국립대학법인 도호쿠대학 연구팀은 유기EL의 새로운 구축법을 개척하는 분자재료를 개발하였다. 한번 부는 단공정으로 거의 이론한계가 되는 높은 발광효율을 실현하는 유기EL이 완성되는 ‘꿈의 다기능 분자재료’가 등장한 것이다. 가까운 장래 극한까지 단순, 간결화된 유기EL이 우리 주변을 밝게 비추는 것을 기대할 수 있는 성과가 된다. 

연구팀은 탄소와 수소라는 두 종류의 원소만으로 이루어진 톨루엔을 환상(環?)으로 연결한 새로운 대환상 분자재료를 개발하고, 이것에 의해 단일층이라는 가장 단순하고 간결화된 디바이스 구조를 가지면서 거의 이론한계가 되는 높은 효율로 빛을 발하는 유기EL을 실현할 수 있다는 것을 발견하였다. 이 성과는 지금까지의 발광 다이오드의 구조, 재료설계의 상식을 깨고, 유기EL 재료의 새로운 설계지침을 도출한 것이다. 

과학기술의 발전이 뚜렷한 현대에, 차세대 조명으로서 “유기EL”이 주목받고 있다. 유기발광다이오드(OLED)라고도 불리는 이 디바이스는 노벨상 수상에 빛나는 청색발광다이오드(LED)와 같이 일렉트로 루미네센스(EL, 전계발광)라는 현상을 이용한 발광디바이스이다. LED와 OLED는 그 재료에 무기물질을 사용하는지 아니면 유기물질을 사용하는지만 다르고 발광의 원리는 같다. 즉, 디바이스에 전기장을 인가하여 전류를 흐르게 함으로써 부(마이너스)의 전하를 띤 전자와 정(플러스)의 전하를 띤 정공을 디바이스의 재료 속에서 만나게 하고 만났을 때 생기는 에너지를 빛으로 만들어 내는 것이다. 

현재 유기EL에서는 특히 인광 발광재료를 활용함으로써 전자와 정공 하나에서 광자가 한 개 발생하는 양자효율 100%라는 이론한계치가 달성되었다. 이 이론한계치를 실현하기 위해서는 “유기EL 디바이스를 다층구조로 한다”는 설계지침이 최선이라고 한다. 설계지침에 따라 몇 가지 유기물질을 설계하여 그 성질이 다른 유기물질과 각각을 박막으로서 적층구조의 고발광효율 EL이 만들어졌다. 

유기EL로 효율 좋은 발광을 실현하기 위해서는 정말로 다층구조가 필요한가? 본 연구팀은 이 근본적인 의문에 “하나의 기반재료를 설계함으로써 단일층이면서 거의 이론한계치의는 발광효율을 실현한 유기EL을 만들 수 있다”는 상식을 뒤집는 발견을 하였다. 재료를 “살짝 한번 부는 것”만으로 조명이 만들어진다. 그것도 탄소와 수소라는 두 개의 원소만을 사용한 유기물질(탄화수소)을 재료로 사용한 것으로 유기EL의 설계지침을 분자설계라는 근본부터 단순화하는데 성공하였다. 연구그룹에서는 이 새로운 탄화수소 재료가 적, 녹, 청이라는 빛의 삼원색 모두 인광 발광재료에 적용할 수 있다는 것까지 실증하였으며, 백색발광을 하는 디바이스 제작에 성공하였다. 

이번 발견은 오래된 역사를 가진 천연방향족분자 “톨루엔”이었다. 연구그룹은 2014년에 보다 오래된 분자인 “벤젠”에서 유기 전자재료를 만들어 냈다. 이번 발견은 벤젠의 주변에 메틸(CH3)기를 갖는 “톨루엔”을 사용함으로써 보다 고기능의 단일층, 고발광효율 유기EL의 기반재료가 된다는 것을 발견한 것이다. “단순화된 분자재료로 단순화된 유기EL을 만들어 낸다”. 가까운 미래에 유가EL 조명의 모습을 상상할 수 있는 중요한 성과이다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』