제2의 반도체 산업, LED·OLED

■ 기술 정의 및 분류
유/무기 발광소재 기술은 주로 LED (Light-emitting Diode) 및 OLED (Organic Light-emitting Diode)에 사용되는 유/무기 소재 기술을 의미한다. OLED는 빛을 내는 소재로서 유기 발광소재를 적용하고 있으며, LED는 무기 발광소재를 적용하고 있다.

OLED에 적용되는 유기소재는 적용 용도에 따라 정공주입소재·정공수송소재·발광소재·전자수송소재로 구분될 수 있으며, 발광소재는 적색·녹색·청색 발광소재로 구분된다.

LED에 적용되는 무기소재는 발광하는 색에 따라 적색·녹색·청색·자외선 발광소재로 구분된다.

■환경변화-디스플레이 시장의 변화
최근 휴대폰 시장은 스마트폰으로 급격히 변화하고 있으며, 스마트폰 시장에서 OLED가 기존에 사용되던 LCD에 비해 우수한 화질과 터치 특성을 가지고 있다. 따라서 소형 디스플레이 시장에서 OLED에 대한 수요가 지속적으로 증가하면서 OLED에 사용되는 유기 발광소재에 대한 수요도 기하급수적으로 증가하고 있는 상황이다.

기존의 LCD는 백라이트로 형광램프를 사용하였으나, 장수명·고효율의 특성을 갖는 LED로 대체됨에 따라 LED 수요가 급격히 증가하고 있다. 대형 LCD TV 뿐 아니라 노트북 등의 중형 디스플레이도 LED를 백라이트로 사용함에 따라 LED 시장이 팽창하고 있으며, 이에 따라 무기 발광소재에 대한 수요도 증대되고 있다.

▲ ▲유/무기 발광소재 - 기술 분류. ▲유/무기 발광소재 - 기술 분류

■환경변화-조명 시장의 변화
현재까지 조명은 형광등·백열등·할로겐 등과 같은 기체 등이 주로 사용되어져 왔으나, 수은 등의 환경 문제 및 전력 소모 등의 문제로 인해 세계 각국은 기존 조명을 LED와 OLED로 대체하고 있다.

LED와 OLED는 고체 조명으로서 친환경적인 특징을 가지고 있으며, 효율 측면에서 기존의 조명에 비해 매우 우수한 장점을 가지고 있다. 이러한 장점으로 인해 유럽과 미국을 중심으로 LED와 OLED를 조명으로 적용하고자 하는 노력이 진행돼 왔다. 유럽 일부 국가는 이미 에너지 소모가 큰 백열등에 대한 규제를 시행하고 있다.

국내에서도 2013년까지 백열등 조명을 LED와 OLED 조명으로 대체하려고 하고 있으며, 지식경제부에서는 이러한 정책을 집중적으로 추진하고 있다. 이에 따라 향후 LED와 OLED에 적용되는 유/무기 발광소재에 대한 수요는 크게 증가할 것으로 예상된다.

■LED 및 OLED 시장 진입
LED는 조명과 디스플레이의 백라이트 분야에 적용이 본격화되고 있고, OLED는 소형 디스플레이를 통해 시장에 진입하고 있다. 따라서 시장에서의 경쟁력을 확보하기 위해 고효율 LED 및 OLED 소자에 대한 요구가 증대하고 있다.

LED 및 OLED 소자의 특성은 각각 무기 및 유기 발광소재에 의해 결정되므로 고효율 소자 개발을 위해서는 우수한 발광특성을 갖는 발광소재의 개발이 필수적으로 요구된다.

■새로운 응용 분야 창출
현재 LED는 주로 백라이트로 OLED는 소형 디스플레이로 적용되고 있으나, 향후 LED는 조명 등의 응용 분야로 다각화할 것으로 예상되며 OLED는 플렉시블 디스플레이·대형 TV·조명 분야로 응용 분야가 확대될 것으로 기대되고 있다. 따라서 이에 대응하기 위해서는 각 응용 분야에 적합한 새로운 유/무기 발광소재의 개발이 필요하다.

■유/무기 소재 국산화
LED와 OLED에서 발광소재를 이용한 소자에 대한 기술은 국내에 많이 확보돼 있으나 소자의 기초가 되는 발광소재에 대한 기술은 선진국에 비해 뒤쳐지고 있다. 따라서 소재에 대한 국산화 기술 개발이 절실하다. 특히 LED의 경우 소재에 대한 국내 기술이 매우 취약한 상황이므로 소재에 대한 해외 의존도를 줄이기 위해서는 소재의 국산화 기술이 절실히 요구된다. OLED의 발광소재의 경우 국내의 패널 생산 업체와 소재 업체 사이의 긴밀한 협력으로 국산화가 많이 진행돼 왔으나 향후 시장에서의 지배력과 경쟁력을 확보하기 위해서는 국산화율을 보다 높여야 한다.

LED, LCD TV BLU 빠르게 대체

OLED, 스마트폰 D/P로 급성장

▲ ▲LED의 발광 메카니즘 모식도. ▲LED의 발광 메카니즘 모식도

■LED 작동원리
LED는 일반적으로 양극과 음극 사이에 p(positive)형과 n(negative)형의 반도체를 접합시킨 구조로 이루어져 있다. 외부전압 인가 시 각각 정공과 전자가 p형과 n형 반도체를 통해 접합부로 이동해 정공과 전자의 재결합에 의해 발광이 일어나게 된다. 접합부에서 전자는 여기 상태(Excite state)인 전도대(Conduction Band)에 위치하게 되며, 정공(Hole)은 기저 상태(Ground State)인 가전도대(Valence Band)에 위치하게 된다. 여기 상태인 전도대에 존재하는 전자는 기저상태인 가전도대에 존재하는 정공과 결합해 여기 상태의 전자가 기저 상태로 전이하면서 에너지를 빛으로 방출하게 된다. LED의 작동 메카니즘을 아래의 그림에 나타냈다.

사용하는 p형과 n형 소재에 따라 방출하는 빛의 에너지가 달라지게 되며 이에 의하여 발광 파장 및 색특성이 달라지게 된다. p형 및 n형 소재은 모두 화합물 반도체 소재로 이루어져 있으며 주기율표상의 III족과 V족의 화합물로 주로 구성되어 있다. 일반적으로 널리 사용되는 소재를 아래의 그림에서 주기율표를 이용해 나타냈다.

LED에서는 발광 효율을 높이기 위해 일반적으로 접합부 구조를 전자와 정공을 속박할 수 있는 양자 우물 구조로 구성하는 것이 일반적이다.

▲ ▲LED에 적용되는 반도체 소재의 주요 구성 성분. ▲LED에 적용되는 반도체 소재의 주요 구성 성분

■OLED 작동원리
OLED는 양극과 음극 사이에 발광소재를 포함하는 구조로 이루어져 있으며 두 전극과 발광소재 사이에 정공과 전자의 이동을 보조하는 보조층이 추가적으로 포함돼 있는 구조로 이루어져 있다. 양극과 발광소재 사이에는 전극으로부터 발광층으로 정공의 이동을 돕는 정공주입층 및 정공수송층이 추가적으로 사용되며, 음극과 발광소재 사이에는 전극으로부터 발광층으로 전자의 이동을 돕는 전자수송층이 사용되게 된다.

두 전극에 전압을 인가하면 정공은 양극으로부터 정공주입층 및 정공수송층의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)를 통해 발광층의 HOMO로 이동하게 되며, 전자는 음극으로부터 전자수송층의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)을 통하여 발광층의 LUMO로 이동하게 된다. 발광층으로 주입된 전자는 정공과 재결합해 엑시톤(Exciton)을 형성하게 되고, LUMO의 전자가 HOMO로 전이하면서 에너지를 빛으로 방출하게 된다. 사용하는 발광 소재의 종류에 따라서 방출하는 빛에 에너지가 달라지게 되며, 이에 따라 발광 파장과 색특성이 달라지게 된다. 아래의 그림은 OLED의 발광 메카니즘을 보여준다.

▲ ▲OLED의 발광 메카니즘 모식도. ▲OLED의 발광 메카니즘 모식도

OLED에서 우수한 특성을 얻기 위해서는 발광층으로 주입되는 정공과 전자의 균형을 조절하는 것이 중요하다. 이를 위해 OLED 소자에 사용되는 유기소재의 HOMO 및 LUMO 에너지 준위를 조절해야 한다.

양극과 음극 두 전극 중 하나는 투명한 전극 구조로 이루어져야 한다. 투명 양극전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)가 가장 널리 적용되고 있으며, 반사 음극전극으로는 LiF/Al 전극이 가장 널리 적용되고 있다. 투명 음극 전극으로 가장 널리 사용되는 전극은 Mg:Ag의 합금으로 구성된 전극이다.

일반적으로 투명 양극을 적용할 경우를 배면발광소자로 하며, 투명 음극을 적용할 경우 전면발광소자라고 한다. 전면발광소자와 배면발광소자의 차이점은 아래 표에 정리돼 있다.

■LED 및 OLED 시스템 성장성
LED는 저소비전력 및 장수명 등의 장점으로 인해 다양한 전자기기의 디스플레이로 사용되고 있다. 초기에는 단순한 용도인 전자기기의 동작표시등이나 옥내 용도로 사용됐으나 고휘도의 LED가 개발되면서 옥외용 디스플레이 및 경기장의 스크린과 같은 대형 디스플레이에도 적용되기 시작하였다. 최근에는 높은 휘도의 장점으로 인해 자동차의 후미등·방향 지시등·신호등 등에 적용되기 시작했으며 다양한 용도의 안내판에도 적용되고 있다.

특히 최근에는 기존의 LCD 디스플레이에 적용되던 형광 램프에 비해 우수한 색특성·저소비전력·장수명 등의 장점을 가진 LED가 LCD 백라이트를 대체하기 시작했으며 가로등 및 일반 조명으로도 사용이 확대되고 있다. 현재 LED는 성장 초기 단계에 있으며 향후 그 수요가 기하급수적으로 증가할 것으로 기대되고 있다. 특히 각국에서 기존 조명의 대체 조명으로 LED를 실용화하고자 하는 정책을 추진하고 있으므로 향후 성장 속도는 매우 빠를 것으로 예상되고 있다.

OLED는 단순한 구조 및 우수한 색 특성 등의 장점으로 인해 디스플레이 시장을 중심으로 성장하여 왔다. 초기에는 단순 디스플레이가 주로 개발됐으나 최근에는 소형 중심의 고해상도 디스플레이가 개발돼 시판되고 있다.

현재 제품화돼 판매되고 있는 것은 주로 소형 중심의 디스플레이지만 기술 개발이 빠르게 진행돼 곧 중형 및 대형 TV 시장까지 잠식할 수 있을 것으로 예상되고 있다. 한편 OLED는 디스플레이 시장을 중심으로 성장했지만 향후에는 LED와 함께 기존 조명 시장을 대체하는 차세대 조명으로 발전 가능성이 매우 크다.

따라서 현재 태동기에 있는 OLED 시장은 초기에는 디스플레이를 중심으로 성장할 것으로 예상되나 점진적으로 조명 분야로 확대할 것으로 예측되고 있다.

LED, OLED 소재 의존성 높아

전 세계, 우수한 소재 선점 경쟁

▲ ▲배면발광소자와 전면발광소자의 비교. ▲배면발광소자와 전면발광소자의 비교

■LED 및 OLED 시스템에서 소재의 역할과 위상
LED의 소자 특성은 소자에 적용되는 소재 및 소자 구조에 의해 결정된다. 특히 LED에 적용되는 무기 반도체 소재의 종류에 따라 발광 효율·수명·색 특성 등이 좌우된다.

LED 시스템은 청색을 구현할 수 있는 GaN계 반도체 화합물 개발과 함께 급격히 성장할 정도로 LED에 있어서 소재의 중요도는 크다고 할 수 있다. 현재 GaN과 관련된 소재 기술을 보유하고 있는 회사들이 LED 시장에서 지배적인 위치를 선점하고 있다. 따라서 기존 소재를 개선하거나 대체할 수 있는 소재 기술을 확보할 경우 시장에서 우위를 점할 수 있다.

OLED는 무기 반도체 화합물을 사용하는 LED에 비해 유기 반도체 화합물을 사용하고 있으며, p형과 n형의 단순 소재 조합으로 구성되는 LED에 비하여 발광층·정공주입층·정공수송층·전자수송층 등의 다양한 소재들을 요구하기 때문에 여러 가지 소재가 사용되고 있다.

OLED 소자의 특성은 소자 구조에도 의존하지만 근본적으로 소재에 대한 의존성이 크므로 우수한 특성을 가진 소재의 확보가 우수한 소자의 특성으로 연결되는 특징을 가진다. 여러 유기 반도체 소재 중 발광층 소재가 색특성·효율 등의 측면에서 가장 중요한 위치를 차지하고 있다. 또한 그 이외의 다른 소재들의 특성도 뒷받침돼야 하므로 전하수송층 소재의 특성도 중요하다.

또한 유기반도체층 소재와 함께 최근 널리 사용되고 있는 전면발광소자에서 전극의 특성이 소자 특성에 미치는 영향이 크므로 이에 대한 중요성도 커지고 있다. 특히 전극 소재 중 투명 또는 반투명 음극 전극이 중요하며 높은 투과도를 구현할 수 있는 새로운 음극 전극 개발이 진행되고 있다.

이와 같이 LED 및 OLED는 다른 소자에 비해 특정 소재에 대한 의존성이 큰 제품이므로 세계 각국은 우수한 특성을 가진 소재를 선점하기 위한 기술 개발을 중점적으로 추진하고 있다.