Chapter 08

OLED 소자 물리

스마트폰 화면의 한 서브픽셀은 두께가 고작 0.1~0.3 µm인 유기물 박막 몇 겹이다. 양쪽 전극에서 전자와 정공을 밀어 넣으면 이들이 한가운데 발광층에서 만나 분자 하나가 들뜬 상태(엑시톤)가 되고, 그 에너지가 빛으로 나온다. 백라이트도, 편광판 셔터도 없이 소자 자체가 빛을 낸다. 이 장에서는 유기 반도체가 실리콘과 어떻게 다른지에서 출발해, 적층 구조와 에너지 밴드, 일중항·삼중항의 스핀 통계, 외부 양자 효율을 갉아먹는 네 인자, 그리고 색을 다듬는 마이크로캐비티와 수명을 늘리는 탠덤 구조까지 따라간다.

π-공액, HOMO/LUMO, 프렌켈 엑시톤, 호핑 전도의 개념으로 유기 반도체의 낮은 이동도와 큰 엑시톤 결합 에너지를 설명할 수 있다.
양극–HIL–HTL–EML–ETL–EIL–음극 각 층의 역할과 대표 두께, 에너지 준위 정렬 원리를 설명할 수 있다.
스핀 통계(일중항 25%·삼중항 75%)로 형광·인광·TADF·TTA 소자의 내부 양자 효율 한계를 계산할 수 있다.
EQE = γ·η_S/T·q_eff·η_out을 분해하고, 광추출이 20~30%에 그치는 이유를 광학 모드로 설명할 수 있다.
J–V–L 특성, 효율 롤오프, cd/A·lm/W 효율 지표를 읽고 계산할 수 있다.
마이크로캐비티 공진 조건과 시야각 색 변화, 탠덤 구조의 수명 이득, 청색 수명 문제를 정량적으로 이해한다.

유기 반도체: π-공액과 HOMO/LUMO

실리콘 결정에서는 원자 $10^{22}$개의 궤도가 겹쳐 연속적인 에너지 밴드를 만든다. 유기 반도체는 다르다. 탄소 원자가 sp² 혼성을 하면 평면 위로 σ 결합 세 개를 만들고, 남은 p_z 궤도 하나가 평면에 수직으로 서 있다. 이웃한 p_z 궤도들이 옆으로 겹치면 전자가 분자 골격 전체로 퍼져 나가는데, 이를 π-공액(π-Conjugation)이라 한다. 단일·이중 결합이 번갈아 이어진 사슬이나 벤젠 고리가 그 예다.

p_z 궤도 $N$개가 겹치면 분자 궤도 $N$개가 생긴다. 절반은 에너지가 낮은 결합성(π), 절반은 높은 반결합성(π*) 궤도다. 전자가 채워진 가장 높은 궤도를 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital), 비어 있는 가장 낮은 궤도를 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)라 부른다. 반도체 용어로 바꾸면 HOMO는 가전자대 윗끝, LUMO는 전도대 아랫끝에 해당하고, HOMO–LUMO 간격이 광학적 밴드갭이다. 공액 길이가 길어질수록 준위가 촘촘해져 간격이 줄고, 발광색은 빨간 쪽으로 옮겨 간다.

그림 8-1. (a) 공액 사슬에서 p_z 궤도가 옆으로 겹쳐 π 전자가 분자 전체로 퍼진다. (b) 겹치는 궤도 수 $N$이 늘면 분자 궤도가 촘촘해지고 HOMO–LUMO 간격이 줄어든다. 고분자 극한에서는 띠처럼 보이지만, 실제 박막에서는 분자끼리의 겹침이 약해 결정 실리콘 같은 넓은 밴드가 생기지 않는다.

가장 단순한 근사는 π 전자를 길이 $L$인 상자 속 자유 전자로 보는 자유 전자 모형(Free-Electron / Particle-in-a-Box Model)이다. 궤도 하나에 전자 두 개씩 채우면 $N$개 전자의 HOMO는 $n=N/2$, LUMO는 $n=N/2+1$이다.

$$E_n = \frac{h^2 n^2}{8 m_e L^2}, \qquad \Delta E_\text{HL} = E_{N/2+1}-E_{N/2} = \frac{h^2 (N+1)}{8 m_e L^2}, \qquad \lambda = \frac{hc}{\Delta E} \approx \frac{1240}{\Delta E\,[\text{eV}]}\ \text{nm}$$

여기서 $N$은 공액에 참여하는 π 전자 수(≈탄소 수), $L \approx (N+1)\times 0.14$ nm는 공액 길이(탄소–탄소 평균 결합 길이 0.14 nm, 양 끝 여유 포함)다. $L\propto N$이므로 $\Delta E \propto 1/N$로 줄어든다. 실제로는 단일·이중 결합 길이의 교대(파이어스 왜곡) 때문에 간격이 0이 되지 않고 1.5~2 eV 근처에서 포화한다.

SIMULATOR

공액 길이와 HOMO–LUMO 간격

π 전자 수 N

모형

파동함수 보기

공액 길이 L—

HOMO–LUMO 간격—

흡수·발광 파장—

해볼 것: ① N을 2에서 24로 늘리며 간격이 $1/N$로 줄고 파장이 자외선→가시광으로 옮겨 가는 것을 보자. ② “결합 교대 보정”(쿤 모형 근사 $\Delta E \approx 1.6 + 16/N$ eV)으로 바꾸면 긴 사슬에서도 간격이 포화한다. OLED 발광 재료는 공액 단위를 정교하게 설계해 청(≈2.7 eV), 녹(≈2.4 eV), 적(≈2.0 eV)을 맞춘다. (교육용 1차원 모형)

엑시톤과 호핑: 실리콘과 결정적으로 다른 두 가지

유기 박막의 분자들은 강한 공유 결합이 아니라 약한 반데르발스 힘으로 붙어 있다. 그래서 두 가지가 실리콘과 정반대다.

첫째, 들뜬 전자와 정공이 강하게 묶여 있다. 유전 상수가 작아(ε_r≈3, 실리콘은 11.7) 쿨롱 인력이 거의 가려지지 않기 때문이다. 이렇게 한 분자 위에 묶인 전자–정공 쌍을 프렌켈 엑시톤(Frenkel Exciton)이라 하고, 결합 에너지는 0.3~1 eV로 실온 열에너지($k_BT$≈0.026 eV)보다 훨씬 크다. 반면 무기 반도체의 (Wannier–Mott) 엑시톤은 반지름이 수 nm로 넓게 퍼지고 결합 에너지가 수~수십 meV라 실온에서 대부분 자유 전하로 흩어진다. OLED가 효율적인 발광체인 것은 엑시톤이 분자 하나에 갇혀 곧바로 빛을 내기 때문이고, 같은 이유로 유기 태양전지는 엑시톤을 떼어 내느라 고생한다.

둘째, 전하는 띠를 타고 흐르지 않고 분자에서 분자로 뛴다. 박막은 비정질이라 분자마다 주변 환경이 달라 HOMO·LUMO 준위가 폭 σ≈0.07~0.12 eV의 가우스 분포로 흩어져 있다. 전하는 이웃 분자로 열의 도움을 받아 건너뛰는 호핑(Hopping)으로 이동하고, 이동도는 $10^{-6}$~$10^{-3}$ cm²/V·s로 결정 실리콘(≈1400)보다 6~9 자릿수 낮다.

그림 8-2. (a) 유기막의 프렌켈 엑시톤은 분자 하나에 갇혀 강하게 묶이고, 무기 반도체의 바니에 엑시톤은 넓게 퍼져 약하게 묶인다. (b) 결정에서는 전자가 연속 띠를 타고 흐르지만, 비정질 유기막에서는 가우스 분포로 흩어진 분자 준위 사이를 열의 도움으로 뛰어다닌다.

호핑 이동도는 무질서 σ에 매우 민감하다. 바슬러의 (Gaussian Disorder Model, GDM) 결과를 요약하면 다음과 같다.

$$\mu(\sigma,F) = \mu_0 \exp\!\left[-\left(\frac{2\sigma}{3k_BT}\right)^2\right] \exp\!\left[C\left(\left(\frac{\sigma}{k_BT}\right)^2-\Sigma^2\right)\sqrt{F}\right]$$

여기서 $\mu_0$는 무질서가 없을 때의 이동도, $F$는 전기장, $C\approx 2.9\times10^{-4}\,(\text{cm/V})^{1/2}$, $\Sigma$는 위치 무질서다. σ가 0.1 eV면 첫 지수 인자만으로 $e^{-6.6}\approx 1/700$이 된다. 전기장이 세질수록 이동도가 $\sqrt{F}$에 지수적으로 증가하는 것(풀–프렌켈형 의존성)도 특징이다.

SIMULATOR

무질서 격자 위의 호핑 몬테카를로

에너지 무질서 σ 전기장 F

온도

평균 드리프트 (격자/1000회 시도)—

GDM 상대 이동도 μ/μ₀—

깊은 트랩에 갇힌 전하—

해볼 것: ① σ=0이면 전하들이 전기장 방향(오른쪽)으로 거의 일정하게 흐른다. ② σ를 100 meV 이상으로 올리면 에너지가 낮은 자리(짙은 칸)에 갇혀 머무는 시간이 길어지고 평균 속도가 급격히 떨어진다. ③ 온도를 낮추면 같은 σ에서도 더 많이 갇힌다. 격자 칸의 색은 자리 에너지(밝을수록 높음)이며, 점프 확률은 밀러–아브라함스 식 $\nu \propto \exp[-(\Delta E)_+/k_BT]$을 쓴 교육용 2D 모형이다.

재료	전하 이동도 (cm²/V·s)	전도 방식	디스플레이에서의 쓰임
결정 실리콘	1400 (전자)	밴드	드라이버 IC
LTPS / 산화물(IGZO)	50–150 / 10–40	밴드(다결정·비정질)	OLED TFT 백플레인(4장)
a-Si:H	0.5–1	꼬리 상태 포획 + 밴드	LCD TFT
정공 수송 재료(NPB, TAPC)	10⁻⁴–10⁻²	호핑	OLED HTL
전자 수송 재료(Alq₃, TPBi)	10⁻⁶–10⁻⁴	호핑	OLED ETL

이동도가 이렇게 낮은데 어떻게 전류가 흐를까?

답은 두께에 있다. OLED 유기층 전체 두께는 100~200 nm에 불과해, 5 V만 걸어도 전기장이 $3\times10^5$ V/cm에 이른다. 이동도 $10^{-4}$ cm²/V·s에서 드리프트 속도는 30 cm/s, 100 nm를 지나는 데 0.3 µs면 충분하다. 수 µm 두께라면 전류가 $1/d^3$로 줄어드는 공간전하 제한 전류(SCLC) 때문에 거의 흐르지 않았을 것이다. 극도로 얇은 박막이 OLED의 핵심 조건이다.

3D로 보는 OLED 적층 구조

OLED 서브픽셀은 TFT 백플레인(4장) 위에 반사 양극을 깔고, 그 위로 기능이 다른 유기층 5~7겹을 진공 증착한 뒤 얇은 반투명 음극으로 덮은 구조다. 스마트폰과 TV 대부분은 빛을 위쪽(음극 쪽)으로 내보내는 전면 발광(Top Emission) 방식을 쓴다. 빛이 TFT를 통과하지 않아 개구율이 높고, 반사 양극과 반투명 음극이 광학 공진기(7절)를 이루기 때문이다.

그림 8-3. 전면 발광 OLED 서브픽셀의 단면(두께 비율은 개략적). 반사 양극에서 들어온 정공과 반투명 음극에서 들어온 전자가 EML에서 만나 빛을 낸다. 빛은 음극과 캡핑층, 박막 봉지를 지나 위로 나온다.

아래 3D 모델에서 층을 클릭하거나 마우스를 올리면 그 층의 역할과 대표 재료가 오른쪽에 나타난다. 두께는 보기 좋게 과장했지만 상대 순서는 실제와 같다. 캐리어 애니메이션을 켜면 정공(분홍)이 양극에서 위로, 전자(보라)가 음극에서 아래로 이동해 EML에서 만나고, 엑시톤이 빛 알갱이(노랑)를 위로 내보낸다.

OLED 서브픽셀 적층 분해 모델

드래그 회전 · 휠 확대 · 층 클릭

분해도

서브픽셀

캐리어 애니메이션 층 이름표 자동 회전

층을 선택하세요모델의 층을 클릭하면 설명이 여기에 표시됩니다.

유기층 총 두께—

HTL 두께 (캐비티 조정)—

발광 피크—

재결합 횟수0

해볼 것: ① R/G/B를 바꾸면 HTL 두께가 달라진다(R이 가장 두껍다). 반사 양극과 음극 사이 광학 거리를 각 색의 공진 파장에 맞추기 위해서다(7절). ② 분해도를 0으로 줄이면 실제처럼 층이 맞붙는다. ③ EML을 클릭해 호스트–도펀트 구조를 확인하자.

층	대표 재료	두께	핵심 역할
반사 양극 (Anode)	ITO / Ag / ITO	10 / 100 / 10 nm	정공 주입(높은 일함수 ≈4.8 eV) + 거울(R≈95%)
정공 주입층 HIL (Hole Injection Layer)	HAT-CN, p-도핑 HTL	5–10 nm	양극–HTL 사이 주입 장벽을 낮춤(오믹 접촉)
정공 수송층 HTL (Hole Transport Layer)	NPB, TAPC 계열 아릴아민	40–200 nm	정공 수송, 전자 차단, 색별 광학 두께 조정
발광층 EML (Emissive Layer)	호스트(CBP, mCP 등) + 도펀트 1–15 wt%	20–40 nm	재결합·엑시톤 형성, 도펀트로 에너지 전달 후 발광
전자 수송층 ETL (Electron Transport Layer)	TPBi, BPhen, Liq 혼합층	25–40 nm	전자 수송, 정공 차단
전자 주입층 EIL (Electron Injection Layer)	LiF, Liq, Yb	≈1 nm	음극의 실효 일함수를 낮춰 전자 주입 촉진
반투명 음극 (Cathode)	Mg:Ag (1:10)	10–15 nm	전자 주입 + 반투명 거울(T≈40–50%)
캡핑층 CPL (Capping Layer)	고굴절 유기물(n≈1.9–2.0)	50–80 nm	음극 위 반사·흡수를 줄여 광추출 증가

호스트–도펀트 구조를 쓰는 이유

발광 분자만으로 층을 만들면 분자끼리 너무 가까워 들뜬 에너지가 서로 꺼 버린다(농도 소광, Concentration Quenching). 그래서 밴드갭이 큰 호스트 속에 발광 도펀트를 몇 % 섞는다. 전하와 엑시톤은 호스트에서 만들어지고, 푀르스터(쌍극자–쌍극자, 수 nm)나 덱스터(전자 교환, ≈1 nm) 에너지 전달로 도펀트에 넘어가 빛이 된다. 같은 호스트에 도펀트만 바꿔 R/G/B를 만들 수 있다는 장점도 있다. 층을 색마다 따로 증착하는 FMM 공정은 15장에서 다룬다.

에너지 밴드 다이어그램과 전하 주입

각 층의 HOMO와 LUMO를 진공 준위 기준으로 한 줄에 늘어놓은 것이 OLED의 에너지 준위 다이어그램(Energy Level Diagram)이다. 소자 설계는 이 그림 위에서 이뤄진다. 정공은 HOMO 사다리를 타고(에너지 그림에서 아래로 내려갈수록 정공에게는 오르막), 전자는 LUMO 사다리를 타고 이동한다. 두 사다리의 단차가 작을수록 주입·수송 전압이 낮아진다.

그림 8-4. 녹색 인광 OLED의 대표 에너지 준위(평탄 밴드, 값은 진공 기준 eV의 절댓값). 정공은 양극→HIL→HTL→EML의 HOMO 계단을, 전자는 음극→EIL→ETL→EML의 LUMO 계단을 탄다. HTL의 높은 LUMO는 전자를, ETL의 깊은 HOMO는 정공을 막아 두 전하를 EML에 가둔다. 발광 에너지는 도펀트의 HOMO–LUMO 간격(≈2.4 eV, 520 nm)이 정한다.

금속에서 유기막으로 전하가 들어갈 때 넘어야 하는 장벽은 금속 일함수 $\phi_m$과 유기막 준위의 차이다. 정공 장벽 $\Phi_h = IP - \phi_\text{anode}$, 전자 장벽 $\Phi_e = \phi_\text{cathode} - EA$이다($IP$=이온화 에너지≈|HOMO|, $EA$=전자 친화도≈|LUMO|). 장벽이 0.3 eV를 넘으면 주입이 열전자 방출이나 터널링에 의존하게 되어 전압이 크게 오른다. 그래서 일함수가 큰 ITO를 양극에, 일함수가 작은 Mg·LiF·Yb를 음극 쪽에 쓰고, 그 사이를 HIL·EIL로 메운다.

$$J_\text{inj} \propto T^2 \exp\!\left(-\frac{\Phi_B - \beta\sqrt{F}}{k_BT}\right), \qquad qV_\text{bi} \approx \phi_\text{anode} - \phi_\text{cathode}$$

왼쪽은 영상력 장벽 낮춤($\beta\sqrt F$)을 포함한 리처드슨–쇼트키 열전자 주입 식, 오른쪽은 두 전극 일함수 차로 생기는 내장 전위다. 외부 전압이 $V_\text{bi}$(여기서는 ≈1.1 V)를 넘어야 밴드가 평탄해지고 그 이상에서 전하가 본격적으로 흐른다.

전압을 걸면 유기층은 사실상 절연체처럼 거동해 전위가 두께 방향으로 거의 선형으로 떨어진다. 즉 밴드 다이어그램 전체가 기울어진다. 정공은 기울어진 HOMO를 따라 “위로 떠오르듯”, 전자는 LUMO를 따라 “굴러 내려가듯” 반대편으로 이동하다가 장벽에서 쌓이고, 두 전하가 같은 분자에서 만나면 엑시톤이 된다.

SIMULATOR

전압에 따른 밴드 기울기와 재결합 위치

인가 전압 V 이동도 비 μ_e/μ_h 차단층 효과(HTL·ETL 단차) 애니메이션

유기층 전기장—

상대 전류—

EML 안 재결합 비율—

빠져나간 전하(누설)—

해볼 것: ① V를 1 V 아래로 내리면 밴드가 거꾸로 기울어 전하가 주입되지 않는다(내장 전위 ≈1.1 V). 2.5~3 V를 넘으면 전하가 흐르기 시작한다. ② 이동도 비를 바꾸면 재결합 위치(아래 히스토그램)가 느린 쪽 전극 근처로 이동한다. ③ “차단층 효과”를 끄면 전하가 반대편 전극까지 새어 나가 EML 재결합 비율과 전하 균형 γ가 떨어진다. (드리프트 + 확산 + 계면 장벽 통과 확률을 쓴 교육용 입자 모형)

재결합 영역이 계면에 몰리면 생기는 일

정공이 전자보다 훨씬 빠르면 재결합은 EML/ETL 계면의 수 nm에 몰린다. 그 좁은 영역에 엑시톤 밀도가 치솟아 삼중항끼리 부딪혀 꺼지는 TTA(5절)가 늘고, 계면 분자가 집중적으로 열화되어 수명이 짧아진다. 그래서 실제 소자는 EML을 정공·전자 수송 호스트를 섞은 혼합 호스트(Mixed / Co-host)로 만들어 재결합 영역을 EML 전체로 넓힌다.

스핀 통계: 형광·인광·TADF

전자와 정공은 각각 스핀 ½을 가진다. 둘이 만나 엑시톤이 될 때 두 스핀의 합은 네 가지 상태 중 하나로 정해진다. 총 스핀 $S=0$인 일중항(Singlet)은 1가지, $S=1$인 삼중항(Triplet)은 $m_s=-1,0,+1$의 3가지다. 주입된 전하의 스핀은 무작위이므로 네 상태가 같은 확률로 생기고, 엑시톤의 25%는 일중항, 75%는 삼중항이 된다.

$$|S\rangle = \tfrac{1}{\sqrt2}(\uparrow\downarrow-\downarrow\uparrow), \qquad |T_{+1}\rangle=\uparrow\uparrow,\quad |T_0\rangle = \tfrac{1}{\sqrt2}(\uparrow\downarrow+\downarrow\uparrow),\quad |T_{-1}\rangle=\downarrow\downarrow$$

바닥 상태 $S_0$는 일중항이다. 광자 방출은 스핀을 바꾸지 못하므로 $S_1\to S_0$(형광)은 허용 전이(수 ns), $T_1\to S_0$는 금지 전이다. 삼중항이 빛을 내려면 스핀–궤도 결합(Spin–Orbit Coupling, SOC)이 스핀 규칙을 깨 주어야 한다(인광, µs).

그림 8-5. 엑시톤의 생성과 소멸 경로(자블론스키 도표). 재결합으로 S₁ 25%, T₁ 75%가 생긴다. 형광 재료는 S₁만 빛으로 바꾸고, 인광 재료는 ISC로 S₁까지 T₁로 모은 뒤 T₁에서 빛을 낸다. TADF 재료는 작은 ΔE_ST 덕분에 T₁을 열로 S₁로 되돌리고(RISC), TTA 재료는 삼중항 두 개를 합쳐 일중항 하나를 만든다.

재료 세대별로 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency, IQE)의 스핀 한계를 정리하면 다음과 같다.

$$\eta_{S/T}^\text{형광}=0.25,\qquad \eta_{S/T}^\text{TTA}\le 0.25+0.75\times\tfrac{1}{2}=0.625,\qquad \eta_{S/T}^\text{인광}=\eta_{S/T}^\text{TADF}=1$$

TTA의 상한: 삼중항 두 개가 만나 $S$ 1/9, $T$ 3/9, 오중항 5/9 채널이 생기는데, 오중항은 에너지상 불가능해 결국 삼중항으로 돌아가 다시 충돌한다. 이를 반복하면 삼중항 두 개당 일중항 최대 1개(=삼중항 하나당 0.5)가 된다. 0.25 + 0.75×0.5 = 0.625. TADF의 RISC 속도는 $k_\text{RISC}\propto \exp(-\Delta E_{ST}/k_BT)$로, ΔE_ST를 0.1 eV 아래로 줄여야 실온에서 충분히 빨라진다.

SIMULATOR

엑시톤 몬테카를로: 재료별 내부 양자 효율

발광 재료

ΔE_ST (TADF) PLQY (발광체 자체 효율) 생성 속도

생성 엑시톤 (S / T)—

방출 광자—

모의 IQE—

이론 상한 (×PLQY)—

해볼 것: ① “형광”에서 삼중항(분홍)은 모두 열로 사라지고 IQE가 25%×PLQY에 수렴한다. ② “인광”은 일중항(파랑)까지 ISC로 삼중항이 되어 빛을 낸다. ③ “TADF”에서 ΔE_ST를 0.3 eV 이상으로 키우면 RISC가 느려져 삼중항이 비발광으로 꺼지고 효율이 무너진다. ④ “TTA”는 삼중항 밀도가 높을수록(생성 속도↑) 충돌이 잦아져 효율이 오른다. (상태별 전이 확률을 시간 단계마다 추첨하는 교육용 모형)

중원자 효과: 왜 이리듐인가

스핀–궤도 결합의 세기는 원자 번호의 네제곱($\propto Z^4$)에 가깝게 커진다. Ir(Z=77)이나 Pt(Z=78)을 중심에 둔 유기금속 착물에서는 SOC가 강해 ISC가 수 ps 안에 일어나고, T₁의 방사 수명도 1~2 µs로 짧아져 비발광 경로를 이긴다. 녹색 Ir(ppy)₃, 적색 Ir(piq)₃ 계열이 상용 인광 재료의 표준이 된 이유다. 탄소·질소만으로 된 TADF 재료는 금속 없이 같은 100%를 노리는 방법으로, 주개–받개(Donor–Acceptor) 구조로 HOMO와 LUMO를 공간적으로 떼어 놓아 교환 에너지(=ΔE_ST/2)를 줄인다.

외부 양자 효율과 광추출

소자에 넣은 전자 하나당 밖으로 나온 광자 수가 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency, EQE)이다. EQE는 네 단계를 차례로 통과한 확률의 곱으로 쓴다.

$$\text{EQE} = \underbrace{\gamma}_{\text{전하 균형}} \times \underbrace{\eta_{S/T}}_{\text{스핀 통계}} \times \underbrace{q_\text{eff}}_{\text{유효 발광 효율}} \times \underbrace{\eta_\text{out}}_{\text{광추출}} = \text{IQE}\times\eta_\text{out}$$

$\gamma$: 주입된 전하 중 짝을 찾아 엑시톤이 된 비율(이상적 1). $\eta_{S/T}$: 빛을 낼 수 있는 스핀 상태 비율(4절). $q_\text{eff}$: 엑시톤이 빛으로 변할 확률. 박막의 광발광 양자 수율(PLQY)에 캐비티의 퍼셀 효과가 반영된 값이다. $\eta_\text{out}$: 생성된 광자 중 공기로 탈출하는 비율.

인광 소자는 앞의 세 인자가 모두 0.9 이상이라 IQE가 거의 100%에 이른다. 그런데도 상용 EQE가 25~35%에 머무는 것은 마지막 인자 $\eta_\text{out}$ 때문이다. 유기층의 굴절률은 $n\approx1.7\!-\!1.8$로 공기보다 훨씬 크다. 스넬 법칙에 따라 계면 법선과 임계각 $\theta_c=\arcsin(1/n)\approx 35°$ 이내로 향한 빛만 빠져나가고, 나머지는 전반사되어 막 안에 갇힌다. 등방 발광체를 가정하면 탈출 원뿔의 입체각 비율은 다음과 같다.

$$\eta_\text{out} \approx \frac{1}{2}\int_0^{\theta_c}\!\sin\theta\,d\theta = \frac{1-\cos\theta_c}{2}\approx \frac{1}{2n^2}\;\;(n=1.75 \Rightarrow \approx 0.17)$$

반사 전극 덕분에 아래로 간 빛 일부가 위로 돌아오고, 발광 분자를 수평으로 배향하면(쌍극자 수평 배향률 Θ ≈ 0.75~0.9) 탈출 원뿔 쪽 방출이 늘어 실제 값은 20~30%가 된다.

그림 8-6. OLED 안에서 생긴 광자가 갈 수 있는 네 가지 광학 모드. 임계각 원뿔 안의 빛만 공기로 나오고(①), 나머지는 기판(②)과 유기층(③)에 전반사로 갇히거나 금속 음극의 표면 플라즈몬(④)에 결합해 흡수된다.

SIMULATOR

EQE 분해 계산기와 광학 모드 분포

전하 균형 γ

스핀 통계 η_S/T

유효 발광 효율 q_eff 유기층 굴절률 n 수평 배향률 Θ ETL 두께(금속까지 거리)

IQE—

광추출 η_out—

EQE—

임계각 θ_c—

해볼 것: ① 형광(0.25)을 고르면 다른 인자를 다 1로 올려도 EQE가 5~6%를 넘기 어렵다. ② 굴절률을 1.5→2.0으로 올리면 공기 모드가 줄고 도파 모드가 커진다. ③ ETL을 20 nm 이하로 줄이면 발광체가 금속에 가까워져 SPP 손실이 급증한다. 수평 배향률을 높이면 SPP·도파로 가는 수직 쌍극자 성분이 줄어 공기 모드가 커진다. (모드 분포는 문헌 경향을 맞춘 교육용 근사식)

수평 배향 발광체

발광 쌍극자는 축에 수직 방향으로 가장 강하게 빛을 낸다. 쌍극자가 막 면에 수평으로 누워 있으면 빛이 주로 위아래(탈출 원뿔 쪽)로 나가고, 수직으로 서 있으면 옆(도파·SPP 쪽)으로 나간다. 무작위 배향은 수평 성분 비율이 2/3(Θ=0.67)인데, 막대형 Ir 착물이나 TADF 분자를 증착 조건으로 눕혀 Θ≈0.8~0.9를 만들면 η_out이 20% 남짓에서 30% 이상으로 오른다. EQE 30%가 넘는 연구용 소자는 대부분 이 기법을 쓴다.

J–V–L 특성과 효율 롤오프

OLED의 전기·광학 성능은 전류 밀도–전압–휘도 곡선(J–V–L Characteristics) 한 장에 담긴다. 전압이 내장 전위를 넘기 전에는 누설 전류만 흐르다가, 문턱 전압(Turn-on Voltage, 1 cd/m²이 되는 전압) 근처에서 전류와 휘도가 지수적으로 솟는다. 녹색 인광 소자는 대략 2.5 V에서 켜지고 3~4 V에서 1000 cd/m²에 이른다. 문턱 전압은 발광 광자 에너지(eV)와 비슷한 값보다 낮아질 수 없다.

휘도와 효율은 다음 세 지표로 비교한다.

$$\eta_\text{CE}\,[\text{cd/A}] = \frac{L}{J}, \qquad \eta_\text{PE}\,[\text{lm/W}] = \frac{\pi\,L}{J\,V} = \frac{\pi\,\eta_\text{CE}}{V}, \qquad \eta_\text{CE} \approx \text{EQE}\cdot\frac{1240}{\bar\lambda[\text{nm}]}\cdot\frac{K}{\pi}$$

$L$은 정면 휘도(cd/m²), $J$는 전류 밀도(A/m²), $\pi$는 램버시안 발광 가정에서 휘도를 광속으로 바꾸는 인자, $K$는 발광 스펙트럼의 시감 효능(lm/W, 녹색 ≈ 500, 적색 ≈ 200, 청색 ≈ 60)이다. 같은 EQE 20%라도 녹색은 ≈ 75 cd/A, 청색은 ≈ 10 cd/A가 나오는 것은 눈의 감도(1장) 때문이다.

휘도를 올리면 EQE는 떨어진다. 이를 효율 롤오프(Efficiency Roll-off)라 한다. 수명이 µs로 긴 삼중항은 전류 밀도가 높아지면 서로 부딪히거나(삼중항–삼중항 소멸, TTA), 쌓인 전하(폴라론)에 에너지를 빼앗겨(TPQ) 꺼진다. 형광 TTA 소자에서는 같은 과정이 효율을 올리지만, 인광 소자에서는 손실이다.

그림 8-7. 효율 롤오프의 주요 원인. 삼중항 밀도 $n$이 전류에 비례해 늘면 $n^2$에 비례하는 TTA와 $n\cdot p$에 비례하는 TPQ가 1차 감쇠($n/\tau$)를 앞지르기 시작한다.

정상 상태 삼중항 밀도의 비율 방정식 $\frac{dn}{dt} = \frac{J}{qd} - \frac{n}{\tau} - \frac{1}{2}k_{TT}n^2 = 0$을 풀면 TTA만 고려한 롤오프 모형(볼도–포레스트 모형)을 얻는다.

$$\frac{\eta(J)}{\eta_0} = \frac{J_0}{4J}\left(\sqrt{1+\frac{8J}{J_0}}-1\right), \qquad J_0 = \frac{4qd}{k_{TT}\tau^2}$$

$J_0$는 효율이 최댓값의 절반으로 떨어지는 전류 밀도, $d$는 재결합 영역 두께, $\tau$는 삼중항 수명이다. 수명 $\tau$가 짧고 재결합 영역 $d$가 넓을수록 $J_0$가 커져 롤오프가 늦게 온다. 인광 녹색 소자의 $J_0$는 대개 100~500 mA/cm²이다.

SIMULATOR

J–V–L 곡선과 효율 지표

그래프

소자 색

문턱 전압 V_on 최대 EQE 롤오프 J₀

1000 cd/m² 구동 전압—

그때 전류 밀도—

EQE @1000 / @10000—

cd/A · lm/W @1000—

해볼 것: ① 같은 EQE에서 색만 바꿔 cd/A가 얼마나 달라지는지 보자(시감 효능 차이). ② J₀를 줄이면(롤오프 심함) 10000 cd/m²에서 EQE가 반 토막 난다. HDR 피크 휘도(12장)에서 OLED 효율이 떨어지는 이유다. ③ 문턱 전압을 올리면 cd/A는 그대로인데 lm/W가 떨어진다. 전력 효율은 구동 전압에 반비례한다. (주입 제한 + 지수형 J–V, 볼도–포레스트 롤오프를 쓴 교육용 모형)

마이크로캐비티: 반사 양극과 반투명 음극 사이의 공진

전면 발광 OLED의 반사 양극(Ag, R≈0.95)과 반투명 음극(Mg:Ag, R≈0.4~0.6)은 수백 nm 간격으로 마주 보는 두 거울, 곧 패브리–페로 마이크로캐비티(Microcavity)다. 왕복 위상이 $2\pi$의 정수배가 되는 파장의 빛은 보강 간섭으로 증폭되고, 나머지는 억제된다.

$$2\,n\,d\cos\theta_\text{in} - \frac{\phi_1+\phi_2}{2\pi}\,\lambda = m\lambda \quad\Longrightarrow\quad \lambda_\text{res}(\theta) \approx \frac{2 n d_\text{eff} \cos\theta_\text{in}}{m}, \qquad \sin\theta_\text{air} = n\sin\theta_\text{in}$$

$n$, $d$는 두 거울 사이 유기층의 굴절률과 두께, $\theta_\text{in}$은 막 안의 진행 각, $\phi_{1,2}$는 금속 거울의 반사 위상(침투 깊이)이다. 반사 위상을 실효 두께 $d_\text{eff}$에 넣으면 간단한 형태가 된다. 각도가 커지면 $\cos\theta$가 줄어 공진 파장이 짧은 쪽(청색 쪽)으로 이동한다. 이것이 OLED를 비스듬히 볼 때 흰색이 푸르거나 분홍빛으로 바뀌는 시야각 색 변화(13장)의 근원이다.

그림 8-8. 마이크로캐비티. 두 금속 거울 사이를 오가는 빛 중 공진 조건을 만족하는 파장만 강해져, 스펙트럼이 좁고 높아진다(오른쪽). EML은 정상파의 배 위치에 놓아야 방출이 커진다. 색마다 공진 파장이 다르므로 R·G·B 서브픽셀의 HTL 두께를 따로 맞춘다.

캐비티의 투과 스펙트럼은 두 거울의 반사율로 정해지는 에어리 함수로 근사할 수 있다. 정면 휘도는 공진 파장에서 2~3배 커지고, 반치폭은 자유 발광의 60~80 nm에서 20~40 nm로 좁아져 색순도가 높아진다(DCI-P3를 넘어 BT.2020에 가까워지는 이유, 2장). 대가는 시야각 의존성이다.

$$I_\text{out}(\lambda,\theta) \approx I_0(\lambda)\;\frac{(1-R_2)\left(1+R_1+2\sqrt{R_1}\cos\delta_z\right)}{1+R_1R_2-2\sqrt{R_1R_2}\cos\delta}, \qquad \delta=\frac{4\pi n d_\text{eff}\cos\theta_\text{in}}{\lambda}$$

$I_0$는 발광체 고유 스펙트럼, $R_1$·$R_2$는 양극·음극 반사율, $\delta_z$는 발광 위치에서 양극까지 왕복 위상(넓은 각 간섭 항)이다. 분모가 작아지는 $\delta=2\pi m$에서 공진한다. 피네스(날카로움)는 $\sqrt{R_1R_2}$가 1에 가까울수록 커진다.

SIMULATOR

캐비티 두께·시야각과 스펙트럼·색좌표

발광체

실효 광학 두께 d_eff 시야각 θ (공기) 음극 반사율 R₂

출력 피크 파장—

반치폭 FWHM—

정면 강도 증강—

Δu′v′ (0° 대비)—

해볼 것: ① “공진 두께 자동 맞춤”을 누른 뒤 시야각을 0→60°로 돌리며 피크가 짧은 파장으로 이동하고 색좌표(오른쪽, 점선 궤적)가 움직이는 것을 보자. Δu′v′ 0.02 이상이면 대부분의 사람이 색 차이를 느낀다. ② R₂를 0.8로 올리면 스펙트럼이 더 좁아지고 정면 강도가 커지지만 각도 변화도 커진다. ③ d_eff를 두 배(m=2)로 키우면 공진 차수가 올라가 피크가 더 날카로워지고 여러 개 생긴다. (실효 두께에 금속 반사 위상을 포함한 에어리 함수 근사, 각도별 램버시안 보정은 생략)

WOLED·QD-OLED가 캐비티를 약하게 쓰는 이유

스마트폰 RGB OLED는 강한 캐비티로 색순도와 효율을 얻는 대신 시야각 색 변화를 감수하고 HTL 두께를 색별로 최적화한다. 반면 대형 TV용 백색 OLED(WOLED)는 넓은 스펙트럼의 흰빛을 컬러 필터로 나누어야 하므로 캐비티를 약하게 만들고, 청색 OLED 위에 양자점 변환층을 올린 QD-OLED(10장)는 양자점의 등방 발광 덕분에 시야각 색 변화가 작다.

탠덤 OLED: 같은 전류에 두 배의 빛

발광 유닛 두 개를 전하 생성층(Charge Generation Layer, CGL)으로 직렬 연결한 구조가 탠덤 OLED(Tandem / Stacked OLED)다. CGL은 n형 도핑층(n-CGL)과 p형 도핑층(p-CGL)의 접합으로, 전압이 걸리면 계면에서 전자–정공 쌍을 만들어 전자는 아래 유닛으로, 정공은 위 유닛으로 보낸다. 즉 외부에서 들어온 전자 하나가 두 유닛에서 각각 한 번씩 재결합을 일으킨다.

그림 8-9. 2스택 탠덤 OLED. 두 발광 유닛 사이의 CGL이 전자–정공 쌍을 만들어 양쪽 유닛에 공급하므로, 같은 전류에서 휘도(cd/A)가 약 2배가 된다. 전압도 약 2배가 되어 전력 효율(lm/W)은 비슷하지만, 같은 휘도를 절반의 전류로 내므로 수명이 크게 늘어난다.

OLED의 휘도 수명은 전류 밀도(=초기 휘도)에 대해 거듭제곱 법칙을 따른다는 경험식이 널리 쓰인다.

$$LT(L_0) = LT(L_\text{ref})\left(\frac{L_\text{ref}}{L_0}\right)^{n},\qquad \frac{LT_\text{tandem}}{LT_\text{single}} \approx 2^{\,n}\;\;(n\approx1.5\!-\!1.9 \Rightarrow 2.8\!-\!3.7\text{배})$$

$n$은 가속 계수다. 탠덤의 각 유닛은 목표 휘도의 절반만 담당하므로 절반의 전류로 구동된다. 실제로는 CGL 손실이 있어 효율이 정확히 2배가 되지 않고, 전압도 2배보다 약간 높다.

SIMULATOR

단일·2스택·3스택 비교

목표 휘도 가속 계수 n CGL 전압 손실

강조

전류 밀도—

구동 전압—

소비 전력 밀도—

LT95 수명—

해볼 것: ① 2스택을 고르고 목표 휘도를 올려 보자. 수명이 단일 대비 $2^n$배로 유지된다. ② CGL 손실이 크면 탠덤의 전력이 단일보다 커진다. ③ 차량용(요구 수명 수만 시간, 고휘도)과 태블릿·노트북(장시간 정지 화면)에서 2스택 탠덤이 채택된 이유를 수치로 확인하자. (녹색 인광 단일 소자 기준: 60 cd/A, 1000 cd/m²에서 LT95 = 1만 시간 가정)

탠덤의 실제 적용

차량용 디스플레이는 85 °C 고온, 1000 cd/m² 이상의 휘도, 10년 이상의 수명을 요구한다. 2019년경부터 차량용 플라스틱 OLED에 2스택 탠덤이 쓰였고, 2024년에는 태블릿(“탠덤 OLED” 마케팅)과 노트북으로 넓어졌다. 대형 TV의 WOLED는 일찍부터 청–황/청–녹–적 3~4스택 구조를 썼다. 스택이 늘수록 증착 층 수와 재료비가 늘어나는 것이 단점이다.

청색 수명 문제와 재료 비교

OLED 기술의 가장 오래된 숙제는 청색이다. 청색 광자의 에너지(2.7~2.8 eV)는 이미 큰데, 호스트는 이보다 더 큰 삼중항 에너지(≈3 eV 이상)를 가져야 엑시톤을 가둘 수 있다. 이 에너지는 유기 분자의 C–N, C–C 결합 해리 에너지(약 3~4 eV)와 비슷해서, 엑시톤 두 개가 합쳐지거나(TTA, TPA로 생긴 ~5–6 eV 고에너지 상태) 엑시톤이 폴라론과 만나면 결합이 끊어진다. 끊어진 분자는 비발광 중심이자 전하 트랩이 되어 휘도를 더 빠르게 떨어뜨린다.

그림 8-10. 색별 엑시톤 에너지와 분자 결합 해리 에너지의 비교(대략값). 청색 엑시톤과 청색 호스트의 삼중항 에너지는 결합 해리 대역에 바짝 다가가 있고, 두 엑시톤이 합쳐진 고에너지 상태는 이를 넘어선다. 청색 인광 소자가 효율은 높아도 수명이 짧은 근본 원인이다.

그래서 상용 OLED는 오랫동안 적·녹은 인광, 청은 형광(TTA)이라는 하이브리드 조합을 썼다. 청색 형광은 일중항 수명이 ns로 짧아 고에너지 상태가 덜 쌓이므로 오래가지만, EQE가 인광의 절반 이하다. 결국 화면의 흰색을 만들 때 청색 서브픽셀이 전력의 상당 부분을 쓰고, 그만큼 면적을 크게 하거나(펜타일 배열에서 청색 서브픽셀이 큰 이유, 3장) 전류를 더 흘려야 한다. 2025년 무렵부터는 청색 인광 유닛을 형광 유닛과 탠덤으로 묶는 “하이브리드 탠덤” 방식이 일부 패널에 도입되기 시작했다.

발광 방식	색	IQE 한계	대표 EQE	LT95 @1000 cd/m²	비고
인광 (Ir 착물)	적	100%	20–30%	수만 h 이상	상용 표준
인광 (Ir 착물)	녹	100%	20–30%	수만 h	상용 표준
형광 + TTA	청	62.5%	8–12%	수백~수천 h	상용 표준, 협대역(보론계) 도펀트
인광 (Ir/Pt)	청	100%	20–30%	수십~수백 h	수명 개선 중, 하이브리드 탠덤으로 도입 시작
TADF	청·녹	100%	20–35%	수십~수백 h	넓은 스펙트럼, 수명 과제
초형광 (TADF 감광 + 형광 도펀트)	청·녹	100%	20–30%	개발 단계	TADF의 효율 + 형광의 좁은 스펙트럼

수명 수치는 소자 구조·측정 조건에 따라 크게 달라지는 대략적 범위이며, 정면 휘도 1000 cd/m² 단일 소자 기준이다. LT95는 휘도가 초기의 95%로 떨어지는 시간이다.

세 색이 서로 다른 속도로 늙으면 흰색의 색좌표가 시간이 갈수록 틀어진다. 휘도 감소는 흔히 늘어진 지수 함수 $L(t)/L_0=\exp[-(t/\tau)^\beta]$로 맞춘다. 같은 화면을 오래 띄워 놓으면 그 부분 서브픽셀만 늙는 것이 번인이고, 픽셀 회로가 누적 전류를 기록해 보상하는 방법은 9장에서 다룬다.

SIMULATOR

R·G·B 차등 열화와 백색점 이동

사용 시간

청색 소자

전류 보상(휘도 유지, 열화 가속)

남은 휘도 R / G / B—

흰색 휘도—

백색점 Δu′v′—

초기 / 현재 흰색

해볼 것: ① 형광 청색에서 시간을 늘리면 청색이 가장 먼저 늙어 흰색이 노랗게 변한다. ② “인광 단일”은 처음엔 효율이 좋아 같은 휘도를 적은 전류로 내지만 수명이 짧아 변색이 더 빠르다. ③ “전류 보상”을 켜면 흰색 휘도는 유지되지만(점선 = 실제 남은 발광 효율) 더 많은 전류로 열화가 가속된다. 보상은 수명을 늘리는 것이 아니라 증상을 숨기는 것이다. (흰색 1000 cd/m² 연속 점등 가속 조건, 늘어진 지수 모형 β=0.7, 파라미터는 교육용 가정값)

핵심 정리

유기 반도체의 전도는 π-공액 분자의 HOMO/LUMO 사이에서 일어나며, 공액 길이가 길수록 HOMO–LUMO 간격이 줄어 발광 파장이 길어진다.
유전 상수가 작아 엑시톤은 분자 하나에 묶인 프렌켈 엑시톤(결합 0.3–1 eV)이 되고, 전하는 가우스 무질서 준위 사이를 호핑해 이동도가 10⁻⁶–10⁻³ cm²/V·s로 낮다. 대신 박막이 100–250 nm로 얇아 수 V로 구동된다.
적층은 반사 양극(ITO/Ag)–HIL–HTL–EML(호스트+도펀트)–ETL–EIL–반투명 음극(Mg:Ag)–CPL이며, 각 층의 HOMO/LUMO 계단과 차단 단차가 전하를 EML에 모은다.
스핀 통계로 엑시톤은 일중항 25%, 삼중항 75%가 된다. IQE 한계는 형광 25%, TTA 62.5%, 인광·TADF 100%다.
EQE = γ·η_S/T·q_eff·η_out. 굴절률 차로 탈출 원뿔이 좁아 η_out ≈ 1/(2n²) ≈ 20%이고, 기판·도파·표면 플라즈몬 모드로 빛이 갇힌다. 수평 배향이 η_out을 30%까지 올린다.
전류 효율 cd/A = L/J, 전력 효율 lm/W = π·cd/A / V. 고전류에서는 TTA·TPQ로 효율이 떨어지며(롤오프), $J_0$는 삼중항 수명이 짧고 재결합 영역이 넓을수록 커진다.
마이크로캐비티는 $2nd\cos\theta = m\lambda$에서 공진해 스펙트럼을 좁히고 정면 휘도를 높이지만, 각도가 커지면 공진이 청색 쪽으로 이동해 시야각 색 변화가 생긴다.
탠덤 OLED는 CGL로 유닛을 직렬 연결해 같은 전류에서 휘도 2배, 같은 휘도에서 전류 1/2를 얻고, 수명이 약 $2^n$배 늘어난다.
청색은 엑시톤 에너지가 결합 해리 에너지에 가까워 수명이 가장 짧다. 상용 패널은 적·녹 인광 + 청 형광(TTA)을 쓰며, R·G·B 차등 열화가 백색점 이동과 번인을 만든다.

확인 퀴즈

1. 유기 반도체에서 엑시톤 결합 에너지가 무기 반도체보다 훨씬 큰 주된 이유는?

쿨롱 결합 에너지는 대략 $1/\varepsilon_r^2$에 비례한다. 유기막은 ε_r≈3으로 실리콘(11.7)보다 훨씬 작고, 엑시톤이 분자 하나 크기(≈1 nm)에 갇혀 결합 에너지가 0.3–1 eV에 이른다.

2. ETL의 HOMO가 EML 호스트의 HOMO보다 훨씬 깊게(더 큰 이온화 에너지) 설계되는 이유는?

ETL의 깊은 HOMO는 정공에게 높은 장벽(정공 차단)이 된다. 마찬가지로 HTL의 높은 LUMO는 전자를 막는다. 두 차단 단차가 전하 균형 γ를 높인다.

3. 형광 재료만 쓴 OLED의 PLQY, 전하 균형이 모두 100%이고 광추출이 20%라면 최대 EQE는?

EQE = 1 × 0.25 × 1 × 0.20 = 5%. 일중항만 빛을 내므로 스핀 통계 한계 0.25가 곱해진다. TTA를 이용하면 0.625×0.2 = 12.5%까지 오를 수 있다.

4. TADF 재료가 삼중항 엑시톤을 빛으로 이용하는 방법은?

TADF(열활성 지연 형광)는 $k_\text{RISC}\propto\exp(-\Delta E_{ST}/k_BT)$이 충분히 크도록 ΔE_ST를 0.1 eV 안팎으로 줄인다. 보기 1은 인광, 보기 2는 TTA다.

5. 유기층 굴절률이 1.8일 때, 등방 발광 가정의 광추출 효율 근사값에 가장 가까운 것은?

$\eta_\text{out}\approx 1/(2n^2) = 1/(2\times3.24)\approx0.154$. 임계각은 $\arcsin(1/1.8)\approx 33.7°$다. 반사 전극과 수평 배향 덕분에 실제 소자는 20–30%를 얻는다.

6. 같은 녹색 소자에서 전류 효율이 60 cd/A, 구동 전압이 4 V라면 전력 효율(램버시안 가정)은?

$\eta_\text{PE} = \pi\,\eta_\text{CE}/V = 3.14\times60/4 \approx 47$ lm/W. π는 램버시안 광원에서 정면 휘도를 전체 광속으로 바꾸는 인자다.

7. 마이크로캐비티 OLED를 비스듬히 볼 때 발광 피크가 이동하는 방향과 이유는?

비스듬한 빛은 층을 대각선으로 지나 실제 경로는 길어 보이지만, 위상 조건에 들어가는 것은 수직 성분 $nd\cos\theta$다. cosθ가 줄어 공진 파장이 짧아진다(청색 편이).

8. 가속 계수 n=1.8인 소자를 2스택 탠덤으로 바꿔 같은 휘도로 구동하면 수명은 대략 몇 배가 되는가?

각 유닛이 절반의 전류로 동작하므로 $LT\propto J^{-n}$에서 $2^{1.8}\approx3.48$배다. 전압은 약 2배가 되어 전력은 비슷하다.