[지금은 과학] 발광효율 37%…고효율·장수명 탠덤 발광소자 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 페로브스카이트와 유기발광소자(OLED)를 겹쳐 쌓는 방식으로 세계 최고 효율의 하이브리드 탠덤 발광소자가 탄생했다.

16일 과학기술정보통신부는 이태우 서울대학교 교수 연구팀이 세계 최초로 금속 할라이드 페로브스카이트와 유기발광 소재를 결합한 고효율 장수명 하이브리드 탠덤 발광 소자 개발에 성공했다고 전했다.

페로브스카이트 발광체는 현재 디스플레이 소재로 사용되는 양자점 또는 OLED에 비해 제작 비용이 낮고, 색상을 조절하기 쉬우며, 색순도가 뛰어나 차세대 디스플레이 소재로서 큰 관심을 받고 있다 특히, 금속 할라이드 페로브스카이트 발광체는 현존하는 초고선명 텔레비전(UHD-TV) 색 표준을 만족하는 고색순도 발광 소재로 차세대 디스플레이 산업을 주도할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

하지만 아직 기존 유기발광소자(OLED) 에 비해 소자효율이 낮아 이를 더 개선할 필요가 있다. 현재 페로브스카이트 발광소자의 발광 효율은 28.9% 까지 도달한 상황이지만 단일 발광층으로는 한계가 있다.

이를 해결하는 방법 중 하나는 서로 다른 특성의 소자를 결합하는 탠덤(Tandem)구조를 이용하는 것이다. 탠덤 소자는 두 개 이상의 단일 소자를 적층한 소자구조로, 다수의 발광층에서 동시에 발광을 유도함으로써 소자 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 하지만 용액공정으로 제작하는 페로브스카이트의 특성상 다른 소자와 적층하는 것이 매우 까다롭고, 단순히 적층하는 것만으로는 높은 색순도와 발광 효율을 갖게하는 것이 어렵다.

연구팀은 용액공정으로 하단의 페로브스카이트 나노 결정 단일소자를 제작한 뒤 증착공정으로 상단의 유기 발광 단일소자를 제작하는 새로운 디자인으로 탠덤 구조 페로브스카이트 발광 소자 제작에 성공했다.

이는 페로브스카이트를 기반으로 탠덤 발광소자를 제작한 세계 최초의 연구결과다. 연구팀이 개발한 새로운 하이브리드 탠덤 소자는 페로브스카이트 상단 유기 발광층의 빛이 손실없이 모두 투과할 수 있도록 30나노미터 이하로 얇고 투명한 나노입자 발광체를 사용해 광추출 효율을 극대화했다. 또한 광학 시뮬레이션을 통해 고효율·고색순도를 동시 구현하는 최적의 소자구조를 발견하고 이를 'h-Tandem Valley' 라고 명명했다.

이를 기반으로 연구진은 최초로 발광효율 37%, 반치폭 27.3 나노미터(nm)의 고효율·고색순도 하이브리드 탠덤 페로브스카이트 발광소자를 개발했다. 개발한 소자의 구동 수명은 휘도 100니트(nit, cd/㎡, 칸델라/제곱미터)기준 5596 시간으로 페로브스카이트 단일 소자의 구동 수명인 1.8 시간에 비해 3천배 이상 향상됐다.

연구팀은 이 기술을 이용해 면적이 크고 유연한 발광 소자 제작에도 성공했다고 밝혀 향후 차세대 디스플레이 분야에서 페로브스카이트 발광 소재 상용화에도 기여할 것으로 전망된다.

이태우 교수는 “이번 연구는 서로 다른 발광 소자를 적층해 효율과 고색순도를 동시에 만족하도록 소자를 구성하는 가이드라인을 제시한 데 의의가 있다. 이를 기반으로 녹색뿐 아니라 청·적색 하이브리드 페로브스카이트 탠덤 소자를 개발해 풀컬러 하이브리드 탠덤 디스플레이 구현에 도전하겠다”라고 밝혔다.

과기정통부 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 16일 게재됐다.

*저 자 : 이태우 교수(교신저자/서울대학교), 이현동 박사(제1저자/서울대학교), 우승제 박사(제1저자/서울대학교), 김성진 박사과정(제1저자/서울대학교)