연세대 이연진 교수팀, LG디스플레이와 대형 OLED TV 핵심 소재 작동 원리 규명
- 단순 절연체로 여겨지던 ‘마그네슘 플루오라이드’가 고효율 p-도펀트임을 입증 -
- 산업계 10여 년 숙제였던 ‘작동 메커니즘 미스터리’ 해결 -
- 연구 성과, 세계적 권위 학술지 Advanced Functional Materials 게재 -
연세대학교 물리학과 이연진 교수 연구팀이 LG디스플레이와의 협력을 통해 대형 OLED TV 양산에 필수적으로 사용되는 핵심 소재 ‘마그네슘 플루오라이드(MgF₂)’의 실제 작동 원리를 세계 최초로 규명했다.
이번 연구는 산업계에서 오랫동안 풀리지 않았던 근본적 의문을 해결한 성과로 평가받으며, 재료 분야 세계적 권위지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 18.5)’에 게재됐다.
마그네슘 플루오라이드는 비용이 저렴하고 공정 안정성이 뛰어나 OLED 패널의 정공 주입층 소재로 널리 사용됐다. 그러나 마그네슘 플루오라이드는 대표적인 절연체로 알려져 있어, 전하를 주입해야 하는 정공 주입층에서 어떻게 성능 향상에 기여하는지에 대해서는 학계와 산업계 모두 명확한 설명을 제시하지 못했다. 이 때문에 제조 현장에서는 원리를 모른 채 시행착오를 거듭하며 공정을 최적화해야 하는 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 광전자 분광 분석과 이론 계산을 결합해 마그네슘 플루오라이드와 유기물 반도체가 섞일 때 일어나는 상호작용을 분석했다. 그 결과, 절연체로 알려진 마그네슘 플루오라이드가 유기물 분자로부터 전자를 끌어오는 ‘바닥상태 전하 이동’ 현상이 발생한다는 사실을 처음으로 밝혀냈다. 이 과정에서 마그네슘 플루오라이드는 강력한 p-형 도펀트로 작용해 정공 농도를 기존보다 50배 이상 증가시키며, 이는 OLED 효율을 크게 높이는 핵심 요소임이 확인됐다.
연구팀은 또한 마그네슘 플루오라이드가 유기물과 혼합될 때 결정 구조가 형성되지 않고 비정질 상태로 바뀐다는 점도 규명했다. 이러한 구조 변화는 계면에서 발생하는 에너지 장벽을 억제해 낮은 전압에서도 전하가 더 쉽게 이동하도록 만든다. 즉, 정공 농도의 폭발적 증가와 계면 장벽의 제거가 동시에 일어나며 OLED의 구동 전압을 낮추고 수명을 크게 늘리는 메커니즘이 완전히 설명됐다.
이번 연구는 학문적 성과를 넘어, 연세대의 분석 역량과 LG디스플레이의 현장 노하우가 결합한 모범적 산학협력 사례라는 점에서도 의미가 있다.
제1저자인 송기욱 연세대 박사과정 연구원(LG디스플레이 재직)은 “마그네슘 플루오라이드는 대형 OLED 양산의 핵심 소재지만 작동 원리가 명확히 규명되지 않은 부분이 있었다”며 “이번 연구를 통해 소재 이해도가 높아진 만큼, 고효율·장수명 패널 개발에 실제 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이연진 연세대 교수는 “절연체라고 여겨지던 물질이 효과적인 도핑 작용을 한다는 사실을 확인한 물리학적 발견”이라며 “산업계에서 먼저 쓰이던 기술을 과학적으로 분석해 원리를 규명했고, 이를 다시 산업에 되돌려 기술 경쟁력을 높일 수 있는 선순환을 만들었다는 데 큰 의미가 있다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.
붙임 1. 연구진 사진 1장.
2. 연구 모식도 1장. 끝.
(사진 설명)
1. (왼쪽부터) 연세대 송기욱 박사과정생(제1저자), 연세대 이연진 교수(교신저자)
2. MgF2를 사용한 OLED의 구조: p-type 도핑 효과와 그에 동반하는 전하 운반체(정공) 밀도의 증가를 보여주고 있다.
(논문 정보)
1. 논문제목: “Ground-State Charge Transfer in MgF2-Organic Composites: A Universal Mechanism for a High-Performance Hole Injection Layer in OLEDs”, Adv. Funct. Mater. 2025, e25568
2. 논문주소: https://doi.org/10.1002/adfm.202525568