"납없이" 세계 최고 수준 청색광 내는 차세대 발광물질 개발

KAIST 연구팀, 친환경 논란 일던 납 대신 유로퓸 이온 활용

(지디넷코리아=박희범 기자)납 대신 진환경 이온으로 세계 최고 수준의 청색광을 내는 차세대 발광물질이 개발됐다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 납 이온 없이도 우수한 색 표현력과 높은 발광 효율을 가질 수 있는 친환경 대체 소재를 개발하였다고 13일 밝혔다.

연구팀은 이번 연구에서 원자번호 63번인 유로퓸 이온(Eu2+)으로 친환경 논란이 일던납 이온을 대체하는데 성공했다.

향후 LED 디스플레이 등에 쓸 수 있는 친환경 대체 소재가 KAIST 연구진에 의해 개발됐다. 왼쪽부터 조힘찬 신소재공학과 교수, 하재영 박사과정생, 연성범 석박사통합과정생.

논문 공동 제1저자인 하재영 연구원(박사과정)은 "최근 차세대 발광 소재로 납 기반 페로브스카이트가 색 순도가 높고 발광효율이 우수한데다 색 조절이 쉬워 주목받지만, 문제는 납 성분"이라며 "이 납 성분을 친환경적으로 해결하기 위해 연구를 시작했다"고 설명했다.

연구팀은 납을 대체할 물질로 유로폼 페로브스카이트 나노결정 소재를 활용했다. 걸림돌이던 이 물질의 구조적, 광학적 성질 제어와 성능 개선 방법도 찾았다.

연구팀은 이 문제 해결에 두 가지 브롬계 유기 리간드 전구체를 사용했다. 암모늄 계열인 올레일암모늄 브로마이드와 포스핀 계열인 트리옥틸포스핀 브로마이드를 적용한 것. 이를 이용해 유로퓸 기반 페로브스카이트 나노결정을 합성했다.

하재영 연구원은 "분석 결과도 만족스러웠다"며 "발광 스펙트럼 반치폭이 24나노미터에,  40.5%라는 세계 최고 수준 발광 효율을 달성했다"고 말했다.

반치폭은 광원의 발광 스펙트럼이 좁을수록 디스플레이에서 선명한 색 표현이 가능하다. 기존 유기 발광체 반치폭은 40나노 이상이다.

하 연구원은 20나노미터 대 청색영역이라는 전체 조건을 달아 세계 최고 수준임을 강조했다.

하 연구원은 "상용화를 위해선 공기중 산화 등으로부터 보호하는 연구가 필요하다"며 "상용화 된다면 LED 디스플레이나 이미지 센서 등에 광전 소자로 활용가능할 것"이라고 덧붙였다.

반응시간에 따른 유로폼 페로브스카이트의 상변화 거동에 대한 개략도. (그래픽=KAIST)

하 연구원을 지도한 조힘찬 신소재공학과 교수는(교신저자) “그동안 어려웠던 친환경 비납계 페로브스카이트 소재 연구의 돌파구를 제시한 연구 결과”라며 “차세대 디스플레이 및 광학 소자 개발의 새로운 지평을 열 수 있을 것"으로 기대했다.했다.

조힘찬 교수는 "이번 연구는 성능과 메카니즘을 규명한 것"이라며 "상용화를 위해서는 발광효율을 80%까지 끌어올리고, 공정성 개선과 소재 분산 안정성, 소재 균일화, 패턴 작업 제어 등 풀어야할 숙제가 많아 다소 시간이 걸릴 것"으로 내다봤다.

공동 제1저자로 연성범 연구원(석박사통합과정)도 참여했다. 연구결과는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노 (ACS Nano)’에 10월 17일 온라인으로 게재됐다. 또 11월 호 부록 표지로 출판될 예정이다.

(A)그림은 두 가지 브로민계 유기 리간드 전구체를 사용해 합성한 유로퓸 페로브스카이트의 반응 시간에 따른 발광효율을 나타낸다. (B)그림은 높은 색순도와 발광효율을 갖는 3차원 세슘 유로퓸 브로마이드 페로브스카이트.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)