기계공학전공 윤홍석 박사는(지도교수 양민양) 유기발광다이오드(Organinc Light-Emitting Diode, 이하 OLED)를 대기 중에서 고분자용액으로 제조하는 기술을 개발했다. 이 기술은 OLED 생산단가를 크게 낮출 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 물리학회지 <어플라이드 피직스 레터스> 온라인 판에 게재되었으며, 해당분야의 프론티어 연구를 소개하는 저널 <버추얼 저널>에도 선정되었다.

자체적으로 발광해 얇은 두께와 선명한 화질 보여

OLED는 유기물로 만들어진 전자소자로서 전기를 가해주면 자체적으로 발광한다. 우리가 알고 있는 휴대폰의 디스플레이로 사용되는 AMOLED가 바로 OLED로 만든 것이다. OLED는 자체발광소자이므로 디스플레이뿐만 아니라 조명, 싸인, 자동차계기판 등 다양한 용도로 쓰일 수 있다. 또한, OLED는 LCD의 백라이트 유닛 등의 광원이 필요하지 않아 더 얇은 디스플레이 구현이 가능하다. 또한, 발광물질이 고유의 색상을 가지고 있어 더욱 선명한 화질을 제공해 디스플레이 산업체의 주목을 받고 있다.

전자의 에너지방출 이용해 빛을 낸다

일반적으로 OLED 기판은 음극, 전자주입층, 전자수송층, 발광층, 정공주입층, 양극 순으로 이루어진 기능성층으로 되어 있다. 먼저 음극에서 나온 전자는 전자주입층으로 이동한다. 전자주입층은 LiF, CsF, Cs2CO3 등과 같은 알칼리 또는 알칼리토금속으로 이루어져 있는데, 이들은 산화력이 강해 전자가 높은 에너지 준위를 갖도록 한다. 따라서 발광소자의 효율을 높이는데 반드시 전자주입층이 필요하다. 전자주입층을 통해 높은 에너지를 갖은 전자는 통로역할을 하는 전자수송층을 지나 발광층으로 이동한다. 마지막으로 발광층에 도달한 전자는 정공주입층에 있는 양극으로부터 주입된 낮은 에너지 준위의 정공과 결합해 그 에너지차이만큼의 빛을 낸다.


생산효율, 비용 면에서 불리한 증착법

OLED를 구성하는 기능성층이 이 같은 작업을 수행하기 위해서는 각 층의 표면에 물질을 매우 얇은 박막형태로 입혀야 한다. 기존 OLED의 박막제조는 진공증착법을 이용했다. 이는 기판을 천장에 달고, 증기형태의 물질을 기판에 쐬어주어 표면에 증착시켜 박막을 입히는 방법이다. 일반적으로 전자주입층에 입혀야 하는 알칼리, 알칼리토금속 물질들은 대기 중에서 반응성이 커 고진공상태에서 작업해야 한다. 하지만, 작업실을 진공환경으로 만드는 데는 비용과 시간이 많이 들어 기판의 크기가 커질수록 생산효율이 떨어진다. 또한, 쐬어준 증기는 다른 곳까지 날아가 버려 재료가 낭비된다는 단점이 있다.

알칼리, 알칼리토금속 용액제조 어려워

용액공정을 이용하면 이러한 문제들을 해결할 수 있다. 일반적으로 용액공정은 단순히 기판에 용액상태의 재료를 필요한 만큼 부어 얇게 펴서 바르는 방법이다. 그러나 알칼리, 알칼리토금속을 액체 상태로 제조하는 것이 어려워 실용하지 못했었다.

계면쌍극자를 이용해 용액공정을 실현

윤 박사는 이러한 문제를 해결하고자 산화아연 나노입자 용액과 암모늄 이온용액을 이용한 전자수송, 주입 복합구조를 고안했다. 산화아연 나노입자와 암모늄이온 복합층에 존재하는 암모늄 이온은 전극을 걸어주면 발광층과 음극 사이에서 전기장에 따라 정렬해 계면쌍극자(Interface Dipole)를 형성한다.(아래 그림) 이는 발광층과 음극층의 표면에 전위를 형성해 전자의 에너지 준위를 높여주어 기존의 알칼리, 알칼리토금속의 역할을 대신할 수 있다. 또한, 이 물질들은 대기 중에서 안정해 용액공정에 적합하다.

OLED 생산단가 크게 낮출 것으로 기대

윤 박사는 “이번 연구는 OLED를 더 효율적으로 생산할 수 있는 계기가 되었다”라며 “우선 OLED를 이용하여 차세대 조명을 구현하는데 기여할 것으로 예상되며, 저분자용액 등 소재개발이 뒷받침되면 디스플레이 분야에도 적용될 수 있을 것이다.”라고 말했다.