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OLED 디스플레이에서 ‘도펀트(dopant)’란 OLED 발광을 돕는 물질로, 호스트(host)와 함께 ‘유기발광층(EML)’을 구성하는 발광 재료입니다. OLED는 패널에 전류를 흘렸을 때, 양극(+)과 음극(-)에서 발생한 정공(+)과 전자(-)가 발광층(EML)에 도달해 서로 결합을 하면서 빛을 발생시키는 원리입니다. 정공과 전자의 결합 과정을 통해 높은 에너지를 가진 ‘엑시톤(Exciton)’ 상태가 형성되는데, 이때 엑시톤의 높은 에너지 상태가 다시 안정화 상태로 내려가면서 그 에너지 차이만큼이 빛의 형태로 방출되는 것입니다. 빛이 생성되는 발광층(EML)은 크게 호스트(host)와 도펀트(dopant)로 이루어져 있으며, 호스트는 발광층 안으로 들어온 전자와 정공이 서로 잘 만나 결합할 수 있도록 하는 역할 즉, 엑시톤을 효율적으로 생성시키도록 돕는 역할을 하고, 도펀트는 이렇게 생성된 엑시톤 에너지를 전달받아 효율적으로 발광하게 됩니다. OLED 발광 매커니즘은 크게 형광 방식과 인광 방식으로 나뉘는데, 먼저 형광 방식은 ‘호스트가 정공/전자 결합에 따라 발생한 엑시톤 에너지를 흡수’하고, 특정 파장대에서 빛을 내는(호스트 발광) 현상을 이용합니다. 이때 호스트에 의해 발생한 빛이 도펀트에 전달되면 도펀트는 이 빛에너지를 다시 흡수해 도펀트에서 발광이 일어나게 하는 것입니다. 이를 Foster 방식이라고 부릅니다. 두 번째로 인광 방식은 Dexter 방식이라고 부르며, Foster 방식과 달리 빛 에너지를 전달받아 도펀트 발광을 만드는 것이 아니라, 호스트에서 직접 정공 또는 전자가 도판트로 이동해(에너지 전이) 도펀트가 발광을 일으키게 하는 것입니다. 유기발광층(EML)을 호스트와 도펀트로 구성하는 복합 발광 시스템은 과거 OLED 발명 초기 시절의 단일 유기물 발광 방식에…

OLED 디스플레이에서 ‘호스트(host)’란 OLED 패널 내부에서 실제로 빛을 생성하는 ‘유기발광층(EML)’의 구성 요소입니다. OLED 패널의 양극과 음극에서 발생한 정공(+)과 전자(-)는 발광층(EML)에 도달하면 서로 결합을 합니다. 이 두 요소의 결합 과정을 통해 높은 에너지를 가진 ‘엑시톤(Exciton)’ 상태가 형성됩니다. 이때 엑시톤의 높은 에너지 상태가 다시 상대적으로 에너지가 낮은 안정화 상태로 내려가면서 그 에너지 차이만큼이 빛의 형태로 방출됩니다. 발광층(EML)에 있는 호스트(host)는 발광층 안으로 들어온 전자와 정공이 서로 잘 만나 결합할 수 있도록 하는 역할 즉, 엑시톤을 효율적으로 생성시키도록 돕는 역할을 합니다. 호스트는 안트라센(Anthracene) 등의 유기물 성분으로 구성되며, 일반적으로 발광 효율을 높이는 도펀트(dopant)와 함께 쓰입니다. 이러한 호스트/도펀트 복합 발광 시스템은 과거 OLED 발명 초기 시절의 단일 유기물 발광 시스템에 비해 색순도와 발광효율이 높아 현재 대부분의 OLED 디스플레이에 사용되고 있습니다.

초형광(HF: Hyper Fluorescence)이란 OLED 발광 방식으로 연구되는 최신 기술 중 하나입니다. 초형광(HF) 방식은 디스플레이 용어알기 74편에서 다룬 TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence, 열 활성화 지연 형광) 방식과 유사합니다. TADF와 마찬가지로, 아래 그림의 ‘삼중항 엑시톤’ 3개를 ‘단일항 엑시톤’이 있는 위치로 이동시킨 후, 전자를 아래로 떨어뜨려 발광시키는 점에서 비슷합니다. * 엑시톤 : 전자와 정공이 약하게 결합된 쌍. 엑시톤의 에너지가 줄어들면, 줄어든 에너지 만큼 빛의 형태로 방출 된다. TADF 방식은 이미 내부 양자 효율 100%라는 이론적 한계 효율은 달성했으나 상대적으로 전통적 방식인 ‘형광’에 비해 안정성이 낮은 특징이 있습니다. 초형광(HF) 방식은 일반 형광 방식을 TADF에 도입하면서도 내부 양자 효율은 100%에 도달하도록 하기 위해 탄생했습니다. 초형광은 OLED의 기본적 재료 구성인 호스트(Host), 도펀트(Dopant)에 TADF도펀트까지 추가해 유기 발광층에 동시 증착시키는 방식입니다. * 호스트(Host) : OLED 발광체로 에너지를 전달하는 매개 물질* 도펀트(Dopant) : OLED 발광체 이러한 방법을 통해 위 그림과 같이 ‘도펀트 S1’이라는 추가적인 에너지 준위를 만들어낼 수 있고, 이때 상부의 S1에서 내려오는 에너지 준입자인 ‘엑시톤’들이 ‘도펀트 S1’을 거치면서 ‘형광’의 원리로 빛을 냅니다. 초형광 역시 TADF와 마찬가지로 발광층에 필요한 재료 연구가 계속 이루어지고 있습니다.

TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence)란 OLED 발광 방식으로 연구되는 기술 가운데 하나로, ‘열 활성화 지연 형광’이라고도 부릅니다. 현재 사용되는 OLED의 주요 발광 방식인 형광(Fluorescence)의 경우 소자 안정성은 높지만 발광 효율(내부 양자 효율 기준 25%)이 낮다는 이론적 한계가 있습니다. 반면 내부 양자 효율을 100%까지 높일 수 있는 인광(Phosphorescence)의 경우 현재 R, G, B 가운데 적색(R)과 녹색(G)에만 적용되었으며, 백금계 희귀 금속(희토류) 사용으로 인해 재료비 상승이라는 단점이 있습니다. 반면, 최근 주목받고 있는 TADF는 백금계 희귀 금속을 사용하지 않더라도 내부 양자 효율을 100%까지 높일 수 있는 장점이 있습니다. TADF는 형광의 발광 방식에 특별한 요소를 추가해 발광 효율을 극대화하는 방식입니다. 먼저 형광 방식을 살펴보면, 유기 발광 소자에 에너지를 주입함으로써 해당 소자의 전자를 ‘에너지가 많은 상태(들뜬 상태)’로 만든 후, 전자가 다시 ‘에너지가 적은 상태(바닥 상태)’로 내려오면서 빛을 방출하는 원리입니다. 마치 운석이 우주에서 지구로 떨어질 때 빛을 뿜어내는 것을 상상하면 개념적 이해가 수월합니다. 그런데 전자를 들뜨게 하기 위해서 소자에 에너지를 주입할 때 빛을 낼 수 있는 입자는 위 그림처럼 모두 4개가 생성됩니다. 이를 ‘엑시톤(exciton)’이라고 부릅니다. 그런데 4개 가운데 1개는 형광으로 빛을 낼 수 있는 입자(단일항)이고, 나머지 3개는 빛을 내지 못하고 열 또는 진동으로 소멸되는 입자(삼중항)입니다. 따라서 형광 방식으로는 엑시톤 4개 중 1개만 발광 입자로 사용하게 돼, 결과적으로 전체 입자의…

인광(Phosphorescence)이란 형광(Fluorescence)과 더불어 OLED 디스플레이에서 사용하는 대표적인 발광(Luminescence) 방식 중 하나입니다. 발광이란 발광 물질 속의 전자가 높은 에너지 상태(들뜬 상태, excited)에서 낮은 에너지 상태(바닥 상태, ground)로 변화할 때, 감소한 에너지가 빛의 형태로 방출되는 현상입니다. 인광을 알기 위해서는 먼저 형광 발광 방식에 대한 이해가 필요합니다. 형광이란 바닥 상태의 발광 물질에 에너지를 주입해 해당 물질의 전자를 ‘들뜬 상태’로 만든 후, 짧은 시간에 다시 전자가 안정적인 ‘바닥 상태’로 변할 때 방출되는 빛을 디스플레이의 발광원으로 활용하는 방식으로, 위 그림과 같이 S1에서 S0으로 에너지 준위가 낮아지는 만큼의 에너지량이 빛의 형태로 방출됩니다. 하지만 형광 방식은 발광 에너지의 25%인 단일항 여기자(singlet exciton)만 활용되고, 75%를 차지하는 삼중항 여기자(triplet exciton)는 활용하지 못해 내부 양자효율이 25% 수준에 머물기 때문에 보다 효율적인 발광을 위해 인광 방식이 개발되었습니다. 인광 방식은 형광 방식에서 열·진동으로 버려지는 나머지 75%의 에너지를 활용하는 원리입니다. 이리듐(Ir) 및 백금(Pt) 착화합물과 같이 무겁고 큰 금속을 포함한 발광체는 일반 유기물에 비해 전자가 존재할 수 있는 영역인 오비탈(전자의 확률 분포 공간)의 크기가 매우 커지게 됩니다. 이에 전자가 중심원소로부터의 영향을 적게 받게 되고, 일반 형광 발광체에서는 빛으로 나오지 못하던 삼중항 여기자(triplet exciton)와 단일항 여기자(singlet exciton)의 구분이 희미해지게 됩니다. 이에, S1의 들뜬 상태에서 형광으로 발생되어야 할 에너지를 T1이라는 상태로 이동시킬…

형광(Fluorescence)이란 OLED 디스플레이에서 사용하는 대표적인 발광(Luminescence) 방식 중 하나입니다. 발광이란 발광 물질 속의 전자가 높은 에너지 상태(들뜬 상태, excited)에서 낮은 에너지 상태(바닥 상태, ground)로 변화할 때, 감소한 에너지가 빛의 형태로 방출되는 현상입니다. 위 그림과 같이 전자가 바깥쪽 궤도에서 안쪽으로 이동할 경우에는 자체 보유 에너지가 줄어들면서 물질이 안정화 되며, 이때 남는 에너지는 빛과 같은 형태로 방출됩니다. 반대로 전자가 외부의 에너지를 흡수해 들뜨게 되면 바깥쪽 궤도로 상승하게 되는 원리입니다. OLED에서는 이러한 발광 원리를 활용해 ‘형광’이라는 방식을 사용합니다. 형광은 바닥 상태의 발광 물질에 에너지를 주입해 ‘들뜬 상태’로 만든 후, 짧은 시간에 다시 전자가 안정적인 ‘바닥 상태’로 변할 때 방출되는 빛을 디스플레이의 발광원으로 활용하는 방식으로, 위 그림과 같이 S1에서 S0으로 에너지 준위가 내려오는 만큼의 에너지에 매칭되는 파장의 빛이 방출됩니다. 형광’ 방식은 OLED 발광 방식 중 가장 먼저 개발되었지만 낮은 내부 양자 효율(25%) 때문에 발광 효율이 낮은 한계가 있어, 내부 양자 효율이 최대 100%에 도달할 수 있는 발광 방식인 ‘인광(Phosphorescence)’, ‘지연형광(TADF)’을 활용한 연구 개발도 지속적으로 이루어지고 있습니다.

스퍼터링(Sputtering)이란 디스플레이에서 TFT를 만들 때 금속으로 구성된 층을 형성하기 위한 공정 중 하나로, ‘물리적 기상 증착(PVD)’의 한 종류입니다. 디스플레이의 TFT에는 전자가 이동할 수 있도록 얇고 가는 금속성 물질의 배선이 필요한데, 스퍼터링을 통해서 배선의 기반이 되는 막을 형성(성막)하고, 이후 포토공정(Photolithography)을 통해 막에서 배선이 되는 부분 이외의 영역을 깎아내 최종적인 배선을 만들 수 있습니다. 스퍼터링은 우선 증착이 이루어질 챔버 안에 TFT기판과 증착할 금속성 물질을 투입하며 시작합니다. 이어서 챔버를 진공상태로 만든 후 낮은 압력의 아르곤 가스를 챔버 내부에 주입한 후, 증착할 물질에 마이너스(-) 전압을 가하면 TFT기판(양극)과 증착물질(음극) 사이에 전기장이 형성되고 이 전기장에 노출된 아르곤(Ar) 가스는 Ar+로 이온화되면서 챔버 내부에는 플라스마(Plasma)가 발생합니다. 양극으로 이온화 된 아르곤(Ar+) 입자는 음극(증착물질)과 충돌하게 되며, 충돌 당한 증착물질의 입자는 표면에서 튕겨나와 양극인 TFT기판에 달라붙게 됩니다. 이 과정을 통해 TFT기판에 원하는 금속성 물질을 얇게 성막(박막)할 수 있습니다.

디스플레이에서 ELA는 LTPS 전자 회로층을 만들기 위해 주로 사용하는 레이저 공정입니다. ELA 공정을 이용해 a-Si(Amorphous Silicon, 비정질실리콘) TFT를 LTPS(Low Temperature Poly Silicon, 저온폴리실리콘) TFT로 전환하면 TFT의 성능을 상당히 높일 수 있습니다. ※ TFT(Thin Film Transistor, 박막트랜지스터): 디스플레이에서 R, G, B 색상의 빛을 내기 위해 각 픽셀을 조절하는 실리콘 기반 전자 회로 LTPS는 실리콘의 구성 형태가 전통적인 TFT인 a-Si보다 질서정연하기 때문에 전자가 쉽게 회로에서 이동할 수 있습니다. a-Si이 구불구불하고 차로가 좁은 비포장도로라면, LTPS는 차로가 많은 고속도로에 비유할 수 있습니다. 전자 이동도가 높으면 그만큼 전력과 데이터의 이동이 수월하기 때문에 LTPS는 고해상도, 슬림베젤, 저소비전력 디스플레이 구현에 상당히 유리합니다. LTPS는 a-Si을 엑시머 레이저로 가공해 만듭니다. 위 그림과 같이 레이저가 a-Si 층에 조사되면서 움직이면, 해당 영역이 질서 정연한 바둑판 같은 입자 구성을 갖게 되는데, 이를 ELA(Excimer Laser Annealing) 공정이라 부릅니다. 그림과 같이 레이저 에너지를 받은 무질서한 배열의 a-Si는 왼쪽의 Poly-Si(LTPS)과 같이 결정화 되면서 단결정 형태의 실리콘 군집을 형성하며 TFT의 성능을 상당히 높게 증가시킵니다.

오픈마스크(Open Mask, OM)는 OLED 디스플레이 제조 시 특정 위치에만 증착이 되도록 하는 얇은 판을 의미합니다. 디스플레이 제조 과정에서 백플레인 (Backplane)이 완료된 후 그 위에 발광층을 형성하기 위한 증착공정에서 사용됩니다. 증착공정에서 활용하는 마스크에는 OM과 FMM(Fine Metal Mask)이 있으며 OM은 디스플레이 전면을 증착하기 위해 디스플레이가 작동하는 범위 내에 가림 부위가 없는 개방(Open)된 마스크입니다. 발광층을 한 가지 색깔의 발광물질로 증착하거나 EIL, HTL 등의 층을 증착할 때에도 활용합니다. 반면, FMM은 구현하는 발광층의 Sub-pixel에 색깔을 달리하기 위해 사용하며 초미세 홀(Hole)을 가지고 있습니다. 여러 단계의 증착과정을 진행해야 하므로 정확한 정렬이 필요하여 OM만을 활용하는 기술보다 난도가 높다고 할 수 있습니다. OLED 디스플레이 발광층을 OM을 활용하여 증착된 경우 한 색깔만을 낼 수 있게 되므로 색구현을 위해 컬러필터(Color Filter, C/F)와 같은 별도의 층을 두어야 합니다. 이와 다르게 FMM을 활용하여 RGB 발광층이 만들어진 경우에는 C/F가 필요하지 않습니다. 즉, Sub-pixel에 FMM을 활용하는 기술이 난도가 높긴 하지만 OM을 활용한 방식 대비 빛을 차단하는 필터가 없어지므로 빛 효율이 좋다고 할 수 있습니다. OM 소재로는 금속을 활용합니다. 증착공정은 고온 환경에서 진행되어 온도변화에 따른 열팽창이 발생하며 화소 사이에 정렬이 틀어질 수 있습니다. 이러한 이유로 열팽창을 최소화할 수 있는 특수 금속이 적극 활용됩니다. 마스크를 제조하는 대표적인 방법으로는 금속판을 포토/에칭 기술을 활용하는 법, 레이져 가공법 및 기계적인 절삭법이 있습니다.

PDL(Pixel Define Layer)이란 OLED 패널에서 유기물발광층(EML)의 각 서브픽셀(Sub-Pixel)이 서로 간섭하지 않도록 구분해 주는 역할을 하는 층(Layer)입니다. OLED 패널은 Red, Green, Blue 색(빛)을 내는 유기 발광물질을 이용해 색상을 표현하는데, 각각의 R, G, B 서브픽셀은 증착(Evaporation)이라는 공정을 거쳐 만들어집니다. PDL은 유기 발광물질 증착이 이루어지기 전에 각 서브픽셀의 증착 영역 이 외의 부분에 성막됩니다. 즉, 서브픽셀이 되는 유기 발광물질들이 들어갈 부분을 비워두고 형성합니다. ▲ OLED 패널 단면도. PDL이 유기물발광층(EML)을 감싸고 있다. PDL은 PI(Poly Imide) 물질을 이용하며, 노광(Exposure)이라는 공정(TFT 제작에 사용되는 포토리소그래피의 일부)을 통해 패널에 형성합니다. PDL이 성막되지 않은 구역 즉, 서브픽셀 구역이 정의(Define) 되면 증착된 유기물들은 하단의 전극(Anode)와 만나 전기적 신호에 의해 빛을 내게 됩니다. PDL은 서브픽셀 전극의 전기적 합선 등을 방지하고, 증착 시 유기물들이 영역을 넘어 섞이지 않도록 하는 역할을 합니다.