KAIST연구팀이 무기 LED에 상응하는 높은 효율의 유기발광다이오드(OLED)를 구현하는 데 성공했다고 22일 발표했다.

유승협 KAIST 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀의 이번 연구는 김장주 서울대 재료공학부 교수, 김윤희 경상대 화학과 교수 연구팀과 협력해 이뤄졌다. 이 기술을 통해 OLED 조명의 대중화 및 시장 성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST 송진욱 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 8월 10일자‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인 판에 게재됐다.

OLED는 수많은 모바일 기기와 고품질 TV 등의 디스플레이 기술에 광원으로 활용되고 있는 소자로서, 두께가 얇고 유연한 소자를 제작할 수 있다는 장점을 가진다. 최근에는 조명, 차량용 광원 등에도 OLED를 활용하려는 움직임이 나타나고 있다.

이를 위해서는 가장 손꼽히는 기술개발상의 요구는 광원 효율성이다. 최근 지속적인 연구 개발에 따른 효율성 높은 OLED 개발성과가 나오고 있고 일부는 기존 고효율 무기 LED 수준에 준하는 결과들이 보고되고 있다.

그러나 이러한 고효율 OLED의 연구 결과들은 OLED가 갖는 면광원(面光源)의 장점을 해치는 반구형 렌즈가 쓰이거나 소자 내부에 빛을 추출하는 나노 구조가 도입돼 안정적인 동작을 방해하는 등의 문제로 상용화에 한계를 보여왔다.

KAIST연구팀은 OLED의 광 추출용으로 개발됐던 여러 방법 중 실용화 가능성이 가장 큰 기술인 나노입자 기반의 광 산란층을 소자 외부에 도입하는 방법에 주목했다. 특히 광 산란을 이용한 기존 OLED 광 추출 향상 연구가 반복적인 실험을 통해 경험적인 방식으로 이뤄졌던 것과는 다르게 연구팀은 종합적이고 분석적 방법론을 정립해 최대 효율을 이끌어낼 수 있는 구조를 이론적으로 예측했다.

OLED에 광 추출 구조를 적용해 가능한 최대의 효율에 도달하기 위해선 광 추출 구조와 OLED 구조를 각각이 아닌 전체로 보고 최적화를 이뤄야 한다.연구팀은 산란 현상을 수학적으로 기술하는 이론을 OLED 발광 특성 예측 모델과 최초로 결합해 여러 구조를 가지는 수많은 소자들의 특성을 짧은 시간에 예측했고, 이를 기반으로 최대 효율을 갖는 최적 구조를 이론적으로 예측하는 데 성공했다.

연구진은 이론적으로 예측된 최적의 광 산란 필름을 실험적으로 구현하고 이를 고효율 유기 발광소재를 이용한 소자 구조에 접목해 56%의 외부 양자 효율 및 221lm/W의 전력 효율을 이끌어내는데 성공했다. 이는 큰 렌즈나 내부 광 추출구조 없이 구현된 OLED 단위 소자 효율로는 최고의 결과이다.

이 성과는 기존 상용화 OLED가 와트당 100루멘을 보이는 것을 감안하면 비하면 2배이상의 효율을 기록한 것이다. 다만 이 전력효율을 가진 OLED의 재현성을 확보할 수 있을지가 향후 상용화의 관건이 될 전망이다.

유승협 교수는 “다양한 OLED 광 추출 효율 향상 기술이 개발됐지만 실용화 가능성은 높지 않은 경우가 많았다. 이번 연구는 상용화 가능성에서 가장 의미가 큰 기술을 활용하면서 고효율 LED의 효율에 상응하는 OLED 구현 방법을 체계적으로 제시했다는데 의의가 있다”며 “낮은 전력소모가 특히 중요한 조명용 광원이나 웨어러블 기기의 센서용 광원에 OLED가 활용되는 데 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구자 지원사업 및 나노소재원천기술개발사업, 한국전자통신기술연구원(ETRI)의 초저가플렉서블 라이트닝 서피스(Lightning Surface) 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.