[기계신문] 유기전계 발광소자는 뛰어난 장치 성능과 특성을 기반으로 스마트폰, 텔레비전 등 점차 넓은 분야에 사용되고 있다. 여러 연구자는 디스플레이 및 조명 응용 분야의 최적 후보 소자로써 유기전계 발광소자의 외부 양자효율을 증가시키기 위해 많은 연구를 진행해왔다.
최근 국내 연구진이 항생제 물질인 암피실린을 기반으로 유기 반도체 단결정에 준하는 미세구조 형성을 통하여 유기전계 발광소자의 획기적인 효율 향상을 유발하였다.
고려대학교 디스플레이반도체물리학과 류승윤 교수 연구팀이 항생제 기반 미세구조 합성을 통해 유기전계 발광소자의 효율을 높일 수 있는 원천기술을 확보했다.
최근 탄소중립을 위한 에너지 사용의 고효율성이 대두되고 있어, 높은 전력효율을 가지는 디스플레이 소자 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
특히 유기전계 발광소자는 무한대의 명암비와 풍부한 색 재현율 그리고 높은 전력효율 특성을 기반으로 스마트폰, 차량용 디스플레이뿐만 아니라 증강현실용 디스플레이 등 넓은 분야에서 잠재력을 인정받고 있다.
하지만 유기전계 발광소자의 효율을 최대한 증가시키기 위해서는 이중, 삼중으로 소자를 결합하거나 별도의 미세 패턴 기판을 사용하는 등 복잡한 공정을 거쳐야 한다는 한계가 있었다.
이에 연구팀은 암피실린(Ampicillin) 항생제와 전도성 고분자를 합성하여 수용액 기반의 미세구조를 구현했고, 이를 디스플레이용 소자에 적용해 유기 태양전지, 페로브스카이트 및 양자점 광전소자와 같은 다양한 소자에 적용할 수 있음을 확인하였다.
또한, 소자 내부에 만들어진 암피실린 미세구조는 전기에너지와 빛에너지를 효율적으로 재활용하여 소자 스스로 빛을 낼 수 있게 하며, 전반사로 인해 방출되지 못하고 소자 안에 갇히는 빛에 대한 광 추출 또한 용이하게 만들어 효율 향상을 극대화하였다.
* 전반사 : 굴절률이 높은 매질에서 작은 매질로 향해 빛이 입사할 때, 빛이 굴절하지 않고 전부 반사되어 버리는 현상
이는 스마트폰, TV 등 디스플레이의 전력 소모를 절감시켜 배터리 사용 시간을 늘리고 디스플레이 자체의 수명을 연장하는 효과로 이어질 수 있다.
류승윤 교수는 “디스플레이뿐만 아니라 태양광 전지, 양자점 광소자 등 다양한 분야에서 사용 가능한 정공주입층으로써의 활용 가능성을 검증한 것”이라며 “의료 분야에서 사용되는 항생제와 전자소자 종류 중 하나인 유기전계 발광소자의 융합이 항생제 용도의 새로운 이정표를 제시하였고, 고성능 광전자와 바이오 전자소자 개발 등을 촉진할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
* 정공주입층 : 유기전계 발광소자 내에서 P형 반도체 역할을 하는 층으로 전압에 의해 정공주입층의 정공과 전자주입층의 전자가 발광층에서 만나 결합하여 빛이 발생
이번 연구에서는 63.4%에 달하는 고효율을 가진 유기발광소자를 구현하여 포화된 광전소자의 효율에 대해 발전 가능성이 남아있음을 제안하였다.
미세구조에 의해 광산란, 광발광과 같은 광재활용 현상과 동시에 미세구조 자체의 전계발광 및 산란으로 인한 전하재활용 현상을 하나의 유기발광소자에서 발생하는 메커니즘을 분석·제시함으로써 새로운 형태의 광전소자를 구현하였다.
특히 디스플레이 공정에 잉크젯, 프린팅 방식이 화두가 되는 상황에서 수용액 기반의 단순하고 새로운 항생제 혼합법을 통해 다양한 공정에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 중점연구소지원사업으로 수행된 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 7월 12일 온라인 게재되었고, 정식출간본 표지 논문으로 선정되었다.
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