청색 TADF·초형광, ‘OLED 번인’ 논란 잠재울까
청색 TADF·초형광, ‘OLED 번인’ 논란 잠재울까
  • 장현준 연구원
  • 승인 2018.10.10 22:45
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LG, 삼성도 앞다퉈 투자
TADF 에너지 흐름 개념도, 출처 : nature 492, 234-238, Adachi
TADF 에너지 흐름 개념도, 출처 : nature 492, 234-238, Adachi

차세대 유기발광다이오드(OLED) 발광재료로 불리는 열활성화지연형광(Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF)과 초형광(Hyper fluorescence)에 관한 관심이 높아지고 있다.

최근 디스플레이 업계는 중소형 OLED에 이어 대형 OLED도 본격적으로 시장을 확대하는 추세다. 액정표시장치(LCD) 관련 업체와 소비자의 LCD와 OLED의 비교 평가가 끊이지 않는 이유다.

이 가운데 가장 큰 문제와 논쟁거리는 열화(번인, Burn-in), 혹은 화소 열화 현상(이미지 스티킹, Image Sticking)이다. 정지된 화면이나 이미지를 같은 위치에 장시간 켜면 해당 부분에 자국이 남는 현상이다.

OLED는 유기재료로 빛을 낸다. 따라서 시간이 지날수록 유기재료의 열화로 인해 수명이 줄어들고 이로 인해 번안 현상이 생긴다. 특히 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 가운데 효율이 가장 낮은 청색을 사용하는 이미지에서 주로 나타난다.

청색이 수명과 효율이 가장 낮은 이유는 바로 형광 재료를 사용하고 있기 때문이다. 형광 재료는 25%의 내부 효율을 가지고 있어 적색과 녹색에 사용되고 있는 내부 효율 100%를 갖는 인광 재료 대비 효율과 수명이 낮을 수밖에 없다. 여러 업체에서 청색 인광 재료를 개발하기 위해 많은 시간과 비용을 투자했지만, 아직 이렇다 할 성과가 없는 상황이다.

이에 삼성디스플레이와 LG디스플레이가 눈여겨보게 된 기술이 TADF이다. TADF는 엑시톤(Exciton, 반입자)이 삼중항(Triplet)에서 일중항(Singlet) 에너지 준위가 역으로 전이해 발광하는 개념이다. 25%의 내부 효율을 갖는 형광 재료의 효율을 100% 효율로 끌어올릴 수 있는 기술이다. 이론상 형광 재료로 인광 재료와 같은 내부 효율 100%를 가질 수 있어 형광 재료의 수명과 효율을 높일 수 있는 최선의 대안으로 꼽히고 있다. TADF는 2012년 일본의 아다치 교수팀에서 최초로 OLED 소자에 적용해 큰 관심을 끌었다.

TADF는 수명과 효율이 가장 뒤처져있는 형광 청색 재료로 주로 개발되고 있다. 기존 형광 청색 대비 높은 효율을 앞세워 개발을 진행 중이다. 하지만 인광 재료 대비 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 넓어 색 순도를 높이기 어려운 문제가 있다.

최근 디스플레이 흐름이 BT2020 색 좌표를 따라가고 있는데, 이를 구현하려면 진한 청색이 필수적이다. 반치폭이 넓으면 이를 구현하기가 어렵다. 이를 해결하기 위해 최근 TADF 청색의 반치폭을 줄이기 위해 붕소 계열 등의 신규 액셉터(acceptor)를 도입하는 개발이 이뤄지고 있다. 더불어 TADF에 형광 도판트(Dopant)를 첨가하는 초형광 재료도 개발 중이다.

형광과 TADF, Hyperfluorescence의 spectrum, 출처 : Kyulux, SID 2018
형광과 TADF, Hyperfluorescence의 spectrum, 출처 : Kyulux, SID 2018

초형광은 엑시톤이 TADF에서 형광 도판트로 전달되어 발광하는 구조로 재료의 안정성과 효율, 색 순도를 향상할 수 있는 장점이 있다.

이러한 차세대 발광재료 기술을 적극적으로 개발하고 있는 대표적인 업체는 독일의 사이노라(Cynora)와 일본의 큐록스(Kyulux)이다.

사이노라의 TADF 재료.

사이노라는 2008년 독일에서 설립됐으며 TADF 청색을 중점적으로 개발하고 있다. 2015년부터 본격적으로 개발 결과를 공개하기 시작했다. 2017년에 LG 디스플레이로부터 1500만유로(약 200억원), 삼성벤처투자로부터 약 1000유로(약 130억원)를 투자받은 바 있다.

큐록스는 2012년 일본 규슈 대학의 아다치 교수팀에서 시작됐다. 2015년 큐슈대학에서 스핀오프 되어 OLED 소재 전문기업으로 설립됐다. TADF와 초형광 재료를 동시에 개발하고 있다. 2016년에 LG디스플레이와 삼성벤처투자로부터 15억엔(약 160억원)을 투자받았다. 2018년에는 LG디스플레이, 삼성디스플레이와 공동개발협약(JDA)까지 맺었다.

최근 부산에서 개최된 ‘국제정보디스플레이(IMID) 학술대회 2018’에서 사이노라는 TADF 색 좌표 CIEy 0.13의 진한 청색 TADF 재료의 효율(EQE)을 20%(@1000nit)와 15시간(LT97@700nit)의 수명을 달성했다고 밝혔다. 큐록스는 청색 초형광 재료의 효율(EQE) 22%(@1000nit)와 100시간(LT95@750nit)을 달성한 것으로 나타났다.

Kyulux와 Cynora의 최신 재료 성능, 출처 : IMID 2018 각 사 발표내용
Kyulux와 Cynora의 최신 재료 성능, 출처 : IMID 2018 각 사 발표내용

두 업체의 개발 결과와 현재 양산 적용 중인 형광 청색 재료의 측정 조건이 달라서 정확한 비교는 어렵다. 다만 일반적으로 알려진 형광 청색 재료의 효율이 약 7~10% 수준인 것과 비교하면 청색 TADF와 청색 초형광 재료가 기존 형광 청색 대비 2배 이상의 효율을 가지는 것을 알 수 있다.

가장 중요한 부분은 이러한 발광 효율을 가지면서 수명을 확보해야 한다. 현재 청색 발광재료에 요구되는 수명은 약 LT97 100시간 이상 수준으로 알려져 있다. 아직 발표된 재료는 이러한 요구사항에 미치지 못하고 있어 더 개선이 필요한 부분이다.

하지만 삼성디스플레이와 LG디스플레이를 비롯한 다양한 OLED 관련 업체의 투자와 공동개발로 TADF 재료 개발 속도는 점차 빨라지고 있다. 이러한 가운데 청색 TADF와 청색 초형광이 차세대 OLED 발광재료로 자리매김 할 수 있을지 앞으로의 행보가 기대된다.


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