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KAIST 연구팀, LED 효율 버금가는 OLED 개발

낮은 전력소모가 중요한 조명 및 센서용 광원에 활용 기대

대전 = 김상현 기자 ㅣ sisa411@sisajournal.com | 승인 2018.08.21(Tue) 14:23:07

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최근 시판되는 전자제품의 디스플레이는 유기발광다이오드(OLED)를 사용하는 경우가 다수이다. 이는 무기물 LED와 비교해 더 뛰어난 색상과 높은 명암비, 그리고 두께까지 얇은 장점이 있기 때문이다. 하지만 아직까지 수명, 효율, 가격 경쟁력 등에서 기존 무기물 LED에 뒤처져 일반 조명 시장 진출에 어려움을 겪고 있다.

이러한 문제점 중 효율을 획기적으로 개선한 연구결과가 나와 주목된다. KAIST 전기및 전자공학부 유승협 교수 연구팀이 안정적으로 무기 LED에 상응하는 높은 효율의 OLED를 구현하는 데 성공했다.

OLED를 활용하기 위해서는 광원의 효율성을 높이는 것이 가장 큰 과제다. 최근 다양한 연구 개발을 통해 OLED의 효율이 꾸준히 상승했고 일부는 기존 무기 LED 수준에 버금가는 결과들이 나오고 있다. 하지만 이러한 연구 결과에도 불구하고 OLED가 갖는 면광원(面光源)의 장점을 포기하는 반구형 렌즈를 사용하거나 소자 내부에 빛을 추출하는 나노 구조가 도입돼 안정적인 동작을 방해하는 등의 문제로 실용화가 어려웠다.

연구팀은 OLED의 광 추출용으로 개발했던 다양한 방법 중 나노입자 기반의 광 산란층을 소자 외부에 도입하는 방법에 주목했다. 특히 기존의 반복적인 실험을 통해 경험적인 방식으로 연구했던 것과는 다르게 종합적이고 분석적인 방법론을 정립해 최대 효율을 낼 수 있는 구조를 이론적으로 예측했다.

산란 현상을 수학적으로 기술하는 이론을 OLED 발광 특성 예측 모델과 결합해 여러 구조를 가지는 수많은 소자들의 특성을 짧은 시간에 예측했다. 그리고 이를 기반으로 최대 효율을 갖는 최적 구조를 이론적으로 예측하는 데 성공했다.

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예측 값을 이용해 최적의 광 산란 필름을 실험적으로 구현하고  고효율 유기 발광소재를 이용한 소자 구조에 접목했다. 그 결과 56%의 외부 양자 효율 및 221lm/W의 전력 효율을 이끌어냈다. 이는 큰 렌즈나 내부 광 추출구조 없이 구현된 OLED 단위 소자 효율로는 최고의 결과다. 

유승협 교수는 “이번 연구는 상용화 가능성이 큰 기술로 고효율 LED의 효율에 상응하는 OLED 구현 방법을 체계적으로 제시했다는데 의의가 있다”며 “낮은 전력소모가 중요한 조명용 광원이나 웨어러블 기기의 센서용 광원에 OLED가 활용되는 데 기여할 것이다”고 말했다.

이번 연구는 서울대학교 재료공학부 김장주 교수, 경상대 화학과 김윤희 교수 연구팀과의 협력을 통해 이뤄졌다. 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 나노소재원천기술개발사업, 한국전자통신연구원(ETRI)의 초저가 플렉서블 Lightning Surface 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

KAIST 송진욱 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월10일자 온라인 판에 게재됐다.​

 

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