OLED, 지연 형광, 소재에 관하여~

삼중항 여기자 활용 기술

OLED는 전류구동 방식의 발광 소자로서 전자와 정공이 결합하여 생성된 고에너지 상태의 여기자(exciton)가 낮은 에너지 상태로 안정화 되면서 방출되는 에너지를 빛으로 전환하는 소자이다. OLED 소자 구동 시 생성되는 여기자는 단일항 및 삼중항 상태의 여기자를 생성하며 각각 25%, 75%의 비율로 여기자가 형성된다. 최초의 OLED는 단일항 상태의 여기자만을 활용하여 발광하는 재료(형광 재료)를 사용함에 따라 이론적 내부 양자 효율 이 25%에 머물렀으며, 이후 삼중항 여기자를 활용할 수 있는 인광 재료가 개발되어 이론적 내부 양자 효율이 크게 높아짐에 따라(~100%) 고효율의 OLED 소자를 제작할 수 있게 되었다.

OLED 소자의 실질적인 효율 특성은 최종적으로 외부에 방출되는 빛의 양을 측정한 외부 양자효율(External Quantum Efficiency; EQE)에 의해 결정된다. EQE은 일반적으로 주입되는 전하의 균형(γ)을 맞춰주거나 광추출 효율(ηcoupling)을 증진시켜 EQE를 증진시킬 수 있으며, 발광 재료의 특성에 따라 단일항과 삼중항의 생성 비율 및 형광 또는 인광 양자 효율이 최종적인 EQE를 결정한다. 일반적으로 발광층 내로의 전자와 정공의 주입이 동일하게 조절할 수 있으며(γ= 1), 특별한 광추출 기법을 적용하지 않았을 경우의 광추출 효율은 0.2~0.3 수준이다. 그러나 OLED소자에서 단일항과 삼중항 생성비율이 1:3 이므로 삼중항 여기자를 발광시킬 수 없는 형광 재료의 경우 EQE가 최대 5~7.5%에 그친다. 인광재료의 경우 단일항 여기자가 계간전이(Intersystem crossing; ISC)를 통해 대부분 삼중항 상태로 전이되며, 삼중항 상태의 여기자는 중금속에 의한 강한 spin-orbit coupling에 의하여 T1에서 S0로의 복사 전이 확률이 100% 가능하다. 따라서 최대 20~30%의 EQE를 얻을 수 있다.

 

현재 출시되고 있는 소형 및 대형 디스플레이 제품에는 이러한 형광 재료 및 인광 재료가 모두 적용되고 있으며, 적색 및 녹색 발광층에는 인광재료가 사용되고 있으나, 아직까지 청색 발광층 재료는 형광 재료가 사용되고 있다. 청색 인광재료의 경우 안정성에 따른 수명 문제로 인해 상용화된 OLED 패널에 적용되지 못하고 있다. 청색 인광재료의 수명을 개선하기 위해 지난 수년간 많은 개발이 진행되어 왔으나, 최근까지 상용화에 대한 미래가 불투명한 상황이다. 또한 상용화되어 있는 녹색 및 적색 인광재료는 희토류 금속(Ir)을 사용하는 문제와 일부 기업에서 특허권을 장악하여 재료의 활용에 많은 제약을 받고 있는 실정이다. 따라서 청색뿐만 아니라 녹색, 적색 발광층 재료를 대체하고, 언급된 문제점들을 극복하기 위해 새로운 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.

 

TADF 재료는 효율적인 측면에서 인광 재료 수준에 필적하며, 적, 녹, 청색 등 모든 발광색에서 우수한 특성을 보여주고 있다. 그러나 단일항으로 up-conversion된 여기자는 형광 발광을 하기 전에 다시 down-conversion을 통해 삼중항 상태로 전이될 수 있으며, 이 과정이 반복되면서 지연 형광 수명이 증가될 수 있다. 이로 인해 에너지 적으로 불안정한 상태의 여기자가 오래 동안 지속되어 소자의 degradation을 가속시킬 위험성이 있다. 또한 인광재료와 유사하게 고휘도 영역에서의 roll-off 현상이 현저하게 나타나므로 이를 개선해야 할 것이다. 그리고 청색 영역의 TADF 재료의 경우 인광 재료와 유사하게 매우 높은 삼중항에너지를 가지는 host 재료를 사용해야하므로, 구동 전압 및 소비전력 측면에서 나쁜 영향을 줄 수 있다. 이러한 TADF 재료의 문제점을 해결할 수 있는 하나의 방안은 TADF 재료를 형광 dopant의 host 재료로 사용하는 것이다. 최근에 발표된 논문에서 TADF 재료인 PXZ-TRZ와 형광 dopant 재료인 rubrene 유도체(tBRb)를 이용하여 18% 이상의 높은 EQE를 구현하였다.이는 TADF 재료에 전이된 삼중항 여기자가 up-conversion되어 단일항 상태로 전이된 후 이 단일항 에너지를 형광 dopant인 tBRb로 전이시켜 얻은 결과이다. 이렇게 Host로 TADF 재료를 사용할 경우 지연형광의 수명을 줄일 수 있을 뿐만아니라, 소비전력 및 수명 등의 개선도 기대할 수 있다. 이와 같이 TADF 재료에 대한 연구를 보다 다양하게 진행하고, 삼중항 에너지를 활용할 수 있는 새로운 방법에 대한 기초적인 연구를 꾸준히 진행한다면 세계 1위인 국내의 OLED 산업의 지위를 유지하는데 일조할 수 있을 것이다.

 

이상, 출처; 인포메이션 디스플레이, 2015년