KAIST(총장 강성모) 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 반딧불이 발광기관 구조의 광학적 역할을 밝혀내고, 이를 공학적으로 모사하는데 성공했다고 최근 밝혔다. 정기훈 교수 연구팀은 이를 통해 기존 유기발광다이오드(Organic Light-Emitting Diode: OLED)보다 발광효율을 향상시킨 반딧불이 모사 유기발광다이오드를 개발했다. 이번 연구는 나노 분야의 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’온라인 판에 게재됐다.
발광원리 대신 광학적 구조 연구 집중
반딧불이는 스스로 빛을 내는 대표적인 자연발광체이며, 자연계 내에서 가장 높은 발광효율을 가져 이전부터 반딧불이에 대한 연구가 이뤄졌다. 그러나 이전 연구는 주로 발광원리를 밝혀내는 과정에 집중, 상대적으로 반딧불이 발광기관의 광학적 구조에 대한 연구는 활발하지 않았다. 반딧불이의 발광기관은 외피층, 발광세포층, 반사층으로 구성된다. 발광세포층은 빛을 발생시키는 역할을 담당하며, 반사층은 외피층으로 향하지 않는 빛을 반사시키는 역할을 담당한다. 이를 통해 최종적으로 발생된 빛은 외피층을 통해 밖으로 빠져나간다. 이 중 빛을 발생시키는 발광세포층에 대한 연구는 많이 이루어져 왔지만, 반사층 및 외피층이 어떤 광학구조를 갖고 어떤 역할을 수행하는지는 명확하지 않았다. 연구팀은 반딧불이의 발광기관 외피에 마이크로 및 나노 구조가 결합된 계층적 구조가 있음을 발견했다. 또한, 광학수치해석과 실험을 통해 이 계층적 구조의 역할은 발광세포층에서 발생되는 빛을 효과적으로 추출하면서 넓은 광 분포를 구현하는 것임을 밝혀냈다. 특히, 연구팀은 이러한 반딧불이의 광학구조를 OLED에 적용해 기존 OLED가 갖는 문제점을 찾기 위한 노력을 지속했다.
정기훈 교수
[그림 1] 기존 OLED(a)와 반딧불이 모사 OLED의 발광 사진(b)
OLED의 광 추출효율 높이는 새 방법 제시
OLED는 발생된 빛이 내부에 갇혀 약 20%의 빛만 외부로 추출되는 문제를 갖는다. 연구팀은 반도체공정 및 미세몰딩공정을 이용해 반딧불이의 광학구조를 모사하는데 성공했고, 이를 OLED에 적용해 광 추출 효율을 최대 61%까지 향상시켰다. 또한, 계층적 구조를 이용해 기존 OLED보다 넓은 광 분포도를 구현했다. 따라서 향후에는 광학구조의 설계변경을 통한 다양한 광 분포 조절로 OLED 기반 조명 및 디스플레이에 적용이 가능하고, 이를 통해 OLED의 발광효율을 효과적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 “반딧불이 발광기관에서 발견된 계층적 광학구조를 성공적으로 모사했고, 이를 통해 OLED의 발광효율을 효과적으로 향상시켰다. 이 연구를 기점으로 생물발광기관 모사 연구가 활발히 진행될 것으로 기대된다”고 연구과정과 비전을 설명했다.
[그림 2] 반딧불이 발광기관에서 발견된 계층
적 구조의 전자현미경 사진(비대칭 마이크로구조 위에 나노구조가 형성되어 있음) [그림 3] 반딧불이 모사 OLED의 구조
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