반도체와 OLED
물리 덕후의 과학-기술 소개
저번 포스팅의 주제는 QLED 였습니다. QLED는 양자점(퀀텀닷) 자체발광 반도체 소자였죠?
그 때 어물쩡 반도체와 LED에 대해서 언급만 하고 넘어갔기 때문에 이번 주제는 반도체와 OLED!
(주의, 양자역학에 관련된 글입니다. 현기증이 날 수 있습니다. 해결책으로 이 글을 읽고 오시면 편해집니다, 좀 쓴 약입니다)
1. 전자가 가질 수 있는 에너지 영역, 에너지 밴드
양자역학에 따르면, 전자는 특정 에너지만을 가질 수 있습니다. 그런데, 원자가 무진장 많이 뭉쳐있으면 이 에너지 레벨이 촘촘하게 겹치게 됩니다. 뭉쳐있는 전자들은 가질 수 있는 에너지의 띠를 형성하게 되고, 가질 수 없는 영역도 마찬가지로 크게 분리됩니다.
에너지 밴드(띠)의 형성
에너지 띠를 간단히 표현간단히 도식화하면 위 그림과 같습니다. 두개의 띠가 보이시죠? 이 때 위쪽 띠를 전도띠(Conduction band)라고, 아래쪽 띠를 가전자띠(Valence band)라고 합니다. 그 중간에 있는 에너지는 전자가 가질 수 없습니다. 이 중 전도띠에 있는 전자는 자유롭게 움직일 수 있습니다. 전도띠는 마치 VIP석과 같아서 전자가 더 자유롭게 활동할 수 있다고 보시면 됩니다.
VIP존으로 쉽게 출입할 수 있느냐 없느냐를 기준으로 장소를 구분할 수 있습니다. 이를테면 세상에는 VIP존에 쉽게 출입해서, 자유를 누릴 수 있는 장소가 있습니다. 아마도 내가 연회비를 낸 쇼핑몰 같은 곳? 반면에 쉽게 대접받지 못하고 속박 당하는 곳도 있습니다. 예를 들면 군대같은 곳이...
마찬가지의 기준으로 금속과 절연체를 구분할 수 있습니다. 전자가 쉽게 VIP존에 출입할 수 있는 장소면 금속이고, 출입조차 못한다면 절연체가 됩니다. 반도체는 금속과 절연체의 중간적 성질을 띕니다. VIP존과 일반석의 간격이 넓지는 않아서 인간이 전자를 위해 조금만 힘써주면 자유를 누릴 수 있습니다.
반도체에 대한 설명, 출처: LG디스플레이 블로그2. 전자가 빈 자리에 생성되는 정공(hole)
일반석이 스무자리 있는 장소에서 한명이 VIP가 되면 19자리가 되고 한자리가 남습니다. 마찬가지로 가전자띠에 있던 전자가, VIP존인 전도띠로 이동하면 그 공간은 비게 되는데요. 그것을 정공(hole)이라고 부릅니다. 우리가 반도체의 일반석에 있던 전자에게 조금 힘을 써줘서, VIP존으로 이동시켜 줄 수 있겠죠. 그러면 정공이 생성됩니다.
그런데, 어떤 물질에서는 가전자띠에 있는 정공과, 전도띠에 있는 전자가 만나면 그 에너지 차이만큼 빛을 방출합니다. 이것이 바로 LED의 원리입니다.
LED의 원리, 정공과 전자가 결합하고 그 에너지 차이만큼 빛이 방출3. 유기 반도체 발광 물질, OLED
OLED는 유기물질(Organic) 반도체로 LED를 만든 것입니다. OLED는 정공과 전자를 주입받아서, 그 둘이 결합할 때 나오는 빛을 이용합니다. 이때 각기 다른 에너지 차이를 갖는 물질로 LED를 만듭니다. 이 에너지 차이는 빛의 색깔을 결정하게 됩니다. 따라서 OLED는 각각 특수한 색을 내는 반도체라고 보시면 됩니다.
OLED가 빛을 내는 원리, 정공과 전자의 결합 (출처: 삼성디스플레이 블로그)5. 자체발광소자 OLED
LCD는 백라이트에서 나온 빛의 편광을 조절해서 화면을 표현했었죠? (포스팅 참조: LCD에 대한 글 )OLED는 LCD와 다르게 직접 빛을 방출합니다. 자체발광소자인 셈입니다.
LCD의 경우에는 액정과 BLU(발광원)이 반드시 필요했습니다. 이때 발광원의 빛을 액정 분자가 통과시키는지 아닌지가 중요합니다. 분자가 직접 이리저리 움직이느라 시간이 걸릴뿐더러 빛을 끌 수가 없어서 일반적으로 색 재현도가 높지 않습니다.
그러나 OLED는 다릅니다. 자체 발광소자로 액정이나 BLU가 필요하지 않습니다. 그래서 LCD보다 얇게 만들 수 있으며 반도체 소자로서 반응속도도 빠릅니다. 게다가 직접 끌 수 있기 때문에 색 재현도도 높은 편입니다. 그렇기 때문에 차세대 디스플레이로서 지금껏 상용화가 연구되었고, 지금은 TV제품 및 휴대폰으로도 나오고 있습니다.
LCD와 OLED, 두께차이가 현저하다(출처: LG 디스플레이 블로그)여기까지 읽어주신 여러분, 이번에도 감사합니다.
머리를 싸매고 이해할만한 내용을 읽은 우리에게 박수를!! 사실 이번 주제는 정말 어려운 주제입니다. OLED나 LED는 많은 사람들이 기술로써 사용하지만, 실제로 전자와 반도체 기술의 원리는 간단하지 않기 때문입니다.
요즘은 점차 OLED가 상용화되고 있고, 대세가 되는 중입니다. 기술의 발전속도가 워낙 빠르다보니 트렌드가 바뀌고 있는 거랄까요. 제가 학교 다닐 때 교수님이 OLED 기술 창업으로 얼마전 코스닥에 상장하셨다고 한 내용을 들은 적이 있습니다. 그 기업은 LG디스플레이 협력업체인데, 10년간 관련 기술을 연구하셔서 이제야 상용화가 되고 있다고 하더라고요. 아직 상용화되지 않은 기술 중에는 진짜 말도 안되는 것들도 많습니다. 투명 디스플레이라든지, 상변화 메모리라든지....차차 소개드릴 수 있었으면 좋겠습니다.
