기초과학연구원은 나노입자 연구단 그룹리더 성영은 서울대학교 교수 황이 도핑된 그래핀 합성 모식도 및 전자 현미경사진 (a) 실험실에서 널리 쓰이는 유기용매인 Dimethyl sulfoxide(DMSO)는 하나의 황(S·노란색)원자와 두 개의 탄소(C·검은색) 원자로 이루어진 유기물질이다. DMSO를 가성소다(NaOH)와 가열하면 헤테로원자 도핑 그래핀이 합성된다. (b-d) 도핑 그래핀의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. (e) 에너지분광분석에(EDS) 의하면 황원자가 균일하게 그래핀에 분포되어 있는 것이 관찰된다. 값비싼 백금 촉매를 대체할 수 있는 저비용·고효율의 황과 질소가 도핑된 그래핀 합성 기술이 국내연구진에 의해 개발됐다. 기초과학연구원은 나노입자 연구단 그룹리더인 성영은 서울대학교 교수 연구팀이 저비용 고효율의 황과 질소가 도핑된 그래핀 합성 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이차전지 및 연료전지는 차세대 에너지 저장소 및 동력으로 각광받고 있으나, 이차전지의 경우 에너지 및 출력 밀도를 충족시킬 수 있는 새로운 전극 개발이 필요하고, 연료전지는 값비싼 백금촉매를 대체할 전극의 개발이 절실한 상황이었다. 기초과학연구원에 따르면 이번 성과는 황과 질소가 도핑된 그래핀을 대량 생산할 수 있는 친환경적이며 경제적인 공정을 개발했다는 점에서 의미가 크며 특히 이차전지의 성능 향상과 연료전지의 비용 문제를 동시에 해결 가능하다. 꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 전도성, 유연성, 내구성 등 탁월한 물리적 성질을 가진다. 도핑 그래핀은 여기에 질소, 황 등 헤테로원자(탄소와 수소 이외 원소의 원자)를 더해 탄소 소재의 화학적 성질을 개선된 것으로, 전기화학 촉매나 연료전지의 전극재료에 적합하다. 그러나 기존 합성법은 값 비싼 금속 촉매와 특수한 장비를 사용하거나 공정이 복잡해 대량생산이 어렵다. 이에 연구진은 흔히 쓰는 시약인 가성소다(NaOH)와 헤테로원자가 함유된 유기용매를 사용하여 용매열합성법으로 황과 질소가 도핑된 그래핀을 합성해 리튬이온전지 전극에 적용했다. 그 결과 연구진이 개발한 도핑 그래핀은 황과 질소의 도핑 함유량이 높으며 비표면적이 넓은 장점을 가지고 있어 리튬이온전지의 전극 물질에 적용했을 때, 리튬이온이 이동하는 거리를 단축시킬 수 있어 출력이 우수하다는 사실을 밝혔다. 또 지금까지 리튬이온전지에 사용되어온 탄소(흑연)의 이론용량에 비해 더 높은 용량을 보였고 충전·방전 실험에서도 용량퇴화가 없는 높은 안정성을 갖는다는 사실을 실험을 통해 확인했다. 연구팀은 연료전지의 환원극에 적용하였을 때도 값비싼 백금 촉매에 버금가는 성능을 보였다며 우수한 대체 소재가 될 것으로 기대했다. 백금은 고유의 화학적·전기적 우수성 때문에 환원극 촉매로 각광받아왔으나 비싼 가격과 한정된 매장량이 상용화의 걸림돌이 되어왔다. 성영은 IBS 나노입자 연구단 그룹리더는 "도핑 그래핀 합성기술은 황, 질소 외에 불소, 붕소, 인 등 다양한 헤테로원자에 적용할 수 있으며 연료전지, 리튬 2차 전지, 센서, 반도체 등의 넓은 분야에 신소재로 활용될 가능성을 갖고 있다"며 "앞으로 다양한 형태의 탄소소재 제조 및 새로운 응용가능성을 탐구하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래부 미래부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 세계적인 과학저널 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트 7월 10일자에 온라인 게재됐다. bbrex@fnnews.com 김혜민 기자

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 최성율·김일두 교수팀이 짧고 강한 빛으로 연료전지에 들어가는 소재를 쉽고 빠르게 만들어냈다. 연구진은 이 방법을 통해 물 분해 반응이나 가스 센서 등에 들어갈 촉매의 제조 공정 비용을 획기적으로 줄일 것으로 기대하고 있다. 6일 연구진에 따르면, 이 기술은 대면적의 빛을 활용하고 대기 중의 환경에서 매우 빠른 시간(0.02초 이내)에 고엔트로피 촉매 및 단일원자 촉매의 합성을 세계 최초로 구현한 기술이다. 광열효과가 뛰어난 탄소 나노섬유, 그래핀 산화물, 맥신(Mxene) 등 소재에 다종 금속 염을 고르게 섞어주고 빛을 쪼여준다. 이때 1800~3000도까지 표면온도가 급상승하고 매우 빠르게 온도가 내려오면서 최대 9성분계의 합금 촉매가 만들어진다. 연구진은 "합금 촉매는 연료전지, 리튬-황전지, 공기 전지, 물 분해 수소 생산 등 저장 및 발전에 광범위하게 적용되며, 비싼 백금의 사용량을 획기적으로 줄이는데 유리하다"고 설명했다. 또한 광열효과를 통해 단일원자 촉매의 신규 합성법에도 성공했다. 그래핀 산화물에 멜라민 및 금속염을 동시에 혼합해 빛을 쪼여주면 단일원자 촉매가 결합된 질소 도핑 그래핀을 합성해냈다. 백금, 코발트, 니켈 등의 다양한 단일원자 촉매가 고밀도로 결착돼 다양한 촉매 응용 분야에 활용할 수 있다. 최성율 교수는 "강한 빛을 소재에 0.02초 쪼여주면 간편한 합성기법을 통해 단일 원소 촉매부터 다성분계 금속 나노입자 촉매의 초고속, 대면적 합성을 가능하게 하는 새로운 촉매 합성 공정 플랫폼이 될 것"이라고 말했다. 특히, 김일두 교수는 "매우 빠른 승하온 속도를 기반으로 기존에 합성하기 어려웠던 고엔트로피 다성분계 촉매 입자를 대기 중 조건에서 균일하게 합성해 고성능 물 분해 촉매로 응용했다는 점에서 매우 의미있다"며, "응용 분야에 따라 촉매 원소의 크기와 조성을 자유롭게 조절해 제작할 수 있는 신개념 광 기반 복합 촉매 소재 합성 플랫폼을 구축했다"고 말했다. 이번 연구 결과는 나노 분야의 권위적인 학술지인 '어드밴스드 매트리얼즈(Advanced Materials)'에 발표됐으며, 11월호 속표지 논문에 선정됐다. 또한 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 12월호에 속표지 논문으로 출간될 예정이다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 대표적인 온실가스 메탄으로 석유 화학의 '쌀'인 에틸렌의 수율을 높일 촉매를 개발했다. 이 촉매는 기존보다 메탄 전환율을 48.5%까지 끌어올린 것이 특징이다. 한국에너지기술연구원은 에너지소재연구실 김희연 박사팀이 텅스텐에 질소를 첨가한 새로운 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다. 연구진이 만든 촉매는 에틸렌 생산 수율을 높일 수 있는 새로운 '질소 도핑' 기술이 적용됐다. 연구진은 텅스텐 계열의 촉매에 간단한 방법으로 질소 성분을 도핑했다. 촉매 제조 과정 중 일정 농도의 피리딘 용액을 촉매 표면에 침투시키는 과정만으로 질소 성분을 도핑한 것이다. 이를 통해 메탄 전환율을 높이고 산화반응을 억제한다. 도핑된 질소 성분은 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인됐다. 부반응인 메탄의 산화로 인한 높은 반응열과 열화점으로 인한 촉매 비활성화를 억제하는 동시에 생성물인 에탄과 에틸렌 선택도까지 향상시켰다. 연구진은 실리카 표면에 넣은 텅스텐 촉매에 질소를 도핑할 경우, 질소 성분이 텅스텐 옥소 복합체에 흡착된 메틸라디칼을 안정화했다. 실험 결과 부반응물인 탄소산화물에 비해 생성물인 화합물의 수율이 증가했다. 연구진이 개발한 질소 도핑 기술은 별도의 장치나 공정이 필요 없이, 단순히 피리딘 용액을 촉매 표면에 도핑하는 것만으로 다양한 농도의 질소를 도핑할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 기술은 촉매 표면의 산·염기성을 조절하거나 지지체-촉매 입자간의 결합력 제어, 전자 소자의 전기적·전자적 성질의 제어 등에 다양하게 적용 가능하다. 해당 기술은 국내 특허 등록 및 미국에 특허가 출원됐다. 연구진은 이외에도 대표적 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 반응시켜 합성가스(H2, CO)를 생산하는 건식개질 공정용 촉매도 개발했다. 메탄과 수증기의 반응에 의한 습식개질의 경우 상용화가 완료됐으나, 건식개질은 온실가스 감축 효과 및 단순한 공정 등의 장점에도 불구하고, 촉매 표면에 심각한 탄소침적으로 인한 비활성화 문제로 인해 현재까지 상용화되지 못했다. 연구진은 원자단위 촉매설계 및 조성 최적화를 통해, 장시간 운전에도 성능 저하가 없는 '안티 코킹' 촉매를 개발했다. 석유화학, 제철, 시멘트 산업 등 이산화탄소 발생원에 직접 촉매 공정을 설치, 상용화하기 위한 연구를 준비하고 있다. 김희연 박사는 "연구를 통해 보유한 촉매원천기술의 기술 수준을 높여 상용 공정에 적용할 수 있도록 완성도를 높이는 것이 중요하다"고 강조했다. 또한, "이를 위해서는 관련 연구에 대한 지속적 투자가 필요하다"고 말했다. 한편, 이번 연구결과는 환경분야 국제학술지인 '어플라이드 카탈리시스 비 인바이론먼털(Applied Catalysis B: Environmental)'에 게재됐다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스]  특수지 전문기업 국일제지의 자회사 국일그래핀 윤순길 이사가 최근 전 세계에서 가장 우수한 N-doped graphene TFT(질소-도핑된 그래핀 박막 트랜지스터)의 특성을 확보했다고 2일 밝혔다. 이 기술은 티타늄층 위에 직접적으로 성장된 후 질소로 도핑된 그래핀을 활성층으로 만들어 고품질, 고기능성 그래핀으로 생산할 수 있다. 이 기술에 대한 해외특허를 위해 국제특허 출원 및 국내특허 등록을 추진한다. 이번 특허는 국일그래핀에서 진행하고 있는 무전사 비전사식 방식에서 도출한 것이다. 그래핀을 아르곤 플라즈마로 30초 동안 데미지를 주어 그래핀의 카본 체인을 끊는다. 이후 끊어진 카본 자리에 N2 plasma로 30초 동안 질소를 치환하여 도핑 및 성장을 연속적으로 수행하는 방식이다. 이 방식으로 생성된 N-doped graphene TFT는 가장 우수한 반도체 특성을 이끌어 낼 수 있다는 것이 특허의 핵심이다. 회사관계자는 “N-doped graphene TFT는 모두 100℃ 에서 작업돼 유연한 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)와 PDMS(폴리디멜틸실론산) 등 플렉시블 기판 위에 형성된다”며 “이 작업으로 그래핀의 유연성(flexibility)이 15% 증가하고 팽창률(stretchability)은 140%까지 확보가능한 것이 중요 포인트”라고 설명했다. 이어 “이 기술은 그래핀을 반도체 뿐만 아니라 차세대 디스플레이에 크게 활용될 수 있고 나아가 신축성과 유연성이 필요한 모든 반도체 분야에 널리 활용 가능하다”고 덧붙였다. 한편 국일그래핀 현재 심사 중에 있는 미국특허 Transfer-Free Method for Producing Graphene Thin Film에 대한 특허 재등록도 이어간다. 회사관계자는 “지난달 22일 미국특허청에서 심사가 반려(Non-Final Rejection)돼 기술에 대한 설명 등을 서류를 보완해 재심사청구를 진행할 계획”이라며 “특허에 대해 확인되지 않은 루머 등을 자제 부탁드린다”고 말했다. kakim@fnnews.com 김경아 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 온실가스인 메탄을 고부가가치 석유화학 원료인 에틸렌으로 전환하는 촉매를 개발했다. 연구진은 '메탄 전환공정용 촉매에 질소 도핑 기술' 특허를 국내 등록과 미국 출원 완료했다. 한국에너지기술연구원은 에너지소재연구실 김희연 박사팀이 지난 30여 년 간 난제로 여겨지던 '메탄 직접전환공정'의 효율을 높일 수 있는 촉매기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 연구진은 이 촉매가 1㎚가 채 되지 않는 크기로, 메탄산화이량화 반응에서 기존의 나노 촉매에 비해 질량당 활성이 100배 이상 우수하다고 설명했다. 메탄은 천연가스나 정유 과정에서 31%, 소나 양 등 반추동물에서 27%가 배출된다. 또한 기타 쓰레기 매립지, 석탄광산 등에서 배출되기도 한다. 메탄을 직접전환하는 기술 중 메탄산화이량화(OCM)는 메탄을 산소와 반응시켜 에틸렌 등으로 직접 전환하는 기술이다. 매우 강한 탄소-수소 결합으로 이루어진 메탄을 활성화시키기 위해 약 800도 이상의 높은 반응 온도가 필요하다. 반응 중 발열에 의해 촉매가 심각하게 비활성화되는 문제가 있다. 또한, 열역학적으로 메탄이 에틸렌으로 커플링되는 경로보다 일산화탄소 또는 이산화탄소 등으로 산화되는 경로를 선호해, 에틸렌의 수율을 높이기가 쉽지 않다. 연구진은 메탄 직접전환 공정에 사용되는 촉매의 원자단위 설계기술과 촉매조성 최적화기술 등을 적용해 메탄 직접전환용 촉매 기술을 개발했다. 연구진은 텅스텐 계열의 촉매에 간단한 처리만으로 질소성분을 도핑해 촉매를 만들었다. 이 촉매는 메탄 산화반응을 억제하는 동시에 에틸렌 수율이 높다. 연구진은 촉매 제조 과정 중 액체 상태의 피리딘을 일정 농도 첨가하는 것만으로 간단히 질소를 도핑했다. 이렇게 도핑된 질소 성분은 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지됐다. 또한, 기존에 반도체 공정에서 주로 사용하던 화학기상증착 기술을 촉매 제조 공정에 적용해, 단원자 규모의 텅스텐 촉매를 합성하는데 성공했다. 반도체 공정에서 무결점의 박막을 제조하는데 사용하는 화학기상증착법을 촉매 입자의 합성에 응용한 것이다. 촉매 반응에서는 촉매 표면의 결점이 곧 반응활성점으로 작용하기 때문이다. 김희연 박사 "지난 25년 간 수행한 촉매연구 중 메탄 직접전환 공정은 반응경로가 매우 복잡하고 공정변수 영향이 심각해 가장 어려운 주제 중 하나였다"며 "당장 결과가 보이는 상업성 높은 연구도 중요하겠으나, 메탄 직접전환용 촉매 기술은 탄소중립뿐만 아니라 미래의 에너지 상황에 대비하기 위한 핵심 기술로써 그 중요성이 크므로 촉매연구에 지속적 투자가 필요하다"고 강조했다. 한편, 연구진은 텅스텐 이외에도 백금, 코발트, 니켈 등을 기반으로 한 단원자 촉매 합성에도 성공했다. 자체개발한 단원자 촉매는 메탄 직접전환공정 이외에도 메탄 개질을 통한 수소생산, 연료전지 및 수전해시스템, 광전기화학적 수소생산 등 다양한 에너지시스템에 적용 연구를 진행 중이다. 연구진은 메탄 직접전환공정 효율을 향상시키기 위한 공정최적화 연구를 병행해 한계 수율인 30% 극복을 위한 연구를 지속하고 있다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 79년 만에 합성된 유기 반도체 물질이 나와 눈길을 끌고 있다. 실리콘 반도체를 대신할 유기 반도체 연구에 속도가 붙을 전망이다.  UNIST는 박영석 이근식·신형준 교수 공동연구팀이 다환 방향족 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, PAHs)물질 중 하나인 익센(ixene) 분자를 최초로 합성하는데 성공했다고 26일 밝혔다. 탄소를 기반으로 하는 유기 반도체는 상용화된 실리콘 반도체 소재와 달리 유연하고 가공성이 우수해 플렉서블 소자(device)에 쓰일 수 있다. 대표적인 유기반도체 소재로는 탄소 원자가 여러 개의 육각형 고리모양을 이루고 있는 ‘다환 방향족 탄화수소’가 꼽힌다. 반도체 소재 내에는 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 필요한데 다환 방향 탄화수소는 분자 내부에 자유롭게 움직일 수 있는 전자(delocalized electron) 있기 때문이다. 이번에 공동 연구팀이 합성한 익센도 ‘다환 방향족 탄화수소’의 한 종류다. 1941년에 익센이라는 이름과 함께 이 분자의 구조가 제안됐지만, 당시 알려진 방법으로는 합성이 어려워 실제로 만들어지지는 못했다. 연구팀은 다이아세틸렌(diacetylene) 분자의 ‘고리화 반응’과 팔라듐 촉매을 사용한 ‘탄소-수소 아릴화 반응’을 이용해 익센을 합성하는데 성공했다.연구팀은 또 동일한 2단계 합성법을 이용해 유기 반도체 재료로 사용 가능한 ‘B2N2-ixene’ 분자를 만들고, 이 물질의 성질을 밝혔다. 익센 분자의 특정 위치에 질소와 붕소를 도입해 익센 보다 ‘에너지 갭’(energy gap)이 좁은 ‘B2N2-ixene’를 합성했다. 실리콘에 질소와 붕소를 첨가해 상업화된 반도체 재료를 합성하듯, 익센 분자의 특정 위치에 질소와 붕소를 첨가해 에너지 갭을 줄였다. 물질을 반도체 소재로 쓰려면 움직이는 전자의 ‘문턱’ 역할을 하는 ‘에너지 갭’의 폭을 제어하는 것이 매우 중요한데, 이번 연구에 사용된 합성법을 이용하면 에너지 갭을 정확하고 쉽게 줄일 수 있다. 박영석 교수는 “붕소와 질소를 동시에 도핑해 탄소-탄소(C-C) 결합 같은 등전자 구조(isoelectronic structure)를 갖으면서도 에너지 갭은 더 좁은 B2N2-ixene 분자를 합성했다”고 설명했다. 신형준·이근식 교수 연구팀은 실제 실험과 이론계산을 통해 B2N2-ixene 분자가 익센과 비교, 좁은 에너지 갭을 가진다는 것을 입증했다. 특히 자외선-가시광선 분광법을 이용해 B2N2-ixene이 익센보다 긴 파장대(λabs)의 빛을 흡수하는 것을 관찰했는데, 이는 B2N2-ixene 분자의 에너지 갭이 더 좁다는 것을 의미한다. 박영석 교수는 “익센이라는 새로운 물질을 현대 유기화학을 이용해 합성했다는 점뿐만 아니라 분자의 특정 위치에 원하는 물질을 정확하게 첨가해 물리적 성질을 제어하는 방식을 제안했다는 점에서 의의가 큰 연구”라고 설명했다. 이어 “이번 연구에 사용된 팔라듐촉매와 탄소-수소 아릴화 반응은 더 큰 분자 크기를 갖는 다환 방향족 탄화수소를 합성하는 전략으로도 응용 할 수 있을 것”이라고 기대했다. UNIST 자연과학부 최원영 교수팀과 에너지 및 화학공학부 강석주 교수팀이 참여한 이번 연구성과는 화학 분야에서 최고 권위지인 ‘앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 8월 24일자로 게재됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)이 추진하는 기본연구 및 기초연구실 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.  ulsan@fnnews.com 최수상 기자

국내 연구진이 고효율 진청색 인광 OLED를 개발해 이미 형광에서 인광으로 대체된 녹색과 적색에 이어 청색 인광OLED가 실용화될 수 있을지 기대된다. 인광은 형광보다 4배 높은 효율을 달성할 수 있다. 한국연구재단(이사장 노정혜)은 진성호 교수(부산대 화학교육과·사진) 연구팀이 질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용해 외부양자효율이 24%에 달하는 진청색 인광OLED를 제작했다고 14일 밝혔다. 외부양자효율은 OLED 내부에서 생성된 빛 입자가 소자 외부로 튀어나오는 비율이다. 내부양자효율(인가된 전하 개수 및 생성된 빛 입자 수의 비)과 광추출효율의 곱으로 정의한다. 물질 외부로 실제 빛이 튀어나오는 비율을 의미한다. 인광 발광체를 이용한 이상적 인광OLED의 외부양자효율은 25% 수준이다. 전자가 여기상태에서 바닥상태로 내려오면서 빛을 방출하는 것이 OLED의 원리인데 적색이나 녹색에 비해 청색의 경우 여기상태와 바닥상태의 차이가 크다. 때문에 에너지 차이를 구현할 수 있는 유기분자가 제한적일 수밖에 없었고 구현하더라도 낮은 효율로 인해 실용화에는 어려움이 있었다. OLED의 핵심인 발광층은 주로 주재료인 유기분자(호스트)에 소자효율과 색의 순도를 높일 수 있는 불순물(도판트)을 더한 호스트-도판트 구조다. 기존에 카벤 기반 이리듐 착화합물을 도판트로 사용한 진청색 인광OLED가 보고되었으나 외부양자효율이 15% 수준이었다. 연구팀은 기존 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 진청색 인광OLED의 문제점을 발광층 내부의 전자 및 정공의 농도 불균형에 의한 것으로 가정하고 도핑 농도를 조절해 발광층의 전자와 정공의 농도 균형을 최적화함으로써 낮은 휘도, 효율 문제를 모두 해결했다.컬러TV의 색표현 기준을 제정한 NTSC 기준색상(적색, 녹색, 청색)을 만족하는 진청색 인광OLED를 개발한 이번 연구성과가 QLED의 후면광, 차세대 디스플레이에 활용될 수 있는 진청색 인광OLED의 상용화에 기여할 것으로 기대된다. roh12340@fnnews.com 노주섭 기자

국내 연구진이 고효율 진청색 인광 유기발광다이오드(OLED)를 개발했다. 인광은 형광보다 적은 에너지로도 4배 이상의 높은 효율을 가져 녹색과 적색에 이어 청색까지 인광OLED 실용화가 기대되는 물질이다.한국연구재단은 부산대 화학교육과 진성호 교수 연구팀이 외부양자효율이 24%에 달하는 최고 효율의 진청색 인광OLED를 제작했다고 14일 밝혔다. 연구진은 여기에 질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용해 성공했다.연구진은 도핑 농도를 조절해 발광층의 전자와 정공의 농도 균형을 최적화해 낮은 휘도 및 효율 문제를 모두 해결했다. 연구진은 기존 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 진청색 인광OLED의 문제점을 발광층 내부의 전자 및 정공의 농도 불균형이라고 본 것이다. 컬러TV의 색표현 기준을 제정한 NTSC 기준색상(적색, 녹색, 청색)을 만족하는 진청색 인광OLED를 개발한 것이다. 연구진은 이번 연구성과가 QLED의 후면광 및 차세대 디스플레이에 활용될 수 있는 진청색 인광OLED의 상용화에 기여할 것으로 전망했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 고효율 진청색 인광 OLED를 개발해 이미 형광에서 인광으로 대체된 녹색과 적색에 이어 청색 인광OLED가 실용화될 수 있을지 기대된다. 인광은 형광보다 4배 높은 효율을 달성할 수 있다. 한국연구재단(이사장 노정혜)은 진성호 교수(부산대 화학교육과·사진) 연구팀이 질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용해 외부양자효율이 24%에 달하는 진청색 인광OLED를 제작했다고 14일 밝혔다. 외부양자효율은 OLED 내부에서 생성된 빛 입자가 소자 외부로 튀어 나오는 비율이다. 내부양자효율(인가된 전하 개수 및 생성된 빛 입자 수의 비)과 광추출효율의 곱으로 정의한다. 물질 외부로 실제 빛이 튀어나오는 비율을 의미한다. 인광 발광체를 이용한 이상적 인광OLED의 외부양자효율은 25% 수준이다. 전자가 여기상태에서 바닥상태로 내려오면서 빛을 방출하는 것이 OLED의 원리인데 적색이나 녹색에 비해 청색의 경우 여기상태와 바닥상태의 차이가 크다. 때문에 에너지 차이를 구현할 수 있는 유기분자가 제한적일 수 밖에 없었고 구현하더라도 낮은 효율로 인해 실용화에는 어려움이 있었다. OLED의 핵심인 발광층은 주로 주재료인 유기분자(호스트)에 소자효율과 색의 순도를 높일 수 있는 불순물(도판트)을 더한 호스트-도판트 구조다. 기존에 카벤 기반 이리듐 착화합물을 도판트로 사용한 진청색 인광OLED가 보고되었으나 외부양자효율이 15% 수준이었다. 연구팀은 기존 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 진청색 인광OLED의 문제점을 발광층 내부의 전자 및 정공의 농도 불균형에 의한 것으로 가정하고 도핑 농도를 조절해 발광층의 전자와 정공의 농도 균형을 최적화함으로써 낮은 휘도, 효율 문제를 모두 해결했다. 컬러TV의 색표현 기준을 제정한 NTSC 기준색상(적색, 녹색, 청색)을 만족하는 진청색 인광OLED를 개발한 이번 연구성과가 QLED의 후면광, 차세대 디스플레이에 활용될 수 있는 진청색 인광OLED의 상용화에 기여할 것으로 기대된다. roh12340@fnnews.com 노주섭 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 고효율 진청색 인광 유기발광다이오드(OLED)를 개발했다. 인광은 형광보다 적은 에너지로도 4배 이상의 높은 효율을 가져 녹색과 적색에 이어 청색까지 인광OLED 실용화가 기대되는 물질이다. 한국연구재단은 부산대 화학교육과 진성호 교수 연구팀이 외부양자효율이 24%에 달하는 최고 효율의 진청색 인광OLED를 제작했다고 14일 밝혔다. 연구진은 여기에 질소-헤테로 고리 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용해 성공했다. 연구진은 도핑 농도를 조절해 발광층의 전자와 정공의 농도 균형을 최적화해 낮은 휘도 및 효율 문제를 모두 해결했다. 연구진은 기존 카벤 기반 이리듐 복합체를 이용한 진청색 인광OLED의 문제점을 발광층 내부의 전자 및 정공의 농도 불균형이라고 본 것이다. 컬러TV의 색표현 기준을 제정한 NTSC 기준색상(적색, 녹색, 청색)을 만족하는 진청색 인광OLED를 개발한 것이다. 연구진은 이번 연구성과가 QLED의 후면광 및 차세대 디스플레이에 활용될 수 있는 진청색 인광OLED의 상용화에 기여할 것으로 전망했다. 외부양자효율은 OLED 내부에서 생성된 빛 입자가 외부로 튀어 나오는 비율을 말한다. 인광 발광체를 이용한 이상적 인광OLED의 외부양자효율은 25% 수준이다. OLED의 원리는 전자가 에너지값이 높은 상태에서 최소인 상태로 내려오면서 빛을 방출하는 것이다. 청색은 적색과 녹색에 비해 에너지의 최고와 최저값 차이가 커 에너지 차이를 구현할 수 있는 유기분자가 제한적이고 낮은 효율로 실용화에 어려움이 있다. OLED의 핵심인 발광층은 주로 주재료인 유기분자에 소자효율과 색의 순도를 높일 수 있는 불순물을 더한 '호스트-도판트' 구조이다. 기존에 카벤 기반 이리듐 착화합물을 도판트로 사용한 진청색 인광OLED가 보고됐지만 외부양자효율이 15% 수준이다. 이번 연구성과는 지난 9일 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자