서울대 재료공학부 김장주 교수팀이 세계 최고 효율의 인광 OLED(Organic Light Emitting Diodes)를 개발했다. 이 연구 결과는 세계적인 과학저널 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 표지논문 1편, ‘어드밴스드 펑셔널머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 3편이 온라인 판으로 2달 연속 개재되며 화제를 모으고 있다.

OLED는 자유자재로 휘어지는 플렉서블 디스플레이를 실현하는 차세대 소재다. 이산화탄소 배출과 중금속 사용을 배제한 친환경적인 장점이 있다. 또 형광등이나 백열등에 비해 우수한 에너지 효율을 나타내는데, 이번에 개발된 인광 OLED 소자는 구동 전압이 낮고 고휘도에서 고효율을 유지해 기존 OLED에 비해 전력소모를 대폭 줄였다.

구조를 자세히 살펴보면, ‘들뜬상태전하이전복합체(엑시플렉스)’를 형성하는 전자 전달 분자와 정공 전달분자로 구성된 공동 호스트에 빛을 내는 인광 분자를 섞어주는 도핑(doping)을 적용했다. 그 결과 전하 이동시 장애물 없이 효과적으로 빛을 발하게 한다.

김 교수는 “이상적인 구조를 만들어 내부 발광효율 100%로 세계 최고 효율을 내는 OLED를 탄생시켰다”며 “실험 결과 고휘도에서도 효율 감소 없이 기존에 발표된 최고 성능에 비해 10000cd/m²(1m²에 촛불 10000개가 켜있는 밝기)에서 1.4배 이상 향상된 성능을 나타낸다”고 밝혔다.

이와 함께 연구팀에서는 직접 소자를 제작하지 않고도 구현 가능한 소자의 양자효율을 예측할 수 있는 이론을 정립했다. 인광 분자의 쌍극자 배향 방향과 물질 자체의 양자효율만 알면 가능하다. 이 이론을 통해 현재까지 학계에서 한계로 추정한 OLED의 양자효율을 30%에서 최대 46%로 끌어올릴 수 있다.

또 연구팀은 적색과 녹색의 두 인광 분자를 함께 도핑해 넓은 파장대의 발광 스펙트럼을 갖는 세계 최고 효율의 황색 OLED를 구현하고, OLED의 광 추출 특성을 향상시키는 획기적인 성과도 이뤘다. OLED 전극에서 표면 플라스몬으로 유실되는 빛을 최소화시킬 수 있는 투명 OLED 양면에 원뿔과 렌즈 모양의 광 추출 구조를 집적하는 방법을 개발한 것. 이를 이용하면 광 추출 구조가 없는 기존 소자 대비 3.5배 향상된 발광효율을 얻을 수 있다.

김 교수는 이번 연구에 대해 “이제는 우리나라도 유럽, 일본, 미국이 주도하던 OLED 원천기술 경쟁에 동참할 수 있게 됐다”며, “미래 기술로 주목받는 플렉서블 기술과의 융합을 통해 디스플레이 및 조명 분야에서 큰 시너지 효과를 얻을 수 있을 것”이라고 전했다.