연세대·강원대 연구팀, 차세대 디스플레이 소재 ‘PeLED’ 공정 난제 해결

진공 증착을 이용한 페로브스카이트 발광소자 제작 공정 및 발광 효율 향상 원리 모식도

연세대학교 물리학과 이연진 교수 연구팀은 강원대학교 반도체물리학과 이현복 교수 연구팀과 공동연구를 통해 차세대 디스플레이 소재인 페로브스카이트 발광소자(PeLED)의 진공 증착 공정 난제를 해결하는 데 성공했다.

이번 연구는 대면적 양산의 최대 걸림돌이었던 유기물 공정의 불안정성을 극복한 성과로 응용물리 분야의 세계적 권위지인 ‘어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews)’에 게재됐다.

페로브스카이트는 뛰어난 색 순도와 높은 발광 효율 덕분에 OLED를 이을 차세대 디스플레이 발광 소재로 주목받고 있다. 산업계에서 대면적 패널을 양산하기 위해서는 '진공 증착' 방식이 필수적이지만, 페로브스카이트를 구성하는 유기물 소재가 열에 쉽게 기화돼 날아가는 휘발성 탓에 정밀한 두께 조절과 성분 제어가 불가능에 가까웠다. 이에 따라 소자를 만들 때마다 성능이 달라져 제조 현장에서 한계로 지적됐다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 유기물 증발 소스에 소량(1%)의 무기물을 첨가하는 기발한 방법을 고안했다. 이 무기물이 유기물 표면에 반응해 무거운 ‘닻(Kinetic Anchor)’ 역할을 하는 안정적인 보호층을 형성함으로써, 유기물이 제멋대로 증발하는 현상을 성공적으로 억제한 것이다.

동시에 연구팀은 잔류가스분석기(RGA)를 도입해 진공 체임버 내부의 유기물 가스 농도를 실시간으로 초정밀 모니터링하는 시스템을 구축했다. 이를 통해 발광을 담당하는 나노결정이 절연체 매트릭스에 고르게 박혀 있는 독특한 나노 구조를 완벽하게 제어하며 만들어 냈다.

그 결과 전하가 나노결정 내부에 효과적으로 갇히고 표면 결함이 치유되면서 소자의 발광 효율(EQE)이 기존 3.6%에서 6.8%로 약 2배 가까이 향상됐다. 특히 80여 개의 소자를 제작해 통계적 재현성을 입증했으며, 고휘도(1000nit)의 가혹한 구동 환경에서도 소자의 수명이 대폭 늘어나는 메커니즘을 완벽히 증명해 냈다.

공동 제1 저자인 정나은 박사(연세대 졸업)와 강동희 박사(연세대 졸업)는 “유기물의 진공 증착은 그동안 제어가 불가능한 ‘블랙박스’처럼 여겨졌으나, 소재의 열역학적 반응 원리와 초정밀 분석 기법을 융합해 돌파구를 찾았다”라며 “이 공정 제어 기술이 향후 페로브스카이트 디스플레이, 태양전지 등 관련 증착 공정에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”라고 말했다.

연세대 이연진 교수와 강원대 이현복 교수는 “단순한 효율 갱신을 넘어, 80여 개의 소자에서 동일한 성능을 내는 ‘완벽한 재현성’을 입증했다는 점에서 산업적 가치가 매우 크다”라며 “공동연구팀의 기초물리학적 분석 역량이 결합해 차세대 광전 소재의 공정 혁신을 제시한 의미 있는 협력 사례”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 ㈜엘지디스플레이 및 ㈜야스의 지원으로 수행됐다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr