한양대와 공동연구로 3D 나노결정 박막 구현… PeLED 외부양자효율 22.1% 달성

한국에너지공과대학교 연구진이 차세대 디스플레이 핵심 소재로 주목받는 페로브스카이트의 결정 구조를 정밀하게 제어하는 기술을 개발했다. KENTECH 에너지공학부 이승진 교수 연구팀은 한양대학교 이태경 교수 연구팀과 공동으로 페로브스카이트 발광다이오드의 성능과 안정성을 동시에 높일 수 있는 박막 제어 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 박막이 만들어지는 초기 단계의 시드 구조체를 조절해 일정한 방향으로 정렬된 3차원 나노결정 페로브스카이트 박막을 구현했다.

페로브스카이트는 선명하고 정확한 색을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 초고해상도 TV와 증강현실, 가상현실, 확장현실 기기처럼 넓은 색 표현력과 높은 밝기가 필요한 초실감 디스플레이 분야에서 활용 가능성이 큰 소재로 평가된다. 최근 초실감 디스플레이가 국가전략 산업으로 부각되면서 관련 핵심 소재 기술의 중요성도 커지고 있다.

다만 페로브스카이트는 실제 소자 제작 과정에서 원하는 결정 구조를 균일하게 형성하기 어렵다는 한계가 있었다. 용액 공정 중 결정이 빠르게 성장하면서 결정의 크기와 배열이 불규칙해지고, 의도하지 않은 상이나 결함 구조가 함께 생길 수 있기 때문이다. 이러한 비균일성은 발광 효율 저하와 수명 단축으로 이어져 소자 성능을 제한하는 요인으로 지적돼 왔다.

연구팀은 결정이 모두 성장한 뒤 조정하는 방식이 아니라, 나노결정이 처음 형성되는 초기 핵생성 단계에 주목했다. 박막 성장의 출발점이 되는 시드 구조체와 전구체의 화학적 환경을 정밀하게 제어함으로써 의도하지 않은 구조 형성을 억제하고, 상 안정성을 갖춘 고순도 3차원 나노결정이 일정한 방향성을 가지고 자라도록 유도했다.

제1저자인 정진주 KENTECH 대학원생은 루이스 산-염기 상호작용을 활용한 표면 리간드 전략을 통해 원치 않는 구조 형성을 억제하고, 더 작고 균일한 3차원 나노결정이 정렬돼 성장하도록 유도했다고 설명했다. 이를 통해 상 순도가 높은 3D 나노결정 박막을 형성할 수 있었다는 것이다.

자료에 제시된 연구 이미지는 초기 시드 프레임워크 제어를 통해 PbBr₄ 기반 2D 성장과 PbBr₃ 기반 고배향 3D 나노결정 페로브스카이트 박막 형성을 유도하는 과정을 보여준다. 또 루이스 산-염기 상호작용을 이용해 표면을 제어하는 전략도 함께 제시돼, 박막 형성 초기 단계의 화학적 조절이 결정 구조와 방향성에 영향을 주는 과정을 설명한다.

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연구 결과, 이번 방식으로 제조한 박막은 광발광 양자효율이 크게 향상됐고 100℃에서도 구조적·광학적 특성을 유지하는 높은 열적 상 안정성을 보였다. 이를 기반으로 제작한 페로브스카이트 발광다이오드는 최대 외부양자효율 22.1%를 달성했다. 또한 10,000 cd m-2의 고휘도 조건에서도 20% 이상의 외부양자효율을 유지해, 고휘도 구간에서 일반적으로 나타나는 효율 저하를 효과적으로 억제하는 성능을 확인했다. 이는 높은 밝기와 안정성이 동시에 요구되는 차세대 디스플레이 소자 개발에서 중요한 성과로 제시됐다.

이승진 KENTECH 교수는 이번 연구가 박막 형성의 출발점인 초기 결정 성장 단계에서부터 시드 구조를 설계해 원하는 결정 특성을 갖는 페로브스카이트 박막을 구현했다는 점에서 의미가 크다고 밝혔다. 연구팀은 이번 성과가 고효율·고안정성 페로브스카이트 발광소자 개발뿐 아니라 차세대 디스플레이와 다양한 페로브스카이트 기반 광전자 소자의 상용화 연구에 중요한 설계 원리를 제시할 것으로 기대하고 있다. 이번 연구는 한양대 이태경 교수 연구팀과의 공동연구로 수행됐으며, 연구 성과는 국제학술지 ‘Nano Energy’에 게재됐다. 논문명은 ‘Control over seed framework enables oriented 3D nanocrystalline perovskite films for light-emitting diodes’다.

이번 성과는 페로브스카이트 소재의 발광 효율과 안정성을 높이기 위해 박막 성장 초기 단계의 결정 구조를 제어한 연구로 정리된다. KENTECH 연구팀은 원하는 방향성과 구조를 갖는 3D 나노결정 박막 형성 기술을 통해 초실감 디스플레이용 PeLED 소자의 성능 향상 가능성을 제시했다.

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