중앙대 김재민 교수팀, 차세대 OLED 발광 기술의 효율·수명 동시 향상 전략 제시

중앙대학교는 첨단소재공학과 김재민 교수 연구팀이 차세대 유기발광다이오드(OLED) 발광 기술인 '인광체 감광형 형광(Phosphor-sensitized fluorescence, PSF) OLED'의 효율과 수명을 동시에 향상하는 새로운 전략을 제시했다고 11일 밝혔다.

이번 연구는 성균관대 이준엽 교수 연구팀과 공동으로 수행했다.

기존 1~3세대 OLED의 발광층은 호스트와 발광체의 두 소재로 구성돼 있다. 반면 인광체 감광형 형광은 호스트, 인광 감광체, 형광 발광체의 3성분 혼합구조로, 고효율과 장수명을 동시에 구현할 수 있어 차세대 OLED 발광 기술로 주목받고 있다.

PSF OLED의 효율과 수명을 극대화하려면 최종 발광체의 '삼중항 여기자(Triplet Exciton)' 형성을 억제하는 게 핵심이다. 여기자(엑시톤)는 음전하(-)인 전자와 양전하(+)인 정공(hole, 공간)이 쌍을 이뤄 공존하는 준입자를 말한다. OLED에서 빛이 발생하는 과정에서 생성된다. 단일항(Singlet)과 삼중항(Triplet) 상태로 나뉜다. 형광 물질은 단일항 상태의 여기자에서 방출되는 빛만을 활용하고, 삼중항 상태의 여기자는 에너지 손실로 이어진다. 인광 물질은 삼중항 여기자를 활용해 빛을 방출할 수 있게 하여 더 높은 에너지 효율을 얻는다.

특히 최종 발광체에서의 트랩 재결합(Trap Recombination, 결함에 갇힌 전하가 반대 전하와 만나며 재결합) 현상은 발광효율을 떨어뜨리고 소자의 수명을 단축하는 주요 원인으로 꼽힌다.

기존 제시된 전략은 정공 트랩(Hole Trap, 정공이 소재 내부 결함에 갇혀 이동하지 못하는 현상) 억제에는 효과적이었지만, 최종 발광체의 소재 설계 폭이 제한적이고 인광 감광체와 n-type 호스트 간 복합체 형성으로 오히려 소자의 성능과 수명이 저하되는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 높은 영구 쌍극자 모멘트(PDM, 분자 내 전하가 비대칭적으로 분포해 발생하는 전기적 극성)를 가진 감광체를 활용하는 새로운 전략을 제시했다. 높은 PDM을 가진 감광체는 강한 쿨롱 상호작용을 통해 최종 발광체로의 정공 트랩을 억제함으로써 기존 대비 우수한 발광효율과 긴 구동 수명을 달성했다.

연구팀은 여기자 감쇠 모델링, charge to photon 모델링, 임피던스 분석 등 다양한 실험과 물리 모델링을 통해 효과를 검증했다. 이를 통해 PSF OLED의 이해도를 높였으며 발광효율과 구동 수명을 동시에 향상할 실질적인 해법을 제시했다.

김 교수는 "이번 연구를 통해 4세대 OLED 발광 기술의 성능 개선 전략을 개발하고 그 효과를 정량적으로 해석할 수 있는 분석법을 정립했다"며 "차세대 발광 기술 고도화에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적인 학술지 '오늘의 재료(Materials Today)'에 게재됐다. 성균관대 신동진 박사과정생이 제1저자, 김 교수와 이 교수가 교신저자로 각각 참여했다. 연구의 파급력을 인정받아 국제정보디스플레이 학술회의(IMID) 2024에서 '유니버설 디스플레이 코퍼레이션(UDC) 혁신연구상을 받았다.