[더테크 뉴스] 서울대학교 공과대학은 재료공학부 이태우 교수 연구팀이 차세대 발광 소재인 금속할라이드 페로브스카이트의 한계를 극복한 세계 최고의 효율, 밝기, 수명을 동시에 만족하는 발광 소자를 개발했다고 10일 밝혔다.
이번 연구 결과는 세계 최고의 국제 학술지 ‘네이쳐 (Nature)’에 11월 9일자로 게재됐다.
현대 정보화 사회에서 디스플레이 산업은 적기 투자가 아주 중요한 산업으로 1990년대 당시에는 일본이 세계 시장 점유율 1위를 굳건히 지키고 있었음에도 불구하고 국내 디스플레이 기업들이 당시 신기술 디스플레이로 여겨지던 LCD 및 OLED 기술개발에 공격적으로 투자함으로써 현재의 디스플레이 세계시장 점유율 1위를 가져올 수 있었다. 반면 최근의 2020년도에는 중국 기업들이 정부의 전폭적인 지지를 받으며 성장세를 보여 시장 점유율 1위를 내 준 상황이다.
국내 디스플레이 기업들은 선도적인 기술을 보유한 OLED분야를 기점으로 해 시장 점유율을 일부 유지하고 있으나, 점점 줄어드는 기술 격차와 투자 규모의 차이로 인해 시장 점유율의 회복 전망은 매우 부정적으로 보여진다. 이에 현재 고해상도 및 고효율에 초점이 맞춰진 디스플레이를 넘어서는 차세대 디스플레이 기술에 대한 필요성이 대두되고 있다.
이러한 상황에서 이태우 교수 연구팀이 선도적으로 연구하고 있는 페로브스카이트 발광체 소재가 해답이 될 수 있을지 귀추가 주목된다. 페로브스카이트 발광체는 유/무기 원소, 중심금속, 그리고 할로겐 원소로 구성된 이온 결정 구조를 가진다.
이는 매우 뛰어난 색순도, 우수한 전기적 특성, 저렴한 소재 가격, 색조절이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점 덕분에 페로브스카이트 발광체는 초고선명 텔레비전, 가상현실 디스플레이 등의 구현을 위한 고색순도 발광을 구현할 수 있는 소재로써 각광받고 있다.
이태우 교수는 2015년 페로브스카이트 발광 소자의 효율을 1년 만에 0.1% 수준에서 8.53%로 끌어올려 ‘사이언스(Science)’지에 보고한 바 있으며, 이후 5년간의 연구를 통해 페로브스카이트 나노입자를 합성해 발광 소자의 효율을 23.4%로 높이는 등 연구분야를 선도해 왔다.
이번에는 발광 소자의 효율을 이론상 가능한 최대 수준인 28.9%로 끌어올리면서도, 가장 큰 한계점으로 꼽혀 왔던 페로브스카이트의 수명을 크게 끌어올려 약 3만시간에 달하는 세계 최고의 구동 수명을 보고했다. 이는 페로브스카이트 발광체가 상용화될 수 있는 수준의 우수한 차세대 디스플레이 소재라는 것을 보여줬다.
벌크 상태의 페로브스카이트 결정이 BPA 용액에 노출된 후 반응시간이 증가함에 따라, 페로브스카이트 결정이 점진적으로 쪼개지며 BPA 분자로 둘러싸여 10 나노미터 크기의 코어/쉘 구조 나노입자가 형성되는 것을 발견했다.
이는 특히 기존의 긴 절연성 리간드를 사용한 합성법과 달리 전하 주입을 방해하지 않아 벌크 상태의 우수한 전하 이동도를 유지하면서도, BPA 분자가 내부의 나노입자를 둘러싸는 코어쉘 구조를 형성해 매우 높은 내부 발광 효율을 구현했다.
특히 페로브스카이트 발광 다이오드는 세계적인 연구그룹의 노력에도 수년간 구동 수명이 수백 시간 이내 수준에 머물러, 상용화 불가능한 실험실 수준의 소재라 여겨지고 있었다. 이번 결과는 특히 이러한 안정성 측면에서 큰 한계가 작용했던 페로브스카이트 발광 다이오드가 상용화에 중요한 한 걸음을 내디딘 것으로 보여진다.
이태우 교수는 2014년부터 이 연구를 시작한 이후, 계속 해서 효율과 수명에서 신기록을 갱신하면서 주도권을 이어왔다. 이태우 교수는 또한 2014년도부터 페로브스카이트 발광체, 공정, 소자를 전반적으로 아우르는 지식재산권을 출원해 국제 등록까지 마친 상태다.
이태우 교수는 “페로브스카이트 나노 입자의 새로운 합성법을 고안함으로써 페로브스카이트 발광 다이오드의 발광 효율과 밝기, 수명을 한 번에 획기적으로 향상시킬 방안을 제시했다”며 "국내 디스플레이 업계의 미래를 책임질 수 있는 고색순도 디스플레이의 상용화를 크게 앞당기는 데에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
해당 연구는 서울대학교를 주축으로 영국 캠브리지 대학과 페롤레드 주식회사와 공동연구로 수행됐다.
