최대 외부 양자효율 15.8% 기록…기존 PVK 적용 소자 대비 수명 12배 향상
숭실대학교 연구진이 차세대 디스플레이 소자로 주목받는 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)의 효율과 구동 수명을 동시에 높일 수 있는 새로운 고분자 소재를 개발했다.
숭실대학교(총장 이윤재)는 화학공학과 강범구 교수와 신소재공학과 박민호 교수 공동 연구팀이 용액공정 PeLED에 적용할 수 있는 새로운 정공 수송층(HTL) 고분자 소재를 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 고분자과학 분야 국제학술지 'European Polymer Journal'에 온라인 게재됐다.
PeLED는 페로브스카이트 결정 구조의 반도체를 발광층으로 사용하는 소자다. 높은 색순도와 함께 소재의 조성을 조절하는 것만으로 발광 파장을 바꿀 수 있어 차세대 디스플레이 기술로 연구되고 있다.
PeLED는 여러 기능성 층을 쌓아 만드는 다층 구조다. 이 가운데 정공 수송층은 정공 주입층(HIL)과 발광층(EML) 사이에서 정공을 발광층으로 전달한다. 정공 이동도와 에너지 준위에 따라 발광층 내 전자와 정공의 균형이 달라져 소자의 발광 효율과 구동 수명에 영향을 미친다.
연구팀은 정공 수송 특성을 가진 트리페닐아민(triphenylamine) 그룹을 곁사슬에 도입한 단량체를 음이온 중합 방식으로 정밀 합성했다.
특히 π-공액 길이가 서로 다른 두 종류의 단량체를 설계하고 영하 30℃에서 2분 만에 중합을 완료했다. 이를 통해 분자량과 분자량 분포를 정밀하게 제어한 고분자를 합성하는 데 성공했다.
개발한 고분자는 열적 안정성과 용매 내성도 갖췄다. 이에 따라 정공 수송층을 손상시키지 않으면서 그 위에 발광층을 형성할 수 있어 용액공정 방식의 PeLED 제조에 적용할 수 있었다.
실제 소자 적용 결과 기존 정공 수송 소재인 PVK(Poly(9-vinylcarbazole))를 사용한 소자보다 정공 주입 장벽이 낮아지고 정공 수송 특성이 향상됐다. 이에 따라 외부 양자효율과 전류효율도 개선됐다.
특히 π-공액 길이가 긴 고분자를 적용한 PeLED는 최대 외부 양자효율(EQE) 15.8%를 기록했다. 구동 수명은 기존 PVK를 적용한 소자와 비교해 약 12배 늘어난 것으로 나타났다.
연구팀은 이 같은 성능 개선이 정공 수송 특성과 에너지 준위 정렬을 개선한 동시에 고분자의 트리페닐아민 구조가 페로브스카이트 발광층 계면의 결함을 안정화했기 때문으로 분석했다. 계면 결함 안정화로 빛을 발생시키지 않는 비발광 재결합이 억제됐으며, 연구팀은 광발광(PL)과 시간분해 광발광(TRPL) 분석을 통해 이를 확인했다.
강범구 교수는 “이번 연구는 정밀 음이온 중합을 통해 분자량 및 분자량 분포가 제어된 정공 수송 고분자를 합성해 PeLED의 정공 수송 특성과 발광층 계면 특성을 동시에 개선했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.
이어 “앞으로 정공 수송 고분자의 분자 구조와 에너지 준위를 더욱 정밀하게 제어해 고효율·고안정성 차세대 발광소자용 소재 개발에 주력할 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구는 강범구·박민호 교수의 지도 아래 김준모·이예지 학생이 제1저자로 참여했다. 한국연구재단(NRF)의 대학기초연구소지원사업(G-LAMP), 대학중점연구소지원사업, 모아팹시설활용지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
권상희 기자 shkwon@etnews.com
