조명과 디스플레이용 고효율 유기발광소자 개발

[산업일보]
차세대 디스플레이와 조명 등의 광원으로 주목받는 고분자 유기발광소자의 낮은 발광효율과 안정성을 극복할 수 있는 공정이 국제 공동연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술대(UNIST) 송명훈 교수(신소재공학부)와 이보람 석·박 통합과정 연구원이 주도하고, 전자부품연구원, 한국과학기술원, 충남대 및 영국 캠브리지대(University of Cambridge), 임페리얼 컬리지(Imperial College London)가 공동 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며 연구결과는 자연과학 분야 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 온라인 판에 게재됐다.

고분자를 이용한 유기발광소자는 적은 제작비용으로 소자의 경량화와 대면적화에 유리하고 플렉서블한 소자로 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 넓은 시야각과 빠른 응답시간을 가지기 때문에 차세대 디스플레이와 조명 등으로의 응용가능성이 주목받고 있다. 하지만 소자 안정성 문제와 낮은 효율 문제는 여전히 개선될 필요가 있다.

높은 외부양자효율을 갖는 고분자 유기발광소자의 구현을 위해서 높은 내부양자효율과 빛 추출효율이 필요하다. 일반적으로 고분자 유기발광소자의 빛 추출효율은 약 20% 정도로 약 80%의 빛은 도파관(waveguide) 효과 등에 의해 소자 내에서 소실된다고 보고된다. 때문에 마이크로렌즈(micro lens), 굴절률 차이를 이용한 마이크로캐비티(micro cavity)나 광결정(photonic crystal) 등을 이용해 빛 추출효율을 높이는 연구가 활발하다.

소자안정성을 높이기 위해 금이나 은과 같은 높은 일함수를 갖는 전극을 사용하고 전하 주입/수송층으로 금속산화물을 사용하는 역구조 고분자 유기발광소자를 구현했지만 전자 주입/수송층과 발광층 계면 사이의 에너지 장벽 때문에 전자 주입/수송이 어려운 반면, 정공 수송층과 발광층 계면에서는 옴접촉(Ohmic Contact)을 형성해 매우 원활한 정공 주입/수송함으로써 전하의 수송 균형이 맞지 않게 돼 내부양자효율이 매우 낮아지는 결과를 초래하게 됐다.

연구팀은 고분자의 낮은 발광효율을 높이기 위해 처리 온도에 따라 자발적으로 형성되는 물결 모양(Ripple-shaped)의 나노구조 산화아연(ZnO-R)을 사용해 고효율 유기발광다이오드를 개발했고, 그 결과 발광효율(외부양자효율)이 17.8%로 기존 보고된 이론값이 5%인 것에 비해 3배 이상 향상된 것으로 나타났다.

물결모양의 나노구조 산화아연을 이용해 기존의 평평한 층 대비 광추출효율을 향상시키고, 극성용매를 이용해 전자 수송층과 발광층 사이의 에너지 차이를 줄여 전자주입이 원활하도록 한 데 따른 것이다.

이 기술은 대면적화가 가능하고 플렉서블 유기기반 광전자소자로적용이 가능해 차후 유기발광소자의 효율 향상뿐만 아니라, 조명으로 이용할 수 있는 유기발광소자와 유기다이오드 레이저분야 상용화에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.

송 교수는 “조명과 디스플레이용 저전력, 친환경 광원 개발의 필요성이 급증하는 가운데 고분자 유기발광소자의 발광효율과 안정성을 향상시켜 상용화에 큰 도움을 줄 것”이라고 밝혔다.

또 “이번에 제안한 연구내용이 유기광전소자에 적용되어 차세대 소자 기술로 널리 쓰일 수 있는 기술을 개발하는 것”이 목표라고 덧붙였다.