– 용액공정 OLED 소자의 정공 수송층(HTL) 연구로 국제 학술지 European Polymer Journal 게재

– 저온 열 가교를 통해 용매 내성을 확보한 새로운 고분자 소재 개발

<사진1-(왼쪽부터)숭실대 화학공학과 강범구 교수, 화학공학과 김다빈 학생(석사 졸), 신소재공학과 박민호 교수, 신소재공학과 정재근 학생(석사 과정)(사진=숭실대)>

숭실대학교(총장 장범식)는 화학공학과 강범구 교수 연구팀과 신소재공학과 박민호 교수 연구팀이 공동으로 용액공정 OLED 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 정공 수송층(HTL) 고분자 소재를 개발했다고 밝혔다.

다층 구조 OLED에서는 일반적으로 전자와 정공의 원활한 이동을 돕기 위해 여러 유기물층이 적용된다. 이 중 정공 수송층(HTL)은 발광층(EML) 아래에 위치하며, 용액공정을 적용하려면 발광층 적층 시 사용되는 용매에 대한 내성이 필수적이다.

정공 수송층에 용매 내성을 부여하기 위한 전략으로는 광 가교와 열 가교가 있다. 광 가교는 광 개시제를 첨가한 뒤 노광을 통해 가교 반응을 유도한다. 이는 낮은 온도에서 단시간 내 네트워크를 형성할 수 있는 장점이 있지만, 첨가제의 부반응으로 인해 OLED 소자 성능을 저하시킬 수 있다. 반면, 열 가교는 열처리를 통해 가교 네트워크를 형성하기 때문에 추가 첨가제가 필요하지 않아 부산물이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

이번에 개발된 신규 고분자는 음이온 중합(anionic polymerization)을 통해 정밀하게 합성됐으며, 정공 수송을 위한 트리페닐아민 그룹과 열 가교가 가능한 벤조사이클로뷰텐 그룹을 포함한 블록 공중합체이다. 연구팀은 200℃ 이하의 열 가교 공정을 통해 정공 수송층에 용매 내성을 부여했으며, 이를 통해 정공 수송층의 붕괴 없이 용액공정을 활용한 OLED 제조를 가능하게 했다.

<사진2-연구의 전체적인 개략도(사진=숭실대)>

연구팀이 개발한 정공 수송층(HTL) 고분자를 적용한 OLED 소자는 이를 적용하지 않은 소자 대비 외부 양자 효율과 발광 효율이 향상된 성능을 보였다.

강범구 교수는 “이번 연구는 저온 열 가교 공정을 통해 용매 내성이 확보된 정공 수송층 고분자 소재를 음이온 중합으로 정밀하게 합성한 점에서 큰 의미가 있다”며, “추후 더 낮은 온도에서도 열 가교가 가능한 정공 수송층 고분자 소재 개발에 주력할 계획”이라고 밝혔다.

<사진3-열 가교된 블록 공중합체를 정공 수송층(HTL)으로 적용하기 전과 후의 OLEDs 소자 성능 비료(사진=숭실대)>

이번 연구는 숭실대학교 강범구 교수와 박민호 교수가 지도하고 김다빈 학생과 정재근 학생이 제1저자로 참여했다. 연구는 한국연구재단(NRF)의 개인기초연구사업(기본연구), 대학중점연구소지원사업, 나노팹활용지원사업의 지원을 받았으며, 연구 결과는 지난 12월 14일, 고분자과학 권위지 European Polymer Journal(JCR 상위 8.9%)에 온라인 게재됐다.

논문 링크: (https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2024.113627)

용어설명

○ 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED): 유기화합물을 이용해 빛을 발산하는 다이오드로, 전류가 흐를 때 유기층에서 전자와 정공이 재결합해 빛을 방출하는 원리로 작동된다.

○ 정공 수송층: 유기발광다이오드 및 태양전지와 같은 전자 소자에서 양극과 발광층 사이에 위치해 정공을 효율적으로 전달하는 역할을 하는 층이다.

○ 트리페닐아민(Triphenylamine): 세 개의 페닐기가 하나의 질소 원자에 결합된 구조를 가진 화합물로, 주로 정공 수송층 소재로 사용된다.

○ 벤조사이클로뷰텐(Benzocyclobutene): 사이클로뷰텐 고리 구조에 벤젠 고리가 결합된 화합물로, 열을 가했을 때 가교가 되는 특성을 가지고 있다.

○ 용매 내성: 고분자가 용매에 노출되었을 때 화학적 구조나 물리적 특성이 변하지 않고 견디는 능력으로, 고분자 소재의 안정성을 평가하는 중요한 지표이다.

○ 음이온 중합(Anionic Polymerization): 음이온 활성종을 이용하여 단량체를 중합하는 방법으로, 중합이 진행되는 동안 활성 중심이 유지되기 때문에 분자량 조절이 용이하며, 고순도 블록 공중합체 합성에 적합하다. 음이온 중합을 통해 제조된 고분자는 구조적 정밀도와 기능성 소재 설계의 자유도가 높아, 정공 수송층 등 전자 소자용 기능성 고분자 개발에 널리 활용된다.

 

 

홍보팀(pr@ssu.ac.kr)