서울대 공대 재료공학부 이태우 교수 연구팀(김호범 박사, 김주성 연구원, 허정민 연구원)이 차세대 디스플레이 소재로 각광받을 발광 다이오드(LED)를 개발했다.

3D-2D 하이브리드 페로브스카이트 소재를 발광체로 적용한 이 LED는 기존 30분에 불과한 수명을 획기적으로 13시간 이상 연장시키고 실제 사물과 가장 유사한 천연색의 이미지를 구현해낼 수 있다.

현재 상용화 되어있는 유기 발광 다이오드(OLED)를 이을 차세대 발광 다이오드(LED)에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다. 페로브스카이트는 가장 유망한 발광 소재 중 하나로 손 꼽힌다. 기존 발광 소재들에 비해 낮은 가격으로 생산이 가능하다는 점과 높은 색순도를 가지고 있어 실제 사물과 가장 유사한 천연색의 이미지 구현이 가능하다는 장점을 바탕으로 차세대 디스플레이 소재로서 산업계로부터 크게 주목받고 있다.

페로브스카이트 LED는 관련 연구의 첫 발표 이래 5년이라는 짧은 시간 안에 인광 OLED 및 양자점 발광 다이오드(QDLED) 수준의 효율을 보고했다. 그러나 3차원 페로브스카이트 LED의 짧은 수명은 향후 상용화를 위해 반드시 극복돼야 하는 문제점으로 지적됐으나 최근까지 명확한 원인과 해결 방안이 제시되지 않았다.

페로브스카이트는 기본적으로 유기 분자, 금속 및 할로겐 원소로 구성(그림 a*에서 각각 A, M, X로 표시된 위치)되며 일반적으로 3차원 구조의 격자 배열을 가지는 반도체 소재이다. 이 소재는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환할 수 있는 특성 때문에 LED의 발광체로 적용될 수 있다.

*(a) 3차원 페로브스카이트 및 3D-2D 하이브리드 페로브스카이트의 격자 구조와 (b)이온 마이그레이션 억제 메커니즘. (c)개발된 페로브스카이트 LED의 소자 구조. (d)3차원 페로브스카이트 LED에 비해 크게 향상된 3D-2D 하이브리드 페로브스카이트 LED의 효율. (e)수명 및 크게 감소한 작동 중 발광 오버슈팅.

이 교수팀은 3차원 페로브스카이트 LED가 짧은 수명을 가지는 원인으로 페로브스카이트 격자 내 A 자리에 위치하는 유기 분자(메틸암모늄)의 높은 회전 자유도를 지적했다. 더불어 이는 발광체 내의 결함 형성 및 이온 결함 이동(이온 마이그레이션)을 가속하기 때문에 페로브스카이트 LED의 수명을 단축시키는 요소라고 밝혔다.

이 문제를 극복하기 위해 이 교수팀은 3차원 페로브스카이트 전구체에 중성 분자(벤질아민)를 첨가함으로써 유기 분자 간 수소이온 (H+) 교환을 유도해 3차원 및 2차원 페로브스카이트가 공존하는 3D-2D 하이브리드 페로브스카이트 발광체를 개발해냈다.

3D-2D 하이브리드 페로브스카이트 격자 내 A 자리에 새로 도입된 유기 분자(벤질암모늄)는 기존 유기 분자(메틸암모늄)에 비해 훨씬 낮은 회전 자유도를 가지기 때문에 결함 형성을 억제하여 결함 밀도를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 이온 마이그레이션 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한 이 교수팀은 페로브스카이트 LED 수명에 치명적인 ‘작동 중 발광 오버슈팅’ 현상을 이온 마이그레이션 현상과 관련 짓고 이를 정량화함으로써 페로브스카이트 LED의 수명을 평가하는 새로운 척도를 제시했다.

이러한 효과들을 바탕으로 13시간 이상 작동이 가능한 LED 소자 결과를 보고했으며 이는 기존 약 30분의 수명을 유지하는 3차원 페로브스카이트 LED에 비해 획기적으로 개선된 결과이다.

이태우 교수는 “페로브스카이트 발광체의 차원 조절을 통해 페로브스카이트 LED의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있는 방안을 제시했다”며 “이 연구가 페로브스카이트 광전자 소자 수명 증가에 가이드라인이 될 뿐만 아니라 더 나아가 페로브스카이트 LED를 차세대 디스플레이로써 상용화에 한 발짝 더 다가갈 수 있도록 기여할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

이 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 세계적으로 저명한 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 7월 6일 자로 온라인 게재됐다.