[디지털투데이 석대건 기자] KAIST 연구진이 OLED 정면 광효율을 2배 개선한 준평면 광추출 구조를 개발했다. KAIST는 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 OLED 디스플레이의 평면 구조를 유지하면서 발광 효율을 2배 이상 높이는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

OLED는 색 표현이 뛰어나고 얇고 잘 휘어지는 평면 구조로 스마트폰과 TV에 사용됐다. 하지만 내부 빛 손실로 밝기를 높이는 데 한계가 있었다. 이에 연구팀은 이 한계를 극복할 새로운 준평면 광추출 구조와 OLED 설계 방법을 개발했다.

OLED는 여러 층의 유기물 박막이 겹겹이 쌓여 만들어지는데, 빛이 층과 층 사이를 지나며 반사되거나 흡수돼 OLED 내부에서 생성된 빛의 80% 이상이 밖으로 나오지 못하고 열로 사라진다. 이는 OLED의 발광 효율을 제한하는 주요 원인이다.

기존에는 OLED 위에 렌즈 구조를 붙여 빛을 밖으로 꺼내는 반구형 렌즈나 마이크로렌즈어레이(MLA) 같은 광추출 구조가 사용됐다. 그러나 반구형 렌즈 방식은 큰 렌즈가 돌출되어 평면 형태를 유지하기 어렵다. 마이크로렌즈어레이는 충분한 광추출 효과를 보려면 픽셀 크기보다 훨씬 커야 해서 주변 픽셀과의 간섭 없이 높은 효율 향상을 도출하는 데 한계가 있었다.

이에 연구팀은 각 픽셀 크기 안에서 빛을 최대한 효율적으로 밖으로 내보내는 새로운 OLED 설계 방법을 제안했다. 기존 설계가 OLED가 끝없이 넓다고 가정한 것과 달리 실제 디스플레이에서 사용되는 제한된 픽셀 크기를 고려했다고 설명했다.

이를 통해 같은 크기의 픽셀에서도 더 많은 빛을 외부로 방출할 수 있었다. 연구팀은 빛이 옆으로 퍼지지 않고 화면 정면으로 잘 나오도록 돕는 새로운 준평면 광추출 구조도 개발했다.

또 휘어지는 플렉서블 OLED에도 쉽게 적용할 수 있다. 새로운 OLED 설계와 준평면 광추출 구조를 함께 적용한 결과 작은 픽셀에서도 빛을 내는 효율을 2배 이상 향상시키는 데 성공했다고 전했다.

이 기술은 OLED의 평평한 구조를 유지하면서도 같은 전력으로 더 밝은 화면을 구현할 수 있어 스마트폰과 태블릿PC 등 모바일 기기의 배터리 사용 시간을 늘리고 발열을 줄이는 데 기여하고 디스플레이 수명 향상 효과도 함께 기대된다. 

유승협 교수는 "그간 수많은 광추출 구조가 제시되었지만, 많은 경우 면적이 넓은 조명용이 대부분이었고, 수많은 작은 픽셀로 이루어진 디스플레이에는 적용하기 어렵거나 적용해도 그 효과가 크지 못한 경우가 많았다"며 "이번에 제시된 준평면 광추출 구조는 픽셀 내 광원 대비 크기에 제약을 두어 인접 픽셀 사이에서 빛이 서로 간섭하는 현상도 줄이면서 효율도 극대화할 수 있도록 구현되었다"고 강조했다. 

한편, 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인판에 2025년 12월 29일 공개됐다.

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