29. 새로운 개념의 TADF 도판트 등장 - 붕소 화합물 (2) 단점편

지난 글은 붕소 화합물 TADF 재료의 장점편이었습니다.

29. 새로운 개념의 TADF 도판트 등장 - 붕소 화합물 (1) 장점편

눈부신 장점에도 불구하고 치명적인 단점을 지닌 붕소 화합물 TADF 재료

지난 시간에 보론(붕소) TADF 재료의 장점에 대해 알아보았습니다. 다시한번 보론 TADF 재료의 핵심적인 특징을 정리 해보자면 아래와 같습니다.

보론(붕소, B) TADF 재료의 특징

1. 다중공명효과(Multiple resonance effect)를 이용하여 고정된 분자구조에서 HOMO LUMO를 파동적으로 분리시킬 수 있다.

2. 파동적으로 분리된 HOMO LUMO에 의해 비교적 낮은 ΔEst를 갖는다.

3. 공간적인 HOMO LUMO 분리를 하지 않기 때문에 HOMO LUMO의 공간적인 중첩이 커져서 진동자강도(Oscillator strength, f)가 커져서 높은 PLQY(PhotoLuminescence Quantum Yield)를 가진다.

보론 TADF 재료는 위 세가지 특징으로 인하여 TADF가 가진 단점인 넓은 EL 스펙트럼 반치폭과 효율에서 인광재료에 버금가는 좋은 특성을 보여줍니다. 인광재료들과 다르게 희귀금속도 쓰이지 않기 때문에 저렴하게 만들 수 있는 데다가 기존 TADF 재료 단점까지 상쇄해버리는 특징 때문에 정말 주목 받는 발광 도판트 후보였습니다.

그러나 아직까지도 이 보론 TADF 도판트 재료는 양산 문턱에 조차 가지 못하고 있습니다. 재료가 되었건 제품이 되었건 혁신적인 특성개선이 있었는데도 이전 세대의 제품을 대체하지 못했다는 것은 무엇인가 큰 단점이 존재할 가능성이 매우 높습니다. 보론 TADF 재료도 이 경우에 속합니다.

사진1. 대표적인 TADF 재료 두가지의 HOMO-LUMO orbital 비교

위 사진1을 보면 이 단점이 어디서 기인하는지 잘 알수있습니다. 도너와 어쎕터가 공간적으로 분리되어 있는 4CzIPN같은 DA type TADF 도판트는 HOMO-LUMO 오비탈도 마찬가지로 도너와 어셉터같이 잘 나누어서 형성됨을 알 수 있습니다. 그러나 다중공명효과(Multiple resonance effect, MRE)를 이용한 DABNA-1 같은 경우에는 도너 어셉터 구분이 따로 없고 공간적인 HOMO-LUMO 분리를 하지 않으니 HOMO-LUMO 오비탈이 같은 공간내에 혼재되어 나타남을 알 수 있습니다.

이러한 HOMO-LUMO 겹침도(HOMO-LUMO Overlap level)가 큰 재료는 두가지 특징을 갖습니다. 

1. 큰 ΔEst

2. 큰 진동자강도(Oscillator strength, f)

여기서 잘 보아야 할 것은 큰 ΔEst입니다. 좋은 TADF재료의 조건은 이 ΔEst가 작아야한다는 전제조건이 있습니다. 그래야만 삼중항에서 단일항 상태로 여기자(Exciton)가 역계간전이(Reverse Inter System Crossing) 하기 수월해 지기 때문입니다.

그런데 MRE type의 재료는 ΔEst를 낮게 가져갈 수가 없습니다. 논문에 제시된 DABNA-1의 ΔEst 값은 0.2eV입니다. TADF 재료치고는 상당히 높은편(보통 0.1eV이하)에 속합니다. 사실 효과적으로 지연형광이 나오는 것 자체가 의문이 드는 수치입니다만 아무튼 실험결과로는 발광효율이 굉장히 높기 때문에 또 지연형광이 이루어지는 것은 사실입니다. (이것이 의문이었는지 따로 이 DABNA-1이 지연형광이 나타나는 이유에 대해서 연구한 논문도 있습니다.)

두번째로 큰 진동자강도에 의한 발광효율 증가는 발광 도판트로서는 분명히 좋은 현상입니다. 이렇게 한가지를 얻으면 한가지를 잃는 Trade off 상태의 두 재료의 특성을 가지고 TADF 재료를 개발하는 입장이라면 무엇을 더 선호해야할까요. 

1. DA type : 

낮은 ΔEst > 수명증가

낮은 진동자강도 > 효율저하

넓은 반치폭 > 색순도 저하

2. MRE type :

큰 ΔEst > 수명저하

큰 진동자강도 > 효율상승

작은 반치폭 > 색순도 증가

두 재료의 장점만 취한다면 가장 이상적이겠지만 세상사가 다 그렇듯 인생이 쉽지가 않습니다. 가장 큰 라이벌인 인광 도판트의 범용적인 성능에 맞서려면 어느하나 포기할 수 없는 특성들이기 때문에 TADF는 1세대 DA, 2세대 MRE의 특징을 모두 합친 새로운 형태의 도판트 재발이 필요한 상태입니다. 

현재까지의 DA, MRE 형태의 TADF 개발에 있어서 걸림돌이 된 사항들을 잘 살펴보면 차세대 TADF 재료의 개발 방향은 정해져 있습니다. 그러나 이를 구현하는 이상적인 형태의 구조를 찾는 것이 역시 가장 걸림돌이라 할 수 있습니다. QLED, Micro LED 등 차세대 디스플레이들의 추격 속도가 빠르기 때문에 OLED가 가진 시간은 많지 않습니다. 부지런히 일선 관계자들이 연구를 서둘러야 할 때 같습니다.