[쿠키과학]KAIST '색순도 100%' 차세대 디스플레이 기술 개발

진청색 페로브스카이트 밝기 2700nit 확보
미래 디스플레이 상용화 개발가능성 제시

최근 디스플레이 사용처가 웨어러블 디바이스, VR기기 등으로 다양해지면서 시야거리는 짧아짐에 따라 사용자가 느끼는 색 민감도는 더욱 증가하고 있다. 이에 따라 차세대 디스플레이에 요구되는 발광체 색 순도도 더욱 높아졌다.

할라이드(할로젠화물) 페로브스카이트는 태양전지, 광검출기, LED 등 다양한 차세대 광전소자에 적용 가능한 물질로, 생산시간과 비용을 줄이면서도 매우 뛰어난 색순도를 가져 디스플레이의 색 좌표 기준인 ‘Rec. 2020’을 100% 만족하는 유일한 물질이다. 

그러나 진청색 페로브스카이트 LED는 현저히 낮은 효율과 조도를 갖는다. 특히 산화 불정성과 색 불정성, 작동 안정성 등이 매우 떨어지는 문제가 있어 해결이 필요하다.

서로 다른 할라이드를 섞어 만든 혼합 할라이드 진청색 페로브스카이트의 색 변화 메커니즘 및 이를 억제하는 타겟 물질 전략을 사용했을 때 차이. KAIST

차세대 진청색 페로브스카이트 LED 구현

KAIST는 전기및전자공학부 이정용 교수 연구팀이 진청색 페로브스카이트 LED가 구동전압에 따른 색변화 및 저조도 문제를 획기적으로 해결하는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

연구팀은 높은 색순도를 갖는 페로브스카이트 LED 중 진청색 부분의 고질적 문제를 해결하는 방법을 제시했다.

서로 다른 할라이드 이온을 섞어 만든 페로브스카이트 LED는 구동하는 조건에 따라 상과 색이 변하는 문제가 있다.

이는 할라이드 공석(Halide vacancy)이 할라이드 이온 통로역할을 하면서 주변 이온까지 연쇄적으로 이동해 발생한다.

이에 연구팀은 ‘염화이온 공석 타겟 리간드 전략’을 제시했다. 염화이온 공석 타겟 리간드 전략은 결정구조의 결함으로 여겨지는 양이온 공석 중 염화이온 공석만 특정, 이를 효과적으로 제거한다.

또 연구팀은 색 불안정을 유발하는 할라이드 이온통로를 표적으로 막을 수 있는 물질을 선택해 이온 이동을 효과적으로 억제했다. 

할라이드 공석을 선택적으로 없앨 수 있는 전략을 적용했을 때 성능변화 및 색 안정성 변화. KAIST

아울러 해당 전략을 적용할 수 있는 물질 후보군을 선택, 탄소사슬 길이 변화에 따른 성능변화 경향과 색 안정성 경향을 함께 갖는 진청색 페로브스카이트 LED의 문제점을 해결할 새로운 관점을 제시했다.

이를 통해 연구팀은 지금까지 보고된 진청색 페로브스카이트 LED 성능 중 가장 높은 2700 nit 밝기를 구현함으로써 햇빛이 강한 야외에서도 시인성을 확보했다.

이는 차세대 페로브스카이트 디스플레이 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

이승재 KAIST 박사과정은 "서로 다른 할라이드 이온을 혼합해 만든 진청색 페로브스카이트 LED의 고질적 색 불안정성을 효과적으로 해결했다“며 "최근 스마트폰에서 요구하는 최대 밝기인 2000nit 이상으로 우수한 진청색 페로브스카이트 LED를 제작해 녹색과 적색 LED와의 격차를 한층 줄임으로써 RGB 디스플레이에 적용할 수 있는 가능성을 열었다ˮ고 설명했다.

한편 이번 연구는 KAIST 이승재 박사과정과 김준호 박사가 제1저자로 참했고, 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 지난 5월호 온라인판에 게재됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com