경희대학교는 정보디스플레이학과 서민철 교수 연구팀이 시야각에 의한 색 변화가 적고, 효율이 높은 구조적 신축성을 갖는 유기 발광 다이오드(OLED) 개발에 성공했다고 31일 밝혔다. 연구 결과는 (JCR: 1.8%)에 게재됐다.
이에 따르면 OLED에서는 색의 순도를 높이기 위해 ‘미소공진 구조(microcavity structure)’를 사용한다. 빛이 디스플레이 내부에서 여러 번 반사하는 구조다. 이렇게 반사된 빛은 특정 파장에서 강하게 공명해 특정 색을 더 선명하게 표현할 수 있다. 이처럼 미소공진 구조는 디스플레이에서 색순도를 높이고 더 많은 색을 표현하기 위해 사용한다. 하지만 이 구조의 단점은 OLED를 측면에서 보았을 때 빛의 경로 길이가 변하며 색이 변하는 점이다.
연구팀은 ‘나노 물결무늬 구조(nanoway structure)’를 도입해 문제를 해결했다. 이 구조는 OLED 내부에서 반사하며 진행하는 경로 차이에 의한 색 변화를 줄여 높은 색순도를 유지할 수 있는 구조다. 이를 통해 OLED 내부에서 발생하는 빛이 외부로 더 잘 나올 수 있고, 디스플레이를 바라보는 각도에 따른 색 변화도 줄일 수 있다. 특히 빛이 특정 방향으로만 반사되는 것을 방지할 수 있어, 다양한 각도에서 일정한 색과 밝기를 유지할 수 있다.
나도 물결무늬 구조는 Stretchable OLED(SOLED)의 단점을 극복하는 데에도 효과가 있었다. 기존의 SOLED는 반복적인 신축에 취약하고 신축 시에 효율이 감소했다. 연구팀은 프리 스트레칭된 고신축성 탄성체 테이프와 나노 물결무늬가 적용된 광학 접착 필름을 사용했다. 이를 통해 신축성을 확보했고, OLED 소자 내에서 소멸되는 빛을 줄여 광추출 효율을 극대화하고 외부 변형에도 견딜 수 있는 SOLED 구조를 설계할 수 있었다.
위의 구조를 적용한 결과 전류 효율과 색순도가 크게 개선된 스트레처블 디스플레이 기술을 실현할 수 있었다. SOLED의 성능 향상을 위해 도입한 나노 물결무늬 구조 광학 접착 필름은 빛이 OLED 소자 내부에서 갇히는 것을 방지했고, 기존의 유리 기판에 증착한 비신축성 OLED(non-stretchable OLED)에 준하는 성능을 확인했다.
이를 통해 ‘외부 양자 효율(External Quantum Efficiency, EQE)’을 39.50%로, 단위 광도당 필요한 전류를 뜻하는 전류 효율도 221cd/A까지 늘었다. 신축성 테스트도 실시했는데, 소자에 100% 변형을 가하는 상황에서도 성능을 유지하는 안정성을 입증했다.
서민철 교수는 “SOLED는 웨어러블 기술부터 의료 기기까지 다양한 산업에서 혁신을 이끌어낼 수 있는 잠재력이 있지만 낮은 효율성과 시야각에 따른 색 변화 문제가 큰 도전 과제였다”며 “이번 연구에서는 나노 물결 구조를 적용해 문제를 해결하는 데 성공했다”고 설명했다. 이어 서 교수는 “나노 물결 구조를 적용한 고효율 SOLED의 개발은 연구와 실생활에서 응용 가능한 큰 잠재력을 갖춘 성과”라고 연구의 의의를 밝혔다.
한편 서 교수에 따르면 이번 연구는 나노 구조 물질과 후속 연구의 혁신을 촉진할 가능성도 있다. 특히 광전자 소자 연구 분야에 중요한 영향을 끼칠 수 있다. 신축성 및 웨어러블 전자 기기의 발전도 가속화할 수 있어, 기술 통합의 새로운 가능성도 열 수 있다. 연구에 적용된 나노 물결 구조는 LED와 같은 다른 종류의 발광 장치에 적용해 효율성을 높일 수도 있다. 연구팀은 후속 연구를 통해 다양한 적용 방식을 실험할 계획이다.
