전기및전자공학부 유승협 교수와 서울대학교 재료공학부 김장주 교수, 경상대학교 화학과 김윤희 교수 공동연구팀이 56%의 효율을 가지는 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode, OLED) 소자를 개발했다. 이번 연구는 지난 8월 10일 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 온라인판에 게재되었다.

여러 요인으로 효율 낮아졌던 OLED

 OLED는 스마트폰을 포함한 여러 전자기기 디스플레이의 광원으로 활용되는 소자이다. OLED의 음극과 양극에 전압을 걸면 각 극에서 소자 내부로 전자와 정공이 이동한다. 전자와 정공이 각각 전자 수송층과 정공 수송층을 통과한 후 유기 물질로 이루어진 발광층에서 결합하고, 이 결합으로부터 광자가 발생한다. OLED는 크게 두 가지 요인에 의해 효율이 낮아지는데, 첫째는 전자와 정공이 결합하였음에도 광자가 발생하지 않는 경우이고, 두 번째는 소자 내부에서 발생한 광자가 외부로 방출되지 못하는 경우이다. 광자가 외부로 방출되기 위해서는 유기층과 기판을 통과해야 한다. 하지만, 유기층, 기판 그리고 공기 순으로 굴절률이 낮아 각 층의 굴절률 차이에 의해 몇몇 광자들이 전반사되며 이로 인해 일부 광자가 소자 내부에 갇히게 된다.

소자 설계에 복사열 전달 이론 활용

 전자와 정공이 결합하였음에도 광자가 발생하지 않는 문제는 기술의 발전으로 거의 해결되었다. 하지만, 광자가 외부로 방출되지 못하는 문제는 현재까지 해결되지 않고 있으며 OLED의 효율을 20~30% 수준으로 크게 저하하기 때문에 반드시 개선이 필요하다. 따라서 이를 극복하기 위한 다양한 시도가 이루어졌다. OLED 소자 외부에 큰 반구형 렌즈를 부착하거나 소자 내부에 입체 구조를 도입하는 방법을 사용하면 기존 LED에 필적할만한 높은 효율을 얻을 수 있지만, 이는 산업적으로 응용하기에는 너무 복잡하고 비효율적인 방법이었다.

 연구팀은 나노 입자 기반의 광 추출 필름*을 소자 외부에 부착하여 한계를 극복했다. 기존의 연구와 달리, 이번 연구에서는 수학적인 분석을 통해 소자 내부 및 광 추출 필름이 가져야 할 조건을 예측하여 그 효율을 높였다. 연구팀은 천체물리학 연구에 주로 사용되는 계산 기반 이론인 복사열 전달 이론**(Radiative Transfer Theory, RTT)을 활용함으로써 빠르게 최적의 구조 및 조건들을 탐색할 수 있었다.

최적 조건 가지는 물질로 소자 구현해

 더 나아가, 연구팀은 이렇게 예측한 최적의 조건들을 바탕으로 실제 소자를 제작하여 높은 효율을 구현하였다. OLED의 효율을 높이기 위한 최적 조건을 찾더라도 그에 해당하는 소자를 실제로 구현하는 과정에는 상당한 어려움이 존재하는데, 공동연구팀이 개발한 Ir(dmppy-ph)2 등의 물질을 사용함으로써 이를 해결할 수 있었다. 이렇게 만들어진 OLED 소자는 기존 LED와 유사한 수준인 56%의 효율을 나타냈다.

 이번 연구는 시뮬레이션을 통해 소자 전체를 설계하였다는 점에서 기존 연구와 차별화된다. 또한, 이론적인 계산에 그치지 않고 실제로 고효율의 OLED 소자를 구현하였다는 의의가 있다. 유 교수는 “이번 연구에서는 산업적 응용 가능성이 높은 OLED 소자를 개발하였다”며, “조명이나 차량용 광원 등 다양한 분야에서 OLED가 사용될 수 있는 초석을 마련하였다”고 이번 연구의 중요성을 강조했다.

광 추출 필름*

나노 입자들을 포함하고 있어, 빛이 충돌 후 산란하는 필름.

복사열 전달 이론**

에너지가 전자기파의 형태로 전달되는 물리 현상에 관한 이론.