동국대학교 연구팀이 실제 구동 중인 유기발광다이오드(OLED) 내부에서 발생하는 열화 과정을 실시간으로 분석할 수 있는 기술을 개발하고, OLED 성능 저하의 근본 원인을 규명하는 데 성공했다.

동국대학교는 16일 물리학과 류승윤 교수 연구팀이 고려대학교 신소재화학과 김철훈 교수, 전자및정보공학과 이재우 교수 연구팀과 함께 실제 소자가 동작하는 환경에서 내부 변화를 실시간 분석하는 '오페란도(Operando) 광전기 동시 분석 플랫폼'을 개발했다고 밝혔다.

기존에는 전기적 분석이나 광학 분석만으로는 OLED 발광층과 계면에서 실제로 발생하는 열화 과정을 직접 확인하기 어려웠다. 연구팀은 자체 개발한 전기 구동 분광법(Electrically Pumped Spectroscopy·EPS)에 시간분해 광발광(TRPL), 특이종 스펙트럼(SAS), 감쇠연관스펙트럼(DAS) 분석을 결합해 구동 중 OLED 내부의 여기자(exciton) 생성·이동·소멸 과정을 실시간으로 추적했다.

이를 통해 OLED 내부 열화 위치와 원인을 층별(layer-resolved)로 분석하는 데 성공했다.

연구 결과 발광층에서는 열화에 따른 초고속 여기자 산란(exciton scattering)이 발생해 발광 효율이 감소하는 것으로 나타났다. 또 발광층과 여기자 차단층(EML/EBL) 계면에서는 구조 변화로 인해 기생 여기자(parasitic exciton)가 증가하는 현상이 확인됐다.

연구팀은 이 두 가지 열화 메커니즘이 동시에 OLED 효율 저하와 스펙트럼 변화를 유발하는 핵심 원인이라는 점을 밝혀냈다. 특히 각각 별도로 해석되던 열화 현상을 하나의 통합 반응 모델(kinetic model)로 설명해 OLED 열화를 정량적으로 분석할 수 있는 기반도 마련했다.

이번 분석 플랫폼은 OLED뿐 아니라 양자점 발광다이오드(QD-LED), 페로브스카이트 LED 등 차세대 광전소자의 열화 메커니즘 분석에도 활용될 수 있을 것으로 연구팀은 기대했다. 소재 개발 이전 단계에서 열화 위치를 신속하게 진단할 수 있어 연구개발 비용과 시간 절감에도 도움이 될 것으로 전망된다.

류승윤 교수는 "OLED 등 차세대 광전소자의 성능과 수명을 개선하기 위해서는 새로운 소재 개발뿐 아니라 실제 구동 환경에서 발생하는 열화 원인을 정확하게 규명하는 것이 필수"라며 "이번 연구는 오페란도 분석을 통해 열화 위치와 원인을 층별로 규명할 수 있는 진단 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 있다"고 밝혔다.

이어 "향후 차세대 디스플레이와 다양한 광전소자의 신뢰성 향상에 활용될 것으로 기대한다"고 덧붙였다.

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