주병권 교수팀, 초고해상도 나노픽셀로 고효율 OLED 개발

고휘도에서의 효율 감소 개선 및 수명 향상 기대

연구결과, 나노스케일(Nanoscale)  게재돼

▲ 공과대학 전기전자공학부 주병권 교수

이미지를 구성하는 단위인 픽셀을 수많은 나노 크기의 픽셀로 구성해서, OLED의 효율과 수명을 개선하는 기술이 개발됐다. 

공과대학 전기전가공학부 주병권 교수와 선문대 박영욱 교수 연구팀은 나노 크기의 픽셀을 통해 고휘도에서도 높은 발광 효율을 보이는 OLED 기술을 개발했다.

OLED(유기발광다이오드)는 뛰어난 색 재현율, 높은 명암비, 휘어지는 특성 등으로 인해 디스플레이와 조명 시장에서 각광받고 있다. 그러나 OLED 내부에서 생성된 빛이 외부로 빠져나가지 못하고 손실돼 발광효율이 낮아지고, 고휘도에서 효율이 급격히 떨어지는 롤-오프(Roll-off) 현상으로 인해 수명이 짧아지는 문제가 남아있다.

연구팀은 수백 나노미터(nm) 크기의 무수히 많은 나노 OLED가 모여서 하나의 픽셀을 구성하는 구조를 통해 고휘도에서도 높은 발광 효율을 보이는 OLED를 개발했다. 특히 픽셀 크기와 픽셀 간 거리를 조절함으로써 발광 효율을 극대화하고 롤-오프 현상을 개선했다. 기존 OLED보다 에너지 변환 효율이 137% 향상되고 고휘도에서의 효율 저하가 2-3배 가량 개선됐다. 이 연구에서는 레이저 빛의 간섭 현상을 이용해 나노 규모의 패턴을 형성하는 레이저 간섭 리소그래피 기술이 이용됐다. 마스크 없이 패턴을 만들 수 있고 넓은 면적으로 제작이 가능해, 디스플레이 및 조명용 대형 OLED에도 적용할 수 있다.

주병권 교수는 ”이 연구는 초고해상도 나노픽셀을 통하여 고휘도에서의 OLED 발광 효율을 크게 개선한 것이다“이라며, “고휘도를 필요로 하는 OLED 조명 시장에 핵심 기술로 적용될 수 있고 수명 향상도 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 나노소재 분야 국제학술지 나노스케일(Nanoscale) 9월 1일자 게재됐다.

- 논문명 : Nano-arrayed OLEDs: enhanced outcoupling efficiency and suppressed efficiency roll-off

- 저   자 : 주병권 교수(교신저자, 고려대학교), 박영욱 교수(교신저자, 선문대학교), 황하(제1저자, 고려대학교), 심용섭 박사(고려대학교), 최준희(고려대학교), 이동준(고려대학교), 김재근(고려대학교), 이주성(고려대학교)

한편, 주병권 교수는 OLED 소자 내에서의 나노광학적 효과를 통해 발광효율을 개선하는 연구를 추가적으로 진행할 예정이며, 번인 현상 등을 개선하기 위한 OLED 수명 연구를 진행할 계획이다.

[ 그 림 설 명 ]

(그림1) 나노 픽셀 어레이 OLED의 소자 구조 단면도

전자와 홀이 결합하여 생성하는 준입자인 엑시톤은 일정 시간 후에 빛을 발광하면서 소멸한다. 생성된 엑시톤이 전하 캐리어인 전자와 홀과 충돌하게 되면 엑시톤이 가지고 있던 에너지를 빛을 발광하지 못하고 열로 내보낸다.

위 그림은 나노 픽셀 어레이 OLED 소자 구조에서 엑시톤 확산 현상을 통해 엑시톤과 전하 캐리어와의 충돌을 줄여 롤-오프 현상을 개선하는 메커니즘을 보여주고 있다.

(그림2) 나노 픽셀 어레이 OLED의 제작 공정도 및 레이저 간섭 리소그래피 장치

기판 위에 포토레지스트(photoresist)를 코팅한 후 레이저 간섭 리소그래피를 통하여 나노패터닝을 진행한다. 패터닝 된 포토레지스트는 나노 픽셀 영역을 정의하는 PDL(pixel defining layer)로 사용된다. PDL 위에 유기물과 금속을 증착하여 OLED 소자를 제작한다.

레이저 간섭 리소그래피 장치에서 로이드 거울(Lloyd’s Mirror)의 각도에 따라 나노 픽셀의 픽셀 간 간격을 조절할 수 있으며 노광된 에너지의 세기와 현상 시간(developing time)을 조절하여 나노 픽셀의 크기를 조절할 수 있다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)