김윤희 교수팀, 효율 롤오프 원인 규명…청색 OLED 수명 개선 실마리 제시
일본 규슈대와 국제 공동연구 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 게재
일본 규슈대와 국제 공동연구 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 게재
경상국립대 자연과학대학 화학과 김윤희 교수 연구팀이 일본 규슈대학교 치하야 아다치(Chihaya Adachi) 교수 연구팀과의 국제 공동연구를 통해 초형광(Hyperfluorescent, HF) 유기발광다이오드(OLED)에서 효율 롤오프(efficiency rolloff)를 좌우하는 핵심 요인을 규명하는 데 성공했다.
이번 연구는 초형광 OLED의 최종 발광체(terminal emitter)에서 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위 정렬이 고휘도 구동 시 효율 저하와 소자 수명에 결정적인 영향을 미친다는 사실을 실험적으로 입증한 것으로, 청색 HF-OLED 상용화를 가로막아 온 기술적 난제를 해결할 중요한 단서를 제시했다.
초형광 OLED는 열 활성화 지연형광(TADF) 센시타이저와 형광 최종 발광체를 결합해 높은 외부양자효율(EQE)과 우수한 색 순도를 동시에 구현할 수 있는 차세대 OLED 기술로 주목받고 있다. 특히 다중 공명(Multiple Resonance, MR) 기반 TADF 발광체는 협대역 발광 특성으로 고색재현 청색 OLED 구현에 큰 가능성을 보여왔다. 그러나 고휘도 구동 환경에서 효율이 급격히 감소하는 '효율 롤오프'와 이에 따른 소자 수명 저하 문제가 지속적으로 제기되며 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.
연구팀은 이러한 문제의 원인을 규명하기 위해 광물리적 특성이 유사한 세 가지 청색 MR-TADF 기반 최종 발광체를 설계·합성하고, 이를 적용한 HF-OLED 소자의 성능을 체계적으로 비교 분석했다. 특히 최종 발광체의 HOMO 에너지 준위를 정밀하게 조절해 동일한 구동 조건에서 효율 롤오프 거동을 비교한 결과, 상대적으로 깊은 HOMO 준위를 갖는 발광체를 적용한 소자가 고휘도 영역에서 효율 저하가 현저히 완화되는 안정적인 특성을 보이는 것을 확인했다.
또한 시분해 전기발광(Transient Electroluminescence) 측정을 통해, 깊은 HOMO 준위가 소자 내 전하 트래핑을 감소시켜 비방사성 손실을 억제하고 효율 롤오프를 줄이는 데 기여한다는 메커니즘을 규명했다. 이는 그동안 명확히 설명되지 않았던 HF-OLED 효율 저하의 원인을 에너지 준위 정렬 관점에서 정량적으로 설명한 성과로 평가된다.
이번 연구는 초형광 OLED에서 단순한 발광 효율 향상을 넘어, 고휘도에서도 안정적인 성능과 긴 수명을 확보하기 위한 분자 설계 및 소자 설계의 새로운 기준을 제시했다는 점에서 학문적·기술적 의의가 크다. 특히 청색 OLED 분야에서 효율과 수명을 동시에 만족시키기 위한 핵심 설계 전략을 제시함으로써 차세대 디스플레이 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.
김윤희 교수는 "이번 연구를 통해 초형광 OLED에서 최종 발광체의 HOMO 에너지 정렬이 효율 안정성에 얼마나 중요한 요소인지를 명확히 확인했다"며 "향후 고휘도에서도 성능 저하가 적은 차세대 청색 OLED 개발을 위한 중요한 설계 지침이 될 것"이라고 밝혔다.
이번 연구에는 경상국립대 이지은 박사(공동 제1저자, 현 삼성디스플레이), 이선정 연구원과 규슈대학교 슈가마 알탄쿠야그(Sugarmaa Altankhuyag) 연구원(공동 제1저자), 슌탕(Xun Tang) 조교수 등이 참여했다. 연구는 한국연구재단의 램프(G-LAMP) 사업과 글로벌형 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 '초형광 유기발광다이오드(HF-OLED)에서 최종 발광체가 효율 감소에 미치는 영향(Impact of Terminal Emitter on Efficiency Rolloff in Hyperfluorescent OLEDs)'이라는 제목으로 2025년 12월 31일 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다.
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이번 연구는 초형광 OLED의 최종 발광체(terminal emitter)에서 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위 정렬이 고휘도 구동 시 효율 저하와 소자 수명에 결정적인 영향을 미친다는 사실을 실험적으로 입증한 것으로, 청색 HF-OLED 상용화를 가로막아 온 기술적 난제를 해결할 중요한 단서를 제시했다.
초형광 OLED는 열 활성화 지연형광(TADF) 센시타이저와 형광 최종 발광체를 결합해 높은 외부양자효율(EQE)과 우수한 색 순도를 동시에 구현할 수 있는 차세대 OLED 기술로 주목받고 있다. 특히 다중 공명(Multiple Resonance, MR) 기반 TADF 발광체는 협대역 발광 특성으로 고색재현 청색 OLED 구현에 큰 가능성을 보여왔다. 그러나 고휘도 구동 환경에서 효율이 급격히 감소하는 '효율 롤오프'와 이에 따른 소자 수명 저하 문제가 지속적으로 제기되며 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.
연구팀은 이러한 문제의 원인을 규명하기 위해 광물리적 특성이 유사한 세 가지 청색 MR-TADF 기반 최종 발광체를 설계·합성하고, 이를 적용한 HF-OLED 소자의 성능을 체계적으로 비교 분석했다. 특히 최종 발광체의 HOMO 에너지 준위를 정밀하게 조절해 동일한 구동 조건에서 효율 롤오프 거동을 비교한 결과, 상대적으로 깊은 HOMO 준위를 갖는 발광체를 적용한 소자가 고휘도 영역에서 효율 저하가 현저히 완화되는 안정적인 특성을 보이는 것을 확인했다.
또한 시분해 전기발광(Transient Electroluminescence) 측정을 통해, 깊은 HOMO 준위가 소자 내 전하 트래핑을 감소시켜 비방사성 손실을 억제하고 효율 롤오프를 줄이는 데 기여한다는 메커니즘을 규명했다. 이는 그동안 명확히 설명되지 않았던 HF-OLED 효율 저하의 원인을 에너지 준위 정렬 관점에서 정량적으로 설명한 성과로 평가된다.
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이번 연구는 초형광 OLED에서 단순한 발광 효율 향상을 넘어, 고휘도에서도 안정적인 성능과 긴 수명을 확보하기 위한 분자 설계 및 소자 설계의 새로운 기준을 제시했다는 점에서 학문적·기술적 의의가 크다. 특히 청색 OLED 분야에서 효율과 수명을 동시에 만족시키기 위한 핵심 설계 전략을 제시함으로써 차세대 디스플레이 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.
김윤희 교수는 "이번 연구를 통해 초형광 OLED에서 최종 발광체의 HOMO 에너지 정렬이 효율 안정성에 얼마나 중요한 요소인지를 명확히 확인했다"며 "향후 고휘도에서도 성능 저하가 적은 차세대 청색 OLED 개발을 위한 중요한 설계 지침이 될 것"이라고 밝혔다.
이번 연구에는 경상국립대 이지은 박사(공동 제1저자, 현 삼성디스플레이), 이선정 연구원과 규슈대학교 슈가마 알탄쿠야그(Sugarmaa Altankhuyag) 연구원(공동 제1저자), 슌탕(Xun Tang) 조교수 등이 참여했다. 연구는 한국연구재단의 램프(G-LAMP) 사업과 글로벌형 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 '초형광 유기발광다이오드(HF-OLED)에서 최종 발광체가 효율 감소에 미치는 영향(Impact of Terminal Emitter on Efficiency Rolloff in Hyperfluorescent OLEDs)'이라는 제목으로 2025년 12월 31일 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다.
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