“OLED 소자 성능 높이고 생산비용 절감”…GIST-숭실대, 정공수송층 신물질 개발

폴리 물질의 용매내성 특성.

광주과학기술원(GIST)은 강홍규 차세대에너지연구소 책임연구원팀이 강범구 숭실대 교수팀과 공동으로 디스플레이용 유기발광다이오드(OLED) 소자 성능을 높이고 생산비용을 절감할 수 있는 새로운 고분자 소재인 정공수송층 신물질을 개발했다고 6일 밝혔다.

정공수송층은 OLED 및 태양전지와 같은 전자 소자에서 양극과 발광층 사이에 위치해 정공을 효율적으로 전달하는 역할을 하는 층이다. 상용화한 디스플레이 소자 가운데 OLED는 각각의 픽셀이 자체적으로 빛을 발산해 뛰어난 화질과 명료한 이미지를 제공한다. 디스플레이 시 필요한 부분만 발광하기 때문에 소비전력을 절약할 수 있다는 장점도 갖고 있다.

하지만 자체적으로 빛을 발하는 구조로 특정 이미지가 오랫동안 표시되면 OLED 디스플레이가 열화돼 화면에 잔상이 얼룩처럼 남는 번인 현상이 발생할 수 있다. 시간이 지남에 따라 OLED 소재의 노화로 화면의 밝기가 저하될 수 있다. OLED의 성능을 높이고 생산비용을 줄이기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

유기 전도성 고분자(PEDOT) 정공수송층으로 제작한 유기발광다이오드(OLED) 소자와 폴리 정공수송층으로 제작된 OLED 소자 비교.

연구팀은 열에 의한 안정성뿐만 아니라 용매 안정성에서도 문제가 있는 기존 유기 전도성 고분자(PEDOT) 기반 정공수송층의 단점을 극복할 수 있는 새로운 폴리(트리페닐아민) 기반 정공수송층 소재를 개발했다. 트리페닐아민(TPA)은 세 개의 페닐기가 하나의 질소 원자에 결합된 구조를 가진 화합물로, 주로 유기 반도체와 정공수송층 소재로 사용한다.

새로 개발한 신규 고분자는 정공수송층의 용매내성을 활용했다. 신규 고분자를 200℃ 이상의 온도에서 열처리해 용매내성을 부여함으로써 용액공정 중에도 정공수송층이 붕괴되지 않아 용액공정이 가능하다. 이번 연구는 TPA를 기반으로 하는 새로운 정공수송층 소재 합성 및 특성 분석에 초점을 맞춘 것으로 합성한 폴리 폴리머는 정확하게 제어한 분자량과 좁은 분자량 분포를 갖고 있다.

기존 PEDOT을 사용한 장치와 비교해 최대 휘도 1만5900 칸델라 매 제곱미터(㏅/㎡), 최대 발광 효율 4.8 칸델라 매 암페어(㏅/A)로 각각 4배, 9배 이상의 성능 향상을 보였다. 417℃의 분해 온도와 205℃의 유리 전이 온도를 보여 높은 열적 안정성을 갖고 있으며 용액 공정이 가능하기 때문에 기존의 고가 증착 공정을 대체할 수 있어 생산비용 절감 측면에서도 효율적이다. 디스플레이용 OLED 소자의 열적 안정성과 발광효율을 크게 향상시킬 수 있으며, OLED 제조 공정의 효율을 높이고 생산비용을 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

강홍규 책임연구원은 “이번 연구는 대규모 생산에 적합한 소재를 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “지속적인 연구를 통해 더욱 효율적이고 경제적인 OLED 제조 공정을 개발해 나갈 것”이라고 말했다.

왼쪽부터 강홍규 GIST 차세대에너지연구소 책임연구원, 장준호 GIST 히거신소재연구센터 박사, 강범구 숭실대학교 교수, 장우재 숭실대학교 학생.

강 책임연구원과 강 교수가 지도하고 장준호 GIST 박사와 장우재 숭실대 석사과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 개인기초연구사업(기본연구), 대학중점연구소지원사업, 나노팹활용지원사업과 GIST 차세대에너지연구소(기관고유사업)의 지원을 받았다. 연구 결과는 고분자과학 권위지 '유럽 고분자 저널'에 온라인으로 게재됐다.

광주=김한식 기자 hskim@etnews.com