디스플레이 소재

OLED 소재

1. OLED 소재 개요

• 중소형 OLED 재료는 아래로부터 양극(Anode)-정공주입층(HIL)-정공수송층(HTL)-발광층(EML)-전자수송층(ETL)-전자주입층(EIL)-음극(Cathode) 순으로 차례로 쌓는다.
• 음극에서 EIL에 전자가 주입되고 ETL을 지나 EML에 도착한다. 양극에서 HIL로 정공이 주입되고 HTL을 거쳐 EML에 도착한다. EML에서 전자와 정공이 만나 빛이 나게 된다.

1-1. 발광층(EML): 핵심 소재로 호스트와 도펀트로 구성

호스트

• 전자와 정공이 만나면서 방출되는 에너지를 가시광선으로 만드는 역할(전자와 정공이 발광층에서 만나 여기자가 잘 생성될 수 있도록 돕는 역할)
• 블루 소재 가격이 월등히 높으며 기술적 장벽을 의미

도판트

• OLED 발광을 직접적으로 담당하고, OLED 색상 등을 결정하는 소재
• OLED 성능을 향상시키기 위해 호스트에 도핑되는 불순물로 도펀트의 비중은 10% 미만 수준
• 기술 장벽이 매우 높고, 생산하는 업체 또한 수 년간 독과점적 지위를 유지
• 인광 도펀트로 가장 많이 사용되는 금속은 이리듐(Ir)

1-2. 보조층(공통층)

프라임(or EBL)

• EML과 HTL 사이에 증착되는 소재
• 발광층에 도달한 전자를 발광층에 가두고, HTL에서 전달되는 정공을 발광층에 효과적으로 주입하는 재료
• 전자가 넘어가지 않도록 지지하는 역할을 수행해서 EBL(전자방어층)으로도 불린다

aETL(or HBL)

• 프라임 소재의 반대 역할, 즉 정공이 범람하는 것을 저지하는 역할. EML과 ETL 사이에 위치
• aETL은 블루 OLED 소재의 발광 효율을 높이는데 중요한 역할 수행(전압이 높아지면 반대 전극으로 가려는 전자와 정공이 더 많아지므로, aETL과 프라임을 통해 전자와 정공이 최대한 범람하지 않고 발광층에서 만날 수 있도록 제어)

정공주입층(HIL)

정공수송층(HTL)

• 보통 반도체에서는 전자가 정공보다 이동 속도가 빠르지만, 반대로 OLED에서는 정공의 이동 속도가 전자보다 더 빨라 전하 이동도의 불균형으로 인해 OLED 발광 효율이 감소될 수 있어 HTL의 두께가 ETL 대비 약 2배 더 두껍게 만들어 발광 효율을 개선시킨다

전자주입층(EIL)

전자수송층(ETL)

1-3. 기타

CPL

• CPL이란 보조층을 음극 위에 형성하면 광학 특성을 보정할 수 있다.
• OLED 디스플레이 내에서 통상적으로 발생된 빛은 20% 만이 외부로 나가게 된다. 나머지는 내부에 갇히고 소멸되므로, 빛이 바깥으로 잘 방출될 수 있도록 굴절률을 조절하면 전체 효율을 크게 높일 수 있어 이를 위해 CPL 소재가 사용 되는 것이다.

고굴절 CPL

• OLED에서 빛을 내는 기능층의 음극 위에 형성하는 보조층
• CPL은 OLED 발광층에서 나온 빛이 전극(음극·양극)에서 반복 반사될 때 나타나는 빛 손실을 줄이고, 빛이 디스플레이 쪽으로 향하도록 도와준다
• 현재 중소형 OLED에 양산 적용 중인 CPL은 고굴절 CPL로, 과거 일반 CPL보다 굴절률이 높은 재료를 사용해 소비전력을 줄였다
• 동진쎄미켐과 호도가야, 랩토 등은 삼성디스플레이 공급망
• 피엔에이치테크는 LG디스플레이 공급망

저굴절 CPL

• 저굴절 CPL은 기존 고굴절 CPL과 함께 빛을 모아주는 역할을 한다.
• 빛이 사방으로 산란하기 때문에 고굴절과 저굴절 CPL을 모두 적용하면 빛 손실을 더욱 줄일 수 있다.
• 저굴절 CPL 적용으로 공정이 추가되고 가격이 오르는 것은 걸림돌. 적용하려면 고객사인 삼성전자와 애플 등을 설득해야 함.
• 동진쎄미켐과 호도가야, 랩토 등이 삼성디스플레이와 저굴절 CPL 테스트를 진행 중

PDL

• EML의 각 서브픽셀이 서로 간섭하지 않도록 구분해주는 역할

도판트

• 도판트란 OLED의 정공주입층에 적은 양으로 첨가하는 유기 화합물. 그 중에서도 p도판트는 더 적은 에너지로도 OLED가 빛을 낼 뿐만 아니라 소자의 수명을 늘리면서도 소비 전력은 낮추는 데 상당히 중요한 역할.
• 정공층과 전자층에 첨가해 전자 이동도를 높이고 수명을 향상
• p도판트는 해외 업체가 독점 양산
• LGD-LG화학 P도판트 국산화 성공

1-4. 발광 방식: 형광과 인광

• 전자가 여기 상태 >> 기저 상태로 되돌아가며 E를 빛의 형태로 방출
• 전자와 정공의 결합체를 여기자라 함.
  여기자는 단일항과 삼중항으로 분류되며, 25%, 75% 확률로 형성.
  형광 소재는 단일항 여기자만 활용하여 발광. 25% 효율 인광 소재는 삼중항 여기자까지 모두 빛 E로 활용. 100% 효율
• 현재 RED와 GREEN은 인광 소재가 사용됨.
  BLUE 인광 소재는 발광 효율과 수명 문제로 상용화 X, 형광소재 사용 BLUE 인광 소재 UDC에서 상용화 계획 중

2. OLED 소재 시장

• 2023년 패널 업체들의 OLED 발광재료 수요량은 107.2t으로 전망. 2027년에는 161.2t의 발광재료 구매가 있을 것을 예상

2-1. OLED 소재 시장 특성

• OLED 산업 초기에는 OLED 소재에 대한 핵심 원천 기술 등이 해외의 대형 화학회사가 점유하고 있어 해외 의존도가 높았으나 국산화가 이루어지고 있다.
• OLED 재료는 신약개발산업처럼 세상에 없는 새로운 물질을 연구개발하여 특허를 획득하여 사업을 수행해가는 산업분야로 연구개발의 기간과 비용이 많이 발생되고 있어 진입장벽이 높다
• OLED 패널의 다양한 layer마다 각기다른 경쟁자들이 존재하고 있고, 최종수요기업의 생산계획에 매출이 종속된다
• 디스플레이 패널 제조사들의 패널 양산을 위한 양산시설투자 등이 소재의 수요에 선행한 선행지표라고 볼 수 있다
• OLED 소재는 ==패널 생산 시점 대비 12개월(최종 제품 출시 기준 23개월) 선수요가 발생==한다.
• OLED는 특정 소재마다 보통 2~3개, 많으면 5개 미만의 업체들이 독과점
• OLED 소재 레퍼런스가 없는 신규 업체가 새롭게 양산 공급을 시작하는 것은 매우 드문 일
• 특히 UDC는 레드 도판트와 그린 도판트 독점하고 있으며, 연간 매출액의 40%를 로열티 fee가 차지

2-2. OLED 소재 시장 동향

QD 소재

• Quantum Dot이란 지름이 2~10nm인 무기물 소재의 초미세 반도체 입자
• OLED 소재처럼 스스로 발광하는 특징이 있고, 동일한 물질에서도 입자 크기별로 다른 길이의 빛 파장이 발생되어 다양한 색을 낼 수 있음. 입자의 크기에 따라 나타나는 색이 다름.
• QD는 물질의 종류를 바꾸지 않고도 입자의 크기만을 설정하여 광선 방출, 빛의 파장 등을 효율적으로 바꿀 수 있으며, OLED의 장점인 뛰어난 색재현력 또한 보유하고 있음.
• QE는 유기물질인 OLED와 달리 안정적인 무기물질(탄소를 포함하지 않은 무기물은 쉽게 2차 반응이 일어나지 않아 안정적)로 구성되어 OLED 최대 단점인 번인 문제 해결 가능하고, OLED 대비 제조원가도 저렴.
• QD는 삼성전자에서 개발하여 한솔케미칼이 양산. 미래나노텍 등이 QD입자를 받아 필름과 합지하여 QLED TV에 들어가는 QD시트를 생산. QD-OLED용으로는 삼성SDI가 한솔케미칼이 양산한 QD소자를 받아 QD잉크로 만들어 SDC에 공급