항생제 사용한 고성능 전면발광 유기광전소자 개발

류승윤 교수팀 연구결과, 재료분야 세계적 저명 학술지 'Advanced Materials' 표지로 선정

▲ 왼쪽부터 디스플레이·반도체물리학부 류승윤 교수(교신저자), 김동현 대학원생(제1저자), 이창민 대학원생(제1저자)

디스플레이·반도체물리학부 류승윤 교수 연구팀이 항생제를 사용한 고성능 전면발광 유기광전소자 개발에 성공했다. 해당 연구 결과는 재료 과학 분야 상위 1%의 세계적 저명 학술지인 ‘Advanced Materials’(IF 32.086)의 Vol 34, issue 32 표지 논문으로 선정됐다.

유기 발광 소자(OLED)는 뛰어난 장치 성능과 특성을 기반으로 스마트폰, TV, 등 점차 넓은 분야에 사용되고 있다. 여러 연구자들은 디스플레이 및 조명 응용 분야의 최적 후보 소자로서 OLED의 외부 양자 효율(EQE)를 증가시키기 위해 많은 연구를 진행해왔다.

현재 수평 배향 발광물질의 사용, 광학적으로 도파관이나 기판 모드를 억제, 전기적으로 전도성과 전하 주입을 향상하는 등 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있다. 특히 정공 주입/수송 층, 하위 양극구조, 산란층, 고굴절율 물질의 사용 등이 있다.

최근 낮은 캐리어 이동성과 광 발광 양자 수율을 갖고 있는 유기 발광 물질을 개선하기 위한 방법중 하나로써 유기 반도체 단결정 (Organic semiconducting single crystals: OSSCs)을 구현함으로써 높은 이동성이나 높은 광 발광 양자 수율과 같은 특성을 확보할 수가 있다.

류승윤 교수팀은 이번 연구를 통해 항생제 물질인 Ampicillin을 기반으로 유기 반도체 단결정과 같은 개선 방법을 새로운 형태로 융합 구현하여 유기광전소자의 획기적인 효율 향상을 유발하는 Amp-MSs를 만들어 냄을 규명했다.

PEDOT:PSS의 특성 조절에 대한 본 연구는 캐리어 주입, 계면 쌍극자 생성 그리고 전도도 및 광추출을 동시에 향상시키기 위해 쌍극자 모멘트가 큰 (30.28 Debye) Ampicillin 항생제가 선택되었는데, Ampicillin에서 pH 에 따른 수평/수직 계면 쌍극자 정렬 및 응집체에 의한 발광 현상에 대해 류승윤 교수 연구팀은 2019년 중견 연구를 통해 Communications Physics, 2:130, 1-13에 “The Effect of Introducing Antibiotics into Organic Optoelectronic Devices”의 이름으로 광전소자에 항생제를 사용한 사례를 처음으로 보고했다.



▲ 전도성 고분자와 항생제 혼합 미세구조
전도성 고분자에 암피실린 항생제를 합성하는 방법에 대한 화학 모식도이다. 전도성 고분자인 PEDOT:PSS 물질과 항생제인 암피실린의 합성을 통해 미세구조를 형성할 수 있다.

* 암피실린(Ampicillin) : 각종 감염  예방 및 치료에 사용되는 베타락탐계 항생제.
* 전도성 고분자 : 전기가 통하는 유기물 고분자. 본 연구에서는 PEDOT:PSS를 칭한다.

류승윤 교수팀은 이후 중견 후속 연구를 통해 Ampicillin 기반 OLED의 효율과 안정성 편차를 줄이고 발전시키기 위해 최적 농도를 기준으로 열처리 온도를 바꿔 효과적으로 효율과 안정성을 획기적으로 발전시켰다. 열처리 온도와 더불어 항생제에 의해 다양한 크기와 모양 (α-/β-phase)의 Amp-MSs는 서로 다른 energy state를 가진 Amp-MSs로 합성됐다.

Amp-MSs에 의해 향상된 OLED소자는 평균 63.4%의 외부 양자 효율을 가졌다. 효율 향상은 크게 3가지로 이뤄졌는데, 첫번째 Amp-MSs는 광산란에 의해 도파관 모드를 억제하고 광추출을 향상시켜 17.0%의 외부 양자 효율 향상이 이뤄졌다. 두번째로는 OLED 발광층에서 생성된 빛이 Amp-MSs에 흡수 및 발광하는 Radiative Energy Transfer 현상을 동반하여 Photoluminescence 현상을 발생시켰으며 세번째로 Amp-MSs에 정공과 전자 주입으로 인한 Electroluminescence 현상이 발생하여 13.7%에 달하는 외부 양자 효율 향상이 이뤄졌다. 추가적으로 Amp-MSs에 의한 효과로는 계면 쌍극자 생성에 의한 전하 주입 균형 향상과 J-aggregation으로 인한 적색 편이 현상으로 인해 색재현율이 향상되었다. 또한, 항생제에 포함한 나튜륨 이온이 황화 나튜륨등의 막을 형성하여 ITO 투명전극의 인듐 이온의 확산을 저지하는 효과를 발생시키는 것을 확인하였다.



▲ 미세구조의 에너지 재활용 광방출 방식
전도성 고분자와 암피실린으로 구성된 미세구조는 주입되는 빛에너지와 전기에너지를 재활용하여 발광할 수 있고, 옆으로 새는 빛을 반사시켜 불필요한 에너지 낭비를 줄일 수 있다. 이를 고효율의 유기전계발광소자 구현이 가능하다.



류승윤 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 결과적으로 63.4%에 달하는 외부양자효율을 가진 유기발광소자를 구현하여 포화된 광전소자의 효율에 대해 발전 가능성이 남아있음을 확인했다.

이것은 정공주입층에 항생제를 융합하여 활용함으로써 발광층을 2층이상으로 구성하는 Tandem 구조와 비슷한 수준의 효과를 발생시켜 경제적/시간적 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 향후 printing electronics와 같은 차세대 디스플레이 제작 기술에 응용 및 적용될 수 있다는 시사점을 남긴다.

이번 연구로 Amp-MSs에 의해 광산란, 광발광과 같은 광재활용(Photon-harvesting) 현상과 동시에 Amp-MSs 자체의 전계발광 및 산란으로 인한 전하재활용(Carrier-harvesting) 현상을 하나의 유기발광소자에서 발생하는 메커니즘을 분석 제시함으로써 새로운 형태의 광전소자 구현이 가능할 것으로 예상된다.

또한, 항생제와 광전소자와의 융합이 효과적으로 이뤄졌기에, 항생제의 사용 용도에 대한 새로운 이정표를 제시할 수 있을 것으로 보이며, 고성능 광전자/바이오 전자소자에 대한 개발을 촉진할 것으로 기대되고 있다.

류승윤 교수는 “연구의 시작은 ‘전도성 폴리머 수용액과 항생제 수용액이 섞이면 어떻게 될까?’라는 단순한 호기심에 연구가 시작됐다. 연구재단의 지속적인 지원 아래 중견, 중견 후속 등의 6년간의 연구를 통해 연구적 성과를 창출할 수 있었다”라고 말했다. 이어 “이번 연구로 차세대 유기 발광 다이오드 소재 기술을 창출함으로써 미래형 디스플레이 산업에 필요한 첨단 소재 기술을 개발할 것이다”라고 앞으로의 계획을 전했다.

이번 연구의 제1저자인 김동현 대학원생은 “연구진들의 연구 열정과 더불어 지도교수님의 세심 어린 연구 지도 덕분에 해당 연구를 지속 해올 수 있었다”라며 “연구 당시 열처리 조건을 개선하며 실험 재현성을 확보하고 마침내 효율 향상의 메커니즘을 규명했을 때가 가장 기억에 남는다”라고 소감을 밝혔다.

제1저자 이창민 대학원생은 “항생제와 전도성 폴리머의 새로운 조합은 굉장히 흥미로운 주제였다고 생각한다”라며 “박사과정에 진학한 이후 본격적으로 연구에 참여하여 당시 밝혀지지 않았던 메커니즘을 함께 규명할 수 있게 돼 영광스럽다”라고 소감을 전했다.



▲ 표지논문 선정
"Efficient Photon Extraction in Top-Emission Organic Light-Emitting Devices Based on Ampicillin Microstructures", Advanced Materials, (2022) 2202866

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)