태양전지, 광검출기, LED 등 다양한 차세대 광전소자에 적용할 수 있는 물질로 주목을 받는 할라이드(할로젠화물) 페로브스카이트는 ‘Rec. 2020’이라는 디스플레이의 색 좌표 기준을 100% 만족할 수 있는 유일한 물질이다.
문제는 우수한 성능에도 진청색 페로브스카이트 LED의 경우에는 현저히 낮은 효율과 낮은 밝기를 보인다는 데 있다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 진청색 페로브스카이트 LED에서 보이는 색상 불안정성 문제를 해결하면서도 높은 밝기를 갖는 기술을 개발했다.
KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 이정용 교수 연구팀이 높은 색순도로 인해 차세대 디스플레이로 주목받는 진청색 페로브스카이트 LED의 구동 전압에 따라 변화하는 색 변화 문제와 낮은 밝기 문제를 획기적으로 해결했다고 10일 발표했다.
이정용 교수 연구팀은 점차 고색순도를 요구하고 있는 디스플레이 업계의 요구에 따라 높은 색순도를 갖는 것으로 알려진 페로브스카이트 LED 중 진청색 LED의 고질적 문제점들을 효과적으로 해결하는 기술을 내놓았다.
서로 다른 종류의 이온들을 혼합해 만드는 진청색 LED의 경우 구동 전압의 크기에 따라 색이 변화하는 문제점과 상용화에 가장 중요한 지표인 밝기가 낮다는 문제점을 해결해야만 상용화에 조금 더 다가갈 수 있는 상황이었다.
이정용 교수 연구팀은 염화이온 공석 타깃 리간드 전략(염화이온 공석만을 특정해 이를 효과적으로 제거할 수 있는 리간드 전략을 디자인해 적용)을 사용해 이러한 문제점을 획기적으로 해결할 수 있었다.
이를 기반으로 진청색 페로브스카이트 LED의 고질적 문제점을 해결할 수 있는 인사이트를 제시함으로써 상용화에 한층 더 가까이 갈 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 색 불안정성을 유발하는 원인인 이온 이동에 의한 상 분리 현상을 일으키는 할라이드 이온 통로(할라이드 이온들이 페로브스카이트 격자 내부를 이동할 수 있는 통로 역할을 하는 할라이드 공석(vacancy))를 표적으로 해 막을 수 있는 물질을 선택하고 전략적으로 해당 통로를 막음으로써, 이온 이동을 효과적으로 억제했다.
해당 전략을 적용할 수 있는 물질의 후보군을 선택해 탄소 사슬의 길이 변화에 따른 성능변화 경향과 색 안정성 경향도 함께 보여 진청색 페로브스카이트 LED의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 관점을 제시했다.
연구팀은 해당 연구를 통해, 지금까지 보고된 진청색 페로브스카이트 LED 성능 중에서 가장 높은 수준의 밝기(2700 nit)를 만들었다. 햇빛이 강하게 내리비치는 야외 조명환경에서 디스플레이가 잘 보이지 않는 야외시인성 문제를 해결할 수 있는 수준이다.
높은 밝기를 갖는 진청색 페로브스카이트 LED를 제작해 해당 차세대 페로브스카이트 디스플레이의 상용화를 한층 더 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
제1 저자인 이승재 박사과정생은 "서로 다른 할라이드 이온들을 혼합해 만드는 진청색 페로브스카이트 LED의 고질적인 색 불안정성 문제를 효과적으로 해결한 연구ˮ라며 "동시에 최근 스마트폰에서 요구하는 최대 밝기인 2000니트(nit) 이상의 높은 밝기를 갖는 우수한 진청색 페로브스카이트 LED를 제작해 이미 높은 수준을 보이는 녹색과 적색 LED와 격차를 한층 더 줄임으로써 RGB 디스플레이에 적용할 수 있는 가능성을 열었다ˮ고 말했다.
KAIST 전기및전자공학부 이승재 박사과정, 김준호 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구(논문명 : Brightening deep-blue perovskite light-emitting diodes: A path to Rec. 2020)는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’2024년 5월 온라인판에 출판됐다.
