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스스로 빛을 내는 OLED 디스플레이. OLED는 자체 발광 소자를 활용했기 때문에 화질, 두께, 무게에서의 장점을 가짐은 물론, 자유자재로 휠 수 있는 플렉시블 구현까지 가능한 첨단 디스플레이입니다. OLED의 발광방식은 현재 ‘전면 발광’ 방식과 ‘배면 발광’ 방식의 2가지로 나눌 수 있습니다. TFT(박막트랜지스터) 기판을 만든 후 빛을 위로 가게 할 것인지 아래로 가게 할 것인지를 정하는 방식으로, 오늘은 이 두가지 방식을 알아보고 차이를 비교해보는 시간을 갖겠습니다.

 

OLED의 발광 원리

OLED는 전계발광(electroluminescent) 방식의 한 종류로 발광물질에 전기에너지를 주입해 전자와 정공이 만날 때 빛이 발생하는 방식입니다. OLED는 빛을 내는 발광물질들로 이루어진 ‘발광층(EML; emission material layer)’에서 전자와 정공이 만나게 됩니다.

Anode(양극)에서는 정공이, Cathode(음극)에서는 전자가 출발해 발광층인 EML에서 만나는 방식입니다. ‘전자 수송층(ETL; electron transport layer)’과 ‘정공 수송층(HTL; hole transport layer)’과 같은 보조층은 보다 효과적으로 전자와 정공이 발광층으로 이동할 수 있도록 도와줍니다. 자세한 원리는 [디스플레이 톺아보기] ⑤ OLED의 원리와 구조를 참고하시기 바랍니다.

전면 발광 방식은 말 그대로 빛이 앞으로 나온다는 뜻입니다. OLED는 유리(Glass)가 가장 아래에 있고 그 위에 TFT(박막트랜지스터) 그리고 유기발광(EL)층의 순서로 구성됩니다.

유기발광층에서 발생한 빛이 기판의 반대 방향 즉, 유기물층(EL) → 윈도우를 거쳐 우리 눈으로 전달되는 방식을 ‘전면 발광’ 방식이라고 합니다. 이와 반대로 유기물층(EL) → TFT → 유리 → 윈도우를 거쳐 우리 눈으로 전달되는 방식을 ‘배면 발광’ 방식이라고 부릅니다. 각각의 특징에 대해 조금 더 자세히 알아볼 텐데요. 쉬운 이해를 위해 배면 발광 방식부터 살펴보겠습니다.

 

배면 발광 방식 (Bottom Emission)

배면 발광 방식은 OLED가 개발되던 초기에 등장한 방식이었습니다. 양극(Anode)의 정공과 음극(Cathode)의 전자가 EML층에서 만나 생성된 빛이 사방으로 퍼져나갈 때 Cathode는 금속 소재였기 때문에 빛이 통과할 수가 없었습니다. 대신 양극(Anode)는 투명전극(ITO)을 사용해 만들 수 있었으므로 빛이 기판이 있는 방향을 통해서 나올 수 있었고, 또 Cathode에 반사된 빛도 함께 빠져나올 수 있었습니다.

하지만 스마트폰 등 소형 IT기기가 대거 등장하자 배면 발광 방식은 어려움에 부딪힙니다. 배면 발광의 경우 필연적으로 TFT(박막트랜지스터)와 회로라인을 거쳐서 빛이 나오게 되는데, 이 때 유기발광층의 빛 일부가 TFT 등에 막혀 밖으로 빠져나오지 못한다는 단점이 있습니다.

TV와 같은 대형 디스플레이는 TFT가 빛을 일부 막아도 픽셀 자체의 발광면적이 넓고 TFT와 픽셀 배치에 필요한 여유공간이 많기 때문에 원하는 빛의 양을 내는데 어려움이 적습니다. 하지만 대형 OLED도 해상도가 높아지면 TFT가 많아져 배면발광의 문제점이 가중됩니다.

특히 소형 디스플레이는 작은 화면에 작은 픽셀을 촘촘하게 배치해야 하므로 최대한 빛을 내는 면적을 늘릴 필요가 있는데, 배면 발광 방식은 빛의 양을 고려했을 때 고해상도, 고PPI 구현에 구조적인 어려움에 봉착합니다. 물론 빛의 양을 늘리기 위해 픽셀에 투입되는 전력량을 늘려 더 밝게 빛을 내도록 할 수도 있지만, 이럴 경우 소비전력 증가와 더불어 발광 소자의 수명에 악영향을 줄 수 있으므로 손쉬은 해결 방법은 아닙니다. 따라서 모바일, IT기기용 디스플레이에는 현재 대부분 전면 발광 방식이 사용되고 있습니다.

 

전면 발광 방식 (Top Emission)

전면 발광 방식은 앞서 설명드린대로 기판이 있는 반대 방향으로 빛이 나오는 구조입니다. 전면 발광 방식이므로 배면 발광과 달리 기판위에 회로들을 어떠한 모양으로 구성하든지 관계가 없고 가려지는 부분이 최소화 돼 빛의 나올 수 있는 면적이 넓어집니다.

하지만 전면 발광도 해결해야 할 난제가 있었는데, 바로 배면 발광과 달리 빛이 음극(Cathode)을 반드시 통과해야 한다는 점이었습니다.

통상 금속(Metal) 재질로 만들어진 음극을 최대한 투명하게 만들기 위한 많은 연구가 있었고, 그 와중에 투명도를 무조건 높이는 것보다 빛의 양을 더욱 많이 발산할 수 있는 원리를 함께 발견하게 됩니다. 바로 미소공진(Microcavity) 현상입니다.

유기발광층(EL)에서 생성된 빛이 일부는 반 투명한 음극(Cathode)을 통해 빠져나가 우리 눈으로 들어오고, 나머지는 다시 반사되어 내려옵니다. 이때 재반사가 이루어지게 되는데, 빛의 파장과 반사되는 거리의 공진주파수가 일치할 경우에 신기하게도 최초에 발광된 빛의 양보다 약 1.5~2배 정도의 강한 빛이 음극을 통과하게 됩니다. 이 현상 덕분에 작은 면적에서 최대한 밝게 빛을 내 화질을 높일 필요가 있는 중소형 OLED는 빛의 효율성을 상당히 높일 수 있게 되었습니다.

※ 참고 : [디스플레이 톺아보기] ㉞ OLED 공진 원리의 이해

전면 발광 방식은 현재까지 다양한 연구개발을 거쳐 효율을 더욱 높여왔고, 플렉시블 OLED에도 적용이 이어지며 OLED의 핵심 기술 방식으로 자리잡았습니다.

또 배면 발광 방식의 경우에도 별도의 공정을 추가해 공진 원리를 활용할 수도 있고, 전면 배면 상관 없이 양극과 음극의 투과율을 조절하는 방식으로 양면 발광을 구현할 수 있기 때문에 OLED의 발광방식은 앞으로도 연구 개발 할 수 있는 잠재력이 많은 분야입니다.

오늘은 ‘OLED 전면발광 배면발광’의 구조와 차이점에 대해서 알아보았습니다. 다음 시간에는 지하철, 패스트푸드점 등에서 정보를 전달해주는 목적으로 다양하게 사용되는 ‘PID(Public Information Display)’의 특징에 대해 살펴보는 시간을 갖겠습니다.

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