오페란도 광전기적 동시 분석을 통한 광전소자의 결함 추출 연구 
소재·물리화학 분야 저명 국제 학술지 「Cell Reports Physical Science」 게재

<오페란도 광전기적 동시 분석 실험 개요>

동국대 물리학과 류승윤 교수 연구팀(류승윤 교수, 이창민 박사, 이현재 박사과정생)과 고려대 신소재화학과 김철훈 교수 연구팀, 전기전자공학부 이재우 교수연구팀은 차세대 광전소자 분석을 위한 오페란도 광전기적 분석법을 개발하고, 이를 이용한 광전소자 결함에 관한 연구 결과를 제시했다. 

“오페란도 (Operando)”란 Operatio(동작하는)라는 라틴어 어원으로, 실제 소자가 작동되는 환경에서 실시간으로 내부의 소자 및 소재의 특성을 파악하는 분석법이다. 연구팀은 차세대 광전소자 (QD-OLEDs, Perovskite LEDs 등) 개발에 필요한 고신뢰성을 가진 맞춤형 광전기적 동시 분석법을 제시했다. 

기존 Deep-learning을 활용한 광전소자 설계 및 결함 원인 분석법은 제한된 입력 변수 그 신뢰성이 60~70% 수준으로 떨어지는 경우가 있었으나, 본 연구에서는 입력 변수 고도화를 위하여 실제 소자가 작동하는 환경에서 광학적 / 전기적 변수를 동시에 검출하는 시스템 구축을 하고자 했다. 

광전소자의 발광 특성은 전계에 의해 발생하는 전기발광 (Electroluminescence)과 조사된 광에너지의 흡수 때문에 발생하는 광발광(Photoluminescence) 과정으로 나눌 수가 있다. 연구팀은 기존 전기발광으로는 검출이 어려운 소자 계면에서 발생되는 기생 엑시톤(Parasite exciton) 발광 과정을 “외부 전원/레이저 광원”을 동시에 이용한 시간-분해 광발광 측정으로 확인하였으며, 자체 개발한 분광 분석법으로 그 양을 정량화하는데 성공했다. 

<Cell Reports Physical Science 2024>

광전소자의 효율, 수명, 색 순도 하락 등의 문제는 지속적인 전기적 스트레스에 의한 계면 손상과 내부 발광체의 발열에 의한 열화 현상 때문이다. 따라서, 광전소자의 결함 원인을 조기에 발견하기 위해서는 동작 특성 및 신뢰성 평가에 있어서 소자가 실제 동작하는 전계 구동 환경 아래 특성을 평가하는 오페란도 측정법이 효율적이다. 본 분석법은 시간과 비용이 많이 소모되는 기존 광전소자의 특성 평가에 비해 조기에 광전소자의 결함 원인을 도출할 수 있을 뿐만 아니라, 해당 모델의 적절한 개선을 통해 태양전지나 배터리 결합 분석으로 확장할 수 있을 것으로 기대된다. 

또한 연구팀은 별도로 전기적 분석을 진행하여 제시한 분석법의 효용성을 검증했다. QD-LED나 Micro OLED 등 차세대 광전소자 분석을 위하여 제시된 기술인 만큼 기존 연구에서 발견할 수 없었던 유기발광소자의 여러 결함들을 추출할 수 있었으며, 기존 정립된 이론을 정량적 수치와 함께 제시했다. 

류승윤 교수는 “OLED에 관한 연구를 산업계와 학계 모두에서 경험하며 느낀 바로 분석이 정확하게 된다면 불필요한 손실(loss)을 줄일 수 있고, 이는 회사나 대학교 연구실에서도 경제적으로 도움이 된다고 생각한다”며 “하지만, 광전소자는 QD-LED와 Micro-LED가 나오며 꾸준히 발전되는 가운데 분석법은 기존 분석법을 활용하고 있어 조금 더 정확하고 신속한 분석법이 없을까 고민하던 중 광학 분야 전문가이신 김철훈 교수님을 만나 본 분석법을 개발할 수 있었다.”라며 분석법 개발의 동기를 설명했다. 

이창민 박사와 이현재 박사과정생은 “교수님들의 공동연구를 통하여 서로 모르는 부분에 대해서 배울 수 있었으며, 연구한 내용들을 실질적인 기술에 적용하는 법에 대해 배울 수 있었다. 연구하다 보면 몰두하여 목적을 잃을 수 있는데 교수님들의 지도로 정확한 목표를 가지고 연구할 수 있었다.”라고 소감을 표했다.

해당 연구는 한국연구재단과 삼성디스플레이, 동국대의 지원으로 수행되었으며, <Operando Analysis for Understanding the Parasite Exciton Dynamics in Blue Phosphorescent OLEDs using Electrically Pumped Spectroscopy>라는 제목으로 소재·물리화학 분야 저명 국제 학술지 「Cell Reports Physical Science (IF=8.9)」 2024년 4월 1일에 온라인 게재됐다.

<왼쪽부터 류승윤 교수, 김철훈 교수, 이재우 교수, 이창민 박사, 이현재 박사과정, 허기석 석사과정>