정보전달의 총아(6): LCD-OLED 디스플레이 대전(大戰) – 두 번째 이야기: OLED의 선명한 색상에 숨은 비밀

들어가며

2009년경, 가수 손담비의 화려한 춤과 노래와 함께 등장했던 ‘아몰레드’란 별명의 휴대폰은 선명한 화질과 함께 아몰레드란 이름을 단번에 유행시켰다. OLED란 디스플레이가 대중 속에 깊이 각인된 시기였다. 아몰레드는 AMOLED^{active matrix organic light emitting diode, 능동행렬 유기발광다이오드}를 철자에 따라 우리말 발음으로 그대로 옮긴 신조어였다. 이때를 전후로 선명한 색상이 OLED 디스플레이의 대표적인 장점으로 부각되기도 했다. OLED는 전류를 흘려 빛을 만드는 전계 발광^{electroluminescence} 디스플레이의 대표적인 예다. 지난 글¹에서 설명한 것처럼, 음극으로부터 공급된 전자(-)와 양극에서 흘러온 정공(+)이 발광층에서 쌍을 이루어 엑시톤을 만든 후 빛이 형성된다. 이런 과정이 효율적으로 일어나기 위해 전자주입층^EIL, 전자수송층^ETL, 정공주입층^HIL, 정공수송층^HTL 등 다양한 기능성 유기층이 발광층을 겹겹이 감싸는 다층막의 구조를 이룬다는 점도 지난 글에서 다뤘다. 발광층에서 탄생한 빛은 이 기능성 유기박막들을 거쳐서 외부로 나온다. 이 과정에서 생성된 빛의 일부가 화면을 뚫고 나오지 못하고 내부에서 흡수되어 사라진다.

그런데 빛을 내는 발광층이 OLED 내부에 묻혀 있는 구조가 꼭 불리한 것만은 아니다. OLED 진영에서 LCD와 비교해 내세우는 중요한 장점 중 하나인 색상 화질이 바로 OLED의 내부 구조와 밀접한 관련을 갖기 때문이다. OLED가 내는 빛의 색은 발광층 속에서 유기 분자가 내는 빛의 색과 동일할까? 그렇지 않다. 유기 분자 하나가 방출하는 빛의 색에 비해 OLED 화면이 내는 빛의 색이 더 선명하다. 이는 바로 OLED 소자가 갖는 광학 구조 때문이다. 이렇게 비유해 볼 수 있다. 발광층에서 형성된 빛은 OLED의 내부를 왔다갔다하며 점점 세련된 모습으로 변모한다. 여기서 세련되었다 표현하는 건 빛의 색이 단색광을 닮으며 더 순수해진다는 걸 의미한다.

발광층에서 형성된 빛은 우선 OLED 소자의 광학 구조에 의해 변조된 후, 자신을 가두는 유기층과 유리 기판을 뚫고 외부로 성공적으로 나와야 한다. 흔히 미소 공동^microcavity이라 부르는 OLED의 광 구조는 소자의 스펙트럼을 날카롭게 만들어 색 특성을 향상시키지만, 그 빛을 외부로 효과적으로 방출하려면 별도의 특별한 노력이 필요하다. OLED에 관한 이번 글에서는 OLED의 광학 구조가 일으키는 흥미로운 결과, 즉 OLED 화면이 그토록 선명히 보이는 이유를 집중적으로 소개한다. 이어질 세 번째 글에서는 발광층에서 형성된 빛을 외부로 효과적으로 탈출시키기 위한 공학자들의 노력을 다룬다. 이 두가지 현상은 독자 여러분이 매일 사용하는 스마트폰 화면에서 오늘도 끊임없이 벌어지고 있다.

빛의 간섭으로 빛을 강하게!

미소 공동 효과를 설명하기 전에 우선 OLED의 대표적인 두 가지 유형, 배면 발광^{bottom emission} 타입과 전면 발광^{top emission} 타입을 비교해 살펴보자. [그림 1]에 배면 발광형과 전면 발광형 OLED의 단면 구조가 단순한 형태로 비교되어 있다. 그림에선 화소 내 빨강 부화소만 표현되었다. 유기층을 의미하는 “Red OLED”에는 발광층뿐 아니라 ETL, HTL 등 다양한 유기층이 모두 포함되어 있다. 화소를 구성하는 박막 트랜지스터^{thin film transistor, TFT}는 보통 유리 기판 위에 형성되는데 빛의 투과를 막아서 밝기를 줄이는 요인이 된다. 배면 발광 방식에서는 빛이 유리 기판을 통해 방출되는데, TFT가 차지하는 면적만큼 빛이 차단되어 개구율^{aperture ratio2}이 낮아지는 경향이 있다. 반면에 TFT 반대편으로 빛을 방출하는 전면 발광 구조는 TFT의 방해 없이 빛이 빠져나올 수 있어 개구율이 높기 때문에 중소형 OLED에서 널리 활용되어 왔다. 이 경우 유리 기판 위 ‘양극’은 금속으로 만들어져 반사 거울 역할도 맡는다. 음극인 상부 전극으로는 빛이 통과되어야 하므로, 이 전극의 재질로는 반투명 물질을 사용하는 게 일반적이다. 그림에서 ‘봉지재^{encapsulation layer}’는 OLED와 외부의 수분과 산소 등을 차단해 OLED의 수명을 늘리기 위한 목적으로 도입된 것이다.

OLED의 독특한 광학 구조는 발광층 속 유기 분자가 엑시톤 형성을 통해 방출한 빛의 스펙트럼을 특별한 방식으로 변조한다. 이 효과를 [그림 2]를 통해 설명해 보자. 이 그림은 유리 기판 쪽으로 빛이 방출되는 배면 발광형이 아니라 상부 전극(즉 반투명 음극) 쪽으로 빛이 나오는 전면 발광형이다. 그림에는 발광층을 사이에 두고 양극과 음극이 마주보는 형상만 보이지만 그 사이 공간에 유기층들이 적층되어 있다고 보면 된다. 하부 전극인 양극은 반사율이 매우 높아서 ‘강한 거울’이라 부를 수 있다. 상부의 반투명 음극은 빛을 최대한 많이 통과시켜야 하므로 반사율이 낮은 ‘약한 거울’이라 불린다. 두 거울이 마주보는 구조는 광학계에서 매우 흔한 구도인데 이를 흔히 공동^cavity이라 부른다. OLED는 두 거울 사이 간격이 수백 nm에 불과하므로 간격이 매우 작다는 맥락에서 미소 공동이라 부른다.

[그림 2]는 두 전극 사이 발광층에서 형성된 빛이 겪는 궤적 중 하나를 보여준다. 예를 들어, 1번 광선은 발광층에서 생성되어 곧바로 상부 전극을 통과해 방출되는 빛이고, 2번 광선은 발광층에서 아래로 진행한 후, 하부 전극(거울)에 반사되어 다시 올라와 방출되는 빛이다. 상부 전극은 반투명의 속성으로 인해 부딪힌 빛의 일부를 통과시키고 나머지는 반사한다. 그림 속 2번 광선의 궤적을 보면 위로 빠져나오기 전 상부 전극에 부딪히며 투과 성분과 반사 성분으로 갈라지는 모습이 보인다. 반사되어 내려온 빛이 하부 전극에서 반사되어 올라간 후 상부 전극에서 다시 투과(즉, 3번 광선)와 반사 성분으로 나눠지며 동일한 과정이 계속 반복된다. 이렇게 여러 번의 투과와 반사를 거쳐 빠져나오는 빛의 성질을 결정하는 요인은 무엇일까? 여기에서 빛이 전자기파동, 즉 파동의 일종이란 사실이 매우 중요하다. 이런 맥락에서 둘 이상의 파동이 만나 발생하는 간섭^interference 현상에 대해 먼저 살펴보자.

파동은 시공간 상에서 특정한 물리적 매질이나 속성이 주기적으로 진동하며 에너지를 전달하는 현상이다. 전자기파인 빛의 파동에서 진동하는 물리량은 전기장과 자기장이다. 파동이 진동할 때 해당 물리량이 최대가 되는 지점(산, +)과 최소가 되는 지점(골, -)이 교대로 나타난다. 특정한 시간과 위치에서 두 파동이 만날 경우, 두 파동의 상태(전문 용어로 ‘위상^phase’이라 한다)에 따라 해당 지점에서 형성되는 파동의 세기가 결정된다.

예를 들어, [그림 3]의 위를 보면 산(+)과 산(+), 골(-)과 골(-)이 만날 때 파동의 진폭이 커지는 ‘보강간섭’이 일어나고, 중간에는 산(+)과 골(-)이 만나면 서로를 완벽히 없애는 ‘상쇄간섭’이 발생하는 상황이 보인다. 두 줄을 맞춰 걸어가는 군인을 상상해 보자. 두 줄로 도열한 군인들이 정확히 발을 맞춰 걸어가는 장면은 위상이 일치하는 경우로 보강간섭에 비유할 수 있다. 반면, 대열의 오른쪽 열의 군인이 오른발을 올릴 때 왼쪽 열의 군인이 왼발을 올린다면 위상이 정반대로 어긋나 상쇄간섭에 비유된다. [그림 3]의 마지막 경우처럼 위상이 적당히 어긋난 여러 파동이 만나면 진폭이 약한 파동으로 남을 수도 있다. 영국의 의사이자 물리학자였던 토마스 영이 이중 슬릿을 이용한 간섭 실험으로 빛의 파동설을 주창했음은 잘 알려진 사실이다³.

다시 [그림 2]의 OLED로 돌아가보자. 외부로 빠져나오는 여러 빛 중 1번과 2번 광선은 발광층에서 갓 태어나거나 한 번만 반사된 빛들이라 이들의 세기는 나머지 광선들에 비해 상대적으로 강하다. 따라서 이 두 빛의 간섭 조건에 따라 OLED를 빠져나오는 빛의 강도가 변한다. 이 현상이 그림에서는 “이중광 간섭^{two-beam interference”}으로 묘사되었다. 1번과 2번 광선의 광경로^{optical pathlength4} 차이가 파장의 정수배가 되면 두 광선의 산과 산이 만나는 조건을 만족하며 보강 간섭이 일어나고 빛의 세기는 강해진다. 이때 광경로 차이는 [그림 2] 속 발광층이 위치한 곳과 하부 전극 사이의 거리 “a”에 따라 달라진다. 그 거리의 두 배만큼 2번 광선이 1번 광선에 비해 더 진행한 후 OLED를 빠져나가기 때문이다⁵. 따라서 발광층이 놓인 위치를 바꿔 광경로 차이에 변화를 주면 보강 간섭의 조건이 깨지며 빛이 약해지다가 두 광선의 위상이 완전히 반대가 되는 조건에서는 상쇄 간섭이 만들어진다.

[그림 4]는 하부 전극을 기준으로 발광층의 위치를 변화시키면서 외부로 탈출한 빛의 비중을 표현한 시뮬레이션 결과의 한 예⁶다. 독자분들에게 혼란을 드려 미안하지만 이 그림 속 OLED는 유리 기판으로 빛이 방출되는 배면 발광형이다. 그렇지만 [그림 2]에서 설명한 간섭 조건에 대한 논의는 변함없이 적용될 수 있다. 내부에 삽입된 그림은 시뮬레이션에 사용된 OLED 소자의 단면도로서 전자수송층^ETL과 정공수송층^HTL 사이에 발광층이 위치한 것으로 가정했다. 발광층의 위치, 즉 거리 a가 변함에 따라 OLED를 빠져나오는 빛의 비중(‘air mode’라 표현되었다)이 진동하는 모습을 보인다. 파란색 화살표로 표현한 두 위치가 바로 1 및 2번 광선 사이에 보강간섭이 이루어지는 두께에 해당된다. 결국 OLED의 효율을 올리기 위해선 발광층의 위치를 조절해 빛의 보강 간섭을 최대한 이용해야 한다. OLED를 개발하는 공학자라면 시뮬레이션에서 얻어진 발광층의 위치를 고려해 유기층의 전체적인 구조를 설계할 것이다.

더욱 순수한 빛으로! 미소 공동^microcavity의 마술

이제 [그림 2]의 ‘다중광 간섭^{multiple-beam interference’}에 주목해 보자. 두 전극 사이, 즉 두 거울 사이를 계속 왕복하는 빛이 겪을 운명은 무엇일까? 두 전극 사이에서 여러 번 반사하며 순차적으로 빠져나오는 빛들, 즉 [그림 2]의 오른쪽 위에 얇은 점선 화살표로 표시된 모든 광선들(3, 4, 5… 로 표현된 광선들)이 흡사 여러 열로 도열한 군인들이 모두 정확히 발을 맞추어 행진하듯 동일한 위상으로 나아간다면 이들은 보강 간섭 조건을 만족하며 강화된다. 그럼 어떤 조건을 만족해야 무수히 많은 갈래로 빠져나오는 빛들이 서로를 보강하며 강화될까? ‘이중광 간섭’에서는 발광층과 하부 전극 사이의 거리 “a”가 중요했다. ‘다중광 간섭’에서 간섭 조건을 결정하는 건 두 전극 사이의 거리 “b”와 그 속의 매질, 즉 유기층의 굴절률이다. 이웃한 두 광선을 고려할 때, 한 광선이 빠져나오는 조건과, 한번 더 왕복 운동을 하며 빠져나오는 이웃 광선의 조건이 같다면 (예를 들어, [그림 1] 속 3번과 4번 광선의 산과 산이 만나는 조건이라면) 두 빛은 보강 간섭을 한다. 3번과 4번 광선이 보강 간섭을 하면 4번과 5번 광선도, 5번과 6번도, 6번과 7번도 같은 상황이므로 연속적으로 보강 간섭의 조건이 성립해 다중광을 이루는 모든 빛이 보강 간섭을 하게 된다. 이웃한 두 광선(가령 3번과 4번) 사이의 광경로 차이는, 4번 광선이 3번 광선에 비해 두 전극 사이의 거리(b)의 두 배만큼 더 진행했으므로 2b란 길이에 매질의 굴절률을 곱한 양이 된다. 이 광경로 차이가 빛의 파장의 정수배가 되느냐가 중요하다⁷.

만약 유기층의 굴절률과 두 전극 사이의 간격이 결정되어 있다면 보강 간섭을 일으킬 수 있는 파장이 결정된다. 굴절률 \(n\)과 두께 \(b\)두 배로 결정되는 광경로 차이가 빛의 파장 \(\lambda\)의 정수배가 되어야 하기 때문이다. 이를 전극에서 반사될 때 위상이 바뀌는 효과까지 포함해 식으로 표현하면 다음과 같다. (식에서 m은 정수를 가리킨다.)

\(n\times(2b)\) = \(m\times\lambda\) + (전극 반사 효과)               (식 1)

OLED 화면을 구성하는 화소는 적록청^RGB으로 이루어진 빛의 삼원색을 방출해야 한다. 따라서 각 부화소별로 특정 색의 빛을 구현하기 위한 목표 파장이 존재한다. 두 거울로 구성되는 미소 공동 구조는 목표 파장을 강화하기 위한 방식으로 개별적으로 설계되어야 한다. 유기물의 굴절률은 보통 결정되어 있어 조정하기 힘들다. 따라서 공동 구조의 두께 b를 조절해 목표 파장이 보강 간섭을 일으키도록 만들 수 있다.

[그림 5]는 소니^Sony의 OLED 설명 자료에 나와 있는 전면 발광 OLED의 단면도(위) 및 발광 스펙트럼(아래)이다. 화소 내 녹색 부화소의 단면에는 반투명 음극과 양극 사이의 거리로 결정되는 미소 공동 구조가 보인다. 이 거리는 당연히 녹색 발광 파장에 의해 조정되며 최적화된다. 옆의 빨강과 파랑 부화소를 보면 두 전극 사이의 간격이 달라짐이 확인된다. 즉 미소 공동 구조를 부화소별 발광 파장에 맞춰서 튜닝을 한 것이다. 아래 발광 스펙트럼을 보면 미소 공동 구조를 이용하지 않은 경우와 이용한 경우의 스펙트럼이 비교되어 있다. 그림에선 최대 세기를 1로 맞춰서 스펙트럼 폭의 비교를 용이하게 했다. 미소 공동 구조를 활용한 경우 스펙트럼의 폭이 훨씬 줄어들어 있다. 유기층의 굴절률과 전극 사이 두께로 결정되는 특정 파장의 빛만 강화되는 효과로 발광 피크가 날카로워졌으며 이로 인해 해당 빛의 색 순도가 올라간다. OLED가 구현할 수 있는 색상의 영역이 넓어지는 건 이 때문이다.

이런 공동 구조는 레이저를 포함한 다양한 분야의 광기술에 광범위하게 적용되고 있다. 우리에게 친숙한 레이저를 예로 들어 보자. 레이저의 내부엔 이득 매질^{gain medium}이라는 물질이 특정 파장의 빛을 방출하고 이 매질을 두 거울이 마주보며 감싸고 있다. 가령 기체 레이저에서 이득 매질은 특정한 종류의 원자/분자로 구성된 기체다. 기체 레이저인 이산화탄소 레이저에서 빛을 내는 주체는 이산화탄소 분자다. 이에 외부에서 에너지를 공급⁸하면 분자 속 전자가 특정한 에너지 준위로 여기^excitation되어 올라갔다가 내려오며 특정 파장의 빛을 방출한다. 하지만 이 빛의 스펙트럼은 여러가지 요인으로 인해 선폭^linewidth이 넓어진다. 단색 광원으로 불리는 레이저라도 사실은 일정한 선폭을 갖는 스펙트럼을 방출한다는 얘기다. 그런데 두 거울 사이의 간격으로 결정되는 공진구조는 이득 매질이 갖는 스펙트럼의 선폭 속에서 특정 파장들만 골라낸다. 그 공진 조건은 기본적으로 위의 (식 1)과 같기 때문에 정수가 달라지면서 스펙트럼의 선폭 내에서 발진^{laser oscillation}할 수 있는 파장이 여럿 생긴다. [그림 6]은 이득 매질이 가우스^Gaussian 형태의 스펙트럼을 방출할 때 두 거울의 공진구조가 결정하는 발진 파장들을 녹색 선으로 보여주고 있다. 이처럼 여러 파장이 동시에 발진하는 레이저를 다중 모드^multi-mode 레이저라 한다. 특별한 광학 구조를 추가하면 이중 하나의 파장만 발진시킬 수도 있다. 이를 단일 모드^{single mode} 레이저라 부른다. OLED는 유기층과 보조층의 두께를 조절해 두 거울 사이의 간격을 바꾸면서 목표로 하는 하나의 파장 성분만을 강화시키는 구조를 갖고 있어 단일 모드 레이저와 비슷하다고 볼 수 있다.

글을 마치며

독자 여러분은 오늘도 스마트폰의 선명한 화면을 즐기며 정보의 바다를 항해한다. OLED가 선명한 색상을 구현할 수 있는 이유는 OLED의 독특한 공진 구조에서 비롯된다. 발광층에서 탄생한 빛은 두 거울 사이를 끊임없이 왕복하며 자신의 모습을 더욱 순수하게 변모시키는 것이다. 이런 작용이 RGB 부화소별로 개별적으로 일어나기 때문에 선명한 영상을 구현할 수 있는 것이다. 그러나 이렇게 멋진 모습으로 변모한 빛이라도 그 빛을 OLED 외부로 성공적으로 빼내지 못하면 아무 소용이 없다. OLED 내부에서 생성된 빛을 바깥으로 탈출시키는 것도 OLED 개발 역사에 있어 매우 중요한 공학적 이슈였다. 다음 글에서는 빛이 OLED 내부에 갇히는 광학적 원리, 그리고 그 빛을 효과적으로 빼내는 광추출^outcoupling 기술에 대해 알아보자.