반딧불이 구조 적용한 유기발광다이오드(OLED) 개발

▲ 정기훈 바이오및뇌공학과 교수. (사진제공=KAIST)

OLED 발광 효율 61％ 높아져

국내 연구진이 반딧불 구조를 모사해 발광 효율이 60％ 이상 높아진 유기발광다이오드(OLED)를 개발했다.

KAIST(총장 강성모)는 정기훈 바이오및뇌공학과 교수 연구팀이 반딧불이 발광기관 구조의 광학적 역할을 밝혀내고 이를 공학적으로 모사하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.

반딧불이는 스스로 빛을 내는 대표적인 자연발광체로 자연계 내에서 가장 높은 발광효율을 가지는 것으로 알려진다.

기존의 연구는 주로 반딧불이의 발광 원리를 밝혀내는 과정에 집중됐을 뿐 발광기관의 광학적 구조에 대한 연구는 거의 진행되지 않았다.

반딧불이의 발광기관은 외피층, 발광세포층, 반사층으로 구성된다.

발광세포층은 빛을 발생시키는 역할, 반사층은 외피층으로 향하지 않는 빛을 반사시키는 역할을 한다.

최종적으로 발생한 빛은 외피층을 통해 밖으로 빠져나간다.

이 중에서도 빛을 발생시키는 발광세포층에 대한 연구는 기존에 많이 이뤄졌다.

그러나 반사층 및 외피층의 역할은 명확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 반딧불이의 발광기관 외피에 마이크로 및 나노구조가 결합한 계층적 구조가 있음을 발견했다.

이후 광학 수치해석과 실험을 통해 계층적 구조의 역할은 발광세포층에서 발생하는 빛을 효과적으로 추출하면서 넓은 광 분포를 구현하는 것임을 밝혀냈다.

연구팀은 반딧불이의 광학구조를 OLED에 적용해 기존 OLED의 문제점을 해결했다.

OLED는 발생된 빛이 내부에 갇혀 약 20%의 빛만 외부로 추출된다.

연구팀은 반도체 공정 및 미세 몰딩 공정을 이용해 반딧불이의 광학구조를 모사했고 이를 OLED에 적용해 광 추출 효율을 최대 61%까지 높였다.

또한, 계층적 구조를 이용해 기존 OLED보다 넓은 광 분포도를 구현할 수 있었다.

정 교수는 “이번 연구는 자연의 신비를 밝힘과 동시에 OLED의 광추출 효율을 높이는 새로운 방법을 제시했다”며 “앞으로 광학구조의 설계 변경을 통한 다양한 광 분포 조절로 OLED 기반 조명 및 디스플레이에 적용이 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 지난 5일 나노분야의 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인 판에 게재됐다. 최소망 기자 somangchoi@