확률론적 나노미세구조물을 이용한 OLED의 광추출효율 향상에 관한 연구

Abstract

Organic light-emitting diodes (OLEDs)는 차세대 광원과 평판 디스플레이용으로 큰 관심을 받아오고 있다. 이는 OLED가 liquid crystal display (LCD)에 비하여 빠른 응답속도, 백라이트의 불필요, 에너지 효율, 낮은 구동 전압, 넓은 시야각면에서 장점을 가지고 있기 때문이다. 또한 organic layer는 저온 열증착 또는 스핀코팅을 통하여 각 층을 쌓을 수 있기 때문에 플라스틱 기판과 결합하여 flexible 디스플레이로 구현이 용이하다는 장점이 있다. 게다가 높은 색 재현성은 고화질 텔레비전이나 휴대폰, 디지털 카메라, Tablet 컴퓨터 등에서 활용되어 시장에 출시되고 있다. 하지만 유리기판 위에 서로 다른 굴절률을 가지는 여러 레이어들이 겹겹이 쌓여있는 구조상의 특징으로 인하여 내부에서 생성된 photon이 wave-guided mode, substrate mode, surface plasmon polariton mode 등으로 소모되어 실제적으로는 약 20%의 outcoupling efficiency를 가지게 된다. 따라서 내부에서 손실되는 빛의 외부 추출을 증가시킬 수 있다면 OLED 소자의 광효율을 향상시킬 수 있는 것이다. 이 문제에 대하여 많은 연구가 있었고 그중 대표적인 것중에 하나가 미세구조물을 이용하여 Bragg scattering을 일으켜 소자 내부에서 생성된 photon을 외부로 발광시키는 것이다. 하지만 기존의 미세구조물들은 photolithography 공정이나 laser interference를 이용하여 주기구조물을 구현하였고 이들은 광 추출효율 개선에 괄목할만한 성과들을 보여주었으나 대부분의 방법들이 면적의 증가에 따라 공정비용이 치솟고 특정파장에서만 효과를 볼 수 있어 그 적용이 제한적이었으며 결정적으로 각도의존성이 심하여 특정 각도에서의 발광특성이 일그러져 실제 디스플레이나 광원에 적용되기에는 부적합한 면이 있었다. 그리하여 본 논문에서는 위에 나타난 문제점들을 해결하면서 동시에 고효율의 OLED소자를 구현할 수 있도록 플라즈마 공정으로 구현된 확률론적 미세구조물이 탑재시킨 OLED 소자를 제안하고자 한다. 여러가지 실험들을 진행하였으며 발광효율은 기존의 소자 대비 확률론적 미세구조물을 OLED 소자에 적용하였을 때 각각 30%~60%가량의 큰 폭으로 상승하였다. 발광효율의 상승 메커니즘 알아보기 위해 Classical ray optics와 Bragg 이론을 이용하였으며 이를 Full-wave optics simulation을 적용하여 분석하였다. Bottom-emitting OLED와 Top-emitting OLED에서 각각의 개별적인 실험결과들을 통해 본 연구에서 제시된 방법이 다양한 형태의 플랫폼에 사용될 수 있음을 잘 보여주고 있다. 본 논문에서 사용된 OLED 소자의 광추출 효율 향상 방법은 기존의 방법에 필요한 고가의 리소그라피와 같은 공정이 필요하지 않으면서 전체 면적에 대하여 1step으로 제작하기 때문에 uniformity가 보장되는 환경에서 제작할 경우 대면적의 적용에도 매우 적합하다. 따라서 본 논문에서 제시하는 컨셉은 OLED에 적용된다면 적은 비용을 소자의 효율을 크게 향상시키는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.