경상국립대 김윤희 교수 연구팀, 색 순도 높은 청색 OLED 수명 늘리는 발광 소재 개발

- 화면이 더 선명하고 오래가는 파란빛 소재… 스마트폰·TV 수명 개선 기대

- 경희대 김태경 교수팀·삼성디스플레이와 공동 연구

 

경상국립대(총장 권진회) 자연과학대학 화학과 김윤희 교수 연구팀이 경희대 김태경 교수 연구팀, 삼성디스플레이와 공동으로 높은 색 순도와 향상된 효율·구동 안정성을 갖춘 청색 유기발광다이오드(OLED) 발광 소재 ‘TPh-BDBF’를 개발했다. 이 소재를 적용한 소자는 최대 외부양자효율(EQE) 28.4%를 기록했다.

차세대 고해상도 OLED 디스플레이를 구현하려면 선명한 색을 내면서 전력 소모를 줄이고, 장시간 구동해도 밝기를 유지하는 발광 소재가 필요하다. 다중공명 열활성화지연형광(MR-TADF) 소재는 발광 스펙트럼의 폭이 좁아 높은 색 순도를 구현할 수 있다. 하지만 평면적인 분자 구조 때문에 분자끼리 강하게 상호작용하기 쉽다. 이로 인해 발광체 농도가 높아지면 빛을 내는 효율이 떨어지는 ‘농도 소광’이 생기고, 전하가 발광체에 갇히는 정공 포획과 불필요한 에너지 전달이 소자 수명을 제한해 왔다.

연구팀은 이 문제를 줄이기 위해 디벤조퓨란(DBF) 골격과 부피가 큰 오르토터페닐 아민 치환기를 결합한 TPh-BDBF를 설계·합성했다. 발광 중심부의 전자 구조를 조절하는 동시에, 크게 뒤틀린 주변 치환기가 발광 부위를 입체적으로 보호하도록 한 것이다. 단결정 구조 분석과 분자 동역학 모사에서는 주변 치환기가 발광 중심부끼리 가까이 접근하는 것을 억제하는 구조적 특징을 확인했다. 소자 측정과 에너지 전달 분석에서도 비교 소재 t-DABNA에 비해 정공 포획과 단거리 덱스터(Dexter) 에너지 전달이 억제되는 결과를 얻었다.

그 결과 TPh-BDBF를 적용한 열활성화지연형광(TADF) OLED는 발광체를 5중량% 첨가한 조건에서 최대 외부양자효율 28.4%를 기록했다. 같은 농도의 t-DABNA 소자(18.0%)보다 높은 수치다. 발광체 농도를 1중량%에서 5중량%로 높여도 발광 반치폭(FWHM)은 약 22 nm로 좁게 유지돼, 농도 증가에 따른 스펙트럼 확산을 억제하고 청색의 색 순도를 지켰다. 용액 상태에서는 발광 파장 460 nm, 반치폭 18 nm의 청색 발광을 나타냈다.

구동 안정성도 검증했다. 연구팀은 인광 감응제가 에너지를 전달하고 TPh-BDBF가 최종적으로 빛을 내는 인광 감응 형광(PSF, phosphor-sensitized fluorescence) 소자에 이 소재를 적용했다. 발광체 1중량% 조건의 PSF 소자는 최대 외부양자효율 27.0%, CIE 색좌표 약 (0.13, 0.11)을 구현했다. 초기 휘도 1,000 cd/m²에서 밝기가 초기값의 80%로 줄어들 때까지의 시간(LT80)은 53.1시간으로, 같은 조건에서 측정한 t-DABNA 소자(17.5시간)보다 약 3배 길었다.

이번 연구는 청색 MR-TADF 발광체의 분자 구조를 조절해 색 순도를 유지하면서, 수명에 악영향을 주는 직접적 전하 포획과 불필요한 에너지 전달을 줄일 수 있음을 보여줬다. 분자 주변의 입체적 보호 구조가 발광 효율과 소자 안정성 개선에 기여할 수 있다는 설계 방향을 제시했다는 데 의미가 있다.

이번 연구는 한국연구재단과 한국산업기술기획평가원(KEIT)을 통한 연구과제 및 삼성디스플레이의 지원으로 수행됐으며, 그 결과는 「A Design Strategy for Blue MR-TADF Emitter with Long Lifetime and High Color Purity: Deactivated Hole Trapping and Dexter Energy Transfer Pathway by Highly Twisted Substitution」(공동 제1저자 천형진·황지훈)이라는 제목으로 엘스비어(Elsevier)가 발행하는 국제학술지 《Chemical Engineering Journal》(IF 12.5, JCR 공학·화학 분야 상위 6.8%, 2025 JCR 기준)에 게재됐다.

 

■ 논문 정보

·논문명: A Design Strategy for Blue MR-TADF Emitter with Long Lifetime and High Color Purity: Deactivated Hole Trapping and Dexter Energy Transfer Pathway by Highly Twisted Substitution

·Journal Link(DOI): https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.183041  

 

·사진 설명: 김윤희 교수 연구팀(왼쪽부터 김태경 경희대 화학공학과 교수·김윤희 경상국립대 화학과 교수)

·내용 문의: 화학과 김윤희 교수 | 055-772-1491 | ykim@gnu.ac.kr