차세대 디스플레이 핵심 소재로 주목받는 페로브스카이트를 대량 생산해 상용화할 수 있는 길이 열렸다. 품질 저하 없이 100% 발광효율로 생산할 수 있도록 기존 한계들을 성공적으로 극복했다.
과학기술정보통신부는 이태우 서울대 교수 연구팀이 페로브스카이트 나노결정을 발광효율 100% 유지 상태에서 대량 생산할 수 있는 새로운 합성 기술 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.
페로브스카이트는 유기발광다이오드(OLED)와 무기양자점발광다이오드(QLED)를 뛰어넘는 발광 성능이 장점이다. 초고해상도 TV를 비롯해 증강현실(AR)과 가상현실(VR) 등 같은 차세대 디스플레이에 활용이 기대되는 소재다.
제품화를 위해 나노결정 합성 방식으로 150℃ 이상 고온 용액에 소재를 주입하는 '핫 인젝션(Hot-injection)' 기술이 주로 사용되고 있으나, 화재 등 안전 위험이 있고 산소와 수분을 차단하기 위한 특수 설비가 필수적이다. 이를 대신해 상온에서 합성 가능한 기술이 제시되기도 했으나, 균일하고 고품질의 나노결정 확보가 어렵고 대량 생산 시 생산성과 품질이 급격히 저하되는 한계가 있다.
연구팀은 대량 생산 시 발생하는 품질 저하가 빠른 합성 속도에 따른 균일성 저하와 결정 결함에서 기인한다는 점에 주목했다. 이를 해결하기 위해 '저온 주입(Cold-injection)' 합성 기술을 개발했다.
저온 주입 합성 기술은 0℃ 부근 낮은 온도로 냉각한 리간드 용액에 페로브스카이트 전구체 용액을 주입해 '유사 유화(pseudo-emulsion)'라고 불리는 상태를 형성한 뒤 합성하는 방식이다. 나노결정 합성 속도를 효과적으로 제어해 결함 생성을 억제하고, 100%의 발광 효율을 가진 고품질 나노결정을 대량으로 생산할 수 있다.
연구팀은 교원 창업 기업인 에스엔 디스플레이와 협력해 대량 생산된 페로브스카이트 나노결정을 기반으로 색변환 필름을 제작하고, 실제 태블릿 디스플레이에 장착해 상용화 가능성을 검증했다.
이번 성과는 2014년 페로브스카이트 소재 연구 분야가 본격적으로 형성되기 이전에 연구팀이 확보한 원천 특허를 기반으로 하고 있다는 점에서 산업적 가치도 매우 높다.
OLED 핵심 소재 기술에 대한 특허료를 해외 기업에 지불하고 있지만, 향후 페로브스카이트 디스플레이가 본격 상용화되면 기술 종속 구조를 극복하고 차세대 디스플레이 시장 경쟁력 확보에 기여할 것으로 기대를 모은다.
이태우 교수는 “이번 연구 결과는 페로브스카이트 소재 상용화를 앞당기는 데 기여할 것”이라며 “향후 페로브스카이트 소재를 활용해 디스플레이 응용을 위한 고효율·고안정성 발광 소자 개발에 주력할 계획”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 '네이처(Nature)'에 19일 게재됐다. 지난달 네이처와 사이언스 본지에 서로 다른 디스플레이 핵심 기술에 관한 연구 성과 발표에 이은 발표로 한 연구팀이 단기간에 잇달아 성과를 거둔 것은 세계적으로도 매우 드문 사례다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
