대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 에너지공학과 이윤구 교수 연구팀이 차세대 디스플레이로 주목 받는 양자점 발광다이오드(QLED)의 수명과 효율을 획기적으로 끌어올릴 수 있는 새로운 소재를 개발했다고 18일 밝혔다.
전기적·열적 스트레스에도 쉽게 분해되지 않는 ‘고결합 에너지 유기 소재’를 정공수송층 정공수송층(양극에서 생성된 정공(전자가 빠져나간 자리·+)이 발광층까지 도달하도록 돕는 층으로 QLED나 OLED의 효율과 수명에 핵심적인 역할)에 적용함으로써 장기간 밝기와 안정성을 유지할 수 있는 차세대 QLED 구현에 기여할 것으로 기대된다.
QLED는 선명한 색감과 뛰어난 전력 효율로 차세대 디스플레이로 주목받고 있다. 하지만 기존에 널리 쓰이던 ‘트리페닐아민’ 정공수송층 소재는 전기 자극에 약한 분자 구조 탓에 시간이 지날수록 소자 효율이 급격히 떨어지고 수명도 짧다는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 다양한 시도가 있었지만 정공 이동성과 전자 차단 능력이 동시에 저하되는 딜레마에 부딪혔다.
이윤구 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘디벤조퓨란’이라는 안정적인 분자 구조를 적용한 새로운 유기 정공수송층 소재를 개발했다. 이 소재는 분자 내 결합 에너지를 대폭 끌어올리는 동시에 정공 이동도를 높이고 전자가 역방향으로 누출되는 현상과 표면 결함을 동시에 줄여 QLED의 효율과 안정성을 모두 끌어올렸다.
연구팀은 이 소재를 적용한 녹색 QLED 소자에서 외부양자효율(EQE) 25.7%라는 높은 성능을 달성했다. 또 소자 수명도 기존 대비 66배 향상된 약 146만 시간에 이르러 장기 안정성을 확인했다. 이는 현재까지 보고된 동일 계열(트리아릴아민) 기반 소재 중 최고 수준이다.
이윤구 교수는 “분자의 결합이 쉽게 깨지는 기존 한계를 극복하고 안정적으로 동작하는 정공수송층을 개발해 QLED의 효율과 수명을 비약적으로 향상시켰다”며 “앞으로도 고결합 에너지 소재를 바탕으로 차세대 디스플레이와 태양전지 등의 다양한 응용분야에 적용해 나가겠다”고 말했다.
이번 연구는 디지스트 에너지공학과 황영준 석박사통합과정생의 주도로 진행된 이윤구 교수팀의 연구결과다. 한국연구재단 중견연구과제와 태양 에너지 지속가능 활용 선도연구센터 사업 지원을 받아 수행됐으며 결과는 재료과학 분야 세계적 권위지(Small)에 지난 7월 17일 온라인 게재됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr