새로운 논문으로 알아본 OLED 기술과 차세대 재료 [교과서로 과학뉴스 읽기]
금속 줄이고 ‘빛’을 빨리 없애는 게 관건
인하대 연구진, 하이브리드 구조로
기존 한계 극복한 새로운 재료 개발
국내 연구진이 OLED에 쓰일 수 있는 새로운 발광재료를 개발했다는 논문이 나왔습니다. ‘유기발광다이오드’를 뜻하는 OLED는 전기 에너지를 빛으로 바꾸는 디스플레이 기술입니다.
유기물 반도체에 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 원리를 이용하는데요, 새로운 ‘발광재료’의 의미가 무엇인지, 그리고 이러한 재료가 훗날 OLED 산업을 어떻게 바꿀 수 있는지 차근차근 살펴보도록 하겠습니다.
OLED 디스플레이는 최근 그 활용도가 빠르게 확대되는 추세입니다. OLED는 LED와 비교했을 때 더 선명한 색상을 제공합니다. 또한 에너지 소비량도 크게 줄일 수 있으며 각 픽셀이 자체적으로 빛을 내는 구조인 만큼 ‘백라이트’가 필요하지 않습니다.
따라서 LCD 대비 단순한 설계가 가능하고 그만큼 얇게 만들 수 있습니다. 또한 높은 명암비, 더 깊은 블랙을 표현할 수 있어 OLED는 스마트폰 TV 등 분야에서 ‘고급’ 제품에 주로 사용되고 있습니다. 유연한 기판에 구현할 수 있어서 곡면 디스플레이, 폴더블 디바이스에도 사용할 수 있고요. 다만 제조 과정이 복잡하고 원가가 높다는 단점이 있습니다.
OLED의 ‘현재’에 대해 조금 더 쉬운 설명을 해보겠습니다. OLED가 전기를 빛 에너지로 바꾸는 데는 두 가지 방식이 있습니다. 1세대를 ‘형광 방식’이라고 하는데, 전체 에너지의 25%만 빛으로 바꿀 수 있습니다. 다만 안정적이고 오래 쓸 수 있어요. 2세대는 ‘인광 방식’입니다. 전체 에너지의 75%를 빛으로 바꿀 수 있어 효율적인데, 특별한 금속 물질이 필요합니다. 또한 이 물질은 쉽게 망가질 수 있고요. 특히 ‘청색’ 빛을 내는 물질은 더 쉽게 망가집니다.
따라서 현재 OLED는 빨간색과 초록색은 효율이 좋은 인광방식으로, 파란색은 효율은 떨어지지만 안정적인 형광 방식을 결합해서 사용하고 있습니다. 인광은 “성능은 좋지만 잘 망가지는 스포츠카”라고 볼 수 있고 형광은 “성능은 조금 떨어지지만 튼튼한 보통 자동차”라고 보면 될 것 같아요.
이러한 이유가 나타나는 원인은 이렇습니다. 빛을 빨리 내려면 전자가 빨리 움직여야 합니다. 그런데 새로운 물질은 가벼운 전자(탄소, 산소, 질소)로 되어 있는데 이 전자들은 천천히 움직입니다. 결국 이를 상용화하는 데 어려움이 있었습니다.
연구진은 이유를 이렇게 설명합니다. 유기물질이 산소와 특별한 방식으로 결합하면 2차원 반도체와 안정적으로 붙어있을 수 있고, 이렇게 되면 전자들이 빠르게 움직인다는 거죠. 이러한 방식이 중요한 이유, 간단합니다. 비싼 금속을 쓰지 않고도, 빠르게 반응할 수 있는 인광 물질을 만들 수 있음을 확인한 만큼 앞으로 더 저렴하고 효율 좋은 디스플레이를 만들 수 있는 방안을 찾은 겁니다. 쉽게 설명하면 비싼 재료 대신에 저렴한 재료를 특별한 방식으로 조합, 더 좋은 성능을 내는 방식을 찾은 겁니다.
현재 OLED 소재에는 백금, 이리듐과 같은 값비싼 금속 원소가 사용됩니다. 제작도 어렵고 가격도 비쌉니다. 설상가상, 관련 특허는 미국 기업 UDC가 독점하고 있는 분야이기도 합니다. 연구진은 이러한 성과들이 향후 디스플레이 소자에 적용될 경우 새로운 형식의 디스플레이 소자 구현이 가능할 것으로 기대하고 있습니다. 또한 LCD 디스플레이와 비교했을 때 값비싼 OLED 디스플레이 대부분을 차지하는 소재 부문에도 이바지할 수 있을 것으로 전망하고 있어요. 이러한 원천 연구가 지속돼 OLED 산업에서 한국의 기술력이 경쟁력을 확보하고, 유지해 나갈 수 있기를 기대해 봅니다.
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