이화여자대학교(총장 최경희)는 김동하(사진) 교수팀이 신소재를 활용한 고효율 디스플레이소자 개발에 성공했다고 18일 밝혔다.

이화여대에 따르면 이 대학 화학·나노과학전공 김 교수 연구진이 페로브스카이트 신소재를 활용하여 고효율의 디스플레이소자를 개발한 연구 결과 영국에서 발행되는 나노 과학 분야의 세계적 권위지인 '네이쳐 나노테크놀로지'에 6월 27일자로 온라인에 공개됐다. 이 연구는 김 교수 연구진의 석박사통합과정 전리나 학생이 주저자로 참여하고 캐나다 토론토 대학의 에드워드 사전트 (Edward H. Sargent) 교수 연구진과 공동으로 수행됐다.

차세대 에너지 신소재로 각광받고 있는 페로브스카이트는 러시아 과학자인 페로브스키를 기념하여 명명된 화합물이다. 천연광물인 CaTiO3와 같은 3차원 결정 구조를 갖고 있는 AMX3 유형의 화합물이며 여기서 A, M은 금속 양이온이고 X는 할로겐화물 또는 산화물을 포함하는 음이온이다.

김 교수팀 연구에서는 기존 3차원 구조의 AMX3 페로브스카이트에서 크기가 비교적 작은 양이온 A (methylammonium)와 함께 크기가 큰 양이온 A' (phenylethylammonium)을 도입하고 화학 양적 제어를 통하여 차원을 제어하고 발광다이오드 (LED) 소자에 적용하였다. 한편 동 연구진은 같은 개념을 적용하여 최근 안정적이고도 고효율의 페로브스카이트 태양전지에 관한 연구 결과를 '미국 화학회지'에 게재한 바 있다.

기존의 3차원 구조 유·무기 하이브리드 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하고 전하 운반능력이 뛰어난 우수한 전기적 성질을 갖고 있다. 하지만 상온에서 엑시톤 (전자와 홀 쌍) 결합에너지가 작고 발광효율이 낮은 한계가 있다. 이러한 성질은 태양전지로는 유용하게 활용되고 있지만 LED에서는 발광 효율을 저해하는 한계점으로 작용된다. 주목할 만 한 점은 차원 제어 페로브스카이트의 향상된 엑시톤 결합 에너지 및 에너지 전달로 인한 발광 효율 증가로 이러한 한계점을 극복할 수가 있게 되었다.

페로브스카이트 기반 LED는 일반 LED와 OLED에 사용되는 소재보다 저렴하고 높은 색순도를 가지고 있어 천연색의 이미지를 구현할 수 있는 차세대 디스플레이 소재로서의 가능성을 가지고 있다.

본 연구에서는 페로브스카이트의 차원 제어 공정 개발을 통해 엑시톤 결합에너지 제어 및 박막 내 페로브스카이트 결정 사이에서의 에너지 전달을 효과적으로 제어함으로써 소재의 발광효율을 극대화하였다. 본 연구로 광휘 (radiance)가 80 Wsr-1m-2 에 달하고 외부 양자 효율 (EQE)이 8.8%에 달하는 근적외선에서 빛을 발생하는 결과를 도출하였으며 이는 전 세계적으로 보고된 페로브스카이트 기반 LED 중에서 가장 우수한 결과이다.

김 교수는 "이번 연구는 차원 제어를 통한 페로브스카이트 신소재를 개발함으로써 기존 페로브스카이트 기반 LED 및 태양전지의 한계를 극복할 수 있는 공정을 제시한 데 의미가 있고 이는 향후 자외선에서 가시광선 영역 대에서의 페로브스카이트 LED 개발 및 대면적 디스플레이 소자 개발의 가능성을 열어두었다"고 말했다.