페로브스카이트 LED로 초고화질 디스플레이 시대 연다

[아이뉴스24 최상국 기자] 차세대 초고화질 디스플레이 시대를 앞당길 페로브스카이트 LED 관련 연구성과들이 최근 잇달아 발표되고 있다.

5일 서울대 재료공학부 이태우 교수와 미국 펜실베니아 대학 앤드류 M. 라페(Andrew. M. Rappe) 교수 공동 연구팀은 차세대 발광 소재인 금속 할라이드 페로브스카이트(ABX3)를 이용해 세계 최고 효율의 발광 소자를 개발했다고 '네이처 포토닉스'에 발표했다.(논문명: Comprehensive defect suppression in perovskite nanocrystals for high-efficiency light-emitting diodes)

이태우 교수는 지난 12월 4일에는 KAIST 배병수 교수팀과 공동으로 고온·고습 환경이나 각종 화학물질에서의 안정성을 크게 개선한 페로브스카이트 나노 입자 발광 수지를 '어드밴스드 머터리얼즈'에 발표했다. (논문명: Extremely Stable Luminescent Crosslinked Perovskite Nanoparticles under Harsh Environments over 1.5 Years)

서울대-펜실베이니아대 팀의 연구는 직접 빛을 내는 자발광 LED 소자에 대해, 서울대-KAIST 팀의 연구는 QLED처럼 빛을 받아 색을 내는 색변환 소자에 대해 페로브스카이트 소재를 적용한 연구성과다.

또 지난해 9월에는 고려대 화공생명공학과 임상혁 교수 연구팀이 고순도 적·녹·청 페로브스카이트 퀀텀닷(양자점) LED 합성 기술을 세계 최초로 개발해 ‘셀 리포트 피지컬 사이언스'에 발표한 바 있다. 임 교수팀은 가시광선 영역 전체에서 20nm 이하의 발광스펙트럼 선폭을 가지는 고색순도 페로브스카이트 LED를 구현해 냈다. (논문명: Full color spectrum coverage by high colour-purity perovskite nanocrystal light emitting diodes)

페로브스카이트는 유기 원소, 금속 그리고 할로겐원소로 구성돼 있는 특별한 구조를 지닌 소재다. 값싸고 효율이 높은 차세대 태양전지 소재로 활용돼 왔으나 나노 결정화를 통해 순도 높은 색을 구현할 수 있어 차세대 발광 재료로도 각광받고 있다.

페로브스카이트 LED가 주목받는 이유의 하나는 20나노미터 수준의 매우 좁은 발광파장폭을 갖기 때문이다. 지난 2012년 ITU(국제전기통신연합)가 UHD TV를 위한 새로운 색표준으로 제정한 Rec.2020을 만족하기 위해서는 발광 스펙트럼 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)이 20나노미터 수준인 발광체가 필요한데 현재의 QLED나 OLED는 30나노미터 이상이어서 전체 색상 구현에 충분하지 않다. 현재까지는 페로브스카이트 LED가 Rec.2020 색표준을 만족할 수 있는 유일한 소재인 셈이다.

이태우 교수는 2014년 상온에서 세계 최초로 가시광 영역 다색 발광 다이오드를 개발하고, 2015년 8.53% 효율의 페로브스카이트 발광 소자를 사이언스紙에 발표해 페로브스카이트 물질을 발광체로 사용할 수 있는 가능성을 제시했다. 이후 지속적인 발광 효율 향상 연구를 통해 이번에는 외부양자효율(주입시킨 전자 수 대비 방출시키는 광자의 비율)을 23.4%까지 끌어올림으로써 상용화 가능성을 한층 높였다. 전류효율(가해진 전류밀도 대비 휘도)도108cd/A로 현재까지 보고된 페로브스카이트 LED 중 최고 수준이다.

이 교수는 "양자점이 최초 보고된 이후 발광 양자효율 20%를 달성하는데 약 20년이 걸린 것에 비하면 월등히 빠른 발전 속도"라며 "차세대 페로브스카이트 디스플레이가 상용화 수준의 효율을 낼 수 있음을 입증했다"고 연구의의를 전했다.

이 교수는 페로브스카이트 LED가 빠르면 3~5년 내에, 수광형 소자부터 상용화될 것으로 전망했다. "페로브스카이트 발광 소자의 효율은 기존 OLED/QLED 발광 소자 수준까지 도달했지만 아직 해결되지 않은 몇 가지 항목들이 있으며, 특히 발광 소자의 구동 안정성이 매우 낮다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 연구가 앞으로의 과제"라고 설명했다.