왼쪽부터 서울대 이태우 교수, 서울대 Qingsen Zeng 연구교수

서울대학교 공과대학은 재료공학부 이태우 교수 연구팀이 에스엔디스플레이(대표 이태우)와의 공동연구를 통해 차세대 디스플레이를 위한 고효율·고안정성 페로브스카이트 나노결정 발광 입자 기술을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

이태우 교수팀은 금속 할라이드 페로브스카이트 발광체의 고질적인 불안정성 문제를 근본적으로 해결하면서도 세계 최고 수준의 발광 효율, 장기 안정성, 그리고 대면적 공정 확장성을 동시에 달성한 계층적 셸(hierarchical shell, HS) 기반 페로브스카이트 나노입자 기술을 개발했다.

이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 국제 학술지인 ‘사이언스(Science)’에 표지 논문으로 1월 15일자로 게재됐다.

인간이 인식하는 정보의 70% 이상이 시각을 통해 전달되는 만큼 디스플레이 기술은 오랫동안 현대 사회에서 가장 중요한 핵심 산업 중 하나로 인식돼 왔다. 

1990년대에는 일본이 글로벌 디스플레이 시장을 주도했으나 이후 한국은 LCD와 OLED 기술에 대한 공격적인 투자로 시장의 주도권을 확보해왔다. 

그러나 최근 중국 디스플레이 기업들이 정부 차원의 강력한 지원을 바탕으로 빠르게 시장 점유율을 확대하면서 OLED 기술 격차도 점차 좁혀지고 있다. 이러한 상황에서 기존 OLED를 넘어설 수 있는 근본적으로 새로운 차세대 디스플레이 기술 개발이 국가적·산업적 과제로 부상하고 있다.

이러한 배경에서 이태우 교수 연구팀이 2014년 원천 특허부터 시작해서 10여 년간 세계적으로 선도해 온 페로브스카이트 발광체는 차세대 디스플레이용 핵심 소재로 주목받고 있다. 

페로브스카이트는 유·무기 양이온, 중심 금속 양이온, 할라이드 음이온으로 구성된 이온 결정 구조를 가지며, 매우 높은 색순도, 우수한 광전자적 특성, 낮은 소재 비용, 그리고 용이한 파장 조절성이라는 장점을 지닌다. 

이러한 특성으로 인해 페로브스카이트 발광체는 초고해상도 TV는 물론, 증강현실(Artificial Reality, AR)과 가상현실(Virtual Reality, VR) 같은 차세대 디스플레이 응용 분야의 유력한 후보로 부상해왔다.

차세대 디스플레이를 구현하기 위해서는 기존 DCI-P3 대비 약 40% 확장된 색영역을 갖는 Rec. 2020 색 표준을 충족해야 한다. 그러나 기존 유기 발광체나 양자점은 각각 약 50nm 및 30nm 수준의 비교적 넓은 발광 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)을 가져 Rec. 2020 기준을 완전히 만족시키는 데 한계가 있다. 

반면 페로브스카이트 발광체는 약 20nm 수준의 본질적으로 매우 좁은 발광 반치폭(FWHM~20nm)을 가지며, Rec. 2020 색 표준을 충족할 수 있는 거의 유일한 발광 소재로 평가된다.

이러한 장점을 바탕으로 이태우 교수 연구팀은 지난 10여 년간 페로브스카이트 발광다이오드(Perovskite Light Emitting Diode, PeLED) 분야를 세계적으로 선도해왔다. 

2014년 상온에서 PeLED의 외부발광효율은 0.1% 수준이었지만 단 1년 만에 8.53%로 끌어올려 2015년 ‘사이언스(Science)’에 보고했다. 이 분야에서 최초의 고효율 페로브스카이트 LED 논문으로 평가돼 3100번 이상 인용됐다. 

이후 고효율 페로브스카이트 나노결정 발광 입자를 도입해 소자 효율을 20% 이상으로 향상 시켰다(Nature Photonics, 2021. Nature Nanotechnology, 2022). 나아가 2022년에는 이론적 한계에 근접한 28.9%의 외부양자효율과 47만nit의 밝기 그리고 약 3만 시간에 달하는 동작 수명을 동시에 달성한 PeLED를 ‘네이처(Nature)’에 보고함으로써 전기 구동형 페로브스카이트 소자의 상용 가능성을 입증했다.

이번 연구는 이러한 소자 수준의 성과를 넘어 광 변환(down-conversion) 방식 디스플레이에 필수적인 고체 상태 페로브스카이트 발광체의 근본적 한계를 해결하는 데 초점을 맞췄다. 

실제 디스플레이 및 조명 시스템, 특히 청색 광원을 기반으로 한 색 변환 구조에서는 발광체가 강한 흡광도와 높은 광발광 양자효율(Photoluminescence Quantum Yield, PLQY)을 동시에 가져야 하며, 이 두 요소의 곱으로 정의되는 외부양자효율(External Quantum Yield, EQY)이 전체 광 변환 효율을 결정한다. 

그러나 대부분의 고체 발광체는 농도를 높여 흡광도를 증가시키는 과정에서 농도 소광(concentration quenching)과 자기 흡수(self-absorption)로 인한 비방사 손실(non-radiative loss)이 발생해 발광체의 종류에 상관없이 EQY가 약 65% 이하로 제한돼 왔다.

페로브스카이트 나노입자는 높은 흡광 계수와 뛰어난 색순도로 인해 고체 발광체로서 이상적인 후보로 평가되며, 용액 상태에서는 95% 이상의 PLQY를 나타낼 수 있다. 하지만 연성 이온 격자(soft ionic lattice)와 화학적으로 불안정한 표면 특성으로 인해 빛·열·수분·산소와 같은 작동 환경 스트레스에 취약해 고체 박막에서는 PLQY가 급격히 감소하고 수명이 짧아지는 문제가 있다.

이를 근본적으로 해결하기 위해 이태우 교수 연구팀은 PbSO₄, SiO₂, 고분자층이 상호 결합된 계층적 셸 구조(hierarchical shell, HS)를 도입한 새로운 안정화 전략을 개발했다. 

이 구조는 기존의 약한 표면 리간드 결합이나 단순 캡슐화 방식과 달리 페로브스카이트의 격자와 표면을 화학적으로 동시에 고정함으로써 빛과 열, 수분에 의해 촉진되는 격자 연화(lattice softening), 이온 이동(ion migration), 계면 반응을 효과적으로 억제한다.

그 결과, 계층적 셸이 적용된 페로브스카이트 나노입자(HS-PeNC) 박막은 약 100%의 PLQY를 달성함과 동시에 60°C 및 상대습도 90%의 가속 열·습도 환경에서 최초 PLQY의 T90 수명(초기 PLQY의 90% 수준으로 감소하는 데 걸리는 시간) 3900시간, 연속 청색광 조사 조건에서는 2만7234시간으로 외삽되는 T90 수명을 기록했다. 

이러한 성능은 기존 페로브스카이트 나노입자뿐만 아니라 모든 고체 발광체 가운데 최고 수준으로, 상용 디스플레이의 안정성 기준을 크게 상회한다. 또한 거의 100%에 가까운 PLQY로 인해 자기 흡수 손실이 광자 재순환(photon recycling)으로 전환되면서 고체 박막의 EQY는 91.4%에 달해 형광체, 유기 발광체, 양자점, 탄소점, 금속 나노클러스터, 기타 할라이드 페로브스카이트를 모두 능가하는 최고 기록을 달성했다.

계층적 셸 구조는 우수한 광특성 뿐 아니라 환경 안전성과 공정 적합성도 함께 확보했다. 계층적 셸 구조는 수중에서 Pb²⁺ 용출(leakage)을 효과적으로 차단했으며, 생체 세포 독성 평가 결과에서도 일반적인 폴리스티렌 배양 기판과 유사한 수준의 건강한 세포 증식을 보였다. 

또한 잉크젯 프린팅과 고해상도 포토리소그래피 공정과의 뛰어난 호환성을 바탕으로 3500PPI 이상의 초고해상도 패터닝이 가능해 차세대 마이크로 LED 및 AR·VR 디스플레이에 적용할 수 있음을 입증했다.

아울러 이 기술은 대면적 양산 가능성도 확인했다. 서울대학교의 지원으로 이태우 교수가 공동 설립한 에스엔디스플레이와의 협력을 통해 1.5m 폭과 10m 길이 규모의 롤투롤 공정 라인을 이용한 균일한 페로브스카이트 나노입자 색변환 필름 제작에 성공했다. 

이를 바탕으로 10.1인치 태블릿, 28인치 및 32인치 모니터, 43인치 및 75인치 TV 시제품을 제작했으며, 모든 디스플레이에서 균일한 밝기와 선명한 색 재현을 확인했다. 이들 시제품은 Rec. 2020 기준 대비 97% 이상(면적 기준)의 색 영역 면적 비율을 달성해 상용 LCD, InP 양자점, OLED 디스플레이를 능가하는 성능을 보였다.

이태우 교수는 “페로브스카이트 나노결정 발광체의 연성 격자와 불안정한 표면을 동시에 고정하는 계층적 셸 구조를 통해 거의 완벽한 발광 효율과 상용화 수준의 장기 안정성을 동시에 달성할 수 있었다”며 “이번 성과는 페로브스카이트 발광체가 연구실 수준을 넘어 차세대 고색 재현 디스플레이 산업을 이끌 핵심 기술로 자리매김할 수 있음을 보여준다”고 밝혔다.

연구는 서울대학교를 중심으로 SN Display Co., Ltd., Imperial College London, University of Cambridge, 한양대학교, KAIST, University of Tennessee, Universidad de Valencia, PEROLED Co., Ltd.와의 공동 연구로 수행됐다.

한편 논문의 제1저자인 Qingsen Zeng 박사는 서울대학교 재료공학부 조교수급 연구교수로 이태우 교수 연구팀에서 근무하고 있다. 색 변환 디스플레이, 단일광자 발광체, 페로브스카이트 초격자 LED 등 할라이드 페로브스카이트 나노입자 기반 발광 소재 연구를 수행하고 있다.