높은연색지수, 낮은발열량지닌백색 OLED 연구 경희대유기광소자연구실 책임자 권장혁 주소 서울동대문구회기동 1 번지경희대푸른솔문화관 111 호정보디스플레이학과 전화 02) 961-0971 팩스 02) 968-6924 임인재객원기자 / mimohhh@naver.com 2013. 09 화학세계 33
신진선도연구기관 경희대유기광소자연구실 ( 책임자권장혁 ) 은고효율장수명유기전계발광소자 (Organic Light Emitting Diodes, 이하 OLED) 및이의재료개발로주목받고있는곳이다. OLED 는유기반도체재료를이용한발광소자로디스플레이에서 LCD 에비해뛰어난화질을지니고있어 차세대디스플레이 라고불리며또한 LED 를대체할차세대조명이라고불리고있다. 그러면차세대조명용백색유기전계발광소자 (OLED) 의장점은무엇일까. 첫째, 중금속 ( 수은, 납등 ) 을사용하지않는친환경적인기술이라는것이다. 둘째백열등, 형광등, LED 등과달리다양한형태로면광원의제작이가능하고, 제작할때추가적인공정이나부품이사용되지않는다. 무엇보다백색 OLED 는높은연색지수 (Color Rendering Index, CRI) 를가지고있어눈에자극을주지않을뿐만아니라다양한색상을구현할수있다. 그리고전압이적게들고발열량또한적기때문에에너지가절감되는 일석이조 의효과를지니고있다. 하지만이때까지의연구에서는높은연색지수와색안정성을지니며에너지효율이높은소자의개발이부족했다. 이에유기광소자연구실은색안정성과연색지수를향상시키기위한기술개발에주목했다. 최근연구실은발광층과세가지색 ( 적색, 녹색, 청색 ) 을이용해구동전압상승시에도색변동이거의없고, 연색지수가우수한백색 OLED 기술을개발했다. 이연구성과는우수성과독창성을인정받아 오가닉일렉트로닉스 (Organic Electronics) 2013 년 4월호논문에게재되었다 [Organic Electronics 14 (2013) 1183-1188]. 또연구실은에너지효율과색안정성이높은백색 OLED 를구현하기위해소재기술개발연구를수행했다. 이결과빠른전하이동도를가지며발광층내에서전하의균형을잘유지할수있는재료를발굴했다. 연구실은이재료를활용해고효율, 저전압구동의소자를제작했고서로다른색의단일소자를전하생성층 (Charge generation layer, CGL) 으로연결하여단일소자효율의합을갖는고효율백색 Tandem OLED 제작에성공했다 [J. Mater. Chem. C, 2013, 1, 5008]. 권장혁교수는 현재앞서개발한기술들을활용해저전압, 고효율, 높은연색지수등을갖는백색 OLED 를실제로사용화를위한연구를수행중이며국내대기업과공동개발을하고있다 고설명했다. 그림 1. 백색 OLED 시제품 ( 출처 : 노바 LED) 고해상도대형디스플레이개발연구 유기전계발광소자 (OLED) 는얇게제작이가능하고뛰어난색감과고화질의이미지재현, 높은휘도와명암비등의특 성을지니고있어디스플레이소자로각광받고있다. OLED 는현재삼성전자 갤럭시 S 시리즈 에성공적으로적용이되고 있으며 LCD TV 등대형디스플레이에도적용되고있다. 하지만대형디스플레이의경우화소패터닝 (patterning) 의어 34 화학세계 2013. 09
려움으로수율이낮아시장가격이높게형성되는문제점이있다. 현재 OLED 를제작할때가장널리쓰이는방법은새도마스크 (shadow mask) 를이용한열증착방식이다. 이방식의장점은소형기기를제작할때마스크 (mask) 가처지는현상이나타나지않는다는것이다. 하지만기판이대형화가될수록마스크가처지게되어고해상도의정밀한화소형성이어려워진다. 이에유기광소자연구실은기존의화소형성방법을대체할수있는전사방식의화소형성기술을개발중이다. 최근까지전사방식의화소형성기술이적용된 27.3 인치아몰레드 (AMOLED) TV [ 그림 2] 가개발되었으나기존증착방법 [ 그림 3] 에비해낮은성능을갖는다. 이에연구실은현재 100 μm크기의패터닝기술과소자성능을확보하기위해연구중이다. 그림 2. 열전사방식화소형성기술이적용된 AMOLED TV 그림 3. 현재출시된 55 inch 곡면형 OLED TV ( 출처 : 삼성 ) 한편 OLED 가디스플레이로활용되기위해서는 LCD TV처럼화소를켜는데스위치역할을하는박막필름트랜지스터 (TFT) 가필요하다. 현재까지 OLED 가내는빛이 TFT 기판을통과하면실제요구하는화소의밝기를내기위해더높은밝기를내야하는문제점이있었다. 이로인해더높은전류를흘러보내야했고 OLED 의수명이감소되는결과를초래했다. 이문제점을해결하기위해서는 OLED 가내는빛이 TFT 기판을통과하지않는구조가필요하다. 이러한구조를 전면발광소자 라명명할수있다. 전면발광소자는 OELD 의수명이짧아지는점을극복할수있다. 또, 전면발광소자는색조절이뛰어나이를디스플레이에적용했을때색감이높게나타난다. 그림 4. ( 좌 )TFT 기판을통과하는발광방식으로빛의손실이생긴다. ( 우 )TFT 기판을통과하지않아빛의손실이적은방식 ( 출처 : sony) 소형기기의교체시기가 2년이내인것에비해대형기기인 TV는교체시기가 5년이상이다. 이를감안한다면긴수명의소자발굴이필요하다. 이에유기광소자연구실은높은효율과긴수명을가지는 50 인치이상의디스플레이에필요한유기전계전면발광소자에대한연구를진행중이다. 권장혁교수는 높은효율과긴수명을갖는유기재료를발굴해소자를제작하고있다 며 전면발광구조가색조절이용이한점을이용해색이선명하며전력소모가적은소자개발에중 2013. 09 화학세계 35
신진선도연구기관 점을두고있다 고밝혔다. 현재연구실이제작한소자의수명은 5 만시간정도이다. 스마트윈도우디스플레이 (Smart window display) 소자연구 OLED 는 LCD 에비해뛰어난색감을가지고있으며여러가지어플리케이션에도적용이가능하다. 스마트윈도우 (Smart window) 는 OLED 를투명하게만들수있는점을활용한것이다. 스마트윈도우는유리같이투명한창위에원하는화면을 띄울수있는디스플레이장치이다. 평소에는유리창으로사용하다가원할때 TV 모니터로활용할수있다. 이것이제대로 작동하기위해서유리창이평소에는투명하다가원할때는검은색으로변해야한다 이에유기광소자연구실은투명한 OLED 를연구하고있으며이를검은색으로표현할수있는방법또한연구하고있다. 일반적으로 OLED 는양극, 유기물층, 음극으로이루어져있는데, 양극은투명하지만음극은투명하지않아그대로스마트윈도우에적용하기어렵다. 그리고음극을투명하게만들더라도 OLED 가빛을효율적으로발광하지못하는경우가있다. 이와같은문제를해결하기위해유기광소자연구실은음극이투명하면서빛이효율적으로발광되는 OLED 를제작했다. 이연구성과는국제디스플레이학회인 더소사이어티포인포메이션디스플레이 (The society for information display) 에서소개되기도했다. 연구실은구체적으로스마트윈도우에서검은색을표현하는장치로전기변색소자를연구하고있다. 일반적으로전기변색소자는산화환원반응에의해서색이달라지며산화환원반응은소자에가해준전압을이용해서조절이가능하다. 권장혁교수는 전기변색소자는전압을가하지않았을때는투명했다가전압을가해주면검은색으로변하는특성을가지고그림 5. Smart Window 예시있다 고설명했다. 광활성층과전극접촉특성개선한유기태양전지 유기태양전지는신재생에너지원으로서전세계적으로연구가진행되고있는분야이다. 유기광소자연구실은태양전 지분야에대해연구를진행하고있다. 특히연구실은고효율유기태양전지개발연구에중점을두고있다. 일반적인유기태양전지는광활성층에서빛을흡수해이를전기로변환시킨다. 하지만유기물의특성상흡수할수있는빛의양이한정되어있고빛이전기로전환되는과정에음극서많은에너지가손실된다. 이에광흡수량을증가시켜높은효율을갖는 탠덤구조의태양전지 가주목받고있다. 탠덤태양전지는두개의단위태양전지를직렬로연결해흡수하는빛의파장영역을넓히고광흡수량을광활성층증가시킨다. 기존유기태양전지에서는광활성층과전극이맞닿는부분에서에너지손실이발생했다. 하지만탠덤태양전지는광활성층에기능층을추가해에너지손실을줄일수있다. 양극유기광소자연구실에서는신규소재및소자구조의그림 6. 태양전지의일반적인구조와원리 36 화학세계 2013. 09
개발을통해빛이전기로변환되는효율을향상시키는연구를수행중이다. 탠덤태양전지는두개의태양전지를연결시켜주는접합층의구성에따라서효율이크게달라지기때문에연구실은고분자를이용해접합층을제작하는연구를진행했다. 권교수는 이연구는태양전지가연결되는부위에서에너지가손실되는것을최소화하는연구 라고밝혔다. 또한, 기능층으로적용가능한물질을개발해유기태양전지에적용하고광활성층과전극의접촉특성을개선해높은효율의유기태양전지를제작했다 [J. Mater. Chem. A, 2013,1, 6895-6900]. 참고문헌 1. Small single-triplet energy gap bipolar host materials for phosphorescent blue and white organic light emitting diodes, Journal of Materials Chemistry C 1, 5008-5014 (2013) 2. Highly Efficient Red Phosphorescent Dopants in Organic Light-Emitting Devices, Advanced Materials 23, 2721-2726 (2011) 3. Solution-processed bulkheterojunction organic solar cells with high polarity small molecule sensitizer, Solar Energy Materials & Solar Cells 95, 2069-2076 (2011) 4. Ideal host and guest system in phosphorescent OLEDs, Organic Electronics 10, 240-246 (2009) 5. Small molecule interlayer for solution processed phosphorescent organic light emitting device, Organic Electronics 10, 189-193 (2009) 6. Efficient simple structure red phosphorescent organic light emitting devices with narrow band gap fluorescent host, Applied Physics Letters 92, 113308 (2008) 경희대유기광소자연구실권장혁 경희대학교유기광소자연구실은 OLED는전압을흘려주면자체적으로빛을내는자체발광형으로화면의물체를더욱실제처럼보이게합니다. 가격이비싸다는단점때문에널리상용화되지못하고있지만이것이해결되면 OLED의가능성은무궁무진합니다 유기광소자연구실을이끌고있는권장혁교수는 OELD 는가능성이많은분야 라며 화학전공자였기때문에이분야에더욱쉽게접근할수있었다 고밝혔다. 권교수는경북대화학과를졸업한뒤한국과학기술원 (KAIST) 화학과에서석사및박사학위를취득했다. 그후삼성 SDI ( 現삼성디스플레이 ) 에 11년간재직하면서우리나라아몰레드 (AMOLED) 의상용화에크게기여하였고, 2005 년부터경희대정보디스플레이학과에재직중이다. 그는현재까지 SCI 급학술지논문에 90여편을게재했으며, 국내외학술대회에서는 100 여편의논문을발표했다. 그리고국내외특허등록 100 여건, 기술이전 1건의연구성과를보여주었었다. 수상경력으로는 2006 년특허기술상충무공상, 2008 년 Merck Award(IMID 학회우수논문상 ), 2011 년 Dow Chemical Award 를수상했다. 그리고 KIDS( 한국정보디스플레이학회 ) 학회이사및연구회위원, IMID(International Meeting on Information Display) 학회 OLED 분과위원, SID(Society for Information Display) 학회 OLED 분과위원, 대한화학회산학협동부회장, JID(Journal of Information Display) 논문편집위원, 한국광전자학회지편집위원등으로활동하고있다. 현재연구실에는현재박사과정학생 4명, 석사과정학생 6명이연구를수행중이며, 졸업생들은국내외 OLED 산업계로진출해이분야의발전을선도하고있다. 2013. 09 화학세계 37