유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED)는 대표적인 디스플레이 기술 중 하나로서 최근 스마트폰, 태블릿과 같은 모바일용 디스플레이를 넘어서 대형 TV 및 다양한 플렉서블 디스플레이 소자로까지 응용 범위가 확대되고 있다. 이에 따라 발광 효율, 색재현성, 소비전력 등 OLED의 성능을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다. OLED는 음극에서 공급되는 전자가 전자 수송층(Electron Transport Layer, ETL)을 지나고 양극에서 공급되는 정공이 정공 수송층(Hole Transport Layer, HTL)을 지나면서 결합해 형성된 엑시톤(exciton) 에너지가 가시광선으로 변환되는 발광원리를 기반으로 하고 있다. 여기서 전자와 정공이 지나는 층은 유기물질들로 이루어져 있으며 유기물질의 종류에 따라 발광파장이 달라지게 된다.

OLED 개발에 있어서 가장 큰 기술적 이슈 중 하나는 OLED 내부에서 생성된 빛의 상당 부분이 갇혀서 탈출하지 못한다는 점이었다. 이는 OLED를 구성하는 투명전극과 유기층의 굴절률이 높기 때문인데 이 물질들은 굴절률이 약 1.7–1.9 정도이고 유리기판의 굴절률도 1.5 이므로 OLED의 발광층에서 발생하는 빛 중 많은 양이 빛의 내부전반사(total internal reflection) 현상에 의해 내부에 갇히며 광추출 손실이 일어나게 된다[1,2]. 또한, 금속 재질의 음극에 의한 흡수와 표면 플라즈몬(surface plasmon) 여기에 의한 손실도 발생하게 된다. 이에 따라 공기 중으로 빠져나오는 빛은 OLED에서 발생한 빛 중 약 20% 미만으로 매우 낮은 광효율을 갖는다. 이러한 낮은 광효율을 향상시키기 위해 OLED 내부에 갇힌 빛을 추출하기 위한 연구들이 다양하게 진행되어 왔다[3-5].

금속에 의한 손실을 제외하고 OLED 내부에 갇힌 빛을 추출하기 위한 방법들로 유리기판 위에 마이크로 렌즈나 확산층을 적용하여 유리기판에 갇힌 빛을 추출하는 방법[6-16]과 OLED 내부를 변형시켜 유기층과 투명전극에 갇힌 빛을 추출하는 방법[17-24] 등이 시도되어 왔다. 이중 유리기판의 상부, 즉 빛이 탈출하는 경로 중에 마이크로 렌즈 배열을 적용시키는 것은 유리 기판 속에 내부전반사로 갇히는 빛을 빼내기 위한 효율적인 방법 중 하나로 연구되어 왔다[6-9,25-28]. 마이크로 렌즈가 형성되면 유리기판을 진행하는 빛이 기판과 공기층 사이의 계면에 부딪힐 때 내부전반사 조건이 완화되면서 광 추출 효율이 증가한다. 또 하나의 방법은 기판과 공기층 사이의 굴절률 차이를 줄여 내부전반사의 조건을 완화시키면서 광추출효율을 증가시키는 것이다. 이와 같이 유리기판과 공기층의 굴절률 차이를 줄이는 방법은 기판에 갇힌 빛을 추출하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 굴절률 차이를 점진적으로 줄이는 방법으로 반사방지 구조가 있다. 반사방지 구조는 미세 구조를 이용해 굴절률을 점진적으로 변화시켜 빛의 반사를 줄일 수 있다. 따라서 OLED의 유리기판에 갇힌 빛을 외부로 추출하여 광추출 효율을 향상시킬 가능성이 있다.

본 연구는 유리기판에 갇혀 있는 빛을 추출하여 광효율을 향상시키기 위한 방법으로 OLED의 유리기판 위에 반사방지 구조를 적용시켰다. 반사방지 구조가 유리기판에 갇힌 빛을 추출하여 광효율을 향상시키는지 확인하기 위해 유한 차분 시간 영역법(Finite Difference Time Domain, FDTD)을 기반으로 한 광학 시뮬레이션을 활용하였다. 반사방지 구조로는 나방 눈 모양의 구조를 이용하였으며 구체적인 형상으로 원뿔형(cone), 포물면형(parabola), 음각으로 파인 포물면형(R-parabola) 구조 등 세가지를 적용하였다. 이를 반사방지막이 새겨지지 않은 기본 OLED와 비교하여 세 가지 반사방지 구조가 광추출 효율에 미치는 영향을 정량적으로 조사하였다.

광학 시뮬레이션은 유한 차분 시간 영역법에 기반을 둔 상용 소프트웨어 (FDTD solutions, Ansys Co.)을 이용하여 수행하였다. 먼저, 나방 눈 모양의 구조가 반사방지 효과를 가지고 있는지 확인하기 위해 원뿔 구조에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. Figure 1은 원뿔형 구조의 2차원 시뮬레이션 모식도를 보여주고 있다. 원뿔의 재질로는 유리기판의 굴절률과 유사한 실리카(SiO₂ (n 1.46))를 이용하였으며 실리카 기판위에 나방 눈 모양의 구조를 적용시켜 시뮬레이션을 진행하였다. 원뿔 밑면의 직경을 200 nm로 고정시킨 후 높이와 원뿔 사이의 간격인 피치(p)에 따른 반사율 특성을 확인하기 위해 높이를 700–1000 nm까지 100 nm 간격으로 변화시켰으며 피치를 200–300 nm까지 25 nm 간격으로 변화시켰다. 원뿔의 밑면 직경이 고정되어 있으므로 피치가 증가하면 원뿔과 원뿔 사이가 벌어지며 평면의 면적이 증가한다. 광원으로는 가시광 영역(400–700 nm)의 평면파를 이용하였으며 실리카 기판에 평행하고 서로 수직인 두 편광 방향을 설정하였다. 그림과 같이 평면파를 반사방지막을 향해 조사하여 반사되는 빛을 확인하였으며 두 가지 편광방향에 따른 결과의 평균값으로 반사율 스펙트럼을 확인하였다. 또한, 포물면형 패턴의 형상은 다음과 같은 함수로 주어지는 곡률을 가지도록 설정했는데 이는 선행연구에서 사용한 것과 동일한 것이다[29].

Figure 1. (Color online) A cross-section of the cone-shaped anti-reflection structure in the simulation model. Detailed simulation conditions, such as thickness and refractive indices of each layer are included.

여기서 높이 z일 때 폭 w는 고정된 w₀ = 150 nm와 포물면형 구조의 높이인 h로 주어진다.

Figure 2(a)는 원뿔형 구조가 적용된 시뮬레이션 단면도를 보여주고 있다. 나방 눈 모양과 비슷한 구조를 재현하기 위해 원뿔들을 육각형 배열로 배치했고 이를 위해 원뿔 구조의 단위 셀을 선택하여 시뮬레이션 영역을 주기적 경계 조건을 갖도록 설정하였다. Figure 2(b)와 (c)는 각각 양각 포물면형 구조와 음각 포물면형 구조를 나타낸다. 다른 조건들은 모두 동일하다. 세 구조 모두 위에 PML(perfectly matched layer)을 설정해서 불필요한 반사에 의한 오차를 줄였다.

Figure 2. (Color online) Cross-sections of (a) cone-, (b) parabola- and (c) R-parabola-shaped structures applied to the glass substrate in the simulation.

이렇게 설정한 반사방지 구조가 OLED의 유리기판에 갇힌 빛을 추출하여 광효율을 향상시키는지를 확인하기 위해 OLED의 유리기판 위에 반사방지 구조를 적용하였다. Figure 3은 유리기판 위에 원뿔형 반사방지 구조가 적용된 OLED의 단면도를 보여주고 있다. 음극으로는 알루미늄(Al)을 사용하였으며 투명 전극으로 ITO(Indium tin oxide)를 사용하였다. 또한, 유기층인 HTL과 ETL의 유기물질을 NPB와 Alq₃로 설정하였다. 각 층별 두께와 굴절률은 Fig. 3에 제시되어 있다. OLED에서 발광하는 빛을 표현하기 위해 ETL와 HTL의 계면에서 ETL 쪽으로 20 nm 아래에 550 nm 파장의 빛을 방출하는 전기 쌍극자를 삽입하였다. 쌍극자의 진동 방향은 기판에 평행한 두 가지 성분과 수직한 성분 등 총 세 가지 방향으로 설정했고 이 결과들의 평균값을 통해 OLED의 광효율을 확인하였다. Figure 4는 세 가지 반사방지 구조가 유리 기판에 적용된 OLED 모델의 시뮬레이션 단면도를 보여주고 있다. OLED는 점광원(진동하는 전기 쌍극자)을 사용하기 때문에 시뮬레이션 영역을 주기적 경계 조건 (periodic boundary condition)으로 설정할 수 없다. 시뮬레이션 영역의 경계조건에 의해 빛이 반사되어 결과에 간섭을 주면 오차가 커지기 때문에 빛을 흡수하고 반사로 인한 측정 오류를 줄여 정확한 결과를 얻을 수 있도록 경계조건을 PML로 설정하였다.

Figure 3. (Color online) A cross-section of the OLED with cone-shaped anti-reflection structure. Detailed simulation conditions, such as thickness and refractive indices of each layer are included.

Figure 4. (Color online) Cross-sections with (a) cone-, (b) parabola- and (c) R-parabola-shaped structures applied on the glass substrate of OLED.

우선 피치를 300 nm로 유지하고 원뿔의 높이를 변경한 구조에 대해 반사율 데이터를 구한 후 선행연구[29]에서 진행된 결과와 비교하였다. Figure 5(a)은 파장에 따른 유리 기판의 반사율 데이터를 보여준다. 이 결과는 선행연구의 결과와도 비슷하고 프레넬 방정식에서 예측되는 결과와도 일치한다. 파장이 줄어듦에 따라 반사율이 커지는 것은 파장에 따른 굴절률의 변화를 반영하는 것이다. Figure 5(b)는 300 nm의 피치로 배열된 원뿔형 패턴의 높이를 변경하면서 구한 반사율 데이터를 보여준다. 원뿔형 반사방지막의 적용을 통해 반사율이 3.4% 수준에서 0.8–1.2% 수준으로 줄어들었고 이 결과는 선행 연구의 결과와 일치하는 것이다[29].

Figure 5. (Color online) Wavelength dependence of the reflectance of (a) the glass substrate and (b) the substrate with a cone-shaped structure at a pitch(p) of 300 nm and at several heights(h) from 0.7 to 1.0 μm.

최적화된 반사방지막 구조를 확보하기 위해 세 가지 패턴이 가지는 형상 변수들을 다양하게 변화시키면서 반사율을 조사했다.

우선 원뿔형 패턴의 피치에 따른 반사율 특성을 확인하기 위해 높이를 고정시키고 피치를 변화시켰을 때 반사율 스펙트럼을 확인하였다. Figure 6은 원뿔형 패턴의 고정된 높이에서 피치 변화에 따른 반사율 스펙트럼을 보여주고 있다. 반사율 스펙트럼을 보면 피치가 줄어듦에 따라 반사율이 감소함을 보인다. 이는 나노 구조물들 사이의 거리가 좁아질수록 유효 굴절률이 완만하게 변화하며 프레넬 반사를 줄여주기 때문으로 해석된다. 반면에 피치가 커지면 원뿔과 원뿔 사이에 평면의 경계면 면적이 증가하면서 프레넬 반사가 증가한다. 반사율은 피치가 200 nm일 때 최소가 되었고 이 때 높이를 1 μm로 설정하면 평균 반사율은 약 0.05%까지 감소함을 확인했다. 반면에 원뿔의 높이가 변화함에 따른 반사율 스펙트럼의 차이는 그리 크지 않았다.

Figure 6. (Color online) Reflectance spectrum of the cone-shaped structure at fixed heights(h) of (a) 0.7, (b) 0.8, (c) 0.9, and (d) 1 μm for several pitches(p).

Figure 7은 포물면형 패턴의 높이를 고정하고 피치를 변화시켰을 때 파장에 따른 반사율을 보여준다. 원뿔형 패턴과 마찬가지로 피치가 줄어들면 반사율이 급격히 감소함을 알 수 있다. 특히 높이 1 μm, 피치 200 nm일 때 평균 반사율이 0.04% 정도까지 떨어짐을 확인했다. 반사율 스펙트럼의 또 다른 특징으로는 파장에 따라 반사율이 진동하는 패턴을 보인다는 것이다. 포물면형 패턴이 자리잡은 층의 유효 굴절률은 유리 기판의 굴절률과 공기의 굴절률의 중간 정도에 해당한다. 따라서 포물면형 패턴의 아래와 위에 굴절률의 차이가 발생하는 두 계면이 존재하는 효과를 가진다. 이 경우 두 계면에서 반사되는 두 빛의 광경로 차이에 따라 보강간섭과 상쇄간섭이 파장의 함수로 발생할 것이다. 피치가 커지면 패턴과 패턴 사이에 평면의 경계를 가진 면적이 증가한다. 이는 패턴이 차지하는 영역의 유효 두께가 감소하는 효과를 가진다. 두 경계면에서 반사하는 빛 사이의 간섭 조건을 확인하면 간섭을 일으키는 파장과 막의 두께 사이에는 비례하는 관계가 있다. 따라서 피치가 증가하면 패턴(막)의 유효 두께가 줄어들어 상쇄간섭(반사율이 최소)이나 보강간섭(반사율이 최대)이 일어나는 파장도 줄어들게 된다. Figure 7에 제시된 데이터는 정확히 이 결과를 나타내는데, 피치가 증가함에 따라 반사율의 피크 파장이나 최소값이 일어나는 파장이 줄어듦을 보여주고 있다. 원뿔형 패턴에 비해 포물면형 패턴에서 간섭 현상이 더 뚜렷이 관측된 이유는 원뿔에 비해 포물면형의 형상 특성 상 굴절률이 차이가 나는 두 경계면이 더 뚜렷하기 때문인 것으로 판단된다.

Figure 7. (Color online) Reflectance spectrum of the parabola-shaped structure at fixed heights(h) of (a) 0.7, (b) 0.8, (c) 0.9, and (d) 1 μm for several pitches(p).

다음으로 음각 포물면형 패턴의 반사율을 조사했다. Figure 8은 높이(깊이)를 고정한 상태에서 피치에 따른 반사율 스펙트럼을 보여주고 있다. 그림에서 확인할 수 있는 것처럼 이 패턴 역시 앞선 결과들과 마찬가지로 피치가 줄어듦에 따라 반사율이 감소함을 보이며 높이가 변화함에 따라서는 반사율 스펙트럼에 큰 차이가 나타나지 않는다. 높이에 무관하게 200 nm의 피치일 때 약 0.04%의 평균 반사율을 보임을 확인하였다. 간섭 패턴의 형성 및 간섭이 일어나는 파장의 피치에 따른 의존성 역시 양각 포물면형 패턴에 대한 논의에서 제시한 결과가 그대로 적용되는 것으로 판단된다. 즉 피치가 증가하면 패턴(막)의 유효 두께가 줄어들며 간섭이 일어나는 파장도 줄어드는 것이다. 이상의 결과를 종합하면 실리카 기판의 평균 반사율이 3.4%인데 비해 다양한 나노 구조물을 기판 위에 올리면 평균 반사율이 최소 0.037%까지 감소하는 것을 확인하였다. 이런 최적화된 반사방지구조를 OLED의 유리 기판 위에 형성함으로써 OLED의 광추출 효율이 증가하는지 조사하였다.

Figure 8. (Color online) Reflectance spectrum of the R-parabola-shaped structure at fixed heights(h) of (a) 0.7, (b) 0.8, (c) 0.9, and (d) 1 μm for several pitches(p).

우선 반사방지 구조가 형성되지 않은 일반 OLED의 광효율을 조사했다. 즉 Fig. 3에서 반사방지 구조만 제외한 기본 OLED에 대해 수평 (x) 방향으로 진동하는 쌍극자 하나만 설정해서 ETL의 두께 변화에 따른 광추출 효율을 조사하였다. 그 결과는 Fig. 9(a)에 제시되어 있다. ETL 상부에서 방출된 빛 중 그대로 유리 기판 쪽으로 올라오는 빛과 아래를 향해 금속 전극에서 반사되어 올라오는 빛 사이에 간섭이 발생한다. 보강간섭의 조건이 만족될 때 광추출효율이 최대가 되는데 본 데이터를 보면 ETL 두께가 약 70 nm, 260 nm 정도일 때 보강간섭이 발생함을 알 수 있다. 이 수치들은 보강간섭의 조건 식에서 계산한 수치들과 거의 일치함을 알 수 있다. 이러한 간섭 효과는 OLED에서는 매우 잘 알려져 있는 현상이다.

Figure 9. (a) Outcoupling efficiency of the basic OLED without any anti-reflection structure as a function of the ETL thickness. (b) Outcoupling efficiency of the four OLEDs without and with anti-reflection structures.

다음으로 반사방지 구조가 OLED의 광효율에 미치는 영향을 조사했다. Figure 3에 보이는 것처럼 반사방지 패턴을 유리 기판 위에 형성했다. 앞의 결과에서 피치가 작을수록 반사율이 낮았으며 높이에 대한 의존성이 약했기 때문에 피치를 200 nm로 설정하고 높이를 700 nm로 설정하여 유리기판 위에 적용시켰다. 아울러 ETL 두께는 Fig. 9(a)의 결과를 토대로 260 nm로 설정하였다. Table 1과 Fig. 9(b)은 기본 OLED와 반사방지 구조가 적용된 OLED들의 광추출 효율 결과를 보여주고 있다. Figure 9(a)는 수평 쌍극자에 대한 시뮬레이션 결과지만 Fig. 9(b)는 세 방향의 쌍극자에 대해 얻은 결과를 평균낸 것으로서 기본 OLED의 광추출 효율은 22.55% 였으며 반사방지 구조를 적용시켰을 때의 광추출효율은 24–25%로 상승했음을 알 수 있다. 이는 기본 OLED의 광추출효율에 비해 7.8–9.2% 정도 상승한 수치이다. 평평한 기판 유리로 구성된 기본 OLED에서 유리 기판에 갇히는 빛의 비중은 생성된 빛의 약 30% 정도로 계산된다[1]. 따라서 마이크로 렌즈 배열을 유리 기판 위에 형성할 경우 광추출효율이 40–50% 상승됨이 보고되었다. 이런 선행 연구 결과를 볼 때 반사방지 패턴이 유리 기판에 갇힌 빛을 추출한 정도는 상당히 미흡한 결과로 보인다. 그 중에서 음각 포물면형 패턴의 상승률이 미약하지만 가장 높은 수치를 보였다.

Table 1 Comparisons of outcoupling efficiencies (OCEs) of (a) a basic OLED, (b) OLED+cone, (c) OLED+parabola, and (d) OLED+R-parabola structures.

	OLED	OLED+cone	OLED+parabola	OLED+R-parabola
OCE (%)	22.55	24.37	24.31	24.62
OCE_Improvement (%)		8.1	7.8	9.2

반사방지 패턴이 광추출효율의 상승에 기여하는 정도가 작은 이유를 분석하기 위해 유리기판과 반사방지 구조층 주변의 전기장 프로파일을 확인하였다. Figure 10은 OLED 평면에 나란한 방향(x)으로 배열된 전기쌍극자의 복사 패턴에 대한 유리기판과 반사방지 구조층, 공기층에서의 전기장 세기 분포를 보여준다. 이를 보면 유리기판에 갇힌 빛이 네 가지 조건 하에서 비슷한 정도로 외부로 추출되는 것을 알 수 있다. 특히 반사방지 패턴이 있는 경우에는 미세 패턴의 위치에서 전기장의 세기가 센 것을 확인할 수 있다. 수백 nm 크기의 나노구조물이 있는 경우에는 패턴과 공기 사이의 상대적 비중이 변화되면서 굴절률의 점진적인 변화를 유도해 빛의 투과도를 향상시키는 효과뿐 아니라 나노구조물 자체가 미(Mie) 산란자로 작용할 가능성도 있다. 이는 나노 구조 패턴과 전자기파 사이의 상호작용에 대해 보다 구체적인 분석이 요구됨을 의미한다. 특히 Figs. 5–8의 결과는 계면에 수직으로 입사하는 평면파에 대해 구한 것이다. 그러나 OLED 내에서 생성된 빛은 유리 기판과 공기층의 계면에 대해 다양한 각도로 입사되기 때문에 향후 OLED 내 빛 생성 조건을 반영한 조건 하에서 반사방지 구조의 최적화를 통한 광효율 향상을 추가 연구할 계획이다.

Figure 10. (Color online) Electric field profiles in the glass substrate, the anti-reflective structure layer and the air of (a) a basic OLED, (b) OLED+cone, (c) OLED+parabola, and (d) OLED+R-parabola structures.

마지막으로 본 연구 결과는 나노구조 패턴의 적용을 통해 가시광선의 반사율을 매우 낮게 줄일 수 있다는 것을 보여주었다. 이런 반사 방지 구조는 향후 태양전지를 포함한 다양한 분야에서 광손실을 줄일 수 있는 용도로 활용될 수 있을 것으로 판단된다[30-32].

본 연구에서는 원뿔형, 양각과 음각의 포물면형 등 세 가지 나노구조물의 배열에 의한 평면파에 대한 반사율 스펙트럼을 유한 차분 시간 영역법을 통해 확인하였다. 각 나노구조물의 반사율은 피치에 큰 의존성을 보임과 동시에 패턴의 높이에는 민감하지 않음을 확인하였다. 이는 나노 구조들의 간격이 좁아 질수록 유효 굴절률이 완만하게 변화하여 공기와의 굴절률 차이에 따른 프레넬 반사를 감소시키기 때문이다. 세 나노구조 패턴 모두 실리카 기판의 평균 반사율인 3.4%에서 최소 0.037–0.48%로 평균 반사율을 감소시켰으며, 이를 통해 반사방지 효과를 가짐을 확인하였다. OLED의 유리기판에 갇힌 빛을 추출하기 위해 OLED 기판에 세가지 패턴의 최적화된 반사방지 구조를 적용한 결과 광효율이 약 8–9% 정도 증가함을 확인했다. 이는 유리기판에 갇힌 빛을 추출하여 얻을 수 있는 광추출 효율 향상 기대값에는 미치지 못하는 결과다. 이런 결과는 OLED 유리 기판 위 반사방지 구조가 광추출 효율 향상에 어느 정도 기여하다는 것을 보여주었으나 추가적인 개선을 위해서는 OLED 내에 생성되는 빛과 나노구조물 사이의 상호작용을 보다 심도 깊게 분석해서 반사방지 구조의 추가적인 최적화가 필요함을 보여주는 것이다.

본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 스마트특성화기반구축사업을 통한 지원을 받았습니다 (No.P0013743).