17일, 한국의 유기발광다이오드(OLED) 소재 기업인 로이드는 인도 텔랑가나주 하이데라바드에서 열린 '한-인도 OLED 혁신 포럼'에서 올해 안에 청색 인광 OLED 소재의 양산에 돌입하겠다고 밝혔다.
OLED는 자체 발광 소재로 구성되며, 발광 메커니즘에 따라 인광과 형광 방식으로 나뉜다. 형광 방식 OLED의 내부 효율은 25%에 불과하지만, 인광 방식 OLED는 이론적으로 100%까지 효율을 높일 수 있다. 하지만 인광 소재는 형광 소재보다 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다. 삼원색(RGB) 중 적색과 녹색 인광 OLED는 이미 상용화되었지만, 가장 많은 전력을 소모하는 청색 인광 OLED는 수명이 짧아 실제 패널에 적용하기 어려웠다.
로이드 연구소장은 “형광 방식에서는 에너지의 4분의 3이 열로 손실되며, 이 열이 소자 수명을 직접적으로 단축시킨다”고 말했다.
OLED에서 전자와 정공은 양극과 음극 사이의 발광층(EML)에서 만나 빛을 방출한다. 전자와 정공의 결합 상태인 엑시톤이 핵심적인 역할을 하는데, 스핀 조합에 따라 단일항 엑시톤과 삼중항 엑시톤이 1:3 비율로 생성된다. 기존 형광 소재는 단일항 엑시톤(25%)만을 빛으로 변환할 수 있으며, 나머지 75%는 열로 소실된다.
인광 소재는 삼중항 엑시톤까지 활용하여 빛을 방출함으로써 이론적으로 100%의 내부 효율을 달성할 수 있다. 이는 동일한 전류에서 더 밝은 빛을 내거나, 동일한 밝기에서 전력 소모를 줄일 수 있음을 의미한다.
로이드는 “효율이 25%에서 100%로 향상되면 동일 전류에서 휘도가 4배까지 증가할 수 있으며, 전력 소모는 최소 25~50% 감소할 것으로 예상된다”고 밝혔다.
이는 스마트폰 배터리 수명 연장, TV의 HDR 성능 향상, 야외 시인성 개선 등 직접적인 이점으로 이어질 것으로 기대된다.
청색 인광 OLED 연구개발의 핵심은 열 안정성이다. 소재는 초기 성능을 유지하면서 연속적인 제조 공정에서 발생하는 열을 일주일 이상 견뎌야 한다.
로이드는 “효율을 추구하기 전에 열 안정성과 같은 근본적인 부분이 먼저 확보되어야 한다”고 강조했다.
이 회사는 분자 구조 안정성 강화에 집중했다. 중수소 치환을 통해 탄소-수소 결합을 탄소-중수소 결합으로 바꿔 분자 진동 에너지를 줄이고 열화를 늦췄다. 로이드는 “중수소화는 청색 소재의 수명을 연장하는 데 필수적인 역할을 한다”고 지적했다.
이 회사는 공정 단순화도 적극적으로 추진하고 있다. 일반적인 시스템은 N형 호스트, P형 호스트, 도펀트 등 다성분 구조를 사용한다. 로이드는 특정 호스트와 도펀트를 결합한 ZETPLEX라는 독자적인 구조를 제안했다. 이는 부품 수를 줄여 진공 증착 시 변수를 최소화하고 공정 제어를 단순화하는 개념이다.
로이드는 “단순화된 구조는 양산 시 균일성을 확보하는 데 도움이 되며, 안정성과 구동 전압 특성도 개선되고 있다”고 강조했다.
로이드는 효율, 수명, 구동 전압 개발이 최종 단계에 진입했다고 밝혔다. 특히 초기 샘플 대비 수명이 획기적으로 개선되었으며, 추가적인 향상 여지가 있다.
연구소장은 “소재와 소자 구조를 동시에 최적화하고 있다. 연구개발을 넘어 올해 안에 실제 양산 및 적용을 목표로 하고 있다”고 말했다.
청색 인광 소재가 양산되면 OLED 산업의 수익 구조가 변화할 것으로 예상된다. 동일한 밝기에서 전력 소모 감소는 패널 원가 구조를 재편할 것이며, 열 감소는 패널 수명을 연장하고 신뢰성을 향상시킬 것이다. IT OLED, 대형 TV, 차세대 확장현실(XR) 기기 등 광범위한 분야에 적용될 것이다. 업계 관측통들은 청색 인광 기술이 성숙되면 OLED가 또 한 번의 세대교체를 겪을 것으로 보고 있다.
OLED는 이미 화질 면에서 LCD를 능가하지만, 전력 효율, 수명, 제조 안정성 등 개선의 여지가 남아 있다.
로이드는 “청색 인광은 선택이 아닌 필수 단계다. 이 기술의 채택은 OLED의 다음 10년을 열 것이다”라고 말했다.
