어느 분야든 벽에 붙여 두는 숫자가 하나씩 있습니다. 협대역 청색 OLED 발광체 분야에서 그 숫자는 2019년에 나왔습니다. 광발광 반치폭 14 나노미터입니다.
간사이가쿠인대학 하타케야마 타쿠지 교수 연구팀이 JNC와 함께 네이처 포토닉스에 발표한 논문 "Narrowband deep-blue organic light-emitting diode featuring an organoboron-based emitter"입니다. 제1저자는 콘도 야스히로. 이 논문이 소개한 nu-DABNA는 지금까지도 모든 협대역 청색 발광체의 기준점입니다.
청색이 막혀 있던 이유
좋은 OLED 디스플레이도 청색 스펙트럼은 반치폭 40 nm를 넘겼습니다. 원인은 진동 결합입니다. 일반적인 방향족 발광체는 HOMO와 LUMO가 파이 결합 위에 퍼져 있어 결합성과 반결합성 성격을 갖습니다. 분자가 여기되면 결합의 신축 진동이 전자 전이에 그대로 결합해 스펙트럼이 넓어집니다.
경쟁 기술은 이 문제가 없었습니다. 마이크로 LED와 양자점 LED는 청색에서 약 20 nm를 냅니다. 대신 공정 비용, 재현성, 대면적 확장성에서 값을 치릅니다. OLED에는 분자 차원의 해법이 필요했습니다.
설계
하타케야마 연구팀의 답은 원조 DABNA 골격의 확장이었습니다. 벤젠 고리 다섯 개를 붕소 두 개와 질소 네 개로 꿰매고 바깥에 다이페닐아미노기 두 개를 붙였습니다. 붕소와 질소는 전자 밀도를 서로 반대 방향으로 끌기 때문에 다중 공명 효과로 HOMO는 질소 원자에, LUMO는 붕소 원자에 원자 단위로 분리됩니다. 어떤 결합 위에서도 궤도가 겹치지 않는, 비결합성 궤도가 됩니다.
결합성 성격이 사라지면 신축 진동이 붙잡을 것이 없습니다. 전이에 결합하는 것은 부드러운 비틀림 모드 몇 개뿐입니다. 그 결과가 톨루엔에서 468 nm, 반치폭 14 nm입니다. 유기 분자에서 측정된 가장 좁은 발광입니다. 일중항과 삼중항의 에너지 차는 17 meV에 불과해 효율적인 TADF 상향 전환이 가능하고, DOBNA-OAr 필름에서 광발광 양자 수율은 90%에 달했습니다.
소자 성능
숫자는 실제 소자에서도 유지됐습니다. 전계발광 469 nm, 반치폭 18 nm로 여전히 마이크로 LED와 양자점보다 좁습니다. 외부 양자 효율은 최대 34.4%, 100 cd/m2에서 32.8%, 1000 cd/m2에서도 26.0%를 기록했습니다. CIE 좌표 (0.12, 0.11)로 컬러 필터 없이 NTSC 청색 기준에 근접합니다. 분자는 440 C까지 분해되지 않습니다. 승화 정제를 하는 입장에서는 반가운 숫자입니다.
이 소자 스택은 발광체에 맞춘 양극성 호스트 DOBNA-OAr도 함께 소개했습니다. 조용하지만 저평가된 기여입니다.
그 후
6년이 지난 지금도 nu-DABNA는 새 심청색 발광체가 비교되는 기준입니다. 파생 구조들은 반치폭 20 nm 이하를 유지하며 EQE 35%를 넘어서고 있고, 이 계열 전체가 이 하나의 골격에서 출발했습니다.
인포그래픽과 전체 하이라이트: https://www.lamko.co.kr/research-highlights/nu-dabna-deep-blue.html
참고 문헌: Kondo, Y. et al., Nature Photonics 2019, 13, 678. DOI 10.1038/s41566-019-0476-5
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