32. 궁극의 OLED, FE-OLED란 무엇인가?? - 소개 및 원리

이름도 생소한 FE-OLED(페올레드, Feedback Enhanced OLED)란?

LED부터 시작해서 OLED, QLED, QD-OLED, mLED 등 등 정신이 없어질 지경인데 이제는 FE-OLED(Feedback Enhanced OLED)라는 녀석이 슬슬 시장에서 등장할 기미를 보이고 있습니다.

위에 언급된 기술들이 미적지근한 기술들이라면 FE-OLED는 정말 화끈한 기술입니다. 어떤 점에서요? 엄청난... 아니 미친 효율을 보여준다는 점에서요. 어느정도일지 아래표를 보고 한번 감탄하고 넘어갑시다.

*출처 : 유비리서치, 세이비너지

형광등이 20 lm/W(루멘 퍼 와트) 수준이고 이제는 거의 표준이 되어버린 LED 램프의 경우에도 100 lm/W 수준인데 반해서 FE-OLED는 250~650 lm/W라는 미친 효율을 보여줍니다.

이러한 수치에 조금이라도 감이 있으신분들이라면 "뭐야? 뭐 가능한 수치야 이게? 심지어 OLED로?" 라는 믿기지 않는 반응을 하실만한 수치입니다.

FE-OLED가 어떠한 원리로 구동되어지는지 알아보기 전에 이 페올레드의 장점은 무엇인지 간단히 알아봅시다.

- 압도적인 효율, 전력효율은 LED의 2~6배, EQE는 100%에 근접
- 열발생 거의 없음
- 매우 넓은 색영역(Color gamut)
- 저전력구동(효율이 높으니 당연한 이야기)
- 매우 긴 수명
- 긴 수명에 의한 번인 최소화
- 얇고 가볍고 유연한 OLED 특징은 그대로..

알면알수록 '뭐지?' 싶은 페올레드의 수치들입니다. 너무 이상적인 이야기들이라 딱 사기꾼소리 듣기 좋은 이야기들입니다. 심지어 이러한 특징을 갖는데도 불구하고 관련 연구는 미미합니다. TADF나 Hyper Fluorescence(HF) 같이 기술완성에 성공해도 생산 비용적인면 밖에 장점이 없는 기술들이 수많은 기관, 수많은 자금, 수많은 인력을 동원해서 연구하는 것에 비해서 말이죠.

저 또한 이러한 기술이 왜이렇게도 주목을 받지 못하고 음지에 박혀 있는지 의문인 사람 중 하나입니다. 당장에 양산은 힘들더라도 관련연구라도 활발해야 마땅한 기술임에도 불구하고 말입니다.

2018/03/18 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 20. TADF - OLED의 미래가 될것인가 (1) - 기본편

2018/04/17 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 23. Hyper Fluorescence - 차세대 OLED 기술

위 포스팅들에서 언급한 대로 3세대, 4세대 OLED라 일컬어지는 TADF, HF에 대해서는 너무나 유명한 기술이고, 비교적 잘 연구되어지고 있는 분야입니다. 개발이 완료되면 얻는 이득은 아래와 같습니다.

TADF, HF가 성공했을 때 얻는 이득

- 현재 2세대 인광 OLED와 같은 수준의 효율과 수명
- 인광재료를 사용하지 않아 재료비용이 작음
- 끝^^

막대한 연구비를 쏟아부어서 성공을 한다고 하더라도 얻는 장점이 비용하나입니다. 게다가 일반적으로 유기재료의 소모량기준으로 보면 인광 발광 재료의 비중은 1%도 안됩니다. 1%도 안되는 재료의 비용이 경우에 따라 20%정도 차지하니 문제이긴 하지만...

아무튼 성공하더라도 얻는 장점이 너무 미약합니다. 소비자들은 전혀 느낄 수가 없는 변화들이라서 산업에 큰 영향을 주기는 어렵습니다.

그러나 FE-OLED는 다릅니다. 연구에 성공해서 대량 양산의 길이 열리면 마이크로 LED(mLED)나 QLED(삼성 QLED TV가 아닌 진짜 QLED 방식) 따위는 영원히 서랍속에 쳐박아둘 수 있습니다.

OLED의 레이져 버전 FE-OLED!!

이제 본격적으로 FE-OLED는 어떠한 원리로 구동되어지는지 알아봅시다. 발광층에서 빛이 생성되면 이 빛이 OLED 소자 밖으로 얼마나 나오는지 아시나요? 음.. 그래도 기판도 투명한 유리니깐 아무리 못해도 50~60%는 나오지 않을까요? 정도 생각하시는 분들이 많으실 겁니다.

위 그림은 ETL 두께에 따른 전면소자(Top emission)의 EQE(External Quantum Efficiency) 그래프입니다. 간단히 정리해보면 빨간색 강조가 되어 있는 퍼센트(%)의 빛들 만이 소자 밖으로 빠져나갈 수 있다는 이야기입니다. 즉, 저 그래프에서보면 ETL이 대략 60nm 정도일 때 30%가까이 된다는 것을 볼 수 있습니다.

그 효율좋다는 전면소자에서도 오로지 30%의 빛만이 밖으로 나갈 수 있습니다. 70%의 빛은 여러이유로 소자 내에서 사라지고 맙니다. 저 사라지는 빛들만 모아서 밖으로 나가게 해도 효율을 엄청나게 상승 시킬 수 있다는 이야기입니다.

    사라지는 빛에너지들

- Waveguide : 빛이 진행하다가 특정 각도로 글래스나 다른 재료에 입사되면 뚫고 나가지 못하고 글래스나 다른 재료에 갖혀버리는 현상
- Surface Plasmons : 얇은 금속박막 계면에서 일어나는 전자의 진동에 의한 상호관계에 의해 빛이 소멸되는 현상
- Absorption : 빛이 흡수됨
- Non-radiative losses : 가시광 영역 이외의 파장에서 발광되어 사라지는 빛들(적외선 등)
- Electrical losses : 전기적인 손실

이렇게 빛을 소자 밖으로 내보내는 양을 결정하는 요소가 바로 광추출(Outcoupling) 효율이라 하고 이 값을 늘리기 위한 연구가 많이 이루어지고 있었습니다.

 

마이크로 렌즈나 고굴절률 기판 등을 이용하여 최대한 생성된 빛을 밖으로 내보내주 위해 위 그림과 같은 컨셉을 이용하여 FE-OLED도 광추출 효율을 올려주기 위해서 굴절률과 광경로를 최적화시켜서 효율을 상승시킵니다. 

아래 그림과 같은 방식으로 말이죠.

위 그림처럼 FE-OLED는 광결정구조(Photonic Crystal Structure)를 OLED에 추가하여 광추출 효율을 최대한으로 올려주는 것이 1차 목표입니다. 광결정구조는 재료의 최적화와 패턴의 최적화가 모두 포함됩니다. 

이렇게 광결정구조를 통해 빛을 피드백(feedback) 시켜 특성 향상을 시키는 OLED라서 FE-OLED(Feedback Enhanced OLED)라 이름이 붙여졌습니다. 이러한 피드백세기는 빛이 소자 내부에서 일으키는 공진파장을 정확히 맞추어 주어야 하는데 이는 재료들의 굴절률과 두께로 맞출 수 있는데 이를 굴절률 공간진동(Refractive index spatial oscillation)이라 하고 이때의 피치(pitch)를 두께로 맞출 수 있습니다. 

이러한 이유로 광결정구조는 재료적인 최적화와 패턴적인 최적화가 이루어져야 하므로 상당히 어려운 기술에 속해서 양산적용이 어려웠습니다. 아시는분들은 아시겠지만 FE-OLED의 기본 컨셉은 전면발광방식에서 사용된 미소공진효과(Microcavity effect)와 유사합니다.

2018/05/10 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 25. 배면과 전면발광(Bottom vs Top emission) (2) - 전면발광

사실 기본 컨셉자체는 동일하다고 보아야겠지요. 발광층에서 발광되는 빛이 OLED 소자 내부에서 반사될 때 생기는 보강간섭(Constructive Interference)를 통해 광원의 세기를 증폭시키는 원리를 사용하는 컨셉은 비슷합니다. 

그러나 전형적인 전면발광소자(Top-emission OLED)는 광결정구조의 정밀한 디자인까지 하지는 않고 CPL(Capping layer)의 굴절률과 두께 최적화를 통해 미소공진효과를 사용하는 정도에 그치고 있습니다.

그런데 FE-OLED 같은 경우에는 광추출효율을 올리려는 노력외에도 동시에 미소공진효과에 의한 광에너지 증폭과 색순도의 상승까지 이용할 수 있습니다. 광결정재료에 의한 광추출향상에 더하여 OLED 내부에서 생성된 광자들은 소자내부를 FE-OLED type #2 그림처럼 반복해서 여러번 반사됩니다.

그렇게 지속적으로 반복해서 반사되다보면 OLED 소자내부의 광자밀도가 매우 상승하게 되고 이는 그 유명한 자극 방출(Stimulated Emission)을 유발하게 됩니다. "자극 방출? 난 듣도 보도 못한건디 뭐가 유명해?" 라고 하실 수 있으나 여러분들은 모두 이 현상을 잘알고 잘 사용하고 있습니다.

자극방출은 바로 레이져(LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 그 자극방출(Stimulated Emission)입니다. 자극방출에 대해서 간략하게 설명을 하자면 먼저 일반적인 상태에서의 발광인 자발적방출(Spontaneous Emission)과 구분할 줄 알아야 합니다.

일반적으로 일어나는 OLED에서의 발광현상을 자발적 방출이라고 합니다. 발광츠에 존재하는 수많은 발광도판트 분자에서 생성된 빛은 발광타이밍도 제각각이고, 그 크기도 제각각입니다. (넓은 스펙트럼의 원인) 

그런데 이 광자가 소자내부에서 나가지 못하고 계속 특정한 조건으로 반복해서 왔다갔다하면 광자밀도가 올라가게 되고 광자들이 이제는 서로 분자들을 들뜨게 만드는 데다가 정밀하게 세팅된 공진구조로 인해 광파동이 규칙적으로 맞추어 집니다. 그렇게 되면 수많은 동일한 파장과 위상을 갖는 수많은 광다발이 생성되고 이는 광에너지를 폭발적으로 증가시키고 크기도 일정하게 됩니다. (좁은 스펙트럼의 이유)

자극방출은 또한 진동완화(Vibrational Relaxation)라 불리는 열방사를 거의 생략할 수 있으므로 거의 열을 발생시키지 않는 효과까지 지니게 됩니다.

이렇게 FE-OLED는 매우높은 효율, 매우 높은 휘도, 매우 높은 색순도, 매우 낮은 열방사를 갖는 OLED판 레이져 소자로써 레이져는 좁은 면적에 높은 에너지를 집중할 수 있는 것에 반해 FE-OLED는 면단위로 레이져방출을 할 수 있습니다. (물론 광세기는 무기 레이져 광원에 현저히 못미치지만..)

현재 우리나라에도 대명엔지니어링, 로미칼 등 2~3개 업체, 미국에서도 세이비너지 등 몇몇 업체에서도 양산화에 많은 노력을 기울이는 것으로 알려져 있습니다.

특히나 로미칼은 자사 홈페이지에 시제품까지 공개하고 있어서 양산화에 상당부분 다가간것 같습니다. 현재 연구수준을 보면 학계를 통한 연구는 거의 이루어지지 않고 있습니다. FE-OLED라는 해당 용어도 잘 정립이 되지 않은 것 같고, 관련 논문은 거의 없다고 보아도 무방합니다. 

그러나 특허는 활발히 출원되고 있는 것으로 보아 해당 기술을 학계에 공개하기보다는 제품화를 서두르고 있는 것 같습니다. TADF나 HF 업체들이 언론플레이만 해대는 것과는 정반대의 행보입니다.

양산화가 이루어지고 제품이 나오기 시작한다면 페올레드(FE-OLED)가 업계에 가져올 폭풍은 엄청나보입니다.