자체발광 소자를 활용한 첨단 디스플레이 OLED. 삼성디스플레이의 OLED는 뛰어난 화질을 구현하고 얇고 가벼울 뿐만 아니라 휘거나 구부리는 플렉시블 플랫폼까지 가능해 전 세계 주요 스마트폰에 앞다투어 탑재되고 있습니다.

OLED는 자체발광이라는 특징을 활용해 '공진'이라는 광학 물리학의 원리를 도입, 발광 효율을 높여 더욱 밝고 선명한 화면을 구현합니다. 오늘은 '공진' 원리를 활용하는 OLED의 구조에 대해서 알아보겠습니다.

공진 현상이란?

비록 우리 눈에 보이지는 않지만 모든 물체는 자신만의 '고유진동수'를 가지고 있습니다. 그리고 각 물체들은 이 고유진동수에 해당하는 주파수 또는 파동을 흡수하는 성질이 있습니다. '공진(共振, resonance)'이란 물체가 자신의 고유진동수와 똑같은 진동수를 가진 외력의 작용을 받을 경우에 자연적으로 진동을 시작해서 그 진동의 속도와 압력 등이 증폭되는 현상으로 '공명(共鳴)' 현상이라고 부르기도 합니다. 예를 들어, 100Hz(헤르츠)라는 진동수를 가진 물체에 100Hz의 진동수를 가진 파동을 가하면 물체가 스스로 진동하게 됩니다.

잘 알려진 공진의 예는 와인잔에 고주파음을 가하면 잔이 깨지는 현상입니다. 와인잔이 가진 고유진동수가 같은 진동수를 가진 고주파음에 반응해 스스로 진동하고, 진동이 심해지자 부서지는 것입니다.

따라서 공진 현상은 특히 교량이나 고층빌딩과 같은 대형 건축물을 만들 때 함께 고려됩니다. 건축물이 가진 고유진동수가 공진현상을 일으키면 붕괴에 따른 피해가 무척 크기 때문입니다. 실제로 1940년 미국 워싱턴주 타코마 해협에 당시로서는 최신 공법인 현수교 방식으로 놓인 다리가 완공 수개월만에 바람에 의해 붕괴된 사고가 있었습니다. 조사 결과 붕괴 원인이 공진 현상으로 인한 피해로 밝혀졌습니다. 이후에는 이 같은 피해를 방지하기 위해 공진 현상 감쇄를 위한 건축 기법들이 활용되고 있습니다.

하지만 공진 원리가 부정적인 현상만을 일으키는 것은 아닙니다. 공진 원리는 우리 생활에서 큰 도움이 되는 과학 원리로도 사용되고 있습니다. 대표적으로 전자 레인지가 공명 현상을 이용한 사례입니다. 전자 레인지는 내부에 마이크로파를 방출해 음식물 속의 물 분자가 공진 현상에 의해 강하게 진동하면서 마찰에 의한 열에너지를 만들어내도록 함으로써 음식물의 온도를 높입니다. 또 의료장비인 자기공명단층촬영장치(MRI) 역시 우리 몸 속의 물(H2O)에 있는 수소 원자를 공진시켜 이에 반응해서 나오는 파장을 컴퓨터로 영상화해 몸 속을 들여다 볼 수 있도록 하고 있습니다.

그럼 공진의 원리가 OLED의 발광에는 어떻게 응용되고 있을까요?

OLED 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. 전자와 정공의 원활한 흐름을 위해 이를 돕는 여러개의 보조층들이 존재합니다.

Anode(양극)에서는 정공이, Cathode(음극)에서는 전자가 출발해 발광층인 EML에서 만나는 방식입니다. HIL, HTL, ETL, EIL 층을 마련해 OLED 소자를 여러 층의 구조로 만드는 이유는 유기물질의 경우에 전자와 정공의 이동도가 크게 다르기 때문입니다. ‘전자 수송층(ETL; electron transport layer)’과 ‘정공 수송층(HTL; hole transport layer)’과 같은 보조층을 사용하면 보다 효과적으로 전자와 정공이 발광층으로 이동할 수 있습니다. 보다 자세한 원리는 [디스플레이 톺아보기] ⑤ OLED의 원리와 구조를 참고하시기 바랍니다.

먼저 공진 원리의 기초가 되는 간섭의 원리를 보겠습니다. 파동이 서로 만나 중첩을 하면, 두 파동은 합쳐져서 원래의 파동보다 진폭이 더 커지거나 작아질 수 있는데, 이러한 현상을 파동의 간섭이라고 합니다. 그림 왼쪽의 경우에는 파동 2개가 만나 진폭이(세로)이 커지므로 보강 간섭이라고 하며, 그림 오른쪽의 경우에는 파동이 합성됐을 때 진폭이 오히려 작아지므로 상쇄 간섭이라고 합니다. 이러한 파동은 빛에도 동일하게 적용됩니다. 따라서 빛에 보강 간섭의 원리를 적용하면 더욱 강한 빛 즉, 더 밝은 빛을 얻을 수 있습니다.

공진 현상을 이용한 OLED 구조

OLED의 Anode와 Cathode에서 각각 정공과 전자가 출발해 EML층에서 만나 발생한 빛은 반투명한 거울(Cathode측)을 빠져나가 우리 눈까지 도달합니다.

EML층에서 발생한 빛은 OLED 소자 내부의 다양한 계면에서 투과, 반사가 일어나게 되는데, 이때 복잡한 간섭 현상이 나타나게 됩니다. 아래로 퍼져나간 빛은 Anode의 금속층에 부딪혀 위로 반사되고, 위로 퍼져나간 빛은 Cathode에 부딪히게 됩니다. 이때 전면발광 소자의 경우 우리 눈으로 빛이 나오는 방향은 위쪽이 되는데, Cathode는 빛의 입장에서는 반투명 반사막과 유사합니다. 따라서 Cathode로 도달한 빛은 일부는 밖으로 빠져나가고, 일부는 다시 반사가 돼 아래로 내려갑니다.

이렇게 반사된 빛들은 서로 간섭을 일으키게 되는데 이때 보강 간섭이 일어나며 공진 현상이 발생합니다. 물론 발광물질 자체의 고유진동수와 같은 공진 주파수(진동)를 형성하기 위해서는 발광재료의 광학적 물성과 소자 구조 개발 단계에서부터 빛의 파장을 고려한 섬세한 설계가 필요합니다.

빛이 보강 간섭을 일으키려면 그에 맞는 공진 두께를 만들어야 하는데, OLED와 외부의 다양한 적층막의 두께를 활용해 형성합니다. 해당 발광물질이 공진을 일으키는 최적의 공진 주파수를 만들어내는 막 두께와 맞아 떨어지게 유기물층의 두께를 만드는 것입니다. OLED 유기물층은 0.1~0.5um 이하의 매우 얇은 두께를 갖고 있으므로, 가시광선의 파장인(380nm(Blue) ~ 780nm(Red))에서 다양한 공진현상이 나타나고 있습니다. 이러한 방식으로 약 1.5배 ~ 2배 가량 광 효율을 높일 수 있습니다.

간섭과 공진이라는 자연 현상을 활용하면 발광 물체의 두께, 굴절률, 반사율을 조절해 원하는 파장에 대한 광학 특성 또는 화질 특성을 더 좋게 만들 수 있으므로 OLED에서는 이러한 원리를 무척 유용하게 활용하고 있습니다.

오늘은 OLED의 발광 효율을 높여주는 '공진'의 원리에 대해서 알아보았습니다. 다음 시간에는 디스플레이 모듈의 가장 상단에 위치해 우리의 눈과 가장 가까이 있는 '디스플레이 윈도우(Window)'에 대해서 살펴보는 시간을 갖겠습니다.