한국에너지공과대학교(이하'켄텍')는 이승찬 에너지공학부 교수 연구팀이 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED) 성능과 안정성을 동시에 높일 수 있는 박막 제어 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.
연구팀은 박막이 만들어지는 초기 단계의 시드(seed) 구조체를 정밀하게 조절해 일정한 방향으로 정렬된 3차원(3D) 나노결정 페로브스카이트 박막을 구현했다.
페로브스카이트는 매우 선명하고 정확한 색을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이의 핵심 소재로 주목받고 있다. 초고해상도 TV를 비롯해 증강현실(AR), 가상현실(VR), 확장현실(XR) 기기 같은 초실감 디스플레이 분야에서 활용 가능성이 큰 소재다.
그러나 페로브스카이트는 실제 소자 제작 과정에서 원하는 결정 구조를 균일하게 형성하기가 쉽지 않다. 용액 공정 중 결정이 빠르게 성장하면서 결정의 크기와 배열이 불규칙해지고, 의도하지 않은 상(phase)이나 결함 구조가 함께 형성되기 때문이다.
연구팀은 결정이 모두 성장한 이후가 아니라 나노결정이 처음 형성되는 초기 핵생성 단계에 주목했다. 박막 성장의 출발점이 되는 시드 구조체와 전구체의 화학적 환경을 정밀하게 제어함으로써 의도하지 않은 구조의 형성을 억제했다. 또한 상 안정성을 확보할 수 있는 고순도의 3차원 나노결정이 일정한 방향성을 가지고 자라도록 유도했다. 이를 통해 균일하고 안정적인 박막 구현에 성공했다.
이렇게 제조된 박막은 광발광 양자효율이 크게 향상되고 100℃에서도 구조적·광학적 특성을 유지하는 높은 열적 상 안정성을 보였다. 이를 기반으로 제작된 페로브스카이트 발광다이오드는 최대 외부양자효율(EQE) 22.1%를 달성했다. 1만 cd m-2의 고휘도 조건에서도 20% 이상의 EQE를 유지해 고휘도 구간에서 일반적으로 나타나는 효율 저하를 효과적으로 억제하는 성능을 확인했다.
이승진 켄텍 교수는 "이번 연구는 박막 형성의 출발점인 초기 결정 성장 단계에서부터 시드 구조를 설계해, 원하는 결정 특성을 갖는 페로브스카이트 박막을 구현했다는 점에서 큰 의미가 있다"고 말했다.
이번 연구는 이태경 한양대 교수 연구팀과의 공동연구로 수행됐으며 연구 성과는 국제학술지 Nano Energy(논문명: Control over seed framework enables oriented 3D nanocrystalline perovskite films for light-emitting diodes)에 게재됐다.