중앙대 김재민 교수팀, OLED 에너지 전이 예측모델 개발 … 차세대 디스플레이 조기 상용화 기대

중앙대학교는 첨단소재공학과 김재민 교수가 성균관대 화학공학부 이준엽 교수와의 공동 연구를 통해 4세대 유기발광다이오드(OLED) 기술 상용화를 앞당길 핵심 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

인광 감광형 형광(Phosphor-sensitized fluorescence, PSF) OLED 내부의 에너지 이동 메커니즘을 규명하고 정량화할 수 있는 '다중스케일 에너지전이(MET) 모델'을 개발하고, 이를 바탕으로 세계 최고 효율의 진청색 PSF OLED 소자 구현에 성공했다. 쉽게 말하면, OLED 안에서 에너지가 어떻게 빛으로 바뀌는지 정밀하게 계산할 수 있는 공식을 만들었다는 얘기다.

OLED는 내부에서 발생한 에너지가 빛으로 얼마나 효율적으로 전환되는지가 성능을 좌우한다. PSF OLED는 높은 효율과 수명을 동시에 확보하는 기술이지만, 효율에 이로운 포스터 에너지 전이(FRET)와 손실을 유발하는 덱스터 에너지 전이(DET)가 동시에 발생해 기존 해석법으로는 각 전이 속도를 정확히 구분해 내지 못하는 '다중 해(multiple-solution) 문제'가 존재해 왔다.

연구팀은 PSF OLED 내부에서 일어나는 FRET와 DET 속도를 독립적으로 정량화할 수 있는 'MET 모델'을 개발했다. 이를 통해 기존에는 구분이 어려웠던 에너지 전달 과정을 정량적으로 분석할 수 있게 됐다. 추가 실험 없이도 다양한 조건에서의 에너지 흐름을 예측할 수 있는 기반을 마련했다.

연구팀은 이 모델을 검증하기 위해 입체적 부피가 큰 작용기를 도입한 신규 인광 감광제인 'Pt-BS'를 설계했다. 분석 결과, Pt-BS는 기존 감광제보다 DET를 31.8% 억제하고, 빛으로 전환되는 효율은 120% 향상했다. 이를 적용한 진청색 PSF OLED는 외부양자효율(EQE) 21.1%를 기록하며, 해당 색 영역(CIE y = 0.100)에서 세계 최고 수준의 성능을 입증했다.

이번 연구 성과는 PSF OLED의 복잡한 에너지 전이 과정을 정밀 제어할 수 있는 가이드라인을 제시했다는 점에서 학술적·산업적 가치가 매우 높다. 특히 소재 설계 단계에서 효율 손실 경로를 사전에 예측할 수 있어 차세대 디스플레이 개발 속도를 획기적으로 높일 것으로 기대된다.

김 교수는 "이번 MET 모델은 분자 설계와 소자 분석을 유기적으로 연결해 OLED의 물리적 한계를 극복할 수 있는 강력한 도구"라며 "이를 통해 고효율·장수명의 4세대 OLED 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야의 권위 있는 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal·화학공학 저널) 2026년 1월호에 게재됐다. 성균관대 신동진, 강지훈 박사과정 연구원이 공동 제1저자, 중앙대 김재민 교수와 성균관대 이준엽 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.