김태근 최동훈 교수팀, 내구성 및 기계적 안정성이 뛰어난 

‘용액공정 기반의 차세대 유연 유기 발광다이오드' 개발
다양한 형태의 웨어러블 소자구현 및 효율 향상에 크게 기여할 것으로 기대

국제 저명 학술지인 Nano Energy, 2023년 1월 게재

▲ (왼쪽부터)김태근 교수 (교신저자), 최동훈 교수(교신저자) 김나현 석박사통합과정 (제1저자), 황진효 박사 (제1저자)

전기전자공학부 김태근 교수와 화학과 최동훈 교수가 이끄는 연구팀은 메쉬 구조의 금속 도핑된 유연 투명 전극을 적용하여 차세대 유연 유기발광다이오드(OLED)의 광학 효율 및 기계적 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심기술을 개발했다. 이에 유연 전극, 유기반도체 및 용액공정 기술 발전에 따른 다양한 전자 및 광전자 소자의 개발이 가능해졌다.

이번 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 해당 분야 국제 저명 학술지인 Nano Energy [IF:19.069, 인용순위(JCR, Journal Citation Reports): 상위 5.07%]에 2023년 1월 게재됐으며, 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 리더(창의)연구사업, 대학중점연구소지원사업과 LG 디스플레이지원으로 수행되었다.

- 논문명 : Work-function-tunable metal-oxide mesh electrode and novel soluble bipolar host for high-performance solution-processed flexible TADF-OLED
- 저자 : Nahyun Kim (제1저자), Jinhyo Hwang (제1저자), Ho Jin Lee, Na Yeon Kwon, Jin Young Park, Chang Woo Koh, Min Ju Cho, Sungnam Park, Dong Hoon Choi (교신저자), Tae Geun Kim (교신저자)

최근 유연 광전자 소자 측면에서 OLED나 태양전지 소자들이 소형화되고 유연성을 요구하기 때문에 전극은 투과도와 전기전도도를 유지하면서 유연성과 함께 기계적 내구성을 지녀야 한다. 뿐만 아니라 새로운 발광물질에 대한 개발 필요성 또한 대두되고 있어 많은 연구가 진행되고 있다.

※ 디스플레이와 각종 광전자소자의 전극 소재로는 전도도와 투명도가 우수한 인듐주석산화물 (ITO)을 많이 사용하지만 선천적인 취약성으로 인해 반복해서 구부리면 쉽게 손상되는 단점이 있다.

연구팀은 기계적 유연성을 높이기 위해 메쉬 구조의 전극을 사용하였으며, 전기적인 특성을 고려하여 전도성 산화물인 인듐아연산화물(IZO)에 금속 (Ni) 이온을 전극 표면에 국부적으로 도핑 하였다. 이를 통해 박막의 높은 투과도는 유지하면서 면저항을 감소시키고, 일함수를 5.2eV까지 증가시켜 양전극으로서 성능을 높였다. 그 결과 구부림에 취약한 ITO를 대체하고, 유연성과 기계적 내구성을 향상시킨 OLED 디스플레이용 투명 전극을 개발하는데 성공하였다.

개발된 메쉬 구조의 Ni 도핑된 인듐 아연 산화물(mNIZO) 유연투명전극과 CzCN-tCz 호스트를 사용한 녹색 TADF OLED의 구조

 (왼쪽)와 5 mm에서 0 - 2000번의 벤딩시험에 따른 휘도감소 변화 결과 (오른쪽)

개발한 전극은 도핑을 통해 전기전도도와 투과도, 일함수 조절을 가능하게 할 뿐만 아니라 유연한 특성을 동시에 최적화한 것으로 특히 Ni 금속(불순물)을 투명전극 표면에 확산, 박막의 전기, 광 특성을 독립적으로 제어할 수 있는 간단한 co-sputtering 도핑방법을 사용하여 공정과정을 단순하게 한다는 것이 큰 장점이다.

게다가 연구팀은 종래에 진공증착 방식의 청색 열활성 지연형광 OLED의 호스트 물질로 널리 사용되는 mCBP-CN의 구조를 참고하여, mCBP-CN 물질의 고유 특성은 유지하면서 유기용제에 대한 용해도를 크게 증가시킨 새로운 양극성 호스트 물질인 CzCN-tCz을 개발하였다.

그림2) 굽힘 상태에서의 OLED 발광 이미지

개발된 메쉬 구조의 Ni 도핑된 인듐 아연 산화물(mNIZO) 유연투명전극과 CzCN-tCz 호스트를 사용한 poly(ethylene 2,6-naphthalate) 기반의 유연 TADF OLED는 20% 이상의 최대 외부 양자 효율을 보였으며, 특히 곡률 반경 5 ㎜에서 2000회 구부려도 초기 휘도의 80% 이상을 유지하는 매우 높은 기계적 내구성을 데모하는데 성공하였다.

본 연구의 결과는 간단한 용액공정을 통해 저비용, 고효율의 플렉서블 디스플레이 구현을 가능하게 하고 더 나아가 다양한 형태의 웨어러블 소자구현 및 효율 향상에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

커뮤니케이션팀: 최원석(won7301@korea.ac.kr)