2024.  1.  10.

친환경 용매를 이용한 용액공정 기반의 고색순도·고효율 OLED 구현

혁신적 다층구조 소자 제작 기술 개발

고려대 연구팀, 화학공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ 게재

□ 고려대학교(총장 김동원) 화학과 최동훈 교수와 박성남 교수가 주도하는 연구팀은 최초로 붕소 기반의 발광 재료와 친환경 용매를 활용하여 우수한 색 순도를 나타내는 고효율 용액공정 기반의 유기발광다이오드(OLED)를 개발했다.

□ 신규 발광 소재와 친환경 공정의 혁신성을 인정받은 이번 연구는 화학공학 분야 국제 저명 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’[IF:15.1, 인용순위(JCR, Journal Citation Reports): 상위 3.2%]에 2023년 12월 31일 온라인 게재됐다. 이 연구는 한국연구재단이 지원하는 대학중점연구소지원사업과 중견연구자지원사업에서 지원받아 진행되었다.

□ 일반적으로 용액공정 기반 유기 발광다이오드(OLED)에서 다층구조를 제작하는 것은 초기 박막이 후속 처리 단계에서 잠재적으로 손상될 수 있어 어려움을 겪는다. OLED 장치는 음극, 전자 주입층(EIL), 전자 수송층(ETL), 발광층(EML), 정공 수송층(HTL), 정공 주입층(HIL) 및 양극을 포함한 다층구조를 갖는다. 구체적으로 용액공정에서 각 유기 박막층의 제작을 위해 회전 코팅, 블레이드 코팅 및 인젝션 프린팅 기술과 같은 다양한 제작 방법이 사용된다. 그러나 다층 유기 박막 소자를 제조하는 데 있어서 상부층 형성 용액에 의해 이미 형성된 하부층의 박막을 팽윤 또는 용해되는 문제로 인해 많은 연구가 진행될 수 없었다. 따라서 연구자들은 이러한 문제를 해결하고 용매 관련 하부층 손상을 효과적으로 방지하기 위해 박막에 대한 직교 용매 시스템을 적용하거나, 하부층 소재를 가교 처리하여 소자에 적용했다. 이러한 특별한 구조의 소재를 사용해야 하므로 각 층을 구성하는 소재의 다양성은 매우 제한적이었다.

□ 현재까지 용액공정을 통해 유기반도체 기반 광전자소자(유기태양전지(OPV), 유기발광다이오드(OLED))를 제작할 때, 일반적으로 방향족 또는 할로겐화 용매를 주로 사용하는데, 이는 공액형 유기반도체 소재들의 유기용제에 대한 용해도를 고려해야 하기 때문이다. 그러나 이러한 용매들은 건강에 해로우며 주변 환경에도 부정적인 영향을 미칠 수 있어, 용액공정용 유기반도체를 실용화하는 과정에서 해결해야 할 중요한 문제로 남아 있다.

□ 본 연구팀은 방향족 및 할로겐화 용매를 전혀 사용하지 않고 친환경 OLED 소자를 제작하기 위해 지방족 용매에 용해되는 거대분자 형태의 혁신적인 발광 재료를 개발했다. 또한, 새롭게 도입된 전하전달층 유기반도체 고분자 또한 지방족 유기용매에 용해되어, 이들을 이용한 OLED는 매우 좁은 전계 발광 스펙트럼을 나타내어 높은 색 순도를 성공적으로 확보했다.

□ 본 연구에서는 열활성지연형광(TADF) OLED의 각 층은 정공 주입 층에는 물, 정공 수송층에는 사이클로헥사논, 발광층에는 에틸아세테이트를 사용했다. 특히 본 연구를 위한 발광체로는 BCzBN을 덴드리틱 분자 구조 3tCz에 통합하여 다중공명 TADF 신규 발광체인 BCzBN-3tCz를 사용했다. BCzBN-3tCz는 우수한 필름 형성 특성과 대역폭이 22nm인 좁은 PL 스펙트럼을 나타낸다. 결과적으로 각 층의 계면이 명확하게 관찰된 친환경 용액공정 OLED는 최대 외부 양자 효율(EQEmax)이 14.0%이고 대역폭이 30nm인 좁은 스펙트럼을 달성했다. 더욱이 추가된 TADF 감응체의 사용으로 EQEmax가 15% 이상 향상되었으며 고휘도에서의 효율 저하도 크게 개선됐다.

□ 최동훈 교수는 “여러 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 용액공정을 통한 적층 소자 제작 기술은 진공 공정 소자 제작 기술에 비해 미비한 연구가 진행되어 왔다. 그러나 진공 공정 소자 제작 기술과 함께, 향후에 필요한 주요 기술 중 하나로 간주할 것이라고 확신하며, 이를 위한 다양한 소재 기술도 확보되어야 한다고 생각한다.”라며 “특히 할로겐화 또는 방향족 용매를 사용하지 않는 친환경 적층 소자 제작 공정은 향후 OLED뿐만 아니라 용액공정용 유기반도체를 사용해야 하는 ‘전자 및 광전자 소자 기술’에서 성능과 실용화를 고려한 효율적이고 유망한 전략이 될 것이다.”라고 언급했다.

□ 더불어 본 연구진은 환경 친화 공정을 통해 다양한 형태의 스마트 웨어러블 장치 개발에도 광범위하게 적용될 것으로 전망하며 관련 연구를 진행 중이다.

이과대학 화학과 최동훈 교수 (02-3290-3140)

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