KIMS 해외단신 117호 (2012.03.23)

큐슈대, 익사이플렉스발광을 통한 유기EL소자의 고효율화에 성공

    일본 마이나비뉴스 2012년 3월 16일자 기사에서는 일본 큐슈대학교의 연구팀이 익사이플렉스발광을 이용해 유기 EL소자의 고효율화에 성공했다고 밝혔다.

    다음은 관련기사에서 발췌, 번역한 내용이다.

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   큐슈대학 최첨단유기광일렉트로닉스연구센터(OPERA)의 연구팀은 익사이플렉스(exciplex)로 불리는 종류가 다른 2개 분자의 회합체를 유기일렉트로루미네센스(전계발광)소자(유기EL소자)의 발광재료에 적용해 전류여기에 의한 익사이플렉스 발광 중에서는 가장 높은, 외부양자 효율이 5%를 넘는 고효율화의 실현에 성공했다는 사실을 밝혔다.

   이번성과는 저소비전력으로 환경부하가 적은 유기EL TV 및 유기EL 조명 등 차세대 일렉트로닉스 분야에서 새로운 발광분자의 설계지침 및 디바이스의 구축에 큰 기여를 할 것이라고 기대된다. 또한 이번 연구는 내각처 종합과학기술회의를 통해 설계된 일본학술진흥회(JSPS)의 최첨단 연구개발지원 프로그램(FIRST), 문부과학성 글로벌 COE 프로그램(미래분자 시스템 과학거점) 및 공익재단법인 코니카미놀타과학기술진흥재단이 지원하는 연구의 일환으로 진행되었다. 이번 연구성과는 영국 과학잡지 ‘Nature Photonics' 온라인판에 게재되었다.

   유기EL소자의 특성평가지표 중 하나로 내부양자효율이 있지만 이 내부양자효율은 린광재료로 불리는 발광재료를 사용해야 100%를 실현할 수 있다. 하지만 린광재료는 이리듐 등 희소금속을 포함하고 있어 일반 발광재료에 비해 재료가격이 비싸다. 따라서 비용 경쟁력이 있는 유기EL소자가 되기 위해서는 높은 내부양자효율을 가지면서 고가인 희소금속을 포함하지 않는 발광재료가 필요하다. 이를 실현하기 위한 한 가지 방법으로 지금까지 연구팀은 전류여기에서 75%의 확률로 형성되는 비발광성의 여기삼중항상태(T1)를 발광성의 여기일중항상태(S1)로 변환시키는 발광기구를 제안해 많은 실험을 해 왔다. 이 발광기구를 사용할 경우 T1에서 S1으로의 변환효율 향상시킨다. 실험에서는 특히 양에너지차에 상당하는 에너지갭(ΔEST)을 정밀하게 제어하는 것이 중요했다.

   이번 개발에서는 에너지갭(ΔEST)의 제어에 있어 전자공여성분자와 전자수용성분자와의 사이에서 형성되는 익사이플렉스를 사용하는 새로운 방법을 발견해 여기삼중항상태(T1)에서 여기일중항상태(S1)로의 높은 변환효율을 실현했다. 일반적으로 유기화합물의 발광은 1분자내의 전자 전이이지만 익사이플렉스의 발광은 서로 다른 2개 분자 사이에서 발생하는 전자 전이로 이루어진다. 지금까지 유기EL소자에 있어 이러한 익사이플렉스를 형성하는 상태는 발광효율을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 하지만 적절한 전자구조를 가진 전자공여성분자와 전자수용성분자를 선택함에 따라 T1에서 S1으로 변환할 때 존재하는 에너지갭(ΔEST)을 50meV정도까지 줄일 수 있다는 사실을 밝혔다. 종래 유기발광재료 중에서도 가장 작은 ΔEST에서도 약100meV인것에 비해 이번 연구에 의한 값은 그 보다도 50%나 저감시킨 값이다. 그 결과 T1에서 S1으로의 변환효율이 86.5%로 매우 높은 수치가 실현되었다. 더욱이 이러한 높은 변환효율을 이용할 수 있는 익사이플렉스를 유기EL소자의 발광재료에 사용함으로써 외부양자효율이 5%를 넘는, 고효율화에 성공했다.

   희유금속을 사용하지 않고 효율성이 높은 유기EL소자를 구성할 수 있는 기술의 개발은 저소비전력으로 환경부하가 적은 유기EL TV 및 유기EL 조명의 차세대 일렉트로닉스분야에 있어 새로운 발광분자의 설계지침 및 디바이스의 구축에 큰 공헌을 할 것으로 기대된다. 또한 효율성이 높은 익사이플렉스발광에 적용한 전자공여성분자 및 전자수용성분자의 재료개발이 새로운 재료과학의 학문분야를 형성할 것으로 기대된다.

   향후에는 재료개발을 통해 다양한 발광색의 익사이플렉스 창출이 진행되고 발광소자로써 필요한 RGB의 유기EL소자를 실현할 수 있을 것으로 기대된다.
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