韓 연구진, 신소재 활용 발광소자 세계 최초 개발…수명 3000배 향상

서울대 이태우 교수팀, 페로브스카이트+유기발광 소재 결합 하이브리드 소자 개발
고효율·고색순도 동시 구현…차세대 디스플레이 성능 향상 기대

하이브리드 탠덤 페로브스카이트 발광다이오드의 개념도 및 소자 효율. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]윤현성 기자 = 국내 연구진이 차세대 소재와 기존에 쓰이던 유기발광 소재를 합쳐 수명이 3000배 이상 늘어난 새로운 발광 소자를 세계 최초로 개발했다. 이번에 개발된 새로운 기술은 향후 차세대 디스플레이 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다.

16일 과학기술정보통신부에 따르면 서울대학교 이태우 교수 연구팀은 금속 할라이드 페로브스카이트와 유기발광 소재를 결합한 고효율 장수명 하이브리드 탠덤 발광 소자 개발에 성공했다.

이번 연구는 과기정통부 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 16일 게재됐다.

페로브스카이트는 차세대 태양전지 소재로 널리 알려져있다. 전기적 특성과 색 순도가 우수하고 가격이 저렴해 차세대 디스플레이 소자로 주목받고 있으나, 기존 유기발광소자(OLED)보다 효율이 낮다는 점에서 한계를 갖고 있다.

이를 해결하는 방법 중 하나는 서로 다른 특성의 소자를 결합하는 '탠덤(Tandem) 구조'를 이용하는 것이다.

하지만 용액공정으로 제작하는 페로브스카이트의 특성상 다른 소자와 적층하는 것이 매우 까다롭고, 단순히 적층하는 것만으로는 높은 색순도와 발광 효율을 갖게 하는 것이 어렵다는 것이 문제였다.

연구팀은 용액공정으로 하단의 페로브스카이트 나노 결정 단일소자를 제작한 뒤 증착공정으로 상단의 유기 발광 단일소자를 제작하는 새로운 디자인으로 탠덤 구조 페로브스카이트 발광 소자 제작에 성공했다.

이는 페로브스카이트를 기반으로 탠덤 발광소자를 제작한 세계 최초의 연구결과다. 연구팀은 광학 시뮬레이션을 통해 고효율·고색순도를 동시 구현하는 최적의 소자구조를 찾아 '하이브리드-탠덤 밸리(h-Tandem Valley)'라고 이름을 붙였다.

새로운 하이브리드 탠덤 소자는 페로브스카이트 상단 유기 발광층의 빛이 모두 투과하도록 얇고(~30[㎚]) 투명한 나노입자 발광체를 사용하여 광추출 효율을 극대화했다.

페로브스카이트 단일소자의 구동 수명은 동일 휘도(100[nit]) 기준 1.8시간인 반면, 연구팀이 개발한 탠덤 소자의 구동 수명은 5596시간으로 약 3108배 향상됐다.

아울러 연구팀은 이 기술을 이용해 면적이 크고 유연한 발광 소자 제작에도 성공했다. 해당 소자는 향후 차세대 디스플레이 분야에서 페로브스카이트 발광 소재 상용화 및 성능 향상 등에도 기여할 것으로 기대된다.

연구를 주도한 이태우 교수는 "이번 연구는 서로 다른 발광 소자를 적층하여 효율과 고색순도를 동시에 만족하도록 소자를 구성하는 가이드라인을 제시한 데 의의가 있다"며 "이를 기반으로 녹색뿐 아니라 청·적색 하이브리드 페로브스카이트 탠덤 소자를 개발하여 풀컬러 하이브리드 탠덤 디스플레이 구현에 도전하겠다"고 말했다.

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