25. 배면과 전면발광(Bottom vs Top emission) (2) - 전면발광

우연찮게 길에서 주운 로또랄까~♪

지난시간까지는 배면발광(Bottom emission)에 대해 다루면서 배면발광과 전면발광(Top emission)의 차이점에 대하여 비교해 보았습니다. 간단히 정리해보자면 배면발광은 기판쪽으로 빛이 발광되는 방식, 전면발광은 기판의 반대방향으로 빛이 발광되는 방식입니다. 여기서 이 발광 방향 때문에 배면발광은 개구율(Aperture ratio)에서 손해를 볼 수 밖에 없고, 전면발광은 이 문제에 대해 자유롭기 때문에 개구율문제에 민감한 소형패널에 적극적으로 적용할 수 밖에 없었다는 것 까지 저번 시간에 정리했습니다.

대형패널 = 개구율확보 필수 아님 = 배면발광

소형패널 = 개구율확보 필수 = 전면발광

위 공식은 절대적인 것은 아니고 마음만 먹으면 제조사들이 원하는 형태로 제품을 만들 수 있지만, 현재는 위 공식이 유리하기 때문에 적용하고 있습니다. 여기까지는 뭐 어려운 부분이 전혀 없었기 때문에 이해하시는데 문제가 없으셨을 겁니다. 그러면 오늘의 주제인 전면발광을 소형패널에 적용하려다보니 일어난 로또같은 엄청난 현상이 나타납니다. 바로 그 유명한 미소공진효과(Microcavity)입니다.

개구율 문제를 해결하려 초창기 배면발광으로 시작했던 OLED를 거꾸로 발광시키려고 투명전극을 뒤엎어 전면발광소자를 만들었던 연구원들은 아래 그림과 같이 음극의 투과율을 개선하려고 노력합니다.

<사진1. 투명한 음극과 불투명한 음극을 가진 전면발광 OLED비교>

누구나와 마찬가지로 처음 연구진들은 당연히 기판반대방향으로 빛이 많이 나가야하므로 음극을 최대한 투명하게 만듭니다. 물론 이 과정이 쉬운 방법은 아닙니다. 투명전극인 ITO를 ETL위에 스퍼터(Sputter)로 증착하게 되면 스퍼터의 큰 에너지로 ETL을 구성하는 유기물들이 손상을 입게 됩니다. 그래서 금속을 얇게 증착하여 투명하게 만드려다보니 10nm이하로 증착해야 하는데 이 정도가 되면 금속이 워낙 얇다보니 안정성이 떨어지고 면저항(Sheet resistance)도 급격히 증가하는 문제점이 나타납니다. 그래도 어찌어찌하니 최대한 투명하게 소자를 만들었더니 생각보다 소자특성이 좋지 않게 나타납니다. 

그런데! 대충 만들기 쉽고 비교적 안정하게 음극을 불투명한 투과율인 40~50% 투과율을 갖도록 소자를 만들었더니 아니나다를까 소자특성이 상당히 개선되는 것을 발견합니다. 이 음극은 대부분 마그네슘(Magnesium), 은(Silver) 혼합 금속인 Mg:Ag를 12nm 정도 증착하여 구성하게 됩니다. 그건 그렇고 아니 상식적으로 통과하는 면쪽 전극이 투명해야지 많은 빛을 투과할 수 있는 것이 당연하다고 생각한 많은 사람들의 예상이 보기좋게 빗나가게 됩니다. 이러한 현상의 원인은 바로 계속 언급되고 있는 미소공진효과(Micro-cavity effect)에 의해 이러한 특징이 나타납니다. 그러면 이 미소공진효과가 과연 무엇인지 살펴봅시다.

<사진2. 미소공진효과(Microcavity effect) 설명>

사진2가 약간 복잡해 보일 수도 있으니 차근차근 설명을 들어봅시다. 발광마다 번호를 붙여놓았습니다. 1번 발광부터 확인해봅시다. 1번발광을 보니 음극이 불투명하다보니 여러번 반사되어 유기층들을 반복하여 왔다갔다하고 있습니다. 우리가 주목해야할 현상이 이 현상입니다. 왜냐하면 음극이 불투명하지 않다면 빛은 애초에 이렇게 반복적인 경로를 가지지 않았을 것이기 때문입니다. 2번 발광은 그냥 통과해버리는 경로이군요. 3번 발광을 보면 2번 발광을 조금더 자세히 그려놓았습니다.

아! 우리는 빛이 파동이라는 것을 그동안 잊고 있었습니다. 빛의 파동적인 성질[각주:1] 때문에 일어나는 다양한 현상 중 보강간섭(Constructive Interference)와 상쇄간섭(Destructive Interference)를 우리는 주목해야합니다. 빛은 파동이기 때문에 위상이 일치하는 두 파동이 만나면 보강간섭이 일어나 파동의 강도(Intensity)가 세지고, 위상이 반대인 파동이 만나면 파동이 약해지거나 아예 사라집니다. 

그래서 2, 3번 발광과 같이 다른 파동과 상호작용이 없는 발광은 그냥 자기만의 파동의 크기로 투과됩니다. 그러나 1, 4번과 같이 여러번 유기막을 가로지르는 빛은 반복해서 반사되는 파동의 위상이 일치할 경우 4번과 같이 보강간섭이 일어나면서 파동의 강도가 세지게 됩니다. 빛이라는 파동의 강도가 세진다는 것은 휘도가 밝아진다는 것을 의미 합니다. 즉, 반투명한 음극을 도입했더니 소자내에서 빛이 공진하는 현상이 일어나고 이때 유기물들의 두께 조건이 잘 맞아 위상을 일치시킨다면, 휘도상승으로 이어진다는 것입니다.

그러나 4번같이 위상을 일치 시킬수 있는 파장조건이라면 보강현상이 일어나지만 5번 발광처럼 파장이 잘 맞지 않는 두께 조건을 갖고 있다면 보강현상이 일어나지 않고 심하면 상쇄현상이 일어나 휘도가 오히려 감소합니다. 따라서 전면발광을 잘 이용하려면 이 미소공진효과를 효과적으로 이용하는 소자조건을 모두 만족시켜야 함을 알 수 있습니다.

단지 개구율을 개선하려 전면발광을 시도하려 했는데 어쩌다보니 소자특성을 효과적으로 개선시킬 수 있는 돌파구까지 마련한 셈이므로 잘못들어간 골목길에서 로또를 주운격이 됩니다. 실제로 전면발광소자의 특성은 배면발광과 비교도 되지 않을 정도로 개선됩니다. 

전면발광소자가 갖는 장점.

휘도상승 : 보강간섭에 의한 효과.

반치폭 감소 : 조건에 일치하는 파장만 보강되고 조건이 맞지 않는 파장은 상쇄되므로 스펙트럼이 좁아져서 색순도가 급격히 개선 됨.

수명개선 : 배면발광과 같은 전류밀도라도 휘도가 상승되니 낮은 전류에서 구동하여 수명을 개선할 수 있음.

이러한 좋은 특성들을 가지게 됩니다. 한가지 더 중요한 것은 CPL(Capping Layer)가 중요한데, 이 CPL은 음극 위에 증착되는 층으로써 전면발광소자에서 아주 중요한 역할을 하게 됩니다. 사실 음극과 양극사이에 구성되는 기능층 두께들은 최적의 두께 조건들이 있습니다. 전기적, 광학적 특성들을 고려해서 배면발광시절부터 최적화된 두께들이 있어서 아무리 미소공진효과로 특성이 개선된다하더라도 위상차를 맞추기 위해 큰 범위로 이 기능층들의 두께를 조절하기는 불가능합니다.

그래서 이 기능층들은 발광하기에 최적의 조건으로 그대로 놓은 상태에서 CPL이라는 보조층을 음극위에 증착함으로써 광학적인 역할만 보정해 줄 수 있습니다.

<사진3. CPL 도입 전면발광 OLED 구조>

CPL이 없다면 기능층들의 두께를 마구잡이로 바꾸어야 할것이고, 이는 소자특성 최적화의 관점에서 비효율적입니다. CPL의 두께를 조절함으로써 원하는 파장의 미소공진효과를 최대화 시킬 수 있습니다. 게다가 음극위에 비교적 안정한 재료인 CPL이 더 증착되니 구동하는 유기층 및 산화가 잘되는 금속인 음극을 조금 더 보호할 수 있게 됩니다.

그러면 결론을 내려봅시다. 이렇게 좋은 전면발광을 대형패널에 왜 적용을 안하는 겁니까? 

대형패널 = 개구율확보 필수 아님 = Tandom 구조 = 미소공진효과 적용 불가 = 배면발광

소형패널 = 개구율확보 필수 = 전면발광

현재 적용되는 대형패널은 대면적 증착시 FMM(Fine Metal Mask)의 쳐짐현상으로 WOLED^[각주:2]을 적용하고 있고 WOLED를 구성하려면 탠덤(Tandom) 구조로 만들어야하는데 발광파장이 여러개인 탠덤구조에서는 미소공진효과를 일으키는 것이 극히 어려우므로 전면발광방식이 전혀 장점이 없게 됩니다. 굳이 세팅이 어려운 전면발광 방식을 적용할 이유가 없는 것입니다.

2회에 걸쳐 배면발광과 전면발광 방식의 차이점과 각각의 특징들에 대해 알아보았습니다. 더 궁금하신 점은 댓글로 질문남겨주시면 아는한도에서 답변드리겠습니다 ^^

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1. 12. OLED의 구동원리 (2) - 전자에너지 개념 : 전자의 파동적인 특성에 대해 정리. [본문으로]
2. 12. WOLED vs RGB 총정리 (1) - WOLED [본문으로]