질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 고효율 진청색 인광유기발광소자 개발
국내 연구진이 고효율 진청색 인광 OLED를 개발하였다. 이미 형광에서 인광으로 대체된 녹색과 적색에 이어, 청색 인광OLED가 실용화될 수 있을지 기대된다. 인광은 형광보다 4배 높은 효율을 달성할 수 있다.
한국연구재단은 진성호 교수(부산대학교 화학교육과) 연구팀이 질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용하여 외부양자효율이 24%에 달하는 진청색 인광OLED를 제작했다고 밝혔다.
외부양자효율은 OLED 내부에서 생성된 빛 입자가 소자 외부로 튀어 나오는 비율로, 내부양자효율(인가된 전하 개수 및 생성된 빛 입자 수의 비)과 광추출효율의 곱으로 정의한다. 즉 물질 외부로 실제 빛이 튀어나오는 비율을 의미한다. 인광 발광체를 이용한 이상적 인광OLED의 외부양자효율은 25% 수준이다.
전자가 여기상태에서 바닥상태로 내려오면서 빛을 방출하는 것이 OLED의 원리인데, 적색이나 녹색에 비해 청색의 경우 여기상태와 바닥상태의 차이가 크다. 때문에 에너지 차이를 구현할 수 있는 유기분자가 제한적일 수 밖에 없었고 구현하더라도 낮은 효율로 인해 실용화에는 어려움이 있었다.
OLED의 핵심인 발광층은 주로 주재료인 유기분자(호스트)에 소자효율과 색의 순도를 높일 수 있는 불순물(도판트)을 더한 호스트-도판트 구조이며, 기존에 카벤 기반 이리듐 착화합물을 도판트로 사용한 진청색 인광OLED가 보고되었으나 외부양자효율이 15% 수준이었다.
연구팀은 기존 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 진청색 인광OLED의 문제점을 발광층 내부의 전자 및 정공의 농도 불균형에 의한 것이라 가정하고, 도핑 농도를 조절하여 발광층의 전자와 정공의 농도 균형을 최적화함으로써 낮은 휘도 및 효율 문제를 모두 해결하였다.
컬러TV의 색표현 기준을 제정한 NTSC 기준색상(적색, 녹색, 청색)을 만족하는 진청색 인광OLED를 개발한 이번 연구성과가 QLED의 후면광 및 차세대 디스플레이에 활용될 수 있는 진청색 인광OLED의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 6월 9일에 게재되었다.
그림설명
(그림1) 개발된 진청 이리듐 발광체와 광발광스펙트럼
(a) 본 연구에서 개발 및 합성된 이리듐 발광체의 분자구조
(b) 비극성 및 극성매질에 따른 광 발광스펙트럼
(제공 : 부산대 진성호 교수)
(그림2) 개발된 소자의 구조 및 도핑농도에 따른 외부양자효율
(a) 본 연구에서 개발된 OLED 디바이스 구조
(b) 도핑농도에 따른 외부양자효율
(제공 : 부산대 진성호 교수)
용어 설명
○ 인광OLED(phosphorescence organic light-emitting diode) : 스스로 빛을 내는 인광 발광체를 이용, 전기에너지를 빛에너지로 변환하여 색을 표시하는 방식의 디스플레이 소자.
○ 형광OLED(Fluorescence organic light-emitting diode) : 스스로 빛을 내는 형광 발광체를 이용, 전지에너지를 빛에너지로 변환하여 색을 표시하는 방식의 디스플레이 소자
○ 헤테로고리 화합물 : 두 종류 또는 그이상의 원소의 원자(탄소∙질소∙산소∙황 등)에 의해 고리가 구성된 고리화합물
○ 카벤 : 중성의 탄소 원자가 두 개의 비공유 전자를 갖고 있는 분자.
○ 외부양자효율 : 생성된 빛 입자가 소자 외부로 실제로 튀어나오는 비율. 즉 내부양자효율과 광추출효율의 곱으로 정의.
○ 내부양자효율 : 주입된 전하당 발광되는 빛의 입자 수의 비
○ CIEx,y,z : 가시광선 내의 모든 색상을 색좌표 x(적색,), y(녹색), z(청색)로 나타낸 색도분포표. x, y 색도표를 주로 사용하며, x+y+z의 값은 항상 1이기에 x, y와 값으로 z의 값을 확인할 수 있다.
○ NTSC 기준색상 : 미국 TV방식위원회(National Television Systems Committee)가 1953년 컬러 TV의 색표현 기준을 제정하기 위해 설정한 영역으로, CIEx,y 색좌표에서 녹색 (0.21,0.71), 적색(0.67,.33), 청색(0.14,0.08)을 의미한다.
○ 삼중항 : 다전자원자나 분자에서 전자 전체가 갖는 스핀각운동량의 양자수의 합(합성스핀각운동량 양자수 S)이 1인 상태이다. 이때 다중도 (2S+1)은 3이 되어 삼중항상태라고 한다. 물질의 들뜬상태의 성질을 이해하는데 중요한 역할을 하며, 에너지 이동이나 광화학반응의 메커니즘을 설명할 때에도 사용된다.
○ 발광층 : 전자와 정공이 결합하여 빛을 내는 층
○ 농도소광 : 발광분자의 농도 상승에 의한 소광현상
연구 이야기
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
본 연구실의 기본적인 연구주제는 유기전자 소자이며 OLED의 형광/인광, 정공전달, 전자전달, 호스트 물질을 수 십 년간 개발한 노하우로 이 연구에서 진청색 인광발광체 물질을 개발하였다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
현재 적색 및 녹색 발광체는 형광발광체에서 인광발광체로 대체되었다. 하지만 진청색 인광 OLED 연구는 많이 진행되고 있음에도 불구하고 NTSC 기준색을 만족하지 않거나, 만족하더라도 낮은 효율 또는 낮은 전계발광효율 등 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 이를 해결하기 위해 많은 진청색 인광발광체가 개발되고 있지만 여전히 적색 및 녹색 인광 발광체로 비해 낮은 효율을 보인다. 본 연구팀은 NTSC 기준색 뿐만 아니라 높은 외부양자효율 및 전계발광특성을 모두 만족하는 진청색 인광OLED를 개발하였다. 뿐만 아니라 높은 농도에서 발생하는 농도소광에 대한 기존의 틀을 깨부수었으며, OLED발광층 내부에서의 작동 메커니즘에 대한 이해도를 높였다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
진청색 OLED는 QLED 후면광이나 OLED 등 차세대 디스플레이에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 세계 최초로 NTSC 기준색, 높은 외부양자효율 및 높은 전계발광특성을 만족하는 진청색 인광OLED를 개발하여 실용화 가능성을 확인하였다. 하지만 여전히 낮은 수명 등으로 인해 실용화에 한계점을 가지고 있다. 따라서 디바이스 수명을 개선하는 연구는 반드시 이루어 져야한다. 본 연구실은 진청색 인광OLED의 수명을 개선하기 위한 후속연구를 계속 진행할 예정이다.
