세계 최고 효율 대면적 페로브스카이트 발광 다이오드 개발

공동 연구팀이 개발한 대면적 코팅법의 메커니즘(왼쪽), 페로브스카이트 발광 다이오드의 발광 효율 및 대면적 발광 소자 이미지. (자료제공: 서울대)

서울대학교 공과대학(학장직무대리 송준호)은 재료공학부 이태우 교수 연구팀이 차세대 발광 소재인 금속 할라이드 페로브스카이트를 이용하여 세계 최고 효율의 대면적 발광 소자를 개발했다고 지난달 18일 밝혔다.
유기원소, 금속, 할로겐 원소로 구성되어 있는 페로브스카이트 발광체는 현재 디스플레이소재로 사용 중인 양자점(Quantum dot)이나 유기 발광소재에 비해 소재 비용이 저렴하고, 색 조절의 용이성 및 색순도가 뛰어나다는 장점이 있어 기존 발광소재를 대체하는 차세대 디스플레이 소재로 각광 받고 있다. 특히, 페로브스카이트 발광체는 현존하는 발광체 중에서 유일하게 초고선명 텔레비전(Ultra-High-Definition Television; UHD-TV) 색표준인 REC. 2020을 만족하는 고색순도 발광 소재로 차세대 디스플레이 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대된다.
이태우 교수는 페로브스카이트 발광소재 및 소자 분야의 세계적인 전문가로서, 2014년에 세계 최초 상온에서 구동하는 가시광 영역 다색 발광 다이오드(LED)를 개발한 이후로, 2015년에는 세계 최초로 발광 효율 8.53%의 고효율 페로브스카이트 발광 소자를 사이언스(Science)지에 보고하며 페로브스카이트 발광 소자의 상용화 가능성을 보였다.
2021년에는 세계 최고 발광 효율인 23.4%의 고효율 페로브스카이트 발광 소자를 네이처 포토닉스(Nature Photonics)지에 보고하는 등 페로브스카이트 발광 소재 및 소자 분야의 연구를 선도하고 있다.
이에 이태우 교수 연구팀은 대면적에서 높은 효율 및 재현성을 갖는 대면적 페로브스카이트 발광 소자를 성공적으로 제작하여 페로브스카이트 발광 재료의 상용화 가능성을 크게 향상시킴과 동시에 다양한 분야로의 적용 가능성을 제시하였다.
대표적인 페로브스카이트 발광소재의 형태 중 하나로서 벌크 페로브스카이트 다결정(bulk perovskite polycrystal) 기반 발광소자는 스핀코팅법과 같은 저비용의 용액공정을 통해서 고효율의 발광소자를 제작할 수 있는 장점이 있으나, 벌크 다결정은 박막 형성시에 페로브스카이트 전구체(precursor)로부터 결정을 성장시키는 과정을 포함하기 때문에 박막 형성시의 주변환경(수분, 산소 등)에 의해 크게 영향 받아 재현성이 떨어지는 문제가 있다. 또한 벌크 페로브스카이트 다결정 발광 다이오드 연구에서 박막 형성 과정에 주로 사용되는 스핀코팅법은 대면적 코팅에 적용하기에 한계가 있으며, 특히 고효율 발광소자를 위해 작고 균일한 결정 성장이 필요한데, 대면적 박막 형성시에 이를 위한 나노결정고정화공정(nanocrystal pinning) 등의 공정을 적용하기 어렵기 때문에 벌크 다결정 페로브스카이트 박막 기반 대면적 발광 다이오드 연구의 경우 작은 크기의 단위 소자와 대면적 소자의 효율 차이가 크게 발생하였다.
이태우 교수 연구팀은 페로브스카이트를 수 나노미터(10억분의 1m) 크기를 갖는 나노입자 형태로 제조하여 기존 연구의 한계를 극복 방안을 제시하였다. 페로브스카이트 나노입자는 여기자를 나노 입자 내부에 가두어 매우 높은 발광 효율(>90%)을 가짐과 동시에 페로브스카이트 결정화 과정과 박막 형성 과정을 분리시킬 수 있어 벌크 다결정체와는 달리 박막 형성시 주변 환경에 크게 영향을 받지 않아 높은 재현성을 확보할 수 있었다. 또한 연구팀은 기존 스핀코팅을 대체할 수 있는 용매를 빠르게 증발시키는 과정을 포함하는 새로운 대면적 코팅 방법(m-bar coating)을 개발함으로써, 대면적에서도 작고 균일한 페로브스카이트 박막을 형성하는데 성공하였다.
이를 통해 102㎟의 픽셀 크기에서 22.5%의 높은 외부 양자효율 및 높은 재현성을 갖는 대면적 페로브스카이트 발광 다이오드를 성공적으로 제작하였으며 더 나아가 900㎟의 대면적 발광소자에서도 외부 양자효율 21% 이상의 고효율 발광소자를 제작하는데 성공하였다. 이는 현재까지 보고된 100㎟ 이상의 픽셀 크기를 갖는 대면적 페로브스카이트 발광 소자 중 최고 수치이다.
이태우 교수는 “해당 연구를 통해 기존 페로브스카이트 발광체 및 발광 다이오드의 상용화까지의 가장 큰 걸림돌이었던 대면적 소자 제작에 필수적인 기술을 개발했다”며 “페로브스카이트 발광 다이오드가 차세대 발광체로 자리잡는 방향성을 제시하여 페로브스카이트 발광 소자의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업 및 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Nature Nanotechnology’에 5월 4일자로 게재됐다.