5. OLED의 역사 (1) - 최초의 OLED

 

 

지난번 포스팅에서 OLED가 무엇을 말하는지에 대해 배워보았고, 이번 시간에는 OLED가 발전해온 발전사에 대하여 포스팅하도록 하겠습니다. 

 

OLED도 나름 30년 정도의 역사를 갖는 장치임에도 일반소비자들이 제품으로 만난시간은 얼마 되지 않습니다. 시제품 개념의 제품을 제외하면 2009년의 햅틱 아몰레드를 통해 본격적으로 대량 생산되어 시장 점유율을 높여가고 있습니다.

 

세상 모든 기술과 공학기기들은 하루아침에 어느 한명의 천재가 의도한대로 제작되는 것이 아닌 수년 혹은 수세기에 걸친 기술의 누적과 각기 다른 분야의 기술의 융합으로 태어나는 경우가 많습니다.

 

OLED도 마찬가지로 누군가가 '유기물을 사용하여 빛을 내는 장치를 만들어야겠다!'라고 선언하며 단기간에 제작된 장치가 아닙니다. 그러면 어떠한 사건들이 시간적흐름에 따라 일어나서 OLED라는 장치의 탄생에 기여하였는지 대표적인 사건 및 논문 발표 등을 살펴보도록 하겠습니다. (고분자 OLED는 포함하지 않고 저분자 OLED에 대해서만 정리해보록 하겠습니다.)

 

1. 1965년 : 안트라센(Anthracene) 단결정에서 발광현상 발견 (RCA社, W.Helfirich, et al.)

2. 1982년 : 안트라센 박막을 진공증착을 통해 제작하여 발광소자 제작 (제록스社, PS Vincett, et al.)

3. 1987년 : Alq3(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminium)과 diamine을 사용한 다층 박막 발광소자 제작 (코닥社 C.W.Tang, et al.)

4. 1989년 : Alq3와 DCM(dicyanomethylene-4H-pyran) 도핑기술을 활용한 발광소자 효율 증가 (코닥社, C.W.Tang, et al.)

5. 1997년 : LiF 박막을 유기막과 전극 사이에 삽입하여 효율증가 (코닥社, C.W. Tang, et al.)

6. 1997년 : 차량용 오디오에 적용된 최초의 PM-OLED 패널 탑재 제품 출시 (파이오니아社)

7. 1999년 : 인광발광체를 사용한 인광소자 제작 (프린스턴大, Stephen R. Forrest)

8. 2003년 : 최초의 AM-OLED 패널 적용 제품 출시 (SKD社)

9. 2003년 : Tandem 구조 OLED 개념 최초 도입 (야마가타大, Junji Kido)

10. 2005년 : TADF(Thermal Activated Delayed Florescent) 소자 제작 (규슈大, Chihaya Adachi)

11. 2015년 : Hyper Fluorescence 소자 제작 (규슈大, Chihaya Adachi)

 

위 11개 사건들이 OLED 발전에 있어서 중요한 터닝포인트가 되었고, 몇몇 사건들의 없었다면 OLED라는 장치 존재가 없었을 수도 있었을 중요한 사건들도 포함되어 있습니다. 이러한 사건들이 시발점이 되어 OLED 연구의 가속화를 불러오게 되었습니다.

 

11개 사건들이 모두 중요하지만 그 중에서도 주황색으로 강조한 3, 4, 7, 9번 사건이 OLED의 개념과 효용성에 대해 연구자들에게 가장 큰 아이디어로 작용된 사건이라 할 수 있습니다.

 

그럼 각 사건들이 OLED 발전에 어떠한 기여를 했는지 정리해보겠습니다.

 

 

3. 1987년 : Alq3와 diamine을 사용한 다층 박막 발광소자 제작

 

OLED 논문이나 역사소개에 절대로!! 빠지지 않고 등장하는 사건으로 현재의 OLED의 가능성을 처음 제시해준 사건이었습니다. 이 논문이 최초의 OLED 소자라고 모두들 인정하고있습니다. 이보다 전에 1965년과 1982년에 이미 유기물인 안트라센 결정에서 발광현상을 발견한 사건들이 있었는데, 유기물로 발광하였으니 이것들이 최초의 OLED 소자가 아니더냐?? 라고 물을 수도 있습니다. 그러나 그렇지 못하다는 것을 미리 말씀드리며 왜그런지 알아봅시다.

 

만약 우리가 라이트 형제보다 먼저 태어나서 종이비행기를 만들어 라이트 형제 뒤통수에 비행기를 계속 날리며 장난치며 놀아다고 칩시다. 우리는 '인공 구조물로도 충분히 비행이 가능하다는 것을 보여주었다!'라며 우리가 최초로 비행기를 발명했다고 말할 수 있을까요?? 조금 힘들지 않을까 싶습니다.

 

위에 간단한 예시만 놓고 보면 새가 아닌 인공구조물이 날을수 있다는 현상을 발견한것은 라이트 형제에게 큰 영감을 주었을 수는 있었겠지만 이것만으로 우리는 사람이 타고 날을 수 있는 최초의 비행기를 만들었다고 말하기는 어려운 사실이 됩니다. 이렇듯 유기물에서 전기적 발광현상을 발견한것은 OLED가 개발되는데 중요한 단초 역할을 한것이 맞지만 OLED 소자를 최초로 제작했다고 말하기에는 거리가 있는것 입니다.

 

그럼 왜 Tang박사가 발표한 이 논문의 실험이 최초의 OLED로 인정 받고 아직도 그가 이 분야의 개척자로써 중요한 인물이 될 수 있었을까요?? 이 이유는 간단합니다. 그가 제작한 발광 소자가 현대의 OLED의 기본적 요구사항을 모두 갖추고 있고, 비교적 저전압에서 높은 휘도를 보여 주었기 때문에 최초의 OLED로 인정 받을 수 있었습니다.

 

 

 

<사진1. 최초의 OLED소자 구조 단면도(왼쪽)와 평면도(오른쪽)>

 

 

위 사진1은 최초의 OLED 소자구조를 단면과 평면으로 나타낸 사진입니다. Tang박사가 제작한 이 구조의 발광소자는 위에서 언급한대로 현대의 OLED 소자의 모든것을 갖추고 있습니다. 소자를 지탱해줄 기판이 될 유리기판 위에 ITO(Indium Tin Oxide)라고 불리우는 인듐주석 합금 박막을 투명전극으로 사용하였습니다.

 

ITO는 얇게 증착하면 투명한 광학적 특성 외에도 전기저항이 낮은 전극으로써의 성질도 갖고 있기 때문에 아직까지도 투명전극으로 LCD, OLED등 디스플레이 분야에서 빠지지 않고 사용중입니다. 특히 ITO는 전극으로써 일함수(나중에 자세히 배우게 될 겁니다.)가 정공을 주입하기에 알맞은 수준을 갖고 있기 때문에 정공을 주입하기 위한 양극으로 사용합니다.

 

 

 

<사진2. diamine 분자구조(왼쪽)과 Alq3 분자구조(오른쪽)>

 

 

ITO위에 diamine이라 불리는 유기물질을 정공수송층의 역할을 하도록 증착하고, 발광층 및 전자수송층역할을 동시에 할 수 있는 Alq3를 증착한 다음 마지막으로 마그네슘과 은을 동시 증착한 Mg:Ag 합금을 증착하여 전자를 주입하기 위한 음극으로 사용합니다.

 

사진1. 오른쪽에서 보는 것과 같이 ITO와 Mg:Ag가 십자가 모양으로 겹치게 만들어 각 각의 전극의 끝부분에 전압을 걸어주면 두 전극이 겹치는 면적에서 위아래로 전자와 정공이 주입되며 두 전극 사이에 끼어있는 유기물에서 발광이 일어나게 됩니다.

 

이러한 방법으로 Tang은 지난번 포스팅 (4. OLED란 (2) - 발광원리) 에서 알려드린것과 같이 OLED의 성립조건 다섯가지를 모두 만족하는 OLED 소자를 최초로 제작한 인물이 됩니다.

 

     *OLED 5가지 조건

 

1. 박막(nm단위 두께의 얇은 막)의 유기물로 이루어져 있다.

2. 다층(multi layer)로 구성되어 있다.

3. 양극과 음극이 전극을 구성하고 있다.

4. 직류 전원을 인가하면 양극으로는 정공이, 음극으로는 전자가 주입된다.

5. 주입된 전자, 정공이 만나서 빛을 발광한다.