액정 산란이 가른 신축 기계발광 필름의 밝기와 색

아주대와 DGIST 연구진이 늘어나는 기계발광 필름 위에 기능성 엘라스토머 층을 얹었습니다. 투명한 층은 거의 아무 일도 하지 않았고, 액정을 넣어 헤이즈를 70~90%로 올린 층이 발광을 1.57배로 꺼냈습니다. 발광 스펙트럼은 그대로입니다. 액정을 배향이 아니라 산란으로 쓴 결과입니다.

디스플레이에서 헤이즈는 피해야 할 값이다. 빛이 흐려지면 대비가 떨어지고 글자가 번진다. 커버윈도우 규격서에 헤이즈 상한이 적혀 있는 이유다.

이 논문은 그 헤이즈로 밝기를 만든다. 흐린 층을 얹어야 밝아지고, 투명한 층을 얹으면 거의 아무 일도 일어나지 않는다.

대상은 기계발광(ML) 필름이다. 황화아연에 구리를 넣은 형광체를 실리콘 고무에 섞은 것으로, 늘리고 놓는 변형만으로 빛이 난다. 전원이 없다.

빛이 나는 원리는 전기다. 형광체와 고분자 계면에서 접촉과 마찰로 생긴 마찰전기장이 발광을 일으킨다는 것이 최근 설명이고, 그래서 외부 전원 없이 기계 자극이 곧 입력이 된다.

문제는 그렇게 만든 빛이 밖으로 잘 나오지 않는다는 것이다. 그리고 발광층을 손대면 기계적 성질이 함께 바뀐다.

연구진의 선택은 발광층을 건드리지 않는 것이었다. 위에 광학 층을 따로 얹어, 빛을 만드는 일과 빛을 꺼내는 일을 분리했다.

1. 네 가지 층을 따로 조절한다

얹은 층은 폴리우레탄(PU)을 바탕으로 한 넷이다. 각각이 독립적으로 조절되는 광학 층이다.

• PU : 투명 기준. 가시광 총투과율이 90%를 넘고 헤이즈는 약 5%다
• NLC-PU : 네마틱 액정을 담지해 산란을 만든다
• DCM-PU : DCM 색소를 도핑해 색변환을 만든다
• DCM-NLC-PU : 둘을 함께 넣는다

PU는 두께를 393마이크로미터에서 1,002마이크로미터까지 키워도 투과율 90% 이상을 유지하고 헤이즈가 5% 안쪽에 머문다. 광학적으로 균일하고 산란이 거의 없다는 뜻이고, 그래서 기준으로 쓸 수 있다.

액정을 넣으면 성질이 달라진다. 10wt% NLC-PU는 두께가 330마이크로미터에서 978마이크로미터로 늘면 총투과율이 약 85%에서 70%로 내려가고 헤이즈가 약 70%에서 90%로 올라간다. 투과율과 헤이즈가 서로를 깎는 교환 관계다.

농도에도 문턱이 있다. 2wt%는 헤이즈가 3% 아래로 거의 투명하고, 5wt%는 약 15%, 10wt%에서 비로소 강한 헤이즈가 나온다. 교차 편광 현미경에서 2wt% 필름은 거의 어둡게 보여 복굴절 도메인이 드물게만 생겼음을 보여 준다.

그래서 10wt%가 선택된다. 광자 재분배와 광학 손실 사이에서 균형이 맞는 농도이고, 아래 발광층에서 나온 빛을 꺼내는 데 쓸 만한 조건이다.

2. 액정을 배향이 아니라 산란으로 쓰면 무엇이 달라지나

늘려도 기능이 죽지 않는다. 디스플레이에서 액정을 쓰는 방식은 배향을 잡고 복굴절을 전압으로 제어하는 것이다. 그 방식은 기하가 흐트러지면 성립하지 않는다.

이 논문은 액정 도메인을 산란체로 쓴다. 분산된 도메인이 빛을 흩는 비공명 산란이고, 파장에 공명하지 않으므로 광대역이며 모양이 조금 변해도 산란이 사라지지 않는다.

측정이 그 성질을 보여 준다. 0%에서 50%까지 늘리며 정반사 투과 스펙트럼을 재고, 520나노미터에서 입사 편광을 늘리는 방향과 평행·수직으로 나눠 쟀다. 교차 편광 현미경으로는 20%에서 100%까지 늘린 모습을 따라갔다.

결과는 「불변」이 아니라 「살아남음」이다. 늘리면 액정 도메인이 재배치되고 광학적 비등방성이 생긴다. 변형에 반응한다. 그런데도 산란이라는 기능 자체는 계속 작동한다. 논문이 「변형 내성(deformation-tolerant)」이라 부르는 것이 이것이다.

3. 투명한 층과 흐린 층은 얼마나 달랐나

흐린 층은 1.57배를 꺼냈고, 투명한 층은 거의 꺼내지 못했다. 맨 발광 필름을 1로 두고 규격화한 값이며, 독립적으로 만든 시료 다섯 개의 평균이다.

두께에 따른 모양이 중요하다. 330마이크로미터에서 약 1.08배, 665마이크로미터에서 약 1.57배로 최대가 되고, 978마이크로미터에서는 약 1.31배로 다시 내려온다. 두껍게 할수록 좋은 것이 아니다.

논문의 해석은 두 힘의 균형이다. 얇으면 산란 경로가 짧아 빛의 방향을 충분히 돌리지 못하고, 너무 두꺼우면 과한 산란과 광학 감쇠가 빛의 탈출을 막는다. 중간 두께가 광자 재분배와 광학 손실 사이의 최적점이다.

같은 두께의 투명 PU는 이 값들보다 훨씬 낮았다. 엘라스토머를 한 겹 얹은 것 자체가 아니라 액정 도메인이 만든 헤이즈가 원인이라는 근거다.

스펙트럼이 거의 변하지 않았다는 점이 이 절의 핵심 증거다. 발광 최대 파장은 맨 필름 517나노미터, PU 덮은 것 514나노미터, 액정 담지 필름 덮은 것 517나노미터이고, 반치폭은 각각 88·87·89나노미터다.

세기는 늘었는데 파장과 폭이 그대로다. 발광 자체를 바꾼 것이 아니라 이미 난 빛을 밖으로 더 꺼낸 것이라는 뜻이고, 광추출이라는 말이 정확하게 쓰이는 자리다.

4. 색변환을 얹어도 그 효과가 남는가

남는다. DCM 색소를 넣은 오버레이어는 아래에서 올라오는 녹색 발광을 흡수해 황등색으로 다시 내보낸다. CIE 1931 좌표가 녹색에서 황등색 쪽으로 옮겨 간다.

작동 근거는 겹침이다. DCM 함유 필름의 흡수 스펙트럼이 발광 필름의 녹색 발광대와 겹치고, 그래서 녹색 광자를 받아 더 긴 파장으로 다시 낸다.

그리고 액정을 함께 넣은 쪽이 더 세게 색변환된 빛을 낸다. DCM만 넣은 필름보다 DCM과 액정을 함께 넣은 필름이 밝다. 색변환 외에 광관리 기능이 하나 더 얹혀 있다는 뜻이다.

숫자도 같은 모양이다. DCM-PU의 최대 세기를 1로 두면 365마이크로미터에서 약 1.45배, 638마이크로미터에서 약 1.62배로 최대, 993마이크로미터에서 약 1.49배다. 색변환을 넣은 뒤에도 비단조 곡선이 그대로 나온다.

두 기능이 서로를 막지 않고 층으로 쌓인다는 것이 이 논문의 설계 요지다. 산란은 빛을 꺼내고 색소는 색을 바꾸는데, 둘을 한 층에 넣어도 각각이 작동한다.

5. 초록과 본문 사이

초록은 헤이즈 보조 광추출과 색변환을 함께 얻었다고 적는다. 본문에 들어가면 조건이 넷 붙는다.

첫째, 「변형에 견딘다」가 「변형에 안 변한다」는 뜻이 아니다. DCM과 액정을 함께 넣은 필름의 정반사 투과는 0%에서 50%로 늘리는 동안 약 4%에서 13%로 세 배 넘게 변한다. 편광별로 보면 늘리는 방향과 평행한 성분은 약 2%로 강하게 가려져 있다. 기능이 유지되는 것과 광학이 불변인 것은 다르고, 화면에 쓸 때는 후자가 필요하다.

둘째, 1.57배와 1.62배는 규격화 값이다. 각각 맨 발광 필름과 DCM-PU 최대치를 1로 둔 상대값이고 절대 휘도가 아니다. 기계발광은 애초에 어두운 광원이라 배수가 커도 절대 밝기는 화면 기준에 한참 못 미친다.

셋째, 입력이 기계 변형이다. 전원이 없다는 것은 장점이지만, 동시에 누군가 늘리거나 눌러야 빛이 난다는 뜻이다. 임의의 영상을 띄우는 화면이 아니라 변형을 신호로 바꾸는 소자다.

넷째, 비교 대상이 맨 필름이다. 이 수치들은 광추출 구조가 없는 필름 대비 개선이고, 기존 광추출 기법(마이크로렌즈·요철·산란 입자)과 같은 조건에서 겨룬 데이터는 이 논문에 없다.

그리고 찾아봤지만 없는 것이 하나 있다. 반복 내구성이다. 늘리고 놓기를 수천 번 반복했을 때 액정 도메인의 재배치가 되돌아오는지, 헤이즈와 1.57배가 유지되는지는 범위 밖이다. 변형이 입력인 소자에서 가장 먼저 묻는 항목이 비어 있다.

6. 산업까지 남은 거리

이 필름이 화면이 되지는 않는다. 어둡고, 입력이 변형이고, 늘리면 투과가 세 배 변한다.

그래도 디플이 이 편을 심층으로 다룬 이유는 옮겨 쓸 수 있는 것이 둘 있기 때문이다.

하나는 분리라는 설계 방식이다. 발광층을 손대면 기계적 성질이 함께 바뀌는 문제를, 광학 기능을 따로 얹는 층으로 떼어내 피했다. 산란과 색변환을 독립적으로 조절할 수 있고, 발광층 레시피를 다시 잡지 않아도 된다. 신축·유연 소자에서 재료 하나가 여러 요구를 동시에 받는 자리마다 같은 질문을 던질 수 있다.

다른 하나는 헤이즈의 자리다. 제8호 심층기사가 상부발광 OLED의 광추출을 다루며 「요철을 세게 파면 더 나빠진다」를 보였는데, 이 편은 같은 질문에 정반대 기법으로 답한다. 그쪽은 캐비티를 흔들지 않으려고 기울기를 완만하게 했고, 이쪽은 캐비티가 없으니 마음껏 흩는다. 두 편을 나란히 놓으면 「광추출은 소자 구조가 무엇을 지켜야 하는지에 따라 정반대로 설계된다」가 보인다.

남는 질문은 분명하다. 최적 두께가 왜 665마이크로미터인가. 논문은 산란과 감쇠의 균형이라는 현상론적 모델로 설명하지만, 그 두께가 발광층 두께·형광체 농도·액정 농도와 어떤 관계인지는 열려 있다. 그 관계가 잡히면 설계값이 되고, 지금은 실측으로 찾아야 하는 값이다.