자네, 척척박사가 되고 싶은가? 2020 디스플레이 척척박사, 척척사전! -제 1권-

여러분 안녕하세요!
D군, D양입니다~
날씨도 쌀쌀해지고,
어느덧 2020년도 저물고 있네요~
대학생이라면
중간고사를 끝내고 어느새 기말고사 전
지옥같은 과제 시즌을 보내실텐데요!!
다들 잘 살아남고 계신가요?

오늘은 D군과 D양이
디스플레이 척척박사가 되고 싶은 여러분을 위해
2020 디스플레이 척척사전을 준비했습니다!
이 포스팅만 잘~~ 따라와 주신다면
여러분도 바로
디스플레이 척척박사가 될 수 있답니다!

1. OLED의 역사가 궁금해?

<출처 : https://url.kr/2enJOX / LG디스플레이 블로그>
유기 발광 다이오드
즉, Organic Light-Emitting Diode(OLED)는
형광성 유기화합물에 전류가 흐르면
스스로 빛을 내는 자체발광형 유기물질 입니다.
OLED는 1950년대 초에 앙드레 베르나노스에 의해
유기물질의 전기발광이 처음 발견되었습니다.
OLED의 초기 구조는
1965년에 OLED 적층기능분리형 디바이스로
현재 우리가 사용하는 OLED까지
발전해왔다는 사실!

처음에는 한 개의 layer만 사용하여
발광효율이 매우 떨어졌지만,
1980년도에 HTL(정공수송층)을 추가하면서
2-layers가 되었습니다!
여기서 HTL은
소자에서 정공을 전달하는 역할을 합니다!
이후에 성막성과 내열성, 발광 양자효율을
안정성 있고 효율을 증대시키기 위하여
여러 겹을 쌓아서 만들어진 OLED를 사용하고 있습니다.
이러한 구조를 통해 전자나 홀의 이동을 통해
물질별 고유색을 발광하게 됩니다.

이렇게 많이 쌓여 있으면
“두께가 두꺼운 거 아냐?”
하는 생각이 들 수도 있습니다만,
OLED 필름의 두께는???
두구두구두구~~~!

수십µm밖에 되지 않습니다!
대단하지 않나요?!
효율을 증진시키고 안정성까지 확보된 상태에서
수십µm는 엄청 대단한 발전입니다.
또한 나노 크기 픽셀로 OLED 소자를 줄임으로써
효율과 수명 개선 또한 진행되고 있습니다.
순도는 디스플레이 공정에서
매우 중요한 역할을 하는데요.
일반적으로 HPLC를 사용하여 분석합니다!
Main Peak Area와 불순물을 포함한
전체 Peak Area의 상대 비율을 기준으로 삼고,
특정 불순물 Peak 기준치 이하로
관리되는지 분석하는 것이지요!
통상 99.90% 이상의 고순도를 요구합니다.

2. OLED 구동 방법

그렇다면 이번에는
OLED의 구동 방법에 대해 알아봅시다!

OLED는 전기를 가하면 빛을 내는 방식입니다.
전자는 Cathode를 통해,
정공(hole)은 Anode를 통해 이동하여
EML(발광층)에서 결합합니다.
이때 주입층은 정공과 전자가
쉽게 움직일 수 있도록,
수송층은 이들이 발광층으로
빠르게 이동을 할 수 있도록 도움을 줍니다.
결합에 의한 에너지로 발광층의 발광재료가
Excited state(들뜬상태)가 되고,
Excited state에서 다시 기저상태로
돌아갈 때 빛이 발생합니다.

반도체에서 사용하는 용어인
valence band(가전자대)와
conduction band(전도대)와는 달리
OLED에서는
LUMO(반도체에서의 valence band)와
HOMO(반도체에서의 conduction band)라는
용어를 사용합니다.
특히 여기서 Exciton은
Electrostatic Coulomb force에 의해서 결합된
하나의 전자나 정공의
bound state라고 할 수 있습니다!

디:플 포스트에 OLED 발광 원리에 대한
자세한 포스팅이 있으니
궁금하시다면 위 링크를 클릭!!

3. OLED의 동작 원리

전원이 공급되면 전자가 이동하면서
전류가 흐르게 되는데
음극에서는 전자(-)가
전자수송층의 도움으로 발광층으로 이동하고,
상대적으로 양극에서는
Hole(+개념, 전자가 빠져나간 상태)이
Hole 수송층의 도움으로
발광층으로 이동하게 됩니다.
유기물질인 발광층에서 만난 전자와 홀은
높은 에너지를 갖는 여기자를 생성하게 되는데
이때, 여기자가 낮은 에너지로 떨어지면서
빛이 발생하게 되는 것입니다!

발광층을 구성하고 있는
유기물질이 어떤 것이냐에 따라
빛의 색깔이 달라지게 되며,
R, G, B를 내는 각각의 유기물질을 이용하여
Full Color를 구현할 수 있답니다!
단순히 Pixel을 열고 닫는 기능을 하는 LCD와는 달리
직접 발광하는 유기물을 이용한다는 것이 특징이죠!
여기까지가 기본적인 원리에 대한 설명이었고,
좀 더 구체적으로 2가지 방법인
수동형과 능동형에 대해서 알아보도록 하겠습니다!
현재 OLED의 구동 방법에는
수동 구동(Passive Matrix)과
능동 구동(Active Matrix) 방법이 있습니다.

<출처 : LG디스플레이 블로그 / https://blog.lgdisplay.com/2016/05/pixel/ >
수동 구동은 양극과 음극이 교차하는 부분에
OLED 소자를 위치시키는 방식입니다.
OLED 소자는 응답시간이 빠르며,
전압이나 전류 등의 정보를 저장하지 않기 때문에
구동 펄스가 제거되면 곧바로 Off가 됩니다.
따라서 실생활에 쓰일 수 있는
디스플레이 휘도를 유지하기 위해서는
On 상태에서 빛의 휘도가 아주 밝아야 합니다!
순차 구동이라는 특성을 지닌 수동 구동 방법은
이런 조건에서 패널의 해상도와 크기가 증가할수록
소비전력이 급격히 증가하게 됩니다.
따라서 수동 구동 방식의 OLED는
5인치 미만의 디스플레이 기기로 활용되고 있으며
소자의 효율 증가나 구동 전압의 감소,
배선의 저 저항화 기술,
저 소비전력 구동 IC 개발 등의 방안을 통해
소비전력을 억제시키는 연구가 시도되고 있답니다!

<출처 : LG디스플레이 블로그 / https://blog.lgdisplay.com/2016/05/pixel/ >
능동 구동은 하나의 OLED 소자당
한 개 이상의 트랜지스터를 사용하여
각 소자별로 On/Off를 조절하며,
저장용량을 이용하여 정보를 저장하기 때문에
수동 구동 방식에 비해 소비전력이 작아지고
픽셀 형성 공정이 수동 구동에 비해 간단하고,
고해상도의 패널을 제작할 수 있는 장점이 있습니다.
이때 사용되는 트랜지스터는
일반적으로 출력전류가 큰
단결정 혹은 다결정 실리콘 TFT를 사용하며,
대면적에서 저가형으로 제작하기 위해
주로 LTPS TFT(저온 다결정 실리콘 TFT)가 사용됩니다.

OLED 소자는 전류 구동 방식이 유리하기 때문에
기존의 전압 구동 방식의 LCD와는
다른 구조를 가지게 됩니다.
전류 구동을 위해서는
2개 이상의 트랜지스터가 필요하며,
LTPS TFT 사용 시
균일도가 좋지 않은 문제를 보완하기 위하여
3개 이상의 TFT를 사용하는 것이 일반적인데요.
하지만 이렇게 되면
TFT와 기타 보조물 들의 차지 면적이 커지게 되어
실제로 빛이 발생하는 영역은 작아지게 됩니다.
이것을 보상하기 위해서는 전류의 증가가 필연적이므로
전체적인 소비전력 증가 현상이 생깁니다.
그 때문에 일부 제조사들은
이런 소비전력 및 수명감소 현상을 보상하기 위해
빛이 기판의 반대 방향으로 방출되도록 하는
Top Emission 방식을 채용하고 있습니다.
이 경우 투명 전도성 물질을 음극으로 사용해야 하며,
투명 전극이 가지는 전자 주입의 어려움 때문에
여러 가지 해결방안에 대한 연구가 시급한 상황입니다.

4. OLED에 적용되는 LG디스플레이만의 특별한 기술

그렇다면 OLED에 적용되는
LG디스플레이만의 특별한 기술들은 무엇이 있을까요??
바로 첫 번째,
WRGB color filter(컬러 필터)!!

<출처 : LG디스플레이 블로그 / https://blog.lgdisplay.com/2016/09/color-filter/ >
대표적으로 LG디스플레이에서 적용하고 있는
WRGB OLED는!
W(HITE)-OLED를 사용해 발광을 담당하게 하고,
컬러 리파이너를 사용해
컬러를 구현하는 방식을 사용합니다.
WOLED는 RGB 유닛을 적층하는 탠덤 구조로서
ETL –> Blue EML –> HTL –> CGL –> ETL –>
Orange EML –> HTL –> CGL –> ETL –> Blue EML –> HTL
로 구성됩니다.
특히 원래 RGB OLED에는 없는
CGL이 존재하는데요.
ETL 위에 음극이 위치해서
ETL이 전자를 받아와 Blue EML을 구동시켜야 하지만,
바로 위에 있는 Orange 유닛의 HTL층이있어서
전자를 이동시킬 수 없는 문제가 발생합니다!
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서
전하 전달에 필요한 layer가 CGL입니다.
여기서 원리는 N-CGL로 전하생성,
P-CGL은 정공생성이랍니다!
CGL에서 전자와 정공을 생성해
ETL과 HTL이 안정적이게 받아서 발광합니다.
또한 소형 OLED 디스플레이에서는
color filter 없이 픽셀 자체의 빛을
TFT에서 공급되는 전압, 전류로만
개별적으로 제어합니다.
하지만 대형 디스플레이에서는
FMM 방식을 주로 사용하는데요.
FMM 공정에서도
Sagging 현상이나 color 부분의 번짐이 발생하여
컬러필터를 OLED에서 사용하는 경우도 있습니다.
특히 LG디스플레이는 백색을 만들 때
Orange와 Blue를 섞어서 만드는데요.
따라서 발광층에
Orange EML과 Blue EML이 있답니다.
Kodak 사진 13,000장의
CIE(x, y) 색도 좌표를 보았을 때,
우리는 자연상에 흰색이
많이 존재한다는 것을 알 수 있습니다.
따라서 WRGB가 보편적으로
여러 측면에서 효율이 높다고 할 수 있습니다.
여러분!
오늘 D군, D양과 함께 읽어본
2020 디스플레이 척척사전!
어떠셨나요?
OLED 척척박사가 되신 것 같나요??

곧 디스플레이 척척사전 제2권도 포스팅되니,
함께 읽어보신다면
여러분은 디스플레이 척척박사가 되실 수 있을 겁니다!
그럼, 제2권에서 만나요!!