"학부생 아이디어로 시작" KAIST, OLED '光효율' 개선

"수업 중 떠올린 아이디어 하나가 학부생 연구 프로그램(URP)을 통해 실제 연구 성과로 이어졌습니다. " KAIST 신소재공학과 김민재 학사과정(현 스탠퍼드대 재료공학과 박사과정)의 이야기 속에 뿌듯함이 담겼다.

KAIST는 전기 및 전자공학부 유승협 교수 연구팀이 김 씨의 아이디어에 착안해 OLED 발광 효율을 2배 이상 높일 수 있는 '준평면 광추출 구조(OLED 표면을 평평하게 유지하는 동시에 표면 안에서 만들어진 빛을 밖으로 더 많이 꺼내 주는 얇은 구조)'와 OLED 설계 방법을 개발했다고 11일 밝혔다.

OLED는 다양한 색을 선명하게 표현할 수 있는 데다 얇고 잘 휘어지는 평면 구조 특성상 스마트폰, TV에 널리 쓰인다. 하지만 내부 빛 손실로 밝기를 높이기는 어려웠다.

여러 층의 얇은 유기물 박막을 겹겹이 쌓아 만드는 OLED의 특성상 내부에서 생성된 빛이 박막 층과 층 사이를 지날 때마다 반사 또는 흡수돼 80% 이상이 외부로 빠져나오지 못하는 까닭이다.

이를 해결하기 위해 그간에는 OLED 위에 렌즈 구조를 붙여 빛을 밖으로 꺼내는 방식인 '반구형 렌즈'나 '마이크로렌즈 어레이(MLA)' 등 광추출 구조를 사용해 왔다.

하지만 반구형 렌즈 방식은 큰 렌즈가 돌출돼 평면 형태를 유지하기 어렵고, 마이크로렌즈 어레이로 충분한 광추출 효과를 내려면 픽셀 크기보다 훨씬 커야 하는 탓에 주변 픽셀과의 간섭 없이 높은 효율을 기대하기 어려웠다.

이와 관련해 연구팀은 OLED를 더 밝게 만들면서 평면 구조를 유지하기 위해 각 픽셀 크기 안에서 빛을 최대한 효율적으로 밖으로 내보내는 새로운 OLED 설계 방법을 제안했다.

제안된 설계 방법은 'OLED가 끝없이 넓다'고 가정한 기존 설계와 다른 접근 방식으로 실제 디스플레이에서 사용되는 제한된 픽셀 크기를 고려한 것이 특징이다. 이를 통해 같은 크기의 픽셀에서도 보다 많은 빛을 외부로 방출할 수 있게 됐다.

연구팀은 빛이 옆으로 퍼지지 않고 화면 정면을 향해 잘 투과되도록 돕는 새로운 '준평면 광추출 구조'도 개발했다.

이 구조는 기존 마이크로렌즈 어레이와 비슷한 매우 얇은 두께를 가졌으면서도 반구형 렌즈와 유사한 광추출 효율을 구현할 수 있는 장점이 있다. 이 덕분에 휘어지는 플렉서블 OLED에도 쉽게 적용할 수 있다고 연구팀은 강조했다.

특히 새로운 OLED 설계와 준평면 광추출 구조를 동시 적용했을 때 작은 픽셀에서도 빛을 내는 효율은 2배 이상 높아졌다.

이 기술은 OLED의 평평한 구조를 유지하면서 같은 전력으로 더 밝은 화면을 구현할 수 있다. 이는 스마트폰·태블릿 PC 등 모바일 기기의 배터리 사용 시간을 늘리고 발열을 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.

유 교수는 "그간 수많은 광추출 구조가 제시됐지만, 면적이 넓은 조명용이 대부분이었고 수많은 작은 픽셀로 이뤄진 디스플레이에는 실제 적용이 어렵거나 적용해도 효과가 미미해 의미를 갖지 못했다"며 "이와 달리 연구팀이 제안한 준평면 광추출 구조는 OLED는 물론 페로브스카이트·양자점 등 차세대 소재 기반의 디스플레이에 다양하게 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구에는 신소재공학과 김민재 학사과정과 전기 및 전자공학부 김준호 박사(현 독일 쾰른대 박사후연구원)가 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판을 통해 지난해 12월 29일 공개됐다.