- 외부 양자효율 24% 달성, QLED 후면광 적용 가능
- 질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체 이용
국내 연구진이 고효율 진청색 인광 OLED 개발에 성공했다. 이번 연구로 이미 형광에서 인광으로 대체된 녹색과 적색에 이어 청색 인광 OLED가 실용화될 수 있을지 기대를 모으고 있다. 인광은 형광보다 4배 높은 효율을 자랑한다.
한국연구재단은 부산대 진성호 교수 연구팀이 질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용해 외부양자효율이 24%에 달하는 진청색 인광 OLED를 제작했다고 밝혔다.
OLED는 넓은 광시야각, 빠른 응답속도, 높은 발광특성 및 유연한 소자 제작이 가능해 차세대 발광소자로 관심을 받고 있다. OLED는 형광과 인광으로 구분되는데, 형광은 내부 양자효율이 25%에 달하고, 인광은 이보다 4배 높은 100% 달성이 가능하다. 이 때문에 유기발광소자는 형광물질에서 인광물질로 대체되고 있다. 하지만 청색 인광 OLED는 여전히 매우 낮은 효율과 휘도 등으로 컬러TV 기준 색상을 만족하지 못해 실제 디스플레이에 적용하기 어려운 한계가 있다.
외부양자효율은 OLED 내부에서 생성된 빛 입자가 소자 외부로 튀어 나오는 비율을 말한다. 내부양자효율(인가된 전하 개수 및 생성된 빛 입자 수의 비)과 광추출효율의 곱으로 정의한다. 즉 물질 외부로 실제 빛이 튀어나오는 비율을 의미하는데, 인광 발광체를 이용한 이상적 인광OLED의 외부양자효율은 25% 수준이다.
전자가 여기상태에서 바닥상태로 내려오면서 빛을 방출하는 것이 OLED의 원리인데, 적색이나 녹색에 비해 청색 OLED의 경우 여기상태와 바닥상태 차이가 크다. 때문에 에너지 차이를 구현할 수 있는 유기분자가 제한적일 수 밖에 없었고 구현하더라도 낮은 효율로 인해 실용화가 어려웠다.
OLED의 핵심인 발광층은 주로 주재료인 유기분자(호스트)에 소자효율과 색의 순도를 높일 수 있는 불순물(도판트)을 더한 호스트-도판트 구조다. 기존에 카벤 기반 이리듐 착화합물을 도판트로 사용한 진청색 인광 OLED가 보고되기는 했지만 외부양자효율은 15% 수준에 그쳤다.
연구팀은 기존의 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 진청색 인광 OLED의 문제점을 발광층 내부 전자 및 정공(전자가 비어있는 상태)의 농도 불균형에 의한 것으로 가정하고, 도핑 농도를 조절해 발광층의 전자와 정공의 농도 균형을 최적화함으로써 기존의 저휘도, 저효율 문제를 모두 해결했다.
상대적으로 얇은 HOMO 에너지 레벨을 가지는 도판트의 도핑 농도를 올려 문턱전압을 낮추고, HOMO 에너지 레벨 차이로 발생하는 트랩현상을 억제해 엑시톤 형성 영역을 발광층 중심으로 옮긴 것이다.
이번 연구로 컬러TV의 색 표현 기준을 제정한 NTSC 기준색상(적색, 녹색, 청색)을 만족하는 진청색 인광 OLED가 개발된 만큼 차세대 디스플레이 분야에도 해당 성과를 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
진 교수는 "이번에 개발한 진청색 인광 OLED는 NTSC 기준색 뿐만 아니라 높은 외부양자효율 및 전계발광특성을 모두 만족할 뿐 아니라 높은 농도에서 발생하는 농도소광에 대한 기존의 틀을 깨고, OLED발광층 내부에서의 작동 메커니즘에 대한 이해도를 높였다"고 설명했다.
이어 "진청색 인광 OLED 개발로 실용화 가능성을 확인했지만 여전히 낮은 수명 등으로 실용화에 한계점을 가지고 있다"면서 "진청색 인광 OLED의 수명을 개선하기 위한 후속연구를 계속 진행할 예정"이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업으로 수행된 이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 9일자에 게재되었다.
