로오딘이 산학협력을 통해 2년 전 삼성디스플레이 연구 성과를 뛰어넘는 청색 OLED 인광 소자 연구 결과를 세계적 학술지에 발표했다. 로오딘은 올해 상반기 실험 데이터를 확보했다고 밝힌 '에너지 전달거리 제로화' 방식 청색 OLED와 이번 청색 OLED 인광 소자 연구 결과를 결합한 논문도 내년 초 발표할 계획이다.
청색 유기발광다이오드(OLED) 스타트업 로오딘 오형윤 대표는 홍익대와 가천대, 단국대 교수진과 함께 연구한 청색 인광 OLED용 발광재료와, 이를 이용한 초고효율-장수명 소자 연구 결과(Superbly Efficient and Stable Ultrapure Blue Phosphorescent Organic Light-Emitting Diodes with Tetradentate Pt(II) Complex with Vibration Suppression Effect)를 재료공학 분야 세계적 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials, IF=27.4)에 최근 발표했다고 23일 밝혔다.
현재 적·녹·청 OLED 서브 픽셀 중 적색과 녹색은 내부발광효율이 100%인 인광 소자를 적용 중이지만, 청색은 내부발광효율이 25%인 형광 소자 사용에 그치고 있다. 청색 형광 소자를 인광 소자나 열활성지연형광(TADF) 소자로 바꾸면 효율을 높일 수 있다. 하지만 청색 인광 소자는 그간 효율과 색순도, 수명 등에서 문제점을 드러냈다. 2년 전인 2022년 삼성디스플레이 연구진이 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics)에 발표한 청색 인광 재료 'BD-02' 성능이 가장 좋았다.
오형윤 대표 등은 이번에 어드밴스드 머티리얼즈에 등재된 자신들의 청색 OLED 인광 소자 연구 결과가 기존 삼성디스플레이 연구진의 BD-02보다 효율과 색순도, 수명 모두 개선됐다고 강조했다. 김태경 홍익대 교수는 "많은 기관들이 삼성디스플레이가 발표한 BD-02보다 우수한 특성을 얻으려 연구했고, 그간 BD-02보다 색순도가 좋거나, 효율이 높은 연구가 보고되기도 했다"면서도 "이번 우리 논문처럼 색순도와 효율, 수명 등 3가지를 모두 개선한 연구 결과는 없었다"고 밝혔다.
강선우 단국대 교수는 "이번 연구는 BD-02 재료를 구성하는 기본 골격 내에서 카바졸(carbazole) 작용 그룹(moiety)에 스피로플루오렌(spirofluorene)이란 작용 그룹을 도입하는 분자 디자인을 구현한 것"이라고 설명했다. 해당 분자 디자인은 카바졸의 진동 모드를 억제하고, 안정성을 높일 수 있다. 강 교수는 "카바졸의 특정 위치에 스피로플루오렌을 축합한 분자 구조 형태는 이번이 처음"이라며 "카바졸 5·6번 위치에 새로운 유기 구조체를 도입해 합성하는 방법은 기술 난도가 높고, 단파장을 만들기 어렵다고 평가받아왔다"고 밝혔다. 이어 "카바졸 5·6번 자리가 에너지 면에서 가장 문제가 없다는 결론이 나왔다"며 "구조 특허를 확보했다"고 부연했다.
이번 연구 결과는 올해 상반기 로오딘이 실험 데이터를 확보했다고 밝혔던 '에너지 전달거리 최소화' 접근법과 결합할 수 있다. 오 대표는 상반기 "분자 간 에너지 전달반경을 '제로'(0)로 만든 여기자 호스트(발광층)·도판트(발광체) 단일 분자(ZRIET) 메커니즘이 TADF 방식과 인광 방식 모두에서 실험 데이터를 확보했다"고 밝힌 바 있다. 인광이나 TADF 방식은 분자 내에서 에너지가 발생하는 현상을 이용한다.
오 대표는 "두 방법을 결합하기 위한 전 단계가 이번 논문"이라며 "과도기 단계 연구이지만, 이번 연구 결과만으로도 성과가 있다고 판단해 논문을 우선 제출했다"고 밝혔다. 이어 "두 방식을 결합하기 위한 방법을 현재 연구 중이고, 내년 초에는 관련 논문으로 제출할 계획"이라고 덧붙였다.
양산 가능성에 대해 홍완표 가천대 교수는 "에너지 전달거리 최소화 방법과 이번에 개발한 청색 인광 발광체를 조합해 색순도와 효율, 수명이 개선된 재료가 개발되면 양산 면에서도 충분한 경쟁력을 갖출 것"이라고 기대했다. 이어 "이번 연구는 에너지 전달거리 최소화를 실현할 수 있는 분자 구조 기초 설계를 완성했다는 점, 그리고 새로운 재료들을 합성할 길을 열었다는 점에서 의미가 크다"고 부연했다.
아래는 오형윤 로오딘 대표, 김태경 홍익대 교수, 홍완표 가천대 교수, 강선우 단국대 교수와 진행한 인터뷰 내용이다. 인터뷰는 지난 20일 오후 로오딘 사무실에서 열렸고, 이날 참석하지 못한 홍완표 교수는 서면으로 답변을 추가로 받았다.
Q. 로오딘과 홍익대, 가천대, 단국대 연구팀은 올해 상반기에 "에너지 전달거리를 최소화한 방식의 청색 OLED 연구와 관련해, TADF와 인광 방식 모두에서 실험 데이터를 확보했다"고 밝혔다. 이번에 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials)에 등재된 논문은 어떤 내용인가?
A. (김태경 홍익대 교수) 이번 연구는 청색 인광 OLED 소자 자체에 관한 것이다. 많은 기관에서 청색 인광 OLED를 연구하고 있다. 삼성디스플레이가 지난 2022년 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics)에 발표한 청색 인광 소자 'BD-02'가 대표적이다. 많은 기관들이 BD-02보다 우수한 특성을 얻기 위해 연구해왔다. 그간 BD-02보다 색순도가 좋거나, 효율이 높은 연구가 보고되기도 했다. 하지만, 이번 논문처럼 색순도와 효율, 수명 등 3가지를 모두 개선한 연구 결과는 없었다. 이번 연구는 BD-02보다 색순도와 효율, 수명 3가지 요소 모두를 개선했다.
Q. 그간 공개된 자료 중 2022년 발표된 삼성디스플레이의 'BD-02'가 가장 우수한 재료였다면, 이번 연구 성과를 BD-02와 비교해달라.
A. (오형윤 로오딘 대표) 2022년 삼성디스플레이가 네이처 포토닉스에 발표한 BD-02는 학계에 보고된 백금(Pt) 기반 청색 인광 재료 중 특성이 가장 우수했다. 백금 기반 청색 인광 재료는 분자 구조 특성 상 재료의 발광 스펙트럼에 메인 피크(main peak, 주된 색을 결정)뿐만 아니라 서브 피크(sub-peak)가 발생한다. 서브 피크는 스펙트럼의 색순도를 떨어뜨린다. 이번 연구에서는 BD-02 재료에 기반을 두고, 구조 튜닝을 통해 서브 피크 세기를 크게 줄여서 더 선명한 청색 스펙트럼을 획득했다. 동시에 외부양자효율과 구동 수명까지 향상된 결과를 얻었다.
Q. BD-02를 어떻게 개선한 것인가?
A. (강선우 단국대 교수, 홍완표 가천대 교수) BD-02 재료를 구성하는 기본 골격 내에서 카바졸(carbazole) 작용 그룹(moiety)에 스피로플루오렌(spirofluorene)이란 작용 그룹을 도입하는 분자 디자인을 구현했다. 해당 분자 디자인은 카바졸의 진동 모드를 억제하고, 안정성을 높이는 효과가 있다. 카바졸의 특정 위치에 스피로플루오렌을 축합한 분자 구조적 형태는 이번이 처음이다. 카바졸 5·6번 위치에 새로운 유기 구조체를 도입해 합성하는 방법은 기술 난도가 높고, 단파장을 만들기 어렵다고 평가받아왔다. 카바졸 5·6번 자리가 에너지 면에서 가장 문제가 없다는 결론이 나왔다. 합성법 확보까지 6개월이 걸렸다. 구조 특허를 확보했다. 처음 논문 제출 후 국내외에서 합성법 문의를 많이 받았다. 당초 논문에는 합성법을 기술하지 않았는데, 문의가 많아서 논문에도 합성법을 기술했다.
Q. 최근 청색 인광과 TADF 연구는 탠덤 방식 연구도 활발한 것 같다. 이번 연구 결과물은 단층 방식인가 탠덤 방식인가?
A. (김태경 홍익대 교수) 단층 구조 2개, 탠덤 구조 1개를 논문에 소개했다. 단층 구조는 인광과, TADF 도판트 방식(최종 발광은 형광 도판트)을 사용했고, 탠덤 구조에선 인광 소자만 사용했다. 수명은 단층 소자에선 37%, 탠덤 소자에선 65% 증가했다.
Q. 이번 논문에서 외부양자효율이 50%를 넘었다고 밝혔다. 무슨 의미인가?
A. (강선우 단국대 교수) 외부양자효율이란 외부에서 주입되는 전하가 OLED 안에서 광자(빛)로 변환돼, 그 중 외부로 추출되는 정도를 나타내는 수치다. 일반적으로 청색 인광 OLED의 경우 외부양자효율이 20~25% 수준이다. 이번 연구에서 외부양자효율을 극대화하기 위해 탠덤 구조를 적용했다. 일반적으로 단일 발광층을 가진 소자 효율이 탠덤 OLED가 되더라도 정확하게 2배로 늘어나진 않는다. 이번 연구에서는 단일 발광층 소자 효율 2배를 달성해 효율 손실을 없앴다.
Q. 이 재료가 가지는 기술 중요도를 말해달라.
A. (오형윤 로오딘 대표) 청색 인광 OLED는 구동 수명이 매우 짧다. 그래서 현재 스마트폰과 태블릿, TV 등에는 내부발광효율이 25%에 불과한 청색 형광 OLED 소자가 사용된다. 발광효율이 낮으면 화면을 켜는 것 자체로도 배터리 소모가 크다. 고효율과 장수명을 지원하는 청색 OLED 상용화가 중요하다. 이번 연구는 발광효율을 높여 배터리 소모를 줄이는 '효율', OLED 열화에 따른 번인을 줄이는 '장수명', 전면발광 방식에서 스펙트럼 손실을 최소화하는 '색순도' 등에서 의의가 있다.
Q. 미국 UDC의 인광 특허는 회피할 수 있나?
A. (오형윤 로오딘 대표) UDC의 원천 특허는 만료됐다. 현재는 물질 특허만 남아있다. 이번 방식은 자체적으로 특허 확보가 가능하다고 판단한다. 청색 인광 문제를 빠르게 해결하기 위해서 협업을 고려하고 있다.
Q. 상반기에 실험 데이터를 확보했다고 밝혔던 '에너지 전달거리 최소화' 방법과, 이번 연구는 시너지 효과를 기대할 수 있나?
A. (오형윤 로오딘 대표, 김태경 홍익대 교수) 두 방법을 결합하기 위한 전 단계가 이번 논문이라고 보면 된다. 과도기 단계의 연구이지만, 이번 연구 결과만으로도 성과가 있다고 판단해서 논문을 우선 제출했다. 현재 두 방식을 결합하기 위한 방법을 연구 중이고, 내년 초에는 관련 논문으로 제출할 계획이다.
Q. 양산 가능성은 어떻게 보나?
A. (홍완표 가천대 교수) 에너지 전달거리 최소화 방법과 이번에 개발한 청색 인광 발광체를 조합해 색순도와 효율, 수명이 개선된 재료가 개발되면 양산 면에서도 충분한 경쟁력을 갖출 수 있을 것이다. 이번 연구 결과는 에너지 전달거리 최소화를 실현할 수 있는 분자 구조의 기초 설계를 완성했다는 점, 그리고 새로운 재료들을 합성할 길을 열었다는 점에서 의미가 크다.
Q. 논문 작성자를 소개해달라.
A. (오형윤 로오딘 대표) 홍익대 정보디스플레이공학과 박사과정의 이학준 학생과 박부배 학생이 공동 1저자다. 박부배 학생은 로오딘 소속 최고기술책임자(CTO)다. 로오딘 소속 논문 작성자는 오형윤 대표(교신저자)와 문민식 연구원, 한가람 책임(공동저자) 등이다. 김태경 홍익대 교수와 강선우 단국대 교수, 홍완표 가천대 교수 등도 교신저자다.
김태경 교수는 삼성디스플레이 재직 당시 청색 인광 프로젝트 리더로서 연구를 수행한 이력이 있다. 강선우 교수는 해당 프로젝트 멤버였다. 로오딘과 가천대, 단국대, 홍익대 등이 참여하는 공동연구 프로젝트명은 '더 블루 랩'(The Blue Lab)이다. OLED 청색 발광 재료를 연구하고, OLED 소자의 광-전기물리 특성을 연구해 효율을 개선하고 수명을 늘리는 재료·소자 엔지니어링을 연구한다. 이번 연구는 산업통상자원부의 전자부품산업기술개발사업(OLED 한계돌파형 상용화 제품을 위한 기술개발)의 지원을 받았다.
디일렉=이기종 기자 [email protected]
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