KAIST, 발광효율 40% 높인 친환경 청색 페로브스카이트 발광체 개발

청색광 구현이 가능한 친환경 대체 소재 기술을 개발한 연구진. 왼쪽부터 KAIST 조힘찬 신소재공학과 교수, 하재영 박사과정, 연성범 석박사통합과정.

청색광 구현이 가능한 차세대 발광 물질 '납 기반 페로브스카이트'가 납 이온 유독성을 이유로 산업에 응용되지 않는 가운데, 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 친환경 대체 소재를 개발했다.

KAIST는 조힘찬 신소재공학과 교수팀이 납 이온 없이 우수한 색 표현력, 높은 발광 효율의 친환경 대체 소재를 개발했다고 13일 밝혔다.

원자 번호 63번인 희토류 금속 '유로퓸' 이온으로 페로브스카이트의 납 이온을 대체해 우수한 색 표현력과 높은 발광 효율을 동시에 가지는 발광 소재를 개발했다.

개발한 세슘 유로퓸 브로마이드 페로브스카이트 나노결정은 420~450나노미터(㎚) 파장 영역에서 진청색 발광 특성을 보였다. 약 40% 높은 발광 효율, 24㎚의 매우 좁은 발광 스펙트럼 반치폭을 보였다.

반치폭은 스펙트럼 최대값 절반 높이에서의 두 점 사이 거리로, 발광 색상 선명도 평가 지표다. 차세대 디스플레이 소재로서의 높은 가능성을 보여준 결과다.

반응 시간에 따른 유로퓸 페로브스카이트 상변화 거동 개략도.

또 연구팀은 합성시 나노 결정 표면에 붙어 계면 활성제 역할을 하는 유기 리간드에 따라 유로퓸 기반 나노결정 특성이 크게 바뀌는 현상을 처음 규명했다.

세슘 유로퓸 브로마이드 페로브스카이트 나노결정은 합성 초기 형성된 세슘 브로마이드 나노결정에 유로퓸 이온이 점진적으로 도입되면서 형성된다. 사용된 리간드에 따라 결정 형성 경로가 달라지며, 최종적으로 합성된 세슘 유로퓸 브로마이드 페로브스카이트 나노결정 발광 효율이 크게 향상될 수 있음을 확인했다.

조힘찬 교수는 “이번 연구는 그동안 어려웠던 친환경 비납계 페로브스카이트 소재 연구 돌파구를 제시하는 결과”라며 “차세대 디스플레이 및 광학 소자 개발의 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대되며, 향후 연구를 통해 소재의 광학적 특성과 공정성을 더욱 향상시킬 계획”이라고 전했다.

하재영 박사과정, 연성범 석박사통합과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 'ACS 나노'에 10월 17일 온라인 게재됐으며, 11월 호 부록 표지로 출판될 예정이다. 이번 연구는 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com