켄텍, 차세대 디스플레이 핵심소재 기술 개발 ‘눈길’

이승진 한국에너지공과대학교 교수

한국에너지공과대학교(KENTECH) 연구진이 차세대 디스플레이 핵심 소재로 주목받는 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)의 성능과 안정성을 동시에 높일 수 있는 박막 제어 기술 개발에 성공해 눈길을 끈다.

켄텍은 에너지공학부 이승진 연구팀이 페로브스카이트 박막 형성 초기 단계의 ‘시드(seed) 구조체’를 정밀 제어해 일정한 방향으로 정렬된 3차원(3D) 나노결정 박막 구현에 성공했다고 12일 밝혔다.

‘페로브스카이트’는 색 재현력이 뛰어나 차세대 디스플레이 핵심 소재로 꼽힌다. 하지만 실제 제작 과정에서는 결정의 크기와 배열이 불규칙하게 형성되면서 발광 효율 저하와 수명 단축 문제가 발생해 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다. 특히 용액 공정 과정에서 의도하지 않은 상(phase)이나 결함 구조가 생기기 쉬워 균일한 박막 형성이 어려웠다.

연구팀은 기존처럼 결정 형성이 끝난 이후가 아니라 나노결정이 처음 생성되는 초기 핵생성 단계에 주목했다. 박막 성장의 출발점이 되는 시드 구조체와 전구체의 화학적 환경을 정밀하게 조절해 원치 않는 구조 형성을 억제하고 고순도의 3차원 나노결정이 일정한 방향성을 갖고 성장하도록 유도한 것이다.

실제 연구 결과, 새롭게 제작된 박막은 광발광 양자효율이 크게 향상됐으며 100도 고온 환경에서도 구조적·광학적 특성을 안정적으로 유지했다. 이를 기반으로 제작한 페로브스카이트 발광다이오드는 최대 외부양자효율(EQE) 22.1%를 기록했다. 또 1만 cd/m² 수준의 고휘도 조건에서도 20% 이상의 EQE를 유지해 고휘도 환경에서 발생하는 효율 저하 현상도 효과적으로 억제한 것으로 나타났다.

이번 연구는 한양대학교 이태경 연구팀과 공동으로 진행됐으며 연구 성과는 국제학술지 Nano Energy에 게재됐다. 논문명은 ‘Control over seed framework enables oriented 3D nanocrystalline perovskite films for light-emitting diodes’다.

이승진 교수는 “이번 연구는 박막 형성의 출발점인 초기 결정 성장 단계부터 시드 구조를 설계해 원하는 결정 특성을 구현했다는 점에서 의미가 크다”며 “차세대 디스플레이와 다양한 페로브스카이트 기반 광전자 소자의 상용화 연구에 중요한 설계 원리를 제시할 것으로 기대한다”고 말했다.