▲ (왼쪽부터) 김태근 전기전자공학부 교수(교신저자), 최동훈 화학과 교수(교신저자), 김나현 석박사통합과정(제1저자), 황진효 박사(제1저자)

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 김태근 전기전자공학부 교수, 최동훈 화학과 교수가 이끄는 공동연구팀은 메쉬 구조의 금속 도핑된 유연 투명 전극을 적용해 차세대 유연 유기발광다이오드(OLED)의 광학 효율 및 기계적 안정성을 획기적으로 향상할 수 있는 핵심기술을 개발했다. 이에 유연 전극, 유기반도체 및 용액공정 기술 발전에 따른 다양한 전자 및 광전자 소자의 개발이 가능해졌다.

최근 유연 광전자 소자 측면에서 OLED나 태양전지 소자들이 소형화되고 유연성을 요구하기에 전극은 투과도와 전기전도도를 유지함과 동시에 유연성과 기계적 내구성을 지녀야 한다. 또한 새로운 발광물질에 대한 개발 필요성이 대두되며 많은 연구가 진행 중이다.

김 교수 공동 연구팀은 기계적 유연성을 높이기 위해 메쉬 구조의 전극을 사용했으며, 전기적인 특성을 고려해 전도성 산화물인 인듐아연산화물(IZO)에 금속(Ni)이온을 전극 표면에 국부적으로 도핑했다. 이를 통해 박막의 높은 투과도는 유지하면서 면저항을 감소시키고, 일함수를 5.2eV까지 증가시켜 양전극으로서 성능을 높였다. 그 결과 구부림에 취약한 ITO를 대체하고, 유연성과 기계적 내구성을 향상한 OLED 디스플레이용 투명 전극을 개발하는 데 성공하였다.

▲ 개발된 메쉬 구조의 Ni 도핑된 인듐 아연 산화물(mNIZO) 유연투명전극과 CzCN-tCz 호스트를 사용한 녹색 TADF OLED의 구조(왼쪽)와 5mm에서 0-2000번의 벤딩시험에 따른 휘도 감소 변화 결과(오른쪽)

개발한 전극은 도핑을 통해 전기전도도와 투과도, 일함수 조절을 가능하게 할 뿐만 아니라 유연한 특성을 동시에 최적화한 것으로, 특히 Ni 금속(불순물)을 투명전극 표면에 확산, 박막의 전기, 광 특성을 독립적으로 제어할 수 있는 간단한 co-sputtering 도핑 방법을 사용해 공정 과정을 단순하게 한다는 것이 큰 장점이다.

게다가 연구팀은 종래에 진공증착 방식의 청색 열활성 지연형광 OLED의 호스트 물질로 널리 사용되는 mCBP-CN의 구조를 참고하여, mCBP-CN 물질의 고유 특성은 유지하면서 유기용제에 대한 용해도를 많이 증가시킨 새로운 양극성 호스트 물질인 CzCN-tCz를 개발했다.

▲ 굽힌 상태에서의 OLED 발광 이미지

개발된 메쉬 구조의 Ni 도핑된 인듐 아연 산화물(mNIZO) 유연투명전극과 CzCN-tCz의 호스트를 사용한 poly(ethylene 2.6-naphthalate) 기반의 유연 TADF OLED는 20% 이상의 최대 외부 양자 효율을 보였으며, 특히 곡률 반경 5mm에서 2,000회 구부려도 초기 휘도의 80% 이상을 유지하는 매우 높은 기계적 내구성을 데모하는 데 성공하였다.

본 연구의 결과는 간단한 용액공정을 통해 저비용, 고효율의 플렉서블 디스플레이 구현을 가능케 하고, 더 나아가 다양한 형태의 웨어러블 소자구현 및 효율 향상에도 크게 기여를 할 것으로 기대된다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 리더(창의)연구사업, 대학중점연구소지원사업과 LG디스플레이의 지원으로 수행되었으며, 본 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 해당 분야 국제 저명 학술지인 Nano Energy[IF: 19.069, 인용 순위(JCR, Journal Citation Reports): 상위 5.07%]에 2023년 1월 게재되었다.   /공과대학신문

* 논문명 : Work-function-tunable metal-oxide mesh electrode and novel soluble bipolar host for high-performance solution-processed flexible TADF-OLED

* 저자 : Nahyun Kim(제1저자), Jinhyo Hwang(제1저자), Ho Jin Lee, Na Yeon Kwon, Jin Young Park, Chang Woo Koh, Min Ju Cho, Sungnam Park, Dong Hoon Choi(교신저자), Tae Geun Kim(교신저자)