주병권 교수팀, 레이저 간섭 이용한 보조전극 소형화 기술 개발
레이저 간섭무늬 이용한 투명한 나노크기의 보조전극 구현
디스플레이 및 조명 발광효율 개선 기대

▲ 좌측부터 전기전자공학부 주병권 교수, 박영욱 연구교수, 심용섭 석박사통합과정 연구원

국내 연구진이 우수한 전기적, 광학적 특성을 갖는 나노미터 크기의  보조전극을 구현했다. 투명전극의 전도성을 보완하기 위해 사용되는 마이크로 미터 크기의 보조전극을 나노 크기로 소형화시켜 기존의 보조전극이 갖는 광학적 문제점을 극복하여 디스플레이나 조명의 효율 개선을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

* 보조전극 : 투명전극의 상대적으로 낮은 전도성을 보완하기 위해 고전도성의 재료를 병렬 배치하여 전체 전극의 전도성을 높여주는 역할을 하는 전극

고려대 전기전자공학부 주병권 교수(교신저자)와 박영욱 연구교수(교신저자)가 주도하고 심용섭 석박사통합과정 연구원(제 1저자) 등이 수행한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 학문후속세대양성사업(대통령 Post-Doc. 펠로우십)과 한국전자통신연구원(ETRI)의 교감형 스마트 OLED 광원 핵심기술 개발 R&D 프로그램 등의 지원으로 수행되었다. 연구결과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)지 온라인판 8월 21일자에 게재되었고 프린트판 표지논문으로 게재될 예정이다.
(논문명 : Nanoshutted OLEDs : Unveiled Invisible Auxiliary Electrode)

각종 디스플레이와 조명에 사용되는 투명전극은 전도성의 한계로 대면적화할 경우 소자의 발광특성이 떨어지는 단점이 있었다.
이를 해결하고자 투명전극에 고전도성의 금속 보조전극을 추가해전기적 안정성을 높일 수 있었지만 불투명한 금속의 속성으로 인해 심미성은 물론 전체 발광면적을 감소시키는 것이 문제였다.

연구팀은 레이저 간섭 리소그래피를 이용하여 눈에 보이지 않는 작고 투명한 나노미터 크기의 보조전극을 개발했다. 기존 상용화된 보조전극에 비해 수백 배 가량 축소한 것으로, 투명 디스플레이나 조명 분야 핵심기술 확보에 기여할 것으로 기대된다.
* 레이저 간섭 리소그래피 : 두 개 이상의 레이저가 만나 만드는 간섭무늬를 감광물질인 포토레지스트 층에 노광하여 패턴을 형성하는 기술

실제 유기발광다이오드에 이렇게 만들어진 나노 보조전극을 사용한 결과 투명전극만 사용한 경우에 비해 면저항이 절반가량으로 감소하고 광추출효율은 20% 가량 향상됐다. 
* 면저항 : 얇은 막의 저항 값을 특징짓는 지표
* 광추출효율 : 소자 내부에서 생성된 빛이 소자 외부로 방출될 수 있는 정도. 일반적인 소자 구조에서 대부분의 빛은 소자 내부에서 전반사 등의 원인으로 소멸된다.

격자구조로 삽입된 보조전극이 전류의 효과적인 주입을 돕는 한편마주한 두 반사전극 사이에서의 공진 등으로 방출되는 빛이 증폭된 데 따른 것이다. 
*공진 : 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상

특히 금속인 알루미늄 재질임에도 가시광선 영역에서 70% 가량의 투과도를 보여 디스플레이나 조명의 심미성에도 큰 영향을 미치지 않는다는 설명이다.

[ 용 어 설 명 ]

1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)지
  ○ 독일 와일리(Wiley-VCH)가 격주로 발행하는 화학 및 재료분야 국제학술지

2. 투명전극(TCO; Transparent Conductive Electrode)
  ○ 높은 빛 투과도를 띠며 일정 수치 이상의 전도성을 갖는 물질. 주로 광학 소자에 사용되며, 대표적인 예로는 산화인듐전극(ITO; Indium Tin Oxide)이 있다.

3. 보조전극(Auxiliary electrode)
  ○ 투명전극의 상대적으로 낮은 전도성을 보완하기 위해 고전도성의 재료를 병렬 배치하여 전체 전극의 전도성을 높여주는 역할을 하는 전극
  ○ 주로 격자무늬의 금속 층의 형태로 배치한다.

4. 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)
  ○ 레이저 광의 간섭현상을 이용하여 나노구조를 형성하는 기술
  ○ 두 개 이상의 레이저가 만나 만드는 주기적인 간섭무늬를 감광물질인 포토레지스트 층에 노광하여 패턴을 형성

5. 유기 발광 다이오드(OLED; Organic Light Emitting Diode)
  ○ 유기화합물을 사용해 자체 발광시키는 차세대 디스플레이용 소자
  ○ 유기물 박막에 음극과 양극을 통해 주입된 전자와 정공이 재결합하여 여기자(Exciton)를 형성하고, 형성된 여기자로부터 에너지에 의해 특정한 파장의 빛이 발생된다.

6. 마이크로캐비티(Microcavity)
  ○ 두 반사판 사이에서 공진하는 빛이 특정 파장조건에서 큰 세기로 증폭되어 밖으로 방출되는 현상

7. 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP; Surface Plasmon Polariton)
  ○ 나노 크기로 형성된 금속 나노 구조체에 특정 광원이 입사되었을 때, 광원의 파장에 따라 금속 나노입자의 표면에 위치한 전자가 공진 진동하는 유사 입자
  ○ 금속과 유전체의 경계면에서 발생하여 수십~수백 나노미터 반경 내의 빛의 움직임에 영향을 미친다.
  ○ 나노 구조체의 형태와 물질의 굴절률 등에 의해 공진이 일어나는 파장대역을 조정할 수 있다.

8. 채우기 비율(Fill factor)
  ○ 전체 발광면적 대비 보조전극의 존재하는 면적 비율을 나타내는 수치

9. FDTD(Finite Difference Time Domain) 광학 전산모사
  ○ Lumerical사의 광전소자 TCAD 소프트웨어. 유한 차분 시간영역법을 이용해 다양한 전기역학과 광학 모델링이 가능하다.

[ 그 림 설 명 ]

▲ 그림 1. 나노 보조전극을 적용한 유기 돋움;">(왼쪽 상단) 우리 눈에 투명한 박막의 형태로 보이는 나노크기의 보조전극
(왼쪽 하단) 격자무늬의 보조전극에 의해 소자의 전기적 특성이 강화된 것과 나노광학적 요소(마이크로캐비티*, 표면 플라즈몬 폴라리톤 모드 추출*)에 의해 빛이 공진하고 방출되는 모습을 묘사한 것
(오른쪽) 제작된 소자의 각 부분과 광학적 효과를 보여주는 것
 * 마이크로캐비티 : 두 반사판 사이에서 공진하는 빛이 특정 파장조건에서 큰 세기로 증폭되어 밖으로 방출되는 현상
 * 표면 플라즈몬 폴라리톤 : 나노 크기로 형성된 금속 나노구조체에 특정 광원이 입사될때, 광원의 파장에 따라 금속 나노입자의 표면의 전자가 공진 진동하는 유사입자

▲ 그림 2. 레이저 간섭 리소그래피의 원리
아르곤(Ar) 레이저를 로이드 거울(Lloyd’s Mirror)에 노광할 경우, 빛이 직접 기판에 닿는 거리와 거울을 통해 반사되어 기판에 닿는 거리 사이의 경로 차에 의하여 빛의 간섭이 일어난다. 거울의 각도(θ)에 따라 간섭 간격 주기(Pitch)를 조절할 수 있으며, 수십~수백 나노미터의 패턴 공정이 가능하다.

▲ 그림 3. 다양한 채우기 비율(Fill factor)로 제작된 소자의 모식도
채우기 비율 0에서 채우기 비율 1.00 까지 다양한 채우기 비율을 갖는 4개의 OLED 소자를 제작한 결과 채우기 비율 0.35의 소자(왼쪽에서 두 번째)가 마이크로캐비티와 표면 플라즈몬 폴라리톤 모드 추출이 가장 효과적으로 나타나는 구조임이 입증되었다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)