바이오인

항생제를 활용한 고효율 디스플레이 소자 개발

- 암피실린 미세구조로 에너지 재활용과 광추출 효율 향상 -

□ 항생제 암피실린*과 전도성 고분자** 혼합물을 활용하여 높은 외부양자효율***을 갖는 유기전계 발광소자****를 국내 연구진이 구현하였다.

* 암피실린(Ampicillin) : 각종 감염 예방 및 치료에 사용되는 베타락탐계 항생제.

** 전도성 고분자 : 전기가 통하는 유기물 고분자. 본 연구에서는 PEDOT:PSS를 칭한다.

*** 외부양자효율 : 유기 발광 다이오드에서 방출된 광자의 개수를 주입한 전기 전하의 개수로 나눈 비율로 통상 30%가량의 수준

**** 유기전계 발광소자(OLED) : 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 유기물을 픽셀에 사용해 이미지를 표현하는 자체 발광형 디스플레이 소자

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 류승윤 교수(고려대학교, 제1저자 김동현, 이창민 박사과정) 연구팀이 항생제 기반 미세구조 합성을 통해 유기전계 발광소자의 효율을 높일 수 있는 원천기술을 확보했다고 밝혔다.

□ 최근 탄소중립을 위한 에너지 사용의 고효율성이 대두되고 있어, 높은 전력효율을 가지는 디스플레이 소자 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

○ 특히 유기전계 발광소자는 무한대의 명암비와 풍부한 색 재현율 그리고 높은 전력효율 특성을 기반으로 스마트폰, 차량용 디스플레이뿐만 아니라 증강현실용 디스플레이 등 넓은 분야에서 잠재력을 인정받고 있다.

○ 하지만 유기전계 발광소자의 효율을 최대한 증가시키기 위해서는 이중, 삼중으로 소자를 결합하거나 별도의 미세 패턴 기판을 사용하는 등 복잡한 공정을 거쳐야 한다는 한계가 있었다.

□ 이에 연구팀은 암피실린 항생제와 전도성 고분자를 합성하여 수용액 기반의 미세구조를 구현했고, 이를 디스플레이용 소자에 적용하여 유기 태양전지, 페로브스카이트 및 양자점 광전소자와 같은 다양한 소자에 적용할 수 있음을 확인하였다.

○ 또한, 소자 내부에 만들어진 암피실린 미세구조는 전기에너지와 빛에너지를 효율적으로 재활용하여 소자 스스로 빛을 낼 수 있게 하며,

○ 전반사* 로 인해 방출되지 못하고 소자 안에 갇히는 빛에 대한 광 추출** 또한 용이하게 만들어 효율 향상을 극대화하였다.

* 전반사 : 굴절률이 높은 매질에서 작은 매질로 향해 빛이 입사할 때, 빛이 굴절하지 않고 전부 반사되어 버리는 현상

** 광 추출 : 소자 내부에서 공기 중으로 빛이 진행할 때 굴절률 차에 의한 전반사로 인해 공기 중으로 방출되지 못하는 75~80%가량의 손실되는 빛들을 추출하는 기술

○ 이는 스마트폰, TV 등 디스플레이의 전력 소모를 절감시켜 배터리 사용 시간을 늘리고 디스플레이 자체의 수명을 연장하는 효과로 이어질 수 있다.

□ 류승윤 교수는 “디스플레이뿐만 아니라 태양광 전지, 양자점 광소자 등 다양한 분야에서 사용 가능한 정공주입층*으로써의 활용 가능성을 검증한 것”이라고 전하며, “의료 분야에서 사용되는 항생제와 전자소자 종류 중 하나인 유기전계 발광소자의 융합이 항생제 용도의 새로운 이정표를 제시하였고 고성능 광전자와 바이오 전자소자 개발 등을 촉진할 것”이라고 기대를 덧붙였다.

* 정공주입층 : 유기전계 발광소자 내에서 P형 반도체 역할을 하는 층으로 전압에 의해 정공주입층의 정공과 전자주입층의 전자가 발광층에서 만나 결합하여 빛이 발생

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 중점연구소지원사업으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 7월 12일 온라인 게재되었고, 정식출간본 표지 논문으로 선정되었다.

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1. 연구의 필요성

○ 유기전계 발광소자는 뛰어난 장치 성능과 특성을 기반으로 스마트폰, 텔레비전 등 점차 넓은 분야에 사용되고 있음. 여러 연구자는 디스플레이 및 조명 응용 분야의 최적 후보 소자로써 유기전계 발광소자의 외부 양자효율을 증가시키기 위해 많은 연구를 진행해왔다.

○ 수평 배향 발광물질의 사용, 광학적으로 도파관이나 기판 모드를 억제, 전기적으로 전도성과 전하 주입을 향상하는 등 다양한 방법으로 연구가 진행되었으며, 특히 정공 주입ㆍ수송 층, 하위 양극 구조, 산란층, 고굴절율 물질의 사용 등이 있다.

○ 최근 낮은 전하이동 광발광 양자수율을 가진 유기 발광물질을 개선하기 위한 방법의 하나로써 유기 반도체 단결정을 구현함으로써 높은 이동성이나 높은 광 발광 양자 수율과 같은 특성을 확보할 수가 있었다.

○ 유기 반도체 단결정은 유기 트랜지스터, 태양 전지 및 유기전계 발광소자에 응용될 수 있으며 흥미롭게도 이러한 단결정 구조는 구조체의 결합 정렬에 따라 다른 광전자 특성을 보인다.

○ 본 연구는 항생제 물질인 암피실린을 기반으로 유기 반도체 단결정에 준하는 미세구조 형성을 통하여 유기전계 발광소자의 획기적인 효율 향상을 유발하였다.

2. 연구내용

○ 전도성 고분자의 특성 조절에 관한 본 연구는 전하 주입, 계면 쌍극자 생성 그리고 전하 균형 및 광추출을 동시에 향상하기 위해 항생제 중 쌍극자 모멘트가 큰 암피실린이 선택되었다.

○ 암피실린은 산성도 및 온도 등에 따른 수평ㆍ수직 계면 쌍극자 정렬 및 응집체에 의한 발광 현상이 다름을 밝혀냈다.

○ 암피실린 기반 미세구조의 효율과 안정성을 향상하기 위해 열처리 온도에 변화를 주어 최적 농도를 제시하였으며 획기적으로 효율과 안정성을 발전시켰다.

○ 이러한 미세구조에 의해 도파관 모드 억제 및 광산란 현상/에너지 전이로 인한 광발광 현상/전자와 정공의 주입에 의한 전계발광 현상에 의해 복합적인 광증폭이 일어났음을 증명하였다.

○ 미세구조에 의한 적색편이로 인해 색 재현율이 향상되고 항생제의 나트륨 이온이 막을 형성하여 전극의 인듐 이온 확산을 저지하여 소자의 안정성을 높였음을 확인하였다.

○ 최적화된 미세구조를 광전소자에 적용하였으며, 평균 63.4%의 외부양자효율을 갖는 고효율 소자를 구현하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구는 항생제와 광전소자와의 융합이 효과적으로 이뤄졌으며, 항생제의 사용 용도에 대한 새로운 이정표를 제시하였다.

○ 이러한 발견은 고성능 광전자/바이오 전자소자에 대한 개발을 촉진할 것으로 기대된다.

○ 63.4%에 달하는 고효율을 가진 유기발광소자를 구현하여 포화된 광전소자의 효율에 대해 발전 가능성이 남아있음을 제안하였다.

○ 미세구조에 의해 광산란, 광발광과 같은 광재활용 현상과 동시에 미세구조 자체의 전계발광 및 산란으로 인한 전하재활용 현상을 하나의 유기발광소자에서 발생하는 메커니즘을 분석 제시함으로써 새로운 형태의 광전소자를 구현하였다.

○ 특히 디스플레이 공정에 잉크젯, 프린팅 방식이 화두가 되는 상황에서 수용액 기반의 단순하고 새로운 항생제 혼합법을 통해 다양한 공정에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

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