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| 김윤희 교수 국제공동연구팀. |
경상국립대학교 자연과학대학 화학과 김윤희 교수 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 유승협 교수, 일본 규슈대학교 치하야 아다치 교수 연구팀과의 국제공동연구를 통해 붕소계 다중 공명 기반 열 활성화 지연형광(MR-TADF) 소재를 개발하고, 이를 활용해 세계 최고 수준의 효율을 자랑하는 진청색 유기발광다이오드(OLED)를 구현하는 데 성공했다.
OLED 기술의 주요 과제 중 하나는 고효율과 긴 수명을 유지하면서도 색 순도가 높은 발광체를 구현하는 것이다.
특히 청색 OLED 소자는 그동안 효율, 수명, 색 순도라는 세 가지 요구를 동시에 만족시키는 데 어려움이 많았다.
이에 연구팀은 최근 각광받는 차세대 발광체인 붕소계 MR-TADF 소재를 활용해 새로운 가능성을 모색했다.
이 소재는 뛰어난 색 순도 구현의 장점이 있지만 최적의 특성을 구현하려면 분자구조를 매우 정밀하게 설계해야 한다.
이를 위해서는 수많은 시행착오를 통해 최적의 특성을 찾는 과정이 필요하다.
그러나 이 과정은 계산 화학의 도움에도 상당한 컴퓨팅 자원과 시간이 소요되며, 고난도의 소재 합성과 실험을 통한 최적화가 필요해 MR-TADF 연구의 큰 어려움으로 작용해 왔다.
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 머신러닝 기술을 도입했다.
머신러닝은 대량의 데이터를 빠르게 분석하고 최적의 패턴을 찾아내는 강력한 도구로, 최근 다양한 분야서 혁신을 일으키고 있다.
연구팀은 붕소계 MR-TADF 소재들이 유사한 화학구조로 되어 있다는 점에 착안해 QSPR(Quantitative Structure-Property Relationship) 모델링 기법을 적용했다.
QSPR 모델은 생물학, 화학, 공학 분야서 화학구조와 예측하고자 하는 물성 특성 간 관계를 정량적으로 분석하는 수학적 모델로, 연구팀은 이 기법을 통해 국제학술지(SCIE)에 보고된 400여개 이상의 MR-TADF 화학구조와 그들의 광 물리적 특성을 분석하고, 머신러닝을 활용해 최적의 예측 모델을 도출했다.
이를 통해 다양한 분자구조를 신속하게 평가하고, 최적의 광·물리적 특성을 가진 분자를 설계할 수 있게 됐다.
그 결과 연구팀은 ‘ν-DABNA-O-xy’라는 새로운 MR-TADF 분자를 개발했으며, 이를 적용한 진청색 OLED 소자는 최대 외부양자효율 41.3%를 기록하며 세계 최고 성능을 자랑한다.
이는 효율면에서 현재 상용화된 진청색 OLED 소자의 성능을 뛰어넘는 수준으로 OLED 기술의 상용화와 차세대 디스플레이 기술 발전에 중요하게 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 OLED 기술 발전에 중요하게 기여할 뿐만 아니라 넓은 색 영역의 디스플레이 구현을 위한 진청색 분자구조 설계에 있어 새로운 패러다임을 제시한 것으로 평가된다.
김윤희 교수는 “이번 연구를 통해 머신러닝을 활용한 OLED 분자구조 설계의 가능성을 확인했다”며,“이러한 접근법은 MR-TADF 소재뿐만 아니라 다양한 OLED 유기재료의 설계와 개발에도 중요한 기초자료가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 경상국립대학교 천형진 박사(현 김윤희 교수 연구실)와 규슈대학교 김형석 박사(현 삼성디스플레이)가 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단 램프(G-LAMP) 사업과 글로벌형 중견연구 등의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 ‘진청색 OLED 효율의 진보: 머신러닝 기반 다중 공명 TADF 분자 설계 탐구’라는 제목으로 지난달 22일 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다(논문 링크: DOI: 10.1126/sciadv.adr1326).
/이호상 기자
http://www.changwonilbo.com/news/314817
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