OLED 이야기/OLED 알아봅시다

24. 배면과 전면발광(Bottom vs Top emission) (1) - 배면발광

남보르 2018. 5. 7.


앞뒤가 안똑같은 OLED~

"OLED 이슈들"에서 다루었던 WOLED[각주:1]RGB OLED[각주:2]의 차이점들은 삼성과 엘지의 상업적인 전략에 의해 다른 방식을 선택한 사례이기 때문에 "OLED 이슈들" 카테고리에서 다루었고, 이번에 소개해드릴 배면발광과 전면발광의 차이점에 대한 포스팅에서는 조금 더 이론적인 내용들이 더 들어가기에 교육적인 자료라 판단하고 "OLED 알아봅시다" 카테고리에서 다루게 되었습니다.


위에서 말씀드린대로 WOLED와 RGB 방식은 엘지와 삼성의 고유 방식으로까지 여겨질만큼 서로의 방식대로 자리를 잡아가고 있습니다. 그런데 WOLED와 RGB 방식은 발색원리 뿐만 아니라 발광 방향도 다른 노선을 걷고 있습니다. 엘지의 WOLED는 배면발광(Bottom emission)이며, 삼성의 RGB는 전면발광(Top emission) 방식입니다. 초등학교 남자 여자 짝꿍들 마냥 항상 선을 긋고 약속한듯이 매번 다른 노선을 걷는 삼성과 엘지 그들이 발광방향까지도 다르게 가져가야했던 이유에 대해 한번 알아보도록 하겠습니다.


먼저 배면과 전면 발광방식의 차이점에 대해 알아보도록 합시다. 

<사진1. 배면발광(Bottom emission)과 전면발광(Top emission) 발광방향 비교>


사진1을 보시면 배면발광과 전면발광 방식의 차이점을 비교해볼 수 있습니다. 먼저 이번 시간에 알아볼 배면발광의 경우는 발광방향이 글래스 그러니까 기판방향 쪽이라는 것을 알 수 있습니다. 전면발광의 경우는 반대로 기판의 반대방향 그러니까 사진1에서는 위쪽 방향으로 빛이 투과되어 나갑니다. 일단 두가지 방식이 모두 발광방향에 따라 나뉜다는 것은 이해가 가셨을 겁니다.


그러면 디테일하게 차이를 알아봅시다. 이번 시간에는 배면발광에 대하여 주로 다룰 예정이지만 전체적으로는 배면발광과 전면발광과의 차이점에 대해 전반적인 설명을 같이 할 예정입니다. 왜냐하면 전면발광(Top emission)이 조금 매카니즘적으로 복잡하고 설명해야할 요소들이 많기 때문에 2편에서는 전면발광방식 자체의 설명에 집중할 겁니다.


먼저 배면발광에 대해 차근차근 알아봅시다. 배면발광은 굉장히 전통적인 OLED 소자구조를 갖고 있습니다. 그 옛날 코닥의 Tang 박사가 제안한 최초의 OLED 소자구조[각주:3]도 바로 배면발광 방식이었습니다. 당시에 처음 OLED 구조를 설계할 당시 Tang 박사는 이런 생각이었을 겁니다. 


빛이나는 소자니까 투명전극을 사용해야겠군 - ITO(Indium Tin Oxide)사용

유기물을 증착해서 기판위에 올려야겠군 - 다층구조

전극으로 막으면 빛은 나겠지 - 음극증착


일반적으로 생각해도 당장에 빛이 나올지 안나올지도 불투명한 상황에서 이 논리가 가장 합리적이었을 것이며 성공 가능성도 높았을 겁니다. 그렇게 실험은 성공하고 최초의 OLED 타이틀을 거머쥐게 됩니다. 가능성을 확인한 이후 OLED 기술은 비약적으로 발전했고 배면발광 방식은 연구소 단위에서는 큰 문제가 없는 쉽고 기본적인 소자구조로 각인됩니다.


그도 그럴것이 ITO 기판에 유기물을 증착하고 음극을 어떠한 금속을 사용하든간에 금속특성상 높은 반사율을 가지기 때문에 빛을 알아서 기판방향으로 반사(Reflection)시켜주기 때문에 고려해야할 광학적인 문제도, 공정상의 문제도 딱히 없는 구조가 됩니다.


그러나 점점 기술이 발전하고 상용제품에 적용하려고 하다보니 스마트폰 패널같이 소형디스플레이에 OLED를 적용하려면 배면발광 방식은 큰 문제가 있음을 연구원들은 인지하게 됩니다. 바로 개구율(Aperture ratio) 문제가 대두되기 시작합니다. 



<사진2. 배면발광(Bottom emission)방식의 개구율 하락문제>


사진2를 보시면 픽셀 구조에서 검정 부분은 회로(Electronic Circuit)들 영역과 각종 회로구성들(TFT, Capacitor 등)으로 인해 발광하지 못하는 영역이 생김을 알 수 있습니다. 회로 라인[각주:4]은 그렇다 치더라도 TFT와 Capacitor 때문에 낭비되는 공간이 너무나 커보입니다. 실제로 배면발광 구조에서의 개구율의 저하는 같은 면적에서 휘도저하로 이어지기 때문에 일정 화질을 위한 휘도를 내기위해서는 손실된 휘도만큼 더 밝게 발광시켜야 하니 소자수명에도 좋지 않은 영향을 미치게 됩니다.


그런데 대형디스플레이에서는 해상도가 높아도 픽셀크기가 심각하게 작아지지는 않으므로 이 개구율문제가 심각한 문제는 아닙니다. 한개 픽셀에서 필요한 TFT의 크기들은 정해져 있으므로 발광면적을 크게 키우면 개구율이 심각하게 작아지는 것을 막을 수 있습니다. 그러나 소형디스플레이로 오면 이 문제는 심각해집니다. 


최근 출시되는 스마트폰의 해상도가 500ppi(Pixel per Inch, 인치 당 픽셀개수)를 넘어가면서 픽셀의 크기는 50um(마이크로 미터)보다 작아집니다. 머리카락 두께가 100um 정도인 것과 비교하면 점한개의 크기가 육안으로 구분되지 않을 수준에 복잡한 회로들이 모두 형성되어야 하니 소형에서는 도저히 배면발광을 적용하기가 엄두가 나지 않는 상태에 이릅니다.


<사진3. Top emission) 방식의 개구율 상승>


사진3은 전면발광(Top emission)을 적용한 소형 화면의 픽셀구조입니다. 전면발광 방식이니 기판위에 회로들을 어떠한 모양으로 구성하든지 전혀 관계가 없어지며, 이에 따라 개구율은 크게 향상하게 됩니다. 픽셀크기가 작으면 작을 수록 이 개구율 확보는 절대적입니다. 소자의 효율을 10% 올리려면 재료, 소자구조 등의 개선으로 엄청난 노력과 비용이 들어가는데 개구율을 10% 더 확보할 수 있다면 이러한 노력만큼의 이득을 볼 수 있기 때문입니다.


그러면 '일단 개구율이 크면 좋은 거니깐 대형이든 소형이든 전면발광을 사용하면 되지 않을까요?' 라고 질문하시는 분들이 계실것이기 때문에 먼저 답변을 드리면 대형 디스플레이에 적용하는 발색 방식이 RGB 방식이면 전면발광으로 가는 것이 질문과 같이 100%유리합니다. 그러나 대형디스플레이가 공정상의 이유로 RGB 방식을 적용하기 어려운 현재상태에서는 대형디스플레이는 WOLED 방식이 유리하고 WOLED 방식은 절대적으로 배면 발광방식을 선택할 수 밖에 없습니다. 


그러면 왜 RGB는 전면발광이 유리한지, 왜 WOLED는 배면발광을 적용할 수 밖에 없는지, 그 이유에 대해서 다음편 전면발광편에서 다루도록 하겠습니다. 오늘은 OLED의 전면발광과 배면발광 방식의 차이와 배면발광에 대해 알아보았습니다.


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  1. 12. WOLED vs RGB 총정리 (1) - WOLED [본문으로]
  2. 13. WOLED vs RGB 총정리 (2) - RGB [본문으로]
  3. 5. OLED의 역사(1) - 최초의 OLED [본문으로]
  4. 10. OLED의 구조(3) - 회로구조 [본문으로]

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