[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

오늘날 빠르게 진보하는 디스플레이 기술의 중심에는 유기 발광 다이오드(Organic light-emitting diode; OLED)1)가 있다. 25%의 확률로 형성되는 단일항 엑시톤(Singlet exciton)만을 활용하던 형광(Fluorescence)부터 75%의 삼중항(Triplet)까지 모두 활용하는 인광(Phosphorescence)과 열 활성 지연 형광(Thermally activated delayed fluorescence; TADF)의 등장이 OLED 시장에 눈부신 성장을 이끌고 있다. 이중 적색광과 녹색광의 경우 높은 효율과 충분한 구동 안정성을 갖는 인광 OLED가 이미 상용화되어 있지만, 청색 발광은 여전히 발광효율에 한계가 있는 형광에 의존하고 있다. 이는 청색 발광체가 높은 에너지 밴드 갭을 필요로 하기 때문인데, 다중층(Multilayer) 구조를 갖는 OLED 소자의 구동 전압이 높아져 긴 수명을 갖는 삼중항 엑시톤의 부반응에 의해 소자 수명이 매우 짧아지는 문제가 있다. 높은 효율과 안정성을 모두 갖는 청색 전기발광(Electroluminescence)을 구현하기 위해서는 삼중항 엑시톤이 발광층(Emissive layer) 내부에서만 효과적으로 재결합(Recombination)할 수 있도록 유도하는 삼중항 구속(Triplet confinement)2) 전략이 필요하다. 일반적으로 높은 삼중항 에너지를 갖는 호스트(Host) 혹은 중간층(Interlayer)을 도입할 경우 삼중항 구속 효과를 얻을 수 있다고 알려져 있으며, 이를 위해 비틀린 구조를 가진 유기반도체 소재가 널리 이용되었다. 하지만 이들은 평면 구조를 가진 소재에 비해 분자 간 상호작용이 약해 전하 이동도(Charge mobility)가 다소 떨어지는 문제를 갖는다. 다시 말해 더 높은 구동 전압이 요구될 뿐 아니라 발광층의 전하 불균형을 심화시킬 수 있으며, 그 결과 삼중항 구속 효과에도 불구하고 소자 열화를 가속화할 수 있다. 따라서 본 연구진은 ‘비등방성 배열(Anisotropic arrangement)3)’에 초점을 맞춰 비틀린 분자 구조를 바탕으로 효과적인 전하 전달이 가능한 새로운 유기반도체 소재를 개발하여 고효율·고안정성 청색 인광 OLED를 구현하고자 하였다. 발광층의 전자 및 엑시톤 유출을 막는 전자 차단층(Electron-blocking layer; EBL)4)에 기반하여 정공 이동도를 향상함으로써 소자의 구동 전압을 크게 낮췄다. 이번 연구결과는 발광층 소재와 독립적으로 적용 가능한 ‘기능성 중간층 설계 전략’이라는 점에서 향후 다양한 유·무기 발광체 기반의 발광소자 상용화 연구로 확장할 수 있어 그 파급력이 클 것으로 기대한다.

2. 연구내용

본 연구는 전자 주개와 전자 받개 그룹이 ortho-결합을 형성하는 비틀린 구조의 유기반도체 소재에서 분자 간 상호작용을 정밀하게 조정하여 효과적인 정공 전달이 가능한 비등방성 배열을 유도했다. 청색 인광 OLED에 필수적인 삼중항 구속 효과와 더불어 소자의 구동 전압을 크게 낮출 수 있는 중간층으로 활용될 수 있음을 성공적으로 검증하였고, 이는 기존에 비틀린 구조의 분자에서 쉽게 찾아볼 수 없었던 ‘헤링본(Herringbone) 배열’을 형성하는 것이 고효율·고안정성 청색 발광소자를 구현하기 위한 소재 개발의 핵심임을 보여준다. 먼저 dibenzofuran과 arylamino group에 기반하여 분자 내 뒤틀림 정도와 부분 강성(Rigidty)을 단계적으로 조절한 신규 유기반도체 소재 4종을 개발하였다. 밀도범함수 이론(Density functional theory) 계산에 기초해 이들 구조가 (i) 청색 발광체의 삼중항 손실을 막기에 충분히 높은 삼중항 에너지를 갖는지, (ii) 분자 내 양전하(δ+), 음전하(δ-)의 분포가 분자 간 상호작용을 강화하기에 적합한지를 확인하였다. 계산과 실험 결과 모두 이들 소재가 3.0 eV 정도의 높은 삼중항 에너지를 가지기 때문에 삼중항 구속이 가능할 것임을 보여주었다. 이중 분자 양전하와 음전하가 잘 분리되어 있으면서 가장 큰 쌍극자 모멘트를 가진 물질인 DBFCz2-Ph가 비등방성 쌍극자–쌍극자 상호작용을 할 것으로 예상할 수 있으며, X-선 결정 분석을 통해 DBFCz2-Ph가 대표적인 정공 수송형 비등방성 배열인 헤링본 패턴의 분자 간 상호작용을 형성하는 것을 확인하였다. 개발된 유기반도체 소재들을 뛰어난 정공 이동도를 가진 EBL로서 청색 인광 OLED에 도입했을 때, 비등방성 배열을 보이는 DBFCz2-Ph에서 기존의 등방성(Isotropic) EBL인 mCBP(3,3’-di(9H-carbazol-9-yl)-1,1’-biphenyl)에 비해 24% 개선된 전력 효율(Power efficiency)5)과 21% 향상된 구동 안정성을 달성했다. DBFTPA와 DBFTPA-Ph의 경우 DBFCz2-Ph보다 조금 더 빠른 정공 이동도를 보임에 따라 이들 모두 mCBP 기반 소자보다 구동 전압이 크게 낮아지는 결과를 얻었으나, DBFTPA와 DBFTPA-Ph의 소자 안정성은 DBFCz2-Ph보다 눈에 띄게 낮았다. 이는 DBFCz2-Ph가 가진 강한 분자 간 상호작용에 의한 비등방성 배열이 고효율·고안정성 청색 전기발광에 핵심적임을 보여준다.

3. 기대효과

본 연구결과는 높은 삼중항 에너지를 확보하기 위해 비틀린 분자 구조에만 초점이 맞춰졌던 유기반도체 소재 디자인 전략에서 분자 배열을 세밀하게 조절할 수 있는 ‘비등방성’을 새로운 지표로서 제시한다. 중간층으로서 발광 소재에 큰 제한 없이 범용적으로 활용될 수 있어 유·무기물 발광체를 아우르는 차세대 고효율 청색 발광소자 상용화를 위한 핵심적인 전략이 될 것으로 기대되는 바이다.

[용어설명]

1. 유기 발광 다이오드 (Organic light-emitting diodes)

발광 다이오드의 한 종류로, 발광층에 전류가 흘렀을 때 빛을 발산하는 유기 화합물 기반의 소자이다.

2. 삼중항 구속 (Triplet confinement)

발광 다이오드의 발광층에 형성되는 삼중항 엑시톤이 긴 수명으로 인해 부반응을 일으키거나 주변층으로 빠져나가지 못하도록 막는 것을 일컫는다.

3. 비등방성 배열 (Anisotropic arrangement)

물체의 물리적 성질이 방향에 따라 다른 분자 배열을 일컫는다. 반대로, 방향에 상관없이 동일한 물리적 성질을 가질 경우 등방성 배열(Isotropic arrangement)이라 한다.

4. 전자 차단층 (Electron-blocking layer)

발광 다이오드의 발광층에서 전자가 이탈되는 것을 방지하기 위해 정공 전달층과 발광층 사이에 도입하는 층을 말한다.

5. 전력 효율 (Power efficiency)

발광 다이오드에 주입되는 전력에 대비해 출력되는 광속의 비율로, 전 방향으로 발광하는 빛의 총합을 고려한 소자의 효율을 의미한다.