고려대학교 화학과 최동훈 교수 연구팀이 OLED(유기발광다이오드) 제조 공정을 단순화하면서도 성능을 크게 향상시킬 수 있는 '단일분자 엑시플렉스 호스트' 기반의 차세대 신소재를 세계 최초로 개발했다고 6일 밝혔습니다.
연구 성과는 재료과학 분야에서 권위있는 학술지인 'Advanced Functional Materials(IF=19.0, JCR 상위 4.5%)' 온라인에 지난달 28일 게재됐습니다.
논문명은 'Two-in-One Molecule as a Single-Molecule Exciplex Host for Enhancing Solution-Processed TADF-OLED Performance'이며, 관련 기술은 지난달 대한민국 특허청에 출원됐습니다.
일반적으로 고성능 OLED 구현을 위해서는 도너, 억셉터, 발광체 세 가지를 정밀하게 조합한 엑시플렉스 기반 발광층이 필요합니다.
엑시플렉스는 두 분자가 만나면서 에너지를 방출하고 그 에너지가 빛으로 나타나는 현상을 말합니다. 도너는 빛을 만들기 위해 전자를 내어주는 분자를, 억셉터는 도너가 내어준 전자를 받아들이는 분자를 뜻합니다.
이들을 동시에 혼합해 박막을 형성하고 각각의 농도를 정밀하게 조절해야 하는 복잡한 공정이 요구되는데, 이러한 방식은 대량 생산이나 제품 간 성능 편차 등의 한계를 지녀왔다고 연구팀은 측은 전했습니다.
연구팀은 이러한 문제를 극복하기 위해 도너와 억셉터의 역할을 하나의 분자 안에 모두 통합한 단일분자 엑시플렉스 호스트 소재를 새롭게 설계했다고 밝혔습니다.
해당 분자를 사용하면 발광층 구성에 필요한 소재가 기존 3종에서 2종으로 줄어 공정이 훨씬 간단해진다며, 이 소재를 적용한 OLED 소자는 기존 대비 약 30% 향상된 성능을 기록하는 등 구조의 단순화와 성능 개선을 동시에 달성했다고 전했습니다.
연구팀은 이 분자의 작동 원리를 더욱 정확히 규명하기 위해 첨단 분자동역학(분자의 움직임과 작용을 컴퓨터로 확인하는 기술) 시뮬레이션과 정밀한 실험 분석을 병행한 결과, 소자 간 성능 편차가 매우 작아 대량 생산에도 안정적인 품질을 유지할 수 있음을 밝혀냈습니다.
최동훈 고려대 화학과 교수는 "이번 연구는 기존 OLED 제조 방식의 구조적 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 기술적 돌파구를 제시한 것"이라며, "다층·다성분으로 구성된 기존 소자를 단순화할 수 있는 새로운 재료 설계 개념을 제안했다는 점에서 의미가 크다"라고밝혔습니다.
이번 연구 성과는 대형 디스플레이, 플렉시블 디바이스, 웨어러블 전자기기 등 다양한 분야로의 확장이 가능할 것으로 연구팀은 내다봤습니다.
또 국내 연구진이 처음부터 끝까지 독자적으로 개발한 순수 국내 기술로, 국가 핵심기술 자립화에 크게 기여할 것이라고 덧붙였습니다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 이공계 대학중점연구소 지원사업 및 중견연구자지원사업, 그리고 LG디스플레이-고려대학교 산학협력센터의 산학 인큐베이션 과제의 지원을 받아 수행됐습니다.
