동국대 류승윤 교수팀, OLED 수명 저하 원인 실시간 규명 … 엑시톤 산란·기생 엑시톤 확인

동국대학교는 물리학과 류승윤 교수 연구팀이 구동 중인 유기발광다이오드(OLED)의 내부 열화 과정을 실시간으로 분석할 수 있는 오페란도(Operando) 광전기 동시 분석 플랫폼을 개발했다고 19일 밝혔다. 이를 활용해 OLED 성능 저하의 근본 원인을 규명했다. 오페란도는 실제 소자가 동작하는 환경에서 내부 물리·화학적 변화를 실시간으로 분석하는 기술이다.

이번 연구는 고려대 세종캠퍼스 신소재화학과 김철훈 교수, 전자·정보공학과 이재우 교수 연구팀과 공동으로 진행했다.

OLED의 효율 감소와 수명 저하는 산업계와 학계의 핵심 난제다. 기존 전기적 분석법이나 광학 분석법만으로는 발광층 내부와 계면에서의 열화 과정을 확인하기 어려웠다.

공동 연구팀은 구동 중인 OLED 내부에서 발생하는 여기자(엑시톤·exciton)의 생성·이동·소멸 과정을 실시간으로 추적하는 데 성공했다. 여기자는 음전하(-)인 전자와 양전하(+)인 정공(hole, 공간)이 쌍을 이뤄 공존하는 준입자를 말한다. OLED에서 빛이 발생하는 과정에서 생성된다. 여기자가 에너지를 잃으면서 빛을 방출하면 우리가 OLED 화면에서 보는 빛이 나온다.

연구팀은 자체 개발한 전기 구동 분광(EPS)과 시간분해 분광 분석, 특이종 스펙트럼(SAS), 감쇠연관스펙트럼(DAS) 분석을 통합한 분석법을 구축해 OLED 내부의 열화 위치와 원인을 층별로 규명했다. OLED는 머리카락보다 훨씬 얇은 기능성 막을 여러 겹 쌓아 만든 구조로 돼 있다.

연구 결과, 빛이 만들어지는 발광층(CBP host)에서는 열화(노후화)에 의해 초고속 여기자 산란(exciton scattering)이 발생해 발광 효율이 감소하며, 발광층과 여기자 차단층(EML/EBL·빛이 새지 않도록 막는 역할) 계면에선 계면 구조 변화로 인해 기생 여기자(parasitic exciton)가 증가했다. 이는 발광층이 노후화되면 여기자가 빛을 내기 전에 여기저기 흩어지면서 에너지를 잃어 발광 효율이 떨어진다는 얘기다. 또한 발광층과 여기자 차단층의 경계에서 열화가 일어나면 원하지 않는 위치에 ‘불필요한’ 기생 여기자가 증가하는 등 효율이 떨어진다.

연구팀은 이 두 가지 열화 메커니즘이 동시에 OLED의 효율을 저하하고 스펙트럼을 변화시키는 주요 원인임을 밝혔다. 개별적으로만 해석되던 열화 현상을 하나의 통합 반응 모델로 설명해 OLED 열화를 정량적으로 해석할 기반을 제시했다.

이번 연구에서 제안한 분석 플랫폼은 새로운 OLED 소재 개발은 물론 양자점 발광다이오드(QD-LED), 페로브스카이트 LED 등 다양한 차세대 광전소자의 열화 메커니즘 분석에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 소재 개발 이전 단계에서 열화 위치를 빠르게 진단할 수 있어 연구·개발 비용과 시간을 절감할 것으로 전망된다.

류승윤 교수는 “이번 연구는 오페란도 분석을 통해 열화 위치와 원인을 층별로 규명할 수 있는 진단 플랫폼을 제시해 의미가 있다”며 “향후 차세대 디스플레이와 다양한 광전소자의 신뢰성 향상에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적인 과학 출판 브랜드 ‘네이처 포트폴리오(Nature Portfolio)’의 광학 분야 자매지인 ‘라이트: 사이언스 앤드 애플리케이션스(Light: Science & Applications·빛: 과학과 응용)’에 지난 6일 게재됐다. 동국대 물리학과 이창민·이현재 박사가 공동 제1저자, 고려대 세종캠퍼스 이재우·김철훈 교수, 동국대 류승윤 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF) 핵심연구 B형, 서울 RISE 사업, 고려대의 지원을 받아 수행됐다.