요철의 기울기가 가른 상부발광 OLED 광추출

경희대 연구진이 상부발광 마이크로캐비티 OLED의 내부 광추출 구조를 완만하게 바꿨습니다. 더 깊게 판 마이크로렌즈는 빛을 전방으로 43.5%만 보냈고, 완만한 요철은 77.3%를 보냈습니다. 거칠기가 낮아도 국소 기울기가 급하면 캐비티가 흔들렸습니다. 산란을 세게 하는 일보다 캐비티를 덜 건드리는 일이 앞선다는 결과입니다.

상부발광 OLED는 빛을 기판 반대쪽으로 꺼낸다. 그래서 개구율을 백플레인 배치와 떼어 놓을 수 있고, 고해상도 패널이 이 구조를 쓰는 이유가 그것이다.

여기에 파브리-페로 마이크로캐비티가 거의 자동으로 따라붙는다. 위아래 금속이 거울이 되어 특정 파장만 살리니 발광 스펙트럼이 좁아지고 빛이 정면으로 모인다. 정면 효율과 색순도가 함께 올라간다.

그 장점이 곧 제약이다. 정면으로 모인다는 것은 각도에 따라 색이 틀어진다는 뜻이고, 캐비티가 스펙트럼을 정해 버리니 광추출 구조를 넣을 자리가 좁아진다.

갇힌 빛은 적지 않다. OLED 적층은 도파모드와 표면플라즈몬이라는 통로를 품고 있어, 공기측 계면만 손봐서는 그 빛을 되찾을 수 없다. 내부에 손을 넣어야 한다.

내부 광추출의 상식은 요철이다. 주름을 잡거나 마이크로렌즈를 찍어 갇힌 모드를 흩어 준다. 그런데 센 요철은 각도 분포를 뭉개고 캐비티가 만든 좁은 스펙트럼을 흐트러뜨리며 위층 증착 균일도를 떨어뜨린다.

경희대 연구진은 이 자리에서 반대로 갔다. 요철을 더 완만하게 만들었다. 그리고 더 깊게 판 쪽보다 결과가 좋았다.

1. 캐비티가 광추출이 설 자리를 좁힌다

캐비티는 스펙트럼과 각도를 이미 정해 놓았다. 평탄한 캐비티는 위아래 거울 사이 광학두께가 화면 전체에서 같아야 공진 조건이 한 가지로 선다. 그 조건이 정면 효율과 색순도의 근거다.

내부에 요철을 넣는 일은 그 광학두께를 일부러 흔드는 일이다. 요철 위에 유기층과 전극을 쌓으면 골과 봉우리에서 적층 두께가 달라지고, 국소 공진 파장이 자리마다 달라진다.

논문이 지목한 기하학적 급소가 여기다. 밑면이 급하면 위층이 컨포멀하게 덮이지 못하고, 그러면 국소 광학두께 변화가 커진다. 산란은 세지지만 캐비티가 주던 이득이 같은 크기로 깎이므로, 소자 수준에서 남는 것이 없다.

그래서 연구진이 세운 설계 목표는 산란을 키우는 것이 아니다. 갇힌 모드는 꺼내되 국소 공진은 지키는 것이고, 그 둘을 함께 만족시키는 조건으로 「대표 표면각이 낮고 측방 변조가 넓은」 완만한 내부 요철층(GICL)을 정의했다.

캐비티는 2차 공진으로 잡았다. 유기 적층을 두껍게 하면 이물에 의한 누설과 증착 불균일에 덜 취약해지는데, 늘어난 두께를 주로 정공수송층에 배분해 전자수송층은 얇게 유지하면서 의도한 공진을 지켰다.

2. 요철을 더 깊게 파면 왜 빛이 덜 나오나

빛이 넓게 퍼지기만 하고 정면으로 오지 않기 때문이다. 같은 조건으로 돌린 FDTD에서 완만한 요철(GICL)은 입력 전력의 **77.3%**를 정면 수집 영역으로 보냈고, 급경사 마이크로렌즈(IRMLA)는 **43.5%**만 보냈다.

나머지가 어디로 갔는지도 함께 나온다. 광각 성분이 GICL에서는 **11.4%**인데 IRMLA에서는 **43.6%**다. 센 요철은 빛을 꺼내기는 했지만 쓸 수 없는 각도로 꺼냈다.

표면 형상의 숫자가 그 차이를 설명한다. GICL은 50×50마이크로미터 주사 영역에서 봉우리-골 높이 1,118나노미터, 제곱평균 거칠기 144.5나노미터이고 **대표 표면각이 x축 2.1~6.9°, y축 1.8~3.5°**다. IRMLA는 거칠기 1,359나노미터, 봉우리-골 7,867나노미터, **대표 표면각 25.3°**다.

그런데 이 기사가 짚을 자리는 거칠기가 아니라 기울기다. 비교군에 들어간 깊은 주름(wrinkle 2)은 거칠기가 48.4나노미터에 그치는데 **대표 표면각이 55.7°와 53.1°**다. 거칠기로만 보면 GICL의 3분의 1인데 국소 기하는 훨씬 급하다.

논문이 그 자리에 한 문장을 적어 두었다. 낮은 거칠기 진폭이 완만한 국소 기하를 뜻하지는 않는다. 그리고 모사 결과에서도 「섭동을 세게 하는 것만으로는 광학 응답이 나아지지 않는다」로 정리된다.

정면 수집과 광각 성분은 동일한 쌍극자 조건으로 532나노미터에서 돌린 FDTD 값이다. 같은 계산에서, 광학수지와 투명전극 조건을 똑같이 맞췄을 때 광추출 효율(LEE)이 평탄 소자 37.6%에서 완만한 요철 소자 74.1%로 1.97배가 됐다.

3. 갇혀 있던 빛은 어디서 돌아왔나

도파모드에서 돌아왔고, 표면플라즈몬은 거의 그대로 남았다. 광학 전력을 통로별로 나눠 보면 평탄 소자(P-O2)는 추출 29.7% · 도파모드 40.0% · 표면플라즈몬 관련 고파수 성분 30.4%다.

완만한 요철을 넣은 소자(G-O2)에서는 추출이 **38.6%**로 늘고 도파모드가 **32.0%**로 줄었다. 표면플라즈몬 관련 성분은 30.4%에서 **29.4%**로 1퍼센트포인트만 움직였다.

금속 가까이 붙은 빛은 요철로 꺼내기 어렵다는 뜻이다. 표면플라즈몬은 전극 계면에 바싹 묶여 있어 마이크로미터 규모 기하로는 건드려지지 않고, 상부발광 구조에서 남는 숙제로 그대로 있다.

소자 쪽 숫자도 같은 방향이다. 광학수지(OCR)를 똑같이 올린 조건에서 정면 전류효율이 302.7cd/A에서 378.4cd/A로 25.0% 올랐다.

람베르시안 보정을 거친 지표는 더 크게 움직인다. 보정 뒤 전력효율이 199.3lm/W에서 396.7lm/W로, 외부양자효율이 34.8%에서 69.2%로 올랐고, 다섯 개 시료 평균 최대 외부양자효율은 34.2±0.6%와 68.2±0.7%였다. 보정 전과 보정 뒤는 기준이 다른 숫자다.

4. 같은 요철이 발광체에 따라 다르게 듣는 이유

좁은 발광체일 때 이득이 더 컸다. 같은 완만한 요철을 넣었을 때 인광계는 전류효율이 140.9cd/A에서 163.0cd/A로 22.1cd/A(15.7%) 올랐고, pTSF계는 302.7cd/A에서 378.4cd/A로 75.7cd/A(25.0%) 올랐다.

차이의 근거로 논문이 든 것은 발광 선폭이다. 인광계의 발광 반치폭은 캐비티를 거쳐도 25나노미터이고, pTSF계는 19나노미터다. 좁으면 캐비티 공진대 안에 남는 몫이 크다.

pTSF계는 TADF 호스트(DMIC-TRZ)와 인광 보조체(Ir(ppy)₂acac)가 말단 MR-TADF 발광체(tCzphB-Fl)를 함께 감응시키는 구조다. 엑시톤을 효율적으로 쓰면서 좁은 발광을 얻으려는 조합이다.

다만 저자들이 그 자리에서 스스로 선을 긋는다. 두 발광계는 반치폭만 다른 것이 아니라 발광층 조성과 전기·광물리 특성이 함께 다르므로, 이득 차이를 반치폭만의 효과로 돌릴 수 없다고 적었다. 반치폭은 「중요한 분광 인자」까지다.

5. 초록과 본문 사이

초록에 나란히 놓인 숫자를 사내에서 옮겨 적기 전에 붙여야 할 조건이 넷이다.

첫째, 외부양자효율 두 배는 정면 효율 두 배가 아니다. 표 각주에 외부양자효율과 전력효율이 람베르시안 보정 계수(LCF)를 적용한 뒤의 값이라 적혀 있고, 그 계수가 평탄 소자 0.5238에서 요철 소자 0.8343으로 올랐다. 보정을 받지 않는 정면 전류효율은 25.0% 올랐다.

둘째, 그 계수가 올랐다는 것은 빛이 퍼졌다는 뜻이다. 보정 계수가 1에 가까워지는 것은 각도 분포가 람베르시안에 가까워지는 것이고, 상부발광 마이크로캐비티의 값어치 중 하나가 정면 집중이다. 반구 전체 광출력이 늘어난 대가로 정면 집중이 약해졌다. 정면 색좌표도 (0.2008, 0.7473)에서 (0.2271, 0.7459)로 움직였다.

셋째, 각도 색이동과 정면 색순도는 다른 이야기다. 60°까지 피크 이동은 13나노미터에서 3나노미터로 줄고 각도 색이동은 Δu′v′ 0.0086까지 내려갔다. 각도에 따른 변화는 분명히 좋아졌고, 위에 적은 정면 색좌표 이동은 그와 별개의 항목이다.

넷째, 롤오프는 나빠졌다. 10³cd/m²에서 상대 외부양자효율 롤오프가 인광 평탄 소자 0.5%, 인광 요철 소자 1.9%, pTSF 평탄 소자 2.7%, **pTSF 요철 소자 4.6%**다. 효율이 올라간 순서와 롤오프가 나빠지는 순서가 같다.

그리고 찾아봤지만 없는 것이 하나 있다. 수명 데이터다. 내부에 요철을 넣고 그 위에 유기층을 쌓는 공정이 수명에 어떤 영향을 주는지는 이 논문의 범위가 아니다. 광추출 구조의 양산 판단에서 가장 먼저 묻는 항목이 비어 있다.

전력효율과 외부양자효율은 보정 계수를 적용한 값이고 전류효율은 적용하지 않은 값이다. 같은 줄에 있지만 같은 기준의 숫자가 아니다.

6. 산업까지 남은 거리

이 논문이 바꾼 것은 재료가 아니라 판단 기준이다. 내부 광추출 구조를 고를 때 거칠기나 깊이로 줄을 세우던 자리에, 국소 기울기와 컨포멀 증착이라는 항목이 들어간다.

양산 쪽에서 반가운 성질이 하나 있다. 완만한 요철은 그 위에 쌓는 층이 덮기 쉬운 형상이다. 급경사 구조가 일으키는 단차 피복 문제와 국소 광학두께 흔들림을 애초에 줄이는 방향이라, 증착 공정에 거는 부담이 작은 편이다.

반대로 남는 것은 셋이다. 수명 데이터가 없고, 표면플라즈몬에 묶인 30% 가까운 몫이 그대로이며, 효율을 올리는 방향이 정면 집중을 깎는 방향과 겹쳐 있다. 상부발광을 고른 이유가 정면 효율과 색순도라면 이 교환비를 패널마다 다시 계산해야 한다.

적용 범위에도 조건이 붙는다. 이 결과는 2차 공진 녹색 단일 적층 소자에서 나온 것이다. 청색과 적색은 캐비티 두께와 공진대 폭이 다르고, 적층 소자(탠덤)는 통로별 전력 분포 자체가 달라진다. 같은 요철이 같은 이득을 준다고 가정할 근거는 이 논문 안에 없다.