초실감 디스플레이 앞당길 '페로브스카이트' 제어 기술 나왔다

켄텍·한양대 공동연구팀, 고효율·고안정성 PeLED 박막 설계 원리 제시

▲ 초기 시드 프레임워크 제어를 통한 PbBr₄ 기반 2D 성장, PbBr₃ 기반 고배향 3D 나노결정 페로브스카이트 박막 형성 유도 과정을 보여준다.ⓒ켄텍

한국에너지공과대학교(KENTECH, 총장직무대행 박진호)와 한양대학교 공동 연구팀이 차세대 초실감 디스플레이 핵심 소재로 꼽히는 ‘페로브스카이트’를 원하는 결정구조로 정밀하게 성장시키는 기술을 개발했다.

켄텍 에너지공학부 이승진 교수 연구팀은 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)의 발광효율과 안정성을 동시에 높일 수 있는 박막제어 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

연구팀은 박막이 형성되는 초기 단계의 시드(seed) 구조체를 정밀하게 조절해, 일정한 방향으로 정렬된 3차원 나노결정 페로브스카이트 박막을 구현했다.

페로브스카이트는 선명하고 정확한 색 구현이 가능해 초고해상도 TV와 AR·VR·XR 기기 등 차세대 디스플레이 분야에서 핵심 소재로 주목받고 있다.

하지만 실제 소자 제작 과정에서는 결정이 빠르게 성장하면서 크기와 배열이 불규칙해지고, 원치 않는 상이나 결함구조가 함께 생기는 문제가 있었다. 이는 발광효율 저하와 수명 단축으로 이어져 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 결정이 모두 자란 뒤가 아니라, 나노결정이 처음 만들어지는 핵 생성 단계에 주목했다. 시드 구조체와 전구체의 화학적 환경을 정밀하게 제어해 원치 않는 구조 형성을 억제하고, 고순도 3차원 나노결정이 일정한 방향으로 성장하도록 유도했다.

제1저자인 정진주 켄텍 대학원생은 "루이스 산-염기 상호작용을 활용한 표면 리간드 전략으로 원치 않는 구조 형성을 억제하고, 더 작고 균일한 3차원 나노결정이 정렬 성장하도록 유도했다"고 설명했다.

이번 기술로 제조된 박막은 광발광 양자 효율이 크게 향상됐으며, 100℃에서도 구조적·광학적 특성을 유지하는 높은 열적상 안정성을 보였다.

이를 기반으로 제작한 페로브스카이트 발광다이오드는 최대 외부 양자효율(EQE) 22.1%를 기록했다. 또 10,000cd/㎡의 고휘도 조건에서도 20% 이상의 EQE를 유지해 고휘도 구간에서 나타나는 효율 저하를 효과적으로 억제했다.

이번 연구는 한양대학교 이태경 교수 연구팀과 공동으로 수행됐으며, 연구성과는 국제학술지 Nano Energy에 게재됐다.

이승진 교수는 "이번 연구는 박막 형성의 출발점인 초기 결정성장 단계에서부터 시드 구조를 설계해 원하는 결정 특성을 갖는 페로브스카이트 박막을 구현했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

[김육봉 기자(=나주)(bong2911@naver.com)]