OLED 조명을 이해하기 위한 주요 용어 ($/klm, $/㎡, lm/W)

OLED와 LED는 차세대 디스플레이뿐만 아니라 차세대 조명 기술로도 각광받고 있다. 이 기술들은 백열등이나 형광등과 같은 기존 조명 제품보다 다양한 색상을 표현할 수 있으며, 효율이 높고 친환경 물질을 사용할 뿐만 아니라 휘도의 조절이 용이하다는 등 여러 가지 장점을 가지고 있다. 특히 OLED는 LED와 달리 유기물을 사용하기 때문에 보다 자유로운 형태로 제조가 가능하며, 향후 잉크젯 프린팅 공정 등이 개발될 경우 매우 저렴한 가격으로 패널 양산을 할 수 있을 것으로 기대된다.

하지만 조명 시장은 약 100년 전부터 사용된 백열전구와 형광등을 아직까지 사용할 정도로 변화의 속도가 느리고, 전세계 에너지 소비의 20%를 조명이 차지할 정도로 규모가 크다. 최근에는 이렇게 큰 조명 산업의 변화로 인류의 생존을 위협하는 환경 오염 문제를 일부 해결하려는 노력이 있으며 이것이 친환경 조명의 등장 배경이 되었다. 이 때문에 차세대 조명 후보인 LED와 OLED의 상용화가 더욱 시급히 요구되고 있다.

이처럼 차세대 조명에 대한 기대와 필요성에 부흥하기 위해서는, 기술 개발과 양산을 준비하는 지금부터 조명용 OLED의 특성을 정의하고 평가 방법에 대해 제대로 이해하고 준비해야 할 것이다.
OLED가 조명 산업에 있어서 성공하기 위해서는 기존 조명 이상의 고성능을 구현하는 것도 필요하지만, 특히 저렴한 가격을 달성하는 것이 중요한 요소인 만큼, 이번 칼럼에서는 조명 가격을 표현하는 방법을 OLED에 중점을 맞춰서 살펴보고자 한다.

단위광속당 가격 ($/klm)

만약 현관의 백열등을 다른 조명으로 교체한다고 가정해보자. 이때 디자인이나 전기설비 등을 제외하고 경제성을 중점적으로 고려한다면, 어떤 기준으로 제품들을 비교하고 선택하겠는가?

경제성을 비교하는 가장 1차적인 방법 중 하나는 각 조명의 제품 가격을 비교하는 것이다. 하지만 조명 기술에 따라 빛을 생성하는 방식이 다르기 때문에, 제품의 크기나 방출되는 광량 등이 다르다. 때문에 단지 제품 가격의 비교만으로 경제성을 따지기에는 한계가 있다. 물론 기기 교체의 혼란을 방지하고 전기 시설과의 연결이 용이하도록 적정 전압과 성능이 국제 규격으로 정해진다. 그러나 아직 LED와 OLED는 제품 개발 단계이기 때문에 정해지지 않은 규격이 더 많아 조명간의 비교가 쉽지 않다.

따라서 조명에서는 형태나 발광 방식에 상관없이 적용할 수 있는 기준으로 단위 광속당 가격을 계산하여 제품간의 경제성을 비교하는 데에 사용한다. 즉, 쉽게 말해 광원의 가격을 광속으로 나눈 값을 말한다. 특히 OLED 조명은 기존의 다른 조명과는 달리 점이나 선 형태가 아닌 면 형태의 광원이기 때문에 일정 면적을 기준으로 패널이 판매되고 있어, 패널 가격과 광속을 안다면 단위광속당 가격을 쉽게 구할 수 있다.

단위광속당 가격[$/klm] = OLED 패널 가격[$] / 광속[klm]

광속(Luminous Flux)이란 광원으로부터 방출되는 빛의 총량을 의미하며, 단위는 lm(lumen)을 사용하고, 1 lm은 1cd 세기의 빛이 단위입체각 내에 방사되는 광속을 말한다. 만약 어떤 OLED 패널에 대한 광속 정보가 없다면, 단위 면적당 광도를 이용하여 광속으로 환산한 후, 단위광속당 가격을 구할 수 있다. 여기서 광도(Luminous Intensity)란 광원에서 특정한 방향으로 방출되는 빛의 세기를 의미하며, 단위는 cd(candela)를 사용하고, 1 cd는 초 1개를 1 m 떨어진 거리에서 측정했을 때의 빛의 세기를 의미한다. 따라서 1 cd = 4π lm과 같다.
또 OLED에서는 빛의 세기를 나타내는 단위로 휘도(Luminance)를 사용하는데, 이는 단위면적을 통과하는 빛의 세기를 의미하며, 단위는 cd/m²을 사용하고, 1 cd/m²은 1 m²의 면적에 통과하는 빛의 세기가 1 cd라는 것을 의미한다.
따라서 패널의 휘도와 면적을 알면 단위광속당 가격은 아래와 같이 계산할 수 있다.

단위광속당 가격[$/klm]
= 패널 가격[$] / 광속[klm]
= 패널 가격[$] / { ( 휘도[cd/m²] * 패널 면적[m²] ) * 광속 단위 환산 인자 4π [lm/cd] }

위의 식에서 볼 수 있는 것처럼 패널 가격은 패널에서 방출되는 빛의 양이 많을수록, 즉 광속이 클수록 감소한다. 또한 휘도가 높아지면 단위광속당 가격이 하락한다. 휘도는 광효율과 관련이 있어서 효율이 높을수록 광속 또한 커지며, 결과적으로 필요한 패널 면적이 줄어들게 되어 결국 조명 완제품 가격의 감소로 이어진다.

단위전력당 광속(lm/W)

조명도 전기를 이용하여 구동하는 기구이기 때문에, 조명 자체의 가격뿐만 아니라 제품을 사용하면서 소비되는 전기세 또한 중요하다. 제품 가격이 저렴해도 소비 전력이 높아 전기세가 많이 부가된다면 제품 교체의 의미가 없을 것이다. 또한 환경 보호 측면에서도 전기 소비량이 적은 제품이 차세대 조명으로 선택될 수 있기에, 경제적인 측면이나 환경적인 측면에서 소비전력이 낮은 제품이 중요하며, 이를 나타내는 척도로 단위전력당 광속(lm/W)이 주로 사용된다.

조명 기술별 전력효율 비교

(Source: 성균관대학교, 조성민)

따라서 제품 구매 가격은 백열전구가 가장 저렴할지 몰라도 일정기간 사용한 후에는 누적 전기세가 가장 높을 수 있다.

현재 일반적으로 가정에서 많이 사용되는 백열등은 약 500원 수준이며, 형광등은 약 1,000~3,000원, LED 전구는 12,000~25,000원, LED 형광등은 40,000~60,000원에 판매된다. 반면 현재 유럽 업체들이 판매하는 OLED 패널은 약 25~40만원 정도로, OLED 조명으로 기존 조명만큼의 광속을 구현하려면 백열등 대비 무려 수백에서 수천배의 가격 차이가 난다. OLED가 LED 조명과 차세대 조명으로 경쟁하고 있는 상황을 감안하면 가격 경쟁력을 갖추는 것이 가장 시급한 이슈 중 하나라고 할 수 있다.

아래 표에는 현재 시중에 판매되고 있는 조명 제품의 일반적인 가격과 특성이 기술별로 비교되어 있다. 현재는 OLED 패널 가격이 매우 높은 편이지만 많은 조명 선두 업체들이 고효율 OLED 광원 개발과 양산 라인 구축에 투자하고 있어 OLED 조명 가격이 많이 하락할 수 있을 것으로 기대된다.

조명별 가격 및 광학 특성 비교

	백열 전구	형광등	LED 조명	OLED 조명
형태	점	선	점	면
제품 가격	￦ 500	￦ 1,000 ~ 3,000	￦ 12,000 ~ 20,000	￦ 250,000 ~ 400,000
단위 휘도당 가격	$1/klm	$1~10/klm	$100~300/klm	$1,000~10,000/klm
효율	10~30 lm/W	70~100 lm/W	80~140 lm/W	30~120 lm/W
휘도	Low	Normal	High	Normal

OLED 조명 제품 생산가 절감

현재 많은 국가에서 친환경 조명을 개발하기 위해 국책과제를 수행하고 있으며, 개발 목표에는 효율, 휘도 향상 등의 성능 개선뿐만 아니라 생산 단가를 일정수준까지 낮추는 것을 중요 목표로 선정해 놓고 있다. 미국 에너지성(DOE)에서 진행하는 차세대 조명 프로젝트에서도 OLED 조명 제조 가격에 대해 아래와 같이 연도별로 단가 목표를 제시한 바 있다.

DOE의 OLED 조명 제품 생산 가격 절감 목표 ($/klm)

(Source: Solid-State Lighting Research and Development: Manufacturing Roadmap, DOE, 2011)

자료를 보면 OLED 패널 가격이 차지하는 비율이 가장 높은 것을 알 수 있다. 따라서 OLED 조명 제품 가격을 줄이기 위해서는 제조 공정을 개선하여 생산가를 줄이거나, 광 효율 개선 등의 성능 개선이 필요하다.

패널 제조 가격은 양산 공정의 수율이 안정화되고 대형화 공정 기술이 개발되면 크게 하락할 수 있다. 현재 LG화학 등의 OLED 조명 선두 업체들이 5세대급의 양산 라인을 준비하고 있으며, 대량 양산라인을 성공적으로 구축한다면, 패널 원가가 큰 폭으로 감소하면서 보다 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 기대된다. 현재 한국의 SMD나 LGD가 디스플레이용 AMOLED를 8세대 기판에 적용하는 양산 기술을 개발하고 있는 상황을 고려해보면, 유기물층의 미세 패턴 공정이 필요 없는 OLED 조명 패널의 양산 기술도 디스플레이와 유사한 수준 또는 그 이상으로 구현될 날이 머지 않을 것으로 기대된다.

OLED 패널에서 광 효율은 단위면적당 광자(Photon)가 얼마나 많이 외부로 방출되는가를 나타내는 척도로 사용된다. 광 효율 개선은 발광에 관여하는 유기물 층이나 전극의 재료 개발, 광추출판의 개발, 봉지층의 재료 및 구조 개선 등을 통해 이루어질 수 있다.

마치며

최근 디스플레이 시장에서도 OLED가 점차 많이 사용되고 있다. 특히 OLED의 대형화 기술 연구가 활발히 진행되면서 중소형 디스플레이 시장에 이어 대형 디스플레이 시장에도 곧 진입할 것으로 기대된다. 물론 디스플레이 산업과 조명은 분명히 다른 분야이지만, 조명용 OLED 패널 제조 공정은 디스플레이용 패널 제조 공정과 공통적인 요소가 많기 때문에 이는 곧 OLED 조명 패널의 대량 양산으로 쉽게 이어질 수 있을 것으로 예상된다.
디스플레이에서도 많은 OLED 업체들의 적극적인 투자와 기술개발 노력으로 크게 산업이 성장했듯 OLED 조명 관련 업체들도 보다 과감한 투자와 준비성 있는 전략으로 OLED 조명시장이 빠르게 열리길 기대해 본다.

※ 디스플레이뱅크는 최근 'OLED 조명 기술분석 및 개발동향' 보고서를 발간했다. 이 보고서는 OLED 조명 기술의 현황을 살펴보고, 효율 향상, 저전압 구동, 색특성, 수명, 봉지 및 대면적화에 대한 기술 이슈를 다루고 있다.