KAIST, 화면 밝기 2배 향상된 OLED 기술 개발..."상용화 눈앞"

국내 연구진이 유기발광다이오드(OLED) 화면 밝기를 2배 이상 개선하는데 성공했다. 디스플레이를 보다 더 작게 만들어야 하는 과제가 남았지만, 상용화를 눈앞에 뒀다.

KAIST는 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 OLED 내부에서 발생하는 빛 손실을 크게 줄일 수 있는 새로운 ‘준평면 광추출 구조’와 OLED 설계 방법을 찾았다고 11일 밝혔다.

준평면 광추출 구조는 OLED 표면을 평평하게 유지하면서, 안에서 만들어진 빛을 밖으로 더 많이 꺼내 주는 얇은 형태를 말한다.

OLED는 매우 얇은 유기물 박막이 겹겹이 쌓여 만들어진다. 이 때문에 빛이 층과 층 사이를 지날 때 반사되거나 흡수돼, OLED 내부에서 생성된 빛의 80% 이상이 사실상 밖으로 나오지 못하고 열로 사라진다.

광추출 구조 개요(위 왼쪽)와 성능을 나타낸 사진. OLED(하단 왼쪽)나 동일크기의 마이크로렌즈어레이를 갖춘 OLED(하단 중앙) 보다 광추출 구조를 갖는 OLED(하단 오른쪽)가 훨씬 더 밝아 보인다.(그림=KAIST)

이를 해결하기 위해 OLED 위에 렌즈 구조를 붙여 빛을 밖으로 꺼내는 방식인 반구형 렌즈나 마이크로렌즈 어레이(MLA) 같은 광추출 구조를 사용한다.

그러나 반구형 렌즈 방식은 큰 렌즈가 돌출되기 때문에 평면형태를 유지하기 어렵고, 마이크로렌즈어레이는 충분한 광추출 효과를 보기 위해선 픽셀 크기 보다 훨씬 커야 해서 주변 픽셀과의 간섭 없이 높은 효율 향상을 도출하는데 한계가 있었다.

이에 연구팀은 발광 개구부와 수광 개구부 간 복사 전력 전달을 최대화하도록 OLED 소자 구조를 최적화한 뒤 반사 손실이 거의 없는 준평면 광추출 구조를 맞춤 설계했다.

통합형 광학 시뮬레이션을 활용, 나노미터 단위 소자 구조부터 밀리미터 단위 렌즈 형상까지 포함하는 광학 시스템을 동시에 최적화한 것. 그 결과 두께가 50 µm인 준평면 광추출 구조만으로 반구형 렌즈 (두께 2,000 µm 이상)에 근접하는 고효율을 달성했다.

이 설계에 따라 제작한 OLED 소자는 최대 EQE(광전환효율)가 48.0%를 나타냈다. 통상적인 EQE는 20% 정도로, 효율이 2배 이상 높았다는 것이 연구진 설명이다.

독일 쾰른대 박사후연구원 생활을 하고 있는 김준호 박사(공동제1저자)는 "OLED의 평평한 구조를 유지하면서도 같은 전력으로 더 밝은 화면을 구현할 수 있어, 스마트폰·태블릿 PC 등 모바일 기기의 배터리 사용 시간을 늘리고 발열을 줄이는 데 기여할 것"이라며 "디스플레이 수명 향상 효과도 함께 기대된다"고 말했다.

미국 스탠퍼드 재료공학과 김민재 박사과정생(왼쪽)과 KAIST 유승협 교수. 위 왼쪽은 독일 퀼른대 김준호 박사후연구원. 논문 제출 당시에 이들은 KAIST 학사과정이거나 박사과정이었다.(그림=KAIST)

김민재 미국 스탠퍼드대 재료공학과 박사과정생(연구당시 신소재공학과 학사과정)은 "수업 중 떠올린 작은 아이디어가 KAIST 학부생 연구 프로그램(URP)을 통해 실제 연구 성과로 이어졌다”고 설명했다.

유승협 교수는 “그간 수많은 광추출 구조가 제시되었지만, 많은 경우 면적이 넓은 조명용이 대부분이었고, 수 많은 작은 픽셀로 이루어진 디스플레이에는 적용하기 어렵거나 적용해도 그 효과가 크지 못한 경우가 많았다”며, “이번에 제시된 준평면 광추출 구조는 픽셀 내 광원 대비 크기에 제약을 두어 인접 픽셀 사이에서 빛이 서로 간섭하는 현상도 줄이면서 효율도 극대화할 수 있도록 구현됐다"고 말했다.

유 교수는 또 “OLED 뿐 아니라 페로브스카이트·양자점 등 차세대 소재 기반의 디스플레이에도 적용할 수 있다”며 "조명밝기나 비용고려, 더 작게 만드는 숙제가 남아 있긴 하지만, 디스플레이 상용화를 위해 많은 고민을 함께 했기 때문에 기술성숙도(TRL)는 높은 편"이라고 말했다.