이태우 서울대 교수와 사무엘 스트랭크스 영국 케임브리지대 교수 공동 연구팀이 차세대 디스플레이용 발광소자인 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)의 진공 증착 공정에서 열역학적으로 발광에 유리한 상을 고정시킬 수 있는 새로운 페로브스카이트 발광체를 발견했다고 1일 밝혔다.
페로브스카이트는 고효율의 생생한 색을 낼 수 있고, 증착 시 기존 유기발광다이오드(OLED) 공정과 호환이 가능해 큰 시설 투자 없이도 차세대 디스플레이로 구현이 가능하다는 장점이 있다.
하지만 진공 증착 방식에서는 결정화 과정이 열역학적으로 제어되지 않아 증착 과정에서 페로브스카이트 결정이 빠르고 불균일하게 성장하는 문제가 있었다.
연구팀은 X-type 스페이서 유기 분자 도입을 통해 새로운 'X-type 준 2차원 페로브스카이트 발광체'를 설계해 문제를 해결했다.
페로브스카이트는 주로 3차원 ABX3 구조를 갖는다. A는 양이온, B는 금속 양이온, X는 할라이드 음이온이다. X-타입 스페이서는 할라이드 자리를 치환해 동시에 페로브스카이트 격자 간 분리를 유발하는 물질로, 이를 활용하면 페로브스카이트가 만들어지는 과정에서 납 이온과 강하게 결합해 결정이 무질서하게 성장하는 것을 억제하고 여러 결정상 가운데 에너지적으로 가장 안정된 구조가 열역학적으로 선택적으로 형성된다.
그 결과 페로브스카이트 결정을 기판 위에서 열역할적으로 제어해 고효율 발광에 유리한 균일한 상을 갖는 박막을 형성시키는 데 성공했다.
아울러 결정상이 선택적으로 성장하도록 돕는 이종 스캐폴드를 개발해 결정상을 정밀하게 제어하도록 했다. 이를 통해 고효율과 고색순도를 갖는 진공 증착 기반 PeLED를 구현했다.
연구팀은 대면적, 유연 기판, 패턴화 플랫폼의 조건에서도 이를 구현할 수 있다는 점도 확인, 향후 실제 디스플레이 공정에서 적용될 가능성을 시사했다.
이 교수는 “향후 초고해상도 디스플레이와 증강현실(AR)·가상현실(VR)용 마이크로디스플레이 실용화를 앞당기는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 7월 1일 나노기술 분야의 최고 권위 학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 게재됐다.
김영호 기자 lloydmind@etnews.com
