OLED 발광 양자준입자인 엑시톤과 엑시플렉스 방향 및 변색성 관찰 및 제어 성공
주진수 교수팀, 현미경을 이용한 발광 양자준입자 방향성 및 변색성 측정 방법 제시
차세대 고효율 디스플레이에 응용 기대 / 연구 결과, ‘Nature Communications’ 게재돼




▲ 교신저자 주진수 교수(왼쪽), 제1저자 이상훈 박사과정(가운데), 공동교신저자 김정용 교수 (오른쪽)

이과대학 물리학과 주진수 교수 연구팀은 성균관대학교 에너지과학과 김정용 교수 연구팀과 공동 연구를 통해서 OLED 소재에서 발광 양자준입자(quantum quasi-particle)인 엑시톤(exciton, XF)과 엑시플렉스(exciplex, XP)의 쌍극자 모멘트의 배열, 발광 방향성, 방출 각도에 따른 색 변화(변색성, chromism)를 후초점면(back-focal plane, BFP) 광학 현미경 시스템으로 관찰했다.

이번 연구 결과는 세계적 권위 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 11월 08일(한국시간 기준) 온라인판에 게재됐다.
* 논문명: Observation of aligned dipoles and angular chromism of exciplexes in organic molecular heterostructures
* 저널명: Nature Communications
* 저자정보: 이상훈 (제1저자, 고려대학교 물리학과 박사과정), 주진수 (교신저자, 고려대 물리학과 교수)

차세대 디스플레이인 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, OLED)의 발광 방향에 의한 전반사는 에너지 효율을 낮추는 주요 요인 중 하나로, 이를 제어하기 위한 엑시톤의 전기 쌍극자 모멘트 방향과 특성 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

특히, 유기반도체 분자 간 전하전달에 의해 형성되는 엑시플렉스(exciplex, XP)는 열 활성 지연 형광(thermally activated delayed fluorescence, TADF)을 유도하기 때문에 고효율 차세대 OLED 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대되는 발광 양자준입자이다.
 

그러나 기존의 열 증착(thermal evaporation)이나 용액 코팅(solution coating) 형태로 제작되는 유기 발광층은 비결정질 형태로 제작되어 엑시플렉스에서 방출되는 빛의 방향을 제어하거나 분석할 수 없었다. OLED를 포함한 디스플레이에서 발광 양자준입자인 엑시톤의 발광 방향에 대한 측정은 수 제곱밀리미터 대면적에 대한 관찰이 주를 이뤘기 때문에, 차세대 발광소자인 마이크로 OLED와 같은 작은 크기의 소자에 관한 연구를 위해 현미경을 이용한 측정 방법의 연구가 요구됐다.  차세대 디스플레이 개발 및 기술 선도를 위해 마이크로미터 수준의 영역에서 엑시톤과 엑시플렉스의 쌍극자 모멘트 정렬과 그에 따른 쌍극자 간 상호작용, 발광 방향성, 변색성 등의 물리적 특성을 관찰하기 위한 기술이 요구된다.

이에 연구진은 고해상도 현미경의 후초점면 위의 각 점이 광자의 방출 방향과 대응된다는 점에 착안하여 후초점면에서 엑시톤의 발광신호를 측정해 마이크로미터 단위에서 엑시톤의 발광특성과 쌍극자 모멘트 배열에 관한 연구가 가능함을 보이고, 이를 위한 구체적인 실험 방법과 결과를 보고했다.

연구팀은 OLED 발광 소재로써 평면 구조를 가지고 증착 시 증착 면과 분자 면이 나란한 특성을 갖는 유기분자 m-MTDATA를 전자 주개(electron donor, D)로, 전자 받개(electron acceptor, A)로 T2T를 사용했다.

연구팀은 OLED 발광 소재 층으로 전자 주개-받개 m-MTDATA/T2T 이중층(bilayer, BL)을 제작했고, 후초점면 PL 측정을 통해 평면상 구조의 m-MTDATA의 순수 엑시톤(XF)과 두 분자면 사이의 엑시플렉스(XP)의 PL 이미지를 관찰했다(그림 1). 또한, 여기 레이저(incident laser)의 세기가 강해지거나 온도가 낮아질수록 XP의 PL이 청색 편이(blue shift)하는 반면, XF의 PL은 파장이 변하지 않는 것을 관찰했다(그림 2a, b). 이를 통해 XF와 XP의 전기쌍극자 방향이 각각 접합 면에 나란하고 수직하게 정렬되어 있음을 확인했다.

연구팀은 또한 전자주개 m-MTDATA와 전자받개 T2T를 D-A로써 동시 증착(co-deposition layer, CDL)해서 발광층 구조를 갖는 CDL-OLED 소자를 제작해 구동 전압에 따른 XP의 전기발광(electroluminescence, EL) 스펙트럼을 관찰했다. 구동 전압의 증가에 따라 BL-OLED에서는 XP의 EL 스펙트럼이 청색 편이했지만, CDL-OLED에서는 XP의 스펙트럼 위치가 구동 전압에 상관없이 일정했다. 이를 통해 연구진은 다시 한번 m-MTDATA/T2T BL 구조에서 XP가 수직한 방향으로 잘 정렬되어 전기장에 의한 영향을 받는 것을 확인하였다. 이를 통해 BL에 형성되는 XP를 이용한 엑시토닉 소자 개발 가능성을 제시했다. (그림 3)

이뿐만 아니라 연구팀은 XP가 후초점면 PL에서 에너지-모멘트 분산관계를 보이는 것을 관찰했다. 이는 유기분자빔 증착을 통해 균일한 D-A 경계면에서 XP가 형성될 때 강하게 비편재화(delocalized) 될 수 있다는 것을 의미한다. 이를 통해 XP 기반의 광소자(photonic device)에 응용될 수 있음을 제시했다. (그림 4)

주진수 교수는 “이번 연구는 차세대 유망 디스플레이인 OLED 발광층에서 다양한 양자 준입자의 쌍극자 모멘트 방향 특성을 새로운 현미경 측정 기술을 이용하여 실험적으로 직접 측정한 의미가 있다. 이는 향후 OLED 해상도와 성능 증진에 기여할 수 있다.”라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업의 중견연구와 4단계 BK21 사업(고려대학교 물리학과)의 지원을 통해 수행됐다.




[ 그 림 설 명 ]




(그림 1) 후초점면 발광 (BFP PL) 이미지 관찰 개념도(좌측)와 플랑켈(순수) 엑시톤 (Frenkel exciton, XF)과 엑시플렉스 (exciplex, XP)의 후초점면 발광 이미지(우측)

전자 주개(electron donor, D)와 전자 받개(electron acceptor, A) 이중층(bilayer)에 빛을 수직으로 입사해 방출되는 발광신호를 후초점면에서 관찰했다. 이중층의 계면에 나란한 방향의 쌍극자 모멘트를 갖는 XF는 중심이 밝고(우측 사진 아래), 수직한 방향의 쌍극자 모멘트를 갖는 XP는 외곽이 밝은(우측 사진 위) 후초점면 PL 이미지가 관찰된다.





(그림 2) (a) 여기 레이저(incident laser)의 세기와 (b) 측정 온도에 따른 레이저 공초점 현미경(laser confocal microscope, LCM) 발광 스펙트럼 변화

여기 레이저의 세기가 강해지거나 온도가 감소할수록 2.1–2.2 eV에서 관찰되는 XP의 발광 스펙트럼이 청색 편이(blue shift)하는 것에 반해, 2.9 eV에서 관찰되는 XF의 발광 스펙트럼에서는 레이저의 세기와 온도에 따른 위치 변화가 관찰되지 않는다.




(그림 3) m-MTDATA/T2T 이중층 구조의 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, OLED)의 개념도(좌측) 및 구동 전압에 따른 전기발광(electroluminescence, EL) 스펙트럼 변화(우측).

전자 주개-받개 m-MTDATA/T2T 이중층 OLED는 유리기판 위에 패터닝된 ITO 투명전극 위에 정공전달층(hole transport layer, HTL)로 PEDOT:PSS를 코팅하고 유기 분자빔 증착법(organic molecular beam deposition, OMBD)을 이용해 m-MTDATA, T2T 층을 순서대로 증착 후 음극으로 LiF/Al 전극을 증착해 제작했다(그림 3 좌측). 구동 전압이 증가할수록 m-MTDATA/T2T 이중층 계면에 수직한 방향의 쌍극자 모멘트를 가진 XP의 EL 스펙트럼은 전하 밀도 증가 및 외부 전기장 증가에 의해 청색 편이를 보인다(그림 3 우측).



(그림 4) 전자 주개-받개 m-MTDATA/T2T 이중층 구조의 후초점면 발광 스펙트럼에서 관찰된 에너지-모멘트 분산관계 (E-k dispersion relation)

전자 주개-받개 m-MTDATA/T2T 이중층 구조에서 XP는 비편재화되어(delocalized) 강한 에너지-모멘트 분산을 보이지만, m-MTDATA 분자의 XF는 단분자 내에 강하게 편재화되어(localized) 중심이 밝고 모멘트에 상관없이 일정한 에너지 값을 갖는다.