물리·반도체과학부

- 차세대 백색광원 소자 개발 위한 연구 결과 제시
- 류승윤 교수, “OLED 시장 확대 및 조명 기술에서 응용 가능한 통찰 제시”
- 소재·물리광학 분야 저명 국제 학술지 「Advanced Optical Materials」 게재

동국대 물리학과 류승윤 교수 연구팀(류승윤 교수, 이창민 박사)과 고려대 신소재화학과 김철훈 교수 연구팀(김철훈 교수, 이형주 박사과정생)은 차세대 백색광원 유기전계발광소자(Organic Light-Emitting Diodes; OLEDs) 개발을 위해 정공 수송층(hole transport layer; HTL) 및 전자 수송층(electron transport layer; ETL) 기반 엑서플렉스(Exciplex) 엑시톤(Exciton)의 생성 원인을 분석하고, 이를 이용한 백색 광원용 White OLEDs(WOLEDs) 소자 연구 결과를 제시했다.

최근 산업계에서는 엑서플렉스 및 일렉트로플렉스(Electroplex) 기반 OLEDs에 대한 관심이 증가하고 있다. 다층 구조인 OLED 및 WOLED의 발광 과정에서 중요한 역할을 하는 엑서플렉스는 이종-분자 집합체 내에서 반대 전하를 띠는 운반체들 사이의 상호작용으로 형성된다. 전기장을 필요로 하는 일렉트로머(Electromer) 및 일렉트로플렉스는 이들 발광 소자에서 새로운 발광 경로를 제공한다.

연구팀은 정공 수송 물질인 TAPC와 두 개의 전자 수송 물질인 TPBi 및 TmPyPB로 구성된 WOLEDs를 연구했다고 밝혔다. 해당 소자는 저전압에서 스카이 블루 및 오렌지 엑시플렉스 발광을, 고전압에서 옐로우 일렉트로머 발광을 나타내는 독특한 특성을 보인다. 연구 결과에 따르면, TPBi는 상대적으로 뒤틀림 변화가 적고 평면적인 분자 구조를 통해 강하게 결합된 엑서플렉스 형성을 촉진했으며, TmPyPB는 유연하고 비평면적인 구조로 인해 느슨하게 결합된 엑시플렉스 형성을 유도했다.

또한, 연구팀은 WOLED 박막 소자의 초고속 시간-분해 광발광 스펙트럼을 측정하고 다차원 케모메트릭 분석(Chemometrics)을 통해 OLED 소자 내 엑시톤 동역학 변화에 대한 정보를 얻었다고 강조했다. 또한, 백색광 발생의 근본적 메커니즘에 대한 단서를 얻을 수 있었다고 연구팀은 덧붙였다.

류승윤 교수는 “이번 연구를 통해 '박막 내 분자 간 상호작용 크기'와 '엑시톤 동력학 변화'의 상관관계가 백색 발광 특성에 미치는 영향을 상세히 규명하고, OLED 재료의 분자 동역학에 대한 이해를 높였다"라며 "OLED 시장 확대와 설계 및 최적화 등 조명 기술에서의 광범위한 응용에 중요한 통찰을 제공할 것"이라고 전했다.

한편, 해당 연구는 한국연구재단과 삼성디스플레이의 지원으로 수행되었으며, <Exploring the Origin of White Emission in TAPC: Electron Transport Layer Based Exciplex Devices>라는 제목으로 소재·물리광학 분야 저명 국제 학술지 「Advanced Optical Materials (IF=8.0)」 2025년 2월 9일에 온라인 게재됐다.