[경남도민뉴스=구인애 기자] 경상국립대학교 자연과학대학 화학과 김윤희 교수 연구팀이 일본 규슈대학교 치하야 아다치(Chihaya Adachi) 교수 연구팀과의 국제 공동 연구를 통해 초형광 유기발광다이오드(HF-OLED)에서 효율 롤오프(efficiency rolloff)를 좌우하는 핵심 인자인 최종 발광체(terminal emitter)의 HOMO 에너지 준위 정렬 효과를 규명하는 데 성공했다.

 

초형광(HF) OLED는 열 활성화 지연형광(TADF) 센시타이저와 형광 최종 발광체를 결합함으로써, 높은 외부양자효율(EQE)과 우수한 색 순도를 동시에 구현할 수 있는 차세대 OLED 기술로 주목받고 있다.

 

특히, 다중 공명(MR, Multiple Resonance) 기반 TADF 최종 발광 분자는 협대역 발광 특성으로 인해 청색 OLED 응용에서 큰 가능성을 보여 왔다.

 

그러나 고휘도 구동 시 효율 저하가 빠르게 발생하며 이에 따른 소자 수명 저하 문제가 지속적으로 제기됐고, 이는 청색 HF-OLED의 실질적인 상용화를 가로막는 주요 걸림돌이었다.

 

연구팀은 이러한 문제의 근본 원인을 규명하기 위해, 광물리적 특성이 유사한 세 가지 청색 MR-TADF 기반 최종 발광체를 개발하고 이를 적용한 HF-OLED 소자특성을 체계적으로 비교 분석했다.

 

최종 발광체의 HOMO 에너지 정렬을 조절하여 동일한 구동 조건에서 HF-OLED 소자의 효율 롤오프 변화를 비교한 결과, 상대적으로 깊은 HOMO 준위를 갖는 소재 기반 소자는 고휘도에서 효율 저하가 완화된 안정적인 성능을 보인다는 것을 확인했다.

 

시분해 전기발광(Transient electroluminescence) 측정을 통해 깊은 HOMO 준위가 전하 트래핑을 줄여 효율 저하 감소에 기여함을 규명했다.

 

이번 연구는 초형광(HF) OLED에서 효율 롤오프를 억제하기 위한 분자 설계 및 소자 설계의 새로운 기준을 제시한 것으로 평가된다.

 

특히, 단순한 발광 특성 비교를 넘어, 에너지 준위 정렬 관점에서 최종 발광체의 역할을 정량적으로 규명함으로써 안정적인 고효율 청색 OLED 개발을 위한 핵심 설계 전략을 제시했다는 점에서 큰 의의를 가진다.

 

김윤희 교수는 “이번 연구로 초형광(HF) OLED에서 최종 발광체의 HOMO 에너지 정렬이 효율 안정성에 얼마나 중요한지를 명확히 확인할 수 있었다.”라며 “이번 연구 결과는 향후 고휘도에서도 안정적인 성능을 유지하는 차세대 청색 OLED 개발에 중요한 설계 지침이 될 것”이라고 밝혔다.

 

이번 연구는 경상국립대학교의 이지은(공동 제1저자, 현 삼성디스플레이), 이선정 연구원과 규슈대학교의 슈가마 알탄쿠야그(Sugarmaa Altankhuyag, 공동 제1저자) 연구원과 슌탕(Xun Tang, 조교수) 등이 참여했으며, 한국연구재단 램프(G-LAMP) 사업과 글로벌형 중견 연구 등의 지원을 받아 수행했다.

 

연구 결과는 ‘초형광 유기발광다이오드(HF-OLED)에서 최종 발광체가 효율 감소에 미치는 영향(Impact of Terminal Emitter on Efficiency Rolloff in Hyperfescent OLEDs)’이라는 제목으로 2025년 12월 31일 국제학술지 《어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)》에 게재됐다(논문 링크: DOI: 10.1002/adfm.202526316).