마이크로 렌즈 어레이(MLA)란? LG OLED TV의 새로운 돌파구?

마이크로 렌즈 어레이가 뭐지?

LG에서 2024년에 마이크로 렌즈 어레이(MLA)가 적용된 대형 OLED TV를 출시한다고 합니다. OLED의 소재가 점점 더 상향평준화되어 가고 혁신성이 낮아지는 분위기에서 MLA라는 카드를 내보이는 LG입니다.

 

어떤 MLA는 OLED에서 어떤 카드이고 무엇을 개선하려하는 기술인지 알아보겠습니다.

 

 

제가 항상 말씀드리는 게 바로 'OLED는 미완의 기술'이다라는 것입니다. OLED의 남아있는 많은 문제들은 크게 두 가지로 나뉠 수 있습니다.

 

1. 알고도 해결못하는 문제

2. 해결방법을 모르는 문제

 

오늘 이야기할 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro Lens Array)가 바로 '1번 해당되는 알고도 해결 못하는 문제' 범주에 오랫동안 자리 잡았던 부분을 해결하기 위해 등장한 기술입니다.

 

마이크로 렌즈 어레이라는 말 자체에 이 기술의 모든 것이 포함되어 있는데, 마이크로 사이즈의 작은 렌즈들을 배열하여 OLED의 소자 효율을 높이는 기술입니다.

 

썸네일 그림처럼 작고 이쁜 렌즈들을 OLED 표면에 배열시키는 것이 이 기술의 전부인데, 이 렌즈들이 어떠한 작용을 해서 OLED의 효율을 높이는 것일까요? 

 

꽤나 많은 OLED 관련 포스팅을 해왔지만, 왜 인지 이 부분에 대해서 다룬 적이 한 번도 없었다는 것에 스스로 깜짝 놀랐습니다. 오늘도 쉽게 마이크로 렌즈 어레이에 대해 이야기하도록 하겠습니다.

 

외부 양자효율(EQE)을 이해해야 MLA를 이해할 수 있다?

OLED를 배울 때 거의 맨 처음 나오는 것이 바로 내부양자효율(IQE)과 외부양자효율(EQE)에 관한 이야기입니다. 내부 양자효율은 OLED 내에 주입된 전자가 얼마나 광자로 바뀌는가에 대한 효율이고, 외부양자효율은 만들어진 광자가 우리 눈에 얼마나 많이 도달하는가에 대한 효율입니다.

 

이 이야기는 전자가 힘들게 광자로 바뀌어도 우리 눈에 100% 도달하는 것이 아니라는 것이고, 중간에 광 로스(Loss)가 발생한다는 것입니다. 이 광 로스를 우리는 광추출효율(Outcoupling efficiency)라고 합니다. 

 

결국 최종적인 OLED의 효율은 EQE로 

EQE = IQE X ∮ (광추출효율) 

이렇게 표현할 수 있습니다.

 

인광재료들의 IQE가 거의 100%라고 하면, 광추출효율은 대략 30%가 되어 EQE는 30% 내외가 됩니다. 

??

아니 기껏 힘들게 비싼 인광재료까지 써서 내부양자효율을 100%를 맞춰놨더니 중간에 광로스가 70%나 되어 사라진다는 게 이해가 되십니까

 

형광재료는 내부양자효율이 대략 25%이므로 EQE는 7.5%에 불과합니다. 전자 100개를 열심히 형광 소자에 넣어주면 단지 7개만이 정상적으로 광자로 바뀐다는 것이죠.

 

따라서 OLED는 인광재료를 쓰고 형광재료를 쓰는 것을 결정하는 것도 중요하지만, 그에 못지않게 중요한 것이 이 광추출효율을 상승시키면 재료의 혁신 없이도 큰 폭으로 효율 상승으로 이어지게 만들 수 있다는 것입니다.

 

위 그림을 보면 맨 아래 청록색 부분이 바로 최후로 OLED 소자 바깥으로 튀어나가는 전자의 비율 즉, 최종 EQE 값을 의미합니다. 대략 30%를 기록한 ETL 두께 75nm 부근에서의 여러 광에너지 로스 메커니즘들을 살펴봅시다.

 

대략 40%가 waveguided + Surface plasmons으로 사라지고 없어지는 것을 알 수 있습니다.

그리고는 약 10%가 absorption(흡수) 그리고 그냥 물리적(전기적, 비발광)으로 사라지는 광에너지가 20% 정도 됩니다.

 

10%의 흡수는 음극인 MgAg에서 주로 발생하고, MgAg 전극을 사용하는 이상 이 흡수 10%는 막지 못할 것이며, 20%의 물리적 로스들도 막기 어려울 것입니다.

 

그러면 가장 큰 포지션을 차지하는 waveguided (웨이브가이드)와 Surface plasmons(표면 플라즈몬)을 막으면 무려 40%의 효율 상승을 가져올 수 있다는 것이 됩니다.

 

표면 플라즈몬은 최근 매우 중요하게 다루어지고 있는 현상이고 이를 막을 다양한 방법들이 논의되고 있지만 마이크로 렌즈 어레이는 웨이브 가이드 모드와 연관성이 있으므로 웨이브 가이드 모드를 이번 시간에는 설명하겠습니다.

 

빛이 전반사되는 이유

웨이브 가이드는 도파관 현상이라고도 부르며, 빛의 전반사와 관련이 깊습니다. 빛은 굴절률이 다른 표면에 닿을 때 굴절이라는 현상이 일어납니다. 굴절률이 다른 재료라는 것은 빛이 직진하는 속도가 변한다는 의미와 같으므로 재료의 표면에서 빛의 속도가 달라지면서 굴절되는 것이죠.

 

위 그림에서 1번은 빛이 다른 매질의 표면을 수직 하게 지나가므로 굴절이 일어나지 않습니다. 그러나 2~3번까지는 빛이 지나가는 각도에 따라 굴절되는 각도 또한 변하는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 굴절각도는 두 매질의 굴절률 차이가 클수록 심하게 일어나게 됩니다.

 

4번은 빛이 특정 임계각이 되면 굴절각이 너무 커져서 빛이 바깥으로 빠져나가지 못하고 전반사(total reflection)되는 조건이 생깁니다. 만약 위 그림이 OLED라면 OLED 내부에서 발생한 빛이 외부로 빠져나가지 못하고 유리 측면으로 빛이 나가게 되는 것입니다.

 

OLED에서는 수많은 박막들이 존재하고 그 계면에서 모두 저러한 굴절현상들이 반복되어 일어납니다. 그런데 유기재료들의 굴절률(대부분 1.6~1.8 사이)은 큰 차이가 없기 때문에 전반사 문제가 심각하지 않으나, 최종 유리(굴절률 1.5)에서 공기(굴절률 1)로 나갈 때 무려 50%의 굴절률 차이가 발생하기 때문에 이 전반사 문제가 심각할 수밖에 없습니다.

 

각 계면에서의 굴절률 차이에 의한 전반사 출처 : ETRI

위 그림은 배면 구조라서 유기물 위에 양극(Anode)이 존재하지만 전면 구조와 원리적으로 큰 차이를 보이진 않으니 참고할만합니다. 그러니까 유리기판 전에 유기물, 양극, 음극은 최대한 굴절률 차이가 없는 재료를 선택해야 이들 계면에서 광 로스를 최대한 줄일 수 있으므로 고굴절 CPL이라든지 고굴절 재료가 필요하지만, 어쨌든 최후의 끝판왕 유리와 공기 계면이 존재하므로 이 웨이브 가이드 즉, 도파관 현상은 피하기가 어려운 것입니다.

 

(이러한 도파관 현상을 이용하는 것이 광케이블이다. 빛을 끝도 없이 전반사시켜서 데이터 전송에 사용한다.)

 

따라서 이 광추출 효율을 올리기 위해서는 유리와 공기 계면에다가 무슨 짓이든지 해야만 외부양자효율 EQE를 개선시킬 수 있는 것입니다.

 

어떠한 방법들을 사용할까?

이 웨이브가이드를 줄이는 가장 원초적이고 거의 처음 나온 아이디어가 바로 마이크로 렌즈 어레이(MLA) 기술입니다. 

유리 표면에 동글동글하고 마이크로 사이즈로 매우 작은 렌즈들을 배치하는 것입니다.

 

전반사를 방지하는 마이크로 렌즈 어레이(MLA)

그림과 같이 마이크로 렌즈 공기와 맞닿는 표면에 마이크로 렌즈를 적용하면 위 전반사 그림처럼 전반사되어 밖으로 나가지 못할 운명이었던 각도의 빛들도 렌즈들의 표면에서 굴절되며 외부로 방출될 기회를 얻습니다.

 

물론 그림에서와 같이 빛의 방출 방향이 매우 랜덤 해지기 때문에 해상도가 매우 높은 디스플레이 분야보다는 고른 빛과 효율이 중요한 조명 영역에서 먼저 적용되려는 시도가 이어지고 있었고 조명에서는 이러한 광추출효율 증가를 시킬 수 있는 방법들을 사용하지 않을 이유가 없었습니다.

 

그런데 디스플레이 분야에서는 위에서 언급한 대로 이리저리 빛이 산란에 가까운 굴절을 보이다 보니 명확한 해상도로 보이지 않게되는 문제가 발생하는데 이 점을 어떻게 해결하고자 했는지는 LG 디스플레이의 최신 특허에서 그 해답을 찾을 수가 있었습니다.

 

특허에서 언급한대로 LG 디스플레이에서는 전반사 방지와 함께 마이크로 렌즈를 적용함으로써 생기는 무라(Mura) 현상을 효과적으로 잡는 방법을 찾은 듯합니다. 

 

이와 관련된 추가적이고 더 디테일한 내용들은 구독자분들을 위한 네이버 프리미엄 콘텐츠 남보르의 Allled.TV+에서 다루도록 하겠습니다.

 

https://contents.premium.naver.com/allled/allledtv

남보르의 Allled.TV+ : 네이버 프리미엄콘텐츠

 

오늘은 LG 디스플레이에서 청색 인광 재료가 개발되기 전까지는 한계점에 이른 OLED의 효율을 개선하고자 적용하려는 마이크로 렌즈 어레이(MLA) 기술과 외부 양자효율 그리고 광추출효율 향상에 관한 이야기들을 정리해보았습니다.