최고 효율 진청색 인광 OLED 개발-질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 고효율 진청색 인광유기발광소자 개발

최고 효율 진청색 인광 OLED 개발-질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 고효율 진청색 인광유기발광소자 개발

 

등록일 2020.06.15.

 

최고 효율 진청색 인광 OLED 개발
질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한
고효율 진청색 인광유기발광소자 개발

□ 국내 연구진이 고효율 진청색 인광 OLED를 개발하였다. 이미 형광에서 인광으로 대체된 녹색과 적색에 이어, 청색 인광OLED가 실용화될 수 있을지 기대된다. 인광은 형광보다 4배 높은 효율을 달성할 수 있다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 진성호 교수(부산대학교 화학교육과) 연구팀이 질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용하여 외부양자효율이 24%에 달하는 진청색 인광OLED를 제작했다고 밝혔다.
○ 외부양자효율은 OLED 내부에서 생성된 빛 입자가 소자 외부로 튀어 나오는 비율로, 내부양자효율(인가된 전하 개수 및 생성된 빛 입자 수의 비)과 광추출효율의 곱으로 정의한다. 즉 물질 외부로 실제 빛이 튀어나오는 비율을 의미한다. 인광 발광체를 이용한 이상적 인광OLED의 외부양자효율은 25% 수준이다.

□ 전자가 여기상태에서 바닥상태로 내려오면서 빛을 방출하는 것이 OLED의 원리인데, 적색이나 녹색에 비해 청색의 경우 여기상태와 바닥상태의 차이가 크다.
○ 때문에 에너지 차이를 구현할 수 있는 유기분자가 제한적일 수 밖에 없었고 구현하더라도 낮은 효율로 인해 실용화에는 어려움이 있었다.

□ OLED의 핵심인 발광층은 주로 주재료인 유기분자(호스트)에 소자효율과 색의 순도를 높일 수 있는 불순물(도판트)을 더한 호스트-도판트 구조이며
○ 기존에 카벤 기반 이리듐 착화합물을 도판트로 사용한 진청색 인광OLED가 보고되었으나 외부양자효율이 15% 수준이었다.

□ 연구팀은 기존 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 진청색 인광OLED의 문제점을 발광층 내부의 전자 및 정공의 농도 불균형에 의한 것이라 가정하고,
○ 도핑 농도를 조절하여 발광층의 전자와 정공의 농도 균형을 최적화함으로써 낮은 휘도 및 효율 문제를 모두 해결하였다.
※ 정공 : 전자(-)가 비어있는 상태, 즉, 전자(-)의 부족으로 인해 생긴, 양의 전하를 가진 것처럼 보이는 입자.

□ 컬러TV의 색표현 기준을 제정한 NTSC 기준색상(적색, 녹색, 청색)을 만족하는 진청색 인광OLED를 개발한 이번 연구성과가 QLED의 후면광 및 차세대 디스플레이에 활용될 수 있는 진청색 인광OLED의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 6월 9일에 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 부산대 진성호 교수>

키워드
carrier balance, concentration quenching, deep-blue phosphorescence, N-heterocyclic carbene ligands, organic light-emitting diodes
논문명
External Quantum Efficiency Exceeding 24% with CIEy value of 0.08 using Novel Carben-based Iridim Complex in Deep-Blue Phosphorescent Organic Light-Emitting Diodes
저널명
Advanced Materials
저 자
진성호 교수(교신저자/부산대), 박호열 연구원(제1저자/부산대), 마헤쉬와란 연구원(제1저자/부산대), 권장혁 교수(공저자/경희대), 김장주 교수(공저자/서울대), 김정원 박사(공저자/한국표준과학연구원), 문창기 박사(공저자/서울대), 이현하 연구원(공저자/경희대), 사리팔리 수다커 레디 박사(공저자/부산대), 비자야 고팔란 쉬리 박사(공저자/부산대), 윤지영(공저자/한국표준과학연구원)

1. 연구의 필요성
○ OLED는 넓은 광시야각, 빠른 응답속도, 높은 발광특성 및 유연한 소자 제작이 가능하다는 장점 때문에 차세대 발광소자로 관심을 받고 있다. 인광 및 형광으로 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 형광의 경우 내부양자효율이 25% 달성이 가능한 반면에 인광의 경우 내부양자효율을 100% 달성이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 따라서 유기발광소자는 형광물질에서 인광물질로 대체되고 있는 추세이다. 하지만 청색 인광OLED의 경우 여전히 매우 낮은 효율, 휘도 및 NTSC 기준색상을 만족하지 않아 실제 디스플레이 분야에 적용하기에 한계점을 지니고 있다.
○ 최근 질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 OLED에서 NTSC 기준색상을 만족하여 진청색 OLED 대한 많은 연구결과들이 발표되고 있다. 하지만 녹색 및 적색 OLED에 비해 낮은 효율 및 휘도를 보인다. 따라서 이를 해결하기 위한 연구는 반드시 수반 되어야 한다.
○ 청색 NTSC 기준색상을 만족하기 위해서는 높은 삼중항 에너지 값을 가지는 도판트가 반드시 필요하고, 도판트에서 호스트로의 역 에너지전달을 방지하기 위해 도판트보다 높은 삼중항 에너지 값을 가지는 호스트를 반드시 선택해야 한다. 하지만 높은 삼중항 에너지 값을 가지는 호스트는 극히 드물고 매우 깊은 HOMO 에너지 레벨을 가지는 호스트 선택이 불가피하다. 따라서 도판트와 호스트간의 큰 에너지 레벨 차이로 인해 엑시톤 생성 영역이 전자 전달층 또는 정공전달층 및 발광층 사이에 생성되어 효율을 감소시킨다. 따라서 이를 극복할 수 있는 호스트 개발 또는 새로운 디바이스 구조를 제안해야 한다.
※ 호스트 : 발광층의 효율을 높이기 위해 호스트-도판트 시스템을 사용하고 있으며, 호스트는 발광층 내부에서의 전하 수송을 원활히 하고 도판트로의 에너지 전달 할 수 있는 물질을 사용하는 것이 중요하다.
※ 도판트 : 발광층의 효율을 높이기 위해 호스트-도판트 시스템을 사용하고 있으며, 도판트는 에너지 손실없이 생성된 여기자를 광자로 변환하는 물질을 선택하는 것이 중요하다.
2. 연구내용
○ 대부분의 카벤 기반 진청색 이리듐 발광체는 피리딘 카벤 부분에 N-알킬(메틸 또는 에틸)이 치환된 이리듐 착화합물로 구성되었다. 하지만 강한 MLCT 특성 때문에 높은 PLQY 값을 보이지만 강한 쌍극자 특성을 가지는 호스트 물질에서 적색 편이가 발생하는 문제점이 있다.
○ 본 연구에서는 N-알킬을 부피가 큰 벤질(benzyl) 단위로 대체하여 발광특성은 변화가 없고, 높은 PLQY 값을 보일 뿐만 아니라 적색편이 현상을 감소시키는 새로운 카벤 기반 진청색 발광체를 합성하였다.
※ MLCT(Metal to ligand charge transfer) : 전하 전이를 의미하며, MLCT는 금속에서 리간드로의 전하전이를 의미한다. 인광발광체의 경우 MLCT특성이 높을수록 높은 내부양자효율을 보인다.
※ PLQY(Photoluminescence quantum yield) : 광발광 양자수율 의미하여, 흡수된 광자와 방출된 광자의 비를 의미한다.
○ 하지만 높은 PLQY에도 불구하고 20% 이하로 도핑된 OLED는 여전히 낮은 외부양자효율을 보였다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 발광층 내부의 호스트와 도판트 간의 큰 HOMO 에너지 차이로 인하여 발광층 내부에서 도판트가 정공을 트랩하고, 호스트 물질의 매우 깊은 HOMO 에너지 레벨로 인해 높은 문턱전압값을 가짐으로 인해 엑시톤 생성 영역이 정공전달층 및 발광층 사이에 생성되는 문제라고 가정을 하였다.
○ 상대적으로 얇은 HOMO 에너지 레벨을 가지는 도판트의 도핑 농도를 올려 문턱전압을 낮추고 HOMO 에너지 레벨 차이로 발생하는 트랩현상을 억제하여 엑시톤 형성 영역을 발광층 중심으로 옮기면서 24%의 외부양자효율을 달성하였다.
○ 기존 발표된 연구에 따르면 호스트-도판트 시스템에서 도핑 농도는 20%이하로 도핑하는 것이 정설로 받아지고 있는데 이는 높은 도핑 농도에서 농도소광 현상이 발생하기 때문이다.
○ 하지만 본 연구에서는 20%이상 도핑농도에도 불구하고 농도소광 현상 없이 이론적으로 얻을 수 있는 최고효율을 달성하였다. 이를 설명하기 위해 본 연구에서는 도핑농도에 따른 단일 전자 및 정공디바이스를 제작하여 문턱전압에 대하여 평가하였으며, 농도소광 현상이 인접한 분자간의 간섭에 의한 소광이 아닌 도핑 농도에 따라 문턱전압 변화 및 전자와 전공의 농도 불균형으로 인한 것이라고 밝혔으며, 농도소광에 대한 이해도를 높였다.

3. 연구성과/기대효과
○ 기존의 진청색 인광OLED의 낮은 외부양자효율에 대한 문제점을 정확히 이해하고 이를 해결하였다. 농도소광 현상에 대한 이해도를 높였으며, 결과적으로 세계 최초로 높은 전계발광특성 및 NTSC 청색 기준색을 만족할 뿐만 아니라 높은 외부양자효율을 달성한 진청색 인광OLED를 개발하였다.
○ OLED는 이미 국내에서 세계 최고 수준의 기술을 축적하고 있지만 여전히 진청색 인광OLED는 해결해야할 과제들이 많이 남아있다. 본 연구에서 개발된 진청색 인광 OLED가 차세대 디스플레이 분야를 발전시킬 수 있는 기회가 되길 기대한다.

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그림 설명

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(그림1) 개발된 진청 이리듐 발광체와 광발광스펙트럼
(a) 본 연구에서 개발 및 합성된 이리듐 발광체의 분자구조
(b) 비극성 및 극성매질에 따른 광 발광스펙트럼
(제공 : 부산대 진성호 교수)

 

a

b

(그림2) 개발된 소자의 구조 및 도핑농도에 따른 외부양자효율
(a) 본 연구에서 개발된 OLED 디바이스 구조
(b) 도핑농도에 따른 외부양자효율

(제공 : 부산대 진성호 교수)

용어 설명

○ 인광OLED(phosphorescence organic light-emitting diode) : 스스로 빛을 내는 인광 발광체를 이용, 전기에너지를 빛에너지로 변환하여 색을 표시하는 방식의 디스플레이 소자.

○ 형광OLED(Fluorescence organic light-emitting diode) : 스스로 빛을 내는 형광 발광체를 이용, 전지에너지를 빛에너지로 변환하여 색을 표시하는 방식의 디스플레이 소자

○ 헤테로고리 화합물 : 두 종류 또는 그이상의 원소의 원자(탄소∙질소∙산소∙황 등)에 의해 고리가 구성된 고리화합물

○ 카벤 : 중성의 탄소 원자가 두 개의 비공유 전자를 갖고 있는 분자.

○ 외부양자효율 : 생성된 빛 입자가 소자 외부로 실제로 튀어나오는 비율. 즉 내부양자효율과 광추출효율의 곱으로 정의.

○ 내부양자효율 : 주입된 전하당 발광되는 빛의 입자 수의 비

○ CIEx,y,z : 가시광선 내의 모든 색상을 색좌표 x(적색,), y(녹색), z(청색)로 나타낸 색도분포표. x, y 색도표를 주로 사용하며, x+y+z의 값은 항상 1이기에 x, y와 값으로 z의 값을 확인할 수 있다.

○ NTSC 기준색상 : 미국 TV방식위원회(National Television Systems Committee)가 1953년 컬러 TV의 색표현 기준을 제정하기 위해 설정한 영역으로, CIEx,y 색좌표에서 녹색 (0.21,0.71), 적색(0.67,.33), 청색(0.14,0.08)을 의미한다.

○ 삼중항 : 다전자원자나 분자에서 전자 전체가 갖는 스핀각운동량의 양자수의 합(합성스핀각운동량 양자수 S)이 1인 상태이다. 이때 다중도 (2S+1)은 3이 되어 삼중항상태라고 한다. 물질의 들뜬상태의 성질을 이해하는데 중요한 역할을 하며, 에너지 이동이나 광화학반응의 메커니즘을 설명할 때에도 사용된다.

○ 발광층 : 전자와 정공이 결합하여 빛을 내는 층

○ 농도소광 : 발광분자의 농도 상승에 의한 소광현상

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구실의 기본적인 연구주제는 유기전자 소자이며 OLED의 형광/인광, 정공전달, 전자전달, 호스트 물질을 수 십 년간 개발한 노하우로 이 연구에서 진청색 인광발광체 물질을 개발하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

현재 적색 및 녹색 발광체는 형광발광체에서 인광발광체로 대체되었다. 하지만 진청색 인광 OLED 연구는 많이 진행되고 있음에도 불구하고 NTSC 기준색을 만족하지 않거나, 만족하더라도 낮은 효율 또는 낮은 전계발광효율 등 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 이를 해결하기 위해 많은 진청색 인광발광체가 개발되고 있지만 여전히 적색 및 녹색 인광 발광체로 비해 낮은 효율을 보인다. 본 연구팀은 NTSC 기준색 뿐만 아니라 높은 외부양자효율 및 전계발광특성을 모두 만족하는 진청색 인광OLED를 개발하였다. 뿐만 아니라 높은 농도에서 발생하는 농도소광에 대한 기존의 틀을 깨부수었으며, OLED발광층 내부에서의 작동 메커니즘에 대한 이해도를 높였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

진청색 OLED는 QLED 후면광이나 OLED 등 차세대 디스플레이에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 세계 최초로 NTSC 기준색, 높은 외부양자효율 및 높은 전계발광특성을 만족하는 진청색 인광OLED를 개발하여 실용화 가능성을 확인하였다. 하지만 여전히 낮은 수명 등으로 인해 실용화에 한계점을 가지고 있다. 따라서 디바이스 수명을 개선하는 연구는 반드시 이루어 져야한다. 본 연구실은 진청색 인광OLED의 수명을 개선하기 위한 후속연구를 계속 진행할 예정이다.