<자료문의> 고려대학교 디스플레이반도체물리학과 류승윤 교수(044-860-1376)

항생제를 활용한 고효율 디스플레이 소자 개발

- 암피실린 미세구조로 에너지 재활용과 광추출 효율 향상 -

□ 항생제 암피실린*과 전도성 고분자** 혼합물을 활용하여 높은 외부양자효율***을 갖는 유기전계 발광소자****를 국내 연구진이 구현하였다.

*    암피실린(Ampicillin) : 각종 감염 예방 및 치료에 사용되는 베타락탐계 항생제.

**   전도성 고분자 : 전기가 통하는 유기물 고분자. 본 연구에서는 PEDOT:PSS를 칭한다.

***  외부양자효율 : 유기 발광 다이오드에서 방출된 광자의 개수를 주입한 전기 전하의

개수로 나눈 비율로 통상 30%가량의 수준

**** 유기전계 발광소자(OLED) : 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 유기물을 픽셀에

사용해 이미지를 표현하는 자체 발광형 디스플레이 소자

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 류승윤 교수(고려대학교, 제1저자 김동현, 이창민 박사과정) 연구팀이 항생제 기반 미세구조 합성을 통해 유기전계 발광소자의 효율을 높일 수 있는 원천기술을 확보했다고 밝혔다.

□ 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 항생제와 전도성 고분자를 합성하여 수용액 기반의 미세구조를 구현했고, 이를 디스플레이용 소자에 적용하여 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,

○ 전반사* 로 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

** 광 추출 : 소자 내부에서 공기 중으로 빛이 진행할 때 굴절률 차에 의한 전반사로

인해 공기 중으로 방출되지 못하는 75~80%가량의 손실되는 빛들을 추출하는 기술

○ 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 정공주입층*으로써의 활용 가능성을 검증한 것”이라고 전하며, “의료 분야에서 사용되는 항생제와 전자소자 종류 중 하나인 유기전계 발광소자의 융합이 항생제 용도의 새로운 이정표를 제시하였고 고성능 광전자와 바이오 전자소자 개발 등을 촉진할 것”이라고 기대를 덧붙였다.

* 정공주입층 : 유기전계 발광소자 내에서 P형 반도체 역할을 하는 층으로 전압에 의해 정공주입층의 정공과 전자주입층의 전자가 발광층에서 만나 결합하여 빛이 발생

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 중점연구소지원사업으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 7월 12일 온라인 게재되었고, 정식출간본 표지 논문으로 선정되었다.

주요내용 설명

<작성 : 고려대학교 류승윤 교수>

논문명	Efficient Photons Extraction in Top-Emission Organic Light-Emitting Devices Based on Ampicillin Micro-Structures
저널명	Advanced Materials
키워드	TEOLEDs(전면발광유기소자), Multiple Scattering(다중산란), Ampicillin-Microstructure (암피실린 미세구조), Micro-Photoluminescence(마이크로 광발광)
DOI	doi/10.1002/adma.202202866
저 자	류승윤 교수(교신저자/고려대학교), 김동현 박사과정(제1저자/고려대학교), 이창민 박사과정(제1저자/고려대학교)

1. 연구의 필요성

○ 유기전계 발광소자는 뛰어난 장치 성능과 특성을 기반으로 스마트폰, 텔레비전 등 점차 넓은 분야에 사용되고 있음. 여러 연구자는 디스플레이 및 조명 응용 분야의 최적 후보 소자로써 유기전계 발광소자의 외부 양자효율을 증가시키기 위해 많은 연구를 진행해왔다.

○ 수평 배향 발광물질의 사용, 광학적으로 도파관이나 기판 모드를 억제, 전기적으로 전도성과 전하 주입을 향상하는 등 다양한 방법으로 연구가 진행되었으며, 특히 정공 주입ㆍ수송 층, 하위 양극 구조, 산란층, 고굴절율 물질의 사용 등이 있다.

○ 최근 낮은 전하이동 광발광 양자수율을 가진 유기 발광물질을 개선하기 위한 방법의 하나로써 유기 반도체 단결정을 구현함으로써 높은 이동성이나 높은 광 발광 양자 수율과 같은 특성을 확보할 수가 있었다.

○ 유기 반도체 단결정은 유기 트랜지스터, 태양 전지 및 유기전계 발광소자에 응용될 수 있으며 흥미롭게도 이러한 단결정 구조는 구조체의 결합 정렬에 따라 다른 광전자 특성을 보인다.

○ 본 연구는 항생제 물질인 암피실린을 기반으로 유기 반도체 단결정에 준하는 미세구조 형성을 통하여 유기전계 발광소자의 획기적인 효율 향상을 유발하였다.

2. 연구내용

○ 전도성 고분자의 특성 조절에 관한 본 연구는 전하 주입, 계면 쌍극자 생성 그리고 전하 균형 및 광추출을 동시에 향상하기 위해 항생제 중 쌍극자 모멘트가 큰 암피실린이 선택되었다.

○ 암피실린은 산성도 및 온도 등에 따른 수평ㆍ수직 계면 쌍극자 정렬 및 응집체에 의한 발광 현상이 다름을 밝혀냈다.

○ 암피실린 기반 미세구조의 효율과 안정성을 향상하기 위해 열처리 온도에 변화를 주어 최적 농도를 제시하였으며 획기적으로 효율과 안정성을 발전시켰다.

○ 이러한 미세구조에 의해 도파관 모드 억제 및 광산란 현상/에너지 전이로 인한 광발광 현상/전자와 정공의 주입에 의한 전계발광 현상에 의해 복합적인 광증폭이 일어났음을 증명하였다.

○ 미세구조에 의한 적색편이로 인해 색 재현율이 향상되고 항생제의 나트륨 이온이 막을 형성하여 전극의 인듐 이온 확산을 저지하여 소자의 안정성을 높였음을 확인하였다.

○ 최적화된 미세구조를 광전소자에 적용하였으며, 평균 63.4%의 외부양자효율을 갖는 고효율 소자를 구현하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구는 항생제와 광전소자와의 융합이 효과적으로 이뤄졌으며, 항생제의 사용 용도에 대한 새로운 이정표를 제시하였다.

○ 이러한 발견은 고성능 광전자/바이오 전자소자에 대한 개발을 촉진할 것으로 기대된다.

○ 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.

그림 설명

(그림1) 전도성 고분자와 항생제 혼합 미세구조

전도성 고분자에 암피실린 항생제를 합성하는 방법에 대한 화학 모식도이다. 전도성 고분자인 PEDOT:PSS 물질과 항생제인 암피실린의 합성을 통해 미세구조를 형성할 수 있다.

그림설명 및 그림제공: 고려대학교 류승윤 교수(고려대학교 에너지 광전변환연구실)

(그림2) 미세구조의 에너지 재활용 광방출 방식

전도성 고분자와 암피실린으로 구성된 미세구조는 주입되는 빛에너지와 전기에너지를 재활용하여 발광할 수 있고, 옆으로 새는 빛을 반사해 불필요한 에너지 낭비를 줄일 수 있다. 이를 기반으로 광자와 캐리어를 손실시키지 않고 재활용함으로써 고효율의 유기전계 발광소자 구현이 가능하다.

그림설명 및 그림제공: 고려대학교 류승윤 교수(고려대학교 에너지 광전변환연구실)

(그림3) 표지 논문 선정

본 논문은 Advanced Materials 지의 8월 표지 논문으로 선정되었다.

그림설명 및 그림제공: 고려대학교 류승윤 교수

[출처] Advanced Materials 8월호 front cover art

(https://onlinelibrary.wiley.com/toc/15214095/2022/34/32)

연구 이야기

<작성 : 고려대학교 류승윤 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

연구의 시작은 전도성 고분자 수용액과 항생제 수용액이 섞이면 어떻게 될까? 라는 단순한 호기심에 연구가 시작되었으며 연구재단의 지속적인 지원 아래 중견, 중견 후속 등의 6년간의 연구를 통해 연구적 성과를 창출할 수 있었습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

우리 연구실은 2020년도에 출간한 논문의 후속 연구를 진행하였고, 항생제 기반 유기전계 발광소자의 효율과 안정성 편차를 줄이기 위해 최적 농도를 기준으로 열처리 온도를 바꿔 효율과 안정성을 획기적으로 발전시켜왔습니다. 첫 측정 시, 암피실린을 처음 적용하여 외부양자효율이 50% 이상 측정되었을 때, 측정 영점이 틀어질 수도 있어서 학생들에게 측정실에서 조심히 다닐 것을 이야기했던 기억이 납니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애 요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

항생제를 통해 유기전계 발광소자의 효율이 증폭된다는 점을 관측했지만, 효율의 재현성 확보를 위한 항생제에 대한 이해와 관리에 대해서 새로운 분야에 대한 이해가 필요하였습니다. 또한 메커니즘을 철저히 분석하는 과정에 있어서 긴 시간이 소요되었습니다. 하지만 수년간의 노력 끝에 메커니즘을 규명할 수 있었고, 저희 스스로도 납득할 수 있는 연구를 할 수 있었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

통상적으로 유기발광소자의 양자효율은 30%가량밖에 되지 않습니다. 이 때문에 2층, 3층으로 소자를 적층하거나 렌즈를 사용하는 방식으로 어떻게든 소자의 효율을 끌어올리고자 하는 연구가 계속되고 있습니다. 저희는 항생제 기반 정공수송층을 용액 공정을 통해 적용하는 간단한 공정이지만 효율적인 에너지 재활용을 통해 외부양자효율 60%가 넘는 소자를 구현하였습니다. 이는 앞으로 유기전계 발광소자의 연구 및 재료 활용에 있어 새로운 이정표가 될 것 같습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

저희 연구가 실용화된다면 경제적, 시간적 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 향후 차세대 디스플레이 제작 기술에 응용 및 적용될 수가 있을 것으로 예상됩니다. 실용화를 위해서 항생제 기반의 전자소자용 재료에 대해 진공증착이 가능한 원천기술을 확보하는 것이 필요해 보입니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이번 연구를 바탕으로 향후 항생제를 활용하고 진공증착이 가능하면서도 큰 쌍극자 모멘트를 가지는 정공 주입층 제작 기술을 활용하여 차세대 유기전계 발광소자 관련 소재 기술을 창출함으로써 미래형 디스플레이 산업에 필요한 첨단 소재 기술을 연구할 계획입니다.