2.7V로 1000니트를 낸 청색 업컨버전 OLED

청색 OLED는 대부분 2.7V가 겨우 켜지기 시작하는 전압입니다. 도쿄과학대 연구진은 삼중항이 양극 쪽으로 새는 길을 막아, 같은 2.7V에서 1000니트를 냈습니다. 낮은 에너지를 두 번 모아 청색을 만드는 방식입니다. 다만 이 방식의 효율 천장은 5.5%이고, 지금은 그 32%에 와 있습니다.

청색 OLED에는 전압의 바닥이 있다. 청색 광자 하나가 2.7전자볼트쯤이라, 전자와 정공을 그만한 에너지로 만나게 하려면 대체로 3V 안팎이 든다.

실제로 최신 청색 OLED들을 모아 보면 1000니트를 내는 데 3~6V가 필요하다. 2.7V는 많은 소자에서 이제 막 빛이 보이기 시작하는 전압이다.

도쿄과학대 연구진은 같은 2.7V에서 1000니트를 냈다. 100니트는 1.8V다. 리튬이온 전지 한 셀(3.7V) 안에서 도는 값이다.

비결은 에너지를 한 번에 넣지 않는 데 있다. 낮은 에너지 상태를 둘 만들어 합친다. 삼중항 두 개가 부딪혀 더 높은 에너지의 발광 상태를 만드는 업컨버전이다.

이번 논문이 한 일은 그 삼중항이 양극 쪽으로 새어 나가 사라지는 길을 막은 것이다. 막았더니 소자가 켜지기 시작하는 문턱 전류가 20분의 1로 내려갔다.

그리고 이 기사가 짚을 것은 그 다음이다. 이 방식의 효율 천장은 5.5%이고, 지금은 그 32%에 와 있다. 전압이 낮다는 것과 전력을 덜 쓴다는 것은 같은 말이 아니다.

1. 청색을 2.7V로 켤 수 있는 이유는 무엇인가

전기로 만든 것은 청색이 아니기 때문이다. 이 소자에서 전기 주입이 직접 만드는 것은 두 재료가 맞닿은 면의 전하이동(CT) 상태이고, 그것은 청색 광자보다 에너지가 낮다.

그 CT 상태의 75%는 스핀 통계상 삼중항이다. 삼중항 CT 상태는 덱스터 방식으로 옆 재료의 **삼중항(T₁)**으로 넘어간다. 여기까지가 낮은 에너지의 세계다.

청색은 그다음에 만들어진다. 삼중항 두 개가 만나 하나가 높은 에너지의 단일항이 되고, 그 단일항이 청색 빛을 낸다. 이것이 삼중항-삼중항 소멸 업컨버전(TTA-UC)이다.

그래서 이 소자는 광자 에너지보다 낮은 전압에서 청색을 낸다. 선행 연구에서는 1.47V에서 청색 전계발광이 보고됐다고 논문은 적는다.

2. 그런데 왜 낮은 전류에서는 효율이 나오지 않았나

삼중항 둘이 만나야 하는 과정이라, 삼중항이 드물면 만날 일이 없기 때문이다. 업컨버전은 두 개가 부딪히는 2차 과정이고, 혼자 꺼지는 것은 1차 과정이다. 삼중항이 적으면 1차가 이긴다.

그래서 업컨버전 소자에는 문턱 전류밀도가 생긴다. 그 아래에서는 효율이 바닥이고, 그 위로 올라가야 효율이 붙는다. 밝기를 전류에 대해 로그로 그리면 기울기가 2에서 1로 꺾이는데, 그 꺾이는 지점이 문턱이다.

기준 소자가 그랬다. 1mA/cm²에서 외부양자효율이 **0.10%**에 그쳤고, 30mA/cm² 부근까지 올라가서야 0.27%에 닿았다. 100니트를 내는 데 3.7V가 필요했다.

낮은 전압으로 쓰려면 낮은 전류에서 효율이 나와야 하는데, 원리상 그 자리가 가장 불리했던 셈이다.

3. 삼중항이 어디로 새는지 네 가지로 확인했다

양극 쪽 산화몰리브덴(MoO₃) 계면이 범인이었다. 연구진은 소자를 건드리기 전에 광학 실험으로 먼저 확인했다.

백금 포르피린으로 삼중항을 만들어 같은 호스트에서 업컨버전을 일으키는 필름을 만들고, MoO₃를 붙여 봤다. 업컨버전 발광이 약 97% 사라졌다. 그 사이에 mcp 층을 끼우자 발광이 거의 원래대로 돌아왔다.

소자에서도 같은 방향이 나왔다. 250mA/cm²에서 전계발광 감쇠를 재니, mcp를 넣은 쪽의 지연 발광 수명이 더 길었다. 삼중항이 덜 꺼진다는 뜻이다.

삼중항이 실제로 양극까지 걸어간다는 증거도 따로 만들었다. 양극 바로 옆에 라디칼 발광체를 3% 섞은 5nm 층을 심어 두었더니, 전계발광 스펙트럼에 그 층의 빛이 같이 나왔다. 계면에서 생긴 엑시톤이 반대편까지 이동한 것이다.

두께 실험이 이를 뒷받침한다. 호스트를 50nm에서 200nm로 두껍게 하자 효율이 약 두 배가 됐다. 양극에서 멀어진 만큼 덜 꺼진 것이다. 다만 저항이 커져 낮은 전압에서 전류가 흐르지 않아 실용적이지 않았다.

4. 막는 층 하나로 문턱 전류가 20분의 1이 됐다

삼중항 에너지가 높은 재료를 양극과 호스트 사이에 10nm 끼운 것이 전부다. 삼중항이 그 층으로 넘어가지 못하니 발광층 안에 갇힌다.

효과는 문턱에서 나타났다. 문턱 전류밀도가 20mA/cm²에서 1mA/cm²로 내려갔다. 밝기-전류 곡선에서 기울기 2가 1로 꺾이는 지점도 같은 만큼 왼쪽으로 옮겨 갔다.

효율도 함께 올라갔다. 1mA/cm²에서 0.10%였던 외부양자효율이 0.4%대로 올랐고, 최고값도 0.27%에서 0.5%대가 됐다. 전압-밝기 곡선 전체가 왼쪽으로 밀렸다.

대가는 저항이다. 층을 하나 더 지나야 하니 같은 전압에서 흐르는 전류가 줄었다. 이 교환이 뒤에서 소자 설계를 가르는 기준이 된다.

5. 도핑까지 더해 1.8V에 100니트, 2.7V에 1000니트

발광은 호스트가 아니라 도판트가 맡게 했다. 호스트에 파란 형광 도판트(TBPe)를 섞으면 업컨버전으로 만들어진 단일항이 도판트로 옮겨 가 더 잘 빛난다. 발광 봉우리는 462nm다.

차단층 두께를 바꿔 가며 비교하니 두꺼울수록 효율이 올라가고 전류는 줄었다. 20nm 차단층에 50nm 호스트를 쓴 소자가 외부양자효율 **1.76%**로 가장 높았다. 같은 재료계의 앞선 보고(1.37%)보다 28.5% 높고, 청색 업컨버전 OLED 최고 기록이라고 적는다.

그런데 가장 효율이 높은 소자가 가장 쓸 만한 소자는 아니었다. 저항이 커서 낮은 전압에서 밝기가 안 나온다. 차단층 5nm에 호스트 25nm인 소자가 균형이 가장 좋았다.

그 소자가 100니트를 1.8V에서, 1000니트를 2.7V에서 냈다. 논문이 모아 놓은 최신 청색 OLED들과 비교하면 두 밝기 모두에서 가장 낮은 전압이다.

6. 삼중항만 높으면 되는 줄 알았는데 아니었다

삼중항 에너지가 충분히 높은 재료 넷을 넣어 보니, 문턱은 모두 내려갔지만 전압은 하나만 달랐다. mcp·CBP·Simcp2는 1.5V 부근에서 청색이 켜졌는데, TCTA는 2.2V가 넘어야 켜졌다.

원인은 삼중항이 아니라 정공이 들어가는 길이었다. 광전자 수율 분광으로 HOMO 준위를 재니 호스트가 −6.10eV, mcp −6.18, CBP −6.11, Simcp2 −6.20으로 호스트보다 깊었다. TCTA만 −5.85로 얕았다.

차단층의 HOMO가 호스트보다 깊으면 정공이 내리막으로 들어간다. 얕으면 오르막이라 외부 전기장이 밀어 줘야 하고, 그 힘이 곧 전압이 된다.

그래서 논문은 차단층의 조건을 셋으로 정리한다. 호스트보다 높은 삼중항 에너지, 호스트보다 깊은 HOMO, 그리고 저항을 키우지 않는 두께. 삼중항만 보고 고르면 문턱은 내려가도 전압은 오른다.

7. 전압이 낮으면 전력도 낮아지나

그렇지 않다. 전력은 전압과 전류의 곱이고, 이 소자가 낮춘 것은 전압 쪽이다. 이 구분이 이 논문을 산업 쪽에서 읽을 때 가장 중요한 자리다.

외부양자효율 1.76%는 **이론 최대치 5.5%의 약 32%**다. 논문이 그 5.5%를 어떻게 계산했는지도 밝혀 두었다. 스핀 통계 75% × 업컨버전 최대 50% × 도핑막 발광효율 73% × **광추출 20%**다.

여기서 50%는 원리상 빼도 박도 못하는 값이다. 삼중항 두 개로 단일항 하나를 만들기 때문이다. 그래서 이 방식의 천장은 처음부터 일반 청색 OLED보다 훨씬 낮다.

효율이 낮으면 같은 밝기를 내는 데 전류가 더 든다. 전압을 절반으로 낮춰도 전류가 몇 배로 늘면 전력은 오히려 커질 수 있다. 그런데 논문에는 전력효율(lm/W) 값이 없다.

그렇다고 저전압이 헛것은 아니다. 전지 한 셀로 직접 구동할 수 있다는 것은 전력과 별개의 이점이다. 승압 회로를 빼면 부품과 두께가 줄고, 구동 전압이 낮으면 회로 쪽 설계 여유도 생긴다.

논문이 드는 또 하나는 수명이다. 효율이 낮은 전류 구간에서 올라가면 같은 밝기를 더 낮은 전류로 낼 수 있어 소자에 걸리는 스트레스가 줄어든다는 것이다. 다만 이 논문에 수명 측정은 없다.

8. 초록과 본문 사이

첫째, 1.76%와 2.7V는 서로 다른 소자의 값이다. 효율이 가장 높은 소자(차단층 20nm·호스트 50nm)는 저항이 커서 낮은 전압에서 밝기가 안 나온다. 1.8V·2.7V를 낸 소자는 차단층 5nm·호스트 25nm 쪽이고, 그 효율은 1.4% 안팎이다.

둘째, 수명 270시간은 이 논문의 측정이 아니다. 본문이 인용한 값은 같은 재료계의 앞선 연구에서 1000니트 기준 LT50이다. 이번 차단층 소자의 수명은 재지 않았다.

셋째, 청색이라고 다 같은 청색이 아니다. 발광 봉우리는 462nm이고 반치폭 값은 본문에 없다. 논문 스스로 결론에서 색순도를 앞으로의 과제로 꼽는다. 447nm에 반치폭 20nm인 좁은 청색 사례가 있었지만 그 막의 발광효율이 낮아 소자 효율이 떨어졌다고 적는다.

넷째, 천장 5.5% 안에 광추출 20%가 들어 있다. 이 값은 흔히 쓰는 가정치다. 뒤집어 말하면 광추출을 손보면 천장 자체가 올라간다. 같은 호에 실린 폴라리톤 OLED 기사가 다루는 것이 바로 그 자리다.

9. 산업 쪽에서 남는 것

이 기술이 겨냥하는 자리는 밝고 큰 화면이 아니다. 전지 한 셀 안에서 도는 저전압 표시, 즉 웨어러블과 휴대형 쪽이다. 논문도 리튬이온 한 셀(3.7V)을 기준으로 삼는다.

청색이라는 점은 그래서 의미가 있다. 적색과 녹색은 필요한 광자 에너지가 낮아 전압 여유가 있지만, 청색은 늘 전압의 바닥에 먼저 부딪힌다. 업컨버전은 그 바닥을 광자 에너지 아래로 내리는 몇 안 되는 방법이다.

그리고 이 논문이 실제로 판 것은 설계 규칙이다. 삼중항 에너지만 높으면 될 줄 알았던 자리에서 HOMO 정렬이 전압을 갈랐고, 그 둘을 함께 본 재료만 저전압을 지켰다. 두께는 갇힘과 저항 사이에서 골라야 한다.

남는 숫자는 1.76%와 5.5%다. 지금은 천장의 3분의 1이고, 그 천장에는 광추출 20%라는 가정이 곱해져 있다. 효율을 올리는 길이 재료에만 있지 않다는 뜻이기도 하다.