[논문]OLED의 광효율 향상 기술 동향: 응용 분야별 접근

유승협; 송진욱; 이재호; 박성희; 정진; 박재혁

OLED의 광효율 향상 기술 동향: 응용 분야별 접근 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.19 no.1, 2018년, pp.3 - 13

유승협 (한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부) , 송진욱 (한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부) , 이재호 (한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부) , 박성희 (한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부) , 정진 (한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부) , 박재혁 (한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부)

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문제 정의

OLED의 광효율 향상을 위한 광학적 분석 기법에 대해 간략히 언급하였고, 다양한 응용 분야에서 최근 이루어진 OLED 광효율 향상 방법 들을 소개하였다. 디스플레이나 투명광원 등에 쓰일 경우 필요한 추가적 고려 요건으로서, WAD나 시인성 등을 고려한 균형 설계 등에 대해서도 논의하였다.
OLED의 광효율 향상을 위한 광학적 분석 기법에 대해 간략히 언급하였고, 다양한 응용 분야에서 최근 이루어진 OLED 광효율 향상 방법 들을 소개하였다. 디스플레이나 투명광원 등에 쓰일 경우 필요한 추가적 고려 요건으로서, WAD나 시인성 등을 고려한 균형 설계 등에 대해서도 논의하였다.
따라서 광효율 향상 기술을 탐색할 때, 해당 응용분야를 고려한 각 응용분야의 특정한 요건과 상황을 고려하지 않으면 안되겠다. 따라서 본 글에서는 OLED의 핵심응용 분야인 디스플레이, 조명, 투명광원 관점에서 광효율 향상 기술 동향을 정리하고 향후 나아갈 바에 대해 고민하고자 한다.
따라서 본 연구 그룹에서는 R, G, B로 구성된 OLED 디스플레이에서 일정 기준의 높은 효율은 유지하면서 WAD를 최소화 시키는 방안에 대해 논의하였다.^[21]
따라서 수년 이내에 헤드업 디스플레이, 창문형 디스플레이 등, OLED를 이용한 다양한 미래형 투명광원 제품들이 선보일 것으로 기대 된다. 따라서 이러한 OLED 투명광원과 관련된 광효율 향상 관련 설계 이슈와 적용 가능한 기술들을 알아봤다.
(c),(d)). 본 연구 그룹에서는 이와 같은 캐핑층 조절 및 발광 위치 조절을 통해 투명 OLED의 광 효율 증대 기술을 보고 한 바 있다.^[22] 발광위치 조절 시 한 가지 더 유의할 점은, 상부 투명 전극에 의해 발생되는 표면 플라즈몬모드 여기 또한 효율에 영향을 줄 수 있다는 점이다.
뿐만 아니라 전하주입 소자인 OLED의 경우 높은 효율은 긴 수명과도 직결된다. 이러한 중요성을 고려하여, 본 논문은 OLED의 효율 그 중에서도 광학적 효율 향상 기술에 초점을 둔다.

제안 방법

본 연구 그룹은 산란층이 포함된 소자의 광 모델링을 위해, OLED 기저 구조에 대한 고급 다이폴 박막광학 모델과 산란 현상에 대한 Monte-Carlo 시뮬레이션을 통합하여 결맞음 (coherent) 도메인과 비결맞음 (incoherent) 도메인 전체를 포괄하는 다중 스케일 시뮬레이션을 제안 및 활용하였다.^[4](그림 6) 이를 이용하여 주어진 구조에서 예측된 외부양자효율과 각도 별 발광특성은 실험 결과와 정량적 일치를 보여주었다.
^[7] 소자 내부에 창살 모양의 저굴절률 구조를 도입하면, 임계각 이상의 각도로 진행하던 빛 중 일부가 저굴절률 물질과의 계면에서 스넬의 법칙에 의해 임계각 이내의 각도로 굴절된다. 본 연구그룹에서는 이를 발전시켜 패턴된 ITO 위에 저굴절률 물질인 PEDOT:PSS를 코팅하는 방법으로 저굴절률 창살 구조를 OLED에 도입하였다(그림 7). 해당 구조는 내부 광추출 구조만 적용하였을 경우 기준 소자 대비 16%, 외부 광추출 구조와 함께 적용하였을 경우 최대 53%의 전력 효율 향상을 보여주었다.
따라서 위 연구에서는 두 원인을 해결하기 위하여 다음과 같은 체계적인 방안을 제시하였다. 우선, 각 색상별 소자별로 기준 이상의 효율을 가지고 동시에 스펙트럼 변화가 적은 소자 구조들의 구조들을 선택하였다. 특히, 공진 구조에서 OLED의 발광 파장보다 짧은 파장의 빛이 보강 간섭을 하는 유기층의 두께가 사용될 때, 각도에 따른 스펙트럼의 변화가 크게 억제됨을 이론적으로 확인하였다.
위 기술은 고굴절 기판과 동시에 고굴절 마이크로 렌즈 어레이 등이 필요한데, 투명한 고굴절 레진 재료의 희소성으로 인한 어려움이 있다. 위의 예에선 고굴절 유리를 기계적으로 깎아내는 방식으로 다소 거시적인 피라미드 어레이를 구현하였다. 이에 본 연구그룹은 일부 산업용 그레이드 PEN 기판이 산란 현상과 고굴절률 특성을 동시에 갖는다는 점에 착안, 이를 활용하여 약 30%의 효율을 가지는 플렉서블 OLED를 구현하였다(유리 기판 위에 제작된 동일한 소자의 효율: 22.
위의 예에선 고굴절 유리를 기계적으로 깎아내는 방식으로 다소 거시적인 피라미드 어레이를 구현하였다. 이에 본 연구그룹은 일부 산업용 그레이드 PEN 기판이 산란 현상과 고굴절률 특성을 동시에 갖는다는 점에 착안, 이를 활용하여 약 30%의 효율을 가지는 플렉서블 OLED를 구현하였다(유리 기판 위에 제작된 동일한 소자의 효율: 22.3%)(그림 4).^[4] 본 기술은 복잡한 기술이나 공정이 없이 시중에 판매중인 기판만으로도 고효율의 소자를 구현할 수 있기 때문에 양산화로의 발전이 유리하다.
최근의 OLED 광 모델링 분야의 발전은, 파동광학을 통해 색순도 향상과 같은 현상적 이해 뿐 아니라, 광추출효율에 대한 정량적 이해도 가능케 하였다. 특히 OLED를 쌍극자(dipole) 발광자가 마이크로 캐버티내에 존재하는 형태로 일반화하여 모델링을 하는데, 발광자의 단위시간당 발광 전이율(radiative transition rate)이 빈 공간(free space)에 있을 때 대비 마이크로 캐버티 내에 있을 때 비율을 나타내는 Purcell 팩터나 유기층/금속층 계면에 여기되는 표면 플라즈몬 폴라리톤 모드의 양까지 정량적으로 분석할 수 있도록 발전하였다(그림 2).^[1,2]이러한 광모델링의 발전은, OLED의 다양한 광학 현상을 제대로 이해하고, 궁극적으로 고효율화를 위해 취해야할 엔지니어링 방향을 설정하는 데 큰 기여를 하고 있다.

대상 데이터

투명 OLED 소자 구현을 위해 가장 일반적으로는 투과도가 높고 안정석이 높은 하부 ITO 전극을 사용하고, 상부 투명 전극으로는 공정 호환성이 좋은 박막 금속을 사용한다. 이와 같은 비대칭적 상/하부 투명 전극 구성은 양방향 광효율이 50:50으로 나눠지는 대신, 대체로 하부 쪽으로의 효율이 더 높은 발광 특성을 야기한다.

성능/효과

특히, 공진 구조에서 OLED의 발광 파장보다 짧은 파장의 빛이 보강 간섭을 하는 유기층의 두께가 사용될 때, 각도에 따른 스펙트럼의 변화가 크게 억제됨을 이론적으로 확인하였다. 그러고 나서 추려진 스펙트럼 변화가 적은 소자 구조들 중에서 각도에 따른 상대적인 광도 변화량이 동일한 구조들을 선택할 경우, 이들은 각각의 소자도 각도에 따른 색변화가 적지만 이들의 조합으로 얻어진 백색 또한 각도에 따른 색변화가 적음을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다(그림 15).
3%의 최대 투과도를 가졌으며, 가시광선 영역에서 평균 70%이상의 높은 투과도를 보여주었다. 더불어, 평면 구조의 기준소자의 효율인 22.8% 대비 70%의 효율 향상을 이루었다는 점에서, 투명광원의 광 효율 향상에 대한 준주기적 나노구조의 유효성을 확인할 수 있었다.
OLED의 장점 중 하나는 그 다재다능함에 있다하겠다. 면광원이 가능하여 이상적인 조명으로 활용될 수 있으며, 대면적에 픽셀화 구현이 용이하여 디스플레이 구현 면에서도 탁월함을 보인다. 뿐만 아니라 투명 시스루(see-through) 광원으로의 활용도 가능하다.
우선, 각 색상별 소자별로 기준 이상의 효율을 가지고 동시에 스펙트럼 변화가 적은 소자 구조들의 구조들을 선택하였다. 특히, 공진 구조에서 OLED의 발광 파장보다 짧은 파장의 빛이 보강 간섭을 하는 유기층의 두께가 사용될 때, 각도에 따른 스펙트럼의 변화가 크게 억제됨을 이론적으로 확인하였다. 그러고 나서 추려진 스펙트럼 변화가 적은 소자 구조들 중에서 각도에 따른 상대적인 광도 변화량이 동일한 구조들을 선택할 경우, 이들은 각각의 소자도 각도에 따른 색변화가 적지만 이들의 조합으로 얻어진 백색 또한 각도에 따른 색변화가 적음을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다(그림 15).
본 연구그룹에서는 이를 발전시켜 패턴된 ITO 위에 저굴절률 물질인 PEDOT:PSS를 코팅하는 방법으로 저굴절률 창살 구조를 OLED에 도입하였다(그림 7). 해당 구조는 내부 광추출 구조만 적용하였을 경우 기준 소자 대비 16%, 외부 광추출 구조와 함께 적용하였을 경우 최대 53%의 전력 효율 향상을 보여주었다.^[8]

후속연구

OLED 조명은 LED 조명에 비하여 더 얇고, 유연한 제품의 구현이 가능하기 때문에 다양한 폼팩터를 가지고 있다. 더불어, OLED 조명은 LED 조명에 비하여 발열이 적고, 더 자연광과 유사한 백색 빛을 낼 수 있다는 점에서 오래전부터 차세대 조명이 될 것으로 기대를 받았다. 그러나 현재까지도 OLED 조명의 대중화에는 좀 더 시간이 걸릴 것으로 보인다.
더불어, 소자 구조와 마이크로 캐버티를 이용한 광효율 향상 기술의 경우 전극의 반사도가 광효율 향상의 핵심인데, 투명 OLED의 경우 투과도 확보를 위해서는 반사가 작은 전극이 필요하고, 따라서 얻을 수 있는 공진효과가 작기 때문에 해당 방법으로는 광효율 향상에 한계가 있다.
앞에서 언급되지 않은 OLED의 가장 큰 장점들 중 하나는 투명 전극을 이용하여 투명한 디스플레이를 구현할 수 있다는 점이다. 따라서 수년 이내에 헤드업 디스플레이, 창문형 디스플레이 등, OLED를 이용한 다양한 미래형 투명광원 제품들이 선보일 것으로 기대 된다. 따라서 이러한 OLED 투명광원과 관련된 광효율 향상 관련 설계 이슈와 적용 가능한 기술들을 알아봤다.
이를 해결하는 방법이 될 수 있는 후보들 중 하나는 상부금속전극을 다른 투명한 전극으로 대체하는 것이다. 이런 점에서 본 연구진과 ETRI의 공동 연구팀이 보고한 진공라미네이션을 이용한 상부전극 적층 기법이 투명광원에서의 광효율 향상을 위한 또 다른 유의미한 해결책이 될 수 있을 것으로 기대된다(그림 18).^[25]
초기의 OLED 광효율 향상 기법은 향상비 자체에만 집중한 면이 없지 않은데, 날로 발전한 광모델링 기법에 의거 다양한 시스템에서 정량적인 분석이 가능해지고 있는 바, 향상비의 소자 구조 의존성 등이 예측되고 있다. 이와 같이 소자구조와 광추출 구조 전체를 포괄하는 시뮬레이션 기법을 활용하여 최종 효율을 예측하고 두 구조를 동시에 최적화해가면, OLED가 제공할 수 있는 궁극의 효율에 도달할 때가 곧 도래할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OLED 조명의 장점은 무엇인가?	OLED 조명은 LED 조명에 비하여 더 얇고, 유연한 제품의 구현이 가능하기 때문에 다양한 폼팩터를 가지고 있다. 더불어, OLED 조명은 LED 조명에 비하여 발열이 적고, 더 자연광과 유사한 백색 빛을 낼 수 있다는 점에서 오래전부터 차세대 조명이 될 것으로 기대를 받았다. 그러나 현재까지도 OLED 조명의 대중화에는 좀 더 시간이 걸릴 것으로 보인다.
	효율은 가장 중요한 파라메터인 이유는 무엇인가?	모든 광원의 개발에 있어, 효율은 가장 중요한 파라메터 중 하나이다. 높은 효율은 전체적인 에너지 절감 뿐 아니라, 실제 광원을 활용하는 비용의 감소를 가져오며, 휴대기기에 활용될 경우 충분한 운용시간을 확보하는데 중요한 요소가 되기도 한다. 뿐만 아니라 전하주입 소자인 OLED의 경우 높은 효율은 긴 수명과도 직결된다. 이러한 중요성을 고려하여, 본 논문은 OLED의 효율 그 중에서도 광학적 효율 향상 기술에 초점을 둔다.
	OLED 조명이 시장 경쟁력을 갖추기 위해 중요한 사항은?	그러나 현재까지도 OLED 조명의 대중화에는 좀 더 시간이 걸릴 것으로 보인다. OLED 조명이 시장 경쟁력을 갖추려면 수명, 효율, 가격경쟁력이 뒷받침되어야 하며, 다른 모든 요소들에 선순환적인 영향을 줄 수 있는 효율의 향상이 다른 응용 분야에 비해 특히 더 중요하다. 이러한 이유로 광추출 기술을 통해 광효율을 향상시키기 위한 연구들이 현재까지도 다양하게 이루어지고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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