OLED 조명, 광추출 기술~

머리말

 

OLED에서 발광층으로 사용되는 재료는 형광재료와 인광재료가 있다. 인광 OLED는 재결합에 의해 형성된 여기자를 모두 발광에 이용할 수 있기 때문에, 이론적 내부양자효율이 100%로 형광 OLED에 비해 이론 효율이 4배가 되어 효율이 우수한 반면 수명이 길지 않은 단점이 있다. 그러나 최근 활발한 인광재료 개발에 힘입어 내부 양자효율과 함께 수명도 크게 향상되어 점차로 상용 제품에 사용되고 있는 추세이다. 그러나 OLED의 내부 양자효율이 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. 내부 유기발광층의 굴절률은 1.7~1.8이고 애노드로 일반적으로 사용되는 ITO의 굴절률은 약 1.9이다. 두층의 두께는 대략 200~400nm로 매우 얇고 기판으로 널리 사용되는 유리의 굴절률은 1.5 정도이므로 OLED 내에는 평면 도파로가 자연스럽게 형성된다. 계산에 의하면 상기 원인에 의한 내부 도파모드로 손실되는 빛의 비율이 약 45%에 이른다. 또한 기판의 굴절률은 약 1.5이고 외부 공기의 굴절률은 1.0이므로 기판에서 외부로 빛이 빠져 나갈 때 임계각 이상으로 입사되는 빛은 전반사를 일으켜 유리기판 내부에 고립되며 이렇게 고립된 빛의 비율은 약 35%에 이르기 때문에, 불과 발광량의 약 20% 정도만 외부로 방출된다. 이와 같이 낮은 광추출 효율 때문에 OLED의 외부 광효율이 낮은 수준에 머무르고 있어 최근 들어 광추출 기술의 개발이 OLED 조명 패널의 효율, 휘도, 수명을 높이는 핵심기술로 주목받고 있다. 애노드(ITO)와 기판 사이의 굴절률 차이에 의한 유기층/ITO층의 고립광을 외부로 추출하는 기술을 내부광추출이라고 하고 기판 내 고립광을 외부로 추출하는 기술을 외부광추출이라고 한다.

 

OLED 광추출 기술의 종류

 

OLED의 광추출 기술은 머리말에 언급한 바와 같이 외부광추출과 내부광추출 기술로 분류된다. 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 1.6배 정도로 한계가 있고 회절현상으로 인하여 시야각에 따른 색상 변화 발생을 최소화해야 하는 과제가 있다. 현재 생산을 고려하고 있는 오스람과 필립스, LG화학 등은 대부분 마이크로 렌즈 어레이 또는 광산란필름을 고휘도 OLED 조명 패널에 부착하여 제품을 내보내고 있다.

 

내부 광추출 기술은 이론적으로 3배 이상의 외광효율 향상을 보일 수 있는 혁신적인 기술로 평가되고 있으나 매우 민감하게 내부 OLED 경계면에 영향을 주게 되므로 광학적 효과 이외에 전기적, 기계적, 화학적 특성을 모두 만족해야 하는 난이도가 높은 기술이다. 미국 미시건대학의 Forrest 그룹, 독일의 Philips, Leo 그룹 등 해외의 선진연구 그룹에서는 활발한 내부 광추출 필름에 대한 연구를 내놓고 있다. 현재까지 내부 및 외부 광추출 필름을 사용 하여 개발한 OLED 소자의 가장 높은 전력효율은 독일의 Leo 그룹에서 발표한 약 90lm/W로 고굴절 기판을 이용한 것이다. 그러나 이 기술은 고굴절 박판유리의 제조 공정이 확립되어 있지 않아 바로 상용화 제품에 적용하기는 어려울 것으로 보인다. 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 있는 것으로 알려져 있다. 현재 MLA 필름이나 광산란 필름 등을 OLED 패널 외부면에 부착하는 외부 광추출 기술은 어느 정도 확립되어 있으나 신뢰성 있는 내부광추출 기술은 아직 보고되지 않고 있다.

 

외부광추출 기술

 

마이크로 렌즈 어레이(MLA)

 

마이크로 렌즈 어레이는 1mm 미만의 직경을 가지는 작은 렌즈를 평탄한 기판 위에 2차원적으로 배열하여 놓은 것을 말한다. 최초에는 포토레지스트를 사각 또는 육각형으로 패터닝한 후 가열하여 녹아내리는 공정으로 볼록렌즈형의 마이크로 렌즈 어레이를 제작하였으나 최근에는 오목한 형틀을 가진 마스터 몰드를 이용하여 인쇄하듯이 찍어내는 공정으로 대량생산이 가능하여졌다. 마이크로 렌즈 어레이는 CCD나 CMOS 이미지 센서의 해상도를 높이고 센서 크기를 줄이는 용도로 널리 개발되었으나 OLED에 적용할 경우 광추출 효율을 높일 수 있어 OLED 조명 패널 기술에 적용되기 시작하였다. 마이크로 렌즈 어레이는 평면에 비해서 곡면을 이루는 마이크로 렌즈의 표면 접선과 이루는 빛의 입사각이 임계각보다 작아지므로 전반사에 의해 기판 내부에 갇히지 않고 외부로 추출되는 원리를 이용한다. 일반적으로 마이크로 렌즈 어레이의 매질은 기판과 동일한 굴절률을 가진 재료를 사용하며 렌즈의 직경은 수십um의 크기를 가진다. 마이크로 렌즈의 밀도가 높을수록 광추출 효율은 증가하고 렌즈의 형상에 따라 배광분포가 변화한다. 마이크로 렌즈 어레이 시트를 사용하여 외부광추출 구조를 기판 외부에 부착하였을 때 대략 50% 정도의 효율 증대가 있으며 이론적으로는 85%, 문헌상으로는 70%까지 광추출 효율을 높일 수 있다고 알려져 있다. 마이크로 렌즈 어레이는 기판 외부에 부착하는 폴리머 시트 형태로 제작하고 OLED 패널을 제작한 후에 기판 외부에 붙이면 완성된다. 따라서 사출 및 인쇄 방법을 이용하여 대면적으로 간단히 제조할 수 있고 가격이 싸다. 그러나 마이크로 렌즈의 형상과 배열을 잘 조절하지 않으면 시야각에 따른 색상변화와 간섭색이 나타날 수 있으므로 주의해야 한다. 마이크로 렌즈 어레이는 이미 이미지 센서나 액정 디스플레이에서 사용되고 있어 대량생산에 적용되는데 큰 문제가 없어 대부분의 고효율 OLED 조명 패널에 사용 될 것으로 보인다.

 

외부 광산란층(external scattering layer)

 

광산란층은 OLED 내부 및 기판 외부에 모두 적용할 수 있는 광추출 구조이다. 내부에 사용하는 내부 광산란
층은 다음 장에서 다루도록 하고 여기에서는 기판 외부에 적용하는 외부 광산란층에 대해서 살펴본다. 외부 광산란층은 마이크로 렌즈 어레이 시트와 유사한 방법으로 기판 외부에 시트 형태로 제작하여 부착할 수도 있고 용액으로 제조하여 기판 위에 코팅한 후 경화시키는 방법으로 적용할 수도 있다. 외부 광산란층은 시야각에 따른 색상 변화가 없고 간섭색도 없으며 광산란층 통과 후의 배광 분포가 Lambertian 분포를 유지하므로 백색 OLED 조명 패널에 적용하기 좋은 광추출 구조이다. 그러나 광산란층이 두꺼워지고 광산란 입자가 다층 구조를 이루게 되면 단파장이 장파장 빛에 비해 산란효과가 현저하게 커져 투과색이 황적색을 띠게 되므로 주의해야 한다. 파장에 따른 산란 효과 차이에 의한 스펙트럼 변화를 최소화하기 위해서는 산란입자의 굴절률과 크기 및 밀도, 기지 재료의 굴절률 및 흡수 스펙트럼 등을 잘 조절할 필요가 있다. 야마사키 등은 550nm 직경의 실리카 비드를 사용하여 외부 광추출을 실시하였고,ZrO2 입자나 실리카 콜로이드 입자를 기판 외부에 프린트하여 외부 광추출 구조를 제조하기도 한다. 단순한 광추출 효과를 넘어서 청색 OLED의 기판 외부에 down conversion 형광체 콜로이드를 코팅하여 광산란에 의한 광추출 효과 및 백색광을 발광하는 OLED 구조를 제안하기도 하였다. 외부 형광체 콜로이드 구조는 두께 및 형광체 크기, 농도에 따라 흡수되는 빛과 산란 및 재발광하는 빛의 비율이 민감하게 달라지므 로 세심하게 설계되어야 한다. 최근에는 작은 공기방울을 함유한 폴리머 시트를 이용하여 광산란층을 형성하는 것이 효과적인 광추출 방법임이 알려져 있다. 공기방울의 굴절률은 1.0이므로 1.5정도의 기지 재료와 굴절률 차이가 매우 커서 광산란 효과가 매우 크기 때문에 상대적으로 광산란층의 두께도 줄일 수 있어 스펙트럼 변화를 최소화하기에 유리하다.

 

저반사 필름(anti-reflective film)

 

저반사 필름은 광소자의 단면에서 급격한 굴절율 변화로 인해 발생하는 빛의 반사를 없애고 투과하는 빛의 양을 증가시키기 위하여 유전체 등의 물질들로 광소자 단면에 얇게 1~3층 정도 쌓는 것을 말한다. 일반적으로 유리기판에 빛이 입사할 때와 투과하여 나갈 때 2차례에 걸쳐 반사가 일어나 약 8% 정도의 빛이 반사로 손실되나 OLED에서는 소자의 구조 상 외부공기로 나갈 때 1차례 반사가 일어나므로 저반사 필름을 외부광추출에 사용할경우 4% 정도의 광추출 효율 증대를 기대할 수 있다. 단일 파장 빛에서는 수직으로 입사되는 빛의 최소 반사를 원하는 경우, 증착시킬 기판의 굴절률의 제곱근에 해당하는 굴절률을 가지는 물질로 그 파장의 4분의 1 두께로 증착하면 된다. 그러나 가시광선 영역과 같이 여러 파장에서 최소의 반사율을 원하는 경우에는 여러 층의 다른 물질을 증착하여야 한다.

 

내부광추출 기술

 

미소공진(micro-resonator)

 

미소공진은 micro-cavity라고도 하며 가운데 스페이서층(spacer layer)을 두고 양측에 브래그 미러나 금속 미러층을 두어 공진을 일으키는 것이다. 레이저 다이오드와 같은 광소자에서 자발적 방출 속도(spontaneous emission rate)를 올리는 역할을 한다. 스페이서층의 두께가 가시광선의 정상파를 발생하도록 파장 정도의 크기를 가져 미소라는 어휘가 붙게 되었다. OLED에 있어 미소공진은 강한 공진구조(strong cavity)와 약한 공진구조(weak cavity)가 있다. OLED는 특별히 공진구조를 설계하지 않아도 약한 공진구조를 가지고 있다. 중심에 굴절률 1.7~1.8을 가지는 유기발광층이 수백nm 두께로 적층되어 있고 그 양측에 굴절률 1.9 정도의 ITO(애노드)층과 금속 캐소드 층을 기본 구조로 하기 때문에 자연스럽게 미소공진 구조가 형성된다. 따라서 유기발광층 두께 및 ITO층의 두께에 따라 광추출 효율이 크게 달라진다. 특히 재결합 영역(recombination zone)의 상대적 위치가 변화함에 따라 내외부 도파모드에 대한 광추출모드의 비율이 22%에서 55%까지 바뀔 수 있음이 알려져 있다. 또한 캐소드의 두께가 λ/4를 초과하면 광추출 효율이 크게 떨어지게 된다. 유기발광층을 다층구조로 사용하는 탠덤구조(tandem structure)는 미소공진 구조를 다양하게 이용할 수 있어 색상 변조 OLED 패널을 제작하는데 사용하기도 한다. Nakayama 등에 의해 유기 발광 소자에서 강한 미소공진 효과를 적절한 캐비티 구조를 사용하여 증대시킬 수 있음이 알려진 후 강한 미소공진 구조는 OLED 소자에서 널리 사용되어 왔다. Dodabalapur 등은 SiO2/SixNy의 다층박막을 애노드 측에 첨가하여 광추출 효율을 증가시키고 RGB 각 층의 색순도를 높였다.미소공진 구조는 OLED 소자의 각 층을 증착하기 전에 유사한 증착 방법으로 브래그 미러층을 증착하고 OLED층의 두께를 조절하면 되므로 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. 바로 모든 미소 공진은 스펙트럼 협소화(spectrum narrowing)가 필수적으로 동반된다는 것이다. 강한 미소공진 구조를 사용할수록 스펙트럼 협소화도 강하여져서 아주 좁은 파장 영역의 빛만 강하게 나오고 해당 파장 영역 이외의 파장을 가진 빛은 오히려 발광효율이 감소하게 된다. 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.

 

광결정(photonic crystal)

 

광결정이란 유전상수가 다른 두 물질이 일정한 주기를 가지고 나노미터 스케일로 배열되어 빛의 파장에 따라 투과가 허용되거나 금지되어 특정 파장의 빛만을 투과하거나 반사시킬 수 있는 구조를 말한다. 여기서 금지된 파장 영역을 photonic band gap이라 하고 이 현상을 이용하여 손실이 거의 없이 광경로를 바꿀 수 있는 광소자의 제작이 가능하다. 광결정은 흔히 브래그 격자라고 불리는 1차원적 광결정과 평면 상에 요철 돌기를 일정한 주기를 가지고 배열하는 2차원적 광결정과 입체적으로 구성된 3차원적 광결정의 3가지 종류가 있다. 광결정은 결국 광의 회절을 이용하는 것으로 OLED의 내부에 형성되는 평면 광도파로 상에 평면 방향으로 빛이 통과할 수 없도록 광결정 구조를 넣어 금지 대역을 형성하면 유기발광층에서 생성된 빛이 도파모드를 형성하지 못하고 외부로 발산하게 된다. 이 현상을 이용하여 OLED에 이차원 광결정 구조를 형성하고 광추출 효율을 높일 수 있다. Fujita 등이 광결정을 OLED에 적용하여 광추출 효율을 높일 수 있다고 발표한 후 여러 편의 OLED 광결정에 관한 논문이 발표되었다. Fujita 등은 유리 기판 위에 150nm 두께의 ITO 박막을 올리고 전자빔 리쏘그래피와 유도 결합 플라즈마 에칭을 통하여 주기 300nm, 깊이 60nm의 광결정을 ITO 필름 상에 형성한 후 유기발광층을 증착하여 OLED 소자를 제작하였다. 광결정을 적용하기 전에 비해 약 50% 정도의 휘도 향상을 관찰하였다고 보고하였다. Lee 등은 유리 기판 위에 SiO2 층을 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. 이 현상은 주기적 구조를 가진 유기 소자 내에 인위적인 점결함을 넣어 주기성을 교란하고 이러한 교란에 의해서 자발적 발광 속도를 극대화하는 기술이다. 상기 인위적 점결함을 광결정 나노 캐비티라 부른다. 광결정을 이용한 내부 광추출 구조는 광추출 효율을 크게 높일 수는 있으나 미소공진 구조와 같이 외광효율 및 배광분포가 발광 파장에 크게 의존하는 단점이 있다. 앞에서 살펴 본 바와 같이 광결정은 원리적으로 빛의 파장과 광결정 주기가 서로 관련되어 빛의 진행 방향이 바뀌는 것이므로 빛의 주기에 의존할 수 밖에 없다. 따라서 광결정에 의한 내부 광추출 방법은 단색광 OLED에는 적용이 가능하나 백색 OLED를 사용하는 OLED 조명 패널에서는 특정 파장의 광추출 효율만이 높아지므로 사용하기 곤란하다.

 

내부 광산란층(internal scattering layer)

 

광산란층을 이용한 광추출 기술은 외부 광산란층에서 말한 바와 같이 시야각에 따른 색상 변화가 없고 근본적으로 Lambertian 배광이 되므로 패널의 밝기가 균일한 장점이 있다. 또한 광산란층은 굴절률이 서로 다른 이종의 재료를 잘 혼합하여 유리 기판 위에 도포하기만 하면 되므로 비교적 제조공정이 간단한 장점이 있다. Yamasaki 등은 직경 550nm인 실리카 나노 스피어를 내부광산란층에 이용한 OLED 구조를 발표하였다. 실리카 나노 스피어가 광산란 중심으로 작용하여 광추출 효과는 있었으나 이 구조는 단일층 육각 최밀충진구조를 이용하였기 때문에 추출광에 회절현상이 수반되어 광스펙트럼이 변화하고 시야각에 따른 색상변화가 나타나는 단점이 있다. 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. 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. 내부광산란층을 이용하여 광추출을 하는 경우 상기 경우처럼 제조공정이 간단하고 평활한 표면을 쉽게 제공하므로 그 위에 OLED 소자를 적층하기 용이하다. 그러나 광산란 효과를 크게 나타내기 위해서는 산란 중심이 충분히 많아야 하는데, 산란 중심이 너무 많아질 경우 후방산란(back scattering)도 함께 증가하기 때문에 유기발광층 내에서 산란광이 다시 흡수될 확률도 증가한다. 따라서 산란도와 내부흡수가 최적화 되어야 광추출 효율 증가가 일어난다. 그러나 이것은 광산란층 내에서 빛의 흡수가 전혀 없다고 가정한 경우이고, 대부분 광산란층 내부에서 흡수가 있을 경우 광추출 효과에 의한 광효율 증가분이 광산란층의 흡수로 인하여 감소된다. 광산란층에서 absorbance가 0.1만 되어도 광추출 효과보다 오히려 흡수로 인한 광효율 저하가 나타날 수도 있다. 따라서 광산란층을 내부 광추출 구조로 사용하기 위해서는 가시광선의 흡수가 극히 적고 가능한 얇은 두께로 제조하여야 한다.

 

나노 요철 구조(nano embossing structure)

 

나노 요철 구조를 이용한 광추출은 광결정과 광산란층의 장점만을 이용하는 광추출 구조로 최근 많은 연구결과가 발표되고 있다. 앞에서 살펴 보았듯이 광결정 구조는 특정한 빛의 파장 대역에서만 사용이 가능하여 백색 OLED 에서는 사용할 수 없는 단점이 있고 광산란층은 내부 흡수를 피하기 어려워 광추출 효과가 반감되는 단점이 있다. 나노 요철구조는 광결정과 같이 수백 나노미터 크기의 요철구조물을 내부광추출 구조에 이용하지만 일정한 주기를 갖지 않고 불규칙적으로 구조물을 배열한다. 따라서 부분적으로 회절 효과가 있으나 단일층의 광산란층으로 작용한다. 따라서 빛의 파장 의존성과 시야각에 의한 색상변화 및 배광의 왜곡이 거의 없어지게 되고 자체 흡수도 거의 무시할 수 있게 된다. 나노 요철 구조는 크게 애노드로 사용되는 투명전극 위에 형성되어 광 추출하는 구조와 투명전극 아래 형성되는 구조로 나눌 수있다.

 

이상, 출처; 인포메이션 디스플레이, 2011년

https://www.itfind.or.kr/COMIN/file55591-OLED%20%EC%A1%B0%EB%AA%85%20%ED%8C%A8%EB%84%90%EC%9D%98%20%EA%B4%91%EC%B6%94%EC%B6%9C%20%EA%B8%B0%EC%88%A0.pdf