유기발광다이오드(OLED, organic light-emitting diode)는 첨단 디스플레이 기술로 활용되고 있는 발광소자로, 화질이 선명하고 두께가 얇으며 폴더블이나 롤러블 디스플레이 등에 핵심인 유연한 소자의 제작이 가능하다.
OLED를 응용하기 위해서는 빛의 삼원색을 이루는 적·녹·청 광원의 충분한 효율과 수명을 확보함과 동시에 높은 색 순도의 삼원색을 확보하는 것이 매우 중요하다.
지금까지 청색 OLED 소자에서 이 세 요건을 동시에 확보하는 기술은 대표적인 난제로 여겨져왔는데 카이스트와 경상대 공동연구팀이 이를 해결했다.
카이스트는 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 경상국립대 화학과 김윤희 교수 연구팀과 세계 최고 수준의 높은 효율을 갖는 진청색 유기발광다이오드(OLED) 소자를 구현하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.
이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 5월 31일 온라인판에 게재됐다. 논문명, Toward highly efficient deep-blue OLEDs: Tailoring the multiresonance-induced TADF molecules for suppressed excimer formation and near-unity horizontal dipole ratio)
연구팀은 진청색 OLED 소자 구현을 위해 최근 각광 받고 있는 차세대 발광체인 붕소계 지연형광 재료의 설계에 주목했다.
이 재료는 뛰어난 색 순도 구현의 장점을 갖고 있으나, 평평한 분자구조로 인해 분자 간 강한 상호작용이 생겨 낮은 농도에서만 진청색이 가능하다는 게 한계다. OLED 소자의 충분한 효율 확보를 위해 발광 분자의 농도를 높이면 발광체 자체가 가진 색 순도 장점을 충분히 살리지 못하는 어려움 탓이다.
연구팀은 합성이 매우 까다로운 것으로 알려진 기존의 붕소계 재료에 비해 합성 과정을 단순화하면서도 낮은 수율을 개선했다.
나아가 분자 동역학 관점에서 분자 간 상호작용을 억제할 수 있는 분자구조를 성공적으로 규명하고 이를 분자 설계를 통해 구현함으로써 색 순도와 효율이 저하되는 난제를 해결했다고 설명했다.
해당 연구가 그간 시행착오를 거듭하며 경험적으로 이루어졌던 것과 달리, 카이스트 공동연구팀은 종합적이고 분석적인 방법론을 정립, 최대 효율을 이끌어 낼 수 있는 구조를 이론적으로 예측했다.
설계한 고효율 유기 발광 소재를 이용한 소자 구조에 접목해 35% 이상의 최대 외부 양자효율을 가진 진청색 OLED 구현에 성공했다. 이는 해당 파장에서의 진청색 OLED 단위 소자의 효율 중 세계 최고 수준의 결과로 평가받는다.
유승협 교수는 “고효율의 진청색 OLED 기술의 확보는 OLED 디스플레이를 궁극의 기술로 완성하는데 필수적인 과제 중 하나”라면서 “이번 연구는 난제 해결에 있어 소재-소자 그룹 간의 체계적인 융합 연구와 협업의 중요성을 잘 보여주는 사례”라고 말했다.
SDG뉴스 임명재 기자