차세대 디스플레이를 위한 탠덤 OLED 기술 동향
디스플레이 소자의 고성능화와 응용 분야의 확장에 따라, 기존 단일 스택 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diode) 구조의 발광 효율과 소자 안정성 측면에서 점차 한계에 직면하고 있다. 이러한 요구를 충족하기 위한 차세대 OLED 구조로 탠덤(Tandem) OLED가 주목받고 있으며, 다중 발광층을 활용한 구조적 설계를 통해 전력 효율과 소자 수명을 효과적으로 향상시켜 왔다. 탠덤 OLED의 동작 특성과 성능을 이해하기 위해서는 단일 스택 구조와의 차이, 전하 생성층의 역할, 그리고 스택 수 및 재료에 따라 나타나는 전기 및 광학적 특성에 대한 이해가 필요하다. 이에 이번 기고에서는 탠덤 OLED의 기본 개념과 작동 메커니즘을 중심으로, 재료 및 소자 설계 관점에서의 주요 기술적 이슈를 살펴보고자 한다.
참고 사진: 삼성OLED TV
글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실
주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
강교철 (고려대학교 전기전자공학부 석박통합 과정)
조재영 (고려대학교 신소재공학부 학사 과정)
최선영 (고려대학교 신소재공학부 학사 과정)
목차
1. 서론
2. 탠덤 구조의 기본 개념과 작동 메커니즘
2-1. 단일 스택과 탠덤 스택 구조 비교
2-2. 전하생성층의 역할과 동작 원리
2-2-1. 유기 p–n접합 기반 전하생성층 구조
2-2-2. 금속 산화물 기반 전하생성층 구조
2-2-3 강한 전자 수용성을 갖는 유기 물질을 이용한 계면형 전하생성층 구조
3. 재료 및 소자 관점의 탠덤 기술 이슈
3-1. 발광 재료에 따른 탠덤 설계
3-1-1. 인광 기반 탠덤 구조의 장점과 한계
3-1-2. 열 활성화 지연 형광 기반 탠덤 구조의 장점과 한계
3-2. 탠덤 소자 설계에서의 구조적 상충관계
3-2-1. 전기적 상충관계
3-2-2. 광학적 상충관계
4. 결론
5. 참고 문헌
1. 서론
정보 디스플레이 기술은 음극선관(CRT), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 액정표시장치(LCD)를 거쳐 현재의 고해상도·고성능 전자 디스플레이로 발전해왔다. [1] 그러나 LCD는 외부 광원을 필요로 하는 비자발광 구조로 인해 명암비, 시야각, 두께 및 유연성 측면에서 구조적 한계를 지니며, 이러한 한계를 극복하기 위한 자발광 디스플레이 기술로서 유기 발광 다이오드가 상용 디스플레이의 핵심 기술로 자리 잡고 있다. [2]
OLED는 자체 발광 특성에 기반하여 높은 명암비, 우수한 색재현성, 빠른 응답속도 및 유연 기판 적용 가능성 등 다양한 장점을 지니고 있다. [3] 그러나 단일 스택 OLED 구조는 고휘도 구동이 요구되는 고해상도 디스플레이 및 대면적 응용 환경에서 효율 롤오프, 발광층 열화, 소자 수명 저하 등의 한계가 있다. 특히 동일 휘도를 구현하기 위해 높은 전류 밀도가 요구되면서, 여기자 소멸 및 열적 스트레스에 의한 신뢰성 저하가 주요 문제로 대두되고 있다. [4]
이러한 한계를 극복하기 위한 구조적 접근법으로 복수의 발광 유닛을 직렬로 적층한 탠덤 OLED 구조가 주목받고 있다. 탠덤 OLED는 동일 전류 조건에서, 단일 스택 OLED보다 높은 휘도를 구현함과 동시에 전류 밀도를 분산시켜 소자 열화와 효율 롤오프(efficiency roll-off)를 효과적으로 완화할 수 있는 것으로 보고되고 있다[5]. 탠덤 OLED는 전력 효율 및 동작 수명 향상 측면에서 단일 스택 구조 대비 뚜렷한 이점을 가지며, 현재 고성능 디스플레이 및 상업용 패널 적용을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.
이번 기고에서는 탠덤 OLED의 기본 개념과 작동 메커니즘을 중심으로, 단일 스택 OLED와의 구조적 차이, 전하 생성층(Charge Generation Layer, CGL)의 역할, 그리고 발광 재료 및 소자 설계에 따른 전기적·광학적 상충관계를 체계적으로 살펴보고자 한다. 이를 통해 탠덤 OLED의 기술적 의의와 향후 고효율·고신뢰성 디스플레이 구현을 위한 발전 방향을 논의하고자 한다.
2. 탠덤 구조의 기본 개념과 작동 메커니즘
탠덤 OLED는 두 개 이상의 전계발광 유닛을 직렬로 적층한 구조로, 기존 단일 스택 OLED의 한계를 구조적으로 보완하기 위해 제안되었다. 전계발광 유닛(EL unit, Electroluminescence unit) 사이에 삽입된 전하 생성층은 전자와 정공을 동시에 생성하며, 생성된 전하는 분리되어 각각 인접한 발광 유닛으로 주입됨으로써 다중 발광 유닛의 구동을 가능하게 한다.
이러한 구조를 통해 탠덤 OLED는 동일한 전류 조건에서 더 높은 휘도를 구현할 수 있으며, 발광층 내 여기자 밀도를 효과적으로 분산시켜 효율 저하와 소자 열화를 완화할 수 있다. 본 장에서는 탠덤 OLED의 기본 구조와 작동 원리를 설명하고, 단일 스택 OLED와의 구조적 차이를 중심으로 그 특성을 정리한다.
2-1. 단일 스택과 탠덤 스택 구조 비교
유기 발광 다이오드는 본질적으로 전류 구동형 소자로서, 전류 밀도를 증가시킬 경우 고휘도를 구현할 수 있다. 그러나 고전류 구동은 발광층 내 여기자 밀도 증가, 비방사성 소멸 과정의 활성화, 국부적인 발열 증가 등을 유발해 효율 롤오프와 소자 열화를 가속시킨다. 이는 기존 단일 구조 OLED(single-stack OLED)가 가지는 근본적인 한계로 지적되어 왔다.
이러한 단일 스택 OLED의 한계는 실제 디스플레이에서 외부 조명 하에서의 가독성을 향상시키기 위한 고휘도 응용이 불가능하게 한다. 이에 따라 두 개 이상의 유기 발광 다이오드 유닛을 통합한 탠덤 유기 발광 다이오드 구조의 개발이 시작되었다. [5]
그림 1. 유기 발광 다이오드의 구조 (a) 단일 스택 (b) 탠덤 스택 [6]
기존의 유기 발광 다이오드는 그림 1a와 같이 하나의 전계발광 유닛으로 구성되어 있다. 이 구조가 가지는 한계를 극복하기 위해 고안된 구조가 그림 1b의 구조를 가지는 탠덤 유기 발광 다이오드이다. 탠덤 유기 발광 다이오드는 두 개 이상의 전계발광 유닛이 적층된 구조를 갖는 유기 발광 다이오드를 의미하며, 각 전계발광 유닛 사이에는 고유한 중간 연결층(intermediate connector)이 삽입되어 있다. 각 전계발광 유닛은 기존의 단일 OLED에서 사용되는 구조와 동일하게, 정공 수송층(HTL, Hole Transport Layer), 발광층(LEL, Light-Emitting Layer), 전자 수송층(ETL, Electron Transport Layer)로 구성되어 있다. 중간 연결층은 일반적으로 이중층 구조를 가지며, 소자 내부에서 전하 생성과 전하 주입을 동시에 가능하게 한다. [6]
그림 2. 두 개의 전계발광 유닛을 갖는 탠덤 유기 발광 다이오드에 순방향 바이어스를 인가했을 때 에너지 다이어그램 [6]
그림 2는 두 개의 전계발광 유닛을 갖는 탠덤 유기 발광 다이오드에 순방향 바이어스를 인가했을 때의 에너지 다이어그램을 나타낸 것이다. 이때 양극에서 정공이, 음극에서 전자가 주입된다. 중간 연결층 내부의 n형 층과 p형 층의 계면에서 전자와 정공이 생성되는데, 이를 전하 생성 계면(CGI, Charge-Generating Interface)이라 한다. 전하 생성 계면에서 생성된 전자는 하부 전계발광 유닛의 발광층 LUMO로 주입되어 외부에서 주입된 정공과 재결합하여 빛을 방출하고, 정공은 상부 전계발광 유닛의 발광층 HOMO로 주입되어 외부에서 주입된 전자와 재결합하여 발광을 일으킨다. 즉, 하나의 외부 주입 전하 쌍으로부터 두 개의 광자가 생성될 수 있다는 특징이 나타난다. [6]
그림3. 전계발광 유닛 수에 따른 성능 (a) 발광 효율, (b) 전력 효율, (c) 동작 수명 [6]
탠덤 유기 발광 다이오드는 기존의 유기 발광 다이오드에 비해 여러 가지 장점을 가진다. 그림 3은 동일한 녹색 형광 발광층 (Alq₃:0.5 vol% C545T)을 단일 스택 유기 발광 다이오드, 두 개 전계발광 유닛을 갖는 탠덤 유기 발광 다이오드, 그리고 세 개 전계발광 유닛을 갖는 탠덤 유기 발광 다이오드의 전계발광 특성을 비교한 결과를 보여준다. 전계발광 유닛의 수가 늘어날수록 발광 효율과 전력 효율, 동일한 초기 휘도 조건하에서 동작 수명이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 내부에서 생성된 전하들은 항상 쌍으로 존재하기 때문에, 각 발광층에서의 전하 재결합이 보다 균형 있게 이루어지며, 이는 기존 유기 발광 다이오드에서 효율이 낮았던 전계발광 유닛에서도 효율 향상을 가능하게 한다. [6]
또한, 하나의 전계발광 유닛만이 금속 전극 근처에 위치하므로 금속 전극에 의한 플라즈몬 소광 효과의 영향이 줄어들어 광 출력이 증가할 수 있다. 심지어 서로 다른 색상의 전계발광 유닛을 적층함으로써 색 조합의 자유도를 확보할 수 있다는 장점도 존재한다. [6]
2-2. 전하생성층의 역할과 동작 원리
전하생성층은 적층구조 유기 발광 다이오드의 발광 효율을 향상시키기 위한 필수적인 요소이다. 단일 스택 OLED에서는 고휘도를 얻기 위해 높은 전류 밀도가 요구되며, 이는 발광층 열화와 효율 저하를 야기한다. 반면, 탠덤 OLED는 복수의 발광 유닛을 직렬로 연결함으로써 동일한 전류에서 더 높은 휘도를 구현할 수 있다. 이때 각 발광 유닛 사이의 전기적 연결을 담당하는 핵심 요소가 전하생성층이며, 전하생성층의 성능은 전체 소자의 효율과 안정성을 결정짓는 핵심 요인으로 작용한다.
탠덤 OLED에서 전하생성층은 내부 전극처럼 작동하여 전자와 정공을 생성하고, 생성된 전하를 상·하 발광 유닛으로 공급한다. 초기에는 음극과 양극을 연결한 구조의 전하생성층 구조가 개발되었다. 이 구조는 투과율 확보를 위해 금속막을 얇게 형성해야 하는 동시에, 안정적인 전하 주입을 위해 일정 두께를 유지해야 하므로 설계가 어렵다. 또한 금속 전극의 높은 전도도로 인해 픽셀 간 전류 누설이 발생하여 인접 픽셀 간 간섭 문제가 나타나는 등 실제 적용에 한계가 있다. 따라서 이러한 한계를 극복하기 위해 제안된 유기 p-n 접합 기반, 금속 산화물 기반, 그리고 강한 전자 수용성을 갖는 유기 물질을 이용한 계면형 전하생성층 구조를 이어서 살펴보고자 한다(그림 4 참조).
그림 4. 전하생성층 구조에 따른 탠덤 소자 구조
2-2-1. 유기 p-n 접합 기반 전하생성층 구조
유기 p-n접합 기반 전하생성층 구조는 p-n 접합 구조를 이용하는 방식이다. 이는 p-도핑 유기물층과 n-도핑 유기물층의 이층으로 이루어진 구조로써, 두 층이 접합하게 되면 페르미 준위가 맞추어지며 전자가 이동하게 된다. 페르미 에너지 준위가 높은 n-도핑 유기물층으로부터 페르미 에너지 준위가 낮은 p-도핑 유기물층으로 전자가 이동하며 이로 인해 정공과 전자가 만나서 소멸하여 공핍 영역(depletion region)이 생성된다.
이때 p-도핑 유기물층에 (-) 전압을 가하고, n-도핑 유기물층에 (+) 전압을 가하면 각각 정공과 전자가 분리되어 발광층으로 주입되고, 전하생성층으로서의 역할을 하게 된다(그림 5 참조).
그림 5. 전압에 의한 p–n 접합으로부터의 전하의 분리 [8]
p-도핑 유기물층은 NPB, TCTA, mTDATA, 2-TNATA 등의 정공 수송층 물질에 FeCl3, F4-TCNQ, WO3, MoO3, ReO3, V2O5 등의 p-dopant 물질을 도핑하여 구성한다. n-도핑 유기물층은 BCP, BPhen, Alq3 등의 전자 수송층 물질에 Li, Rb, Cs, Mg 등의 n-dopant 물질을 도핑하여 구성한다.
유기 p-n 접합 기반 전하생성층 구조는 투과도가 우수하며, 초기 방법과 달리 전도도가 낮아 픽셀간의 간섭이 일어날 확률이 낮으며, 금속 전극을 사용하지 않아 표면 플라즈몬(Surface plasmon) 현상에 의한 효율 손실을 억제할 수 있다. 또한 전하 생성 효율이 뛰어나며 안정성이 우수해 전하생성층으로 널리 사용된다는 장점이 있다. 하지만 도핑 구조가 공정 조절이 상대적으로 어렵다는 단점이 있다.
2-2-2. 금속 산화물 기반 전하생성층 구조
금속 산화물 기반 전하생성층 구조는 n형 금속 산화물과 p형 유기물(또는 p형 산화물)의 이종 접합을 이용해 계면에서 전자-정공 쌍을 생성한다. n형 금속 산화물은 페르미 레벨(Ef, Fermi level)이 전도띠(CB, conduction band)에 가까이 위치해 있고, p형 유기물은 HOMO가 상대적으로 높은 위치에 존재한다. n형 금속 산화물과 p형 유기물 계면에서는 강한 계면 쌍극자와 페르미 준위 고정(Fermi level pinning)에 의해 유기물 HOMO와 금속 산화물 CB 사이의 에너지 장벽이 감소한다. 그리고 인가 전압 하에서 유기물 HOMO에서 금속 산화물 CB로의 전자 이동이 일어나 전자-정공 쌍이 생성 및 분리되어 그림 6과 같이 전하생성층으로써 작동하게 된다. 다만 이 구조에서 명심해야 할 점은 n-도핑 전자수송층이 필수적이라는 것이다. 금속 산화물의 CB와 전자수송층의 LUMO 준위 사이의 에너지 장벽이 클 경우 전자 주입을 위해 더 높은 전기장이 요구되며, 이는 구동 전압 증가 및 소자 효율 저하로 이어질 수 있다.
그림 6. TCTA/WO3/BPhen:Cs2CO3의 에너지 준위 [9]
이 구조도 유기 p-n 접합 기반 전하생성층 구조와 마찬가지로 정공과 전자가 같은 개수로 분리되기 때문에 전하 균형을 맞추기 용이하며, 투과도가 우수하고 유기 p-n 접합 기반 전하생성층의 단점이었던 복잡한 공정 문제를 해결할 수 있다.
2-2-3 강한 전자 수용성을 갖는 유기 물질을 이용한 계면형 전하생성층 구조
그림 7. HAT-CN과 정공 수송층 물질을 이용한 전하생성층의 전하 생성 및 이동 [8]
이 구조에서는 그림 7과 같이 정공 수송층의 HOMO가 강한 전자 수용성을 갖는 유기 물질, 즉 전자 받개 물질의 LUMO와 유사하다. 따라서 정공 수송층 물질의 전자가 전자 받개 물질로 이동하여 각각 정공과 전자가 생성된다. 금속 산화물 기반 전하생성층과 마찬가지로 전자 수송층으로서 n-doping 전자 수송층을 적용해야 전자 수송층으로의 전자 주입이 용이해진다.
또한 이 구조는 정공과 전자가 동일한 수로 생성·분리되므로 전하 균형 확보가 용이하고, 우수한 투과도와 공정 단순화 측면에서 이점을 가진다.
3. 재료 및 소자 관점의 탠덤 기술 이슈
탠덤 OLED의 성능 향상은 발광 유닛을 단순히 적층하는 것만으로는 달성되지 않는다. 발광 재료 특성과 전하 생성층의 구조, 다층 박막에 따른 전기적·광학적 손실 요인까지 고려해 정밀하게 설계해야 한다. 특히 발광 재료의 여기자 동역학과 전하 수송 특성은 탠덤 구조에서 더욱 민감하게 작용하며, 구조적 설계에 따라 효율 및 신뢰성이 크게 좌우된다.
본 장에서는 탠덤 OLED 구현 시 고려되어야 할 주요 재료 및 소자 설계 이슈를 정리하고, 발광 재료 유형에 따른 탠덤 구조 설계의 장단점과 전기적·광학적 상충관계를 중심으로 분석한다.
3-1. 발광 재료에 따른 탠덤 설계
탠덤 OLED의 성능은 발광 유닛 구조뿐만 아니라 발광 재료의 특성에 의해 크게 좌우된다. 특히 복수의 발광 유닛이 직렬로 적층 되는 구조에서는 발광 재료의 여기자 수명, 소멸 메커니즘, 안정성이 전체 소자의 효율 및 수명에 직접적인 영향을 미친다.
본 절에서는 탠덤 OLED에 주로 적용되는 인광(phosphorescence) 및 열 활성화 지연 형광(TADF, Thermally Activated Delayed Fluorescence) 발광 재료를 중심으로, 각 재료 시스템이 탠덤 구조에서 갖는 장점과 한계를 비교하고, 발광 재료 관점에서의 설계 방향을 정리한다.
3-1-1. 인광 기반 탠덤 구조의 장점과 한계
삼중항 여기 상태의 엑시톤에 의한 발광을 인광이라고 한다. 삼중항 여기상태로부터 일중항 바닥상태로의 전이를 위해 전자의 스핀 변화가 필요하기 때문에 이를 금지된 전이라고 한다. 따라서 삼중항 여기상태의 전자는 일중항 여기상태의 전자보다 더 오랜 시간 동안 여기상태에 머무르고 발광 전이가 어렵다. 삼중항 엑시톤의 발광 전이를 위한 전자의 스핀 변화는 스핀 궤도 결합(SOC, Spin-orbit Coupling)을 통해 가능하다. 스핀 궤도 결합은 음전하를 가진 전자가 양전하를 가진 핵 주위를 공전할 때 생기는 유도 자기장에 전자의 스핀이 영향을 받기 때문에 일어나는 현상이다. 이때 핵의 양전하가 클수록 유도 자기장의 세기가 커지게 되므로 전자의 스핀 변화가 잘 일어난다. 따라서 효율적인 인광 발광을 위해 원자번호가 큰 원자를 사용하며 이를 중원자 효과(heavy atom effect)라고 한다. [8]
이때, 일중항(singlet) 여기자는 계간 전이(ISC, Intersystem Crossing)를 통해 삼중항으로 전환된 후 발광에 기여한다. 스핀 궤도 결합 특성이 강할수록 계간 전이 확률이 높아진다. 중금속을 포함하는 경우, 매우 빠른 계간 전이 특성을 보여 일중항 엑시톤이 모두 삼중항 엑시톤으로 전환된다. 따라서 형광 발광과 달리, 생성된 모든 여기자를 발광에 활용할 수 있다. 그러므로 인광 기반 유기 발광 다이오드는 이론적으로 내부 양자 효율(IQE, Internal Quantum Efficiency) 100% 달성이 가능하다(그림 8 참조).[5]
그림 8. 인광 발광 메커니즘에서의 계간 전이(ISC) 모식도[5]
다만, 인광 기반 탠덤 유기 발광 다이오드의 한계는 청색 인광 발광체의 낮은 안정성이다. 청색 발광을 위해 요구되는 높은 삼중항 에너지가 유기 분자의 열화를 가속해 소자 수명에 한계를 유발한다. 따라서 상업적 단계에서 지배적으로 사용하기 위해서는 아직 시간이 더 필요하다. [6]
또한, 삼중항 여기자의 방사 전이에 의존하기 때문에 고휘도 구동 조건에서는 삼중항 여기자의 밀도가 높아지기 쉽다. 이로 인해 삼중항-삼중항 소멸(TTA, Triplet-Triplet Annihilation)과 같은 비방사성 소멸이 발생해 효율 저하가 발생할 수 있다.
3-1-2. 열 활성화 지연 형광 기반 탠덤 구조의 장점과 한계
일반적으로 일중항 에너지가 삼중항 에너지보다 크기 때문에 일중항으로부터 삼중항으로의 계간전이가 주로 관찰되지만, 일중항 에너지와 삼중항 에너지와 유사할 경우에는 열에너지에 의해 삼중항 엑시톤이 일중항 엑시톤으로 전환되고 형광 발광을 하게 된다. 이를 열 활성화 지연 형광라고 한다. [8]
열 활성화 지연 형광은 일중항과 삼중항 여기자의 에너지 차이를 최소화함으로써, 삼중항 여기자가 열 활성화된 역계간전이(RISC, Reverse Intersystem Crossing)를 통해 다시 일중항으로 전환된 후 발광에 기여하도록 한다(그림 9 참조). 이로 인해 열 활성화 지연 형광 발광체 역시 일중항과 삼중항 여기자를 모두 활용할 수 있으며, 이론적으로 내부 양자 효율 100% 달성이 가능하다. 또한 귀금속을 사용하지 않는 발광체를 통해 고효율을 구현할 수 있어 비용 측면에서 경쟁력을 가진다. [5]
그림 9. 지연형광 발광 메커니즘에서의 역계간 전이(RISC) 모식도 [5]
다만, 역계간전이 과정의 속도가 충분히 빠르지 않을 경우 고휘도, 고전류 구동 조건에서 삼중항 여기자가 발광층 내에 축적될 수 있다. 이는 삼중항-삼중항 소멸 등의 비방사성 소멸을 유도해 효율 롤오프를 유발하고 색 안정성을 저하시킨다. [5]
또한 열 활성화 지연 형광 발광체에서 가장 중요한 요소인 일중항 에너지와 삼중항 에너지의 유사도는 기존 형광 발광체에 비해 추가적으로 요구되는 조건이다. 따라서 분자 설계에 있어 자유도가 제한되고 발광 세기와 색 안정성이 저하되어 고성능 열 활성화 지연 형광 발광체를 개발하는 것은 여전히 문제로 남아있다. [10]
3-2. 탠덤 소자 설계에서의 구조적 상충관계
탠덤 OLED는 복수의 발광 유닛을 직렬로 적층함으로써 고휘도 구현과 소자 수명 향상을 동시에 달성할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 이러한 구조적 이점은 필연적으로 전기적 및 광학적 상충관계를 수반하며 이는 소자 설계 시 반드시 고려되어야 할 요소이다.
3-2-1. 전기적 상충관계
전기적 관점에서 가장 중요한 상충관계는 전하 생성 및 수송 효율과 구동 전압 간의 상충 관계이다. 탠덤 구조에서는 각 발광 유닛 사이에 전하생성층이 삽입되며, 안정적인 전하 생성을 위해 비교적 두꺼운 전하생성층 또는 높은 도핑 농도의 재료가 요구된다. 이러한 구조는 전하 생성 효율을 향상시키고 누설 전류를 억제하는 장점이 있으나, 동시에 전자 및 정공의 이동 경로를 길게 만들어, 전체 소자의 구동 전압을 증가시키는 요인이 된다.
그림 10. 전하생성층의 두께에 따른 J-V 그래프 [11]
그림 10에서 전하생성층의 두께가 두꺼워짐에 따라 동일 전류밀도 하에 전압이 높아지는 것을 확인할 수 있다.
특히 n형 금속 산화물 기반 전하생성층의 경우 높은 안정성과 우수한 전하 공급 능력을 제공하는 반면, 산소 결함이나 계면 상태로 인한 전기적 손실이 발생할 수 있으며, 이는 전류-전압 특성의 비선형성과 효율 저하로 이어질 수 있다. 또한 n형 도핑 농도가 증가할수록 전자 주입 장벽은 감소하여 전류 밀도는 증가하지만, 이에 비례하여 발광층 내 전자 농도가 과도하게 증가하게 된다. 이러한 전하 불균형은 정공과의 재결합 확률을 저하시킬 뿐만 아니라, 폴라론-여기자 소멸(polaron-exciton quenching)과 같은 비방사성 소멸 경로를 활성화시킨다. 결과적으로 발광 효율 감소 및 효율 롤오프 현상이 발생하며, 이는 고휘도 구동 시 소자 수명을 제한하는 주요 요인이 된다.
3-2-2. 광학적 상충관계
광학적 측면에서도 구조적 상충관계가 존재한다. 전하생성층 및 다층 유기막의 삽입은 광학적 간섭 효과를 유발하여 발광 스펙트럼과 광 추출 효율에 영향을 미친다. 광 모드(Optical modes)에는 유기층 및 고굴절률 ITO 내부에 빛이 가둬지는 Waveguide 모드, 금속 전극에서 광 에너지가 플라즈몬으로 소멸되는 표면 플라즈몬(SPP, Surface plasmon polariton) 모드 그리고 기판 내부 전반사로 인해 외부 방출이 불가해지는 substrate 모드가 있다. 단일 스택 OLED에서 탠덤 OLED로 변화하면서 SPP 모드는 30%에서 10% 이하로 떨어져 탠덤 OLED에서는 waveguide 모드가 주 광 손실 모드가 된다. 배면 발광 OLED의 경우 41%의 빛이 waveguide 모드에 의해 갇히게 되며 24%가 substrate 모드에 의해 갇힌다. 전면 발광 OLED의 경우에는 substrate 모드와는 무관하지만 60%이상의 빛이 waveguide 모드에 의해 갇힌다(그림 11 참조).
그림 11. 스택 수에 따른 모드 백분율 (a) 배면 발광 OLED, (b) 전면 발광 OLED [12]
또한 그림 12에서 볼 수 있듯이, 전하생성층 두께가 증가할수록 흡광도가 증가한다. 이는 전하 생성 효율 측면에서는 유리하지만 내부 광 손실이 증가할 수 있는 점에서 단점을 가진다.
그림 12. 전하생성층의 두께에 따른 흡광도 [11]
뿐만 아니라 다중 발광 유닛으로 인한 마이크로캐비티 효과는 발광 파장의 이동이나 시야각 의존성을 증가시켜 색 안정성을 저하시킬 수 있다. 이러한 광학적 손실은 고효율을 추구하는 탠덤 구조에서 반드시 고려되어야 할 요소이다.
탠덤 OLED의 외광 효율 향상을 위해 다양한 기술이 개발되었다. 먼저, waveguide 모드와 substrate 모드에 의한 손실을 줄일 수 있는 마이크로렌즈(MLA, micro lens array)를 사용하는 방법이다(그림 13 참조).
그림 13. 렌즈 유무에 따른 광경로 변화 및 외광 효율 개선 [8]
유리기판 상부에 도입된 마이크로 렌즈를 통해 빛이 나가게 되면 입사각이 커지는 효과를 얻을 수 있다. 하지만 공정이 복잡하고 대면적 적용이 어려우며, 광경로의 변경으로 인한 스펙트럼의 왜곡 현상 등으로 인해 디스플레이 적용에는 어렵다는 단점이 있다.
다음으로 제시된 방법은 광산란층이다. 소자 내부에 Waveguide 모드로 갇힌 빛을 산란시켜 공기 방향으로 방출시키는 역할을 한다. 그림 14와 같이 광산란층에는 기판 자체를 요철화 시키는 요철 기판(Corrugated substrate)와 유기층 내부 또는 ITO 근처에 산란층을 삽입하는 매립형 산란층(Embedded scattering layer)이 있다. 요철 기판은 구조가 단순하다는 장점이 있지만 유기물 증착시 평탄화되어 산란 효과가 감소해 탠덤 OLED에서는 효과가 제한적이다. 매립형 산란층의 경우에는 산란 효율이 높으며 평탄한 상부 구조 유지가 가능하고 산란층의 굴절률이 클수록 효과가 증가하지만, 동시에 흡수율도 증가하여 상충관계가 생긴다.
그림 14. 요철 기판을 삽입한 OLED (a), 매립형 산란층을 삽입한 OLED (b)의 모식도 [12]
결과적으로 탠덤 OLED 설계에서는 전기적 안정성과 광학적 효율 사이의 균형을 정밀하게 조율하는 것이 핵심 과제로 작용한다. 전하 생성 효율을 극대화하기 위한 구조적 설계는 전압 증가와 광 손실이라는 대가를 수반하며, 반대로 광학적 최적화를 강조할 경우 전기적 성능 저하가 발생할 수 있다. 따라서 고성능 탠덤 OLED 구현을 위해서는 전하 수송, 광학 간섭, 재료 특성을 종합적으로 고려한 구조적 최적화가 필수적이다.
4. 결론
기고에서는 기존 단일 스택 OLED가 가지는 고전류 구동 한계와 이에 따른 효율 롤오프 및 소자 열화 문제를 구조적으로 해결하기 위한 대안으로서 탠덤 OLED 기술을 소개하고, 기본 개념과 작동 메커니즘을 정리하였다. 탠덤 OLED는 복수의 전계발광 유닛을 직렬로 적층하고 전하 생성층을 도입함으로써, 동일 전류 조건에서 더 높은 휘도를 구현하고 발광층 내 여기자 밀도를 효과적으로 분산시킬 수 있는 구조적 장점을 가진다. 이를 통해 전력 효율과 소자 수명 측면에서 단일 스택 OLED 대비 뚜렷한 성능 향상이 가능함을 확인하였다.
또한 탠덤 OLED의 성능은 단순한 발광 유닛 수 증가에 의해 결정되는 것이 아니라, 발광 재료의 여기자 특성, 전하생성층의 구조 및 물성, 그리고 다층 박막 구조에 따른 전기적·광학적 상호작용에 의해 복합적으로 좌우됨을 논의하였다. 인광 및 열 활성화 지연 발광 재료는 모두 높은 여기자 활용 효율이라는 장점을 가지지만, 고휘도 구동 조건에서의 안정성, 여기자 소멸 메커니즘, 색 안정성 측면에서 서로 다른 한계를 나타낸다. 이는 탠덤 구조 설계 시 발광 재료의 특성을 고려한 맞춤형 구조 설계가 필수적임을 시사한다.
더 나아가 탠덤 OLED에서는 전하 생성 효율과 구동 전압 간의 전기적 상충관계, 그리고 전하생성층 및 다층 구조로 인한 광학적 손실과 색 안정성 저하라는 광학적 상충관계가 동시에 존재한다. 전기적 안정성을 확보하기 위한 전하생성층 설계는 전압 상승과 전하 불균형을 유발할 수 있으며, 광학적 최적화를 위한 구조 변경은 내부 광 손실 증가로 이어질 수 있다. 따라서 고성능 탠덤 OLED 구현을 위해서는 전하 수송, 여기자 동역학, 광학 간섭 효과를 종합적으로 고려한 구조적 최적화 전략이 요구된다.
결론적으로 탠덤 OLED는 고휘도·고효율·고신뢰성 디스플레이 구현을 위한 핵심 기술로서 높은 잠재력을 지니고 있으며, 향후에는 발광 재료의 안정성 향상, 저손실·고효율 전하생성층 설계, 그리고 광 추출 구조와의 통합적 설계를 통해 상업적 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다. 이러한 재료 및 소자 관점의 정밀한 설계 접근은 차세대 고성능 OLED 디스플레이 기술 발전의 중요한 기반이 될 것이다.
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