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은행나무 아래서 | 지식채널 S

글 : 육경수 화학공학/고분자공학부 교수

저는 현재 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diodes, OLED) 재료 및 소자 관련 연구를 하고 있습니다. 아마 ‘OLED‘는 ’AMOLED’라는 이름과 휴대폰, TV등 의 제품으로서 이미 친숙한 이름 일 것입니다. 하지만, OLED가 무엇인지 모르는 분들 위해 아주 간략하게 설명하자면, 전기를 흘려주면 빛이 나는 장치라고 이야기 할 수 있습니다. 마치 형광등이나 백열전구처럼 전기를 흘려주면 빛을 내기 때문에 OLED 디스플레이를 광고 하는데 있어 ‘자발광’이라는 단어를 사용하게 됩니다. 빛을 내는 원리는 조명 기구에 사용되고 있는 발광다이오드(Light Emitting Diodes, LED)와 유사한 형태로 빛을 냅니다.

OLED와 LED 두 이름에서 오는 차이점을 찾는다면, OLED는 유기물(organic materials)을 사용한다는 것 입니다. 과학에 대한 지식이 없는 이가, 유기물 이라는 단어를 듣게 될 경우 생명체를 이루고 있는 물질을 가장 먼저 떠올리게 될 것입니다. 하지만, 유기물은 탄소 원자를 중심으로 수소, 산소, 질소와 같은 원자가 결합된 물질로 생명체를 이루고 있는 물질을 포함하고 있는 더 큰 범위의 물질을 의미 합니다. 이러한 OLED는 유기물을 머리카락 굵기(100 마이크로미터, 10-6m) 보다 얇은 수십 나노미터(10-9m) 두께로 5~6개 층으로 적층한 구조를 가지고 있는 특징 있고, 사용되는 재료에 따라 다양한 적색, 청색, 녹색의 빛의 삼원색뿐만 아닌 다양한 색과 백색의 빛을 낼 수 있습니다.

저의 경험으로 비추어 보았을 때, 이러한 OLED를 처음 접하게 된 것은 10년 전인 2006년 이였습니다. 수업을 통해 OLED라는 단어를 처음 듣게 되었지만, 제가 이미 사용하고 있는 제품이 OLED를 사용하고 있는지는 전혀 몰랐지요. 당시 사용하고 있던 휴대폰은 비록 규모가 작은 회사에서 생산한 저가형 제품 이었지만 OLED를 휴대폰 화면에 사용한 제품이었습니다.

뿐만 아니라 휴대폰 키패드에 사용되는 광원 또한 OLED를 이용하고 있었습니다. 전자 제품들이 내부가 궁금하면 분해 해보는 것을 취미로 가지고 있었던지라. 휴대폰을 바꾼 후 OLED 어떻게 생겼는지 궁금해 분해를 해 보았습니다. 휴대폰 화면 부품 보다는 키패드를 밝혀주는 기구부가 다른 휴대폰들과는 다르게 가로 3 cm, 세로 5 cm 가량의 매우 얇은 기구부가 면 발광 하는 것을 보고 의아해 했지만 마침 배운 것이 OLED를 사용한 제품 이라는 것을 알게 되었지요.

휴대폰의 두께도 7mm 정도로 지금의 스마트폰처럼 얇았던 것으로 기억합니다. 아마도 가장 얇은 휴대폰 이었지요. 사실 당시에는 OLED를 디스플레이에 사용 한다는 것이 일반 소비자들에게는 제품을 선택하는 기준이 되지 못했습니다. MP3 플레이어와 같은 소형 전자제품에도 사용되고 있었지만 저를 포함한 대부분의 소비자들은 이러한 사실을 모르고 제품을 구입 했던 것으로 기억 하고 있습니다.

지금의 일반 소비자들은 OLED를 이용한 제품이라고 하면 우수한 성능을 가지는 고가의 제품으로 인식 하고, 제품을 선택하는데 중요한 요건으로 작용 할 것입니다. OLED의 가장 큰 활용 분야는 앞서 예를 들었듯이 상용화된 휴대폰, TV와 같은 디스플레이 기기들이 있고, 조명 분야가 있지만 조명 분야에서는 아직 상용화 되지 못 했습니다. 가장 큰 문제는 OLED의 높은 OLED 제조비용으로 낮은 가격으로 조명 제품을 생산 할 수 없기 때문입니다. OLED TV는 일반 LCD TV 보다 훨씬 높은 가격으로 판매 되고 있는 것을 전자 제품 매장에 가보면 알 수 있습니다.

그렇다면 가격 적인 측면에서 고가인데도 어떤 특징이 있기에 OLED가 위와 같은 분야에 이용 될 수 있을까요? OLED의 두께가 얇기 때문에 OLED를 이용한 기기의 두께가 얇아 질 수 있습니다. 또한 유연성을 가지고 있어 다양한 모양의 제품을 만들 수 있어, 휘어지거나 종이처럼 말 수 있는 형태의 제품 또한 구현이 가능합니다. 특히 디스플레이 분야에서는 높은 명암비(화면의 밝은 부분과 어두운 부분을 얼마나 잘 표현하는지 나타내는 수치)를 가지고 있어 어두운 화면을 구현하는 데에는 기존의 LCD TV에 비해 월등히 뛰어납니다.

어두운 화면이 주를 이루는 공포영화를 좋아 한다면 이미지를 선명하게 볼 수 있다는 장점이 있습니다. 조명 분야에서는 넓은 면적으로 빛을 내기 때문에 눈부심이 적고, 그림자가 생기지 않는 조명을 구현 할 수 있습니다. 만약 벽면 또는 천장에 조명 기구가 따로 없이 넓은 면적으로 빛을 낸다고 생각하면 이해하기 쉬울 것입니다.

제가 연구 하는 OLED는 위에 언급한 제품으로 볼 수 있는 장치입니다. 하지만 아직은 가격이 비싸서 선뜻 구매하기 어렵지요, 그래서 어떻게 하면 생산단가를 낮출 수 있을지 제조 공정적인 측면에서도 접근하고 있습니다. 지금의 OLED는 진공(1 x 10-6 torr 이하) 상태에서 재료에 열을 가해 수십 나노미터의 박막을 형성하는 방법을 사용하고 있습니다. 우리가 느끼고 있는 대기압이 7.6 x 102 torr 인 것을 참고하면 진공상태에서는 공기 분자가 거의 없는 상태라 진공 상태를 유지하기 위해 많은 에너지가 필요로 하고, 그만큼 고가의 장비를 사용해야 합니다. 박막이 형성되는 원리는 물을 끓일 때 수증기가 발생해서 차가운 표면에 맺히는 것과 유사한 방법입니다. 하지만 눈에 보이지 않는 두께로 박막을 쌓기는 더 어렵겠지요?

이러한 진공 상태에서 박막을 만드는 것이 아니라 대기압 상태에서 박막을 만들 수 있다면 생산 단가를 크게 낮 출 수 있습니다. 박막, 얇은 두께를 가지는 필름을 쉽게 만드는 법? 아마 여러분은 모두 경험이 있을 것입니다. 그리고 집에도 이러한 장비가 하나 쯤 있는 경우도 많습니다. 그림을 그릴 때, 특히 유화용 물감을 이용하거나 아크릴 물감을 이용할 때 우리는 붓으로 표면에 얇은 막을 만들어서 물건을 칠 할 수 있습니다. 물감이 바로 잉크이고, 가정에 프린터가 있다면 프린터도 잉크를 이용해서 미세한 패턴의 박막을 만들 수 있는 장비입니다.

색을 내는 재료가 물이나 용매에 녹아 있거나 분산되어 있는 잉크를 사용하여, 박막을 만든다면 진공상태로 필요하지 않고, 대기압 상태에서 필름을 만들 수 있습니다. 그러면 생산단가를 낮출 수 있겠지요? 이러한 방법을 용액공정이라고 합니다. 하지만, 한 가지 색의 물감을 칠하고 그 위에 다른 색 물감으로 덧칠을 하면 물감의 색이 섞이거나 번지는 것과 같이, 용액공정을 이용해서 OLED를 만들 때에는 OLED의 특징인 적층형 구조를 만들기 어렵습니다. 어떻게 하면 용액공정으로 적층형 구조를 만들 수 있을지..... 바로 제가 연구하는 핵심 분야이고, 다른 많은 연구자 분들이 연구하고 있습니다. 이러한 문제를 해결 한다면 여러분도 쉽게 OLED를 이용한 제품을 구입 할 수 있게 될 것입니다.

OLED란 무엇인지? 그리고 제가 연구하고 있는 분야는 무엇인지 간략하게 적어 보았습니다. 전공자가 아닌 분들도 이해 할 수 있었다면 좋겠습니다. 제가 바라는 OLED는 지금의 화면을 표시하기 위한 디스플레이보다는 조명용으로 사용 할 수 있는 OLED입니다. 머지않아 별도의 등기구가 필요 없이 벽에 붙이기만 하면 불을 켤 수 있어서 조명으로 사용 할 수 있는 OLED 조명 제품이 나오게 되지 않을까 기대 해 봅니다. 전공자가 아니더라도, 이 분야에 대해 궁금한 것이 있다면 언제든지 연락주세요.

김규현 기자

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