죽었다 깨어나도 한국 못이긴다…삼성·LG 버거운데 서울대까지 등판

이태우 서울대 재료공학부 교수 연구팀
페로브스카이트 발광소재 세계 첫 개발
네이처 나노테크놀로지에 관련내용 발표
‘포스트 OLED’ 디스플레이 소재로 주목
보다 선명하고 저렴해 확장현실에 적용

에스엔디스플레이는 이달 초 미국 라스베이거스에서 열린 CES에 참석해 75인치 페로브스카이트 발광소재를 활용한 디스플레이 시제품을 선보였다. 왼쪽이 페로브스카이트 디스플레이, 오른쪽이 일반 디스플레이다. [사진 = 이태우 교수 연구팀]

페로브스카이트 발광소재는 발광 효율과 색 순도가 높아 유기발광다이오드(OLED)를 대체할 차세대 디스플레이 소재로 각광받는다. 국내 연구팀이 세계 최고의 발광 효율을 보이는 페로브스카이트 발광소재를 개발하는데 성공했다. 기존 해당 연구팀이 세웠던 종전 기록을 다시 한번 깬 것으로 소재의 수명도 기존 대비 약 3108배 향상시켰다. 한국이 세계 디스플레이 산업 강자 자리를 유지하는데 근간 기술이 될 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 16일 이태우 서울대 재료공학부 교수 연구팀이 고효율 장수명의 페로브스카이트 발광소재 개발에 성공했다는 연구결과를 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 발표했다고 밝혔다.

페로브스카이트는 ‘티탄산칼슘(CaTiO3)’처럼 ‘ABX3’ 형태의 화학식을 갖는 결정구조로 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물을 통칭한다. 태양광을 받으면 전기를 전달하는 전자와 정공을 만들어내는 성질 때문에 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지 소재로도 주목받는다.

최근에는 디스플레이 소재로 높은 잠재성을 가졌다는 평가를 받고 있다. 디스플레이용 페로브스카이트 발광소재는 유기 분자와 무기 원소, 금속, 할로겐 원소로 구성된 결정 구조로 만들어진다. 현재 디스플레이 소재로 사용되는 QLED의 양자점이나 유가발광소재와 비교해 색 순도가 높고 색 조절이 쉬운 반면 제작 비용은 낮다. 높은 성능이 요구되는 증강·가상현실(AR·VR) 장치 등에 쓰이며 차세대 디스플레이 산업을 주도할 것으로 기대된다.

그러나 아직까지 넘어야 할 산이 남았다. 페로브스카이트 발광소재는 상용화된 유기 발광소재에 비해 발광효율이 낮다. 현재 효율이 28.9%까지 도달한 상황이다. 제1저자로 연구에 참여한 김성진 박사과정생은 “유기 발광소재의 발광 효율은 37~38% 정도이기에 페로브스카이트 발광소재가 상용화 되기 위해서는 비슷한 효율 수준의 효율을 달성해야 한다”고 말했다.

에스엔디스플레이는 이달 초 미국 라스베이거스에서 열린 CES에 부스를 마련했다. 75인치 페로브스카이트 발광소재를 활용한 디스플레이 시제품과 함께 이태우 서울대 교수가 포즈를 취하고 있다. [사진 = 이태우 교수 연구팀]

연구팀은 ‘탠덤(Tandem)’ 구조를 도입해 높은 효율을 달성했다. 탠덤 구조는 두 개 이상의 단일 구조 소재를 적층한 구조로서 다수의 발광층에서 동시에 발광을 유도한다. 이를 통해 소재의 발광 효율을 크게 향상 시킬 수 있다.

연구팀은 페로브스카이트 발광소재와 유기 발광소재를 병합했다. ‘하이브리드’ 형태의 페로브스카이트 발광소재를 개발한 것이다. 연구팀은 “세계 최초의 하이브리드 페로브스카이트 발광소재”라며 “이 소재의 발광효율은 37% 매우 높다”며 “이론상 구현할 수 있는 최대의 발광 효율”이라고 설명했다.

이태우 교수팀은 페로브스카이트 발광소재 분야 최고 전문가 그룹으로 꼽힌다. 2022년에도 페로브스카이트 발광 소재의 발광 효율과 밝기를 획기적으로 개선한 기술을 개발했다고 국제학술지 ‘네이처’에 발표한 바 있다. 연구팀은 이 연구를 통해 당시 페로브스카이트 발광소재가 실험실 수준을 넘어 상용화까지 이어질 수 있다는 가능성을 입증했다는 평가를 받았다.

연구팀은 “이번 연구는 페로브스카이트의 수명을 크게 향상시켰다는 점에서 과거 연구와 차이가 있다”고 말했다. 실제 이번에 개발한 페로브스카이트의 수명은 5596시간이다. 기존 1.8시간 대비 약 3108배 향상된 것이다.

연구팀은 페로브스카이트 발광소재를 주력 상품으로 하는 ‘에스엔디스플레이’란 회사도 2020년 창업했다. 에스엔디스플레이는 이달 초 미국 라스베이거스에서 열린 CES에 참석해 75인치 페로브스카이트 발광소재를 활용한 디스플레이 시제품을 선보이기도 했다. 에스엔디스플레이는 기술을 지속적으로 보완해 관련 시장 창출과 선점에 박차를 가한다는 계획이다.

남은 기술적 과제는 청색과 적색 페로브스카이트 발광소재를 개발하는 것이다. 이번 연구에서 개발한 것은 녹색 발광소재다. 연구팀은 “청색과 적색 발광소재를 만드는 것이 더 기술적으로 어렵다”며 “발광의 안정성을 높이는 것도 아직 과제로 남아있다”고 밝혔다. 이 과제들을 해결하고 나면 향후 5년 내 상용 제품을 출시할 수 있을 것이란 기대다.

이 교수는 “이번 연구로 서로 다른 발광 소재를 적층해 효율과 고색순도를 동시에 만족하도록 소재를 구성하는 가이드라인을 제시했다”며 “페로브스카이트 발광소재의 상용화가 예상보다 더 빠른 속도로 가능할 것”이라고 밝혔다.

■ 용어 설명 ▶ 페로브스카이트 : 두 개의 양이온과 하나의 음이온이 결합한 특이한 규칙적 입체 구조를 갖는 광물질. 태양광을 받으면 전기를 전달하는 전자와 정공을 만들어내는 성질 때문에 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지 소재로 주목받는 한편 현재 디스플레이 소재로 널리 쓰이는 유기발광다이오드(OLED)를 대체할 물질로 관심받고 있음.