국내 연구진이 미래 태양전지 소재로 각광받는 유무기 페로브스카이트 소재를 이용한 LED(PeLED) 상용화 기술을 개발했다.
LED에 비해 소재 가격이 낮고 색순도가 높아 감성을 자극할 천연색 이미지를 구현할 수 있는 업계의 관심이 쏠리고 있다.
이태우 포스텍(POSTECH) 신소재공학과 교수팀은 그동안 태양전지 소재로 경쟁적으로 연구돼 온 페로브스카이트 소재를 이용해 발광 다이오드 발광효율 한계를 극복한 기술을 발표했다.
이번 연구는 알에이치 프렌드 영국케임브리지대 교수, 임상혁 경희대 교수, 이창렬명노성 GIST 박사, 유승협 카이스트 교수 등이 함께 참여했다.
연구팀은 인광 유기발광다이오드(OLED)나 양자점 발광다이오드(QD-LED)와 비슷한 수준의 효율을 가진 PeLED를 세계 최초로 구현했다. 연구성과는 과학 분야 세계 최고 권위지 사이언스(Science) 4일자에 발표됐다.
OLED는 발광효율은 좋지만 발광체 소재 가격이 비싸고 색 조절 과정이 복잡해 색순도가 낮다. 높은 효율을 지니며 우수한 색순도를 구현할 수 있고 저가로 생산할 수 있는 새로운 LED 개발이 필요한 이유다.
페로브스카이트는 태양전지 소재로서는 최근 3년간 특허 출원 증가율이 연평균 120%에 달할 정도로 많다. 하지만 LED로서는 발광 세기나 효율이 낮아 페로브스카이트를 이용해 LED를 만들려는 관심은 상대적으로 낮았다.
이는 페로브스카이트에 형성된 엑시톤 결합에너지가 낮아 상온에서 전하로 분리되며 쉽게 소멸되는 특성 때문이다. 이같은 특성이 태양전지에서는 유용하지만 LED에서는 발광 효율을 떨어뜨리는 요소다.
하지만 페로브스카이트 소재는 OLED나 QD-LED에 비해 재료가격이 약 10분의 1 수준으로 저렴하고, OLED에 비해 훨씬 높은 색순도를 지난다.
연구팀은 발광효율을 높이기 위해 나노결정 고정화라는 새로운 박막 형성 공정을 개발했다. 박막을 균일하고 평평하게 하면서 결정입자 크기도 줄였다. 박막 형성 시 화학양적 조절을 통해 납 원자의 형성도 막아 발광 효율을 낮추는 요소를 없앴다.
이를 통해 연구팀은 PeLED 발광 효율을 크게 향상시키는 동시에 대면적(2cm X 2cm 픽셀) PeLED를 최초로 구현하는데 성공했다. 고효율 PeLED의 저가 대량 생산 가능성을 제시했다.
이태우 교수는 “이번 연구는 상온에서 쉽게 발광이 소멸되는 현상 때문에 상용화 가능성이 낮았던 PeLED를 OLED에 근접하는 효율까지 끌어올렸다”라며 “OLED보다 색순도가 우수하기 때문에 앞으로 고색순도 저비용 디스플레이와 조명산업에 큰 영향을 줄 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터(SRFC-MA1402-07)의 지원을 받아 수행됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
