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값싼 절연체가 알고 보니 TV 화면 효율과 수명을 높이는 핵심 소재였다.

연세대는 이연진 물리학과 교수팀이 LG디스플레이와 협력해 대형 유기발광다이오드(OLED) TV 양산에 필수적인 핵심 소재 '마그네슘 플루오라이드(MgF₂)'의 작동 원리를 세계 최초로 규명했다고 15일 밝혔다.OLED는 전기를 흘리면 유기물로 된 발광층이 스스로 빛을 내는 자발광 디스플레이 기술이다.연구 결과는 재료 분야 세계적 권위 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난달 30일 게재됐다.

마그네슘 플루오라이드는 가격이 저렴하고 공정 안정성이 뛰어나 OLED 패널의 정공 주입층 소재로 널리 쓰여왔다.정공 주입층은 OLED에서 빛을 내는 데 필요한 양전하(정공)를 공급하는 역할을 한다.문제는 마그네슘 플루오라이드가 대표적인 절연체라는 점이었다.전기가 통하지 않는 물질이 어떻게 전하를 주입하는 층에서 성능 향상에 기여하는지 학계와 산업계 모두 10여 년간 명확한 설명을 내놓지 못했다.제조 현장에서는 원리를 모른 채 시행착오를 거듭하며 공정을 최적화해야 했다.

연구팀은 빛과 전자의 상호작용을 분석하는 광전자 분광법과 이론 계산을 결합해 마그네슘 플루오라이드와 유기물 반도체가 섞일 때 일어나는 현상을 분석했다.

분석 결과 절연체로 알려진 마그네슘 플루오라이드가 유기물 분자로부터 전자를 끌어오는 '바닥상태 전하 이동' 현상이 발생한다는 사실을 처음으로 밝혀냈다.마그네슘 플루오라이드가 강력한 p-형 첨가제로 작용해 정공 농도를 기존보다 50배 이상 증가시킨다는 점도 확인됐다.p-형 첨가제는 반도체에 양전하 운반체를 늘려주는 물질을 뜻한다.

연구팀은 마그네슘 플루오라이드가 유기물과 혼합될 때 규칙적인 결정 구조를 형성하지 않고 불규칙한 비정질 상태로 바뀐다는 점도 규명했다.비정질 상태에서는 물질 경계면의 에너지 장벽이 낮아져 전하가 더 쉽게 이동한다.정공 농도의 폭발적 증가와 경계면 장벽 제거가 동시에 일어나면서 OLED의 구동 전압을 낮추고 수명을 늘리는 원리가 설명됐다.

제1저자인 송기욱 연세대 박사과정 연구원(LG디스플레이 재직)은 "마그네슘 플루오라이드는 대형 OLED 양산의 핵심 소재지만 작동 원리가 명확히 규명되지 않았다"며 "소재 이해도가 높아진 만큼 고효율·장수명 패널 개발에 실제 도움이 될 것"이라고 말했다.

이연진 연세대 교수는 "절연체라고 여겨지던 물질이 효과적으로 전하를 늘려주는 작용을 한다는 물리학적 발견"이라며 "산업계에서 먼저 쓰이던 기술을 과학적으로 분석해 원리를 규명했고 기술 경쟁력을 높일 수 있는 선순환을 만들었다"고 밝혔다.

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