탠덤 OLED 전하생성층(CGL) 특허 430건 분석

탠덤 OLED의 발광층 사이를 잇는 전하생성층(CGL)은 2002년 코닥 특허가 뼈대를 세웠고, 그 특허는 2022년에 끝났습니다. 한국 두 회사는 2013~16년 CGL 자체를 다듬다가 2017년부터 화소 구조로 옮겨 갔고, 옆 화소로 새는 전류를 두고 삼성은 CGL을 끊고 LG는 전위를 붙잡습니다. 10년 늦게 출발한 중국은 두 단계를 한꺼번에 청구합니다.

1. 개요

1.1 두 층을 쌓으면 이음매가 생긴다

탠덤 OLED는 발광 유닛 두 개 이상을 위아래로 쌓고 전극 한 쌍으로 한꺼번에 켜는 구조다. 같은 밝기를 내는 데 유닛 하나가 받는 전류가 줄어 수명이 길어진다. 삼성디스플레이와 LG디스플레이가 애플 OLED 아이패드에 공급하는 패널이 2단(투 스택) 탠덤이다.

삼성디스플레이는 2026년 2월 QD-OLED의 청색 발광 적층을 4층에서 5층으로 늘린 구조를 「펜타 탠덤」이라는 이름으로 내놓았다. 회사 발표로는 발광 효율이 1.3배, 수명이 2배가 됐다. 층은 계속 늘고 있다.

층을 쌓으려면 층과 층 사이를 전기적으로 이어 주는 얇은 막이 있어야 한다. 아래 유닛에는 전자를, 위 유닛에는 정공을 넣어 두 유닛이 직렬로 켜지게 하는 막이다. 이 막을 전하생성층(CGL)이라고 부른다. 이 편은 그 이음매의 특허를 읽는다.

1.2 분석 범위

1.3 용어

2. 탠덤의 이음매는 누가 먼저 청구했나

직렬로 쌓는 구조 자체는 1997년 미국 eMagin이 먼저 청구했고, 오늘 LG디스플레이·삼성디스플레이 청구항의 뼈대인 「n형·p형으로 도핑한 유기 연결층」은 2002년 2월 코닥이 청구했다. 이 코닥 특허는 2022년 4월 26일 만료됐다.

2.1 금속 도체에서 도핑한 유기층으로

eMagin은 1997년 7월 가출원한 특허(US6337492B1)에서 OLED를 위아래로 쌓고 사이에 금속·ITO 도체층을 넣었다. 명세서는 쌓인 소자 각각의 전류를 따로 제어하지 않는다고 적었다. 전류 하나가 전체를 직렬로 흐르는 구조다.

일본 이데미쓰코산은 1998년 출원(JPH11329748A)에서 발광층 여럿을 중간 도전층을 사이에 두고 직렬로 이었다. 여기까지 유닛 사이의 이음매는 전기가 잘 통하는 도체였다.

코닥의 Liang-Sheng Liao와 Ching W. Tang은 2002년 2월 우선권을 가진 특허(US6872472B2)에서 이 중간층을 금속이 아닌 유기물로 바꿨다. 청구항 1은 네 줄이다.

명세서가 밝힌 이유는 빛이다. 유닛 사이에 전극을 두는 앞선 적층 구조는 그 전극이 빛을 흡수해 전체 광출력을 떨어뜨리고, 얇게 만들면 저항이 커진다고 적었다. 그 자리에 넣은 연결층은 n형 도핑층과 p형 도핑층이다.

명세서는 재료까지 정했다. n형 도펀트는 일함수 4.0eV 미만의 금속, 특히 알칼리금속과 그 화합물이다. p형 도펀트는 호스트에서 전자를 받아 전하이동 착물을 만드는 강한 전자받개이고, p형 호스트로는 NPB 같은 방향족 3차 아민을 들었다. 도핑 농도는 0.01~10부피%, 연결층 두께는 대략 1~100nm다.

2.2 키도는 왜 절연성 CGL을 청구했나

한 달 뒤인 2002년 3월, 일본 야마가타대 키도 준지 교수 쪽은 같은 자리의 층에 전하생성층이라는 이름을 붙이고 정반대 조건을 걸었다. 최초 미국 출원(US20030189401A1)의 청구항 1은 이 층을 비저항 1.0×10²Ω·cm 이상의 전기 절연층으로 한정했다.

이유는 명세서에 적혀 있다. 이데미쓰 출원처럼 전도성이 높은 재료로 유닛을 나누면 「평면(가로) 방향의 전도성 때문에」 발광 영역을 원하는 대로 정하기 어렵다는 것이다. 오늘 한국·중국 패널사가 씨름하는 횡누설 문제가 2002년 명세서에 이미 들어 있었다.

이 원출원은 포기됐고, 분할 출원(US8080934B2)이 등록돼 2025년 10월 3일 만료됐다. 등록된 청구항은 CGL이 전자받개와 전자주개를 담고, 그 비저항이 인접 유기층과 거의 같다고 한정한다.

코닥은 2004년 백색 탠덤 특허(US7273663B2)에서 이음매의 성격을 청구항에 못 박았다. 유닛 사이의 중간 연결층은 「외부 전원에 직접 연결되지 않는다」. 떠 있는 층이라는 뜻이다. 이 한 줄은 4절에서 다시 나온다.

그림 1. 탠덤 이음매를 청구한 특허들의 우선일. 이 편에서 원문을 확인한 것만 놓았다

2.3 두 회사 특허 앞에 가장 자주 놓인 선행특허

LG디스플레이·삼성디스플레이가 독립항에 CGL을 넣은 미국 탠덤 특허 208패밀리의 인용 목록을 모두 셌다. 우선일 2006년 이전 외부 선행특허 가운데 코닥(현 권리자 Global OLED Technology 포함)이 116회로 가장 많았다. 반도체에너지연구소(SEL) 30회, 소니 28회, 키도·Rohm 22회가 뒤를 이었다.

직렬 적층을 가장 먼저 청구한 eMagin 1997년 특허는 1회, 이데미쓰 1998년 출원은 0회였다. 가장 먼저 청구한 특허와 두 회사 특허의 선행기술로 가장 자주 놓인 특허는 달랐다. 키도 2002년 출원은 삼성 쪽에서만 인용됐다.

3. 한국 두 회사는 무엇을 청구해 왔나

LG디스플레이와 삼성디스플레이의 탠덤 청구는 2013~16년에 CGL 자체를 다듬는 쪽이 정점이었고, 2017년 이후에는 화소와 패널의 구조 쪽으로 옮겨 갔다. CGL 자체를 한정한 패밀리의 비중은 LG디스플레이가 2013~16년 49%에서 2021~24년 7%로, 삼성디스플레이가 56%에서 12%로 줄었다.

그림 2. 우선일 구간별로 청구항 1이 무엇을 한정했는지의 비중. 한국은 미국 문서, 중국은 미국·중국 문서다. 삼성디스플레이 2012년 이전(5건)과 중국 2016년 이전(13건)은 표본이 작아 뺐다

3.1 2013~16년: 코닥의 틀 안을 다듬었다

이 시기 청구항은 코닥이 명세서에 적어 둔 n형·p형 연결층의 틀을 다시 청구하지 않는다. 그 틀 안의 한 요소를 비튼다.

코닥의 명세서는 n형 도펀트로 알칼리금속을, p형 도펀트로 강한 전자받개를 들었다. 위 다섯 건은 모두 그 범위 위에서 호스트의 수, 도핑의 유무, 농도의 분포를 바꿨다.

이 청구가 소재 회사로 옮겨 갔는지도 확인했다. 덕산네오룩스의 청구항에 CGL이 든 76건 가운데 CGL 소재 자체를 청구한 것은 한 건도 없었다. 모두 「그 화합물을 쓴 소자가 두 스택 이상이면 CGL을 포함한다」는 종속항이었다. 2013~24년 CGL 화합물을 직접 청구한 소재사 문서는 LT소재 10건, LG화학 5건, 노발레드 2건이다.

3.2 2017년 이후: 화소 구조로

CGL 자체를 한정한 패밀리는 비중만이 아니라 건수로도 줄었다. LG디스플레이는 2013~16년 21건, 2017~20년 6건, 2021~24년 3건이다. 같은 기간 LG디스플레이의 전체 탠덤 패밀리는 43건, 39건, 44건으로 줄지 않았다.

그 자리를 채운 것은 화소와 패널의 구조다. 삼성디스플레이는 2021~24년 탠덤 패밀리 51건 가운데 25건(49%)이 청구항 1에서 화소 사이의 구조를 한정했다. 그 가운데 14건에는 CGL을 끊거나 누설을 막는다는 표현이 들어 있다. 무엇을 막으려는지는 다음 절에서 본다.

스택의 수와 색 구성을 한정한 청구도 이어진다. 삼성디스플레이의 2022년 출원(US20230320120A1)은 발광 유닛을 다섯 개 이상 쌓고 첫째·둘째 유닛은 녹색, 셋째~다섯째 유닛은 청색을 내도록 청구했다. 아직 심사 중이고, 회사가 발표한 펜타 탠덤 제품과 같은 구조인지는 공개 자료로 확인하지 못했다.

4. 옆 화소로 새는 전류를 삼성과 LG는 어떻게 막나

같은 횡누설 문제에 삼성디스플레이는 주로 CGL을 화소 경계에서 물리적으로 끊는 구조를 청구하고, LG디스플레이는 끊는 특허도 내면서 2022~24년에는 CGL을 음극·리셋 전극·보조전극에 이어 전위를 붙잡는 구조를 따로 청구했다. LG디스플레이의 이 계열은 7건이고, 그중 4건이 명세서에서 횡누설을 문제로 들었다.

4.1 CGL은 왜 옆으로 새나

탠덤 패널에서 CGL은 보통 여러 부화소에 걸친 공통층으로 한 장 깔린다. 그런데 전자와 정공을 잘 만들라고 도핑한 막은 가로 방향으로도 전기가 잘 통한다. BOE는 2017년 출원(US11114636B2)에서 이 막이 「큰 가로 전도도를 가진다」고 적었다.

반도체에너지연구소와 샤프는 2012년 출원(US9728693B2)의 명세서에서 현상을 정의했다. 이웃한 탠덤 소자에 전도도 높은 층이 있으면 한 소자의 전류가 그 층을 따라 이웃 소자로 샌다. 켜진 화소 옆의 꺼진 화소가 희미하게 켜진다.

LG디스플레이의 2023년 출원(US20240260410A1)은 원인으로 **「인접 부화소 사이 거리가 줄어든 것」**을 들었다. 키도가 2002년에 「가로 방향 전도성」을 들어 절연성을 요구한 것과 같은 문제다.

4.2 끊는다

반도체에너지연구소·샤프 특허의 청구항 1은 전극 사이에 오버행(처마)이 달린 격벽을 세우고, 첫째 유닛과 중간층이 그 격벽에서 끊기게 했다. 이 특허는 2034년 5월 29일까지 유효하다. 이후 여러 회사가 같은 목표를 각자 다른 구조로 청구했다.

LG디스플레이도 2014년부터 끊는 특허를 냈다. 2021~24년에도 CGL을 끊거나 누설을 막는다는 표현이 든 화소 구조 패밀리가 7건 있다. 끊는 쪽은 삼성만의 방식이 아니다. 같은 기간 삼성디스플레이는 14건이다.

4.3 붙잡는다

LG디스플레이가 2022~24년에 낸 다른 계열은 CGL을 끊지 않는다. 이어진 CGL을 정해진 전위에 묶어 새는 전하를 빼낸다. 코닥이 2004년 청구항에 「외부 전원에 직접 연결되지 않는다」고 적은 그 층을 전극에 이은 셈이다.

리셋 전극 특허의 명세서는 목적을 이렇게 적었다.

그림 3. 횡누설에 대한 두 가지 청구 방향의 개념도. 실제 층 두께와 비율이 아니다

CGL을 전극이나 전압에 묶는 계열은 이번 표본에서 LG디스플레이 7건, 삼성디스플레이 1건(2016년), 중국 5사 3건이다. LG디스플레이 7건은 모두 미국에서 아직 심사 중이라 최종 권리 범위는 바뀔 수 있다.

5. 후발 주자 중국은 어떻게 청구하나

중국 본토의 탠덤 CGL 특허는 2008년 12월 연구기관에서 시작됐고, 패널사로는 BOE가 2013년 12월에 처음 청구했다. LG디스플레이의 첫 CGL 탠덤 청구(2003년 12월)보다 10년 늦다.

그래서 중국은 한국이 차례로 밟은 두 단계를 지금 한꺼번에 밟고 있다. 2021~24년 중국 5사의 탠덤 패밀리 124건 가운데 38건(31%)이 CGL 자체를, 49건(40%)이 화소 구조를 한정했다. 같은 기간 LG디스플레이의 CGL 자체 비중은 7%, 삼성디스플레이는 12%다.

5.1 2008년 12월, 이틀 차이로 두 곳

중국과학원 창춘응용화학연구소는 2008년 12월 29일 유기반도체 이종접합 CGL을 연결층으로 쓴 적층 유기 EL 소자를 출원했다(CN101447555B). 명세서가 꼽은 장점은 이 CGL이 도핑하지 않은 층이라 공정이 단순하다는 것이다. 이 특허는 등록 후 연차료 미납으로 소멸했다.

이틀 뒤인 12월 31일 칭화대와 비전옥스는 유닛 사이의 연결층에 특정 화합물을 넣고 알칼리금속을 함께 도핑한 구조를 출원했다(CN101452997B). 명세서는 이 연결층이 전하생성층 역할을 한다고 적었다. 코닥 명세서의 n형 도핑과 같은 계열이다. 이 특허는 지금도 유효하다.

그 뒤로 조명 회사 하이양왕(海洋王照明)이 2010년 12월 첫 출원을 하고 2013년 한 해에만 96건을 냈다. 디스플레이가 아닌 OLED 조명용이다.

디스플레이 패널사로는 BOE가 2013년 12월 31일 우선권을 가진 출원(US9780323B2)에서 CGL을 청구했다. 전도도가 10³S/cm보다 큰 물질과 10⁻⁶S/cm보다 작은 물질을 섞은 혼합 전도층이다.

5.2 한국이 먼저 청구한 주제가 몇 해 뒤 다시 나온다

중국 5사가 CGL 자체를 한정한 청구에는 한국 두 회사가 먼저 청구한 주제가 몇 해 뒤 다시 나타난다. 주제가 같을 뿐 청구항이 같은 것은 아니다.

중국 5사의 미국 문서 56건 가운데 37건이 LG디스플레이 특허를 인용 목록에 담고 있었다. 다만 중국 회사가 직접 인용한 것은 6건이고 나머지는 미국 심사관이나 같은 패밀리 문서의 인용이다. 같은 기준으로 코닥이 든 문서는 12건이었다.

말할 수 있는 것은 미국 심사관이 중국 탠덤 특허 앞에 선행기술로 자주 놓은 것이 LG디스플레이 특허라는 데까지다.

5.3 한국 특허에서 보이지 않던 방향

중국 청구에는 이번 표본의 한국 두 회사 특허에서 보이지 않던 방향도 있다.

• 용액 공정 CGL: CSOT의 2022년 출원(US20240107787A1)은 CGL 재료를 n형 유기물, p형 유기물, 극성 용매의 혼합물로 청구했다. 명세서는 발광층이 비극성 용매를 쓰기 때문에 그 위의 n형 CGL은 극성 용매로 올려야 아래층이 상하지 않는다고 적었다. 용액으로 층을 올리는 공정을 겨냥한 것이다
• 마이크로LED의 CGL 적층: CSOT의 2023년 실용신안(CN221008955U)은 마이크로LED 에피웨이퍼 세 장을 CGL 두 층으로 이어 한 부화소에 쌓았다. 명세서는 기존 수직 적층에서 에피웨이퍼 사이 배선 공정이 웨이퍼를 손상시킨다고 적었다. 중국 실용신안은 실체 심사를 거치지 않는다
• 페로브스카이트 CGL: CSOT의 2017년 미국 출원(US20180315945A1)은 유무기 페로브스카이트로만 이뤄진 CGL을 청구했으나 미국에서는 포기됐다. 삼성디스플레이의 페로브스카이트 CGL 출원(2016년 7월)이 아홉 달 앞선다

6. 이 분석이 말하지 않는 것

• 분류는 한 사람이 했다. 청구항 1의 특징부를 읽고 하나의 주된 한정만 골랐다. 무작위 48건 재분류에서 85%가 일치했고, 틀린 쪽은 첫 분류가 CGL 자체와 화소 구조를 조금 적게 센 방향이었다. 제3자 검증은 하지 않았다
• 한국은 미국 문서만 셌다. 한국에만 출원한 특허는 빠졌다. 중국은 미국·중국 문서를 섞어 세서 회사 사이에 건수를 비교하지 않는다
• 검색어가 「charge generation layer」 문구에 묶여 있다. 반도체에너지연구소는 같은 층을 「intermediate layer」로, 코닥은 「intermediate connector」로도 부른다. 이런 표현만 쓴 특허는 모집단에서 빠졌다. 반도체에너지연구소 2012년 특허도 인용 관계를 타고 찾았다
• 인용은 참고가 아니다. 인용 대부분은 심사관이 붙인 것이다. 모방이나 영향을 말하지 않는다
• 청구항을 나란히 놓았을 뿐 침해나 회피를 판단하지 않았다. 코닥 특허 범위 안에 두 회사 청구항이 드는지, 반도체에너지연구소 특허와 이후 절단 구조의 관계도 판단하지 않았다
• 반도체에너지연구소·샤프 특허의 권리 행사나 라이선스 기록은 조사하지 않았다. 없다는 뜻이 아니다
• LG디스플레이 「전위 고정」 7건은 모두 미국에서 심사 중이다. 등록되면 청구항이 줄 수 있다
• 삼성 펜타 탠덤 제품의 색 구성과 5단 출원(US20230320120A1)이 같은지는 확인하지 못했다
• 2013~16년 정점과 2017년 이후의 이동이 왜 일어났는지는 특허 자료로 댈 수 없다. 명세서들은 「화소 간격이 좁아졌다」는 배경만 적는다

7. 정리

탠덤 OLED의 발광 유닛 사이를 잇는 방식은 1997년 금속 도체에서 시작해 2002년 코닥의 n형·p형 도핑 유기 연결층으로 자리 잡았다. 한국 두 회사의 탠덤 특허 앞에 선행기술로 가장 자주 놓인 것도 코닥이다. 그 특허는 2022년 4월 26일 만료됐다.

한국 두 회사는 그 틀 안에서 호스트 수, 도핑 유무, 농도 분포를 바꾸는 청구를 2013~16년에 가장 많이 냈다. 2017년 이후 무게는 화소 구조로 옮겨 갔고, 그 명세서들은 좁아진 화소 간격을 배경으로 든다. 키도가 2002년에 적은 가로 방향 전도성 문제와 같은 자리다.

같은 누설에 삼성디스플레이는 CGL을 끊는 구조를 더 많이 청구했고, LG디스플레이는 CGL을 전극에 이어 붙잡는 구조를 따로 청구했다. 중국은 2008년 연구기관, 2013년 패널사로 출발해 지금 CGL 개량과 화소 구조를 함께 청구한다. 한국이 먼저 청구한 주제가 몇 해 뒤 다시 나오고, 용액 공정과 마이크로LED처럼 한국 특허에서 보이지 않던 방향도 연다.

뼈대는 풀렸고, 남은 권리는 그 뼈대를 어디서 끊고 어디에 묶느냐에 있다.