[디스플레이 상식 사전] (9) OLED의 자체 발광원리

OLED(Organic Light Emitting Diode·유기발광다이오드)는 전류가 흐를 수 있는 유기물 고체, 또는 공액이중결합(Conjugated Double Bond)을 이용해 자체 발광현상을 구현할 수 있도록 만든 디스플레이이다. 화질 반응속도가 매우 빨라 잔상이 거의 나타나지 않으며 넓은 시야각이 장점인 차세대 디스플레이이다.

공액이중결합은 1중과 2중 결합이 반복되는 구조의 결합을 이른다.

◆자체발광의 원리

LCD(액정표시장치)는 빛이 필터를 통과하며 색을 만들어냅니다. 그렇기 때문에 필연적으로 뒤에서 빛을 제공하는 백라이트(후광)가 필요한데요. OLED는 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

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 그래픽에서 볼 수 있는 양쪽 끝 부분, 양극(Anode)과 음극(cathode)에서 전자와 정공이 주입되고, HIL(정공주입층)과 HTL(정공수송층), ETL(전자수송층), EIL(전자주입층)은 이들을 운반하는 역할을 맡는다. 마침내 전자와 정공은 EML(발광층)에서 만나게 됩니다. 이런 OLED의 구조에서 어떤 식으로 빛이 만들어지는지 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

2)OLED의 발광 순서

OLED의 발광 원리

위 그래픽을 자세히 보세요. 앞서 설명한 바와 같이 OLED의 자체발광은 정공과 전하가 결합해 발생합니다. 즉 그래픽의 양끝, 자석으로 따지면 양극과 음극에서 각각 정공과 전하가 주입되어 주입층(HIL, EIL)과 수송층(HTL, ETL)을 지나 EML에서 만납니다. 이곳에서 정공과 전하가 충돌하여 에너지, 즉 빛을 발생시키는 원리라고 할 수 있겠습니다.

◆OLED가 색을 만드는 방법

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

이 에너지 방출의 정도는 밴드 갭(Band gap)에 따라 달라지는데요. 쉽게 말해 밴드 갭이란 한 물질 내부에서 전자가 존재하는 가장 높은 에너지 레벨(HOMO)과 전자가 존재하지 않는 가장 낮은 에너지 레벨(LUMO)의 차이를 뜻합니다. 밴드 갭이 높을수록 전기가 통할 가능성은 작습니다.

에너지 레벨 차이(Band Gap)에 따라 달라지는 색상

위 그래픽에서 확인할 수 있듯 가장 높고 낮은 에너지 레벨의 차이가 OLED가 보여주는 색을 결정짓는 주요 요소입니다. 이 LUMO와 HOMO의 에너지 차이, 즉 밴드 갭에 따라 다른 빛을 내며, 밴드 갭이 클수록 높은 에너지의 빛을 발생시킨다고 합니다.

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

◆OLED, 왜 차세대 디스플레이인가?

1) 완벽한 색상의 구현

OLED는 컬러필터나 백라이트와 같은 부수적인 장치가 필요하지 않습니다. 위에서 설명한 원리로 빛을 자체 생산하기 때문이죠. 따라서 반응 속도가 빠르며, 더 선명한 화질을 제공할 수 있는 것입니다. 그 외에도 완벽한 블랙을 구현하고, 자연광에도 색깔의 왜곡이 거의 없으며, 시야각과 상관없이 정확한 색을 구현하는 장점들이 있습니다.

2) 단순한 구조로 다양한 시도가 가능

OLED는 필터와 백라이트 없이 비교적 간단한 구조로 되어 있습니다. 그래서 공정이 더 쉽고, 두께도 훨씬 얇을 수밖에 없겠죠? 이러한 구조적 장점은 두께와 무게뿐만 아니라 새 지평을 열기도 했습니다. 바로 플렉서블 디스플레이(Flexible display)인데요. 기존의 OLED와 구조는 비슷하게, 하지만 기판 소재를 유리가 아닌 유연한 플라스틱 재질로 사용하여 자유롭게 휘는 디스플레이를 구현할 수 있다고 합니다. OLED는 단순한 구조와 더불어 유기물질로 되어있기 때문에 플렉서블 디스플레이를 구현하는 데 가장 중요한 기술로 주목받고 있습니다.

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 제품이 많이 나오길 기대해봅니다.

LG디스플레이 홍보팀

*지난 3주간 새로운 연재물 준비로 기고가 게재되지 못했습니다. 미리 알려드리지 못한 점 독자 여러분께 죄송합니다.