새로운 OLED(유기발광다이오드) 전력 절감 기술이 세상에 나왔다. OLED는 색상 왜곡 없이 정확하게 표현 가능하며, LCD(액정디스플레이) 대비 낮은 전력 소모와 빠른 응답 속도로 잔상 없이 동영상 재생이 가능한 점에서 큰 주목을 받고 있다.

이번에 개발된 기술은 OLED를 훨씬 적은 전력으로 원하는 밝기까지 높일 수 있게 만드는 것으로, 디스플레이 산업에서 큰 혁신으로 평가받고 있다.

미국의 산업 전문지 '핵스터(Hackster)'는 최근에 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재된 연구를 인용, 청색 OLED가 100cd/m²(칸델라 매 제곱미터)의 밝기를 얻기 위해 필요한 전력이 기존의 절반만으로도 가능하다는 내용의 에너지 효율적인 OLED 개발 사례를 전하며, 이 기술의 중요성을 강조했다.

도쿄공업대학과 오사카대학, 일본과학기술진흥원(JST), 도야마대학, 시즈오카대학, 분자과학연구소의 연구팀이 함께 연구한 결과, 청색 OLED의 전력 효율성이 크게 개선되었다. 이 연구팀은 청색 OLED가 100cd/m²의 밝기를 얻기 위해 오직 1.47V의 전력만 필요로 하는 에너지 효율적인 기술을 선보였다. 이 수치는 다른 경쟁사 제품의 요구 전력의 절반에 불과하다.

휘도를 나타내는 국제 단위인 칸델라 매 제곱미터(cd/m²)는 단위 면적당 빛의 양을 측정할 때 주로 사용되며, 디스플레이의 밝기를 표현하는 데 핵심적인 역할을 한다.

OLED는 선명하고 밝은 화면 표현으로 큰 인기를 얻고 있지만, 비용이 많이 드는 문제점이 있었다. 특히 빨간색과 녹색 OLED의 제작은 상대적으로 용이했으나, 청색은 그렇지 않았는데, 이번 연구로 그 문제점이 해결될 수 있을 것으로 보인다.

연구팀은 "풀 컬러 디스플레이를 위해서는 청색 OLED가 필수적이며, 이는 빨간색과 녹색 기기보다 전력 소모가 월등히 높다"라고 설명했다. 또한 "일반적으로 100cd/m²의 밝기를 달성하기 위해 약 4V의 전압이 필요하지만, 대다수 스마트폰과 태블릿의 배터리는 3.7V의 출력만을 제공하는 상황이다. 우리 연구팀은 이 문제점을 극복했다"고 덧붙였다.

최근에 개발된 청색 OLED 프로토타입은 전원 공급 전압이 단지 1.47V에 불과하며, 기존 설계에 비해 훨씬 낮은 1.97V만으로도 100cd/m²의 밝기를 달성할 수 있다는 것이 특징이다.

OLED의 효율성 향상의 비결은 특정 재료의 선별적 사용을 통한 상향 변환 원리에 있다. 이 방식에서는 정공과 전자가 주체 및 수용체 층으로 주입되며, 이후 인터페이스에서 다시 결합하여 전하를 전달한다.

이번 연구를 주도한 도쿄공과대학과 오사카대학의 세이치로 이자와 교수는 "CT 상태의 에너지가 방광체의 밴드갭 에너지보다 낮아, 삼중항(TTA)과 결합된 상향 변환(UC) 메커니즘이 발광체를 구동하는 데 필요한 전압을 크게 줄여준다"고 말했다. 개선된 UC-OLED는 단지 1.97V에서 상업용 디스플레이와 동등한 100cd/m²의 밝기에 도달했다. 그렇지만 이 연구의 세부 로드맵은 아직 공개되지 않았다.

인하대, 고품위 진청색 OLED 소자 개발

한편, 한국 인하대학교의 신소재공학과 이정환 교수 연구팀은 최근 고색순도 및 고효율의 청색 발광 OLED 소자를 성공적으로 개발했다. 이 기술은 발광체 간의 상호작용을 최소화함으로써 진청색을 표현하는 것에 중점을 둔 것이다. 연구 결과, 에너지 전달 효과는 8분의 1로 크게 감소하였으며, 외부 발광 효율은 최대 29%에 도달한 것으로 알려졌다.

연구팀은 발광체 간의 상호작용을 최소화하는 접근법을 통해 진청색을 구현하고자 했다. 이 목적을 달성하기 위해, 트립티센(Triptycene) 분자를 다중 공명 구조를 가진 DABNA 분자에 도입함으로써 고색순도 및 고효율 발광체 특성을 동시에 가진 Tp-DABNA를 개발했다.

이번 연구를 통해 구현된 Tp-DABNA를 기존 DABNA-1 발광체와 비교했을 때 덱스터(Dexter) 에너지 전달 효과를 8분의 1 이하로 줄일 수 있다는 결과를 도출했다. 연구팀은 이를 기반으로 29%의 최대 외부발광효율, 462nm 발광스펙트럼 피크·30nm 이하의 발광 반치폭을 가진 고품위 진청색 OLED 소자를 개발했다고 설명했다.

결국 고색순도를 바탕으로 색공간 CIE1931에서 표현 가능한 색의 범위를 넓혀, 생동감 있는 이미지를 전달할 수 있는 차세대 디스플레이 패널에 적용 가능하다.

이정환 교수는 "최근 융합연구와 공동연구의 중요성이 대두되는 시점에서 울산대 연구팀과 공동연구를 진행해 OLED 디스플레이 분야에서 좋은 연구 성과를 거둬 기쁘다"며 "앞으로도 인하대학교의 우수한 학생들과 차세대 디스플레이·반도체 분야 발전에 도움이 되는 기술 개발에 매진할 계획"이라고 말했다.

한편, OLED시장 세계 1~2위를 달리고 있는 한국의 뒤를 이어, 중국과 대만, 일본이 기술 격차를 줄이며 바짝 추격하고 있다. 이에 한국은 차세대 디스플레이 OLED를 뛰어 넘어 iLED(무기발광) 디스플레이 연구개발에도 힘쏟고 있다.