Download - OLED 조명 패널의 광추출 기술 조명... · 2012-06-14 · oled 조명 패널의 광추출 기술 2011년 제12권 제4호 51 [그림 3] 마이크로 렌즈 어레이의 광추출

기술특집

2011년 제12권 제4호❙ 49

Ⅰ. 머리말

유기발 다이오드(organic light emitting diode, OLED)

는 1987년 이스트만 코닥(Eastman Kodak)의 Ching W.

Tang 등에 의해 처음 개발된 이후 비교 짧은 역사 속에

빠르게 상용화 역으로 발 해 왔다. 주로 디스 이

용도로 개발되어 왔으나 최근 들어 백색 OLED를 응용하

는 OLED 조명 분야가 새롭게 주목 받고 있다. OLED는

효율, 수명 등의 향상된 성능을 기반으로 조명 분야로의

새로운 도 을 시작하고 있다. 친환경, 에 지 감형 조

명용 원의 필요성에 따라서 OLED는 LED(light emitting

diode)와 더불어 유망한 조명용 차세 원으로 인식되

고 있다.[1] 특히, OLED는 성능만이 우수한 것이 아니라

미 요소가 더해져 보는 즐거움이 있는 조명이라는 에

서 그 가치가 더욱 크다고 할 수 있다. 조명의 신기술

원으로 주목 받는 OLED는 백색 LED 원과 흔히 비교

되곤 한다. LED 원은 매우 높은 휘도를 갖고 수명이

길며 외 효율이 높은 장 이 있지만 발열이 심하여 커다

란 방열장치를 필요로 하며 이 부시고 확산 을 만들기

어려운 단 이 있다. 한 LED가 반도체 칩을 사용하여

만들기 때문에 소형의 원이고 면 원화 하는데 있어

서 부가 인 부품과 공정이 필요하다. 이에 반하여 OLED

조명은 패 형태로 생산되므로 자체가 면 원이며 확산

이라는 특징이 있다. 확산 은 의 피로감을 이고

낮은 높이에서 넓은 면 을 밝힐 수 있어 실내용 조명으

로 합한 특성을 나타낸다. 한 OLED 원은 매우 얇

고 가벼워서 신 인 디자인이 가능하다는 장 이 있다.

따라서 OLED 조명의 기 시장은 술 디자인이 용

된 리미엄 조명으로 형성될 가능성이 큰 것으로 상되

고 있다. 이 에 단 으로 지 되던 수명과 LED에 비해

떨어지는 외 효율 휘도는 최근 활발한 기술개발에 따

라 LED와의 격차가 속히 어들고 있는 상황이다. 그

럼에도 불구하고 OLED 원은 형 등이나 LED 원에

비해 력효율이 낮은 것이 실이다. 백색 OLED 패

이 일반조명용 원으로 사용되기 해서는 재 약 으

로 지 되고 있는 상 으로 낮은 력효율과 길지 않은

수명의 문제를 해결해야 한다. 효율과 수명의 문제를 해

결하기 해 최근 추출 기술이 주목 받고 있다. LED와

마찬가지로 다층 박막 구조로 되어 있는 OLED는 굴 률

이 서로 다른 층을 통과하여 외부 공기로 빛이 방출되기

까지 상당한 비율의 빛이 손실되어 버린다. OLED 구조

상의 학 문제를 해결하고 더 많은 빛을 OLED 외부

로 방출할 수 있도록 하는 기술을 추출 기술이라 하며,

추출에 의해 외부로 방출되는 빛의 비율이 높아지면

력효율은 물론 수명도 획기 으로 증가시킬 수 있다.

OLED는 두 개의 극 사이에 유기물층을 배열하고

계를 가하여 주입된 자와 정공이 유기물 내에서 재결합

하여 형성되는 여기자(exciton)가 기 상태로 떨어지면서

빛을 내는 소자이다. OLED의 구조는 비교 단순하여

필요한 부품 소재의 종류가 고 일 생산에 유리한 장

이 있다. 조명용 OLED 패 은 디스 이 패 과 달리

녹청(RGB) 픽셀의 구분이 없고 다층의 유기발 층을

조두희1, 이정익1, 추혜용1, 오민철2 (1한국전자통신연구원 OLED조명연구팀, 2부산대학교 전기전자공학부)

OLED 조명 패널의 광추출 기술

❙기술특집❙

50❙인포메이션 디스플레이

[그림 1] OLED에서 광추출의 원리 개념도(ref 3)

[그림 2] 일반적인(위) OLED 및 외부(중간)/내부(아래) 광추출

구조를 포함하는 OLED 개념도

사용하여 백색을 방출하는 것이 일반 이다. 여기서 사용

되는 유기층들은 기능에 따라서 정공주입층(hole injection

layer, HIL), 정공수송층(hole transporting layer, HTL), 발

층(emission layer, EML), 자수송층(electron transporting

layer, ETL), 자주입층(electron injection layer, EIL) 등

으로 구성된다. OLED는 사용하는 재료, 발 메카니즘,

발 방향, 구동방법 등에 따라서 다양하게 분류할 수가

있는데, 발 구조에 따라서 종류를 나 어 보면 유리기

방향으로 빛을 방출하는 배면발 (bottom emission)과 유

리기 반 방향으로 방출하는 면발 (top emission)

으로 나 수 있다.[1~2] 배면발 의 경우 일반 으로 캐소

드는 알루미늄 등의 속 박막이 사용되어 반사 으로 작

용하며 애노드는 ITO 등의 투명산화물 도막이 사용되

어 빛이 방출되는 통로가 된다. 면발 의 경우 캐소드

는 매우 얇은 은 박막을 포함한 다층박막으로 이루어져

캐소드를 통하여 빛을 방출한다. 조명패 에서 양면으로

발 되는 투명 패 을 제외하고 면발 구조가 사용되

는 일은 거의 없어 본고에서는 배면발 구조를 심으로

추출 기술에 해 살펴보기로 한다.

OLED에서 발 층으로 사용되는 재료는 형 재료와

인 재료가 있다. 인 OLED는 재결합에 의해 형성된

여기자를 모두 발 에 이용할 수 있기 때문에, 이론 내

부양자효율이 100%로 형 OLED에 비해 이론 효율이 4

배가 되어 효율이 우수한 반면 수명이 길지 않은 단 이

있다. 그러나 최근 활발한 인 재료 개발에 힘입어 내부

양자효율과 함께 수명도 크게 향상되어 차로 상용 제품

에 사용되고 있는 추세이다. 그러나 OLED의 내부 양자

효율이 비록 100%라 하더라도 발 량의 약 20%만이 외

부로 방출되고 80% 정도의 빛은 유리 기 과 ITO 유

기소재층의 굴 률 차이에 의한 wave-guiding 효과와 유

리 기 과 공기의 굴 률 차이에 의한 반사 효과로 손

실된다.([그림 1] 참조) 내부 유기발 층의 굴 률은

1.7~1.8이고 애노드로 일반 으로 사용되는 ITO의 굴

률은 약 1.9이다. 두층의 두께는 략 200~400nm로 매우

얇고 기 으로 리 사용되는 유리의 굴 률은 1.5 정도

이므로 OLED 내에는 평면 도 로가 자연스럽게 형성된

다. 계산에 의하면 상기 원인에 의한 내부 도 모드로 손

실되는 빛의 비율이 약 45%에 이른다. 한 기 의 굴

률은 약 1.5이고 외부 공기의 굴 률은 1.0이므로 기 에

서 외부로 빛이 빠져 나갈 때 임계각 이상으로 입사되는

빛은 반사를 일으켜 유리기 내부에 고립되며 이 게

고립된 빛의 비율은 약 35%에 이르기 때문에, 불과 발

량의 약 20% 정도만 외부로 방출된다.[3] 이와 같이 낮은

추출 효율 때문에 OLED의 외부 효율이 낮은 수 에

머무르고 있어 최근 들어 추출 기술의 개발이 OLED

조명 패 의 효율, 휘도, 수명을 높이는 핵심기술로 주목

받고 있다.

애노드(ITO)와 기 사이의 굴 률 차이에 의한 유기

층/ITO층의 고립 을 외부로 추출하는 기술을 내부 추

출이라고 하고 기 내 고립 을 외부로 추출하는 기술을

외부 추출이라고 한다.([그림 2] 참조)

OLED 조명 패널의 광추출 기술❙

2011년 제12권 제4호❙ 51

[그림 3] 마이크로 렌즈 어레이의 광추출 원리

(ref 4)

Ⅱ. OLED 광추출 기술의 종류

OLED의 추출 기술은 머리말에 언 한 바와 같이 외

부 추출과 내부 추출 기술로 분류된다. 외부 추출 기

술은 본래 CCD나 CMOS 이미지 센서의 해상도를 높이

는 용도로 개발된 마이크로 즈 어 이(MLA) 등을 이

용하므로 학 원리에 한 연구의 역사가 오래되었다.

한 기 의 외부에 학 필름을 부착하는 형태로 용되

어 비교 안 하고 용이하게 추출 효율을 높일 수 있

는 기술이다. 그러나 외부 추출 기술만을 용할 경우

실 인 효율의 향상이 1.6배 정도로 한계가 있고 회

상으로 인하여 시야각에 따른 색상 변화 발생을 최소

화해야 하는 과제가 있다. 재류된산을 고려하고 있는

오스람과 필립스, LG화학 등은 부분 마이크로 즈 어

이 는 산란필름을 고휘도 OLED 조명 패 에 부착

하여 제품을 내보내고 있다.

내부 추출 기술은 이론 으로 3배 이상의 외 효율

향상을 보일 수 있는 신 인 기술로 평가되고 있으나

매우 민감하게 내부 OLED 경계면에 향을 주게 되므로

학 효과 이외에 기 , 기계 , 화학 특성을 모두

만족해야 하는 난이도가 높은 기술이다. 미국 미시건 학

의 Forrest 그룹, 독일의 Philips, Leo 그룹 등 해외의 선진

연구 그룹에서는 활발한 내부 추출 필름에 한 연구를

내놓고 있다. 재까지 내부 외부 추출 필름을 사용

하여 개발한 OLED 소자의 가장 높은 력효율은 독일의

Leo 그룹에서 발표한 약 90lm/W로 고굴 기 을 이용

한 것이다. 그러나 이 기술은 고굴 박 유리의 제조 공

정이 확립되어 있지 않아 바로 상용화 제품에 용하기는

어려울 것으로 보인다. 한편 일본의 동경공 Takezoe 그

룹에서는 PDMS/Al buckled 구조를 이용하여 추출 효

율을 190% 이상 높 다고 보고하 다. 10여년 부터 내

부 추출 기술과 련하여 많은 기업과 연구자들이 심

을 가지고 다양한 방법을 제안하 다. 내부 추출 기술

로는 내부 산란층, 기 표면 변형, 굴 률 조 층, 포토

닉 크리스탈, 나노 구조 형성 방법 등이 내부 추출에 효

과가 있은 것으로 알려져 있다. 재 MLA 필름이나 산

란 필름 등을 OLED 패 외부면에 부착하는 외부 추

출 기술은 어느 정도 확립되어 있으나 신뢰성 있는 내부

추출 기술은 아직 보고되지 않고 있다.

Ⅲ. 외부광추출 기술

1. 마이크로 렌즈 어레이(MLA)

마이크로 즈 어 이는 1mm 미만의 직경을 가지는

작은 즈를 평탄한 기 에 2차원 으로 배열하여 놓

은 것을 말한다. 최 에는 포토 지스트를 사각 는 육

각형으로 패터닝한 후 가열하여 녹아내리는 공정으로 볼

록 즈형의 마이크로 즈 어 이를 제작하 으나 최근

에는 오목한 형틀을 가진 마스터 몰드를 이용하여 인쇄하

듯이 어내는 공정으로 량생산이 가능하여졌다. 마이

크로 즈 어 이는 CCD나 CMOS 이미지 센서의 해상

도를 높이고 센서 크기를 이는 용도로 리 개발되었으

나 OLED에 용할 경우 추출 효율을 높일 수 있어

OLED 조명 패 기술에 용되기 시작하 다. 마이크로

즈 어 이는 [그림 3]과 같이 평면에 비해서 곡면을 이

루는 마이크로 즈의 표면 선과 이루는 빛의 입사각이

임계각보다 작아지므로 반사에 의해 기 내부에 갇히

지 않고 외부로 추출되는 원리를 이용한다. 일반 으로

마이크로 즈 어 이의 매질은 기 과 동일한 굴 률을

가진 재료를 사용하며 즈의 직경은 수십um의 크기를

가진다. 마이크로 즈의 도가 높을수록 추출 효율은

증가하고 즈의 형상에 따라 배 분포가 변화한다. 마이

크로 즈 어 이 시트를 사용하여 외부 추출 구조를 기

❙기술특집❙


[그림 4] 마이크로 렌즈 어레이의 미세구조(위) 및 시트

사진(아래)(from temicon homepage)

외부에 부착하 을 때 략 50% 정도의 효율 증 가

있으며 이론 으로는 85%, 문헌상으로는 70%까지 추

출 효율을 높일 수 있다고 알려져 있다.[4] 마이크로 즈

어 이는 기 외부에 부착하는 폴리머 시트 형태로 제작

하고 OLED 패 을 제작한 후에 기 외부에 붙이면 완

성된다. 따라서 사출 인쇄 방법을 이용하여 면 으

로 간단히 제조할 수 있고 가격이 싸다. 그러나 마이크로

즈의 형상과 배열을 잘 조 하지 않으면 시야각에 따른

색상변화와 간섭색이 나타날 수 있으므로 주의해야 한다.

마이크로 즈 어 이는 이미 이미지 센서나 액정 디스

이에서 사용되고 있어 량생산에 용되는데 큰 문제

가 없어 부분의 고효율 OLED 조명 패 에 사용 될 것

으로 보인다.

2. 외부 광산란층(external scattering layer)

산란층은 OLED 내부 기 외부에 모두 용할

수 있는 추출 구조이다. 내부에 사용하는 내부 산란

층은 다음 장에서 다루도록 하고 여기에서는 기 외부에

용하는 외부 산란층에 해서 살펴본다. 외부 산란

층은 마이크로 즈 어 이 시트와 유사한 방법으로 기

외부에 시트 형태로 제작하여 부착할 수도 있고 용액으로

제조하여 기 에 코 한 후 경화시키는 방법으로 용

할 수도 있다. 외부 산란층은 시야각에 따른 색상 변화

가 없고 간섭색도 없으며 산란층 통과 후의 배 분포

가 Lambertian 분포를 유지하므로 백색 OLED 조명 패

에 용하기 좋은 추출 구조이다. 그러나 산란층이

두꺼워지고 산란 입자가 다층 구조를 이루게 되면 단

장이 장 장 빛에 비해 산란효과가 하게 커져 투과색

이 황 색을 띠게 되므로 주의해야 한다. 장에 따른 산

란 효과 차이에 의한 스펙트럼 변화를 최소화하기 해서

는 산란입자의 굴 률과 크기 도, 기지 재료의 굴

률 흡수 스펙트럼 등을 잘 조 할 필요가 있다. 야마사

키 등은 550nm 직경의 실리카 비드를 사용하여 외부

추출을 실시하 고,[5] ZrO2 입자나 실리카 콜로이드 입자

를 기 외부에 린트하여 외부 추출 구조를 제조하기

도 한다.[6~7] 단순한 추출 효과를 넘어서 청색 OLED의

기 외부에 down conversion 형 체 콜로이드를 코 하

여 산란에 의한 추출 효과 백색 을 발 하는

OLED 구조를 제안하기도 하 다.[8~9] 외부 형 체 콜로

이드 구조는 두께 형 체 크기, 농도에 따라 흡수되는

빛과 산란 재발 하는 빛의 비율이 민감하게 달라지므

로 세심하게 설계되어야 한다. 최근에는 작은 공기방울을

함유한 폴리머 시트를 이용하여 산란층을 형성하는 것

이 효과 인 추출 방법임이 알려져 있다. 공기방울의

굴 률은 1.0이므로 1.5정도의 기지 재료와 굴 률 차이

가 매우 커서 산란 효과가 매우 크기 때문에 상 으

로 산란층의 두께도 일 수 있어 스펙트럼 변화를 최

소화하기에 유리하다.

3. 저반사 필름(anti-reflective film)

반사 필름은 소자의 단면에서 격한 굴 율 변화

로 인해 발생하는 빛의 반사를 없애고 투과하는 빛의 양

을 증가시키기 하여 유 체 등의 물질들로 소자 단면

에 얇게 1~3층 정도 쌓는 것을 말한다. 일반 으로 유리

기 에 빛이 입사할 때와 투과하여 나갈 때 2차례에 걸쳐

반사가 일어나 약 8% 정도의 빛이 반사로 손실되나

OLED에서는 소자의 구조 상 외부공기로 나갈 때 1차례

반사가 일어나므로 반사 필름을 외부 추출에 사용할


2011년 제12권 제4호❙ 53

[그림 5] 저반사 필름의 광학적 원리(from

Wikipedia)

[그림 6] 브래그 미러를 이용한 미소공진 개념도

(from NEEL homepage)

경우 4% 정도의 추출 효율 증 를 기 할 수 있다. 단

일 장 빛에서는 수직으로 입사되는 빛의 최소 반사를

원하는 경우, 증착시킬 기 의 굴 률의 제곱근에 해당하

는 굴 률을 가지는 물질로 그 장의 4분의 1 두께로 증

착하면 된다. 그러나 가시 선 역과 같이 여러 장에

서 최소의 반사율을 원하는 경우에는 여러 층의 다른 물

질을 증착하여야 한다. [그림 5]에 반사 필름의 반사율

감소 원리를 나타내었다.

Ⅳ. 내부광추출 기술

1. 미소공진(micro-resonator)

미소공진은 micro-cavity라고도 하며 [그림 6]과 같이

가운데 스페이서층(spacer layer)을 두고 양측에 래그

미러나 속 미러층을 두어 공진을 일으키는 것이다.

이 다이오드와 같은 소자에서 자발 방출 속도

(spontaneous emission rate)를 올리는 역할을 한다. 스페

이서층의 두께가 가시 선의 정상 를 발생하도록 장

정도의 크기를 가져 미소라는 어휘가 붙게 되었다. OLED

에 있어 미소공진은 강한 공진구조(strong cavity)와 약한

공진구조(weak cavity)가 있다. OLED는 특별히 공진구조

를 설계하지 않아도 약한 공진구조를 가지고 있다. 심

에 굴 률 1.7~1.8을 가지는 유기발 층이 수백nm 두께

로 층되어 있고 그 양측에 굴 률 1.9 정도의 ITO(애노

드)층과 속 캐소드 층을 기본 구조로 하기 때문에 자연

스럽게 미소공진 구조가 형성된다. 따라서 유기발 층 두

께 ITO층의 두께에 따라 추출 효율이 크게 달라진

다. 특히 재결합 역(recombination zone)의 상 치

가 변화함에 따라 내외부 도 모드에 한 추출모드의

비율이 22%에서 55%까지 바뀔 수 있음이 알려져 있다.

한 캐소드의 두께가 λ/4를 과하면 추출 효율이 크

게 떨어지게 된다.[10] 유기발 층을 다층구조로 사용하는

탠덤구조(tandem structure)은 미소공진 구조를 다양하게

이용할 수 있어 색상 변조 OLED 패 을 제작하는데 사

용하기도 한다. Nakayama 등에 의해 유기 발 소자에서

강한 미소공진 효과를 한 캐비티 구조를 사용하여 증

시킬 수 있음이 알려진 후 강한 미소공진 구조는

OLED 소자에서 리 사용되어 왔다.[11] Dodabalapur 등

은 SiO2/SixNy의 다층박막을 애노드 측에 첨가하여 추

출 효율을 증가시키고 RGB 각 층의 색순도를 높 다.[12]

미소공진 구조는 OLED 소자의 각 층을 증착하기 에

유사한 증착 방법으로 래그 미러층을 증착하고 OLED

증의 두께를 조 하면 되어 추출 구조에 의한 표면 이

상이 발생할 염려가 없고 패 양산에 용하기가 용이하

다. 그러나 미소공진 구조를 OLED 조명 패 의 내부

추출에 사용하는 데는 큰 문제 이 있다. 바로 모든 미소

공진은 스펙트럼 소화(spectrum narrowing)가 필수 으

로 동반된다는 것이다. 강한 미소공진 구조를 사용할수록

스펙트럼 소화도 강하여져서 아주 좁은 장 역의 빛

만 강하게 나오고 해당 장 역 이외의 장을 가진 빛

은 오히려 발 효율이 감소하게 된다.

따라서 백색 OLED 소자를 사용하는 OLED 조명 패

❙기술특집❙


[그림 7] 광결정을 이용한 내부광추출 구조(ref 15)

의 경우에 미소공진 구조를 사용하면 패 의 발 색상이

백색 범 를 벗어나기 쉽고 특정 장 역 이외에는

추출 효율이 떨어져 체 추출 효율을 오히려 감소시킬

수도 있다. 미소공진 효과는 RGB 단색을 따로 발 하는

디스 이 패 는 단색 OLED 패 에 유용하게 사

용할 수 있을 것으로 생각된다. Peng 등은 미소공진 구조

를 최 화하여 상향발 OLED 소자에서 추출 효율을

약 65% 향상시킨 결과를 발표하 다.[13]

2. 광결정(photonic crystal)

결정이란 유 상수가 다른 두 물질이 일정한 주기를

가지고 나노미터 스 일로 배열되어 빛의 장에 따라 투

과가 허용되거나 지되어 특정 장의 빛만을 투과하거

나 반사시킬 수 있는 구조를 말한다. 여기서 지된 장

역을 photonic band gap이라 하고 이 상을 이용하여

손실이 거의 없이 경로를 바꿀 수 있는 소자의 제작

이 가능하다. 결정은 흔히 래그 격자라고 불리는 1차

원 결정과 평면 상에 요철 돌기를 일정한 주기를 가

지고 배열하는 2차원 결정과 입체 으로 구성된 3차

원 결정의 3가지 종류가 있다. 결정은 결국 의

회 을 이용하는 것으로 OLED의 내부에 형성되는 평면

도 로 상에 평면 방향으로 빛이 통과할 수 없도록

결정 구조를 넣어 지 역을 형성하면 유기발 층에서

생성된 빛이 도 모드를 형성하지 못하고 외부로 발산하

게 된다. 이 상을 이용하여 OLED에 이차원 결정 구

조를 형성하고 추출 효율을 높일 수 있다. Fujita 등이

결정을 OLED에 용하여 추출 효율을 높일 수 있다

고 발표한 후 여러 편의 OLED 결정에 한 논문이 발

표되었다.[14~15] Fujita 등은 유리 기 에 150nm 두께의

ITO 박막을 올리고 자빔 리쏘그래피와 유도 결합 라

즈마 에칭을 통하여 주기 300nm, 깊이 60nm의 결정을

ITO 필름 상에 형성한 후 유기발 층을 증착하여 OLED

소자를 제작하 다. 결정을 용하기 에 비해 약

50% 정도의 휘도 향상을 찰하 다고 보고하 다. Lee

등은 유리 기 에 SiO2 층을 200nm로 증착하고 홀로

그래피 리쏘그래피와 반응 이온 식각법을 통해 주기

600nm, 깊이 200nm의 결정 구조를 형성한 후 SiNx 버

퍼층을 800nm 두께로 증착하 다. 그 에 ITO와 유기발

층 등을 증착하여 OLED 소자를 제작하고 학 특성

을 측정한 결과 약 50%의 외 효율 증가를 찰하 다.

최근에는 나노 캐비티를 이용한 유기 결정을 이용하여

OLED의 추출 효율을 크게 높일 수 있다는 사실이 알

려졌다.[16] 이 상은 주기 구조를 가진 유기 소자 내에

인 인 결함을 넣어 주기성을 교란하고 이러한 교란

에 의해서 자발 발 속도를 극 화하는 기술이다. 상

기 인 결함을 결정 나노 캐비티라 부른다.

결정을 이용한 내부 추출 구조는 추출 효율을

크게 높일 수는 있으나 미소공진 구조와 같이 외 효율

배 분포가 발 장에 크게 의존하는 단 이 있다.

앞에서 살펴 본 바와 같이 결정은 원리 으로 빛의

장과 결정 주기가 서로 련되어 빛의 진행 방향이 바

는 것이므로 빛의 주기에 의존할 수 밖에 없다. 따라서

결정에 의한 내부 추출 방법은 단색 OLED에는

용이 가능하나 백색 OLED를 사용하는 OLED 조명 패

에서는 특정 장의 추출 효율만이 높아지므로 사용하

기 곤란하다.

3. 내부 광산란층(internal scattering layer)

산란층을 이용한 추출 기술은 외부 산란층에서

말한 바와 같이 시야각에 따른 색상 변화가 없고 근본

으로 Lambertian 배 이 되므로 패 의 밝기가 균일한 장


2011년 제12권 제4호❙ 55

[그림 8] 내부광산란층을 이용한 내부광추출 구조의

제조방법(위)과 현미경 사진(아래)(ref 17)

이 있다. 한 산란층은 굴 률이 서로 다른 이종의

재료를 잘 혼합하여 유리 기 에 도포하기만 하면 되

므로 비교 제조공정이 간단한 장 이 있다. Yamasaki

등은 직경 550nm인 실리카 나노 스피어를 내부 산란층

에 이용한 OLED 구조를 발표하 다.[5] 실리카 나노 스피

어가 산란 심으로 작용하여 추출 효과는 있었으나

이 구조는 단일층 육각 최 충진구조를 이용하 기 때문

에 추출 에 회 상이 수반되어 스펙트럼이 변화하

고 시야각에 따른 색상변화가 나타나는 단 이 있다.

H-W Chang 등은 2010년 SID에서 TiO2 나노 입자를 혼

합한 포토 지스트 용액을 유리 기 에 스핀 코 으로

도포하고 그 에 ITO와 유기발 층, Ag 캐소드 등을 증

착하여 제조한 OLED 소자에서 약 2배 정도의 추출 효

율 증 를 찰하 다.[17] TiO2 우더는 평균 직경

400nm를 사용하 고 투명 포토 지스트 재료를 사용하

다. 가장 높은 추출 효율 증가를 보인 샘 은 포토

지스트 10cc에 2.39g의 TiO2 우더를 혼합하 고

투과율이 70.7%인 샘 이었다. 산란층을 용하면

산란층이 없는 경우에 비해 추출 효율이 증가함은 물

론, 시야각에 따른 색상변화가 더 고 Lambertian에 더

가까운 배 을 나타내는 것으로 보고하 다. 내부 산란

층을 이용하여 추출을 하는 경우 상기 경우처럼 제조공

정이 간단하고 평활한 표면을 쉽게 제공하므로 그 에

OLED 소자를 층하기 용이하다. 그러나 산란 효과를

크게 나타내기 해서는 산란 심이 충분히 많아야 하는

데, 산란 심이 무 많아질 경우 후방산란(back

scattering)도 함께 증가하기 때문에 유기발 층 내에서

산란 이 다시 흡수될 확률도 증가한다.[18] 따라서 산란

도와 내부흡수가 최 화 되어야 추출 효율 증가가 일어

난다. 그러나 이것은 산란층 내에서 빛의 흡수가

없다고 가정한 경우이고, 부분 산란층 내부에서 흡수

가 있을 경우 추출 효과에 의한 효율 증가분이 산

란층의 흡수로 인하여 감소된다.[19] 산란층에서

absorbance가 0.1만 되어도 추출 효과보다 오히려 흡수

로 인한 효율 하가 나타날 수도 있다. 따라서 산란

층을 내부 추출 구조로 사용하기 해서는 가시 선의

흡수가 극히 고 가능한 얇은 두께로 제조하여야 한다.

4. 나노 요철 구조(nano embossing structure)

나노 요철 구조를 이용한 추출은 결정과 산란층

의 장 만을 이용하는 추출 구조로 최근 많은 연구결과

가 발표되고 있다. 앞에서 살펴 보았듯이 결정 구조는

특정한 빛의 장 역에서만 사용이 가능하여 백색

OLED 에서는 사용할 수 없는 단 이 있고 산란층은

내부 흡수를 피하기 어려워 추출 효과가 반감되는 단

이 있다. 나노 요철구조는 결정과 같이 수백 나노미터

크기의 요철구조물을 내부 추출 구조에 이용하지만 일

정한 주기를 갖지 않고 불규칙 으로 구조물을 배열한다.

따라서 부분 으로 회 효과가 있으나 단일층의 산란

층으로 작용한다. 따라서 빛의 장 의존성과 시야각에

의한 색상변화 배 의 왜곡이 거의 없어지게 되고 자

체 흡수도 거의 무시할 수 있게 된다. 나노 요철 구조는

크게 애노드로 사용되는 투명 극 에 형성되어 추

출하는 구조와 투명 극 아래 형성되는 구조로 나 수

있다.

(1) 애노드 위의 나노구조(nano structure on ITO)

애노드 에 형성되는 나노구조는 투명 극과 유기발

층 사이에 형성되는 추출 구조이다. 나노구조에 의해

빛이 산란되거나 회 을 일으키기 해서는 빛이 도 되

는 매질의 굴 률과 차이가 큰 굴 률을 가지는 소재로

구조물을 형성해야 한다. 따라서 도 로 역할을 하는

❙기술특집❙


[그림 9] ITO 위에 폴리머 격자를 형성하여 제작한

내부광추출 구조의 개념도(ref 21)

[그림 10] 나노 임프린팅 방법을 이용한

내부광추출 나노구조 제조공정(ref 23)

유기발 층(굴 률 1.7~1.8)에 비해서 굴 률이 히

낮은 SiO2(굴 률 1.4) 등이 나노구조 소재로 이용될 수

있다. Y-C Kim 등은 홀로그램 리쏘그래피와 반응 이온

에칭을 이용하여 ITO 에 증착된 SiO2 층에 220nm 직

경과 360nm 간격을 갖는 나노 홀을 형성하고 그 에 유

기발 층과 캐소드를 층하여 OLED를 제작하 다. 그

러나 소자의 특성을 측정 결과, 뚜렷한 추출 효율 향상

을 찰하지는 못하 다.[20] 이후 굴 소재를 이용한

나노구조를 투명 극 에 형성하여 추출 효율을 높이

는 OLED에 한 연구가 활발히 진행되고 있다. 부산

오민철 교수 그룹에서는 ITO 에 포토 지스트(굴 률

1.58)를 도포한 후 홀로그램 리쏘그래피를 이용하여 나노

구조를 패터닝하고 그 에 유기발 층 캐소드를 증착

하여 OLED 제작하 다.[21] 이 구조를 이용하여 72%의

추출 효율 향상을 얻을 수 있었다고 보고하 다. Y.

Sun 등은 ITO 층 에 굴 그리드를 형성하여 내부

추출 구조를 제작하 다. 굴 그리드는 폭 1μm, 간격

6μm 정도로 SiO2를 소재로 사용하여 제작하 고, 회

효과가 아닌 산란 효과를 이용하 다. 34% 정도의 추

출 효율 증가를 나타내었으며 마이크로 즈 어 이와 복

합할 경우 2.3배의 높은 효율 증가를 나타내었다.[22] 애노

드 에 나노구조를 형성하는 내부 추출구조는 발 면

을 감소시키는 역할을 하여 단 면 당 발 하는 속

은 어들게 되나 나노구조 상으로는 류가 흐르지 않으

므로 효율에는 거의 향을 미치지 않는다. 이 내부

추출 구조는 유기발 층에 직 요철구조를 형성하므로

수평면 상의 도 모드를 다른 모드로 환하는 효과가 매

우 크다는 장 이 있다. 그러나 애노드 극 에 구조물

을 형성하는 공정에서 유기발 층과 하는 애노드 면

이 변성되어 일함수가 달라지는 경우가 있어 유기발 층

을 증착하기 에 세심하게 세척하고 일함수를 히 맞

추는 공정이 필요하다. 한 유기발 층이 굴곡을 갖게

되므로 설 류가 발생하지 않도록 세심하게 나노구조

물의 경계면을 조 할 필요가 있다.

(2) 애노드 아래 나노구조(nano structure under ITO)

애노드 아래 즉 애노드와 유리 기 사이의 경계면에

나노 스 일의 요철 구조물을 형성하여도 내부 추출을

할 수 있다. 유기발 층의 굴 률은 1.7~1.8이고 애노드

로 사용되는 ITO의 굴 률이 략 1.9이므로 유기발 층

과 애노드는 일반 으로 캐소드와 유리기 사이에서 하

나의 도 로 역할을 하게 된다. 따라서 유기발 층과

애노드에 함께 도 모드가 존재하는데 애노드에 인 한

경계면에 나노구조물을 형성하면 도 모드가 교란되어

외부로 추출되는 빛이 증가하게 된다. 그러나 애노드 아

래에 요철구조가 있으면 그 의 애노드의 형상이 아래

요철구조의 형상을 따라가게 되어 국부 으로 뾰족한 부

분이 발생할 가능성이 높아진다. OLED는 매우 얇은 박

막의 층구조로 이루어져 있으므로 애노드에 뾰족하게

돌출된 부분이 있으면 그 부분에 류가 집 하게 되고

큰 설 류의 원인이 되거나 력효율의 하를 가져온

다. 이러한 기 특성의 하를 방지하기 해 애노드


2011년 제12권 제4호❙ 57

[그림 11] MgO/ZrO2 박막을 나노 구조로 이용한

OLED 개념도(ref 25)

아래 나노구조를 형성할 경우에는 부분 고굴 률의 평

탄막을 함께 사용한다. 평탄막은 애노드와 유사한 굴 률

을 가진 소재를 사용해야 한다. 그 지 않고 굴 률이 낮

으면 빛이 나노구조물에 의해 교란되기도 에 애노드/평

탄막 경계면에서 부분 반사되어 애노드/유기발 층에

갇히는 도 모드로 되기 때문이다. H-H Cho 등은 자외선

을 이용하는 나노 임 린트 방법을 이용하여 유리 기

에 나노 요철 구조를 만들고 그 에 TiO2 박막을 평탄

층으로 도포한 후 OLED 소자를 제작하고, 그 기 학

특성을 측정하여 발표하 다.[22] 특이한 것은 졸-겔 방

법으로 TiO2 박막을 도포하고 열처리한 후에 PDMS 평

으로 싱하여 표면의 요철을 완화하는 평탄화 작업

을 한 것이다. 이 게 만들어진 OLED는 평 유리를 사

용하는 일반 인 OLED에 비하여 58%의 외 효율 향상

이 있었고 나노구조 추출에 의해 배 은 Lambertian에

서 크게 벗어나는 것을 찰하 다.

K. Hong 등은 결정성 MgO 박막이 비등방성으로 성장

하는 것을 이용하여 자빔 증착 방법으로 나노 요철 구

조를 가진 MgO/ZrO2 박막을 증착하고, 그 에 애노드

(ITO)와 유기발 층 알루미늄 캐소드를 층하여

OLED 소자를 제작한 후, 기 학 특성을 측정하 다.

평 유리를 사용한 기존의 OLED 구조에 비해 약 35%

의 력효율 증가를 나타내었다. MgO의 굴 률은 1.73으

로 비교 낮고 ZrO2의 굴 률은 1.84이므로 MgO 층만

을 용했을 때는 별다른 추출 효율의 증가가 없다가

ZrO2 층과 함께 용했을 때 뚜렷한 효율 증가를 나타내

었다.

이와 같이 애노드 아래에 나노구조를 용할 경우에는

도 모드 이 아래 쪽의 나노 구조에 교란되어 산란되

기 쉽도록 고굴 률의 평탄층을 사용하는 것이 반드시 필

요하다. 한 평탄층의 두께는 가능한 얇은 것이 좋다. 평

탄층이 무 두꺼우면 불필요한 흡수가 증가할 수 있고

나노구조층과 발 층과의 거리가 무 멀어 산란 효과가

감소할 수 있다. 그러나 올록볼록한 나노 구조의 요철형

상을 수백nm의 얇은 평탄층으로 완벽하게 평탄화하는 것

은 매우 어려운 일이다. 한 요철구조를 덮고 평탄화하

기 해서는 증착법보다는 용액법에 의한 코 이 바람직

한데, 굴 률이 ITO의 굴 률 이상이고 OLED 기 표면

에 요구되는 까다로운 조건을 만족하는 고굴 용액 코

소재를 구하기는 재 매우 어려운 상황이다. 가장 손쉽

게 구할 수 있는 고굴 용액 코 소재로는 졸-겔 방법

을 이용하여 코 하는 TiO2, ZrO2 등의 졸용액이지만 졸-

겔 방법으로 코 되는 무기박막은 후열처리 과정에서 매

우 큰 부피 수축이 수반되므로 균열 없이 수백nm의 두꺼

운 박막을 제조하기 어려운 단 이 있다. 비교 균열의

험이 은 폴리머 소재의 경우는 굴 률이 1.7을 넘기

기 매우 어렵다. 따라서 애노드 아래 나노구조를 이용한

추출 기술 개발을 해서는 용액법으로 수백nm 스 일

의 박막코 이 가능한 고굴 소재의 개발이 필수 이다.

최근 ETRI에서는 속 박막의 비젖음(dewetting) 상

을 이용하여 불규칙한 형상의 나노 패턴을 가지는 속

마스크를 제작하고 라즈마 식각 방법으로 나노구조를

형성하는 방법을 개발하 다. 유리 기 에 화학증착

방법으로 SiO2 층을 증착하여 나노구조 층을 제작한 후

그 에 열증착 방법으로 Ag 박막을 올리고 300~500oC

로 열처리하여 비젖음 속 마스크를 제작하 다. 반응이

온식각 방법으로 SiO2 층을 부분 식각한 후 질산으로 Ag

마스크를 제거하 다. 나노구조 패턴의 주기는 수백nm

으며 높이는 80~160nm 다. 나노 요철 구조 에는

폴리이미드계 평탄층을 도포하여 요철 표면을 평탄화하

고 평탄층 에 ITO, 유기발 층, Al 순으로 층하여

OLED 소자를 제작하 다. 평탄층의 굴 률은 1.7 정도

고 평탄층 표면은 [그림 12-(d)]에 보이는바와 같이 매

우 평활하 다. 이러한 방법으로 제조한 OLED는 평

❙기술특집❙


[그림 12] ETRI의 금속 비젖음 마스크(a) 및 그를 이용한

나노구조(b,c,d)와 광효율 특성(아래)

유리를 사용한 기존의 OLED에 비해 약 46%의 력효율

향상을 나타내었고 설 류나 압 역 류 도도

기존의 OLED와 다르지 않게 안정한 기 특성을 나타

내었다. 상기 OLED 내부 추출 구조는 면 에 균일하

게 형성하기 용이하며 별도의 리쏘그래피 방법을 사용하

지 않아 제조 비용도 매우 렴하다. 하나의 특징은 나

노구조를 형성한 기 도 매우 투명하여 헤이즈가 거의 나

타나지 않았다는 것이다. 따라서 상기 나노구조 추출

방법은 투명 OLED 패 에도 용할 수 있을 것으로 생

각된다.

나노구조를 이용한 추출 방법을 이용할 때 ITO를 애

노드로 사용하지 않는 방법이 제안되어 있다. Riedel 등

은 유리 기 에 Ta2O5층을 300nm 두께로 증착하고

이 간섭 리쏘그래피와 라즈마 에칭 방법으로 370nm

주기의 격자를 형성한 후 ITO를 애노드로 증착하지 않고

PEDOT:PSS를 스핀코 방법으로 도포하여 평탄층과 애

노드의 역할을 동시에 담당하게 하 다. 이러한 나노구조

에 유기발 층과 알루미늄을 층하여 OLED를 제작

하 는데 평 유리 에 제작한 OLED에 비해서 외 효

율이 최 3배 정도 증가하는 것을 찰하 다. 그러나

상기 구조의 OLED는 용액 도포 방법으로 유기발 층을

층하고 PEDOT의 도도가 매우 낮기 때문에 구동

압이 매우 높은 등 기 특성이 좋지 않아 실제로 사용

하기 해서는 많은 공정 개선이 필요할 것으로 생각된

다.

애노드 아래에 용하는 나노구조 내부 추출 기술

에 평탄층을 사용하지 않는 방법도 있다. W-H Koo 등은

100oC로 열된 PDMD 필름이 도포된 기 에 알루미

늄 박막을 얇게 올린 후 상온으로 냉각하여 평균 주기

400nm, 깊이 50~70nm 정도인 불규칙한 주름 패턴을 얻

었다. 이것을 나노 임 린트 리카로 사용하여 자외선

경화 수지를 도포한 유리 기 에 나노 주름 패턴을 형성

하 다. 그 에 120nm 두께의 ITO를 증착하고 유기발

층 캐소드를 층하여 OLED 소자를 제작하고 기

학 특성을 측정한 결과 최고 190% 정도의 력효율 향

상을 찰하 다.[26] 재까지 보고된 내부 추출 기술을

이용한 OLED 소자에서 가장 높은 추출 효율 향상을

나타내어 많은 주목을 받고 있다.

Ⅴ. 맺음말

최근 OLED 조명 기술의 발 속도가 놀라울 정도로

빨라져 그 성능이 기존 조명 수 이상으로 발 하고 있

고 가격도 량 생산으로 확 될 경우 크게 낮아져 향후

일반 조명 시장까지도 진입할 수 있는 가능성을 높이고

있다. 그러나 아직 OLED 조명 패 의 성능은 기존의 고

효율 조명에 미치지 못하고 있는 것이 사실이다. 이러한

기술 한계를 극복하기 해서 가장 주목 받는 기술이

추출 분야이고 OLED의 추출 기술에 한 연구개발

이 최근 활발히 진행되고 있다. 외부 추출 기술은 이미

양산 패 에 용이 가능할 만큼 성숙되었다. 내부 추출

기술은 외부 추출에 비해 크게 추출 효율을 높일 수

있다고 알려져 있다. 그러나 아직 양산에 용할만큼 안

정된 기술이 없어 안정하고 비용이 낮으며 면 에 용

할 수 있는 소재, 공정, 설계 분야의 신 인 기술 개발

이 요구되고 있다.


2011년 제12권 제4호❙ 59

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저 자 약 력

조 두 희

∙ 1987년 : 한양대학교 재료공학과 공학사

∙ 1989년 : KAIST 재료공학과 공학석사

∙ 1996년 : 일본 경도대학 재료공학과 공학

박사

∙ 1998년~현재 : ETRI(한국전자통신연구원)

OLED 조명 연구팀 책임연구원

∙관심분야 : OLED 디스플레이 및 조명, 산

화물 TFT, OLED 광추출

이 정 익

∙ 1992년 : KAIST 화학과 이학사

∙ 1994년 : KAIST 화학과 이학석사

∙ 1997년 : KAIST 화학과 이학박사

∙ 1998년 : IBM Almaden Research Center

Post. Doc.


OLED 조명연구팀 팀장

∙관심분야 : OLED 디스플레이 및 조명,

OLED 소자

❙기술특집❙


추 혜 용

∙ 1987년 : 경희대학교 물리학과 이학사

∙ 1989년 : 경희대학교 물리학과 이학석사

∙ 2008년 : 경희대학교 정보디스플레이학과

공학박사


신소재소자연구부 부장

∙관심분야 : OLED 조명 및 디스플레이,

OLED 응용소자

오 민 철

∙ 1990년 : KAIST 정보통신공학과 학사

∙ 1992년 : KAIST 전기및전자공학과 석사

∙ 1996년 : KAIST 전기및전자공학과 박사

∙ 1996년~1999년 : ETRI(한국전자통신연구

원) 기초기술연구부, 선임연구원

∙ 1999년~2002년 : Universtiy of Southern

California, Research Associate, Pacific

Wave Industrials, Chief Scientist

∙ 2002년~2003년 : ZenPhotonics, 이사

∙ 2003년~현재 : 부산대학교, 전자공학과, 부교수

∙관심분야 : OLED 광소자, 유기광학소자, 폴리머 광도파로 소자