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  • 기사등록 2020-10-13 12:00:02
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[기계신문] 디스플레이 소자는 TV나 스마트폰 등 IT 산업의 필수품으로 디스플레이 기술이 날로 진화하고 있는 가운데 LCD(Liquid Crystal Display)를 거쳐 현재 OLED(Organic LED)가 최신 디스플레이 소자로 알려져 있다.


하지만 이들의 발광선폭은 30nm 이상이기 때문에 천연색을 그대로 구현하기 위해서는 발광 선폭이 좁은 새로운 발광체의 개발이 필요하다. 이 때문에 차세대 물질로 ‘페로브스카이트(Perovskite)’가 대두되고 있다.


페로브스카이트는 유·무기 복합구조를 가지는 재료로 그간 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지 소재로 각광받아 왔다. 이 물질은 태양전지의 원리를 역으로 이용해 전기에너지를 받아 빛을 내는 발광소자로도 쓸 수 있다.


하지만 아직 청색광 효율이 낮아 상용화를 위해서는 이 문제를 해결해야 한다. 페로브스카이트 발광소자에서 청색광을 얻기 위해서 할로겐 원소 혼합을 하는데, 소자 구동 시 할로겐 원소의 이동 및 분리 현상으로 인한 발광 피크(Peak)의 변화 및 발광 반치폭(발광 피크를 기준으로 반을 나눈 폭) 확장 문제(색 순도 저하)가 생긴다.


그런데 최근 UNIST 송명훈·곽상규 교수와 고려대학교 화학과 우한영 교수 공동 연구팀이 청색광을 발산하는 ‘페로브스카이트 발광소자(Perovskite LEDs, 이하 PeLED)’를 개발했다. 연구팀이 개발한 페로브스카이트 발광소자는 청색광을 만드는 효율이 기존 대비 3배 이상 높고 색 순도가 높아 또렷한 푸른색 구현이 가능하다.



▲ 청색 페로브스카이트 발광소자(PeLED) 발광 이미지 및 공액 고분자 전해질 분자 구조



발광소자는 TV나 휴대폰에서 색상을 구현하는 장치다. PeLED는 색상 구현 물질로 페로브스카이트를 쓴다. 페로브스카이트는 이온(ion)을 품고 있는 물질로 이온 종류를 바꾸는 방식으로 여러 가지 색상을 만들 수 있다.


하지만 청색 PeLED는 전기에너지를 빛으로 바꾸는 효율이 10%밖에 되지 않아 전력소모가 많다. 빨강이나 녹색의 절반에도 못 미친다. 또 청색 PeLED를 구현하기 위해 첨가하는 이온 때문에 색 순도가 시간이 지남에 따라 떨어지는 문제가 있다. 또렷한 청색이 아닌 다른 색상이 섞여 나온다.


연구팀은 페브스카이트 물질을 복잡하게 조작하는 방식 아닌 인접한 물질을 바꿔 소자의 성능을 향상시키는 획기적인 방법을 썼다. 발광 소자 내에서 페로브스카이트와 인접한 ‘정공수송층’ 물질을 바꾼 것이다.



▲ 존에 정공 수송 층으로 주로 사용되는 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 대비 공액 고분자 전해질을 사용한 페로브스카이트 발광소자의 발광 스펙트럼이 안정되었다.



페로브스카이트 소자를 만들 때 공정이 단순해져 가격적인 측면에서도 유리하다. 새롭게 합성한 유기물을 정공 수송층로 썼을 때 기존 발광소자 대비 3~4배 정도 효율이 향상됐고, 색 순도를 나타내는 지표인 ‘전계발광 스펙트럼’도 크게 안정됐다.


장충현 연구원은 “이번 연구는 청색 PeLED의 근원적인 문제를 페로브스카이트 발광층 자체가 아닌 페로브스카이트와 정공수송층 간의 계면(서로 다른 물질의 경계면) 성질 변화로 해결했다는 점에서 의의가 크다”고 설명했다.


연구팀은 PeLED 소자에 쓰이는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 대신해 ‘공액 고분자 전해질’을 정공수송층으로 썼다. 정공수송층을 이 물질로 바꿨을 때 페로브스카이트입체 구조의 규칙성(결정성)이 좋아지고 계면에서 결함이 줄어 발광소자가 전기를 빛으로 바꾸는 효율이 크게 향상됐다.


또, 공액 고분자 전해질을 구성하는 곁가지 이온의 크기가 클수록 페로브스카이트 물질이 뚜렷한 결정성을 갖고 계면에 결함이 적은 것을 확인했다.



▲ 공액 고분자 전해질의 곁가지 이온 크기에 따른 흡착력 계산 결과. DFT 계산을 통해 이온 크기가 커짐에 따라 흡착력이 증가하는 것을 확인하였다.



송명훈 교수는 “PeLED는 6년이라는 짧은 시간 동안 OLED 수준의 효율을 구현했지만, 청색광 효율이 10% 수준이었다”며 “이번 연구를 통해 소자 효율과 색 순도 문제가 동시에 개선돼 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.


공액 고분자 전해질 개발을 통해 결정성과 계면 특성이 개선된 청색 페로브스카이트 발광소자는 높은 효율과 안정한 스펙트럼의 청색 디스플레이를 제작하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.


특히 결정성과 계면 특성을 구체적으로 분석하게 됨으로써 청색 페로브스카이트 발광소자의 결정성과 계면 특성 향상에 도움이 될 전망이다. 이는 향후 청색 페로브스카이트 발광소자의 효율과 스펙트럼 안정성을 향상시킬 수 있는 길을 제시했다는 데 큰 의미가 있다.


한편, 이번 연구 결과는 나노 분야 국제학술지 ‘에이시에스 나노(ACS Nano)’ 9월 10일자 온라인으로 공개됐으며, 연구 수행은 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업, 미래소재원천기술개발사업과 고려대학교 이공학학술연구기반구축 연구사업 그리고 LGD-고려대학교 Incubation Program을 통해 이뤄졌다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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