디스플레이 상식 사전 - OLED 자체발광원리

 

LG디스플레이 블로그는 디스플레이에 대한 이해를 돕기 위해 ‘디스플레이 상식 사전’ 시리즈를 진행하고 있습니다. 디스플레이에 대한 아주 기본적인 지식부터 심도 있는 기술까지, 이해하기 쉽고 재미있게 풀어드리고 있습니다. 오늘은 뛰어난 화질로 전 세계의 이목을 사로잡은 차세대 디스플레이, OLED의 자체발광원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

OLED(organic light emitting diode, 유기발광다이오드)

OLED는 전류가 흐를 수 있는 유기물 고체, 혹은 공액이중결합*을 이용해 자체발광현상이 가능하도록 만든 디스플레이로, 화질 반응속도가 매우 빨라 잔상이 거의 나타나지 않으며 넓은 시야각이 장점인 차세대 디스플레이

 *공액이중결합(Conjugated Double Bond): 1중과 2중 결합이 반복되는 구조의 결합

 

자체발광의 원리

 

LCD의 경우 빛이 필터를 통과하며 색을 만들어냅니다. 그렇기 때문에 필연적으로 뒤에서 빛을 제공하는 ‘백라이트’가 필요한데요. OLED의 경우, 액정 내 소자들이 스스로 빛을 내기 때문에 이런 광원이 필요하지 않습니다. 대체 어떻게 자체발광한다는 것일까요?

1) OLED의 기본 구조

OLED가 어떻게 빛을 내는지 알아보기 전에, 기본 구조를 간단히 살펴보고 갈게요.

OLED의 기본 구조

▲ OLED의 기본 구조

기본적으로, OLED가 자체적으로 만드는 빛은 ‘정공’과 ‘전하’가 만나 발생시키는 에너지로부터 비롯됩니다. 그렇기 때문에 OLED는 내부에 계단과 같은 여러 단계가 있어 정공과 전하의 통로 역할을 하는 것입니다.

위 영상에서 볼 수 있는 양쪽 끝 부분, Anode와 cathode에서 전자와 정공이 주입되고, HIL, HTL, ETL, EIL는 이들을 운반하는 역할을 맡게 되고, 마침내 전자와 정공은 EML(발광층)에서 만나게 됩니다. 이런 OLED의 구조 안에서 어떤 식으로 빛이 만들어지는지 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

 

2) OLED의 발광 순서

OLED의 발광 원리

▲ OLED의 발광 원리

위에 보이는 영상을 자세히 보세요. 앞서 설명 드린 바와 같이 기본적으로 OLED의 자체발광은 정공(+)과 전하(-)가 결합되어 발생됩니다. 즉, 그림의 양 끝, 자석으로 따지면 양극인 ‘Anode’와 음극인 ‘Cathode’에서 각각 정공과 전하가 주입되어 주입층(HIL, EIL)과 수송층(HTL, ETL)을 지나 발광층(EML)에서 만납니다. 이 곳에서 정공과 전하가 충돌하여 에너지, 즉 빛을 발생시키는 원리라고 할 수 있겠습니다.

 

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OLED가 색을 만드는 방법

 

OLED의 자체발광 원리에 대해 알아보고 있습니다. 그렇다면 OLED는 어떻게 자체 필터 없이도 색을 방출할까요? 간단하게 말해, 각 색상마다 에너지 방출의 정도가 다르기 때문입니다.

이 에너지 방출의 정도는 ‘밴드갭(Band gap)’에 따라 달라지게 되는데요. 쉽게 말해 ‘밴드갭’이란 한 물질 내부에서 전자가 존재하는 가장 높은 에너지 레벨(LUMO)과 전자가 존재하지 않는 가장 낮은 에너지 레벨(HOMO)의 차이를 뜻합니다. 밴드갭이 높을수록 전기가 통할 가능성은 낮습니다.

에너지 레벨 차이(Band Gap)에 따라 달라지는 색상

▲ 에너지 레벨 차이(Band Gap)에 따라 달라지는 색상

위 영상에서 확인할 수 있듯, 가장 높은 에너지 레벨(LUMO)와 낮은 에너지 레벨(HUMO)의 차이가 OLED가 보여주는 색을 결정짓는 주요 요소입니다. 이 LUMO와 HOMO의 에너지 차이, 즉 밴드갭에 따라 다른 빛을 나며, 밴드갭이 클수록 높은 에너지의 빛을 발생시킨다고 합니다.

밴드갭이 크다면 에너지가 많이 방출되며, 따라서 파장이 짧은 빛을 내게 되는데요. 바로 파란색이죠! 반대로 LUMO와 HOMO 사이의 에너지 차이가 적다면, 즉, 밴드갭이 작다면 파장이 긴 빛인 적색이 만들어지게 됩니다. 마찬가지 원리로, 녹색의 빛은 이 에너지 레벨 차이가 적색과 파란색의 중간이라고 할 수 있겠습니다.

 

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OLED, 왜 차세대 디스플레이인가?

1) 완벽한 색상의 구현

▲ LG시그니처 올레드 TV W (출처: 자체 촬영)

OLED의 경우 컬러필터나 백라이트와 같은 부수적인 장치가 필요하지 않습니다. 위에서 설명드린 원리로 빛을 자체 생산하기 때문이죠. 따라서 반응 속도가 빠르며 더 선명한 화질을 경험할 수 있는 것입니다. 그 외에도 완벽한 블랙 색상을 구현하고, 자연광에도 색깔의 왜곡이 거의 없으며, 시야각과 상관없이 정확한 색을 구현한다는 장점들을 가지고 있습니다.

2) 단순한 구조로 다양한 시도가 가능

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또 OLED의 경우 필터와 백라이트 없이, 비교적 간단한 구조로 되어 있습니다. 그래서 공정이 더 쉽고, 두께도 훨씬 얇을 수밖에 없겠죠? 이러한 구조적 장점은 두께와 무게뿐 만 아니라 새로운 지평을 열기도 했습니다. 바로 플렉서블 디스플레이(Flexible display)인데요. 기존의 OLED와 구조는 비슷하게, 하지만 기판 소재를 유리가 아닌 유연한 플라스틱 재질을 사용하여 자유롭게 휘는 디스플레이를 구현할 수 있다고 합니다. OLED의 경우, 단순한 구조와 함께, 유기물질로 되어있기 때문에 플렉서블 디스플레이를 구현하는 데에 가장 중요한 기술로 주목 받고 있습니다.

 

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지금까지 디스플레이의 미래를 책임질 OLED의 원리와 장점에 대해서 알아보았습니다. 기존 디스플레이보다 여러 강점이 있는 만큼, 앞으로의 활용 방도가 무궁무진하다고 예측되는 OLED 디스플레이! 앞으로도 OLED 기술을 이용한 여러 가지 제품이 많이 나오길 기대해봅니다.