이태우 교수팀, 인광 OLED 효율 수준의 저가 고색순도 페로브스카이트 발광다이오드 발표

대학소식

이태우 교수팀, 인광 OLED 효율 수준의 저가 고색순도 페로브스카이트 발광다이오드 발표

2015-12-04 1,611

‘Next LED’, 천연색 감성 품은 페로브스카이트 발광 소자 (PeLED) “온다”

21세기 가전시장은 소비전력이 낮고 효율이 높아 조명을 비롯하여 TV, 휴대폰 등 디스플레이에 폭넓게 활용되는 LED(발광다이오드)가 주도하는 ‘LED 시대’다. 보다 저렴하면서도 전력을 적게 소비하는 LED 개발을 위해 다양한 화합물들이 고안되고 있는 가운데, 미래 태양전지 소재로 각광을 받고 있는 유무기 페로브스카이트 소재를 이용한 LED, PeLED의 상용화 기술이 국내 연구진이 주도한 공동연구팀을 통해 발표됐다.

현재 이용 중인 LED에 비해 소재의 가격이 낮은 것은 물론 색순도^*1가 높아 감성을 자극할 천연색 이미지 구현이 가능해 산업계의 기대를 높이고 있다.

신소재공학과 이태우 교수팀은 영국 케임브리지대학 R. H. Friend 교수팀, 경희대 임상혁 교수팀, GIST 이창렬, 명노성 박사, KAIST 유승협 교수와 함께 그동안 태양전지 소재로서 경쟁적으로 연구되어온 페로브스카이트 소재를 이용한 발광 다이오드의 발광 효율의 기존 한계를 극복하는 기술을 발표했다.

인광 OLED나 QD-LED(양자점 발광 다이오드)와 비슷한 수준의 효율을 가진 PeLED(페로브스카이트 LED)를 세계 최초로 구현하는데 성공한 이 성과는 과학 분야 세계 최고의 권위지 Science 4일자를 통해 발표됐으며, 지금까지 낮은 효율로 상용화가 어려운 것으로 알려졌던 PeLED의 본격적인 시대를 연 것으로 평가받고 있다.

이미 다양한 제품으로 제조되어 잘 알려진 OLED는 발광효율은 좋지만 발광체 소재의 가격이 비싸고 색 조절 과정이 복잡한데다 색순도와 전하이동도도 낮다는 단점을 가지고 있어 높은 효율을 가지고 있으면서도 더 우수한 색순도를 구현할 수 있고 저가로 생산할 수 있는 새로운 LED 개발이 필요한 상황이다.

페로브스카이트는 태양전지 소재로서는 최근 3년간 특허 출원 증가율이 연평균 120%에 달할 정도로 많은 관심을 모으고 있지만, LED로서는 발광 세기나 효율이 낮아 페로브스카이트를 이용해 LED를 만들려는 관심은 상대적으로 매우 낮은 편이었다. 이는 페로브스카이트에서 형성된 엑시톤^*2의 결합에너지가 낮아 상온에서 전하로 분리되며 쉽게 소멸되는 특성 때문이다. 이러한 특성은, 태양전지로는 유용하게 활용될 수 있지만 LED에서는 발광 효율을 크게 저해하는 한계점으로 작용한다.

하지만 이 소재는 OLED나 QD-LED에 비해 재료가격이 약 1/10 수준인데다 OLED에 비해 훨씬 높은 색순도를 가지고 있어 천연색의 이미지를 구현할 수 있는 차세대 디스플레이 소재로서의 가능성을 가지고 있다.

연구팀은 균일하지 않은 페로브스카이트 발광층과, 엑시톤 확산거리에 영향을 주는 결정입자(grain)가 큰 점, 박막 속에서 금속성 납 원자가 형성되는 점을 발광효율을 낮추는 요소로 판단했다. 이를 해결하기 위해 “나노결정 고정화”라는 새로운 박막 형성 공정을 개발, 박막을 균일하고 평평하게 하면서 결정입자의 크기는 크게 줄였고, 박막 형성 시 화학양적 조절을 통해 납 원자의 형성도 막아 발광 효율을 낮추는 요소를 없앴다.

이를 통해 연구팀은 PeLED의 발광 효율을 대폭 향상시키는 한편 대면적(2cm X 2cm 픽셀)의 PeLED를 최초로 구현하는데 성공함으로써, 고효율 PeLED의 저가 대량 생산의 가능성을 제시했다. 이렇게 만들어진 PeLED는 반치폭이 ~20nm에 이르는 높은 색순도를 가지고 있으며 물질 합성과정이나 색 조절이 아주 간단하기 때문에 기존에 사용되어온 LED나 QD-LED를 효과적으로 대체하는 차세대 디스플레이로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 POSTECH 이태우 교수는 “이번 연구는 상온에서 쉽게 발광이 소멸되는 현상 때문에 상용화 가능한 수준의 발광 효율을 보이는 소자를 구현하는 것이 어려운 것으로 알려져 그간 주목받지 못했던 PeLED가 상용화된 OLED에 아주 근접한 효율을 처음으로 보여준 결과”라며 “기존 OLED보다 색순도가 우수하기 때문에 앞으로 고색순도 저비용 디스플레이와 조명산업에 큰 영향을 줄 것”이라고 설명했다.

이 교수는 또, “이번 연구로 페로브스카이트 반도체 소재가 태양전지 뿐만 아니라 다른 주요 광전자소자에서도 성능이 우수할 수 있다는 가능성에 대해서 전 세계 연구자들의 큰 관심을 이끌어낼 수 있으며, 우리나라 연구자들이 연구를 주도한 만큼 앞으로 우리나라가 OLED의 다음 세대 디스플레이 및 조명 기술로 각광 받는 PeLED 분야에서 선구자적 역할을 할 수 있을 것”이라고 전망을 밝혔다.

한편, 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터(SRFC-MA1402-07)의 지원을 받아 수행됐다.

1. 색순도

발현된 색이 원색과 얼마나 가까운지를 나타내는 말로, 색순도가 좋을수록 원색에 가깝다. 발광 스펙트럼의 중간 위치에서의 넓이(반치폭)으로 색순도를 평가할 수 있다. 디스플레이에서는 빨강, 녹색, 파랑 삼원색을 사용하여 구현할 수 있는 색의 영역이 정해지기 때문에 색순도가 좋은 삼원색을 사용해야 천연색에 가까운 이미지를 구현할 수 있다.

2. 엑시톤

절연체나 반도체에 있어서 전도대(conduction band)에 여기(勵起)된 전자(電子)와 가전자대(valence band)에 남아 있는 정공이 쿨롱 인력으로 결합하여 1쌍이 되어 있는 중성의 준입자(準粒子)를 형성한 것. 엑시톤은 여기자(勵起子)라고도 한다.