KAIST, 자기장 밝기 반응으로 청색 인광 OLED 수명 예측 기술 개발

초기 상태 측정만으로 장기 수명 예측… 개발 시간·비용 절감 기대, 네이처 커뮤니케이션즈 게재

KAIST는 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 경희대학교 권장혁 교수 연구팀, 국립한밭대학교 이재현 교수 연구팀, ㈜ASTA 연구진과 공동으로 자기장에 따른 밝기 변화를 이용해 청색 인광 OLED의 수명을 예측하는 방법을 개발했다고 22일 밝혔다.

OLED는 전류를 흘리면 스스로 빛을 내는 소자로, 스마트폰과 TV 화면 등에 쓰인다. 이 가운데 청색 인광 OLED는 전기 에너지를 효율적으로 활용해 파란빛을 내는 소자로, 높은 효율과 함께 긴 수명을 확보하는 것이 핵심 과제로 꼽혀 왔다. 그러나 기존에는 OLED가 얼마나 오래가는지 확인하려면 수십~수백 시간 켜둔 채 밝기가 얼마나 줄어드는지 지켜봐야 했다. 결과를 얻기까지 시간이 오래 걸리고, 시험 과정에서 소자의 성능도 떨어지는 어려움이 있었다.

연구팀은 자기장이 OLED의 밝기를 미세하게 바꾸는 현상에 주목했다. OLED 내부에서는 전기를 띤 입자들이 만나 재결합하는 과정에서 빛이 만들어지는데, 자기장이 이 과정에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 연구팀은 OLED에 일정한 전류를 흘려 빛을 내게 한 뒤 전자석으로 자기장의 세기를 바꾸면서 밝기 변화를 정밀하게 측정했고, 이 변화에 섞여 있는 여러 반응 가운데 수명 저하와 밀접한 부분을 분리해 하나의 평가 수치로 만들었다.

이 방법을 같은 발광 물질로 만들되 내부 구조가 다른 네 종류의 청색 인광 OLED에 적용한 결과, 처음부터 밝기의 자기장 반응이 작게 나타난 소자가 실제 장시간 구동 시험에서도 초기 휘도를 더 오래 유지하는 것으로 나타났다. 연구팀은 자기장 발광 응답을 두 가지 성분으로 분리하고, 이 중 소자 열화에 민감한 성분의 크기와 폭을 함께 반영한 정량적 지표를 도입해 이 지표와 동작 수명의 로그값 사이에 매우 높은 선형 상관관계(R² > 0.95)가 존재함을 확인했다. 특히 장시간 구동 전 초기 상태에서 측정한 자기장 발광 응답만으로도 소자의 장기 안정성을 예측할 수 있다는 점이 이번 연구의 핵심이다.

다만 자기장으로 OLED의 수명을 늘린 것은 아니다. 자기장에 반응하는 모습을 검사해 오래갈 OLED를 미리 구별한 것으로, 눈으로 보기 어려운 작은 밝기 변화를 측정·분석해 소자가 얼마나 오래 작동할지 판단할 근거를 얻은 비파괴적 평가라는 점에 의미가 있다. 연구팀은 이러한 반응이 나타나는 원인도 분석했다. OLED를 오래 사용하면 내부 유기 분자의 결합이 끊어지면서 발광 과정을 방해하는 결함이 생길 수 있는데, 질량분석과 분자 시뮬레이션을 통해 이러한 결함이 스핀에 의존하는 발광 과정에 영향을 주고, 그 영향이 자기장에 대한 밝기 반응에도 반영될 수 있음을 설명했다. 나아가 이 접근법이 청색 인광 OLED뿐 아니라 녹색 인광, 열활성화 지연형광(TADF), 라디칼 기반 OLED 등 다양한 발광 시스템에도 적용될 가능성을 확인했다.

이번 기술은 디스플레이 기업과 연구소가 새로운 OLED를 개발하는 과정에서 활용할 수 있다. 같은 발광 물질로 내부 구조가 다른 여러 시제품을 만들었을 때, 초기 측정으로 오래갈 가능성이 높은 구조를 골라 후속 개발에 집중할 수 있어 모든 시제품을 오랫동안 켜놓고 결과를 기다려야 하는 부담을 줄이고 개발 시간과 비용을 절감하는 데 도움이 된다. 발광층의 소재 조합과 두께, 전하 수송층 구성 등 다양한 소자 설계의 최적화에도 활용할 수 있다. 다만 소재나 내부 구조가 달라지면 자기장에 주로 반응하는 요인도 달라질 수 있어, 다양한 OLED에 적용하려면 대상에 맞는 추가 검증이 필요하다. 연구팀은 앞으로 구동 밝기와 온도 등 측정 조건에 따른 예측 정확도와 재현성을 검증하고, 측정 절차의 표준화와 데이터 분석의 자동화를 통해 실제 OLED 개발 환경에서 활용 가능한 평가 기술로 발전시킬 계획이다. 이번 연구과제에 함께 참여한 ㈜ 주암에서는 자기장에 따른 발광 변화를 측정하는 상용화 제품을 개발하고 있다.

유승협 교수는 “이번 성과는 OLED 개발 초기 단계에서 수명이 우수한 소재와 소자 구조를 빠르게 선별하는 데 활용될 수 있다”며 “앞으로 다양한 조건에서 검증을 거치면 고효율·장수명 청색 OLED 개발을 뒷받침하면서, 제품에 손상을 주지 않는 평가 기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 KAIST 지정민 박사가 제1저자로 주도하고 유승협 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 9월 30일 온라인 게재됐으며, 산업통상자원부 산업기술혁신사업(디스플레이혁신공정플랫폼구축사업)의 지원을 받아 수행됐다.

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