KAIST, OLED 발광 효율 2배 높이는 신기술 개발…밝기·수명 동시 개선

• 빛 손실 줄이는 ‘준평면 광추출 구조’로 평면 OLED 한계 극복
• 같은 전력으로 더 밝은 화면 구현…발열 감소·배터리 사용 시간 증가
• 플렉서블 OLED·차세대 디스플레이까지 적용 가능성 확대

한국과학기술원(KAIST)이 유기발광다이오드(OLED)의 발광 효율을 2배 이상 끌어올릴 수 있는 핵심 기술을 개발하며 차세대 디스플레이 경쟁력 강화에 나섰다. KAIST 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀은 OLED의 구조적 한계를 극복할 수 있는 새로운 ‘준평면 광추출 구조’와 설계 방법을 개발했다고 11일 밝혔다.

OLED는 초박막 유기물 층이 여러 겹 쌓인 구조로, 내부에서 생성된 빛의 80% 이상이 반사·흡수되며 외부로 나오지 못하고 열로 소모되는 문제가 있었다. 이를 보완하기 위해 반구형 렌즈나 마이크로렌즈 어레이와 같은 광추출 구조가 활용돼 왔지만, 돌출 구조로 인해 평면을 유지하기 어렵거나 픽셀 간 간섭으로 효율 개선에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 제약을 해결하기 위해 실제 디스플레이 환경에서의 제한된 픽셀 크기에 주목했다. 기존처럼 OLED가 무한히 넓다는 가정에서 벗어나, 각 픽셀 내부에서 빛을 최대한 효율적으로 외부로 방출하도록 설계 방식을 새롭게 정의했다. 이를 통해 같은 크기의 픽셀에서도 더 많은 빛을 화면 밖으로 끌어낼 수 있도록 했다.

특히 새롭게 제안된 준평면 광추출 구조는 OLED의 평평한 형태를 유지하면서도 빛이 화면 정면으로 효과적으로 방출되도록 돕는다. 이 구조는 빛이 옆으로 퍼지는 현상을 줄여 인접 픽셀 간 간섭을 최소화하고, 휘어지는 플렉서블 OLED에도 쉽게 적용할 수 있는 장점을 갖췄다.

연구 결과, 이 설계와 광추출 구조를 함께 적용한 OLED는 작은 픽셀에서도 발광 효율을 2배 이상 향상시키는 데 성공했다. 같은 전력 조건에서 화면 밝기를 크게 높일 수 있어 스마트폰과 태블릿 PC 등 모바일 기기의 배터리 사용 시간을 늘리고 발열을 줄이는 효과가 기대된다. OLED 소자의 열화 속도가 완화되면서 디스플레이 수명 역시 개선될 가능성이 크다.

이번 연구는 상용 디스플레이 산업에도 의미 있는 시사점을 던진다. 글로벌 디스플레이 시장에서는 고해상도·고휘도 경쟁이 심화되는 동시에 전력 효율과 발열 관리가 핵심 과제로 떠오르고 있다. KAIST 연구팀의 기술은 패널 구조 변경만으로 성능을 끌어올릴 수 있어 제조 공정 부담을 줄이면서도 차별화된 성능 확보가 가능하다는 평가다.

연구 제1저자인 김민재 학사과정생은 수업 중 떠올린 아이디어가 학부생 연구 프로그램을 통해 실제 성과로 이어졌다고 설명했다. 유승협 교수는 OLED뿐 아니라 페로브스카이트, 양자점 등 차세대 발광 소재 기반 디스플레이에도 적용 가능성을 제시하며 기술 확장성을 강조했다.

이번 연구에는 전기및전자공학부 김준호 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 온라인판에 게재됐다.

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