LED 및 OLED 소재분야별 기술개발동향

■LED 소재
LED에 사용되는 소재는 크게 기판 소재와 무기 화합물 반도체 소재로 나눌 수 있다. 또한 무기 화합물 반도체 소재는 발광하는 파장에 따라서 적색 소재·녹색 소재·청색 소재·자외선 소재 등으로 구분할 수 있다.

◇기판 소재
LED는 높은 휘도(일정한 넓이를 가진 광원 또는 빛의 반사체 표면의 밝기를 나타내는 양)와 효율을 구현해야 하므로 발광소재뿐 아니라 기판 소재의 특성도 중요한 역할을 한다. 현재 LED는 단결정 기판위에 성장되고 있으며 단결정 기판에 따라 기판 위에 형성되는 무기 반도체 박막의 특성이 결정된다. 따라서 기판은 기판 위에 형성되는 무기 반도체 발광소재와 동일한 결정격자 구조를 갖는 것이 바람직하며 현재 다양한 기판 소재들이 개발되고 있다.

LED용 단결정 기판으로는 사파이어(Al₂O₃)가 가장 널리 사용되고 있으며 GaN를 이용한 청색 LED 소자에 주로 사용되고 있다. 사파이어는 화학적 안정성이 우수하고 융점이 높아 고온 증착에도 안정적이며 저가 생산이 가능한 특징을 가지고 있다. 그러나 사파이어 기판은 GaN와 격자 구조가 불일치하는 문제점으로 인해 소자 특성이 저하되고, 이로 인해 고휘도 구현을 위한 LED 소자에는 적용이 어렵다. 현재 2인치 공정이 적용 중이며 향후 4인치 및 6인치 공정이 적용될 것으로 예상된다.

ZnO 기판은 최근에 활발히 연구되고 있는 기판 소재로서 단결정 제조가 용이하며 제조 단가가 낮은 장점을 가지고 있다. ZnO를 기반으로 하는 백색 LED가 개발될 경우 발광소재인 ZnO와 격자 구조가 동일해 우수한 효율을 갖는 LED를 제조할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 3인치급의 기판이 개발돼 있다.

GaN 기판은 LED 소재로서 널리 적용되고 있는 GaN와 동일한 격자 구조를 가지고 있기 때문에 고효율 구현이 가능한 장점을 가지고 있다. 그러나 제조 공정에서 기존 사파이어에 비해 양산이 어렵다는 단점이 있기 때문에 양산 제조 공정을 확보하기 위한 개발이 진행되고 있다.

SiC 기판은 GaN 등과 격자 불일치가 적고 열적인 특성이 우수한 장점을 가지고 있으며 GaN 박막 성장을 위한 기판으로 개발되고 있다. 현재 미국에서 제품화돼 생산되고 있다.

◇무기 반도체 발광소재
무기 반도체 소재는 LED의 발광 특성을 좌우하는 가장 중요한 소재이며 각 반도체 소재별로 발광파장이 다르기 때문에 발광 파장에 따라 다양한 소재가 적용되고 있다. 적색 LED에서는 주로 GaP·AlGaAs·GaAsP·InGaAlP 계열의 반도체 소재가 적용되고 있으며, 녹색 및 청색 LED에서는 InGaN, 자외선 LED에서는 GaN·InAlGaN 계열의 소재들이 사용되고 있다.
발광 파장은 반도체에 첨가되는 불순물의 종류에 따라 달라지는 특징을 가지고 있으므로 첨가되는 불순물을 이용해 반도체 소재의 파장을 조절한다. 여러 가지 무기반도체 소재별 특징은 아래 표에 정리했다.

▲ ▲여러 가지 무기반도체 발광소재. ▲여러 가지 무기반도체 발광소재

                 발광소재가 가장 중요한 핵심

                고효율, 장수명 소재 개발 관건



■OLED 소재
OLED 소재는 크게 발광소재·정공주입층 소재·정공수송층 소재·전자수송층 소재 등으로 구분될 수 있다. 발광소재은 발광 메카니즘에 따라 형광 발광소재와 인광 발광소재로 구분될 수 있다. 발광소재의 현황은 아래 표에 정리했다.

▲ ▲유기 발광소재의 특성 수준 . ▲유기 발광소재의 특성 수준

◇발광소재
발광소재는 인광 발광소재와 형광 발광소재로 구분될 수 있으며 적색·녹색·청색에 대해 각각 형광 발광소재과 인광 발광소재가 개발되고 있다. 초기 제품에서는 적색·녹색·청색에 모두 형광소재를 적용했으나 현재는 적색 형광소재는 인광소재로 대체돼 사용되고 있으며 녹색의 경우에도 기존의 형광소재는 인광소재로 대체될 것으로 예측되고 있다.

인광 발광소재의 경우 형광 발광소재에 비해 이론적으로 4배가 높은 효율을 구현할 수 있는 장점으로 인해 기존의 형광소재를 대체하기 위한 소재로 개발되고 있다. 그러나 높은 효율의 장점에도 불구하고 수명 특성이 저하되는 문제점으로 인해 상용화는 적색만 진행되고 있는 상황이다. 그러나 현재 수명 특성이 지속적으로 개선되고 있으므로 인광 발광소재는 녹색에도 적용될 것으로 예상되며 장기적으로는 청색 발광소재도 기존의 형광소재에서 인광소재로 대체될 것으로 기대된다.

인광소재는 기존 구조가 유기금속화합물로 구성되어 있으며 현재 제품화되어 있는 소재들은 금속으로서 이리듐(Ir)을 포함하는 유기금속 화합물이 사용되고 있다. 이 외에도 백금(Pt) 계열의 화합물이 알려져 있으나 수명 및 효율 특성이 저하되는 문제점을 가지고 있다.

◇전하 수송층
정공주입층·정공수송층·전자수송층 소재는 전하수송층 소재로 통합하여 나타낼 수 있으며, 정공주입층·정공수송층 소재는 발광층으로 정공을 주입하는 역할을 하고 전자수송층 소재는 발광층으로 전자를 주입하는 역할을 한다. 정공주입층·정공수송층 소재로서는 방향족 아민 계열의 소재들이 주로 사용되고 있으며, 전자수송층 소재로서는 전자를 당기는 특성을 갖는 기능기들을 포함한 방향족 화합물들이 사용되고 있다.

전하수송층 소재들은 소자의 수명·효율·구동전압 특성을 좌우하는 역할을 하며, 특히 수명·구동전압에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 현재 사용되고 있는 전하수송층 소재에 비하여 낮은 구동전압을 구현할 수 있는 소재를 통하여 소비전력을 개선해야 하며 수명 측면에서 개선할 수 있는 전하수송층 소재의 개발이 필요하다.

특히 최근 인광 발광소재가 적용되면서 전하수송층 소재는 기존의 전하수송의 역할뿐 아니라 엑시톤 소멸 방지층의 역할도 해야 한다. 따라서 최근의 전하수송층 소재 개발은 엑시톤 소멸을 방지하면서 고효율·저전압·장수명의 특성을 구현할 수 있는 방향으로 진행되고 있다.

■LED 및 OLED 소재기술개발의 핵심 이슈
◇고효율
LED 소재개발에 있어서 가장 중요한 과제는 고효율의 무기반도체 화합물 개발과 이에 적합한 기판 소재를 개발하는 것이다. LED의 적용영역이 LCD TV 등의 백라이트 및 조명 등 고휘도·고효율을 요구하는 분야로 확장돼감에 따라, 고휘도·고효율 구현이 가능한 LED의 개발이 중요한 이슈가 되고 있다. 이를 위해서는 고효율 구현이 가능한 무기 반도체 화합물의 개발과 무기 반도체 화합물의 발광 특성을 최적화할 수 있는 기판 소재의 개발이 병행돼야 한다.

OLED의 경우 현재 디스플레이로서 널리 적용되고 있는 LCD와 경쟁해야 하며, 이를 위해서는 고효율 OLED 소자의 개발이 필수적이다. 이를 위해 고효율 인광 발광소재의 지속적인 개발이 필요하며, 특히 현재 상용화돼 있지 않은 녹색 및 청색 인광 발광소재의 개발이 절실히 요구된다.

◇장수명
LED 소자의 고휘도 적용이 확대됨에 따라 고휘도에서 장시간 안정적으로 구동될 수 있도록 수명 특성을 확보하는 것이 중요하다. 이를 위해서 현재 LED에 비해 수명 특성이 개선된 장수명 LED 소자의 개발이 요구된다. 특히, 청색과 백색 LED 소자에서 장수명화가 필요하다.

상대적으로 안정성이 우수한 LED에 비해 유기물을 사용하는 OLED는 장시간 구동에 따른 안정성이 저하되는 문제점이 있으므로 이를 해결할 수 있는 장수명 유기 발광소재의 확보가 요구된다. OLED의 적용 분야가 기존의 소형 디스플레이에서 중형 디스플레이·대형 TV·일반 조명으로 확대됨에 따라 장수명 소자의 개발이 더욱 더 중요하다. 대형 TV 및 일반 조명은 기존의 소형 디스플레이에 비해 사용 시간이 길고, 높은 휘도에서 구동되는 특징이 있으므로 현재의 OLED 수명 수준을 대폭 개선할 수 있는 장수명 소재 및 소자의 개발이 요구된다.