OLED 이야기/OLED 이슈들

12. WOLED vs RGB 총정리 (1) - WOLED

남보르 2018. 4. 23.

 

삼성과 엘지의 박터지는 OLED 전쟁역사의 결과

삼성과 엘지는 디스플레이 분야에서 치열한 경쟁을 오랬동안 해온 우리나라 아니 세계를 대표하는 디스플레이 대표 회사들입니다. LCD 시절부터 IPS니 PV방식이니 액정배향 방식으로 치열하게 싸운결과 승리는 결국 엘지의 IPS 방식이었습니다. 그런데 새로운 OLED라는 플랫폼으로 넘어와서도 두 회사는 서로 '니네꺼가 좋아도 죽어도 너네껀 안써!' 라는 약속을 한듯 역시나 또 다른 노선을 걷고 있습니다.

 

LCD에서는 IPS와 PV는 방식이 다르더라도 대형 LCD나 소형 LCD 모두에서 사용가능하기 때문에 완전히 전면전이었습니다. 거의 2차 대전을 방불케한 총력전이었습니다. 결국은 스마트폰이 전면 터치 디스플레이 필요해지면서 손으로 눌러도 화면에 변화가 없는 IPS 방식이 점차 승기를 굳혀가고 결국은 삼성도 IPS 방식에서 이름만 바꾼 PLS라는 방식을 채용하면서 자존심을 구겼습니다.

 

그러나 이번 OLED에서의 논란인 WOLED(White Organic Light Emitting Diodes)와 RGB(Red Green Blue)방식의 OLED는 서로 적용되는 패널의 크기가 전혀 달라서 직접적인 경쟁을 벌이진 않습니다. 육지에서의 최강의 탱크와 공중에서의 최강의 전투기가 서로 장단점을 비교하는 것과 마찬가지입니다.

 

먼저 이번 시간에는 WOLED에 대해 다룰 예정입니다. WOLED는 이름 그대로 백색 OLED라는 뜻입니다. 뭐야? 그냥 백색(White)과 적색녹색청색(RGB)이라는 뜻인데 왜 적용 패널의 크기가 달라? 라고 질문하시는게 당연히 옳은 질문입니다. 이 결론은 다음 총정리 2탄에서 최종 마무리 하도록 하고 지금은 WOLED의 특징과 구조를 먼저 알아보고 더 쉽게 결론에 도달해 보도록 하겠습니다.

 

먼저 디스플레이 소자를 백색을 만드려면 어떻게 해야할까요? 백색을 만드는 가장 쉬운 방법은 RGB 모든 색상을 섞는 방법입니다. 그런데 현재 LG에서 사용하고 있는 WOLED 같은 경우에는 두가지 색만 가지고 백색을 구현하고 있습니다. 에이 그게 무슨 백색이야 라고 우길 수도 있으나 두가지 색으로 만든 백색과 세가지 색으로 만든 백색을 우리 눈으로는 구분할 수 없습니다.

 

그럼 어떤색 두가지를 섞어야 백색이 될 까요? 청색과 적색? 음 두가지를 적절히 섞으면 백색이 나오긴 합니다. 그러나 녹색 영역이 배제 되었기 때문에 조명에서는 사용할 수 있지만 디스플레이용으로는 녹색구현이 불가능하므로 사용할 수 없습니다. 그렇다면 다른 어떠한 색 조합을 하더라도 한가지색이 빠지니 디스플레이에서는 적용할 수 없는것 일까요? 아닙니다 한가지 방법이 있습니다. 바로 적색과 녹색을 섞어서 적녹색 즉, 오렌지 색을 만들어 버리면 어느 한가지 색도 빠지지 않고 두가지 색으로만 백색을 만들어 낼 수 있습니다.

 

 

<사진1. 청색, 적녹색 OLED의 EL spectrum과 두 스펙트럼의 합 그리고 인간의 등색함수>

 

사진1은 청색과 적녹색 OLED의 EL 스펙트럼을 보여주고 있습니다. 청색은 460nm 부근의 얇은 파장영역에서 발광하고 있고, 적녹색 OLED는 대략 500~620nm 부근까지 폭넓은 스펙트럼을 보여주고 있습니다. 적색과 녹색이 합쳐져서 발광하고 있으니 당연히 EL 스펙트럼의 반치폭(FWHM)이 넓어야 하겠지요. 그러면 이 두 색 청색과 적녹색을 합치면 사진1의 오른쪽 그림처럼 합쳐진 스펙트럼을 갖습니다.

 

가시광 영역인 380~700nm 부근의 거의 전파장을 커버하는 백색을 얻을 수 있습니다. 그러나 '500nm 부근의 스펙트럼의 빈자리가 보이는데 이 파장대가 없으니 백색으로 보이지 않을 것이다'라고 생각하시면 안됩니다. 왜냐하면 이 파장영역은 우리 눈으로 인식을 잘 하지 못하는 영역이기 때문입니다. 굳이 있으나 없으나 우리 눈에서는 이 영역을 제외한 나머지 스펙트럼 영역이 꽉 채워져 있으면 백색으로 인식합니다.

 

색좌표와 색에 관련된 내용은 제 블로그의 5. 색좌표란?? (2) - 실전편에서 자세히 다루었으니 참고 바랍니다. 

 

그러면 우리는 청색과 적녹색을 섞어서 백색을 만들수 있다는 것을 알았습니다. 그럼 과연 어떻게 이 두 색을 섞어야 하는 것인가가 관건입니다. 쉬운 예로 RGB 방식을 들 수 있는데 RGB 방식은 패널에 수평적으로 화소를 채워서 동시에 발광하면 백색, 하나씩 발광하면 해당 색이 구현되는 원리입니다. 그러나 LG의 WOLED 같은 경우에는 이 두가지 색을 수직으로 쌓아올려서 백색을 만들었습니다.

 

이것은 그림이 아니면 잘 상상이 안되는 상황이기 때문에 아래 그림을 보며 이해해보도록 합시다. 

 

 

 

<사진2. Tandem WOLED의 구조>

 

사진2는 청색과 적녹색을 수직으로 쌓아올린 일명 Tantem 구조의 OLED입니다. 이 구조는 너무나 유명한 야마가타대학의 준지 키도 교수님이 제안한 Tandem 구조입니다. 사실 이 구조는 복수의 발광층을 적용하여 효율을 극대화 시키기 위한 구조였습니다. 2003년에 발표된 이 구조는 발광 Unit들을 늘리면서 같은 면적에서 발광을 최대한 많이 시켜서 효율을 올리지만 Unit 개수 만큼 구동전압이 올라가는 특징을 가진 구조였습니다. 

 

만약에 같은 청색 유닛(Unit)을 3개를 복수로 쌓아올린 구조에서는 한개의 일반적인 발광층을 가진 청색 OLED보다 효율이 3배가량 올라갑니다. 상당히 유용한 기술인것 같지만 구동전압도 세배로 올라버리니 전력효율(lm/W)면에서 메리트가 없는 구조가 되므로 한정적인 배터리를 갖는 휴대용 기기에서는 상당히 불리한 구조입니다. 그런데 엘지는 이러한 장점과 단점을 잘이용하여 장점은 효율면에서는 장점이 되고 전력효율면에서의 단점을 상쇄시킬 수 있는 대형 TV 쪽에 WOLED를 사용함으로써 Tandem 구조 적용은 상당히 메리트를 가지게 됩니다.

 

그런데 Tandem 구조인 사진1의 왼쪽의 (1)구조를 보면 맨아래 청색 OLED 유닛과 두번째 적녹색 OLED 유닛간의 연결이 굉장히 어색함을 알 수 있습니다. 아니 ETL 위에 원래 금속음극이 위치되어 있어야 ETL이 전자를 받아와서 청색 유닛을 구동시킬텐데 도대체 청색 유닛은 전자를 받아올 방법이 없습니다. 바로 위에가 적녹색 유닛의 HTL이기 때문입니다. 

 

 

 

사실 유닛을 수직적층하여 발광시키겠다는 아이디어는 키도 교수 이전에도 계속 있어왔겠지만 실현되지 못한 이유가 이러한 전하 전달 문제가 해결되지 못했기 때문입니다. 그런데 키도 교수는 CGL(Charge Generation Layer)라는 전하생성층을 도입함으로써 각 유닛의 연결문제를 해결했습니다. CGL은 N-CGL과 P-CGL로 나뉠 수 있는데 N-CGL은 말그대로 Negative CGL로 전자를 생성하는 CGL이고 P-CGL은 Positive CGL로 반대로 정공을 생성해주는 CGL입니다. 

 

이 CGL층으로부터 각 유닛의 ETL과 HTL은 안정적으로 전자와 정공을 전달받음으로써 정상적으로 구동할 수 있게됩니다. 결과적으로 Tandem OLED의 구조는 사진2의 오른쪽(2) 그림과 같은 모양이 됩니다. 그런데 또하나의 궁금점이 왜 청색 유닛은 위아래로 두개가 있느냐 하는 것입니다. 바로 청색의 수명이 약하다는 점을 기억하셔야 하는데 청색 발광 유닛을 두개가 동시에 발광함으로써 목표 휘도까지 각 유닛은 절반만 발광하면 되므로 낮은 휘도에서 구동이 가능해지므로 청색 유닛의 부담을 조금이나마 덜 수 있게 됩니다. 

 

이렇게 Tandem 구조를 사용하여 백색 발광을 시키는 방식이 WOLED라는 것을 이해가 되셨을 겁니다. 그런데 이 Tandem 구조의 문제점은 바로 색의 구현을 마음대로 하지 못한다는 것입니다. 소자에 전압을 인가시켜 구동시키면 정해진 비율의 청색과 적녹색이 발광되므로 항상 백색으로만 발광합니다. 조명이면 모를까 디스플레이 소자로써는 전혀 쓸모가 없어져 버리는 것입니다. 

 

 

<사진3. LCD, WOLED, RGB OLED 비교>

 

 

그래서 엘지에서는 LCD의 컬러필터(Color filter)를 사용하기로 합니다. LCD는 구조상 발광을 담당하는 CCFL(Cold Cathode Fluorescence Lamp)나 LED를 백라이트로 사용하여 발광을 담당하게 하고 발색은 컬러필터를 통해 구현합니다. WOLED는 이러한 LCD의 방식과 마찬가지로 WOLED를 통해 백라이트로 사용하여 발광을 담당하게 하고 발색은 컬러필터를 통해 구현합니다. 컬러구현 방식이 LCD와 동일하게 되는 것입니다. 따라서 색상과 관련된 수치들이 사실 LCD와 차이를 갖지 못합니다. 

 

단지 WOLED를 사용함으로써 LCD에서의 빛샘현상이 없고 반응속도 시야각 측면에서 다른 큰 기술 적용없이도 상당한 장점을 지니게 됩니다. 그리고 WOLED는 대면적에 모두 같은 구조를 만들어 발광만 시키면 되므로 미세패턴 구현이 필요가 없습니다. 이 점이 RGB OLED와 가장 큰 차이점으로 백라이트로 사용될 WOLED를 대면적으로 한번에 증착시키면 됩니다. 여러번 색깔별로 따로 증착하여 공정개수를 여러번 늘릴 필요가 없어집니다. 이는 수율상 굉장히 큰 장점으로 작용하며 실제로 제조단가를 많이 줄일 수 있게됩니다.

 

컬러필터공정 기술은 이미 LCD 시절부터 상당히 고도화 수준에 이르렀기 때문에 LCD 공정을 그대로 적용하여 사용할 수 있는 장점까지 지니고있습니다. 따라서 WOLED 방식은 대면적의 대형 TV 등에 적용될 때 장점들이 더 부각되므로 엘지에서는 고급 TV쪽 기술전략을 WOLED 방식을 채용하여 현재 OLED TV하면 엘지가 바로 떠오르는 수준에 이르렀습니다. 

 

거기다 최근에는 인공지능 기능까지 더한 프리미엄 OLED TV 브랜드인 ThinQ를 선보이는 등 엘지의 OLED TV 행보가 거침없습니다. 오늘은 엘지 OLED TV 방식인 WOLED에 대하여 알아보았습니다. 다음시간에는 엘지와는 또 다른 방식으로 중소형 OLED 패널에서는 독보적인 기술을 가지고 있는 삼성의 RGB 방식 OLED에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

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