삼성전자-이화여대, OLED 청색 소자 수명저하 이유 밝혀내

디스플레이 기술 ‘난제’인 청색 인광 소재 열화 메커니즘 증명

수명 수십배 늘릴 수 있는 새로운 에너지 결합 구조 해법 제안

OLED 청색 인광 소재가 전자의 이동 때문에 불안정해지고, 이 때문에 성능저하를 일으키는 열화를 일으킨다는 개념도.ⓒ삼성전자

디스플레이 기술 ‘난제’인 청색 인광 소재 열화 메커니즘 증명
수명 수십배 늘릴 수 있는 새로운 에너지 결합 구조 해법 제안

삼성전자 종합기술원 연구진은 이화여대 화학신소재공학부 유영민 교수 연구팀과 유기발광다이오드(OLED) 블루 인광 소재의 수명 저하를 가져오는 열화 메커니즘을 최초로 증명하고 이를 개선할 수 있는 소재 설계 방법을 제안했다고 25일 밝혔다.

이 기술이 상용화된다면 현재 적·녹·청 발광 3원색 중 청색만 인광이 아닌 형광소재를 사용하고 있는 OLED의 수명과 성능을 혁신적으로 늘릴 수 있게 된다.

형광은 유기 화합물이 전기적으로 에너지 준위가 상승될 때 형성되는 4종의 전자-정공 쌍 중 1종(일중항)만 빛으로 변환돼 변환 효율이 25%에 불과하다. 인광은 형광에서는 변환이 되지 않는 3종(삼중항)이 빛으로 변환될 뿐 아니라 일중항까지 삼중항으로 전이, 빛으로 변환해 변환 효율이 100%에 이른다.

이 연구 결과는 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인에 게재됐다.

OLED는 자체 발광이 되는 유기 화합물로 화면이 밝고 명암비가 우수한 동시에 소비 전력도 적은 장점을 가지고 있다.

하지만 이미 고효율 인광 소재가 상용화된 적색·녹색과 달리 청색 인광은 짧은 수명 때문에 상용화되지 못해 형광 소재를 쓰고 있고 따라서 수년 이상 장기간 사용하기에는 적합하지 않다는 지적이 있다.

연구진은 청색 인광의 소재 분해 경로를 분석하던 중, 인광 구성 요소 간의 전자 전이 과정에서 형성된 전하 분리종이 열화를 가속시킨다는 메커니즘을 확인했다. 이는 청색 인광 소재가 적색, 녹색보다 왜 그렇게 빨리 수명이 단축되는지를 최초로 과학적으로 증명한 연구다.

전하 분리종은 전기적 극성이 없던 분자가 주변 분자로부터 전자를 얻거나 잃으면서 성질이 변한 상태로 일종의 상태 변이종을 말한다.

연구진은 나아가 전하 분리종 소멸 속도에 따라 최대 수십 배까지 수명 차이가 발생하는 것을 확인했고, 전하 분리종을 최대한 빨리 소멸시켜 수명을 늘릴 수 있는 소재 결합 구조도 제시했다.

이번 공동 연구에 참여한 인수강 삼성 종합기술원 전문연구원은 “향후 추가 연구를 통해 열화를 최소화할 수 있는 청색 인광 소재를 찾고 이를 실제 시스템까지 적용하는 것이 최종 목표”라고 말했다.

유영민 이화여대 교수도 “청색 OLED 소자 수명이 짧은 원인을 설명하는 새로운 화학 메커니즘을 제시한 데에 의의가 있다"며 "이 메커니즘은 나아가 유기 트랜지스터 등 다른 전자 소자의 수명을 이해하는 데에 요긴하게 쓰일 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 삼성전자 종합기술원은 삼성SDI와 녹색 인광 소재를 개발해 지난 2014년부터 삼성 갤럭시 스마트폰에 적용해 왔다. 또 모바일 제품용 청색 인광 소재 기술을 확보하기 위해 2015년부터 분자 광학분야 전문가인 유영민 이화여대 교수 연구팀과 협력을 진행해 왔다.