[비욘드포스트 이봉진 기자] 동국대학교 물리학과 류승윤 교수와 고려대학교 공동 연구팀이 실제 구동 중인 유기발광다이오드(OLED)의 내부 열화 과정을 실시간으로 분석할 수 있는 '오페란도(Operando) 광전기 동시 분석 플랫폼'을 개발해 성능 저하의 근본 원인을 규명했다.

이번 연구는 동국대 물리학과 류승윤 교수, 이창민 박사, 이현재 박사와 고려대 세종캠퍼스 신소재화학과 김철훈 교수, 전자및정보공학과 이재우 교수가 공동으로 수행했다.
연구 결과는 네이처 포트폴리오(Nature Portfolio)의 광학 분야 자매지이자 JCR 상위 1% 국제학술지인 'Light: Science & Applications'에 게재됐다.

그동안 OLED의 효율 감소와 수명 저하는 디스플레이 산업계의 주요 과제였으나, 기존 전기적·광학적 분석법만으로는 실제 구동 시 발광층 내부와 계면에서 발생하는 열화 과정을 직접 확인하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 자체 개발한 전기 펌핑 분광법(EPS)과 시간분해 광발광(TRPL), 특이종 스펙트럼(SAS) 등의 분석 기법을 통합해, OLED 내부 여기자(exciton)의 생성, 이동, 소멸 과정을 실시간으로 추적했다.
분석 결과, 발광층(CBP host)에서는 열화에 의해 초고속 여기자 산란이 발생하면서 발광 효율이 감소했다. 또한, 발광층과 여기자 차단층(EML/EBL) 계면에서는 계면 구조 변화로 인해 기생 여기자가 증가하는 현상이 확인됐다.

연구팀은 이 두 가지 열화 메커니즘이 OLED의 효율 저하와 스펙트럼 변화의 주원인임을 밝혀내고, 이를 하나의 통합 반응 모델(Kinetic model)로 설명해 열화 현상의 정량적 해석 기반을 구축했다.

이번에 제안된 분석 플랫폼은 OLED 신규 소재 개발은 물론, QD-LED와 페로브스카이트 LED 등 다양한 차세대 광전소자의 열화 메커니즘 분석에도 적용될 수 있다.

특히 소재 개발 이전 단계에서 소자의 열화 위치를 빠르게 진단할 수 있어, 기업 및 연구기관의 개발 비용과 시간을 크게 절감할 수 있을 것으로 전망된다.

류승윤 교수는 "OLED 등 차세대 광전소자의 성능과 수명을 개선하기 위해서는 실제 구동 환경에서 발생하는 열화 원인을 정확히 규명하는 것이 필수"라며 "이번 연구가 제시한 오페란도 진단 플랫폼이 향후 차세대 디스플레이의 신뢰성 향상에 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 핵심연구 B형, 서울 RISE 사업, 고려대학교의 지원을 받아 수행됐다.

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