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1. 서 론1)

유기발광다이오드(organic light emitting di-

odes, OLED)는 유기물을 이용한 자체 발광소자로

서 디스플레이 소재, 조명 소재로서 활용할 수 있

으며, 이미 평판 디스플레이 산업에서 휴대폰, TV

와 같은 개인, 소형 가전 기기에 사용되고 있으며,

몇 년 전부터 우리에게는 AMOLED (active-ma-

trix organic light emitting diodes; 능동형 유기발

광다이오드)라는 이름으로 잘 알려져 왔다. 디스

플레이 분야의 주요 경쟁 상대인 LCD와 비교하여

OLED는 자발광 특성을 가지기 때문에 패널의 단

순화가 가능하여 제품의 박막화 경량화가 가능한

장점을 가지고 있다. 또한 단순한 구조의 장점을

이용한 휘어지는 디스플레이를 넘어선 접을 수 있

는 OLED 디스플레이 개발 및 출시를 앞두고 있

다. 조명 광원으로서 OLED는 현재 기존의 형광

등, 백열등이 주류를 이루는 조명 시장에서 자리

를 잡고 있는 무기물을 이용한 light emitting di-

ode (LED)를 이어 받는 차세대 조명으로 각광받

고 있다. LED와 OLED 모두 수은을 포함하고 있

저자 (E-mail: ksyook@skku.edu)

지 않아 친환경적이며, 전력 소비가 적은 장점을

가지고 있다. LED 광원은 점광원 형태로 조명으

로 이용하기 위해서는 매우 높은 휘도가 필요하며

이에 따라 눈부심, 눈의 피로감을 유발한다. 점광

원 형태의 LED광원 빛을 면광원 형태로 변환시키

기 위해서는 부가적인 기구부가 필요하며 빛의 확

산이 어려운 점이 있고, 높은 휘도로 인한 LED 광

원의 발열을 확산시킬 수 있는 방열 기구가 필요

하여 조명 기구의 크기가 커지는 것을 피할 수가

없다. 반면 OLED 광원은 OLED의 자발광 특성을

이용한 면광원 형태의 광원 제작이 가능하기 때문

에 눈부심 없이 낮은 휘도에서 넓은 면적을 밝히

는 것이 가능하며, 필요로 하는 기구부가 적어 디

스플레이와 마찬가지로 경량화, 박막화가 가능한

장점을 가지고 있다. OLED는 이러한 디스플레이

및 조명에 다양한 장점을 가지고 있지만, 공정 비

용에 의한 제품 가격, 재료 안정성에 따른 제품 수

명 등 OLED 제품의 시장 선점에 많은 어려움을

가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여

재료적인 측면, 공정적인 측면에서 국내외 기업,

연구소, 학교에서 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 기고에서는 OLED 제조 공정 및 OLED 재료에

OLED 재료 기술

지 승 배⋅최 혜 원⋅육 경 수†

성균관대학교 화학공학/고분자공학부

Materials for Organic Light Emitting Diodes

Seung-Bae Ji, Hye-Won Choi, and Kyoung Soo Yook†

School of chemical engineering, Sungkyunkwan university

Abstract: 유기전자재료를 이용한 유기발광다이오드는 자체 발광 특성을 가지는 소자로서 디스플레이 산업에서 차세

대 디스플레이로 조명받은 지 몇 년 되지 않아 상업화되어 개인 휴대기기 디스플레이와 가정용 가전기기로서 활용되

고 있다. 본 기고에서는 유기발광다이오드에 대한 원리와 재료 개발 동향 등을 소개하고자 한다.

Keywords: OLED, fluorescent, phosphorescent

기획특집: OLED 소재 및 소자

기획특집: OLED 소재 및 소자

2 공업화학 전망, 제19권 제3호, 2016

대하여 소개하고 한다.

2. 본론

2.1. OLED 발광 메커니즘

OLED의 기본 구조는 Figure 1에 나타낸 바와

같이 양극(anode), 정공 주입층(hole injection lay-

er), 정공 전달층(hole transport layer), 발광층

(emitting layer), 전자 전달층(electron injection

layer), 전자주입층(electron injection layer), 음극

(cathode)의 적층형 구조로 구성되어 있다. 전하

주입층은 각 전극으로부터 전하를 전하 전달층으

로 주입하는 역할을 하며, 전하 전달층은 주입된

전하를 발광층으로 전달하는 역할을 하게 된다.

발광층에서는 각 전극으로부터 주입된 정공과 전

자가 재결합하여 여기자(exciton)를 형성하고, 여

기자가 바닥 상태로 전이 하면서 발광을 하게 된

다. 이때 발광층에 사용되는 재료에 따라 녹색, 적

색, 청색 등의 발광 파장이 결정된다.

발광층에서 생성되는 여기자는 전자의 스핀 상

태에 따라 일중항 여기자와 삼중항 여기자가 25%

와 75% 비율로 생성된다. 일반적인 유기물의 경

우 25%의 일중항 여기자만 사용하여 발광하며 이

를 형광(fluorescence)이라 하고, 이때 사용되는 재

료를 형광 발광재료라고 하며, 형광 발광재료를 사

용할 경우 사용되지 못한 삼중항 여기자는 발광하

지 못하고 열 등의 형태로 소실된다. 삼중항 여기

자를 사용하여 발광하기 위해서는 유기금속화합물

을 이용하게 되며 이를 인광(phosphorescence)이라

한다. 삼중항 여기자를 사용한 발광 물질을 인광

발광재료라고 하고, 인광 발광재료는 일중항 여기

자를 계간전이(intersystem crossing; ISC)를 통해

삼중항으로 변환시켜 삼중항 형태의 발광을 하게

된다. 일중항 여기자와 삼중항 여기자를 모두 사

용하는 인광 발광재료를 사용할 경우 더 높은 발

광효율 특성을 구현할 수 있다. 또한 유기금속화

합물을 사용하지 않고 삼중항 여기자를 일중항 여

기자로 전환시키고, 일중항 여기자의 형광 발광만

을 사용하여 발광 효율을 증대시킬 수 있는 방법

이 연구 보고되었으며 이를 지연형광이라고 한다.

열활성지연형광(thermally activated delayed fluo-

rescence)은 유기금속 화합물과 같은 인광 재료를

이용하지 않고도 인광재료와 동일한 효율을 얻어 낼

수 있는 방법으로, 일중항 상태와 삼중항 상태의 에

너지 차이를 줄여 역계간전이(reversed intersystem

crossing; RISC)를 통해 이론적으로 삼중항 여기

자를 모두 일중항 여기자로 전환하여 100%의 일

중항 생성이 가능하다. 또 다른 지연형광 방법으

로는 triplet-triplet annihilation (TTA) 또는 triplet

fusion이 있으며, 이는 두 개의 삼중항 여기자의

충돌을 통해 일중항 여기자가 생성되는 방법으로

이론적으로 62.5%의 일중항 생성이 가능하다.

Figure 2에 형광, 인광, 지연형광 발광 메커니즘을

나타내었다.

2.2. OLED 제조 기술

앞서 언급한 바와 같이 OLED는 다층 박막 적

층형 구조를 가지고 있으며 재료의 분자량에 따라

제조 공정이 달라지게 된다. 열진공증착법은 분자

량이 낮은 저분자 재료에 적합한 공정으로 10-6

torr 이하의 고진공에서 재료에 열을 가하면 재료

가 기체화되어 챔버 내부에서 분산되어 상대적으

Figure 1. 유기발광다이오드 구조.

Figure 2. 형광, 인광, 지연형광 발광 메커니즘.

OLED 재료 기술

KIC News, Volume 19, No. 3, 2016 3

로 온도가 낮은 기판에 응축되어 박막을 형성하는

공정이다. 열진공증착법은 소자의 높은 수명과 우

수한 효율 특성을 구현하기가 용이하여 현재 기업

에서는 가장 많이 사용하는 방법이다. 디스플레이

제조에 있어서는 화소 형성을 위하여 미세 패턴이

있는 fine metal mask를 사용하여 패터닝하는 방

법을 사용하게 되며 해상도가 점차 증가하고 있

다. 하지만 열진공증착법을 이용한 OLED 제조 시

화소 패턴 형성에 사용되는 재료의 양이 마스크에

응축되거나, 챔버 내부 벽면에 응축되는 양보다

적기 때문에 10% 가량의 낮은 재료 사용 효율을

보이며, 생산량 증가 및 생산 단가 감소를 위해서

요구되는 기판 사이즈의 증가에 따른 기하급수적

인 장비 운영 비용 증가는 생산 단가를 낮추는데

있어 난제로 작용하고 있다. 또한 대면적화됨에

따른 마스크 처짐 현상으로 해상도 저하가능성이

크며, 이를 해결하기 위한 open mask 사용은 OLED

구조 설계에 있어 어려움으로 작용하고 있다. 열진공

증착법을 이용한 공정 개발 및 문제 해결을 위해서는

기업 중심의 연구 개발이 필요하며, 기업에서는 열진

공증착법을 이용하여 생산 단가를 낮출 수 있는 양산

공정을 지속적으로 개발해오고 있다.

분자량이 낮은 재료와 분자량이 높은 고분자 재

료에 모두 사용할 수 있는 방법으로는 용액공정법

이 있으며, 용액공정법의 대표적인 방법은 잉크젯

프린팅법과 스핀 코팅법이 있다. 용액공정법은 재

료를 용매에 녹여 잉크화시켜 박막을 형성하는 방

법으로 잉크젯 프린팅법을 사용할 경우 재료 사용

효율을 극대화시킬 수 있으며, 마스크를 사용하지

않고 미세 패턴이 가능하기 때문에 대면적화에 유

리한 제조법으로 활용할 수 있다. 하지만 용액공

정은 용매를 사용하는 특성상 박막 형성 후 박막

내부에 남아 있는 잔류 용매와 용매 증발에 따른

막 균일도 저하에 의해 소자 특성이 기존의 열진

공증착법을 이용한 소자 보다 낮다는 문제점이 있

다. 또한 개발된 재료의 용매에 대한 용해도, 상부

막 용매에 의해 이미 형성된 하부막이 녹을 수 있

는 가능성, 막 형성 후 막 안정성 등 다층막 구성

기술에 대한 연구가 지속적으로 필요하다. 용액공

정법을 이용한 OLED 제조를 위해서는 용액공정

에 적합한 재료 개발, 잉크기술, 박막 형성 기술

등의 개발이 요구되며, 대학, 연구소, 기업이 함께

하는 연구가 필요하다고 본다.

3. OLED 재료

3.1. 전하 전달 재료

전하 전달 재료는 각 전극으로부터 정공과 전자

를 효율적으로 발광층에 전달해주는 역할을 한다.

전하 전달 재료는 빠른 전하 이동 특성 뿐만 아니

라 발광층의 형광, 인광 발광에 따른 적합한 특성

을 가져야 한다. 또한 소자의 안정적인 구동을 위

하여 높은 열 안정성이 요구된다.

정공 주입층은 양극으로부터 전공 전달층으로

10-6

Figure 3. 열진공증착공정, 잉크젯 프린팅 모식도.

기획특집: OLED 소재 및 소자

4 공업화학 전망, 제19권 제3호, 2016

정공을 주입하는 역할을 하며 정공주입층의 highest

occupied molecular orbital (HOMO) 에너지 준위

는 양극의 일함수와 정공 전달층의 HOMO 에너지

준위 중간에 위치하여야 한다. 정공 주입층 재료로

는 저분자 재료뿐만 아니라 PEDOT:PSS, MoO3,

ReO3, NiOX와 같은 고분자, 금속 산화물을 사용할

수 있다. 정공 전달층은 주입된 정공을 발광층으

로 전달하는 역할을 하며 정공 전달층의 HOMO

에너지 준위는 정공 주입층과 발광층의 HOMO

에너지 준위 중간에 위치하여야 하며, 발광층으로

주입된 전자가 정공 전달층으로 주입되는 것을 막

기 위하여 발광층 재료보다 낮은 lowest unoccupied

molecular orbital (LUMO) 에너지 준위가 요구된

다. 인광 발광소자에서 정공 전달층은 인광 발광

재료의 삼중항 에너지보다 높은 에너지 준위를 가

져야만 발광층의 삼중항 여기자가 정공 전달층으

로 이동하여 발광하지 못하고 소실되는 것을 막아

주어 높은 효율 특성을 구현할 수 있다. 특히 가장

에너지 준위가 높은 청색 인광 소자의 경우 정공

전달층 재료의 삼중항 에너지는 2.8 eV 이상의 에

너지 준위를 가져야지만 발광층의 삼중항 여기자

가 소실되는 것을 막을 수 있다. 정공 주입층과 전

달층의 재료로는 전자 주개 특성을 가지는 방향족

아민계열 화합물이 주로 이용되고 있다. Figure 4

에는 대표적인 정공주입 재료 및 정공 전달 재료

의 구조를 나타내었다.

전자 주입층은 음극으로부터 전자 전달층으로

전자를 주입시키는 역할을 하며, Li, Ca, Mg와 같

(a)

(b)

Figure 4. a) 정공 주입 및 정공 수송재료, b) 전자 수송재료.

OLED 재료 기술

KIC News, Volume 19, No. 3, 2016 5

은 낮은 일함수를 가지는 알칼리 금속이 적합하

다. 하지만 알칼리 금속은 산소 및 수분과 반응성이

매우 크기 때문에 실제 사용하는 데에는 어려움이

있다. LiF, CsF와 같은 금속 이온형태와 Cs2CO3,

RbCO3와 같은 형태의 화합물도 사용되고 있다. 전

자 전달층은 주입된 전자를 발광층으로 주입시키

는 역할을 하며, 발광층으로 전자를 주입하기에 적

합한 LUMO 에너지 준위를 가져야 한다. 또한 발

광층으로부터 정공이 전자 전달층으로 주입되는

것을 막기 위하여 발광층의 HOMO 에너지 준위와

차이가 커야 한다. 인광 발광소자에 사용되는 전자

전달층은 인광발광 소자에 사용되는 전공전달층

과 마찬가지로 발광층에서 생성된 삼중항 여기자

보다 높은 삼중항 에너지를 가져야 한다. 전자 전

달층 재료로는 전자 받개 특성을 가지고 있는 헤

테로방향족 화합물들이 주로 이용되며, 피리딘, 트

리아진, 옥사디아졸 등이 대표적인 예이다. Figure

4에는 대표적인 정공 수송 재료와 전자 수송 재료

의 화학 구조를 나타내었다.

3.2. 발광재료

발광층에 사용되는 재료에 따라 녹색, 적색, 청

색의 발광 파장이 결정되며, 재료의 발광 메커니

즘에 의해 인광, 형광 발광이 구분된다. 발광층의

구조는 색순도 향상과 효율 특성 향상을 위하여 단

일재료보다는 호스트에서 생성된 여기자가 도펀트

로 전이하여 발광하는 시스템인 호스트/도펀트 시

스템을 주로 이용한다. 형광 발광재료의 발광 파장

은 공액 정도와 재료의 극성에 따라 결정된다.

3.2.1. 형광 발광재료

OLED 개발 초기 가장 먼저 개발된 재료는

Alq3로 1987년 코닥에서 개발 발표하였다. 단독

발광층으로 사용될 경우 녹색 발광하는 특성을 가

지고 있으며, 녹색, 적색 형광 발광 호스트로도 사

용이 가능한 재료이다. 잘 알려진 형광 녹색 도판

트로는 C545T가 있으며, Alq3를 호스트로 사용하

여 23.4 cd/A의 발광 효율을 나타내었다.

적색 형광 발광재료는 코닥, 미쓰비시, 소니 등

의 기업을 중심으로 개발되었으며, DCJTB가 적

Figure 5. 녹색, 적색, 청색 형광 발광재료.

기획특집: OLED 소재 및 소자

6 공업화학 전망, 제19권 제3호, 2016

색 발광재료로서 가장 대표적인 재료이다. 하지만

DJCTB는 넓은 발광 파장으로 색순도가 좋지 못

하고 발광 효율이 낮아 활용이 어려운 문제가 있

다. 적색 발광재료로서 DDP, DBP와 같은 재료가

알려져 있으며, 황색 발광 특성을 가지는 재료로

는 미쓰비시에서 개발한 Rubrene이 가장 잘 알려

져 있다. 적색 형광 발광재료의 경우 확장된 파이전

자를 통한 분자 간의 상호 작용으로 발광 효율의 감

소와 넓은 발광 파장으로 낮은 색순도를 가지는 문

제가 있다. 이러한 적색 형광 발광재료의 특성을 개

선하기 위하여 파이전자의 공액구조를 유지하면서

도 분자 간 상호작용을 최소화할 수 있는 재료들이

개발되었으나, 현재 산업에서는 적색 발광재료로서

인광 발광재료를 사용하고 있는 실정이다.

형광 발광재료 중 청색 형광 발광재료는 가장

활발히 연구가 진행되고 있는 재료이다. 주로 극

성을 가지지 않는 아로마틱 구조로 되어 있다. 청

색 형광 발광재료의 중심 구조로는 안트라센, 파

이렌, 크리센, 플루오렌, 스틸벤 구조가 주로 사용

된다. 위의 중심 구조에 다양한 치환체를 사용한

청색 형광 발광재료들이 다수 발표되었다. 대표적

인 청색 형광 발광재료로는 안트라센 구조의 2, 6,

9, 10번 탄소위치에 치환체를 사용한 구조의 형광

발광재료들과, 스틸벤 구조에 다이페닐 아민, 카바

졸과 같은 치환체를 사용한 구조가 다수 개발 되었

다. 국내외 대학 및 연구소에서 청색 형광 발광재

료에 대한 개발을 꾸준히 진행하고 있고, 청색 형

광 발광재료에 대한 기술을 보유하고 있는 삼성

SDI, LG 전자, Dow 케미컬 등의 국내 기업과 이

데미쓰고산, UDC, 코닥 등의 국외 기업에서도 청

색 형광 재료에 대한 필요성을 인지하고 연구 개발

을 지속하고 있다. 이러한 이유는 디스플레이 화소

및 조명용 백색광을 구현하기 위한 청색 발광재료

의 수명 및 효율이 녹색 및 적색 발광재료에 크게

미치지 못하기 때문이다. 지금까지 발표된 청색 형

광소자의 효율 특성은 9.0 cd/A, 수명 특성 10,000

h로, 색좌표(0.14, 0.12)로 녹색, 적색 발광재료에

비하여 그 특성이 그게 떨어지는 실정이다.

3.2.2. 인광 발광재료

인광 발광재료는 75%의 삼중항 여기자와 계간

전이를 통해 삼중항 여기자로 전환될 수 있는

25%의 일중항 여기자를 모두 사용하여 발광하기

때문에 이론적으로 100%의 내부 양자 효율을 구

현하는 것이 가능하다. 삼중항 여기자를 사용하기

위해서는 일반적인 유기물을 사용하기 어려우며,

원자번호가 큰 전이금속이 포함된 유기금속화합

물을 주로 사용한다. 인광 발광재료로 가장 많이

사용되는 금속은 이리듐(Ir)이며, 그외 백금(Pt),

유로피움(Eu), 오스뮴(Os), 터븀(Tb) 등이나 Ir을

제외한 금속의 경우 발광효율이 낮아 현재 까지는

산업에서 사용하지 않고 있다.

Ir 유기금속화합물의 입체 구조는 팔면체 구조

를 가지며, 주 리간드로만 이루어진 화합물과 주

리간드와 보조 리간드로 이루어진 화합물을 합성

하는 것이 가능하다. Ir 화합물의 주 리간드 구조

로서 페닐피리딘 구조가 가장 많이 연구 개발되었

다. 주 리간드를 통해 발광재료의 색 조절이 가능

하며, 페닐 부분의 전자 밀도를 증가시키거나 피

리딘 부분의 전자 밀도를 낮추게 되면 발광 파장

이 장파장 영역으로 이동하게 되고, 페닐부분의

전자 밀도를 감소시키거나 피리딘 부분의 전자 밀

도를 증가시키면 발광 파장이 단파장 영역으로 이

동하게 된다. 보조 리간드를 통해서는 수 나노미

터의 미세한 발광 파장 조절이 가능하며, 공액 구

조가 확장된 보조 리간드는 발광 파장을 장파장

영역으로 이동시키며, 입체 장애 구조를 가지는

보조 리간드 발광 파장을 단파장 영역대로 이동시

킨다. 일반적으로 주 리간드만을 가지는 Ir 유기금

속화합물이 보조 리간드를 가지는 유기금속화합

물보다 열역학적으로 안정성이 우수하다고 알려

져 있으며, 산업에서는 이러한 주 리간드로만 구

성된 인광 도판트 재료를 사용하는 것이 적합하

다. 하지만 주 리간드만을 사용하는 구조는 재료

의 합성이 어려운 단점이 있다.

Figure 6에 녹색, 적색, 청색 인광 도판트의 화

학구조와 최대발광 피크를 나타내었다. 가장 잘

알려진 인광 녹색 도판트인 Ir(ppy)3는 510 nm의

OLED 재료 기술

KIC News, Volume 19, No. 3, 2016 7

최대 발광 피크를 나타내며, 주 리간드의 피리딘

부분의 전자 밀도를 감소시킨 구조의 Ir(piq)3는

615 nm의 최대 발광 피크를 나타낸다. 주 리간드

와 보조 리간드를 함께 사용한 (ppy)2Iracac는 516

nm의 최대 발광 피크를 나타낸다. 또한 동일한 보

조 리간드를 가지는 구조에서 주 리간드의 전자

밀도 조절을 통해 도판트 재료의 최대 발광 피크

가 장파장 영역으로 이동하는 것을 확인할 수 있

다. 녹색과 적색 인광 발광재료의 경우 기존의 형

광 발광재료를 대체할 수 있는 우수한 효율 특성

과 장수명 특성을 보여주고 있다. 하지만 우수한

효율 특성으로 형광 재료를 대체할 것이라고 예측

되었던 청색 인광재료의 경우 개발 초기 낮은 효율

과 짧은 소자 수명 개선을 위하여 다양한 인광 발

광재료가 개발되었으나, 아직 제품에 적용할 수 있

는 소자 수명특성은 보여주지 못하고 있다. 청색

인광 도판트로 가장 잘 알려진 재료는 FIrpic이며,

470 nm의 최대 발광 파장을 나타낸다. FIrpic은 청

색 발광재료이기는 하나 색순도가 좋지 못하여 색

순도를 향상시킬 수 있는 단파장 영역 발광이 가능

한 재료들이 개발되었으며, 그림에 나타난 FIr6,

FIrN4와 같이 보조 리간드로 크기가 큰 구조를 사

용함으로서 단파장으로 발광 영역을 조절할 수 있

었다. 또한 FIrpic 구조에서 주 리간드의 페닐 부분

의 전자 밀도를 감소시킬 수 있는 -CN 기를 사용

한 FCNIrpic 구조에서 최대 발광 파장 458 nm를

나타내었다. 리간드 구조로서 페닐피리딘 이외에

이미다졸, 카벤을 활용할 수 있으며 이를 이용한

도판트 재료들도 개발이 진행되고 있다.

3.3. 인광 호스트 재료

형광 발광재료를 대체하기 위하여 다양한 인광

발광재료와 함께 인광 호스트 재료도 개발되고 있

다. 특히 청색 인광 호스트 재료에 대한 연구가 활

발히 진행되었으며, 높은 효율 특성을 보이는 재

료들이 다수 보고되었다. 인광 호스트 재료의 단

일항 에너지와 삼중항 에너지레벨은 인광 도판트

재료의 에너지 레벨보다 높아야 한다. 호스트 재

Figure 6. 주요 인광 도판트 화학구조 및 최대 발광 파장.

기획특집: OLED 소재 및 소자

8 공업화학 전망, 제19권 제3호, 2016

료의 에너지 레벨이 도판트 에너지 레벨보다 낮을

경우 발광층 내부에서 도판트로부터 호스트로 역

전하이동이 발생하게 되며, 삼중항 여기자가 발광

할 수 없는 일반 유기물 구조를 가지는 인광 호스

트에서 삼중항 여기자 소멸이 발생하게 된다. 또

한 소자의 안정적인 구동과 우수한 효율 특성 구

현을 위하여 호스트 재료는 높은 열안정성과 박막

균일도, 발광층 내부로 균형적인 전하 주입을 위

한 바이폴라(bipolar) 특성이 요구된다. 호스트 재

료의 바이폴라 특성은 각 전하 전달층으로부터 정

공과 전자를 효율적으로 발광층으로 주입할 수 있

는 특성을 말하며, 이는 유기발광소자의 효율과

직접적인 관계가 있다. 정공 전달 특성을 가지는

단위와 전자 전달 특성을 가지는 단위를 이용하여

호스트 재료의 바이폴라 특성을 구현할 수 있으

며, 다양한 바이폴라 특성을 가지는 인광 호스트

가 개발되고 있다.

녹색 및 적색 인광 호스트 재료로 가장 많이 알

려진 재료는 카바졸 구조를 포함한 CBP이며 2.6

eV의 삼중항 에너지 레벨을 가지고 있어 녹색 및

적색 인광 호스트 재료로 적합한 에너지 준위를

가지고 있지만, 낮은 열안정성(Tg = 62 ℃) 특성을

가지고 있으며 짧은 소자 수명 특성으로 사용에

어려움을 가지고 있다. 이를 개선하기 위한 구조

로서 CBP의 카바졸에 위치한 수소를 CN으로 치

환한 구조의 결과가 보고되었으며, 열안정성이 크

게 개선(CBP-CN, Tg = 162 ℃)될 뿐만 아니라 소

자 효율 특성도 개선된 결과를 보여 주고 있다. 카

바졸 구조 이외에도 플루오렌 및 스파이로바이플

루오렌 구조를 가지는 호스트 재료들이 개발되어

오고 있다. 녹색 및 적색 인광 재료의 경우 산업에

적용하기 적합한 우수한 효율 특성과 수명 특성을

구현한 재료들이 개발되어 사용되고 있다. 녹색 인

광 재료의 경우 78 cd/A의 효율 특성, 400,000 h의

수명특성을, 적색 인광 재료의 경우 24 cd/A의 효

율 특성, 900,000 h 수명 특성이 보고되었다.

청색 인광 호스트 재료는 인광 호스트 재료 중

개발이 가장 활발히 진행되고 있는 재료이다. 청

색 인광 호스트로 사용하기 위해서는 호스트 재료

가 2.7 eV 이상의 삼중항 에너지를 가져야 한다.

높은 삼중항 에너지를 구현하기 위한 구조로서 카

바졸, 실란, 포스핀옥사이드 등의 구조가 주로 발

표 되었다. 청색인광 호스트로 가장 많이 사용되

는 재료는 mCP이며, 높은 삼중항 에너지(2.9 eV)

를 가지고 있으나 낮은 열안정성(Tg = 55 ℃) 및

짧은 소자 수명으로 산업에 적용하기는 어려운 재

료이다. mCP를 호스트로 사용한 소자에서는 청색

인광 소자에서 20% 이상의 양자 효율을 보이는

결과가 다수 보고되었다. mCP 구조는 카바졸로

이루어져 있어 정공 수송 특성을 가지고 있으며,

mCP 구조의 카바졸 단위에 전자 수송 특성을 가

지는 포스핀옥사이드 단위을 치환한 mCPPO1가

보고되었으며, 보고된 재료는 3.0 eV의 높은 삼중

항 에너지 레벨을 나타내었으며, 진청색 인광 도

판트인 FCNIrpic를 사용한 소자에서 31.0%의 높

은 발광 효율 특성을 보여 주었다. mCP 구조의 페

닐기에 포스핀 옥사이드 단위를 치환한 DCPPO가

보고되었으며 Tb 인광 도판트를 사용한 구조에서

15%의 발광 효율을 나타내었다. 높은 삼중항 에

너지를 가지는 페닐 카바졸 단위를 가지는 구조에

포스핀옥사이드, 피리딘과 같은 전자전달 특성을

가지는 단위를 적용한 PPO2, PPO27과 같은 호스

트 재료도 개발되었으며, 바이폴라 특성을 나타내

었으며 진청색 도판트인 FCNIr을 사용한 구조에

서 18.4%의 발광 효율을 나타내었다.

CBP는 청색 호스트로 사용하기에는 낮은 삼중

항 에너지를 가지고 있으나 카바졸이 메타 위치로

치환된 mCBP의 경우 2.8 eV의 삼중항 에너지를

가지며, 청색 인광 호스트로 사용할 경우 소자의

수명 특성이 개선되는 결과를 나타내지만 효율 특

성이 우수하지 못한 특성을 보여준다. mCBP 구조

에서 카바졸을 피리도인돌로 치환한 CzBPCb,

CbBPCb의 경우 발광층 내부의 전자 주입 특성을

개선할 수 있었으며 FIrpic를 도판트로 사용한 구

조에서 30%의 높은 발광 효율을 나타내었다.

실란 단위를 호스트에 적용할 경우 Si에 의해

공액구조가 끊어져 호스트 재료의 넓은 밴드갭과

높은 삼중항 에너지 구현이 가능하다. 실란 단위

OLED 재료 기술

KIC News, Volume 19, No. 3, 2016 9

를 적용한 UGH1, UGH2, UGH3와 같은 재료들

이 보고되었으며, 3.4 eV 이상의 높은 삼중항 에

너지를 가지는 것이 확인되었다. 하지만 UGH 계

열의 호스트 재료는 7.0 eV의 깊은 HOMO에너지

준위를 가지고 있어 정공 전달층으로부터 발광층

으로 정공의 주입이 어려운 단점을 가지고 있다.

실란 계열 호스트로서 BSB도 보고되었으나 Si 단

위에 의한 공액 구조가 끊어지는 특성은 발광층의

전하 이동도 특성을 크게 감소시켜 소자의 발광

특성을 감소시키게 된다.

스파이로바이플루오렌 구조는 청색 인광 호스

트에 적합한 삼중항 에너지를 가지며, FIrpic 인광

도판트를 사용할 수 있다. 포스핀 옥사이드 단위

를 스파이로바이플루오렌의 치환체로 사용한 구

조에서는 삼중항 에너지 감소가 없으며, 전자 전

달 특성을 나타내었다. 포스핀 옥사이드 단위 한

개를 가지는 SPPO1의 경우 FIrpic를 사용한 구조

에서 19.2%의 발광 효율을 나타내었다. 이와 유사

한 형태인 포스핀 옥사이드 치환체 개수 및 위치

에 따른 청색 인광 호스트가 개발되었다.

카바졸 화합물, 실란 화합물, 스파이로 바이플

루오렌 화합물 등 다양한 구조의 청색 인광 재료

들이 개발되었으나, 이러한 청색 인광 재료를 이

용한 소자의 수명특성이 산업에 적용되기에는 턱

없이 부족한 수준을 보이고 있다. 우수한 효율 특

성과 수명 특성을 함께 구현하기 위해서는 전기

적, 화학적, 열적으로 안정한 신규 화학 구조의 발

광 재료 및 호스트 재료 개발이 필요하다. 또한 고

효율 특성을 나타내기 위해서는 발광층 내부의 전

하 균형을 조절하는 것이 필요하며, 바이폴라 특

성 구현을 통해 이를 해결할 수 있다. 일반적으로

바이폴라 특성을 구현하기 위해서는 정공 수송 특

성을 가지는 단위인 카바졸, 다이페닐아민, 인돌

등과 같은 전자 주개 단위와 전자 수송 특성을 가

지는 단위인 피리딘, 피리미딘, 트리아진, 포스핀

옥사이드, 옥사다이아졸, 벤조 퓨란 등과 같은 전

Figure 7. 청색 인광 호스트 재료.

기획특집: OLED 소재 및 소자

10 공업화학 전망, 제19권 제3호, 2016

자받개 단위를 조합할 수 있다. 녹색, 적색, 청색

발광재료에 적합한 일중항 에너지와 삼중항 에너

지를 가지도록 분자 설계가 필요하다.

4. 결 론

OLED의 발광 메커니즘, 소자 제조방법, 유기

발광재료에 대하여 소개하였다. OLED는 디스플

레이와 조명 분야에 적용 가능한 기술로서, 디스

플레이 분야에서 먼저 상용화 되어 길지 않은 시

간 동안 제조 공정분야, 재료 분야에서 많은 발전

이 이루어졌지만, 조명 분야까지 상용화를 위해서

는 아직도 많은 공정 개발과 재료 개발이 필요로

하다. OLED가 가지고 있는 장점인 경량성, 형태

의 자유성은 휴대용 개인 디스플레이, 대형 디스

플레이, 조명 분야뿐만 아니라 적용 가능한 다양

한 시장을 가지고 있으며, 시장을 선점하기 위해

서는, 저가 양산이 가능한 공정 개발, 낮은 소비

전력 구현이 가능한 재료의 개발이 필요하다. 특

히 새로운 화학구조를 가지는 재료에 대한 원천기

술 선점이 필요하며, 이는 발광재료에 국한되지

않으며, 이를 위해서는 OLED 소재에 대한 관심과

연구가 지속적으로 필요하다고 본다.

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지 승 배2008~2015 단국대학교 화학공학과 학사

2016~현재 성균관대학교 화학공학과

석사과정

육 경 수1997~2007 단국대학교 고분자공학과 학사

2007~2009 단국대학교 고분자공학과 석사

2009~2012 단국대학교 고분자공학과 박사

2012~2013 University of Michigan Post-Doc visiting scholar

2012~2014 단국대학교 고분자공학과

연구교수

2015~현재 성균관대학교

화학공학/고분자공학부 조교수

최 혜 원2012~2016 단국대학교

고분자시스템공학과 학사

2016~현재 성균관대학교 화학공학과

석사과정