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2022년 10월 9일 (일) 17:20 판
OLED(organic light-emitting diode, 유기 발광 다이오드)는 유기 화합물 층으로 이루어진 LED 반도체 소자 중 하나이다. LCD를 대체할 차세대 디스플레이로 각광받고 있으며 많은 기업들이 연구 중에 있다.
목차
상세
OLED는 빛을 내는 층이 전류에 반응하여 빛을 발산하는 유기 화합물의 필름으로 이루어진 박막 발광 다이오드(LED)이다.
모바일 등에 쓰이는 소형 디스플레이 분야에서는 삼성디스플레이의 독점에 가까운 상황이며, TV에 쓰이는 대형 디스플레이는 LG디스플레이만이 대량생산에 성공했다. 이 둘이 각 분야 최강(점유율과 기술력 모두)의 자리에 있으며, 그 외에 BOE, CSOT등 여러 회사에서 제조하고 있다.
특히 삼성디스플레이는 소형 OLED 분야에서 엣지 디스플레이나 주사율 120Hz 패널을 양산하고 있고, 모바일 분야의 라이벌 기업이라고도 볼 수 있는 Apple의 iPhone 디스플레이 부품을 납품하고 있다. LG에서는 대형 OLED 분야에서 LG 시그니처 TV에 기술을 접목하여 무려 2.57mm의 매우 얇은 두께의 TV를 발표하고, 롤러블 TV까지 만들었다. 그리고 세계 최초로 8K OLED TV까지 만들었다.
OLED를 "유기 EL"이라고 부르는 경우가 있다. OLED의 일본식 번역어인 유기 일렉트로루미네선스(有機エレクトロルミネッセンス)에서 온 말이며, 당칭완 박사의 논문에서 사용된 용어 "Organic electroluminescent"에서 유래했다. 우리나라에서는 2002년 5월 전면부 표시창이 까만 LG-KP6100이 "최초의 유기EL폰" 타이틀을 갖고 출시되며 이 단어를 사용하기 시작했다. 2004년 일본 소니에서도 클리에 PEG-VZ90에 유기 EL 액정을 탑재하였고, 2013년 즈음엔 유기EL 대신 AMOLED로 용어가 대체되어갔으며 # 지금은 사실상 일본에서만 사용되는 용어가 되었다. 다만 Electroluminescence는 전하를 공급해 빛을 방출하는 '현상' 그 자체를 지칭하는 용어로 자주 사용된다.
2019년, 원래 스마트폰보다 큰 대형 OLED를 양산하지 않던 삼성이 Apple에게 무려 노트북용 OLED 패널을 공급할 예정이다. Apple은 이 패널을 이용해서 MacBook Pro 시리즈와 iPad Pro 시리즈에 적용시킬 예정으로 OLED의 사용 범위가 점차 늘어가고 있다.
2019년 9월 말 Dell은 OLED 게이밍 모니터를 출시할 예정이라고 한다. 해당 모니터의 패널은 LG디스플레이가 공급한다. 다만 3999달러에 달하는 너무 비싼 가격이 문제. 모니터 하나에 470만 원이 넘기 때문에 소수의 매니아들만 쓸 단계이고 아직 상용화라고는 할 수 없다. (모니터가 무려 55인치라서 55인치 OLED TV와 큰 차이가 없다) LG는 2020년 3분기부터 48인치 OLED를 양산한다.
역사
프랑스 낭시 대학교의 앙드레 베르나노스(André Bernanose)와 동업자들은 1950년대 초에 유기 물질의 전기발광을 처음 발견하였다. 이들은 공기 속 높은 교류전압을 셀룰로스나 셀로판 박막 필름에 용착되거나 용해된 아크리딘 오렌지와 같은 물질에 적용하였다. 이렇게 제안된 매커니즘은 염료 분자의 직접 여기(勵起) 또는 전자의 여기이다.
1960년 뉴욕 대학교에서 마틴 사용되고 있는 OLED 적층기능분리형 디바이스 발광소자이다.
최초의 OLED라고 부를 수 있는 소자는 1987년 미국 코닥에서 당칭완(鄧青雲, Ching W. Tang)[3] 박사와 스티븐 밴슬라이크(Steven Van Slyke)가 태양광 셀 연구 도중 발명하였다.
발광 원리
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음극과 양극에 전압을 걸면 각각의 극에서 전자와 양공을 주입한다. 주입된 전자와 정공이 각각의 전자수송층, 정공수송층을 통과해 발광층에서 결합한다.
결합에 의한 에너지로 발광층의 발광재료가 들뜬 상태가 된다. 들뜬 상태에서 다시 기저상태로 돌아갈 때에 빛을 발생한다. 들뜬 상태(일중항)에서 그대로 기저상태로 돌아가는 발광이 형광이며, 일중항 상태에서 다소 에너지 준위가 낮은 삼중항 상태를 경유해 기저상태에 돌아갈 때의 발광을 이용하면 인광(燐光)이다. 들뜬 상태가 돼도 빛으로 잘 이용하지 못하는 에너지는 방사되지 않고 불활성화한다.
음극에는 알루미늄과 은・마그네슘 합금, 칼슘 등의 금속박막을, 양극에는 ITO(Indium Tin Oxide)이라고 불리는 산화 인듐 주석 등의 투명한 금속박막을 사용한다. 발생한 빛은 반사면에 반사되고 투명 전극과 기판(유리판과 플라스틱판 등)을 투과한다.
분류 및 특징
PMOLED vs AMOLED
초기 OLED는 구동 방식에 따라 두 종류로 분류되었다.
- PMOLED - Passive-Matrix Organic Light Emitting Diode 수동형-매트릭스 유기 발광 다이오드
- AMOLED - Active-Matrix Organic Light Emitting Diode 능동형-매트릭스 유기 발광 다이오드
PMOLED는 발광 소자들을 가로세로로 배열(매트릭스)한 후 배선해 해당 행과 열의 배선에 전기를 인가하여 그 지점의 발광 소자가 빛을 내게 하는 간단한 방식으로 되어있지만, AMOLED는 여기에 각 발광 소자마다 제어용 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, 이하 TFT)를 추가하여 각각의 발광 소자를 각각의 TFT가 제어/작동시키는 방식이다.
PMOLED는 구조가 간단하여 저렴하고 기술력도 그리 많이 필요하지 않으며 양산이 용이하다. 길거리에 흔히 보이는 전광판들이 이 PMOLED 방식이다. 그러나 대형화, 고해상도 구현이 힘들고 무엇보다도 깜빡임 현상이 심하다[4]는 단점이 있다. 폴더폰 전면의 작은 정보표시창에 PMOLED가 주로 쓰였다. 이후 TFT-LCD의 가격이 급락하며 OLED에 차용되고 삼성이 AMOLED에 공격적인 마케팅을 전개하면서 PMOLED는 빠르게 사장되었다. 즉 2010년 즈음 이후로는 AMOLED, OLED TV 등등 모두 Active-Matrix 방식이고, 이름을 달리 부르는 것은 단지 상표 문제 때문이다.
AMOLED의 경우, 저분자 발광 소자에 대한 원천 특허는 미국의 코닥사가 가지고 있었으나 LG디스플레이에서 인수하였고, 고분자 발광 소자와 유기물을 제어하기 위한 TFT 기술들 중에서 비정질 금속 산화물 TFT 기술은 일본에서 최초로 개발되었다. 그러나 여러 가지 기술적 난제들을 극복하지 못한 채, 일본 업체들은 양산을 포기하고 대신 LCD에 집중하였다. 이후에 삼성전자가 TFT-LCD의 후속 디스플레이를 AMOLED로 정하고 삼성SDI를 통해 기술 개발을 시작하여 2007년 10월 세계 최초로 양산에 성공했다.
이후, AMOLED를 구현하기 위해 가장 필요한 TFT 기술이 반도체를 만들던 삼성전자의 것과 유사성이 많다는 이유로 삼성SDI의 AMOLED 사업은 2009년 1월부로 삼성전자와 SDI의 합작사인 삼성모바일디스플레이에게로 넘어갔다. 그렇게 약 3년 동안 삼성은 전 세계 AMOLED의 99%를 독점하다시피 납품했으며 2012년 7월, 삼성모바일디스플레이가 삼성디스플레이에 합병되면서 2013년부터 삼성디스플레이가 AMOLED를 제조하고 있다.
WOLED
White OLED. 대형 OLED 패널을 구현(할 수 있는) 방식으로 알려졌으며, LG디스플레이가 밀고 있다.
R-G-B OLED가 각각의 서브픽셀을 담당하는 기존 기술과 다르다. 1픽셀 안의 3~4개의 컬러 서브 픽셀 소자가 모두 백색이며 R-G-B 컬러 필터를 통과해 각각의 색을 내는 구조이다. 백색 소자는 청색 소자, 주황색 소자, 청색 소자를 일렬로 쌓아올려 합쳐진 색으로 백색을 표현하였으며, 내구성이 약한 청색을 2층으로 빛을 내도록 증착하는 특징이 있다.(기술 개발에 따라 앞으로 구현될 구체적인 색소 조합 및 방식은 개선되어 다소 달라질 수는 있다.) 백색 소자들로만 R-G-B 모두를 담당하는 만큼 서브픽셀 증착 공정을 단순화 할 수 있고 상대적으로 OLED 픽셀 크기를 넉넉하게 가져갈 수 있다는 장점이 있다.
WOLED 앞에 붙은 컬러 필터는 LCD의 컬러 필터와 똑같은 역할을 한다. LCD의 해당 픽셀의 백라이트를 OLED 소자로 대체한 것으로 비유할 수 있으나 빛의 세기를 조절하는 액정이 없다. 각 서브픽셀의 백색 OLED가 색과 밝기를 제어한다. 이론적으로 R-G-B 각각 원색으로 구현한 기존 OLED(삼성 AMOLED)의 효율이 WOLED보다 우수한 것은 AMOLED는 3층으로 적층하지 않고 컬러 필터를 거치지 않기 때문이다, WOLED는 수율과 명암비 특성[6]에서 뛰어난 면모를 보인다. 특히 대형 OLED 패널 생산 수율에서 큰 강점(사실상 유일한 선택지)을 보이고 있다.
2019년 대형 OLED 패널을 양산 중인 업체는 세계적으로 LG디스플레이가 유일하다. OLED TV는 LG 전자와 파나소닉, 소니 등 일본 업체들과 스카이워스, 창홍, 콩카등 중국 업체, 필립스, 로에베 등 유럽 업체들에서 출시된다.
컬러 필터의 투과 효율/수명과 전력 효율 극한으로 끌어올리게 되면 궁극적으로 QD-OLED가 된다. 컬러 필터를 퀀텀닷 필름으로 대체하고 백색 소자를 청색 소자로 바꿀 경우 청색 컬러 필터와 주황색 발광 소자(즉 청/주/청 3층을 청색 1층으로 줄일 수 있다.)를 생략할 수 있기 때문이다. 하지만 청색 소자가 백색 소자보다 수명이 짧다. 물론 QD-LED는 WOLED와 구조적으로만 비슷하고 기술적으로 완전히 다르기 때문에 상대적으로 구현이 어렵다.
상표와 기술명이 혼재되어 있어 다소 오해의 소지가 있는 점을 짚자면,
- WOLED는 사실 AMOLED다. 삼성의 AMOLED에 대응하여 LG의 WOLED로 마케팅을 하는데, 사실 AMOLED는 OLED의 구동 방식 중 하나일 뿐 결국 WOLED도 AMOLED라고 할 수 있다.
- WOLED는 "OLED 백라이트 LCD"와 다르다. WOLED는 각각의 서브픽셀이 독립적으로 빛을 내고, OLED 백라이트는 화면 전체가 빛을 낸다.
- RGBW (혹은 M+) 와는 결이 전혀 다른 얘기다. 이는 컬러 필터의 서브픽셀 배치 방식일 뿐이지 빛을 내는 방식은 아니다. 단지 W를 추가하기 쉬운 구조이기 때문에 주로 사용된다.
- 쉽게 말하자면 흰색 OLED 3개에 각각 적/녹/청을 색칠한 화면(칠하지 않은 서브픽셀은 흰색이 된다. RGB'W')이라고 보면 된다. 게다가 OLED는 전기를 인가하면 스스로 빛을 내기 때문에 LCD 처럼 백라이트에서 비추는 빛의 양을 조절하는 액정 구조마저 필요없다. 따라서 LCD의 장점과 OLED 장점만 혼합한 형태이다. 단지 백색을 만들기 위해 발광층이 3층으로 만들어진 데다 컬러 필터를 통과해 밝기가 떨어지는 단점이 있으나 WRGB는 모든 소자를 백색으로 만들기 때문에 기존 AMOLED의 녹/청색 서브픽셀 수명이 짧아 생기는 청색 번인 현상 문제로부터 좀 더 낫다는 점과 백색 표현 효율이 더 높다는 점이 장점이다.
QD-OLED
퀀텀닷 기술을 채용한 OLED. QD-LED와는 다르며, 청색 OLED 발광원 위에 R-G-B QD 발광층를 통과하는 형태의 디스플레이이다.
CES 2022에서 삼성디스플레이가 첫 상용화를 발표했으며,에일리언웨어의 게이밍모니터를 시작으로 각각 삼성전자와 소니에서 해당 패널을 채용한 TV를 출시한다.
여러 의미에서 LG의 WOLED보다 앞선 기술이고 세계 최초의 상용화는 물론 실제 소매 가격대까지 경쟁력있게 구현한 쾌거였지만, 삼성은 제대로 홍보를 하지 못해 일반인들은 물론 신기술에 관심있는 사람들도 QD-OLED 기술이 상품으로 2022년 기준 이미 출시되어 있다는 사실을 거의 모르고 있다. 그 이유는 삼성 마케팅에서 LG OLED를 디스하기 위해 공식 보도자료나 홍보영상을 통해 OLED의 번인 현상을 지속적으로 까발렸기에 이제 와서 OLED의 약점을 그대로 내포한 QD-OLED를 하루아침에 띄우기엔 무리수였기 때문.
위에 말도 사실이나, 삼성입장에선 TV시장의 규모는 한정적인데 LCD패널의 가격이 계속 낮아짐에도 QLED TV의 판매량이 나쁘지 않고 프리미엄 마케팅으로 마진도 더 많이 챙겨먹을수 있다. 또한 QLED보다는 수율이 떨어지기에 삼성전자 내부에서도 크게 메리트가 없어보인다라는 의견이 있다.
선출시한 삼성의 S95B는 해외에서는 호평 받고있다고 한다.
번인이 없는 것은 사실이나, 수명문제가 완전히 해결된 것은 아니다.
블루OLED 위에 퀀텀닷 컬러필터로 RGB를 구현하는데 이는 번인문제는 해결되더라도 장기간 사용시 화면의 밝기 등이 감소할 수도 있어보이는 방식이다. 실제로 이게 어떨지는 아직 시간을 두고 지켜봐야 할 것으로 보인다.
장점
응답 속도도 LCD에 비해 매우 뛰어나다는 말이 있었다. LCD의 응답 속도는 밀리초(ms)로 측정하고, OLED의 응답 속도는 마이크로초(μs)로 측정했기 때문. 다만 응답 속도는 소자에 한하여 빠르며, 실제로는 회로에서의 지연 때문에 LCD와 큰 차이는 없다. 다만 OLED 자체가 프리미엄 기술이고 기존 LED 방식과 구조적으로 다른 만큼 제조사들도 4k 이상의 고화질에 120hz 고주사율을 동시 탑재하는 등 대체로 성능 자체는 상당히 높다. 삼성의 신형 스마트폰들과 LG의 OLED TV들도 기본적으로 고화질/고주사율이 동시 탑재된다.
가벼움
전기를 인가하면 소자가 스스로 빛을 내기 때문에 LCD와 달리 백라이트가 필요없는 덕분에 얇게 설계하여 경량화 할 수 있는데다 야외에서도 또렷한 가독성을 제공한다. 이 차이가 어느정도냐면, 일반적인 65인치 LED TV가 25~35kg정도 되는데 LG 65인치 OLED는 고작 7.8kg밖에 안 된다. 77인치의 대화면도 성인 한명이 들고 나르기에 무리가 없는 수준.
높은 전력 효율
전기를 인가하면 스스로 빛을 내다보니 어두운 영상을 표시할 때는 소자의 전력 소모가 줄어들기 때문에 실 사용 환경에서의 전력 효율이 높다. 밝은 영상에서도 LCD보다는 전력 효율이 좋다.
LCD와 비교하면, LCD는 특성상 어두운 영상이나 밝은 영상이나 전력 소모가 별 차이 없다. LCD도 백라이트를 조절하면 어느 정도 가능하기는 하지만 영상 품질 등의 문제로 이런 방법은 별로 쓰이지 않는다.
뛰어난 명암비
백라이트 방식이 아니기 때문에 검은 화면은 아예 소자를 꺼버릴 수 있어서 명암비와 색 재현력도 대단히 좋은 편. 특히 블랙은 완전한 블랙이다. 명암비가 좋다는 VA 패널 LCD 보다도 더 좋다. 따라서 명암비가 무한에 가까우며 '∞:1'로 표기하지만 실질적으로 빛이 없음을 측정할 수는 없기 때문에 2,000,000:1 또는 3,000,000:1과 같이 매우 큰 숫자로 표기한다.
이렇게 명암비부터가 LCD에 비해 매우 뛰어난 덕분에 관심이 있는 사람이 아니라면 체감하기 쉽지 않은 기존 IPS/VA/TN 방식의 디스플레이들과 달리 OLED는 LCD 방식의 디스플레이들과 성능 간극이 상당히 커서 둔감한 사람도 화질 차이를 체감하기 쉽다.
단번에 봐도 LCD를 탑재한 iPhone 11보다 OLED를 탑재한 iPhone 11 Pro, iPhone 11 Pro Max의 블랙이 더 선명하다. TV 판매점에서도 OLED와 LCD를 같이 진열해둔 경우 매장의 밝은 조명과 맞물려 차이가 확 드러난다.
또한 암부 뿐 아니라 반대로 특정 부분만 밝기를 올릴 수도 있기에 HDR 컨텐츠 표현에 매우 적합하다. HDR이 뛰어난 명암표현만 의미하는 것은 아니나, 일단 사실상 무한대인 명암비로 표현 가능한 부분은 OLED를 따라올 기술이 없다. 백라이트가 존재하는 디스플레이도 미니 LED과 로컬 디밍 기술로 비슷하게 구현은 가능하나 당연히 픽셀 하나하나를 끄고 켤 수 있는 (양질의) OLED 디스플레이의 품질은 절대 따라오지 못한다.
뛰어난 밝기 균일도
백라이트 LED의 갯수가 픽셀 수보다 적을 수 밖에 없는 다른 패널은, 분산판과 산광기를 배치해도 어떻게든 백라이트 전구에 가깝고 멀고의 휘도 차이가 존재한다. 문서를 스크롤하며 글자를 눈으로 따라가면 조금만 의식해도 위치별 휘도 차이를 눈치챌 수 있다.
OLED와 mLED 만이 이 부분에서 자유롭다. 흰 화면의 우수한 균일도는 특히 문서를 볼 때 깔끔함이 더욱 강조된다.
단점
번인 현상으로 인한 짧은 수명
발광 소자의 수명이 짧아서 PDP나 CRT와 같이 같은 색을 오랫동안 노출하면 번인 현상이 일어나 눈에 보이는 얼룩이 남게 된다. 이는 소자에 사용되는 유기물은 시간이 지나면 필연적으로 변질되는 데다 열에 약한 물질이기 때문이다. 유기물은 시간이 지나면 서서히 산화되며 발열에 의해 물성이 비가역적으로 변질된다. 때문에 전시장과 같이 오랜 시간 밝게 켜져 있는 환경에서는 몇 주도 안 된 신품에서도 얼룩덜룩해진 화면을 볼 수 있다.
다만 시간이 지나면서 소프트웨어적으로 번인 현상을 예방하는 기술이 많이 나와서, 제대로 설계 및 제작된 최신 제품은 번인 위험이 없는 것은 아니지만 이전에 비하면 번인 현상이 쉽게 발생하지 않는다.
기술의 발달로 RGB 중 빨간색이나 녹색은 많이 좋아졌으나 아직 파란색은 갈 길이 멀다는 평이다. 이런 문제 때문에 OLED 디스플레이를 많이 쓰는 스마트폰에 대해서는 블루라이트 필터가 개발 탑재되기도 했다.
여담이지만 삼성전자에서는 OLED의 이런 문제점을 해결하기 위해 수명 문제가 없는 양자점 디스플레이, 즉 전기를 인가하면 스스로 빛을 내는 QD-OLED에 대한 연구를 진행하고 있다. 그러나 QD-OLED는 아직 개발되려면 멀었고, 임시방편으로 나온 QD-LCD 방식의 QLED TV 는 일반적인 LCD에 QD 필터를 적용한 것일 뿐이라 LCD의 단점이 고스란히 유지되고 있다.
LG의 경우 장시간 시청하는 일이 잦고 화면이 커서 번인이 더 눈에 띄는 TV 분야인데다가 제품 가격도 다른 TV에 비해 상당히 높기 때문에 소비자들의 우려가 더 큰 편인데, 세대가 바뀜에 따라 많이 개선되고 있기도 하지만 혹시 번인이 발생하면 보증기간 내에 그냥 기판만 제외한 패널 전체를 통째로 교체해주는 방식으로 해결하고 있다. 심지어 신형 패널이 나온 이후라면 해당 패널로 바꿔주기도 한다는 듯. 애초에 고가의 프리미엄 제품이라 가능한 케이스라고 볼 수 있다.
동영상
참고자료
같이 보기
