포스텍(POSTECH) 신소재공v학과 교수팀, 저가·고색순도 페로브스카이트 발광다이오드 발표

현재 가전시장은 소비전력효율이 높은 LED(발광다이오드)가 조명을 비롯하여 TV, 휴대폰 등 디스플레이를 주도하는 ‘LED 시대’라고 해도 과언이 아닐 것이다. 또한 신재생 에너지가 각광받고 있는 시대의 흐름에 따라 국내 연구진이 미래 태양전지 소재로 각광받는 유무기 페로브스카이트 소재를 이용한 LED(PeLED) 상용화 기술을 개발했다.
PeLED는 LED에 비해 소재 가격이 낮고 색순도가 높아 천연색 이미지를 구현할 수 있어 업계의 관심이 쏠리고 있다. 이태우 포스텍 신소재공학과 교수팀은 그동안 태양전지 소재로 경쟁적으로 연구돼 온 페로브스카이트 소재를 이용하여 발광효율의 한계를 극복한 기술을 발표했다.
인광 OLED나 QD-LED(양자점 발광 다이오드)와 비슷한 수준의 효율을 가진 PeLED를 세계 최초로 구현하는데 성공한 이 성과는 과학 분야 세계 최고의 권위지 Science지를 통해 발표됐으며, 지금까지 낮은 효율로 상용화가 어려운 것으로 알려졌던 PeLED의 본격적인 시대를 연 것으로 평가받고 있다.
페로브스카이트는 태양전지 소재로서는 최근 3년간 특허 출원 증가율이 연평균 120%에 달할 정도로 많은 관심을 모으고 있지만, LED로서는 발광 세기나 효율이 낮아 페로브스카이트를 이용해 LED를 만들려는 관심은 상대적으로 매우 낮은 편이었다. 이는 페로브스카이트에서 형성된 엑시톤의 결합에너지가 낮아 상온에서 전하로 분리되며 쉽게 소멸되는 특성 때문이다. 이러한 특성은, 태양전지로는 유용하게 활용될 수 있지만 LED에서는 발광 효율을 크게 저해하는 한계점으로 작용한다.
하지만 이 소재는 OLED나 QD-LED에 비해 재료가격이 약 1/10 수준인데다 OLED에 비해 훨씬 높은 색순도를 가지고 있어 천연색의 이미지를 구현할 수 있는 차세대 디스플레이 소재로서의 가능성을 가지고 있다.
연구팀은 균일하지 않은 페로브스카이트 발광층과, 엑시톤 확산거리에 영향을 주는 결정입자(Grain)가 큰 점, 박막 속에서 금속성 납 원자가 형성되는 점을 발광효율을 낮추는 요소로 판단했다. 이를 해결하기 위해 “나노결정 고정화”라는 새로운 박막 형성 공정을 개발하여 박막을 균일하고 평평하게 하면서 결정입자의 크기는 크게 줄였고, 박막 형성 시 화학양적 조절을 통해 납 원자의 형성도 막아 발광 효율을 낮추는 요소를 없앴다.
이를 통해 연구팀은 PeLED의 발광 효율을 대폭 향상시키는 한편 대면적(2㎝×2㎝ 픽셀)의 PeLED를 최초로 구현하는데 성공함으로써, 고효율 PeLED의 저가 대량 생산의 가능성을 제시했다. 이렇게 만들어진 PeLED는 반치폭이 ~20㎚에 이르는 높은 색순도를 가지고 있으며 물질 합성과정이나 색 조절이 아주 간단하기 때문에 기존에 사용되어온 LED나 QD-LED를 효과적으로 대체하는 차세대 디스플레이로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.