OLED 소자의 효율 중에서 양자 효율이 기초 이론 및 원리에 충실하며, 이는 전류 효율이나 전력 효율을 통하여 우리에게 일반화될 수 있습니다. 양자 효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율로 정의되는데, 내부 양자 효율은 ‘인가된 전하의 개수에 대한 생성된 광자의 개수’를 의미합니다. 즉, 전자와 정공이 결합하는 비율, 결합된 전하들이 여기자를 생성하는 비율, 생성된 여기자들이 발광하는 비율에 의해 결정되죠. 즉, 발광층으로 유입된 전자와 정공은 가능한 많이 결합하기 위하여 개수의 균형과 함께 비슷한 속도로 와서 오래도록 머물러야 합니다. 이러한 소재와 구조적인 접근을 통하여 100%를 목표로 하고 있죠. 결합된 전하들이 여기자를 생성하는 비율은 다른 노트에서 설명을 하였지만, 형광의 경우 25%이며, 인광이나 열 활성 지연 형광, 초형광 등의 기술 발전을 통하여 역시 100%를 지향하고 있습니다. 다음으로 생성된 여기자들이 빛을 만들어 내는 비율 또한, 물질 고율의 손실, 열 에너지로의 전환 과정을 최소화함으로써 100% 수준으로 끌어올리는 것이 가능합니다.
외부 양자 효율은 발광으로 인하여 생성된 광자들이 밖으로 나오는 비율을 추가하면 됩니다. 결국 우리가 볼 수 있는 빛으로 도달할 수 있는 정도이죠. 결국, 주입된 전하들이 얼마나 많은 광자를 소자 바깥으로 내보내는가에 달려있습니다. 통상적으로 소자 내부에서 생성된 광자들의 20% 안쪽인데, OLED 구성 부분들의 굴절률 차이, 불투명한 전극(주로 음극)과 유기물 계면간에 빛이 갇히는 광 도파 현상 등이 주된 원인입니다. 이러한 광 손실을 줄이기 위해 광 추출 효과 등을 적용하여 가능한 많은 빛을 밖으로 끌어내려고 노력 중이죠. 일례로 내부 전반사 방지를 위한 굴절율 매칭, 요철 구조나 미소 렌즈 설치를 이용한 빛의 경로 개선 등이 적극 개발되고 있습니다.
효율을 공학적으로 좀 더 편하게 표현하고자 하면, 전력 효율(lm/W)과 전류 효율(cd/A)을 사용합니다. 전력 효율의 경우, ‘lm/W’의 단위에서 알 수 있듯이 전력이 입력으로, 광속(광선속, 발광 출력)이 출력으로 표현되는 입출력의 비율입니다. 전력 효율은 발광 효율(luminous efficacy), 전등 효율 등으로 표현되기도 하죠. 즉, 분모는 qV, 단위 전하량과 인가 전압의 곱이 되며, 분자는 외부 양자 효율에 hv, 빛의 에너지를 곱한 값이 되겠죠. (분모는 화소에 흐르는 전류와 인가 전압의 곱, 분자는 화소 면적에 휘도와 파이(π)를 곱한 값의 형태로 표현하기도 합니다.) 여기서 변환 효율(luminous efficiency)이란 용어도 등장하는데, 이는 단위가 없거나 혹은 %로, 말 그대로 전기 입력과 광출력의 비(율)를 뜻합니다. 다만, OLED는 전류로 구동이 되므로 전류 효율이 이해가 더 쉽죠. 전류 효율은 소자를 흐르는 전류와 이로 인하여 생성되는 빛의 밝기와의 관계를 나타냅니다.
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# 더! 생각해보기
a. OLED 소자 내부로부터 외부, 우리 눈에 이르기까지 빛의 손실 과정을 알아보고, 이를 각각의 효율들과 연관시켜보자
b. 각각의 효율들을 증가시키기 위한 노력과 방법들을 공부하고, 고안해보자
# 문제! 풀어보기
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