LED·OLED 특성

왜 배우는가: LED와 OLED는 조명과 디스플레이 양쪽에서 가장 널리 쓰이는 광원이라 실무 설계와 선택의 기준이 된다. 기술사 시험에서는 발광 원리, 구동방식, 장단점을 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제126회 2교시 5번, 제91회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

LED는 pn 접합 반도체에 순방향 전압을 가해 전자와 정공의 재결합으로 빛을 내는 고체 광원이고, OLED는 유기화합물 발광층에 전류를 흘려 빛을 내는 자체 발광 소자이다.

• 전기발광(Electroluminescence)
• pn 접합
• 재결합 발광
• 반도체 광원
• 유기 발광층
• 자체 발광
• PMOLED / AMOLED
• 박막 트랜지스터(TFT)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 LED는 전기를 흘려 스스로 빛을 내는 작은 반도체 부품이다. 필라멘트를 달구지 않으므로 열이 아닌 빛을 직접 만든다.

정식 정의는 다음과 같다. LED는 순방향으로 전압을 가했을 때 전기발광(Electroluminescence) 효과로 발광하는 반도체 소자이다. 발광색은 재료의 밴드갭에 따라 정해진다.

pn 접합은 양(+) 성질의 p형 반도체와 음(-) 성질의 n형 반도체를 맞댄 구조다. n층의 전자가 p층으로 이동해 정공과 만나면 에너지 차이가 빛으로 나온다. 이 과정을 재결합 발광이라고 한다. 순방향 구동 전압은 수 볼트 수준이다.

OLED는 빛을 내는 층이 무기 반도체 결정이 아니라 유기화합물이다. 쉬운 말로 하면 얇은 유기 필름 자체가 빛을 내는 화면이나 조명이다. 정식으로는 유기 발광층에 전자와 정공을 주입해 여기자(exciton)를 만들고, 그 재결합 에너지를 빛으로 내는 자체 발광 소자다. 유기 재료는 결정 구조를 갖지 않는 것이 특징이며, 저분자형과 고분자형의 두 계열로 나뉜다.

OLED 디스플레이의 구동 방식은 두 가지다. 패시브 매트릭스(PMOLED) 는 행과 열을 순서대로 하나씩 점등한다. 액티브 매트릭스(AMOLED) 는 화소마다 박막 트랜지스터(TFT) 를 두어 각 화소를 개별 제어한다. 그래서 AMOLED는 고해상도와 대형화에 유리하다.

OLED는 백라이트가 없는 자체 발광 소자다. 그래서 얇고 가볍게 만들 수 있고, 검정을 완전한 검정으로 표현할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

백열등은 필라멘트를 가열해 빛을 얻으므로 에너지의 대부분이 열로 버려진다. 형광등은 수은 방전을 이용하므로 수은 사용과 점등 시간 지연이 문제다. 이 한계를 넘기 위해 전기를 직접 빛으로 바꾸는 반도체 광원이 필요해졌다.

LED는 1990년대 이후 청색 발광이 실용화되면서 백색 조명으로 확장됐다. 저전압 구동, 긴 수명, 빠른 응답 특성 때문에 조명과 표시 장치 모두에서 기존 광원을 대체하게 되었다. 소비전력이 낮아 에너지 절약 설계의 핵심 부품이 되었다.

OLED는 액정 디스플레이(LCD)의 한계를 해결하려고 등장했다. LCD는 백라이트를 항상 켜 두어야 해서 두께와 무게를 줄이기 어렵고, 검정 표현과 명암비에 한계가 있다. OLED는 화소가 스스로 빛을 내므로 이 문제가 없다. 다만 유기 재료는 수분과 산소에 약해 수명과 봉지 기술이 중요한 과제였다.

PMOLED는 구조가 단순해 소형 패널에 쓰이지만 해상도와 크기에 한계가 있다. AMOLED는 TFT를 더해 대형·고해상도 화면을 가능하게 했고, 스마트폰과 TV에서 주로 쓰인다.

• 기준 정리: 순방향 전압은 수 볼트 수준이다.

4. 구성요소·원리·절차

LED와 OLED는 모두 전기에너지를 빛으로 바꾸는 전계발광(Electroluminescence) 소자다. 구조의 차이가 구동 방식과 특성 차이를 만든다. 먼저 LED의 구성과 원리를 보고, 이어서 OLED의 구성과 구동 방식을 본다.

LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 pn접합 구조다. n층의 전자가 순방향 전압으로 p층의 정공과 만나 재결합하면서 에너지를 방출한다. 이때 에너지가 빛으로 나오는 것이 LED 발광이다. 발광 파장은 반도체 재료의 밴드갭 에너지로 정해진다.

OLED는 두 전극 사이에 유기 화합물 박막을 쌓은 구조다. 양극에서 정공, 음극에서 전자가 주입되어 발광층에서 여기자(Exciton)를 만들고, 이것이 바닥상태로 떨어지면서 빛을 낸다. 유기물이므로 결정 구조가 없고, 박막이 얇아 면 발광이 가능하다.

표 아래 설명: LED는 칩 하나가 점광원에 가까워 여러 칩을 배열해 면광원을 만든다. OLED는 발광층 자체가 면이므로 구조상 면광원이다.

LED 발광 절차는 다음과 같다.

• 순방향 전압을 인가하여 pn접합에 전류를 흘린다.
• n층의 전자가 접합면을 넘어 p층으로 이동한다.
• 전자와 정공이 활성층에서 재결합한다.
• 재결합 에너지가 빛(광자)으로 방출된다. 일부는 열로 손실된다.

OLED 발광 절차는 다음과 같다.

• 양극과 음극에 전압을 걸어 정공과 전자를 각각 주입한다.
• 정공과 전자가 발광층으로 이동하여 재결합한다.
• 재결합으로 여기자가 생성된다.
• 여기자가 바닥상태로 떨어지면서 발광한다.

구동 방식은 두 가지다. PMOLED는 행과 열을 순차로 선택하여 한 행씩 켜므로 구조가 단순하지만 대형·고해상도에 불리하다. AMOLED는 화소마다 박막 트랜지스터(TFT)를 두어 각 화소를 독립적으로 켜고 끈다. 소자별 제어가 가능해 해상도와 화면 크기를 키울 수 있다.

발광 효율을 나타내는 식은 다음과 같다.

$\eta = \frac{\Phi_v}{P}$

여기서 \eta는 발광효율(lm/W), \Phi_v는 광속(lm), P는 소비전력(W)이다. 최대 발광효율은 555nm에서 683lm/W이다.

5. 관련 법령·기준·표준

LED와 OLED 제품은 조명용 또는 디스플레이용으로 쓰이며, 전기용품·조명 관련 기준의 적용을 받는다. 국내 조명용 LED 램프는 LED 조명기구 관련 시험 규격 기준을 따른다. 정확한 조항 번호는 여기서 단정하지 않는다. 디스플레이용 OLED는 KS 기준보다 제품 인증과 국제 시험 규격을 함께 본다.

조명 성능 관련 기준값은 다음 표와 같다.

표 아래 설명: 발광효율은 같은 전력에서 얼마나 많은 빛을 내는지를 보는 핵심 지표다. 상용 최고 효율 LED 램프는 200lm/W를 넘는다.

개정 연혁에 대해서는 근거에 명확한 자료가 없어 개정 내용을 서술하지 않는다. 기준 체계는 전기 설비와 조명기구 인증 체계를 따르며, 두 기술의 차이는 기준 수치보다 구조와 구동 방식에서 비롯된다.

6. 유형과 비교

OLED는 구동 방식에 따라 패시브 매트릭스(PMOLED)와 액티브 매트릭스(AMOLED)로 나뉜다. 패시브 방식은 행과 열을 순차적으로 한 줄씩 점등하고, 액티브 방식은 화소마다 박막 트랜지스터(TFT, Thin-Film Transistor) 백플레인을 두어 각 화소를 개별 제어한다. 두 방식의 차이는 아래 표로 정리한다.