숭실대-GIST 연구팀, 새로운 OLED 고분자 소재 개발

[이데일리 김윤정 기자] 숭실대는 강범구 화학공학과 교수 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 강홍규 차세대에너지연구소 책임연구원팀과 공동으로 디스플레이용 유기발광다이오드(OLED) 소자 성능을 높이고 생산비용을 절감할 수 있는 새로운 고분자 소재인 정공수송층 신물질을 개발했다고 7일 밝혔다.

(왼쪽부터) 강범구 숭실대 교수, 장우재 숭실대 학생, 강홍규 GIST 차세대에너지연구소 책임연구원, 장준호 GIST 히거신소재연구센터 박사. (사진 제공=숭실대)

상용화된 디스플레이 소자 가운데 유기발광다이오드는 각각의 픽셀이 자체적으로 빛을 발산하므로 뛰어난 화질과 명료한 이미지를 제공하며, 디스플레이 시 필요한 부분만 발광하므로 소비전력을 절약할 수 있다는 장점이 있다.

반면 자체적으로 빛을 발하는 구조로 인해 특정 이미지가 오랫동안 표시되면 화면 번인이 발생할 수 있고, 시간이 지남에 따라 OLED 소재의 노화로 인해 화면의 밝기가 저하될 수 있다는 단점이 있다. 따라서 최근에는 OLED의 성능을 높이고 생산비용을 줄이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

기존의 PEDOT 기반 정공수송층은 열에 의한 안정성뿐만 아니라 용매 안정성에서도 문제가 있다. 연구팀은 이를 극복할 수 있는 새로운 폴리(트리페닐아민) 기반 정공수송층 소재를 개발했다.

이번에 개발된 신규 고분자는 정공수송층의 용매내성을 활용했다. 연구팀은 신규 고분자를 200℃ 이상의 온도에서 열처리해 용매내성을 부여함으로써 용액공정 중에도 정공수송층이 붕괴되지 않아 용액공정이 가능해졌다.

poly(A) 물질의 용매내성 특성. (자료 제공=숭실대)

이번 연구는 폴리(트리페닐아민)를 기반으로 한 새로운 정공수송층 소재의 합성 및 특성 분석에 초점을 맞췄다. 연구팀은 리빙 음이온 중합법(living anionic polymerization)을 사용해 N-([1,1′-biphenyl]-4-yl)-N-(4′-ethenyl[1,1′-biphenyl]-4-yl)-9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-amine 단량체를 성공적으로 중합했으며, 이를 ‘poly(A)’로 명명했다.

유기 전도성 고분자(PEDOT) 정공수송층으로 제작한 유기발광다이오드(OLED) 소자와 폴리 정공수송층으로 제작된 OLED 소자 비교. (자료 제공=숭실대)

<사진3-유기 전도성 고분자(PEDOT) 정공수송층으로 제작한 유기발광다이오드(OLED) 소자와 폴리 정공수송층으로 제작된 OLED 소자 비교(사진=숭실대)>

합성된 poly(A) 폴리머는 정확하게 제어된 분자량과 좁은 분자량 분포를 가지며, 이를 통해 제조된 OLED는 기존의 PEDOT을 사용한 장치와 비교해 최대 휘도 15,900 cd/m², 최대 발광 효율 4.8 cd/A로 각각 4배, 9배 이상의 성능 향상을 보였다.

또한 417℃의 분해 온도와 205℃의 유리 전이 온도를 보여 높은 열적 안정성을 가지고 있으며, 용액 공정이 가능하기 때문에 기존의 고가 증착 공정을 대체할 수 있어 생산비용 절감 측면에서도 효율적이다.

강범구 숭실대 화학공학과 교수는 “이번 연구는 가교 가능한 기능성 그룹이 없음에도, 간단한 열처리만으로 용매 내성을 확보할 수 있는 정공 수송 고분자 재료를 리빙 음이온 중합을 이용해 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “지속적인 연구를 통해 더욱 향상된 성능을 보이는 정공 수송 고분자 재료를 개발해 나갈 것”이라고 말했다.

숭실대학교 강범구 교수와 GIST 강홍규 책임연구원이 지도하고 숭실대학교 석사과정 장우재 학생과 GIST 장준호 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 개인기초연구사업(기본연구), 대학중점연구소지원사업, 나노팹활용지원사업과 GIST 차세대에너지연구소(기관고유사업)의 지원을 받았다. 연구 결과는 2024년 7월 3일, 고분자과학 권위지 《European Polymer Journal》에 온라인 게재됐다.