번 주에는 백색 OLED

조명 핵심 기술에 대하여 살펴보겠다.

OLED 내에서 발생한 빛은 양극과 음극의 어느 한쪽을 통하여 바깥으로 방출된다. 일반적으로는 투명한 도전체인

ITO를 양극으로 이용하여 소자 내에서 생성된 빛이 ITO를 통과하여 방출되도록 한다. ITO는 가시광선 영역에서

광투과도가 80~90% 이상으로 좋지만 전기비저항이 10-4 Ωcm이상으로 큰 단점이 있다. 따라서 ITO를 양극으로

사용할 경우 전극에서 멀어질수록 전압강하가 심하게 일어난다 (그림 1).

[그림 1] OLED에서 전류 및 휘도 공간 분포 (Siemens, 2005)

따라서 ITO의 면적이 클 경우, 즉 대면적 면광원을 제조할 경우 전압강하에 의해 휘도가 불균일해진다. 이러한

휘도 불균일을 감소시키기 위해 타일 구조 및 보조배선전극을 형성하는 구조가 일반적으로 이용되고 있다. (그림

2). 타일 구조는 필요시 광원 서브 모듈을 교체할 수 있는 구조로 주로 개발되고 있다. 보조배선의 구조는 면광원

서브 모듈 혹은 면광원 대형화에 중요하지만 제조 공정을 복잡하게 한다. 주요 조명 관련 기업은 다양한 보조

배선 구조를 제안하고 있으며, 보조 배선 공정을 단순화하기 위한 연구개발 또한 활발히 진행되고 있다.

[그림 2] 타일 구조의 OLED 면광원 및 보조배선 구조 예시 (GE)

2005년 미국의 DOE (Department of Energy)는 백색 OLED 조명의 효율 향상을 위해 효율을 감소시키는 요인을

분석하고 각 효율 손실을 최소하기 위한 개발 전략을 마련하였다 (그림 3). 2005년 OLED 조명 기기의 전체

효율은 약 4%였다. OLED 조명은 구동회로 및 OLED 소자 및 등기구로 구성되어 있다. 2005년 OLED 조명

구동회로에 의한 손실은 약 15%였으며, OLED 소자로 인한 효율 손실은 약 94%였고, 등기구에 의한 손실은 약

30%였다. 따라서 OLED 소자가 OLED 조명 기기의 효율에 결정적인 역할을 하였다. OLED 소자의 효율은 전극에

의한 저항손실 (resistive loss), 내부양자효율 (Internal Quantum efficiency), 광추출효율 (Extraction efficiency), 전력효율

(Power efficiency) 및 광산란에 의해 결정된다. 특히, 형광 OLED는 내부 양자 효율이 25%로 낮고, OLED의 광추출

효율 또한 30%로 낮기 때문에 OLED 소자의 효율이 6%로 제한되었다. DOE는 이러한 분석을 바탕으로 OLED

조명 구동 효율을 90%로, OLED 소자 효율을 70%로, 등기구 효율을 90%로 개발 목표를 설정하였다. 특히, OLED

소자의 내부 양자 효율을 100%로, 광추출 효율을 80%로, 전력변환효율을 80%로 개발 목표를 설정하였다.

인광 OLED를 통하여 OLED 소자의 내부 양자 효율 목표는 이미 달성되고 있다. 인광 OLED는 내부 양자효율이

100%로 높아 형광 OLED에 비해 효율이 4배 높다. 청색 인광재료와 녹색, 적색 인광재료를 사용하여 백색 인광

OLED를 구현한다. 이러한 인광재료를 이용하여 내부양자효율이 100%에 가까운 백색 소자가 발표되고 있다.

하지만 이러한 발전에도 불구하고 청색 인광재료로 주로 사용되는 FIrpic, FIr6 등의 수명이 짧은 단점이 있어

이러한 단점을 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

[그림 3] 백색 OLED 조명에서 효율 분석 및 효율 목표 설정 (US DOE, 2005)

청색 인광 재료의 짧은 수명을 보완하기 위해 새로운 재료의 개발, 하이브리드 백색 OLED 개발 등이 진행되고

있다. 표 1에서 보는 것처럼 FIrpic은 수명이 짧으나 새로운 청색 재료는 300 cd/m2의 초기 휘도에서 약 16000

시간을 보이고 있다. 이 재료는 1000 cd/m2에서 약 10,000 시간의 수명을 보여 백색 OLED 조명의 가능성을

높이고 있다.

[표 1] 청색인광재료에 따른 특성 (Konica Minolta, 2008)

새로운 청색인광재료의 개발과 더불어 하이브리드 백색 OLED 소자 개발 또한 활발히 진행되고 있다. 하이브리드

백색 OLED는 청색 형광재료를 이용하는 기술로, 청색 형광재료와 적색, 녹색 인광 재료를 혼합하여 사용하면

내부양자효율 100%의 구현이 가능함과 동시에 청색 형광재료의 수명이 긴 장점을 이용할 수 있다 (그림 4). 청색

형광재료는 이미 디스플레이에 상용화되어 사용되고 있으므로 이러한 하이브리드 백색 OLED를 이용하면 상용화

수준의 백색 OLED 조명이 가능하다.

[그림 4] 하이브리드 백색 OLED 및 발광 스펙트럼 (Princeton Univ. 2006)

그림 3에서 설명한 바와 같이 광추출효율은 OLED 소자의 효율에 결정적인 영향을 미친다. OLED는 유리기판

위에 양극인 ITO, 유기재료, 음극인 금속으로 구성되기 때문에 유기재료 내에서 생성된 빛은 금속에서 반사되기도

하며, ITO 및 유리기판을 통과할 때 굴절되며 광손실이 생긴다. 유기물 내에서 생성된 빛이 소자 밖으로

빠져나오는 비율은 20~30%로 알려져 있다 (그림 3). 따라서 광추출효율을 개선하기 많은 노력이 진행되고 있다.

광추출효율은 유기물 및 ITO의 두께 등에 영향을 받으므로 OLED 소자 구조를 개선하여 광추출효율을

개선하려는 연구, 마이크로 렌즈 혹은 표면 굴곡 등을 통하여 광추출효율을 개선하려는 연구 (그림 5)등 다양한

방향으로 연구개발이 진행되고 있다.

[그림 5] 마이크로 렌즈를 통한 OLED 광추출 효율 향상 (OLLA, 2005)

OLED 조명은 디스플레이와 달리 정면으로 향하는 빛과 측면으로 향하는 빛을 모두 이용할 수 있다 (그림 6). 그

일례로 그림 6에서와 같이 측면으로 향하는 빛을 등기구를 통하여 앞으로 향하게 할 수 있다. 따라서 광효율

향상을 위한 등기구 설계는 OLED 조명 효율 향상에 중요한 기술이 된다. 등기구 설계와 더불어 OLED 조명

구동기술 또한 중요한 기술로 인식되고 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 OLED 조명은 타일 형태로 제작되기

때문에 타일 서브 모듈 구동기술, 각 서브모듈 휘도 균일도 향상 기술 등과 같은 기술이 있다.

[그림 5] 등기구를 이용한 백색 OLED 조명 효율 향상

오스람, 필립스, GE와 같은 주요 조명회사는 대면적 기술, 백색 OLED 소자 기술, 등기구 기술, 구동기술 등의

OLED 조명 기술을 개발하고 있다. 또한 미국, 유럽 및 일본 정부는 OLED 조명 상용화를 위한 로드맵을 마련하여

OLED 조명 조기 상용화를 위한 각종 지원 정책을 시행하고 있다. 다음 주에는 각국의 현황, 세계 주요 조명

기업의 연구개발 및 상용화 계획에 대하여 살펴보겠다.

OLED 조명 기술 현황 및 전망 (3)

순천향대학교 디스플레이신소재공학과

문 대 규

1. 국가별 OLED 조명 프로젝트 현황

지난 주에는 백색 OLED 조명의 핵심기술인 대면적화 기술, OLED 소재 및 소자 기술, 외광효율 향상기술, 등기구

기술 등에 대하여 살펴보았다. 이번 주에는 국가별 OLED 조명 연구개발 현황에 대하여 살펴보겠다.

OLED 조명은 미국, 유럽, 일본의 선진국을 중심으로 연구개발이 진행되고 있다. 일반 조명 업체인 필립스,

오스람, GE 등이 연구개발을 주도하고 있다. 미국은 DOE (Department of Energy)의 적극적인 지원 하에서 Solid State

Lighting 프로젝트를 통하여 OLED 조명을 개발하고 있다. 1999년부터 시작하였으며 2020년까지 200 lm/W 이상의

효율을 목표로 연구개발을 진행하고 있다. 주요 목표는 휘도 1000 cd/m2에서 20,000 시간 이상의 수명 및 200

lm/W 이상의 전력효율을 갖는 OLED 조명을 개발하는 것으로 되어 있으며, 오스람 및 GE 등의 주요 조명회사 및

UDC (Universal Display Corporation) 등의 OLED 재료/소자 기업도 같이 참여하고 있다.

[그림 1] 미국, 유럽, 일본 및 한국의 OLED 조명 관련 프로젝트 (생산기술원, 2009)

유럽은 2004년부터 OLED 조명 프로젝트를 시작하여 1단계 프로젝트인 OLLA (Organic LEDs for ICT & Lighting

Applications) 프로젝트를 마치고 후속 프로젝트로 OLED100 프로젝트를 진행하고 있다. OLED100 프로젝트는

2013년 8월까지 진행될 예정에 있으며 120 lm/W, 1000 cd/m2의 휘도에서 수명 50,000 시간을 목표로 하고 있으며,

1m x 1m의 면적에서 100 lm/W의 효율 및 수명 100,000시간, 가격 100 유로 및 측정 표준화를 생산기술 개발

목표로 설정하고 있다. OLED100 프로젝트에는 필립스, 오스람, 지멘스 등의 대형 조명 회사가 참여하고 있다.

일본은 2004년부터 NEDO 주관으로 21세기 조명 프로젝트를 진행하고 있다. 21세기 조명 프로젝트는 2011년까지

1m x 1m 크기의 조명, tact time 1분을 목표로 진행하고 있으며, 미쓰비시, IMES 등이 참여하고 있다.

우리나라는 2006년부터 지식경제부 지원으로 OLED 조명 프로젝트를 진행하고 있으며, 생산기술원을 중심으로

2013년 효율 100 lm/W 달성을 목표로 프로젝트를 진행하고 있다. 1단계를 마치고 현재 2단계를 진행하고 있다.

LG전자 등이 프로젝트에 참여하고 있으며 최근에는 ETRI를 중심으로 SMD 등이 참여하는 별도의 OLED 조명

프로젝트를 시작하였다.

2. OLED 조명 개발 목표 및 마일스톤

미국 및 유럽의 조명 개발 프로젝트에는 수명, 연색지수, 전력효율, 구동전압, 가격 등에 대한 마일스톤이

제시되어 있다. 미국은 2017년까지 수명 20,000 시간, 연색지수 98, 전력효율 100 lm/W 이상, 구동전압 4 V 등의

마일스톤을 제시하고 있으며, 유럽은 2013년까지 수명 50,000시간 (실용화 100,000 시간), 연색지수 90, 전력효율

120 lm/W (실용화 100 lm/W) 등의 마일스톤을 제시하고 있다.

[표] 미국 및 유럽의 OLED 조명 개발 목표 및 마일스톤

3. OLED 조명 개발 현황

대표적인 조명업체인 GE는 2000년 초반부터 OLED 조명 기술을 개발하기 시작하여 초기의 약 5 lm/W 이하의

효율을 발표하였다. GE는 2005년 15 lm/W의 효율을 갖는 61 cm x 61 cm의 면조명을 발표하였으며, 2008년에는

Flexible OLED 조명을 발표하였다. GE는 청색 OLED 및 Down Conversion Layer를 이용하여 백색을 구현하는

방식을 개발하였다. GE는 2010~2011년 경에 OLED 조명 양산을 목표로 하고 있다.

[그림 2] GE의 OLED 조명 연구개발 현황 (생산기술원, 2009)

유럽의 대표적인 업체인 필립스는 OLED 조명 개발에 가장 적극적이다. 필립스는 OLLA 프로젝트를 주도하며

고분자 및 저분자를 이용하는 다양한 방식의 OLED 조명을 개발하여 왔다. 그 일례로 필립스는 형광 OLED를

이용하고 녹색 및 적색 인광 OLED를 이용하여 백색을 구현하는 하이브리드 방식을 개발하여 발표하였으며,

마이크로렌즈 등을 이용하여 전체 효율 50~80 lm/W를 구현하고 있으며, 최근 투명 백색 OLED를 개발하여

발표하였다. 필립스는 2010년 조명 시제품 생산을 목표로 하고 있다.

[그림 2] 필립스의 OLED 조명 연구개발 현황

미국의 UDC는 조명 프로젝트를 통하여 102 lm/W의 백색 OLED 조명 기술을 개발하여 발표하였다. UDC는

자사의 인광 청색, 녹색, 적색 도판트를 이용하였다. 인광 적색 도판트를 정공수송층에 도핑하고, 인광 청색 및

녹색 도판트를 발광층에 도핑하는 구조를 이용하였다. 개발된 백색 OLED의 연색지수는 70, 색좌표는 (0.41, 0.46)

혹은 (0.48, 0.46) 이었으며, 소자의 색온도는 3900 및 2800 K로 백열등의 특성과 유사하였다. 소자의 효율은 1000

cd/m2에서 100 lm/W 이상을 나타내었으며, 구동전압은 3.5V였다.

[그림 3] UDC의 백색 OLED 특성 (UDC, 2008)

독일의 Novaled는 자사의 pin OLED 기술을 이용하여 백색 OLED를 개발하고 있다. 2008년에 35 lm/W의 효율을

갖는 Stack 구조의 백색 OLED를 발표하였다. Novaled는 소자의 수명을 100,000 시간으로 예측하고 있다.

[그림 4] Novaled에서 개발한 스택 구조 백색 OLED (Novaled, 2008)

일본의 파나소닉은 청색 형광층을 이용하고 적색 및 백색 인광 재료를 이용하여 연색지수 85, 색좌표 (0.38, 0.40),

효율 28 lm/W, 수명 20,000 시간의 백색 OLED를 개발하였으며 이를 이용하여 밑의 그림과 같은 OLED 램프를

제작하여 전시하였다.

[그림 5] 일본 파나소닉에서 개발한 OLED 조명 (파나소닉, 2008)/span>

이밖에도 오스람이 OLED 조명 연구개발을 활발히 진행중에 있으며, 2011~2012년 경에 OLED 조명 양산을

계획하고 있으며, 일본의 Lumiotec 및 코니카 미놀타 또한 2011년 경에 OLED 조명 양산을 계획하고 있다.

우리나라 또한 최근에 OLED 조명 연구개발이 활발해지고 있다. SMD는 PMOLED 라인을 이용하여 OLED 조명을

개발하고 있으며 네오뷰코오롱 또한 PMOLED 라인을 이용하여 OLED 조명을 개발하고 있다. 국내의 조명 업체인

금호전기 또한 OLED 조명 개발에 참여하고 있다.

4. 결론

최근 녹색성장 및 에너지 산업의 신성장동력화가 가속되며 조명산업 또한 기존의 가스조명을 바탕으로 한

전통산업에서 고체조명을 바탕으로 한 신성장동력산업으로 진보하고 있다. 특히, OLED 조명은 OLED가 가진

풍부한 장점으로 인하여 멀지 않은 미래에 성장동력산업으로 자리를 잡을 것으로 기대된다. 최근 들어 백색

OLED의 효율 및 수명이 상용화가 가능한 수준으로 급격히 향상됨에 따라 제조가격이 가장 중요한 이슈가 되고

있다. OLED 조명의 본격 양산을 준비하기 위한 다양한 저가격 생산기술 개발 노력이 필요한 때이다.