국내 연구진이 유기발광다이오드(OLED)의 평면 구조를 유지하면서 발광 효율을 2배 이상 높일 수 있는 기술을 개발했다. OLED는 색 재현력이 뛰어나고 얇고 유연한 평면 구조로 스마트폰과 TV에 널리 활용되고 있지만, 내부 빛 손실로 인해 발광 효율을 높이는 데 한계가 있었다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 OLED 내부에서 발생하는 빛 손실을 크게 줄일 수 있는 ‘준평면 광추출 구조’와 새로운 설계 방법을 개발했다고 11일 밝혔다.

OLED는 여러 층의 초박막 유기물로 구성돼, 내부에서 생성된 빛의 80% 이상이 반사·흡수돼 외부로 방출되지 못하고 열로 소실된다. 이를 개선하기 위해 반구형 렌즈나 마이크로렌즈 어레이(MLA) 등이 활용돼 왔으나, 평면 유지가 어렵거나 픽셀 간 간섭으로 효율 향상에 한계가 있었다.

연구팀은 실제 디스플레이 환경을 반영해, 제한된 픽셀 크기 내에서 빛을 효율적으로 외부로 방출할 수 있는 새로운 OLED 설계 개념을 제안했다. OLED를 무한히 넓은 면적으로 가정하던 기존 방식과 달리, 개별 픽셀 크기를 고려해 광추출 효율을 극대화한 것이 특징이다.

아울러 OLED 표면을 거의 평평하게 유지하면서도 빛을 효과적으로 외부로 유도하는 ‘준평면 광추출 구조’를 구현했다. 이 구조는 기존 마이크로렌즈 어레이와 유사한 두께를 가지면서도 반구형 렌즈에 근접한 광추출 효율을 확보해, 플렉서블 OLED에도 적용이 가능하다.

새로운 설계 방식과 준평면 광추출 구조를 함께 적용한 결과, 소형 픽셀에서도 발광 효율을 2배 이상 향상시키는 데 성공했다. 이는 동일한 전력으로 더 밝은 화면 구현이 가능함을 의미하며, 모바일 기기의 배터리 소모와 발열 감소, 디스플레이 수명 향상에도 기여할 것으로 기대된다.

유승협 교수는 “기존 광추출 구조는 조명용 대면적 소자에 적합한 경우가 많아 디스플레이 적용에 제약이 있었다”며 “이번 기술은 픽셀 간 광 간섭을 줄이면서 효율을 극대화할 수 있어 OLED뿐 아니라 페로브스카이트, 양자점 등 차세대 디스플레이에도 적용 가능하다”고 설명했다.

이번 연구에는 신소재공학과 김민재 학사과정(현 스탠퍼드대 재료공학과 박사과정)과 전기및전자공학부 김준호 박사(현 독일 쾰른대 박사후연구원)가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 Nature Communications 온라인판에 2025년 12월 29일 공개됐다.