연세대 유영민 교수팀, 청색 OLEDs 발광 소자의 수명과 연관된 발광 소재 열화 메커니즘 규명

Nature Communication 게재

Professor Youngmin You’s research team at Yonsei University has unveiled the material degradation mechanism that affects the lifespan of blue OLED emitting devices.

연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 유영민 교수 연구팀이 청색 발광 OLED 소자의 수명 개선에 대한 중요한 단서를 제공하는 Multi-Resonance 타입의 열활성지연형광 (MR-TADF) 발광체 의 열화 메커니즘을 규명하였다.

유기 발광에 관한 수십 년간의 연구에서 가장 큰 과제는 고성능 청색 발광체의 개발과 유기 발광 소자의 수명 연장이다. 수많은 연구자들의 헌신적인 노력에도 불구하고, 고효율 청색 발광체의 수명 문제는 여전히 풀리지 않은 난제로 남아 있으며, 이는 향후 OLED 산업의 지속 가능성을 좌우할 중요한 과제이다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 유기 발광 소자 내에서 소재가 어떤 경로를 통해 열화되는지를 규명하는 것은 안정적인 물질을 설계하기 위한 핵심 아이디어를 제공하는 매우 중요한 연구 주제이다. 그러나, OLED 소자의 복잡한 구조와 소자 내 다양한 유기 전자 물질 간의 상호작용은 이러한 열화 경로를 규명하는 과정을 더욱 어렵게 만든다. 특히, 소자를 구성하는 여러 물질 중에서도 발광 재료는 OLED 소자의 핵심 역할을 수행하며, 소자 수명을 결정짓는 데 가장 중요한 영향을 미친다. 따라서, 발광 재료의 열화 메커니즘을 규명하는 것은 OLED 연구에 있어 필수적인 과제라 할 수 있다.

유영민 교수팀은 최근 상업화 기준을 충족하는 청색 발광 소재 중 하나인 MR-TADF 발광체의 열화 메커니즘을 규명하는 연구를 진행했다. MR-TADF 발광체는 보론과 질소 원자가 방향족 분자 구조 내에서 교차하며 존재하는 물질군으로, 양자점과 유사한 수준의 매우 뛰어난 색순도를 나타낸다. 이로 인해 Ultra-High Definition (UHD) 디스플레이의 색상 기준을 충족할 수 있는 고효율 OLED 발광체로 주목받아 왔다. 그러나 이러한 중요성과 높은 관심에도 불구하고, MR-TADF 물질의 열화 메커니즘에 대한 연구는 거의 이루어지지 않은 상태이다.

연세대 유영민 교수팀은 삼성전자 종합기술원과의 협업을 통해 청색 MR-TADF 발광체를 사용한 OLED의 수명과 소자내에서 받는 전력 스트레스에 의한 MR-TADF 물질의 산화성 라디칼 형성이 직접적인 연관이 있음을 밝혔다. 소자 구동을 모사하는 전기화학적 열화 실험을 통해서 유영민 교수팀은 열화된 발광체를 추출하여 구조를 규명했고, 이를 통해 MR-TADF 발광체가 산화성 라디칼 형성 이후 분자내 고리화 반응을 일으킨다는 것을 직접 관측했다.

유영민 교수팀은 KAIST 화학과 백무현 교수팀과의 공동 연구를 통해 청색 MR-TADF 발광체의 분자내 고리화의 반응 메커니즘을 규명하였고, 규명된 메커니즘을 통해서 청색 MR-TADF 분자의 고유 안정성을 높일 수 있는 새로운 분자 디자인 측면의 접근 방식을 제시하였다.

본 연구성과는 한국연구재단 (NRF) 의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 유영민 교수 연구팀의 전병학 박사 (제 1저자) 가 진행하였으며, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션 (Nature Communication, Impact Factor: 14.7)에 “The degradation mechanism of multi-resonance thermally activated delayed fluorescence materials” 라는 제목으로 게재됐다 (https://doi.org/10.1038/s41467-024-55620-0).

The research team led by Professor Youngmin You from the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University has identified the degradation mechanism of Multi-Resonance Thermally Activated Delayed Fluorescence (MR-TADF) emitters, providing critical insights into improving the lifespan of blue OLED devices.

Over decades of research on organic light emission, the primary challenges have been the development of high-performance blue emitters and the extension of the lifespan of organic light-emitting devices. Despite the dedicated efforts of numerous researchers, the lifespan issue of high-efficiency blue emitters remains an unresolved challenge, posing a critical task for ensuring the sustainable future of the OLED industry.

To address this issue, understanding the pathways through which materials degrade within OLED devices has become a crucial research topic, as it provides key insights for designing stable materials. However, the complex structure of OLED devices and the intricate interactions between various organic electronic materials within the devices make identifying degradation pathways particularly challenging. Among the materials comprising these devices, emitters play a pivotal role as the core component of OLEDs, significantly influencing their lifespan. Therefore, elucidating the degradation mechanism of emitter materials is an essential objective in OLED research.

The You group recently conducted a study to identify the degradation mechanism of MR-TADF emitters, one of the blue light-emitting materials that meet commercialization standards. MR-TADF emitters are a class of materials in which boron and nitrogen atoms intersect within aromatic molecular structures, exhibiting exceptionally high color purity comparable to that of quantum dots. This makes them highly regarded as efficient OLED emitters capable of meeting the color standards of Ultra-High Definition (UHD) displays. Despite their significance and widespread attention, research on the degradation mechanism of MR-TADF materials has been limited.

In collaboration with the Samsung Advanced Institute of Technology, Professor You’s team revealed that the lifespan of OLEDs using blue MR-TADF emitters is directly related to the formation of radical cation under oxidation induced by electrical stress within the device. Through electrochemical degradation experiments simulating device operation, the team extracted degraded byproduct, analyzed their structure, and directly observed that MR-TADF emitters undergo intramolecular cyclization reactions following the formation of radical cation.

Additionally, in a joint study with Professor Mu-Hyun Baik’s team from the Department of Chemistry at KAIST and Institute for Basic Science, the reaction mechanism of intramolecular cyclization in blue MR-TADF emitters is elucidated. Based on this mechanism, they proposed a new molecular design approach to enhance the intrinsic stability of blue MR-TADF molecules.

This research was conducted with the support of the Mid-Career Researcher Program funded by the National Research Foundation of Korea (NRF). The study, led by Dr. Byung Hak Jhun of the You group, was published in the international journal Nature Communications (Impact Factor: 14.7) under the title " The degradation mechanism of multi-resonance thermally activated delayed fluorescence materials (https://doi.org/10.1038/s41467-024-55620-0).