청색광을 발산하는 페로브스카이트 발광소자를 개발한 제1저자인 장충현(오른쪽부터) 연구원, 송명훈 교수, 김수환 연구원. /사진제공=UNIST디스플레이에서 가장 어려운 청색광 구현 문제가 해결돼 유기발광다이오드(OLED) TV 대신 페로브스카이트 발광소자(PeLED) TV를 집에서 볼 날이 더 가까워졌다.
울산과학기술원(UNIST) 송명훈·곽상규 교수팀은 고려대학교 화학과의 우한영 교수 연구팀과 공동으로 청색광을 발산하는 ‘페로브스카이트 발광소자(Perovskite LEDs, 이하 PeLED)’를 개발했다. 연구팀이 개발한 페로브스카이트 발광소자는 청색광을 만드는 효율이 기존 대비 3배 이상 높고 색 순도가 높아 또렷한 푸른색 구현이 가능하다.
발광소자는 TV나 휴대폰에서 색상을 구현하는 장치다. PeLED는 색상 구현 물질로 페로브스카이트를 쓴다. 페로브스카이트는 이온(ion)을 품고 있는 물질로 이온 종류를 바꾸는 방식으로 여러 가지 색상을 만들 수 있다. 다른 발광 소재들에 비해 생산 단가가 낮고 자연에 가까운 천연색을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 소재로 크게 주목받고 있다.
하지만 청색 PeLED는 전기에너지를 빛으로 바꾸는 효율이 10%밖에 되지 않아 전력소모가 많다. 빨강이나 녹색의 절반에도 못 미친다. 또 청색 PeLED를 구현하기 위해 첨가하는 이온 때문에 색 순도가 시간이 지남에 따라 떨어지는 문제가 있다. 또렷한 청색이 아닌 다른 색상이 섞여 나온다.
연구진은 페브스카이트 물질을 복잡하게 조작하는 방식 아닌 인접한 물질을 바꿔 소자의 성능을 향상 시키는 획기적인 방법을 썼다. 발광 소자 내에서 페로브스카이트와 인접한 ‘정공수송층’ 물질을 바꾼 것이다. 페로브스카이트 소자를 만들 때 공정이 단순해져 가격 측면에서도 유리하다. 새롭게 합성한 유기물을 정공 수송층로 썼을 때 기존 발광소자 대비 3~4배 정도 효율이 향상됐고 색 순도를 나타내는 지표인 ‘전계발광 스펙트럼’도 크게 안정됐다.
제1저자인 장충현 연구원은 “이번 연구는 청색 PeLED의 근원적인 문제를 페로브스카이트 발광층 자체가 아닌 페로브스카이트와 정공수송층간의 계면(서로 다른 물질의 경계면) 성질 변화로 해결했다는 점에서 의의가 크다”라고 설명했다.
연구진은 PeLED 소자에 쓰이는 전도성 고분자를 대신해 ‘공액 고분자 전해질’을 정공 수송층으로 썼다. 정공 수송층을 이 물질로 바꿨을 때 페로브스카이트입체 구조의 규칙성(결정성)이 좋아지고 계면에서 결함이 줄어 발광소자가 전기를 빛으로 바꾸는 효율이 크게 향상됐다. 또 공액 고분자 전해질을 구성하는 곁가지 이온의 크기가 클수록 페로브스카이트 물질이 뚜렷한 결정성을 갖고 계면에 결함이 적은 것을 확인했다.
송명훈 교수는 “PeLED는 6년이라는 짧은 시간 동안 OLED 수준의 효율을 구현했지만, 청색광 효율이 10% 수준이었다”며 “이번 연구를 통해 소자 효율과 색 순도 문제가 동시에 개선돼 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다.
이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 에이시에스 나노(ACS Nano) 9월 10일 자로 온라인으로 공개됐다.
