OLED 소자에서 효율은 소자로 흘러들어간 전력, 즉 캐리어들(전자와 정공)에 대해서 소자 내부에서 얼마나 많은 포톤들(빛)이 만들어지는지, 그리고 만들어진 빛이 얼마나 밖으로 빠져나오는지로 결정됩니다. 소자로 들어간 캐리어들이 결합이 이루어지는 발광층까지 전달되는 비율, 발광층 안에서 결합을 하는 비율, 결합한 전자-정공쌍으로부터의 에너지가 빛으로 만들어지는 비율, 그리고 만들어진 빛이 소자의 밖으로 잘 빠져나오는 비율 등등이 효율의 높고 낮음을 좌우하게 되죠. 흥미로운 점은 소자 내부에서 만들어진 빛의 20% 정도만이 밖으로 나올 수 있다는 사실입니다. 나머지는 소재 내부에 갇히거나 소자의 측면으로 전달되어가며 화면에는 기여를 하지 못하게 됩니다. 결과적으로 OLED의 효율을 높이기 위해서는 인가되는 전력을 낮추고, 소자 내에서 캐리어들의 결합율을 높이고, 결합에 의한 빛의 생성율을 역시 높이고, 생성된 빛을가능한 많이 밖으로 끄집어 내야만 하죠. 이와 같이 내부의 빛을 밖으로 꺼내는 것을 광 추출(light extraction)이라고 합니다. 그리고, 이는 외부 양자 효율로 표현되죠.
광 추출을 별도로 하지 않는다면, 내부에서 만들어진 빛의 약 절반 정도인 50%는 빛의 측면 전파, 즉 도파관 모드(waveguide mode)로 옆으로 새게 되고, 나머지 30%는 기판에 갇히게 됩니다. 물질 표면에 대한 빛의 입사각이 일정치 이상이 되면 빛은 물질을 빠져나가지 못하고 전체가 반사되는 전반사 과정을 거치면서 옆으로 전달이 되는데, 이 때 전반사 각도는 물질의 굴절률에 의존합니다. 세세히 따진다면, 여기에 표면 플라즈몬 현상 등으로 인한 전극 내부로의 흡수 등도 일부 포함하게 되죠.
요약을 하면, OLED에서 발생된 빛의 손실은 소자 내부 모드인 도파관 모드와 흡수(플라즈몬) 모드, 그리고 기판 모드인 기판이나 봉지막을 통한 전반사 모드로 구분할 수 있습니다. 이러한 손실 모드를 겪고 나서 20% 정도의 빛이 밖으로 빠져나오는 것(air mode)이죠. 따라서, 손실을 줄이게 되면 소비 전력의 감소와 수명 향상을 이룰 수 있으며, 이를 위하여 광 추출이 필요합니다.
광 추출 기술들은 다양하게 개발되고 또 이를 위한 구조나 패턴들이 설치되고 있는데, 설치 위치를 살펴보면 투명 기판의 바깥쪽이나 안쪽, 즉 기판과 투명 전극 사이, 그리고 투명 전극의 안쪽, 혹은 전극 패턴들의 사이사이로 찾아볼 수 있죠. 그리고, 이들 곳곳에서 빛들을 주로 산란시키거나(scatter light), 꺾거나(bend light rays), 혹은 진동과 증폭(vibrate and amplify light) 과정을 거쳐 밖으로 끌어내고 있죠. 즉, 빛의 입사각을 바꾸거나 에너지를 키워서 빛이 내부에서 전반사(total internal reflection)되어 갇히는 것을 방지, 광 도파로 현상을 피하는 것을 주요 수단으로 삼고 있습니다.
이를 위하여 적용되는 기술과 구조의 패턴, 모양 등을 분류하여 보면, 먼저 패턴 구조(patterned structure)들로 미소 렌즈 어래이(micro-lens array), 광 결정(photonic crystal), 그리고 굴절률 변조기(refractive index modulator) 등이 있습니다. 다음으로 뷸규칙한 산란 구조(random scattering, structure)들인데, 미립자 층(particulated layer), 거칠거나 질감이 있는 표면(rough/textured surface) 등을 들 수 있죠. 세번째로 박막 구조(thin film structure)들이 있는데, 여기에는 입사각 변화를 위해 상부를 덮는 층(capping layer)이나 빛의 진동과 증폭을 유도하는 미소 공진 구조(micro-cavity) 등이 포함됩니다. 이들에 관하여 차근차근 알아가보죠.
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