생기원, 디스플레이 신소재 발광효율 난제 풀었다...OLED 넘는 초고화질 구현 가능

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대기 중에서도 고성능을 유지하는 페로브스카이트 퀀텀닷을 개발한 우주영 연구원
<대기 중에서도 고성능을 유지하는 페로브스카이트 퀀텀닷을 개발한 우주영 연구원>

한국생산기술연구원(원장 이낙규)은 공동연구를 통해 페로브스카이트 퀀텀닷의 표면구조와 소재 안정성 간 관계를 세계 최초로 규명하고, 대기 중에서도 높은 발광성능을 유지할 수 있는 제조기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

기존 소재 대비 색순도가 월등한 페로브스카이트 퀀텀닷은 입자가 10나노미터(㎚) 이하 크기일 때 밝고 선명한 빛을 낸다. 산소와 수분이 많은 대기 중에 노출되면 입자끼리 결합해 크기가 커지면서 발광효율이 현저히 저하된다.

이 같은 현상 원인은 아직 밝혀진 바 없어 상용화에 어려움이 있었다. 생기원 공정플랫폼연구부문의 우주영 연구팀은 정소희 성균관대 교수, 김용현 한국과학기술원(KAIST) 교수와 함께 양자점 표면에 결합된 유기분자 '유기리간드'가 결여되면 이런 불안정성이 초래된다는 사실을 세계 최초로 발견했다.

퀀텀닷 표면 유기리간드가 존재하지 않는 부분이 대기에 노출되면 이곳에 입자들이 빠르게 달라붙는 현상을 관측했다.

새로운 합성법으로 개발된 페로브스카이트 퀀텀닷
<새로운 합성법으로 개발된 페로브스카이트 퀀텀닷>

이에 착안, 브롬화 아연과 같은 '할로젠화 메탈'을 첨가제로 사용해 표면 전체에 유기리간드가 고르게 존재하는 소재 합성법을 개발했다.

이 방법을 적용하면 대기 중 입자 결합을 효과적으로 억제해 페로브스카이트 퀀텀닷 발광특성을 안정적으로 유지할 수 있다.

소재가 상용화돼 디스플레이에 활용되면, 상용 OLED 디스플레이를 뛰어넘는 자연 색 그대로의 초고화질을 구현해낼 것으로 기대된다.

우주영 연구원은 ”지금껏 수행한 다양한 퀀텀닷 연구 노하우를 페로브스카이트 퀀텀닷 소재에 적용해 얻은 성과“라며 “향후 탄소중립 시대에 맞춰 퀀텀닷 소재 기반 차세대 고성능 태양전지나 청정수소 생산 등 에너지 분야로 연구를 확대해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

이번 성과는 지난해 2월 '저널 오브 피지컬 캐미스트리 레터스(물리 분야 상위 7%)'에 게재됐다. 후속연구도 지난 11일 재료과학 분야 상위 5% 저널 'ACS 나노'에 채택됐다.

연구팀은 현재 규명한 원리를 바탕으로 불안정하게 제작된 퀀텀닷 표면구조를 첨가제 없이 안정화시키는 후속연구를 수행중이다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com