아주대 연구팀, 고효율에 안정성 높은 차세대 디스플레이 소재 개발

발광소재로 각광받는 페로브스카이트 이용

‘어드밴스트 옵티칼 매터리얼즈’ 표지 논문 선정

고효율에 안정성 높은 차세대 디스플레이 소재 개발에 성공한 아주대 김상욱 교수. [사진=아주대학교 제공]

국내 연구진이 차세대 광학 소재 페로브스카이트를 이용해 디스플레이 소재 및 필름을 개발하는데 성공했다. 안정성이 높고 효율이 뛰어나 앞으로 LED를 비롯한 디스플레이에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

22일 김상욱 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)는 차세대 광학 소재로 주목받고 있는 페로브스카이트를 활용해 디스플레이 소재 및 필름을 개발했다고 밝혔다.

해당 연구 성과는 소재 분야 저명 학술지인 ‘어드밴스트 옵티컬 머테리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 최근호의 표지 논문(Front Cover)으로 선정됐다. 논문 제목은 ‘높은 안정성과 넓은 색 영역을 갖는 혼합 양이온 CsxRb1-xPbX3 페로브스카이트 양자점 및 필름 개발(Development of Mixed-Cation CsxRb1–xPbX3 Perovskite Quantum Dots and Their Full- Color Film with High Stability and Wide Color Gamut)’이다.

김상욱 아주대 교수와 홍기하 한밭대학교 교수(신소재공학과), 임상혁 고려대학교 교수(화공생명공학부)가 함께 참여했다. 아주대 대학원 박사과정에 재학 중인 백승민, 김성훈 씨는 공동 제1저자로, 석사과정 노재영 씨는 제2저자로 참여했다.

페로브스카이트(perovskite)는 우수한 양자 효율과 좁은 파장 너비로 인해 기존의 광원 재료보다 뛰어난 색 재현율을 보인다. 즉 양자 효율이 우수해 입사된 빛의 양에 비해 발광하는 빛의 양이 많고, 파장 너비가 좁아 더 선명한 색을 구현할 수 있다.

디스플레이는 적색·녹색·청색의 3가지 원색을 혼합해 여러 색상을 표현하는데, 원색의 파장 너비가 좁으면 색을 더 선명하게 나타낼 수 있고 덕분에 훨씬 많은 색상을 구현할 수도 있다.
 

김상욱 교수의 연구 성과가 게재된 소재 분야 저명 학술지 ‘어드밴스트 옵티컬 머테리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 표지. [사진=아주대학교 제공]

페로브스카이트가 미래 디스플레이의 유망 소재로 떠오른 것도 이러한 특성 때문이다. 하지만 기존의 페로브스카이트 양자점은 빛과 열 그리고 수분에 매우 취약하여 소자화(application)하는 데 한계를 보여 왔다. 게다가 페로브스카이트의 ABX3결정은 매우 불안정하여 쉽게 상(phase)이 변하거나 분해되기 때문에 안정성을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이에 김상욱 교수 연구팀은 안정성을 높이기 위해 페로브스카이트의 구조에 변화를 주었다. 이미 알려진 기존의 무기 발광 페로브스카이트 구조(CsPbX3)에서 세슘(Cs) 이온보다 크기가 작은 루비듐(Rb) 이온을 세슘과 함께 사용함으로써 혼합 무기 페로브스카이트 구조를 만든 것이다.

김상욱 교수팀은 이와 함께 광학적 성능이 뛰어나고 수분 투과율이 극히 적은 고분자 재료(cyclic olefin copolymer, COC)를 필름 소재로 도입, 물속에서도 안전한 디스플레이 필름을 제작하는 데 성공했다.

연구진은 “세슘과 루비듐을 혼합함으로써 페로브스카이트 구조의 불안정성이 획기적으로 개선되었다”며 “페로브스카이트의 상업화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업 및 기초연구사업의 지원을 받아 이루어졌다.