수백 시간 걸리던 OLED 수명 검증, '자기장 측정'으로 초기 판별

KAIST·경희대·한밭대·아스타 연구진
청색OLED 자기장 반응 긴 수명 밝혀

청색 인광 OLED의 수명을 예측하는 방법을 개발한 KAIST 유승협 교수와 지정민 박사.  (사진=KAIST 제공)

스마트폰과 TV 화면 차세대 디스플레이의 최대 난제로 꼽히던 청색 유기발광다이오드(OLED)의 동작 수명을 장시간 구동 시험 없이 소자 제작 초기 단계에서 비파괴 방식으로 예측할 수 있는 기술이 개발됐다. KAIST 연구진은 청색 OLED 내부의 엑시톤과 전하 반응이 외부 자기장에 반응해 나타내는 미세한 발광 변화를 정량화하고, 이를 통해 소자의 장기 구동 안정성을 미리 가늠할 수 있는 물리적 지표를 제시했다고 밝혔다.

디스플레이의 화질과 에너지 효율을 높이기 위해서는 우수한 발광 효율과 장기 구동 안정성을 동시에 확보해야 한다. 그러나 청색 OLED는 고효율 구현에 비해 장시간 안정성을 유지하는 것이 까다롭다. 기존 수명 평가는 소자를 지속해서 구동하며 밝기가 일정 수준(초기 대비 70% 또는 50%)까지 떨어지는 시간을 직접 측정하는 방식이어서, 후보 소재나 소자 구조를 검증하는 데 수십에서 수백 시간이 소요됐다.

KAIST 전기및전자공학부 유승협 교수·경희대 권장혁 교수·국립한밭대 이재현 교수·㈜ASTA 연구진이 함께 OLED 내부 발광 과정이 스핀(Spin) 상태의 영향을 받으며, 동작 수명이 서로 다른 4종의 청색 인광 OLED를 비교 분석했을 때 초기 수명이 짧은 소자일수록 자기장 응답 지표 값이 크게 나타나는 경향을 확인했다. 나아가 장시간 구동 전인 초기 상태의 지표 측정만으로도 향후 수명 차이를 정밀하게 판별할 수 있음을 입증했다.

이번 기술이 실용화되면 신규 유기 재료 조합, 발광층 두께 및 배열, 전하 수송층 구성 등을 변경할 때 초기 상태에서 장수명 구조를 신속하게 선별할 수 있게 된다. 수개월씩 걸리던 수명 평가 부담을 줄이고 유망한 후보 소자에 정밀 검증을 집중함으로써 고효율·장수명 디스플레이 개발에 투입되던 막대한 시간과 비용이 획기적으로 절감될 전망이다.

유승협 교수는 "이번 성과는 OLED 개발 초기 단계에서 수명이 우수한 소재와 소자 구조를 빠르게 선별하는 데 활용될 수 있다"고 설명했다. 이어 "앞으로 다양한 조건에서 검증을 거치면 고효율·장수명 청색 OLED 개발을 뒷받침하면서, 제품에 손상을 주지 않는 평가 기술로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 9월 30일 온라인 게재됐다.
임병안 기자