[더팩트ㅣ대전=이병수 기자] 차세대 디스플레이와 바이오 진단 등에 활용될 근적외선 유기발광다이오드(OLED)의 수명을 단축하는 원인이 밝혀졌다. 국립한밭대학교 석사과정생이 소자 내부에 축적된 전자가 발광 분자를 손상시켜 성능 저하를 가속한다는 사실을 규명하면서 고효율·장수명 OLED 개발의 새로운 실마리를 제시했다.
국립한밭대학교는 창의융합학과 이운하 석사과정생(지도교수 이재현)이 근적외선 라디칼 OLED의 열화 원인을 규명한 연구 논문을 국제학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 게재했다고 밝혔다. 논문은 지난 15일 온라인으로 공개됐다.
논문 제목은 ‘Electron-Induced Exciton–Polaron Quenching and Degradation in Radical-Based Near-Infrared Organic Light-Emitting Diodes’다.
근적외선 OLED는 바이오이미징과 헬스케어 진단·치료, 야간 감시 시스템 등에 활용할 수 있는 차세대 광원이다. 특히 홀전자 하나를 가진 유기 라디칼 발광체는 이론적으로 100%의 내부양자효율을 구현할 수 있어 차세대 NIR 발광 소재로 주목받고 있다.
하지만 발광 파장이 길어질수록 빛으로 전환되지 못하는 에너지 손실이 커지고, 소자를 구동하는 과정에서 성능이 빠르게 저하되는 문제가 실용화의 걸림돌로 꼽혀 왔다. 특히 발광층에 축적된 전하가 발광 분자와 상호작용해 열화를 일으키는 구체적인 과정은 명확히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 라디칼 발광체인 TTM-TPA를 활용해 근적외선 OLED를 제작하고 구동 중 소자의 열화 과정을 분석했다. 그 결과 발광층의 에너지 구조로 인해 전자가 발광 분자에 포획돼 과도하게 축적되면서 소자의 열화를 가속하는 사실을 확인했다.
분자 수준의 분석에서도 전자가 열화를 유발하는 핵심 원인이라는 점이 드러났다. 발광 분자에 전압을 반복적으로 가해 열화 과정을 관찰한 결과, 분자가 전자를 잃어 양의 폴라론 상태가 됐을 때는 고유한 광학 특성이 유지됐다. 반면 전자를 얻어 음의 폴라론 상태가 되면 분자에서 염소 원자가 떨어져 나가 라디칼 발광체의 특성을 잃는 것으로 분석됐다.
이번 연구는 라디칼 근적외선 OLED의 수명 저하 원인을 소자와 분자 수준에서 함께 규명했다는 데 의미가 있다. 연구 결과는 소자 내부의 전자 축적을 줄이는 구조 설계와 전자에 대한 안정성이 높은 발광 소재 개발에 활용될 것으로 기대된다.
제1저자인 이운하 석사과정생은 "라디칼 발광체는 효율 면에서 장점이 크지만 짧은 구동 수명이 실용화의 걸림돌이었다"며 "이번 연구에서 어떤 전하가 열화를 주도하는지 확인한 만큼, 이를 바탕으로 장수명·고효율 OLED 연구를 이어가겠다"고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업과 교육부·서울시가 지원하는 서울 앵커(ANCHOR)센터 앵커사업의 지원을 받아 수행됐다.
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