왼쪽부터 서울대 이태우 교수, 김주성 박사과정, 허정민 박사과정. 서울대 제공차세대 디스플레이 소재로 주목받은 '페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)'의 최고 효율 기록을 경신하는 한편, 그간 짧은 수명 문제로 상용화는 어려울 것이란 고정관념을 깨는 연구 결과가 나왔다.
10일 서울대학교 공과대학(학장 홍유석)에 따르면 재료공학부 이태우 교수 연구팀은 PeLED의 세계 최고 효율을 기록하고, 밝기와 수명도 동시에 만족하는 방법을 규명했다. 연구 결과는 국제 과학 학술지 '네이처'에 지난 9일 자로 게재됐다.
PeLED는 페로브스카이트를 발광 소재(빛을 내는 물질)로 사용하는 LED 종류다. 합성 및 색조절의 용이성, 높은 색순도 및 발광효율 등의 장점으로 인해 디스플레이, 태양전지, 광검출기 등의 차세대 광전자 소재로 활발히 연구되고 있다.
현재까지 보고된 페로브스카이트 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 비카드뮴 양자점 발광 다이오드의 최대 휘도 및 효율 트렌드 그래프(a). 페로브스카이트 발광 다이오드의 어둠 속(좌측) 및 조명 하(우측)에서의 초고휘도 거동 사진(b). 2022 Spinger Nature 제공현재 유기 발광다이오드(OLED), 퀀텀닷 발광다이오드(QLED)보다 생산단가가 낮고 정교한 색구현이 가능하다는 장점이 있다.
하지만 PeLED는 세계적인 연구그룹의 노력에도 수년 간 구동 수명이 수백 시간 이내 수준에 머물러, 상용화 불가능한 실험실 수준의 소재로 여겨졌다.
이태우 교수 연구팀은 페로브스카이트 결정을 10나노미터 수준까지 쪼개 짧은 절연체로 나노입자를 박막형성 중에 합성하는 '인-시츄 코어/쉘 나노입자' 합성 방법을 제시했다. 이를 통해 PeLED의 효율을 이론상 가능한 최대 수준인 28.9%로 끌어올리면서도, 가장 큰 한계점으로 꼽혀 왔던 짧은 수명을 크게 개선해 기존보다 약 100배에 달하는 약 3만 시간의 세계 최고 구동 수명을 보고했다.
인 시츄 나노입자 합성 모식도(a). 인-시츄 나노입자 합성 과정에 따른 페로브스카이트 나노입자의 투과전자현미경 이미지(b). 2022 Spinger Nature 제공이태우 교수는 "페로브스카이트 발광 다이오드의 발광효율과 밝기, 수명을 한꺼번에 획기적으로 향상시킬 방안을 제시했다"며 "페로브스카이트 발광 다이오드가 단순한 실험실 수준의 소재로 국한되지 않고 상용화될 수 있다는 점을 보여줬다"고 밝혔다.
해당 연구는 서울대학교를 주축으로 영국 캠브리지 대학과 페롤레드 주식회사와 공동연구로 수행됐다.