시야각 색변이를 4분의 1로 줄인 폴라리톤 OLED

OLED 화면을 비스듬히 보면 색이 변합니다. 마이크로캐비티 구조를 쓰면 색은 순해지지만 이 색변이가 더 심해집니다. 쾰른대·세인트앤드루스대 연구진은 발광층과 빛을 흡수하는 층을 떼어 놓아, 선폭 25nm에 45도에서 색이 10nm만 움직이는 OLED를 만들었습니다. 다만 표를 보면 셋을 한 소자가 다 갖지는 못했습니다.

휴대폰 화면을 비스듬히 들어 보면 색이 달라진다. 특히 흰 화면이 푸르스름해진다. 화면을 정면에서 보게 만드는 그 구조가 옆에서 볼 때 색을 바꾼다.

원인은 화소 안의 마이크로캐비티다. 반사하는 전극 두 장 사이에서 빛이 오가며 특정 파장만 살아남는데, 그 파장이 보는 각도에 따라 짧은 쪽으로 밀린다.

캐비티를 세게 걸수록 색은 순해지고 색변이는 심해진다. 색순도와 시야각이 서로를 잡아먹는 자리다.

쾰른대와 세인트앤드루스대 공동 연구진은 여기에 엑시톤-폴라리톤을 끌어들였다. 빛과 물질이 세게 묶여 만들어지는 준입자로, 이것이 캐비티의 각도 의존성을 눌러 준다.

결과는 이렇다. 발광 재료 자체의 선폭 86nm가 25nm로 좁아졌고, 45도에서의 색이동은 마이크로캐비티의 40nm에서 10nm로 줄었다. 효율은 1,000cd/m²에서 20%를 넘겼다.

다만 이 기사가 짚을 것은 그 다음이다. 셋을 한 소자가 다 갖지는 못했다. 논문의 표 한 장이 그것을 보여 준다.

1. OLED는 왜 비스듬히 보면 색이 달라지나

화소 안에 거울이 둘 있기 때문이다. OLED는 바닥에 반사 전극, 위에 반투과 전극을 두고 그 사이에서 빛을 왕복시킨다. 이 마이크로캐비티가 특정 파장을 골라 키워 색을 순하게 만들고 정면 밝기를 올린다.

문제는 그 공진 조건이 빛이 지나는 경로 길이로 정해진다는 데 있다. 비스듬히 보면 경로가 달라져 살아남는 파장이 짧은 쪽으로 밀린다. 이것이 시야각 색변이다.

논문이 드는 기존 처방은 발광하는 쪽 전극의 반사율을 낮추는 것이다. 캐비티를 약하게 만들면 색변이는 줄지만, 색순도와 정면 효율을 함께 내놓아야 한다.

이 문제는 상부발광 구조에서 더 무겁다. 화소 회로를 가리지 않고 개구율을 키우려면 바닥을 금속 반사판으로 쓰게 되고, 그만큼 캐비티가 세진다. CMOS 백플레인 위에 얹는 AR용 마이크로디스플레이가 바로 그 구조다.

2. TADF 발광체는 왜 폴라리톤을 만들기 어려웠나

빛을 잘 내도록 만든 설계가 빛과 세게 묶이는 데는 불리하기 때문이다. 열활성지연형광(TADF) 분자는 단일항과 삼중항의 에너지 차이를 좁히려고 전자를 주는 부분과 받는 부분을 공간적으로 떼어 놓는다.

그렇게 하면 삼중항까지 빛으로 바꿔 내부 양자효율 100%에 다가갈 수 있다. 대신 분자가 빛을 붙잡는 힘(진동자 세기)이 약해진다. 빛과 물질이 세게 묶여야 생기는 폴라리톤에는 불리한 조건이다.

게다가 TADF 분자는 주변 환경에 따라 에너지 준위가 흔들려 발광 선폭이 보통 50~100nm로 넓다. 이 논문이 쓴 녹색 TADF 발광체 CzDBA도 선폭이 약 80nm다.

실제로 이 재료의 흡수 세기를 재 보면 소광계수가 450nm에서 0.009에 그친다. 연구진이 보조 재료로 쓴 형광 색소 C545T는 그 약 100배다.

3. 발광층과 강결합층을 떼어 놓았다

연구진의 해법은 역할을 나누는 것이었다. 빛을 내는 일은 TADF 발광층이 맡고, 빛과 세게 묶이는 일은 따로 넣은 **강결합층(SCL)**이 맡는다.

그러려면 두 층이 모두 캐비티 전기장의 마루에 앉아야 한다. 연구진은 정공수송층을 140nm 두께로 두껍게 만들어 캐비티를 2차 공진으로 키우고, 전기장 마루가 두 군데 생기게 했다.

한쪽 마루에 발광층을, 다른 쪽 마루에 C545T 강결합층을 놓았다. 두꺼워진 수송층이 전하 균형을 망치지 않도록 F6TCNNQ를 4wt% 섞어 전기적으로 도핑했다.

4. 선폭 86nm가 25nm로 좁아졌다

같은 525nm 부근으로 맞춘 세 소자를 나란히 비교한 결과다. 기준 TADF OLED는 반치폭 86nm, 은 전극으로 캐비티를 세운 마이크로캐비티 OLED는 40nm, 강결합층을 넣은 폴라리톤 OLED는 25nm였다.

뒤쪽 절반이 이 논문의 몫이다. 캐비티만으로 좁아지는 것은 40nm까지이고, 거기서 25nm로 더 좁힌 것은 폴라리톤이다. 빛과 엑시톤이 섞이면서 아래쪽 가지의 소멸 속도가 느려진 결과로 해석한다.

각도 쪽 변화가 더 눈에 띈다. 마이크로캐비티는 45도에서 발광 봉우리가 40nm 짧은 쪽으로 밀렸다. 20nm 두께의 강결합층을 넣은 소자는 23nm, 캐비티를 조금 얇게 만들어 파장을 당긴 소자는 10nm였다.

색좌표도 따라 움직였다. 넓은 녹색이던 기준 소자가 순수 녹색 쪽으로 옮겨 갔고, 528nm로 맞춘 소자는 초고화질 방송 규격(BT.2020)이 정한 녹색 기준점에 가깝다고 논문은 적는다.

5. 흡수하는 층을 두껍게 넣었더니 효율이 올라갔다

보통은 반대를 예상한다. 소자 안에 빛을 강하게 흡수하는 층을 넣고 그것을 두껍게까지 하면, 나가야 할 빛을 도로 잡아먹어 광추출이 나빠질 것 같다.

그런데 C545T 층을 20nm에서 40nm로 두껍게 하자 효율이 올라갔다. 1,000cd/m²에서 외부양자효율 16.5%였던 소자가 **21.3%**가 됐다. 강결합층이 없는 마이크로캐비티 OLED(20.8%)와 같은 수준이다.

논문이 드는 이유가 이 연구의 알맹이다. 강결합 자체가 재흡수를 피하게 만든다. 결합이 세질수록 빛이 나오는 아래쪽 폴라리톤 가지가 낮은 에너지 쪽으로 밀려, 강결합층의 흡수 봉우리에서 멀어진다.

즉 흡수체를 더 넣는 것이 손해가 아니라, 흡수 봉우리와 발광 위치의 간격을 벌리는 일이 된다. 라비 갈라짐은 0.2eV에서 0.4eV로 커졌고, 45도 색이동도 23nm에서 22nm로 조금 줄었다.

남은 문제는 전기였다. C545T를 통째로 넣으면 정공이 지나기 어려워 전류가 떨어진다. 6V에서 전류밀도가 마이크로캐비티의 8.4mA/cm²에서 2.8mA/cm²로 내려갔다.

연구진은 층을 섞어서 풀었다. 정공을 잘 나르는 SpiroTTB에 C545T를 50wt%, 도판트를 4wt% 함께 증착한 삼중 혼합층을 만들었다. C545T의 HOMO가 더 깊어 정공 덫이 되지 않는다는 점을 근거로 들었다.

이 소자에서 전류밀도가 9.9mA/cm²로 되돌아왔고, 효율은 20.8%, 45도 색이동은 22nm였다. 수송층 전체를 136nm 삼중 혼합층으로 바꾼 소자는 1,000cd/m²에서 22.0%, 100cd/m²에서 **28.6%**로 이 연구에서 가장 높았다.

6. 상부발광 구조에서도 됐다

디스플레이에 쓰이는 쪽은 상부발광이다. 빛을 위로 빼면 화소 회로를 가리지 않아 개구율이 커지고, 불투명한 기판 위에도 올릴 수 있다. CMOS 백플레인을 쓰는 마이크로디스플레이가 그렇다.

연구진은 바닥에 두꺼운 은 반사 전극, 위에 얇은 은 반투과 전극을 두고 그 위에 60nm 덮개층을 얹은 상부발광 폴라리톤 OLED를 만들었다. 투명 전도성 산화물 전극이 아예 없는 구조라, 그 증착이 유기층을 상하게 하는 문제도 피한다고 적는다.

결과는 정면 발광 555nm, 반치폭 31nm, 45도 색이동 19nm, 1,000cd/m²에서 효율 **21.2%**였다. 캐비티를 당겨 541nm로 맞춘 소자는 색이동이 10nm까지 줄었다.

7. 표 한 장이 보여 주는 교환

셋을 한 소자가 다 갖지는 못했다. 논문의 표 1을 그대로 옮기면 그것이 바로 보인다. 45도 색이동이 10nm로 가장 좋은 두 소자는 효율이 15%대이고, 효율이 22%로 가장 높은 소자는 색이동이 29nm다.

그래도 기준선은 올라갔다. 표의 폴라리톤 소자 넷이 1,000cd/m²에서 20%를 넘겼고, 이는 앞선 폴라리톤 OLED 최고치의 두 배가 넘는다고 논문은 적는다. 폴라리톤 구조가 효율을 크게 깎지 않는다는 것을 처음으로 보인 셈이다.

교환 없이 얻은 자리도 하나 있다. 삼중 혼합층 소자(V3)는 효율 20.8%와 전류밀도 9.9mA/cm²로 마이크로캐비티와 같은데, 색이동은 40nm에서 22nm로 절반이 됐고 선폭도 35nm에서 31nm로 좁아졌다.

논문도 이 교환을 감춘다기보다 한 줄로 인정한다. 여기 나온 모든 설계가 색이동·선폭·효율 셋을 함께 개선한 것은 아니며, 그 사이에 본질적인 교환이 있을 수 있다고 고찰에 적었다.

8. 초록과 본문 사이

산업 쪽에서 읽을 때 구분해야 할 것이 넷 있다.

첫째, 제목의 세 낱말이 한 소자의 성적이 아니다. 「좁은 선폭·각도 안정·고효율」은 이 연구가 다룬 소자군 전체의 성질이다. 7절의 표대로 색이동 10nm와 효율 21%는 서로 다른 소자에서 나왔다.

둘째, 녹색 한 색이다. 쓴 발광체는 녹색 TADF 하나이고, 강결합층도 녹색 형광 색소 하나다. 청색과 적색에서 같은 조합이 되는지는 이 논문에 없다. 논문이 겨냥한다고 밝힌 것도 초고화질 디스플레이의 녹색 화소다.

셋째, 수명 데이터가 없다. 소자 면적은 4mm²이고, 논문이 싣는 것은 효율·전류·각도 특성이다. 강결합층이 수명에 어떤 영향을 주는지는 시험되지 않았다. 흡수하는 층을 화소 안에 넣는 설계라 산업 쪽에서는 먼저 물을 항목이다.

넷째, 「재료 하나만 더하면 된다」는 말에는 조건이 붙는다. 논문은 기존 OLED 구조와 거의 같고 새 재료 하나만 추가하면 되니 상용 채택에 큰 노력이 들지 않을 것이라고 맺는다.

그런데 실제로 바뀐 것은 재료 하나가 아니다. 정공수송층을 140nm 안팎으로 두껍게 만들고 전기적으로 도핑해 캐비티를 2차로 키우는 것이 전제다. 가장 좋은 소자는 수송층 자체를 세 재료 혼합막으로 바꿨다. 증착원이 하나 더 필요하고 두께·조성 관리 항목도 늘어난다.

9. 산업 쪽에서 남는 것

색을 순하게 만드는 일을 재료에서 광학으로 옮길 수 있다는 것이 이 연구의 요점이다. 좁은 선폭을 얻으려면 보통 발광 재료 자체를 새로 설계한다. 다중공명 TADF가 그 길이고, 양자점 색변환층도 같은 목적이다.

폴라리톤은 그 일을 발광체를 바꾸지 않고 한다. 논문은 이것을 값비싸거나 독성 우려가 있는 해법의 대안으로 제시하고, 실제로 선폭이 넓기로 알려진 도너-억셉터 TADF 발광체를 그대로 쓰면서 25nm를 얻었다.

상부발광에서 된다는 점도 그래서 중요하다. 반사가 센 금속 전극은 원래 색변이의 원인인데, 이 구조에서는 그 전극을 그대로 쓰면서 색 일관성을 얻는다. 투명 전도성 산화물을 쓰지 않아 공정이 유연해지는 것은 덤이다.

남는 숫자는 10nm와 15%다. 색이동을 가장 잘 잡은 소자가 효율을 가장 많이 내놓았다. 이 둘이 한 소자에서 만나는 날이 오면 그때는 재료가 아니라 캐비티 설계가 색을 정하게 된다. 이 논문이 보여 준 것은 그 교환이 더 이상 크지 않다는 것이다.