아주대·미시간대·서울대 공동 연구팀, 희귀 금속 없는 '고속 유기 인광' 분자 설계 원리 제시
국제 공동 연구진이 고가의 희귀 금속을 사용하지 않고도 마이크로초(μs) 수준의 빠른 청색 상온 인광을 구현할 수 있는 유기 인광 소재 설계 원리를 새롭게 제시했다. 이번 연구는 차세대 유기발광다이오드(OLED)와 바이오 이미징 등 다양한 첨단 분야의 기술적 한계를 극복할 대안으로 기대를 모으고 있다.
9일 아주대학교에 따르면, 아주대 허정무 교수(응용화학과·대학원 분자과학기술학과)가 미국 미시간대 김진상 교수, 서울대 권민상 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구는 화학 분야의 국제 학술지 '앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)'에 게재됐다.
디스플레이 분야에서 인광 소재는 매우 중요하다. OLED에 전기를 흘릴 때 발생하는 들뜬 에너지의 약 75%에 달하는 '삼중항' 상태를 빛으로 활용할 수 있게 해주기 때문이다. 현재 상용화된 OLED 발광 소재에는 이리듐 같은 귀금속이 쓰이고 있다. 무거운 금속 원자가 스핀-궤도 결합을 일으켜 삼중항 발광을 빠르게 유도하기 때문이다. 그러나 이리듐은 희귀하고 값이 비쌀 뿐만 아니라 독성과 안정성 면에서 한계가 있으며, 특히 에너지가 높은 청색 인광 구현은 안정성 확보가 가장 까다로운 분야로 꼽혀왔다.
반면 금속 없이 유기 분자로만 이뤄진 순수 유기 인광체는 대안으로 주목받았으나, 무거운 금속이 없어 빛이 나오는 속도가 밀리초(ms)에서 수초 이상으로 느리다는 치명적인 문제가 있었다. 느린 인광 속도는 디스플레이에서 잔상을 남기고 효율 저하를 유발한다.
공동 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 분자 내 ‘카보닐기(C=O)’의 비틀린 ‘방향’에 주목했다. 연구팀은 두 개의 카보닐 팔이 같은 방향으로 비틀릴 때 대칭성이 깨지며 스핀-궤도 결합이 수백 배 커져 빛이 훨씬 빠르게 방출된다는 점을 규명했다. 이를 ‘방향성 카보닐 배향(DCO)’ 개념으로 정립했다.
나아가 연구팀은 결정 속에서 유리한 분자 모양을 구조 자체에 고정하기 위해 테레프탈산 단위를 고리처럼 연결한 새 분자(CyclicBrTPA)를 설계했다. 이 분자를 투명 플라스틱 아크릴 수지(PMMA) 필름에 0.01~1% 소량 혼합하자, 결정 상태가 아님에도 수명이 약 12마이크로초인 빠른 청색 인광이 구현됐다.
이번 성과는 희귀 금속 의존도를 낮춰 OLED 원가와 공급망 부담을 덜고, 배경 빛이 사라진 직후의 신호를 포착해 더 선명한 영상을 얻는 바이오 이미징이나 휘어지는 디스플레이, 위조 방지 표지 등의 인쇄 공정 응용 가능성을 넓힐 것으로 전망된다. 연구팀은 향후 소자 적용을 위해 발광 효율을 더 높이는 후속 연구를 이어갈 계획이다.
