차세대 디스플레이 소재로 주목받는 페로브스카이트의 발광 효율과 색 선명도를 세계 최고 수준으로 끌어올린 기술이 개발됐다. 제조 과정에서 고르게 형성되지 않던 페로브스카이트 결정을 균일하게 제어해 초고해상도 디스플레이 상용화 가능성을 높였다는 평가가 나온다.
서울대 공과대학은 이태우 재료공학부 교수와 사무엘 D 스트랭크스 영국 케임브리지대 교수 공동연구팀이 진공 증착 방식의 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)를 개발했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 나노 기술 분야 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 게재됐다.
페로브스카이트는 색을 또렷하게 표현할 수 있고 재료비가 비교적 낮아 유기발광다이오드(OLED)를 이을 차세대 디스플레이 소재로 꼽힌다. 특히 기존 OLED 생산에 쓰이는 진공 증착 공정과 함께 사용할 수 있어 상용화 가능성이 크다. 진공 증착은 재료를 기체 상태로 만든 뒤 기판 위에 아주 얇은 막으로 입히는 방식이다.
다만 페로브스카이트는 제조 과정에서 결정이 고르게 형성되지 않는 한계가 있었다. 결정이 제각각 자라면 발광층 표면이 울퉁불퉁해지고 이로 인해 빛을 내는 효율과 색 선명도가 떨어진다. 디스플레이 소재로 활용하기 위해서는 결정 구조를 균일하게 만드는 기술이 필요했다.
연구팀은 결정이 무질서하게 자라는 것을 막기 위해 ‘X-타입 스페이서 유기 분자’라고 불리는 새로운 유기 분자를 도입했다. 이 분자는 페로브스카이트가 만들어지는 과정에서 납 이온과 결합해 결정이 안정적인 구조로 자라도록 돕는다. 결정이 아무렇게나 생기지 않도록 성장 방향을 잡아주는 역할을 하는 것이다.
또한 연구팀은 결정이 일정하게 배열되도록 돕는 ㎚(나노미터·10억분의 1m) 크기의 구조체도 함께 만들었다. ‘이종 스캐폴드’라고 불리는 이 구조체는 서로 다른 두 물질을 결합해 만든 일종의 틀이다. 스캐폴드는 원래 건축 현장에서 쓰는 비계나 지지대를 뜻하는 말로 이번 연구에서는 페로브스카이트 결정이 고르게 자랄 수 있도록 받쳐주는 역할을 했다.
이를 통해 연구팀은 결정 구조가 균일하게 형성된 고품질 박막을 개발했다. 이 박막을 적용한 PeLED는 발광 효율을 나타내는 외부양자효율 21.9%, 색의 선명도를 보여주는 발광 선폭 16.8㎚를 달성했다. 이는 진공 증착 방식 PeLED 가운데 세계 최고 수준의 성능이다.
연구팀은 또 이번 PeLED가 대면적 기판과 유연 기판, 패턴화 공정에서도 구현될 수 있음을 확인했다. 실제 디스플레이 생산 공정에 적용될 수 있는 가능성을 보여준 셈이다.
산업적 의미도 크다. 이번 기술은 현재 OLED 제작에 활용되는 증착 공정과 호환성이 높아 상용화에 유리하다. 생산 비용도 액정표시장치(LCD)에서 OLED로 전환할 때보다 적게 들 것으로 기대된다. 무엇보다 초소형 픽셀에서도 밝고 선명한 빛을 낼 수 있어 초고해상도 디스플레이와 증강현실(AR)·가상현실(VR)용 마이크로디스플레이 등 차세대 디스플레이 개발에 활용될 것으로 전망된다.
이 교수는 “세계 최고 수준의 고효율·고색순도 페로브스카이트 발광 소자를 구현했다”며 “향후 초고해상도 디스플레이와 AR·VR용 마이크로디스플레이의 실용화를 앞당기는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.