[디지털데일리 백승은 기자] 국내 연구진이 세계 최고 수준의 높은 효율을 가진 진청색 유기발광다이오드(OLED) 소자를 구현하는 데 성공했다.

한국과학기술원은 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 경상국립대학교 화학과 김윤희 교수 연구팀과의 협력을 통해 35% 이상의 최대 외부 양자효율을 지닌 진청색 유기발광다이오드(OLED) 소자를 구현했다고 3일 발표했다.

KAIST 유승협 교수 연구실의 김형석 박사, 경상국립대학교 천형진 박사, KAIST 이동균 박사과정(유승협 교수 연구실)이 공동 제1 저자로 수행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’2023년 5월 31일 자 온라인판에 게재됐다.

OLED는 첨단디스플레이 기술로 활용되고 있는 발광소자다. 화질이 선명하고 두께가 얇은 점, 접거나(폴더블) 돌돌 마는(롤러블) 형태의 디스플레이에 사용할 수 있는 유연한 소자가 제작이 가능한 점 등 각종 장점을 가지고 있다.

OLED 응용해 빛의 삼원색인 적·녹·청 광원의 충분한 효율과 수명을 확보하고, 높은 색 순도 삼원색을 확보하는 게 중요하다. 특히 청색 OLED 소자에서 세 가지 요건을 동시에 확보하는 기술은 난제로 여겨진다.

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 가능한 한계가 있어, OLED 소자의 충분한 효율 확보를 위해 발광 분자의 농도를 높이면 발광체 자체가 가진 색 순도 장점을 충분히 살리지 못하는 어려운 문제가 있다.

연구팀은 합성이 매우 까다로운 것으로 알려진 기존의 붕소계 재료에 비해 합성 과정을 단순화하면서도 낮은 수율을 개선했다. 또 분자 동역학 관점에서 분자 간 상호작용을 억제할 수 있는 분자구조를 성공적으로 규명하고, 이를 분자 설계를 통해 구현함으로써 색 순도와 효율이 저하되는 난제를 해결했다.

이번 연구는 그간 시행착오를 반복하며 경험적으로 이루어졌던 것과 달리, 연구팀은 종합적이고 분석적인 방법론을 정립, 최대 효율을 이끌어 낼 수 있는 구조를 이론적으로 예측했다.

이렇게 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 결과다.

유승협 교수는 “고효율의 진청색 OLED 기술의 확보는 OLED 디스플레이를 궁극의 기술로 완성하는데 필수적인 과제 중 하나로서, 이번 연구는 난제 해결에 있어 소재-소자 그룹 간의 체계적인 융합 연구와 협업의 중요성을 잘 보여주는 사례”라고 말했다.

이번 연구는 산업통상자원부의 디스플레이 혁신공정 플랫폼 구축사업, 과기정통부의 미래소재디스커버리 사업, 중견연구자사업, 그리고 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.