33. 3세대 TADF OLED 과연 어느 수준까지 올라왔을까?

TADF 등장 14년차 현재 기술 수준은??

OLED가 뭔지도 잘 알려져 있지 않던 2005년... 일본 규슈대 아다치 교수는 TADF OLED라는 2세대 인광 OLED를 대체할 기술을 발표합니다. TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence)는 이미 알려져 있던 현상이었지만 이를 OLED에 접목한 기술은 아다치 교수에 의해 제안됩니다.

TADF에 대해 생소하시다면 아래 포스팅들을 먼저 참고 바랍니다.

2018/03/18 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 20. TADF - OLED의 미래가 될것인가 (1) - 기본편

2018/03/22 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 21. TADF - OLED의 미래가 될것인가 (2) - 심화편

2018/03/27 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 22. TADF - OLED의 미래가 될것인가 (3) - 심화편

TADF의 비교적 높은 효율과 저렴한 가격에 제작이 가능한 가능성을 보고 3세대 OLED로 점쳐졌고, 많은 연구와 투자가 이루어져왔습니다. 단일재료부분으로는 표면적으로 가장 많은 연구와 투자가 이루어지지 않았나 싶습니다. 

그러나 점점 연구도 시들해지고 관련 투자도 시들해지고 있는 것 같습니다. 이에 대한 원인에 대해서는 위 포스팅들에서 TADF의 한계점에 대해 자세히 언급해두었습니다.

결론적으로 수명과 색순도를 개선해야하는데 이것이 원리적으로 해결하기 어려운 문제라는 겁니다. 이 문제는 시간이 가면서 해결될 수 있을 것으로 보였지만 아직까지도 해결은 요원해보입니다.

TADF 재료의 양대산맥 Cynora와 Kyulux

지난 2019년 3월 6일 '2019년 OLED KOREA'에서 대표적인 TADF 재료 개발 업체 'CYNORA(싸이노라)'와 아다치 교수가 설립한 'Kyulux(큐럭스)' 사가 현재 TADF OLED 성능 수준을 발표하면서 주목을 받았었습니다.

두 회사 모두 청색 TADF 소자 성능을 발표해서 비교를 해볼 수 있는 기회가 되었지만 공개하고 있는 데이터 범위가 적어서 하나씩 하나씩 대조해보면서 현재 일반적인 형광 청색 OLED 수준과 비교해보도록 하겠습니다.

먼저 OLED의 성능을 비교해보기 위해서는 전면(Top emission)이냐 배면(Bottom emission)이냐를 공개를 해야 비교가 가능합니다. 왜냐하면 같은 발광재료라 하더라도 전면소자는 배면소자보다 최소 1.5배 부터 최대 3배 정도가량 성능이 좋습니다.

양쪽 데이터가 배면과 전면이 다른 데이터라면 동일한 선상에서 비교가 어렵습니다. 그런데 두 회사는 발광방향에 대해 공개를 하고 있지 않습니다만 비교적 성능 수준이 비슷하고 일반적인 발표가 배면기준이기 때문에 배면기준이라고 가정하고 비교를 해보겠습니다.

일반적인 재료 성능 발표가 배면기준인 이유는 배면소자가 재료의 근본적인 데이터를 보여주기 때문입니다. 전면소자는 소자엔지니어링을 통해 굉장히 소자특성 차이가 크기 때문에 일반적인 재료의 성능 비교에는 배면소자가 좋습니다. 물론 연구단위에서 비교에 좋은것이지 실제 양산소자라면 당연히 전면소자 기준으로 개발을 합니다.

1. 외부양자효율(EQE, External Quantum Efficiency)

외부양자효율은 발광파장과 상관없이 절대적인 효율비교에 가장 좋습니다. 일반적으로 비교하는 발광효율인 Cd/A(칸델라 퍼 암페어)는 발광파장(색상)에 따라 직접적인 비교가 어렵기 때문에 EQE 비교가 가장 좋습니다. (물론 전류량을 비교하지 못하기 때문에 한계점은 있습니다.)

청색 형광	Cynora	Kyulux
8~10%	20%	22%

일반적인 배면 청색 형광은 대략 8~10%내외의 EQE 값을 갖고 있으며, EQE 수준에서 볼 때에 역시나 TADF 소자들의 EQE는 상당한 수준에 이르렀음을 볼 수 있습니다. 형광의 내부양자효율은 최대 25%, TADF의 이론적인 내부양자효율은 최대 100%이니 이러한 수준의 EQE 상승은 이해가 됩니다.

2. CIE 색좌표 (CIE y 값)
색좌표의 수치가 무엇을 말하는지 이해를 하고 있으시면 이 숫자들이 더 머리속에 쉽게 와닿으실 수 있습니다. 해당 포스팅을 링크해드립니다. 어려운 내용이 없으니 한번쯤은 교양삼아 들어주셔도 좋을 듯 합니다.

2017/05/21 - [OLED 이야기/OLED 이슈들] - 4. 색좌표란?? (1) - 정의

2017/05/26 - [OLED 이야기/OLED 이슈들] - 5. 색좌표란?? (2) - 실전

귀찮으시면 그냥 앞으로 나올 숫자가 낮을 수록 색순도가 높구나 생각하시면 됩니다. 그런데 문제는 큐럭스에서는 색좌표에서 뭔가 꿀리는지 색좌표를 공개안하고 파장만을 공개했습니다. 아무튼 비교해 보고 설명을 해드리겠습니다.    

청색 형광	Cynora	Kyulux
450~460nm 0.10 보다 작음	0.13	470nm

    

450~460nm라고 나노미터로 표시된것은 파장단위로 작을수록 진청색에 가깝지만 또 파장의 반치폭이라는 수치도 낮아야하기 때문에 이 파장데이터만 보고 색순도가 높구나 낮구나는 구분이 어렵습니다.

그런데 일단 큐럭스의 파장을 보면 청색 형광에 비해 높은 것을 볼 수 있습니다. 게다가 색좌표를 공개하지 않은것으로 볼 때 진청색이 아닌 스카이블루라고 부르는 연청색에 가까울 확률이 높습니다. 이렇게 진청색에서 멀어지면 효율과 수명에서 굉장한 이득을 얻게 됩니다. 따라서 이 데이터만 보고도 큐럭스는 색좌표를 포기하고 나머지 데이터들을 좋은데이터만 뽑아왔음을 알 수 있습니다.

싸이노라는 비교적 좋은 색좌표를 갖는 재료임을 알 수있습니다. 일반적인 형광보다는 CIEy 값이 높기는 하지만 그래도 이 정도면 심각한 수준은 아닙니다. 충분히 색좌표로는 괜찮은 수준입니다.

3. 수명(Lifetime)

사실 수명이 위 모든 데이터 보다 훨씬 중요합니다. 지금의 청색 형광 수명도 모자라서 번인문제로 난리인데 이것보다 낮으면 위 수치가 아무리 좋아보았자 아무짝에도 쓸모가 없습니다. 과연 어느정도 수준일지 비교해봅시다.

청색 형광 (LT95, @1000nit)	Cynora (LT95, @1200nit)	Kyulux (LT95, 750nit)
400h 이상	5h	100h

... 뭐 할 말이 딱히 없습니다. 큐럭스의 그나마 좋은 수명은 위에서도 말씀드렸다시피 진청색임을 포기했기 때문에 얻은 데이터인데다가 휘도도 750nit로 낮은 휘도에서의 수명입니다. 수명을 괜찮게 뽑기위해 안간힘을 쓴 데이터가 100시간 정도인 겁니다.

그에 반해 싸이노라는 휘도도 높게 잡았고 비교적 진청색인것을 보면 데이터 공개 역시 젠틀합니다. 수명 값은 매우 낮았지만 꼼수를 전혀 부리지 않았어요. 독일 회사라서 그런것일까요? 아무튼 그렇습니다.

젠틀하던 뭐하던 어쨋든 간에 TADF OLED의 수명은 형광에 아직 비빌수준이 아닙니다. 저런 재료로 제품을 만든다고 하면 와... 끔찍하군요. 엄청난 번인에 난리가 날겁니다.

오늘의 결론

TADF OLED가 연구개발되어온지 14년째이지만, 아직도 인광은 커녕 형광에도 특성을 비비기 어려운 수준입니다. 분명히 효율은 좋습니다만 이 높은 효율도 장시간 안정성을 보장하면서 높아야 의미가 있는 것이기 때문입니다. 

저 회사들 이외에도 다양한 회사에서 TADF를 도전하고 있는 것으로 알고있지만, 제가볼때는 전통적인 TADF 재료 디자인으로는 턱도 없습니다. 수명과 색순도가 낮을 수 밖에 없는 원인을 해결할 수 있는 근본적이고 완전히 새로운 매카니즘이 제시되어야만 합니다.

제가 아는 기존의 TADF 재료 연구방법들은 다 버려져야만 합니다. 예를 들어, 비록 또 다시 다른 한계점을 드러내긴 했지만, 일본의 하타케야마 교수팀 같이 아예 새로운 돌파구를 계속 제안하고 도전하는 형태의 연구가 되어져야합니다.

2018/10/13 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 28. 새로운 개념의 TADF 도판트 등장 - 붕소 화합물 (1) 장점편

2018/10/18 - [OLED 이야기/OLED 알아봅시다] - 29. 새로운 개념의 TADF 도판트 등장 - 붕소 화합물 (2) 단점편

OLED 시장은 점점 넓혀지고 있지만 재료 개발은 정체되고 있는 것 같아서 참 아쉽습니다.