시스 유기전압 저감대책? <유기·무기 EL 기술> 저분자형 풀컬러 OLED 기술

>;유기·무기 EL 기술<; 저분자형 풀컬러 OLED 기술 >;유기·무기EL기술<;저분자형풀컬러OLED기술Source:Monthly‘DISPLAY’September2005,TechnoTimesofJapan후지전기어드밴스트텍(주)사쿠라이케냐(櫻井建彌)1.풀컬러(Fullcolor)OLED향후기술전망풀컬러(Fullcolor)OLED는기대되지만당초의시나리오보다시장전개가상당히지연되고있다.현재까지출시된제품은소형(3인치이하),PM(PassiveMatrix,단순행렬)구동,멀티컬러에머물고있고주요응용제품은휴대폰의서브디스플레이,MP3,카오디오등이다.지연되고있는기본적인원인은OLED의풀컬러화기술에있다.아울러AM(ActiveMatrix,능동행렬)구동용으로TFT등의과제가잠재하고있는점도크다.OLED용TFT의문제는성능도그렇지만비용면에서도큰장벽으로되어있다.OLED의풀컬러화기술은3색RGB의분별도포방식을주체로개발되어있는데실제로풀컬러생산에있어서는이용률,수명등의문제가잠재하고있어풀컬러화기술을검토하기시작했다.RGB방식의중대한결점인메탈마스크방식에서벗어나백색+CF방식으로급속히전환되기시작했다.그러나백색+CF방식에있어서는백색발광스펙트럼을CF로컷하기때문에원래의백색발광효율이나스펙트럼이RGB의효율이나밸런스를크게바꾸게된다.이상적인3파장을효율적으로발광할수있다면이상적이나그리간단하지가않다.그러나고휘도,장수명,높은이용률OLED풀컬러화기술과AM구동을실현하는합리적인비용의TFT기술이실현될경우에는풀컬러OLED의특징을크게발휘할수있어예전의FPD를차별화할수있을것으로기대된다.감동적인아름다운화상그리고궁극적인얇기에대한기대가점점높아져수명.휘도.비용문제를극복한다면시장에급속히침투될것이다.디지털방송개시를배경으로고화질의수요도순풍을타게될것이다.본고에서는풀컬러화기술을비교하여고발광효율화특히최근화제가되고있는백색+CF와우리가초점을두고있는색변조방식을비교하여살펴보기로한다.그리고색변조방식을베이스로풀컬러OLED의향후기술전망을이야기한다.2.풀컬러화기술비교주요풀컬러화기술은>;그림1<;에나타내는바와같이3색RGB분별도포법,백색+CF법,색변환법,백색+CF+MC(μ캐버티),LITI(LaserInducedThermalImaging)그리고고분자를베이스로한IJP법,인쇄법등을열거할수있다.고분자에대해서는풀컬러화의실현을전망하기가어려운상황이므로여기서는언급하지않기로한다.RGB방식은고효율이기대되는방법이기는하나그유기재료의성능(RGB의성능이나밸런스)및제조설비의혁신(기판사이즈,정세도,결함밀도제어)에강하게의존하는방법이다.양산화에가까워짐에따라그과제가나타나고있으며그기술포텐셜에대한과제도부각되고있다.메탈마스크기술에돌파구가찾아올지여기에달려있다고말할수있다.이와같은배경하에메탈마스크프리인풀컬러화기술로서백색+CF법이급부상하였다.그러나백색발광스펙트럼을CF로단순하게컷하여RGB를발광시키므로백색효율과그스펙트럼에크게의존하게된다.이상적인3파장을만들어내는것은그리쉬운일이아니고게다가고효율을아울러갖기도어렵다.청색과황색,적색을합쳐서백색발광시키는2층발광층을가진구조가많다.휘도의존성이나휘도열화후의컬러시프트문제점을개선하는것은매우중요한안건이다.백색+CF의경우에는색좌표,NTSC비와효율과의사이에강한트레이드오프(Tradeoff)가존재한다.이것을혁신하기위해색변환법(ColorConversionMaterials:CCM법)이존재한다.그러나CM법에도과제는있다.비교적낮은적색의변환효율,적색CCM재료의열화로인한효율저하,부가되는CCM공정등의이용률,품질,제조원가에미치는영향은어떨까?각각의특징을살리면서혁신적인기술의도래를기다리고있다.구별적용이가능한가?아니면주된기술로통일되는가?현재로서는누구도분명하게말할수없다.3.풀컬러OLED의기본과제와대응기본적인과제를열거하면다음과같다.①짧은수명과낮은휘도;수명과휘도사이에강한트레이드오프관계성립(RGB재료의효율,수명의불균형)②높은결함밀도와초(超)박막의손상(Breakdown)으로인한이용률저하③RGB3색분별도포법의한계(이용률,수명,기판사이즈,정세도)④AM구동OLED의실현;고성능으로합리적인비용의TFT실현이러한점들을해결하기위해다양한컨셉의기술이발표되고있다.발광효율의메커니즘은>;그림2<;에나타내는바와같다.그내용을보면높은발광효율화기술,장수명재료,디바이스기술,저(低)전력화기술개발에의한고휘도,장수명의실현,메탈마스크프리에의한풀컬러화기술개발,결함(파티클,요철(凹凸))밀도의저감,OLED의고성능화와TFT의비용,성능개선기술등이다.현재위의내용들을실현하기위한연구개발이활발하게이루어지고있다.특히효율을개선하는방법은내부양자효율의향상과광추출효율의향상이키포인트이다.내부양자효율의향상에있어서는인광재료의적용및추출효율의향상에대해다양한아이디어가제안되어있다.그리고풀컬러화를실현하기위한현실적인방법으로서메탈마스크프리백색+CF법이각광을받고있다.구동기술도중요하다.AM구동을실현해야OLED의특징을크게발휘할수있고휘도,수명,소비전력도대폭개선되기때문이다.그러나TFT의문제는뿌리가깊다.LTPS-TFT와a-SiTFT가있는데각각장단점이있다.최근의동향을보면TOP-Em타입의AM구동구조를적용하는경우가많아졌는데이것은개구율을확보하기가쉬워졌기때문이다.아울러인광디바이스적용등으로인한고효율화도비용효율이높은a-SiTFT의적용가능성을크게하고있다.그러나a-SiTFT에는임계전압시프트의문제가존재한다.구동법등으로써극복하려는노력이이루어지고있지만아직결정적인방법은나오고있지않다.(1)인광재료의적용가장주목을받고있는것은고효율을위한인광재료의적용이다.지금까지형광발광재료를적용한OLED의외부양자발광효율은5%정도에서한계에이르고있다.이것은형광재료의내부양자효율상한25%와추출효율25%를가정했을경우이다.전자정공(Hole;양전하)이각각의전극에서주입되고수송층을통해발광층에도달하여어떤분자에서재결합을일으켜여기자(Exciton)가생성된다.이때전자와정공의스핀조합에는4가지의고유상태가존재하는데일중항여기자와삼중항여기자가1:3의비율로생성된다.인광재료를사용하면삼중항상태에서발광이가능해져75~100%로큰폭의여기자생성효율향상을기대할수있다.현실적으로는Ir계(이리듐착체)재료를사용함으로써녹색에서19%,적색에서7%의외부양자효율이발표되어있다.고효율을얻으려면호스트재료의선택이중요하다.게스트분자보다도큰삼중항에너지를가진것이가둠측면에서불가피하다.가둠효과나내구성,바이폴러캐리어(Bipolarcarrier)수송성등의측면에서는CBP가호스트재료로서검토되고있다.그리고재결합사이트로되어있는계면부근,즉발광층과접하는전자,정공수송층의삼중항준위에도주의한다.인광OLED의수명에관해서는체계적인해석이진행되고있다고말하기는어려운상황이나몇가지보고된예가있다.예를들면녹색인광소자는그불순물(Dopant)의농도와관련하여그농도에최적치가존재한다.요컨대효율은어느정도저하되지만수명은크게개선된다.그리고홀블로킹층(BCP)을대신하는보다안정적인재료도개발되었다.녹색인광재료는1,000cd/㎡에서휘도반감3,000h를초과하는레벨에도달하였다.적색에서도마찬가지의대책이실시되어수명이개선되었다고보고되었다.하지만재료의고(高)순도화,저비용화,호스트,게스트재료의개발,그리고청색재료의개발등아직도극복해야할과제가많다.>;표1<;에서는최근발표된발광재료의효율과수명을나타낸다.수명에대해서는조건이다르기때문에비교하기가매우어렵다.적색,녹색인광재료는형광재료에비해수명시간이수분의1이다.그리고효율에대해서도AM구동점과PM구동점으로나누어나타낼필요가있어일괄적으로1포인트수치만으로비교하기는곤란하다.비교시의표준조건을정할필요가있다.(2)백색발광+CF법앞에서말한바와같이메탈마스크프리를지향한움직임으로서백색+CF로전환되고있다.여기서백색발광을베이스로한CF법과색변환법을비교해보기로한다.>;그림3<;에나타내는바와같이CF법과CCM법에서는색균형과효율면에서큰차이가존재한다.색변환으로증폭된적색강도가올라가기때문에NTSC비와효율모두를개선할수있다.색변환법에의해색균형및발광효율의개선을실현할수있다.이것들은풀컬러화의중요한조건이다.이상적균형을취한백색발광의3파장을실현하기란매우어렵다.백색발광을실현하기위한많은디바이스,재료컨셉이발표되었지만수명,효율및색도안정성에있어서아직이상과는거리가먼레벨에있다.발광층을다층구조로함으로써백색을얻는것이현실화되고있다.다층으로하면할수록그색도안정성을실현하기가어려워지는이것은색도의전류의존성,휘도열화후의색도변화등이현저해지기때문이다.4.색변환법의도달점과향후의기술돌파(Breakthrough)풀컬러OLED를합리적인비용으로실현하는점과장래의기술포텐셜을고려했을경우에는메탈마스크프리가기본적인요건일것이다.그중에서우리는색변환방식에초점을두어기술개발을추진했다.본방식은메탈마스크프리이어서유기막증착은비교적간단하나색변환층등의공정,즉후막(厚膜)레지스트공정등이추가된다.이것은평탄화,가스배리어층등을새로요구하고또다른기술포인트가요구된다.우리가색변조방식을선택한배경에는증착장치와유기재료가있으면누구나할수있는기술이아니라는점에있고또풀컬러화기술이검토되기시작한점도승산(勝算)이있다고판단했다.(1)색변환방식특유의과제와주요대응색변환방식의과제와그대응에대해>;표2<;에정리하여나타낸다.표에서줄친아이템은이미어느레벨로디바이스에적용되고있다.아울러수명을개선하려면구동시의패널온도상승을가능한한낮추는것이매우중요하다.적색발광효율에있어서는CCMR의변환효율을개선하기위해매트릭스와색소재료에서검토했더니수명과효율모두개선되었다.그리고공정중의농도,플라즈마손상등으로유기CCM막의열화를적극방지하는신(新)프로세스를개발함으로써효율이개선되었다.또한적색으로의변환효율을개선하기위해EL발광에적색성분을포함시켜투과광으로적색강도를보조(Assist)하는것도실시되고있다.CF,CCM층공정에영향을끼치는것은단차나CF,CCM에포함되는가스성분의확산,그리고평탄화층이나보호막형성시의파티클,요철,핀홀등의문제이다.이러한문제들은이용률저감,다크스폿(Darkspot)발생의주원인이된다.평탄하고파티클밀도가적을것,핀홀이없는평탄화,보호막층의신재료,신프로세스개발이무엇보다도중요하다.핵심기술은저온가스배리어막형성기술이다.(2)도핑(Doping)기술이것은구동전압저감,즉에너지효율을어떻게향상시키는가를의미한다.양(兩)전극에서의배리어높이그리고유기막중의전압하강을어떻게줄이는가하는것이다.유기막의고(高)이동도화를실현하기는어렵다.한편도너,억셉터도핑에의한고(高)전도도화는공(共)증착에의해실현될가능성이높다.하지만그불순물의안정성은의미깊게검토되어야한다.억셉터불순물(Acceptordopant)로는루이스산,할로겐화물,유기화합물의F4-TCNQ등을들수있고또도너도핑으로는알칼리금속의Li,Cs,알칼리토류금속이나기타금속및유기화합물등이있다.이불순물들은호스트재료중에서이동(Migration)하기쉬워수송층중에서이동하고그것이가라앉는작용을하여발광효율이현저히떨어지는일이있다.특히Li등은이동하기쉽다.그러나그정도는호스트재료에의존한다는사실을알았다.보다안전하고조작하기쉬운안정된불순물재료와호스트를조합한개발을기다리고있는중이다.도핑기술에의해구동전압을7~8V저감할수있다(PM구동100cd/㎡에있어서).이것은패널온도상승을10℃정도나저하하여PM구동수명을배증(倍增)시키는등의큰효과가기대된다.그리고유기막을후막화할수있어절연파괴확률을대폭줄여이용률개선에크게기여할것으로기대된다.이러한기술개발에의해실현된풀컬러OLED의레벨은PM구동OLED에서휘도가가장높은1DIN사이즈에서180cd/㎡을실현한다.더나아가서는3.4인치사이즈의PM구동에서150cd/㎡,100ppi를실현했다.(3)도달점과기술돌파위에설명한기술개발에의해풀컬러CCMOLED의성능과품질이크게향상되었다.>;그림4<;에나타내는3.4인치PM구동OLED는열거한새로운기술개발및적용에의해실현되었다.대체로적색3.0cd/A,청색2.8cd/A,녹색8.5cd/A에도달하였다>;그림5<;.앞으로는주로다음과같은기술혁신에의해진전될것이다.①신규CCM재료의개발적용[매트릭스,색소,새로운패터닝기술]②OLED구조의혁신(새로운CCM재료와새로운형성프로세스개발적용)③인광재료의적용[적색,녹색]④고효율,적색어시스트[장파장]백색발광기술과컬러시프트의억제⑤새로운불순물적용⑥저(低)저항배선기술이같이혁신적인기술개발에의해현재상태의2배에달하는발광효율을실현함과동시에또한구동전압이3~4V저감된다.AM구동에서는휘도전체영역에서OLED에인가해야할구동전압은6V이하,PM구동에있어서도10V이하이면충분할것이다.이들의성능향상은유기재료의고성능화및프로세스기술의혁신과더불어AM구동에서는300~500cd/㎡에서반감수명30,000h이상에도달한다.이레벨에도달해야비로소OLED의특징을발휘할수있고이때차세대FPD로서의지위를확고하게다질것이다.5.핵심기술의결집이관건지금까지풀컬러OLED의기술발전은지지부진했다.원리원칙적인포텐셜에만매달려서는안되고개발을지루하게계속해서비즈니스화하는것을뒤로미루는것도문제이다.원리적으로포텐셜이높은점과산업에있어서주요기술이되는것이반드시일치하는것은아니다.오히려최근에는비즈니스에서성공하는요인이복잡하게얽혀있다.OLED의경우에는이론적뒷받침이라는관점에선다면Si베이스의반도체디바이스에비해유치원수준이다.즉그만큼어렵다는말이다.체계적인실험이야말로가장큰효과를발휘한다.그런의미에서본다면누구나기회를갖고있으므로경쟁이적극적으로당당하게이루어져강점을융합시키는협력관계로추진된다면앞으로큰진전을기대할수있을것이다.풀컬러화기술뿐만아니라많은핵심기술의결집으로서OLED는진전된다.국가나기업의틀을초월하여차세대FPD로서강해지려면다이내믹한움직임이있어야한다.

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