차세대 디스플레이 소재 페로브스카이트의 발광효율 극대화 방법 규명

[서울=뉴시스]김수연 인턴 기자 = 차세대 디스플레이 소재로 각광받는 페로브스카이트의 발광효율을 극대화할 방법이 서울대 연구진에 의해 규명됐다고 서울대 측이 27일 밝혔다. 본 연구 결과는 과학 전문지 'Nature'의 자매지 'Nature Communications'에 지난 23일 자로 게재됐다.

페로브스카이트 발광체는 합성 및 색조절의 용이성, 높은 색순도 및 발광효율 등의 장점으로 인해 디스플레이, 태양전지, 광검출기 등의 차세대 광전자 소재로 활발히 연구되고 있다.

이 연구는 서울대 물리천문학부 이탁희 교수와 재료공학부 강기훈 교수를 중심으로, 이정재 박사(서울대 지구환경과학부), 이태우 교수(서울대 재료공학부)가 공동 지도했으며 한국연구재단의 개인연구사업(중견연구, 리더연구), 서울대학교 기초과학연구원 자율중점연구소, 서울대학교 기초교육원 학부생연구지원프로그램의 지원으로 수행됐다.

더 선명하고 생동감 있는 최첨단 디스플레이 발광층으로 활용될 물질을 찾는 연구가 활발한 가운데, 금속 할라이드 페로브스카이트 발광체가 주목받고 있다. 금속 할라이드 페로브스카이트는 지구 내부에 존재하는 광물인 페로브스카이트 (CaTiO3)와 동일한 구조를 가지는 ABX3 (X=염소, 브롬, 요오드) 구조의 화합물이다. 하지만 페로브스카이트 소재는 현재 발광효율과 발광지속성이 상대적으로 낮아 이를 해결하려는 연구가 세계적으로 이뤄지고 있다.

발광효율과 지속성의 문제를 해결하기 위해 최근에는 페로브스카이트를 다른 물질과 이종구조(heterostructure)의 형태로 혼합하는 방식의 소재 개발이 주목받고 있다. 그러나 기존에 쓰이던 용액 합성법으로는 페로브스카이트 이종구조의 조성 및 구조적 배열의 조절이 어렵다는 단점이 있다.

이에 본 연구팀은 용액 합성법의 대안으로 기계화학적 합성법(mechanochemical synthesis)을 적용해, 발광효율이 극대화된 다차원의 세슘–납–브롬 물질로 이뤄진 페로브스카이트 이종구조의 배열 상태를 구현할 새로운 합성경로를 제시했다. 특히, 페로브스카이트 이종구조의 형성 과정을 합성 시간에 따라 분석한 결과 발광체가 절연체 호스트에 캡슐화된 구조에서 가장 높은 발광효율을 보였다. 이 합성법은 인체 및 환경에 해로운 용매의 사용이 없어 환경친화적이고, 높은 수율을 자랑하며, 대량 합성이 가능해 산업계에서 활용될 가능성을 지닌다.

이 논문의 제1저자인 서울대 물리천문학부 백경윤 학생은 "재료공학 분야에서 주목받는 물질에 대해 물리학적 관점에서 근본적인 물성을 탐구하는 연구를 함으로써 물리학의 응용 분야가 광범위하다는 것을 실감했다"는 소감을 밝혔으며 "강의실에서 접할 수 없는 실험 기자재들을 많이 다룰 수 있었던 뜻깊은 경험이었다"고 덧붙였다.

이번 연구를 공동지도한 강기훈 교수는 본 연구성과에 대해 "재료·물리·화학 분야 연구진들의 다양한 전문성과 과학적 시각의 시너지가 돋보인 다학제 간 연구 표본이라고 생각한다"며 "특히, 연구진들과 함께 의미 있는 연구적 성과를 낼 수 있어 기쁘고 감사하다"는 소감을 밝혔다.

이탁희 교수는 "이번 연구에서 다양한 구조와 조성의 페로브스카이트에 대해 발광효율을 극대화할 방법을 제시했으며 차세대 디스플레이 소재의 대량 생산 가능성을 제시했다"고 연구의의를 밝혔다.


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