사진설명. (왼쪽부터) 성균관대 신동진 박사과정생, 이준엽 교수, 중앙대 김재민 교수

첨단소재공학과 김재민 교수 연구팀이 차세대 OLED 발광 기술인 인광체 감광형 형광(Phosphor-sensitized fluorescence, PSF) OLED의 효율과 수명을 동시에 향상시키는 새로운 전략을 개발하는 데 성공했다.

기존 1-3세대 OLED의 발광층은 호스트와 발광체 소재로 구성되지만, 인광체 감광형 형광은 호스트, 인광 감광체, 형광 발광체로 이루어진 3성분 혼합구조를 갖는다. 해당 방식은 감광체의 삼중항 여기자 수확과, 감광체에서 형광 발광체로의 포스터 에너지전이(Förster Resonance Energy Transfer)를 통해 고효율과 장수명을 동시 구현할 수 있어, 차세대 OLED 발광 기술로 각광받고 있다.

인광체 감광형 형광 OLED의 효율과 수명을 극대화하기 위해서는 최종 발광체의 삼중항 여기자 형성을 억제해야 한다. 최종 발광체에서 삼중항 여기자가 형성되는 주요 과정으로는 인광 감광체로부터의 덱스터 에너지 전이(Dexter energy transfer)와 트랩 재결합(trap recombination)이 있다. 특히 트랩 재결합은 최종 발광체 내에서 삼중항 여기자-폴라론 소멸(triplet-polariton annihilation, TPA), 삼중항 여기자-삼중항 여기자 소멸(triplet-triplet annihilation, TTA)을 유발해 소자 열화를 가속화하여 구동 수명이 저하되고, 비발광 소멸 과정으로 인해 효율도 크게 저하시킨다.

이에, 기존에는 최종 발광체로의 정공 트랩을 억제하고자 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 조절 전략이 시도돼 왔다. 해당 전략은 실제로 정공 트랩 억제에 효과적이었지만, 최종 발광체의 소재 설계 범위가 제한되고 인광 감광체와 n-type 호스트 간 복합체 형성 등 한계가 있었다.

사진설명. 인광체 감광형 형광 OLED 효율 및 수명 향상 전략 이미지

김 교수 연구팀은 높은 영구 쌍극자 모멘트(PDM, Permanent Dipole Moment)를 가진 감광체를 활용해 최종 발광체로의 정공 트랩을 억제하는 전략을 개발했다. 높은 PDM을 가진 감광체는 강한 쿨롱 상호작용을 통해 최종 발광체로의 정공 트랩을 억제했으며, 이를 통해 세 가지 비교 감광체 중 가장 높은 발광 효율과 구동 수명을 달성했다. 김 교수 연구팀은 해당 전략에 대해서 여기자 감쇠 모델링, charge to photon 모델링, 임피던스 분석 등 다양한 실험과 물리 모델링을 통해 정공 트랩 억제 효과를 검증했다.

이번 연구는 다양한 실험과 분석, 물리 모델링을 통해 인광체 감광형 형광 OLED의 이해도를 높였으며, 발광 효율과 구동 수명을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 전략을 제시했다.

본 연구는 김재민 교수 연구팀과 성균관대 이준엽 교수 연구팀이 공동으로 수행하였다. 성균관대 신동진 박사과정생이 제1저자를 맡았고, 김 교수와 이 교수가 교신 저자로 참여했다. 연구성과는 피인용도(IF, Impact Factor) 22.0을 기록한 재료과학 분야의 세계적인 국제학술지 'Materials Today'에 게재됐다. 또한, 연구의 파급력을 인정받아 IMID 2024 (The International Meeting on Information Display) 학회에서 UDC Innovative Research Award를 수상하였다.

김재민 교수는 “본 연구를 통해 4세대 OLED 발광 기술의 성능 개선 전략을 개발하고 그 효과를 정량적으로 해석할 수 있는 분석법을 정립하였다. OLED 기술이 끊임없이 진화하고 있는 가운데 차세대 발광 기술 고도화에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.