OLED의 발광 원리(2020, 고3, 7월)

디스플레이용 OLED ⓒ merckgroup.com

 

 

OLED(Organic Light Emitting Diode)란 LED의 발광층에 전기에너지를 받으면 특정한 색의 빛을 내는 유기물질을 넣은 것을 말한다. 가장 기본이 되는 ㉠ RGB-OLED는 빛의 3원색인 적색, 녹색, 청색을 내는 서브픽셀 세 개가 모여 하나의 픽셀을 이룬다. 서브픽셀은 전자를 주입해주는 음극, 전자와 정공*이 만나 빛을 만들어내는 발광층, 정공을 주입해주는 양극 등이 순서대로 다층 구조를 이루고 있는데 서브픽셀마다 일종의 밸브 역할을 하는 박막트랜지스터(TFT)가 양극(+) 쪽에 위치하고 있어 전류를 차단하거나 통하게 하고 전류량을 조절한다. 서브픽셀을 모두 끄면 검은색을, 모두 켜면 흰색을 만들어 낼 수 있고 서브픽셀의 전류량을 조절해 빛의 양을 적절히 배합하면 다양한 색상의 빛을 표현해 낼 수 있다.

그렇다면 발광층에서 빛이 나는 원리는 무엇일까? 에너지가 가장 낮아 전자가 안정된 상태를 ‘바닥상태’라 한다. 그리고 바닥상태에 일정 이상의 에너지가 가해져 전자가 원래의 자리에서 이동하며 높은 에너지를 지니게 된 상태를 ‘들뜬상태’라 한 다. 들뜬상태의 전자는 안정화되려는 속성이 있어 다시 바닥상태로 돌아가게 된다. 이때 전자는 들뜬상태와 바닥상태의 에너지 차이, 즉 바닥상태에서 들뜬상태가 되도록 가해졌던 에너지만큼의 에너지를 방출한다. TFT가 전류를 흐르게 하면 들뜬상태가 된 전자가 양극을 향해, 정공은 음극을 향해 이동하다가 발광층에서 서로 만나게 된다. 발광층에서 전자는 정공과 결합하며 안정화되어 바닥상태가 되고 이때 들뜬상태와 바닥상태의 에너지 차이만큼 대부분 빛에너지로 전환된다.

서브픽셀별로 나오는 빛의 색상은 발광층에 들어간 유기물질이 지닌 ‘밴드 갭’에 의해 결정된다. 밴드 갭이란 전자가 채워져 있는 영역 중 가장 높은 에너지 궤도(HOMO)와 전자가 채워질 수 있는 영역 중 가장 낮은 에너지 궤도(LUMO)가 지니는 에너지 준위의 차를 말한다. HOMO에 바닥상태로 존재하는 전자에 밴드 갭 이상의 에너지를 가하면 들뜬상태가 된 전자가 LUMO로 이동하여 정공과 결합한다. 이후 전자는 다시 에너지 를 방출하며 바닥상태로 돌아오면서 밴드 갭에 해당하는 파장 의 빛을 방출하게 된다. 밴드 갭이 크면 빛을 내기 위해 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 밴드 갭이 큰 유기물질은 밴드 갭이 작은 유기물질에 비해 수명이 짧다.

OLED는 중간에 위치한 발광층에서 만들어진 빛을 어디로 내보내느냐에 따라 ⓐ 배면 발광과 ⓑ 전면 발광으로 나뉜다. 빛이 양극을 향해 나가면 배면 발광, 음극을 향해 나가면 전면 발광이라 한다. 배면 발광의 경우 음극은 전자의 주입 및 반사 층 역할을 해야 하기 때문에, 일함수*가 낮고 불투명한 은과 마그네슘의 혼합 금속을 사용한다. 반면 양극에는 반대의 성질을 지닌 인듐과 산화주석의 화합물(ITO)을 사용한다. 그런데 빛이 양극에 위치한 TFT를 통과해 나갈 때 빛의 일부가 TFT에 막혀 빠져나가지 못해 개구율이 떨어진다는 문제가 발생한다. 개구율이란 단위 화소 전체 면적에서 실제로 빛이 나올 수 있는 면적의 비율로, 개구율이 높으면 동일 전류를 흘렸을 때 나오는 빛의 양이 많아 휘도가 높다. 이 때문에 개구율의 저하는 휘도의 저하로 이어지고 일정 화질을 위한 휘도를 내기 위해서는 손실된 휘도만큼 더 밝게 발광시켜야 하므로 유기물질의 수명에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

개구율을 높이기 위해 TFT가 없는 음극을 향해 빛을 내보내는 전면 발광은 양극에는 일함수가 높고 반사층 역할을 할 수 있는 금이나 백금 같은 금속을 사용하고 음극에는 투명도가 높은 물질을 사용해야 한다. 그러나 음극에 ITO를 사용하면 일함수가 높아 전자를 쉽게 내줄 수 없다. 결국 음극에는 일함수가 낮으면서도 투명도가 높은 금속을 사용해야 하는데, 투명도를 높이기 위해서는 금속을 얇게 만들어야 한다. 그런데 음극이 일정 두께 이하로 얇아지면 면저항이 증가하게 되고, 저항이 높아지면 패널의 위치별로 생성되는 전압이 달라지게 되어 화면의 균일도가 떨어지는 부작용이 발생한다.

이를 해결하는 대표적인 방법은 미소공진현상을 이용하는 것이다. 발광층에서 생성된 빛의 일부는 반투명 음극을 통해 빠져나가지만 일부는 음극에 반사되어 양극을 향하고 양극에 다시 부딪혀 재반사되는데 이렇게 반사된 빛들은 서로 간섭을 일으키며 미소공진현상이 일어나게 된다. 미소공진현상에 의해 빛은 위상이 일치하는 파동들이 만나면 보강간섭이 일어나 파동의 강도가 세지고, 위상이 반대인 파동들이 만나면 상쇄간섭 이 일어나 파동이 약해지거나 사라지게 된다. 이러한 미소공진현상을 통해 빛의 세기가 강해지면 휘도가 높아지게 되고, 그 결과 휘도를 향상시키기 위해 높은 전류로 구동을 하지 않아도 되므로 OLED의 수명이 길어지게 된다. 더불어 조건에 일치하는 파장만 보강되고 조건이 맞지 않는 파장은 상쇄되므로 스펙 트럼이 좁아져서 색의 순도가 높아지는 효과도 얻게 된다.

 

* 정공 : 전자가 차지하고 있어야 할 자리에 전자가 없어 생긴 빈 공간, 전자와는 반대로 양전하를 갖는 전하 운반체로 일종의 가상의 입자. 

* 일함수 : 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 또는 에너지.

 

 

― (출전) 한국무역보험공사, <디스플레이산업 기술 · 시장 동향>

@ 2020학년도 7월 고3 전국연합학력평가, 20~24번.