서울대-삼성전자, 딥블루 OLED 수명 4배 연장 메커니즘 규명

서울대학교 이재상 교수팀과 삼성전자 종합기술원(SAIT) 연구팀이 차세대 디스플레이의 핵심 기술인 ‘딥블루(Deep-Blue) OLED’의 수명을 늘릴 수 있는 중요한 소자 설계 원리를 규명했다. 이번 연구는 그동안 명확지 않았던 고효율 청색 소자의 열화 원인을 정량적으로 분석하고, 이를 바탕으로 수명이 대폭 향상된 소자를 구현했다는 점에서 의미가 크다.

현재 OLED 디스플레이 시장에서 녹색과 적색은 이미 고효율 인광(PH) 발광체를 사용하고 있지만, 청색 OLED만큼은 여전히 효율이 낮은 제1세대 형광 발광체에 머물러 있다. 고효율 청색 재료와 소자가 연구되고 있으나, 짧은 수명 문제로 인해 산업계의 요구 사항을 충족하는 데 어려움을 겪고 있다.

이에 대한 대안으로 거론되는 고효율 인광(PH) 및 열활성화지연형광(TADF) 발광체는 넓은 방출 스펙트럼으로 인해 색 순도가 떨어지는 단점이 있다. 딥블루 OLED의 효율, 안정성과 색순도를 동시에 확보하는 것이 OLED 산업의 오랜 숙원 과제로 남아있다.

서울대-삼성전자 연구팀은 유망한 대안인 PSF(Phosphor-Sensitized Fluorescence) 기술에 주목했다.

서울대와 삼성전자가 규명한 딥블루 OLED 소자 내의 엑시톤 에너지 전달 및 RISC 활성화 메커니즘 다이어그램

수명 연장의 핵심인 PSF 소자 내부의 에너지 전달 경로(FRET 우세)와 RISC 활성화 에너지 설계 원리 구조도
(출처: Advanced Optical Materials)

연구팀은 PSF 소자 내부의 복잡한 엑시톤 전달 과정을 파악하기 위해 극저온(135K) 분석과 모델링을 결합했고, 수명에 영향을 미치는 두 가지 핵심 요인을 찾아냈다.

첫째, 최종 발광체인 MR-TADF 소재의 ‘Reverse Intersystem Crossing (RISC)’ 활성화 에너지가 높을수록 소자 수명에 유리하다는 사실을 확인했다. 활성화 에너지가 높으면 분자 결합을 파괴할 수 있는 고에너지 엑시톤의 생성이 억제되어 소자의 내구성을 높이는 데 도움이 된다.

둘째, 에너지 전달 경로에서 ‘Dexter 전달’보다 ‘ Förster Resonance Energy Transfer (FRET) 전달’이 우세하도록 소자를 설계해야 수명이 연장됨을 입증했다. FRET 전달이 주도적인 환경에서는 발광체 내에 불필요한 삼중항 엑시톤이 축적되는 것을 막아 열화를 줄일 수 있다.

이러한 설계 원리를 적용하여 연구팀은 진청색 색좌표(CIE_y < 0.15)를 유지하면서도, 1,000니트(cd/m²) 휘도 기준 수명(T90) 141시간을 달성했다. 이는 최적화되지 않은 기존 비교 소자(35시간) 대비 약 4배 향상된 결과이다. 이번 연구는 그동안 소재적 한계로 여겨졌던 청색 OLED의 수명 문제를 소자 내부의 에너지 흐름 제어를 통해 개선할 수 있는 중요한 실마리를 제공했다는 점에서, 향후 딥블루 OLED 상용화를 위한 의미 있는 진전으로 평가받는다.

본 연구 결과는 재료 및 광학 분야의 저명 학술지인 ‘Advanced Optical Materials’ 2026년 최신호에 게재되었다 (Adv. Optical Mater. 2026, e03267).