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- 지금까지 적절한 착색제 부족해 청색광 생성을 위해 이리듐, 백금등 값비싼 금속 필요.
- 두 개의 상이한 에미터 염료 함께 작동, 낮은 산란과 높은 효율 청색 OLED를 개발.
- 초형광 OLED를 통한 새로운 가능성.

유기 발광 다이오드용 새로운 파란색
OLED는 고효율과 유망한 수명으로 순수한 청색광을 생성한다.

미래의 파란 빛 :
유기발광다이오드의 큰 문제 중 하나인 청색 OLED 생산을 해결할 수 있었다.
지금까지 이를 위해 사용된 분자는 효과가 없었으며 빠르게 분해됐다. 

두 가지 형광 물질의 조합 덕분에 순수한 청색광과 더 긴 수명을 가진 LED를 생산하는 데 성공했다. 과학자들이 최근 전문 잡지 ‘Nature Photonics’에 발표했다.  

▲ 새로운 유기 발광 다이오드는 고효율과 더 긴 서비스 수명으로 순수한 청색광을 생성한다. © Masaki Tanaka/ Kyushu University

유기발광다이오드(OLED)는 이미 휴대폰에서 텔레비전에 이르는 많은 디스플레이에 사용되고 있다. 이들과 함께 탄소 함유 분자는 전류에 의해 여기 될 때 특정 파장의 빛을 직접 방출한다. 결과적으로 OLED 디스플레이는 추가 백라이트 없이 관리하므로 에너지 효율성이 더 높다. 또한 얇은 이미터 레이어(층)는 유연한 캐리어 재료에서도 작동하므로 유연한 디스플레이가 가능하다.

파란색의 문제

그러나 지금까지 OLED에는 큰 문제가 있었다.
적절한 착색제가 부족하기 때문에 청색광을 생성하기가 어렵다. 지금까지 사용된 것은 종종 비효율적이므로 충분히 밝지 않다. 또한 여기되면 고에너지 준입자가 형성되어 재료가 열화되어 수명이 크게 단축된다. 이를 완화하려면 이리듐과 백금과 같은 값 비싼 금속을 추가해야 한다.

따라서 Blue OLED는 품질과 성능면에서 적색 또는 녹색 OLED보다 훨씬 뒤처진다.
큐슈 대학의 제1저자 Chin-Yiu Chan은 "이제 적색 및 녹색 OLED를위한 고성능 옵션이 점점 늘어나고 있지만, 고에너지 청색광을 사용하는 장치는 더 큰 문제가 된다"고 설명한다. "이들과 함께라면 거의 항상 효율성, 색상 순도, 비용 또는 서비스 수명을 타협해야 한다."

두 가지 구성 요소를 통한 솔루션

이제 Chan과 그의 동료들은 유기 발광 다이오드의 청색 문제를 해결하는 방법을 찾았다.
두 개의 서로 다른 에미터 염료가 함께 작동하여 낮은 산란과 높은 효율로 순수한 청색광을 생성하는 청색 OLED를 개발했다.

새로운 발광 다이오드의 첫 번째 구성 요소는 유기분자(HDT-1)로, 열활성화 지연형광 (TADF)을 기반으로 빛을 방출한다. HDT-1 분자는 가열에 의해 들뜬 상태로 전환된 다음 바닥 상태로 돌아올 때 하늘색 빛을 방출한다. 장점은 이러한 TADF 염료는 밝은 빛을 가지고 있으며 값비싼 금속이 필요하지 않다.

두 번째 염료는 스펙트럼을 좁힌다.

그러나 HDT-1의 빛은 넓은 색상 스펙트럼을 가지므로 순수한 색상의 LED에 부분적으로만 적합하다. Chan의 동료 치하야 아다치(Chihaya Adachi)는 "청색 방출이 좁은 스펙트럼을 가지지 않으면 색 순도를 높이기 위해 필터를 사용해야 한다"고 설명했다.
이것은 많은 에너지가 손실되기 때문에 효율성을 감소시킨다.

이 문제를 해결하기 위해 Chan과 그의 팀은 HDT-1 분자를 다른 분자와 결합했다.
ν-DABNA라고 불리는 이 두 번째 TADF 염료는 순수한 청색광을 생성하는 능력으로 이미 알려져 있지만 OLED로 사용하면 매우 빠르게 저하된다.
그러나 연구자들은 이 염료를 HDT-1 분자와 결합함으로써 이를 피할 수 있음을 발견했다. 

▲ 새로운 청색 OLED는 두 유기 분자 HDT-1과 v-DABNA의 조합을 기반으로 한다. © Burke et al. / PNAS

높은 광도 및 순수 블루

두 염료 사이의 상호 작용은 파괴적인 에너지 상태를 빛을 생성하는 들뜬 상태로 매우 빠르게 변환시킨다. 결과적으로 v-DABNA는 더 오래 안정적으로 유지되고 에너지 손실이 적다.
초기 테스트에서 과학자들은 평방미터당 1천 칸델라(cd)의 높은 광도에서 84시간의 서비스 수명을 결정했다.

동시에 이 두 번째 구성 요소는 LED의 광 스펙트럼을 파장이 수 나노 미터에 불과한 거의 순수한 파란색으로 좁힌다. “우리는 97%의 빛 발광에서 높은 양자 수율을 가진 거의 청색 방출을 관찰했다”고 연구원들은 보고했다.

초형광 OLED를 통한 새로운 가능성

Chan과 그의 팀에 따르면, 이 기술은 값비싼 금속 없이도 할 수 있지만 여전히 더 오래 지속되는 효율적이고 순수한 청색 유기 발광 다이오드를 위한 길을 열었다.
Chan은 "이러한 청색과 형광 OLED가 가까운 장래에 고해상도 디스플레이에 일반적으로 사용되는 청색 OLED를 대체 할 수 있기를 바란다"고 말했다.

실험에서 측정된 서비스 수명은 이러한 실제 사용에 여전히 충분하지 않다.
"그러나 이러한 초기 결과는 밝은 미래를 가리킨다"고 Adachi는 말했다.
이러한 OLED의 최적화된 제조 조건을 통해 서비스 수명을 늘릴 수 있기 때문이다.

(Nature Photonics, 2021; doi : 10.1038 / s41566-020-00745-z)

출처 : Kyushu University

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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