머스크가 찍은 ‘미래 디스플레이 소재’… 韓서 양산 길 열렸다

서울대연구팀 합성기술 개발
저비용으로 초고해상도 구현

일론 머스크도 “우주 태양광의 핵심”이라고 언급할 정도로 차세대 태양전지 소재로 주목받던 페로브스카이트가 이젠 디스플레이 소재로 주목받을 전망이다. 국내 연구진이 세계 최초로 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)를 대량 생산할 수 있는 합성 신기술을 개발하며, 그간 상용화를 가로막던 공정·안전 문제가 해결돼 소재 초격차 확보 가능성을 열었다는 평가다.

과학기술정보통신부는 이태우 서울대 교수 연구팀이 발광효율 100%를 유지한 채 페로브스카이트 나노결정을 대량 합성할 수 있는 ‘콜드 인젝션’ 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 이번 성과는 저명 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다.

페로브스카이트는 유·무기 양이온, 금속 양이온 등으로 구성된 이온 결정 구조 소재다. 낮은 재료 비용에 비해 색의 순도가 우수해 초고해상도 TV는 물론 가상현실(VR) 등 차세대 디스플레이 구현에 적합한 것으로 평가받는다. 특히 기존 유기발광다이오드(OLED)·양자점발광다이오드(QLED)보다 발광 반치폭이 약 20㎚로 좁아, 현재 상용 디스플레이로는 구현할 수 없는 차세대 색 표준을 충족할 유력 후보로 꼽힌다. 빛을 흡수·방출하는 능력이 탁월해 그간 차세대 태양전지 소재로도 주목받았다.

그러나 합성 방식 문제로 양산은 제한돼왔다. 기존에 주로 쓰인 페로브스카이트 합성법은 150도 이상 고온 용액에 재료를 주입하는 ‘핫 인젝션’ 방식인데, 공정이 복잡하고 화재위험 등 안전문제도 있을뿐더러 특수 설비가 필요해 한계가 컸기 때문이다. 이를 대신할 상온 합성 기술도 제시됐으나 대량 생산 시 품질이 떨어지는 문제가 남아있었다.

연구팀은 0도 가까이 냉각한 리간드 용액에 재료를 주입해 ‘유사 유화’ 상태를 형성한 뒤 합성하는 저온 주입법을 고안했다. 합성 속도를 정밀 제어해 결함 생성을 억제함으로써 대기 중에서도 100% 발광효율을 유지하는 고품질 나노결정을 구현한 것이다. 연구팀은 “특수 설비 없이도 높은 발광효율을 달성할 수 있음을 입증한 것”이라며 “기존 합성법들의 한계를 극복한 결과”라고 설명했다.

특히 실험실 규모를 넘어 20ℓ 대형 반응기에서도 효율 저하 없이 대량 생산에 성공해 산업적 확장 가능성을 입증했다.

연구팀은 교원창업 기업과 협력해 색변환 필름을 제작, 태블릿 디스플레이에 장착해 상용화 검증도 마쳤다. 이 교수는 “콜드 인젝션을 통해 사업화 가능한 수준의 대량 생산에 성공했다”고 밝혔다. 또 이번 기술은 2014년 페로브스카이트 소재가 연구 분야로 각광을 받기 이전 연구팀이 확보한 원천 특허를 기반으로 하고 있어 산업적 가치도 높다. 페로브스카이트 디스플레이가 본격적으로 상용화되면 기술 종속 구조에서 벗어날 수 있을 것으로 기대된다.

구혁 기자