- 차세대 OLED 성능 저하 원인 실시간 추적·분석 기술 제시
- 발광층 및 계면에서 발생하는 열화 메커니즘 층별 규명… OLED 신뢰성 향상 기반 마련
- Nature Portfolio 광학 분야 자매지 JCR 상위 1% 국제학술지 「Light: Science & Applications (IF=24)」 게재

▲ 왼쪽부터 물리학과 류승윤 교수, 이창민 박사, 이현재 박사

동국대학교 물리학과 류승윤 교수, 이창민 박사, 이현재 박사와 고려대학교 세종캠퍼스 신소재화학과 김철훈 교수, 전자및정보공학과 이재우 교수로 구성된 연구팀이 실제 구동 중인 유기발광다이오드(OLED)의 내부 열화 과정을 실시간으로 분석할 수 있는 오페란도(Operando) 광전기 동시 분석 플랫폼을 개발하고, 이를 이용해 OLED 성능 저하의 근본 원인을 규명했다고 밝혔다. 연구팀은 자체 개발한 Electrically Pumped Spectroscopy(EPS)와 시간분해 분광 분석을 결합해, 구동 중인 OLED 내부에서 발생하는 여기자(exciton)의 생성·이동·소멸 과정을 실시간으로 추적하는 데 성공했다.

※ 오페란도(Operando) : 실제 소자가 동작하는 환경에서 내부 물리·화학적 변화를 실시간으로 분석하는 기술

OLED의 효율 감소와 수명 저하는 산업계와 학계의 핵심 난제로 여겨져 왔으며, 기존 전기적 분석법이나 광학 분석법만으로는 실제 발생하는 발광층 내부 및 계면에서의 열화 과정을 직접 확인하기 어려웠다. 이에 연구팀은 EPS와 시간분해 광발광(TRPL), 특이종 스펙트럼(SAS), 감쇠연관스펙트럼(DAS) 분석을 통합한 분석법을 구축해 OLED 내부의 열화 위치와 원인을 층별(layer-resolved)로 규명했다.

연구 결과, 발광층(CBP host)에서는 열화에 의해 초고속 여기자 산란(exciton scattering)이 발생하여 발광 효율이 감소하며, 발광층과 여기자 차단층(EML/EBL) 계면에서는 계면 구조 변화로 인해 기생 여기자(parasitic exciton)가 증가했다. 연구팀은 위의 두 가지 열화 메커니즘이 동시에 OLED의 효율을 저하하고 스펙트럼을 변화시키는 주요 원인임을 밝혔다. 특히, 개별적으로만 해석되던 열화 현상을 하나의 통합 반응 모델(kinetic model)로 설명해, OLED 열화를 정량적으로 해석할 수 있는 기반을 제시했다.

이번 연구에서 제안한 분석 플랫폼은 새로운 OLED 소재 개발뿐 아니라 QD-LED, 페로브스카이트 LED 등 다양한 차세대 광전소자의 열화 메커니즘 분석에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 소재 개발 이전 단계에서 열화 위치를 빠르게 진단할 수 있어 연구개발 비용과 시간을 크게 절감할 수 있을 것으로 전망된다.

류승윤 교수는 “OLED 등 차세대 광전소자의 성능과 수명을 개선하기 위해서는 새로운 소재 개발과 함께 실제 구동 환경에서 발생하는 열화 원인을 정확하게 규명하는 것이 필수”라고 강조하며, “이번 연구는 오페란도 분석을 통해 열화 위치와 원인을 층별로 규명할 수 있는 진단 플랫폼을 제시해 의미가 있으며, 향후 차세대 디스플레이와 다양한 광전소자의 신뢰성 향상에 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 본 연구는 한국연구재단(NRF) 핵심연구 B형, 서울 RISE 사업, 고려대학교의 지원을 받아 수행되었으며, "Investigating Degradation Mechanisms in Organic Light-emitting Diodes using Operando Electrically Pumped Spectroscopy"라는 제목으로 Nature Portfolio의 광학 분야 자매지이자 JCR 상위 1% 국제학술지인 「Light: Science & Applications(IF=24)」에 게재되었다.