화학공학과 김태경 교수, 소재와 소자 연결하는 통합 분석 프레임워크 제안
소재 조합에 따른 수명 차이 확인

화학공학과 김태경 교수 연구팀이 차세대 디스플레이 핵심 과제인 청색 인광 OLED의 수명 저하 원인을 규명하고, 이를 진단·예측할 수 있는 통합 분석 프레임워크를 제안했다. 연구 결과는 소재 분야 세계적 권위지 『Advanced Functional Materials(IF=19.9)』에 온라인 게재됐다.

디스플레이 산업의 풀리지 않은 난제, 청색 OLED

스마트폰과 TV 화면을 구성하는 OLED 디스플레이는 빨강, 초록, 파랑 세 가지 색의 조합으로 완성된다. 적색과 녹색은 오래전부터 고효율·장수명 기술이 상용화됐다. 그러나 청색만큼은 달랐다. 효율은 뛰어나지만 수명이 짧아 디스플레이 산업계의 오랜 숙제로 남아 있었다. 소자마다 수명 차이가 분명히 존재했지만, 그 원인을 설명할 수 있는 분석 방법론 자체가 부재했다. 왜 성능이 다른지, 왜 수명이 짧은지에 대한 갑론을박만 이어졌을 뿐 명확한 답은 없었다.

기존 연구는 소재의 화학적 결합력이나 기본 광학 특성만으로 수명을 예측하려 했다. 그러나 실제 소자를 구동하면 예상과 전혀 다른 결과가 나오는 일이 반복됐다. 분명 소재 특성과 실제 소자 성능 사이에 설명되지 않는 간극이 존재했다.

김태경 교수 연구팀은 이 간극을 메우기 위해 두 가지 첨단 분석 기법을 결합했다. 먼저 시간 분해 광전도(TrPL) 분석과 상미분방정식 모델을 결합해 호스트 물질 내에서 엑시톤이 소멸하지 않고 다시 빛으로 전환되는 ‘엑시톤 재활용률(ERR, Exciton Recycling Rate)’을 정량 평가했다. 엑시톤 재활용률은 다른 연구 분야에서 제안된 개념이지만, 김태경 교수 연구팀이 이를 차용해 청색 OLED 수명 해석에 처음 적용했다.

여기에 실제 전기를 흘린 소자에 자기장을 걸어 구동 중 엑시톤 거동을 관찰하는 자기-전기발광(MEL) 분석을 추가해, 전하와 엑시톤이 부딪혀 손실되는 폴라론 상호작용(TPQ) 등 분자 수준의 열화 메커니즘을 가시적으로 구분했다. 이를 통해 소재의 특성이 실제 소자 열화로 이어지는 경로를 하나의 논리적 그림으로 설명하는 통합 프레임워크를 완성했다.

김태경 교수는 “소자마다 성능 차이가 있다는 것은 알았지만, 왜 그런지 들여다볼 현미경이 없었다. 이 연구는 그 현미경을 만드는 작업이었다”고 설명했다. 단편적인 데이터들을 하나의 논리로 이어 붙여야 했기에 오랜 시간이 소요됐다. 그는 “처음에는 방법론 제시에 집중했고, 이후 확장해 적용해 보니 더 잘 들어맞았다”며 프레임워크의 확장 가능성을 점쳤다.

소재 단계에서 수명 예측, 반복적 실행착오 줄일 것

연구 결과, 호스트 소재 자체의 엑시톤 재활용 능력이 엑시플렉스(Exciplex) 상태보다 우수할 때 엑시톤이 축적되지 않고 효율적으로 소비돼 소자 수명이 늘어난다는 인과관계가 입증됐다. 이 조건에 부합하는 소재 조합에 따라 수명이 최대 5배까지 차이가 발생할 수 있음을 확인했다.

더 큰 의미는 예측 가능성에 있다. 기존에는 소자를 장시간 구동해야만 수명을 확인할 수 있었다. 반면 이번에 제안한 통합 프레임워크를 활용하면 소재 단계에서 미리 수명 특성을 진단하고 우수 소재를 사전에 선별할 가능성이 생긴다. 이 방법론은 고가 및 첨단 장비를 요구하지 않아 산업 현장에서도 적용 가능성이 높다. 김 교수는 “연구개발의 반복적인 시행착오를 줄이고 좋은 소재를 빠르게 추려낼 수 있는 방법론”이라고 강조했다.

김태경 교수 연구팀은 후속 연구로 머신러닝을 활용한 분석 고도화와 장비 업그레이드를 계획하고 있다. 그는 “전기가 들어가서 빛이 나기 직전 단계인 엑시톤 개념은 전기발광 소재 전반에 걸쳐 응용할 수 있다. 머신러닝 등을 활용해 방법론을 더욱 고도화해 나갈 계획”이라고 밝혔다. 이번 연구는 산업통상자원부의 '소재 부품 기술 개발' 사업과 'OLED 한계돌파형 상용화 제품을 위한 기술 개발 사업'의 후원을 받아 진행됐다.