경희대가 청색 인광 유기발광다이오드(OLED)의 수명 저하 원인을 규명했다.
경희대는 김태경 화학공학과 교수 연구팀이 청색 인광 OLED의 수명 특성을 소재 단계에서 진단·예측하는 통합 분석 체계를 제시했다고 22일 밝혔다. 연구팀은 소재 조합에 따라 소자 수명이 최대 5배 차이 나는 원인도 확인했다.
OLED 디스플레이는 적색·녹색·청색 빛을 조합해 화면을 구현한다. 적색과 녹색 인광 OLED는 고효율·장수명 기술이 상용화 단계에 올라섰지만, 청색 인광 OLED는 짧은 수명 때문에 기술적 과제로 남아 있다.
청색 인광 OLED는 같은 계열 소재를 사용해도 소자별 수명 편차가 크게 나타났다. 그러나 소재 특성이 실제 구동 과정에서 어떤 방식으로 수명 저하로 이어지는지 설명할 분석 방법은 제한적이었다.
연구팀은 이 차이를 추적하기 위해 시간분해 광발광(TRPL) 분석과 수학적 모델링을 결합했다. 이를 통해 호스트 물질 안에서 엑시톤이 손실되지 않고 다시 빛으로 전환되는 비율인 '엑시톤 재활용률'(ERR)을 정량화했다.
구동 중 발생하는 열화 요인을 확인하기 위해 자기-전기발광(MEL) 분석도 적용했다. 실제 전류가 흐르는 OLED 소자에 자기장을 걸어 엑시톤 거동을 관찰하고, 전하와 엑시톤 충돌로 발생하는 삼중항-폴라론 소광(TPQ) 등 분자 수준의 손실 요인을 구분했다.
두 분석을 종합한 결과, 호스트 소재의 엑시톤 재활용 능력이 엑시플렉스(Exciplex) 상태보다 높을 때 엑시톤이 소자 내부에 쌓이지 않고 효율적으로 소비되는 것으로 나타났다. 이 조건을 충족한 소재 조합에서는 청색 인광 OLED 수명이 늘었고, 조합에 따라 최대 5배 차이를 보였다.
이번 분석 체계는 장시간 소자 구동 실험에 앞서 소재 단계에서 수명 특성을 진단하는 데 활용할 수 있다. 연구팀은 청색 인광 OLED 소재 선별 과정에서 반복 실험에 드는 시간과 비용을 줄일 수 있을 것으로 봤다.
김태경 교수는 “소자마다 성능 차이가 있다는 사실은 알려져 있었지만, 그 원인을 들여다볼 방법이 부족했다”며 “이번 연구는 청색 인광 OLED의 수명을 가늠할 수 있는 일종의 현미경을 마련한 것”이라고 말했다.
연구 결과는 국제학술지 'Advanced Functional Materials' 온라인판에 게재됐다.
용인=김동성 기자 estar@etnews.com
