[논문]OLED 조명 패널의 광추출 기술

조두희; 이정익; 추혜용; 오민철

문제 정의

외부 광추출 기술은 본래 CCD나 CMOS 이미지 센서의 해상도를 높이는 용도로 개발된 마이크로 렌즈 어레이(MLA) 등을 이용하므로 광학적 원리에 대한 연구의 역사가 오래되었다. 또한 기판의 외부에 광학 필름을 부착하는 형태로 적용되어 비교적 안전하고 용이하게 광추출 효율을 높일 수 있는 기술이다. 그러나 외부 광추출 기술만을 적용할 경우 현실적인 광효율의 향상이 1.
전면발광의 경우 캐소드는 매우 얇은 은 박막을 포함한 다층박막으로 이루어져 캐소드를 통하여 빛을 방출한다. 조명패널에서 양면으로 발광되는 투명 패널을 제외하고 전면발광 구조가 사용되는 일은 거의 없어 본고에서는 배면발광 구조를 중심으로 광추출 기술에 대해 살펴보기로 한다.

가설 설정

3배의 높은 효율 증가를 나타내었다.^[22]애노드 위에 나노구조를 형성하는 내부 광추출구조는 발광면적을 감소시키는 역할을 하여 단위 면적당 발광하는 광속은 줄어들게 되나 나노구조 상으로는 전류가 흐르지 않으므로 광효율에는 거의 영향을 미치지 않는다. 이 내부광추출 구조는 유기발광층에 직접 요철구조를 형성하므로 수평면 상의 도파모드를 다른 모드로 전환하는 효과가 매우 크다는 장점이 있다.

제안 방법

한편 일본의 동경공대 Takezoe 그룹에서는 PDMS/Al buckled 구조를 이용하여 광추출 효율을 190% 이상 높였다고 보고하였다. 10여년 전부터 내부 광추출 기술과 관련하여 많은 기업과 연구자들이 관심을 가지고 다양한 방법을 제안하였다. 내부 광추출 기술로는 내부광산란층, 기판표면 변형, 굴절률 조절층, 포토닉 크리스탈, 나노 구조 형성 방법 등이 내부 광추출에 효과가 있은 것으로 알려져 있다.
야마사키 등은 550nm 직경의 실리카 비드를 사용하여 외부 광추출을 실시하였고,^[5] ZrO₂입자나 실리카 콜로이드 입자를 기판 외부에 프린트하여 외부 광추출 구조를 제조하기도 한다.^[6~7] 단순한 광추출 효과를 넘어서 청색 OLED의 기판 외부에 down conversion 형광체 콜로이드를 코팅하여 광산란에 의한 광추출 효과 및 백색광을 발광하는 OLED 구조를 제안하기도 하였다.^[8~9] 외부 형광체 콜로이드 구조는 두께 및 형광체 크기, 농도에 따라 흡수되는 빛과 산란 및 재발광하는 빛의 비율이 민감하게 달라지므로 세심하게 설계되어야 한다.
나노구조 패턴의 주기는 수백nm 였으며 높이는 80~160nm 였다. 나노 요철 구조 위에는 폴리이미드계 평탄층을 도포하여 요철 표면을 평탄화하였고 평탄층 위에 ITO, 유기발광층, Al 순으로 적층하여 OLED 소자를 제작하였다. 평탄층의 굴절률은 1.
유리 기판 위에 화학증착 방법으로 SiO₂ 층을 증착하여 나노구조 층을 제작한 후 그 위에 열증착 방법으로 Ag 박막을 올리고 300~500℃로 열처리하여 비젖음 금속 마스크를 제작하였다. 반응이 온식각 방법으로 SiO₂ 층을 부분 식각한 후 질산으로 Ag 마스크를 제거하였다. 나노구조 패턴의 주기는 수백nm 였으며 높이는 80~160nm 였다.
최근 ETRI에서는 금속 박막의 비젖음(dewetting) 현상을 이용하여 불규칙한 형상의 나노 패턴을 가지는 금속 마스크를 제작하고 플라즈마 식각 방법으로 나노구조를 형성하는 방법을 개발하였다. 유리 기판 위에 화학증착 방법으로 SiO₂ 층을 증착하여 나노구조 층을 제작한 후 그 위에 열증착 방법으로 Ag 박막을 올리고 300~500℃로 열처리하여 비젖음 금속 마스크를 제작하였다. 반응이 온식각 방법으로 SiO₂ 층을 부분 식각한 후 질산으로 Ag 마스크를 제거하였다.
W-H Koo 등은 100℃로 예열된 PDMD 필름이 도포된 기판 위에 알루미늄 박막을 얇게 올린 후 상온으로 냉각하여 평균 주기 400nm, 깊이 50~70nm 정도인 불규칙한 주름 패턴을 얻었다. 이것을 나노 임프린트 레플리카로 사용하여 자외선 경화 수지를 도포한 유리 기판에 나노 주름 패턴을 형성하였다. 그 위에 120nm 두께의 ITO를 증착하고 유기발광층 및 캐소드를 적층하여 OLED 소자를 제작하고 전기광학적 특성을 측정한 결과 최고 190% 정도의 전력효율 향상을 관찰하였다.

대상 데이터

H-W Chang 등은 2010년 SID에서 TiO₂ 나노 입자를 혼합한 포토레지스트 용액을 유리 기판 위에 스핀 코팅으로 도포하고 그 위에 ITO와 유기발광층, Ag 캐소드 등을 증착하여 제조한 OLED 소자에서 약 2배 정도의 광추출 효율 증대를 관찰하였다.^[17] TiO₂ 파우더는 평균 직경 400nm를 사용하였고 투명 포토레지스트 재료를 사용하였다. 가장 높은 광추출 효율 증가를 보인 샘플은 포토레지스트 10cc에 2.
저굴절 그리드는 폭 1μm, 간격 6μm 정도로 SiO2를 소재로 사용하여 제작하였고, 회절 효과가 아닌 산란 효과를 이용하였다.

성능/효과

저굴절 그리드는 폭 1μm, 간격 6μm 정도로 SiO₂를 소재로 사용하여 제작하였고, 회절 효과가 아닌 산란 효과를 이용하였다. 34% 정도의 광추출 효율 증가를 나타내었으며 마이크로 렌즈 어레이와 복합할 경우 2.3배의 높은 효율 증가를 나타내었다.^[22]애노드 위에 나노구조를 형성하는 내부 광추출구조는 발광면적을 감소시키는 역할을 하여 단위 면적당 발광하는 광속은 줄어들게 되나 나노구조 상으로는 전류가 흐르지 않으므로 광효율에는 거의 영향을 미치지 않는다.
[11] Dodabalapur 등은 SiO₂/Si_xN_y의 다층박막을 애노드 측에 첨가하여 광추출 효율을 증가시키고 RGB 각 층의 색순도를 높였다.^[12]미소공진 구조는 OLED 소자의 각 층을 증착하기 전에 유사한 증착 방법으로 브래그 미러층을 증착하고 OLED 증의 두께를 조절하면 되어 광추출 구조에 의한 표면 이상이 발생할 염려가 없고 패널 양산에 적용하기가 용이하다. 그러나 미소공진 구조를 OLED 조명 패널의 내부 광추출에 사용하는 데는 큰 문제점이 있다.
^[17] TiO₂ 파우더는 평균 직경 400nm를 사용하였고 투명 포토레지스트 재료를 사용하였다. 가장 높은 광추출 효율 증가를 보인 샘플은 포토레지스트 10cc에 2.39g의 TiO₂ 파우더를 혼합하였고 전광 투과율이 70.7%인 샘플이었다. 광산란층을 적용하면 광산란층이 없는 경우에 비해 광추출 효율이 증가함은 물론, 시야각에 따른 색상변화가 더 적고 Lambertian에 더가까운 배광을 나타내는 것으로 보고하였다.
이것을 나노 임프린트 레플리카로 사용하여 자외선 경화 수지를 도포한 유리 기판에 나노 주름 패턴을 형성하였다. 그 위에 120nm 두께의 ITO를 증착하고 유기발광층 및 캐소드를 적층하여 OLED 소자를 제작하고 전기광학적 특성을 측정한 결과 최고 190% 정도의 전력효율 향상을 관찰하였다.^[26] 현재까지 보고된 내부광추출 기술을 이용한 OLED 소자에서 가장 높은 광추출 효율 향상을 나타내어 많은 주목을 받고 있다.
Lee 등은 유리 기판 위에 SiO₂층을 200nm로 증착하고 홀로그래피 리쏘그래피와 반응 이온 식각법을 통해 주기 600nm, 깊이 200nm의 광결정 구조를 형성한 후 SiNx 버퍼층을 800nm 두께로 증착하였다. 그 위에 ITO와 유기발광층 등을 증착하여 OLED 소자를 제작하고 광학적 특성을 측정한 결과 약 50%의 외광효율 증가를 관찰하였다. 최근에는 나노 캐비티를 이용한 유기 광결정을 이용하여 OLED의 광추출 효율을 크게 높일 수 있다는 사실이 알려졌다.
그러나 최근 활발한 인광재료 개발에 힘입어 내부양자효율과 함께 수명도 크게 향상되어 점차로 상용 제품에 사용되고 있는 추세이다. 그러나 OLED의 내부 양자 효율이 비록 100%라 하더라도 발광량의 약 20%만이 외부로 방출되고 80% 정도의 빛은 유리 기판과 ITO 및 유기소재층의 굴절률 차이에 의한 wave-guiding 효과와 유리 기판과 공기의 굴절률 차이에 의한 전반사 효과로 손실된다.([그림 1] 참조) 내부 유기발광층의 굴절률은 1.
Riedel 등은 유리 기판 위에 Ta₂O₅층을 300nm 두께로 증착하고 레이저 간섭 리쏘그래피와 플라즈마 에칭 방법으로 370nm 주기의 격자를 형성한 후 ITO를 애노드로 증착하지 않고 PEDOT:PSS를 스핀코팅 방법으로 도포하여 평탄층과 애노드의 역할을 동시에 담당하게 하였다. 이러한 나노구조 위에 유기발광층과 알루미늄을 적층하여 OLED를 제작하였는데 평판 유리 위에 제작한 OLED에 비해서 외광효율이 최대 3배 정도 증가하는 것을 관찰하였다. 그러나 상기 구조의 OLED는 용액 도포 방법으로 유기발광층을 적층하고 PEDOT의 전도도가 매우 낮기 때문에 구동전압이 매우 높은 등 전기적 특성이 좋지 않아 실제로 사용하기 위해서는 많은 공정 개선이 필요할 것으로 생각된다.
7 정도 였고 평탄층 표면은 [그림 12-(d)]에 보이는바와 같이 매우 평활하였다. 이러한 방법으로 제조한 OLED는 평판유리를 사용한 기존의 OLED에 비해 약 46%의 전력효율 향상을 나타내었고 누설전류나 저전압 영역 전류밀도도 기존의 OLED와 다르지 않게 안정한 전기적 특성을 나타내었다. 상기 OLED 내부광추출 구조는 대면적에 균일하게 형성하기 용이하며 별도의 리쏘그래피 방법을 사용하지 않아 제조 비용도 매우 저렴하다.
^[22] 특이한 것은 졸-겔 방법으로 TiO₂ 박막을 도포하고 열처리한 후에 PDMS 평판으로 프레싱하여 표면의 요철을 완화하는 평탄화 작업을 한 것이다. 이렇게 만들어진 OLED는 평판 유리를 사용하는 일반적인 OLED에 비하여 58%의 외광효율 향상이 있었고 나노구조 광추출에 의해 배광은 Lambertian에서 크게 벗어나는 것을 관찰하였다.
Hong 등은 결정성 MgO 박막이 비등방성으로 성장하는 것을 이용하여 전자빔 증착 방법으로 나노 요철 구조를 가진 MgO/ZrO₂ 박막을 증착하고, 그 위에 애노드(ITO)와 유기발광층 및 알루미늄 캐소드를 적층하여 OLED 소자를 제작한 후, 전기광학적 특성을 측정하였다. 평판 유리를 사용한 기존의 OLED 구조에 비해 약 35%의 전력효율 증가를 나타내었다. MgO의 굴절률은 1.

후속연구

Y-C Kim 등은 홀로그램 리쏘그래피와 반응 이온 에칭을 이용하여 ITO 위에 증착된 SiO₂ 층에 220nm 직경과 360nm 간격을 갖는 나노 홀을 형성하고 그 위에 유기발광층과 캐소드를 적층하여 OLED를 제작하였다. 그러나 소자의 특성을 측정 결과, 뚜렷한 광추출 효율 향상을 관찰하지는 못하였다.^[20] 이후 저굴절 소재를 이용한 나노구조를 투명전극 위에 형성하여 광추출 효율을 높이는 OLED에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
또 하나의 특징은 나노구조를 형성한 기판도 매우 투명하여 헤이즈가 거의 나타나지 않았다는 것이다. 따라서 상기 나노구조 광추출 방법은 투명 OLED 패널에도 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
따라서 백색 OLED 소자를 사용하는 OLED 조명 패널의 경우에 미소공진 구조를 사용하면 패널의 발광 색상이 백색 범위를 벗어나기 쉽고 특정 파장 영역 이외에는 광추출 효율이 떨어져 전체 광추출 효율을 오히려 감소시킬 수도 있다. 미소공진 효과는 RGB 단색을 따로 발광하는 디스플레이 패널 또는 단색광 OLED 패널에 유용하게 사용할 수 있을 것으로 생각된다. Peng 등은 미소공진 구조를 최적화하여 상향발광 OLED 소자에서 광추출 효율을 약 65% 향상시킨 결과를 발표하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OLED란 무엇인가?	OLED는 두 개의 전극 사이에 유기물층을 배열하고 전계를 가하여 주입된 전자와 정공이 유기물 내에서 재결합하여 형성되는 여기자(exciton)가 기저상태로 떨어지면서 빛을 내는 소자이다. OLED의 구조는 비교적 단순하여 필요한 부품 소재의 종류가 적고 일괄생산에 유리한 장점이 있다.
	LED 광원의 장점은?	조명의 신기술 광원으로 주목받는 OLED는 백색 LED 광원과 흔히 비교 되곤 한다. LED 광원은 매우 높은 휘도를 갖고 수명이 길며 외광효율이 높은 장점이 있지만 발열이 심하여 커다란 방열장치를 필요로 하며 눈이 부시고 확산광을 만들기 어려운 단점이 있다. 또한 LED가 반도체 칩을 사용하여 만들기 때문에 소형의 점광원이고 면광원화 하는데 있어서 부가적인 부품과 공정이 필요하다.
	OLED 조명이 확산광이라는 특징으로 인해 갖는 특성은 무엇인가?	이에 반하여 OLED 조명은 패널 형태로 생산되므로 자체가 면광원이며 확산광이라는 특징이 있다. 확산광은 눈의 피로감을 줄이고 낮은 높이에서 넓은 면적을 밝힐 수 있어 실내용 조명으로 적합한 특성을 나타낸다. 또한 OLED 광원은 매우 얇고 가벼워서 혁신적인 디자인이 가능하다는 장점이 있다.

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