디스플레이의 기술과 원리를 샅샅이 살펴보는 '디스플레이 톺아보기'

우선 오늘 이야기를 풀어나가기 위해서는 빛에 대해서 알아야 합니다. 빛이란 좁은 의미에서 '가시광선', 즉 일반적으로 사람이 볼 수 있는, 약 400 nm에서 700nm 사이의 파장을 가진 전자기파를 뜻합니다. 넓은 의미에서는 적외선, 자외선, X선 등 모든 종류의 전자기파를 지칭하며, 물리학에서는 주로 이 넓은 뜻으로 쓰입니다. 오늘은 두 가지 가운데 좁은 의미로 '가시광선'을 빛으로 두고 이야기를 해보겠습니다.

빛을 내는 방식을 크게 두 가지로 분류하면 온도방사(thermal radiation)과 발광(luminescence)으로 나눌 수 있습니다. '온도방사'는 물체를 고온으로 가열하면 빛이 방출되는 현상으로, 자연에서는 태양이 고온에서 빛을 내는 방식이 대표적입니다. 밤에 별의 색을 통해 그 별의 온도를 추정하는 것도 같은 원리이죠.

파란색이 붉은색 별보다 더 뜨거운 별이라고 판별하듯이 말입니다. 우리 생활 속에서 백열전구의 필라멘트인 텅스텐에 전기를 가하면, 열이 발생하며 이러한 열의 방사로 인하여 빛을 만들어지는 것도 같은 원리입니다.  한편 다른 방식으로 '발광'은 온도방사와 같은 고온 상태가 아니라 저온에서 외부에서 공급된 에너지원이 빛 에너지로 변환하는 것을 의미하며, 자극(공급에너지원)의 종류에 따라 아래 표와 같이 여러 종류로 나눌 수 있습니다.

OLED가 빛을 내는 원리는 위의 표에서 전계발광에 해당합니다. 전계발광(EL; electroluminescent)이란 발광물질에 전기를 가해 빛을 내는 방식으로 특히 OLED에서는 전자와 정공이 서로 만날 때 발생하는 에너지가 빛의 형태로 방출되는 것입니다. 우선 전계발광에서 빛이 나오는 가장 기본적인 원리를 알려면 미시 세계인 원자의 모습을 함께 봐야 합니다.

아래에 아주 단순한 원자의 모형을 예를 들어 그려봤습니다. 왼쪽의 원자처럼 전자가 바깥쪽 궤도에 존재한다면, 이것은 보유한 에너지 수준이 높은 상태로 '들뜬 상태' 또는 '여기 상태'라고 부릅니다. 에너지가 높은 상태이므로 불안정한 상태라고 불리며, 반대로 오른쪽 원자처럼 전자가 궤도 안쪽에 존재한다면, 에너지 수준이 낮은 상태로 '바닥 상태' 또는 '기저 상태'라고 부릅니다. 상대적으로 원자가 안정적인 상태라고 봅니다.

원자는 에너지(빛을 포함)를 조절해 이런 상태를 서로 바꿀 수도 있습니다. 전자를 들뜬 상태에서 바닥 상태로 바꿔준다면, 에너지가 수준이 기존보다 낮아지게 되므로, 그만큼 줄어든 수준은 에너지 또는 빛의 형태로 방출이 됩니다. 반대의 경우라면 에너지를 흡수한다고 이해할 수 있겠죠? 바로 이 지점에서 빛의 발생 원리를 찾을 수 있습니다. 전자가 궤도 안쪽으로 이동해 에너지를 더 이상 갖지 않는 만큼이 빛 에너지로 나타나는 것이죠. 이 때 전자가 이동하는 자리를 가상의 입자인 '정공'이라고 부르고 '전자와 정공이 만난다'라고 표현합니다.

전계 발광은 기본적으로 이러한 원리에 의해서 빛을 발광합니다. OLED의 발광원리도 전계 발광이기 때문에, 전자와 정공이 만날 때 빛을 냅니다. 기본적으로 OLED는 전류를 가했을 때 이에 반응해 빛을 내는 발광물질들로 이루어진 '발광층(EML; emission material layer)'이라고 불리는 곳에서 빛을 냅니다. 이 곳에서 전자와 정공이 만나는 것이죠.

그리고 전자와 정공의 원활한 흐름을 위해 이를 돕는 여러개의 보조층들을 마련해줍니다. OLED 소자를 여러 층의 구조로 만드는 이유는 유기물질의 경우에 전자와 정공의 이동도가 크게 다르기 때문에 '전자 수송층(ETL; electron transport layer)'과 '정공 수송층(HTL; hole transport layer)'을 사용하면 효과적으로 전자와 정공이 발광층으로 이동할 수 있기 때문입니다. 이와 같은 방법으로 발광 효율을 높일 수 있습니다.

EML 즉, 발광층은 어떠한 색을 내는지에 따라 서로 다른 발광물질(재료)가 사용됩니다. 기본적으로 빛의 3원색인 적색/녹색/청색(RGB)의 색을 내는 물질이 사용되지요. 이러한 방식으로 각 색상별로 여러 층으로 구성된 OLED 소자의 덩어리를 OLED 패널에서 '유기물층'이라고 부릅니다. 그리고 아래와 같이 전체적인 패널의 모습을 갖추게 됩니다.

이렇게 완성된 OLED 패널은 다른 여러 부품과 어울려 스마트폰이나 태블릿 등의 전자제품에 탑재되어 디스플레이의 역할을 수행합니다. 오늘은 OLED의 발광 원리와 기본적인 구조에 대해서 알아보았습니다. 첨단 디스플레이로 꾸준한 인기를 얻고 있는 자체발광 디스플레이 OLED. 다음 편 부터는 OLED를 만드는 과정을 소개하는 시리즈를 이어가겠습니다.