스마트폰 화면에서 사용되는 유기 발광 다이오드(OLED) 소자의 두께는 0.3 마이크로미터다. 머리카락 두께보다 200배나 얇은 분자의 세계에서 빛이 만들어지는 것이다. 이 아름다운 빛을 만들어 내기 위해 OLED 패널회사에서는 매년 더 특성이 좋은 OLED 소재를 선정하기 위한 경쟁을 벌인다.

삼성SDI는 ‘Organic Alloy 기반의 OLED용 Premix 인광 그린 호스트’ 개발에 성공하여 2023년 35주 차 장영실상을 수상했다.

유기발광다이오드(OLED)는 유기물을 사용하여 전기를 빛으로 전환하는 전자 소자로, 스마트폰 디스플레이 등에 사용된다. 빛은 적색, 녹색, 청색의 삼원색을 혼합하여 다양한 색상을 만들어 낼 수 있으며 ‘인광 그린 호스트’는 이 중 녹색의 빛을 만드는 유기 발광층의 주재료에 해당한다.

과거에는 발광층에 형광 도판트와 호스트로 이루어진 형광 소자가 사용되었으나 현재는 인광 소자가 사용된다. 인광 소자는 형광 소자 대비 전기 에너지를 빛 에너지로 전환하는 효율이 높아 소비 전력이 낮다는 장점이 있으나, 수명이 짧아 수명이 더 긴 소재를 개발하기 위해 치열한 노력이 있어 왔다.

Organic alloy 기반 OLED용 premix 인광 그린 호스트 개발에 있어 기술적 혁신의 핵심은‘분자량이 낮은 유기 분자 디자인에는 원하는 특성을 모두 넣기가 어렵고, 분자량이 높은 유기 분자는 양전하와 음전하를 모두 잘 전달할 수 있지만 진공 증착의 공정성이 나빠진다.’라는 전형적인 모순의 기술적 난제를 해결한 것이다.

삼성SDI 광소재개발팀은‘같은 온도에서 기화할 수 있는 양전하 전달 분자와 음전하 전달 분자를 섞어서 호스트를 구성하면, 특성이 훨씬 좋은 호스트를 개발할 수 있지 않을까?’하는 아이디어를 실현해 냈다. 이러한 최초의 아이디어를 구현하기 위해서는 화학적으로 결합한 것처럼 호스트의 특성을 내면서도 혼합한 것처럼 분자량을 높이지 않고, 양산 증착 공정에서는 두 가지 재료를 한 가지 재료처럼 다룰 수 있는 공정성을 확보한 호스트의 개발이 필요했다.

결과적으로 합금과 유사하게 단순히 혼합된 것도 아니고 분자 간 화학 결합을 통해 완전히 새로운 화합물이 된 것도 아니지만, 분자 간 상호 작용이 존재하는 상태의 소재를 만들어 냈다. 그리고 이 기술을‘Organic Alloy 기술’이라 명명하였다. 개발된 신소재를 통해 OLED 디스플레이를 제조하는 패널회사는, 마치 하나의 재료를 증착하는 것처럼 한 개의 도가니에 넣고 공정을 진행할 수 있게 되어 OLED 양산 공정 중 발생하는 많은 문제를 해결할 수 있었다. 구동 전압, 소자 수명 등 OLED 소자 자체의 특성도 이전 재료보다 훨씬 개선되는 결과를 가져왔다.

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