'퀀텀닷' 대체할 디스플레이용 색 변환 소재 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 물, 고온, 고습 환경, 화학물질에서도 안정된 차세대 디스플레이용 소재를 선보였다.

한국과학기술원(KAIST)은 배병수 신소재공학과 교수 연구팀이 이태우 서울대 재료공학부 교수팀과 ‘페로브스카이트 나노 입자 발광 수지’를 개발했다고 24일 밝혔다.

연구팀은 그동안 페로브스카이트 나노 입자의 난제였던 수분, 고온, 다양한 화학적 환경에서 안정성을 담보할 수 없었던 약점을 개선했다. 이를 통해 페로브스카이트 나노 입자를 차세대 초고화질 디스플레이의 색 변환 소재로 활용할 방안을 제시했다.

이번 연구에서 개발된 실록산 재료에 의해 캡슐화된 페로브스카이트 나노 입자 복합체의 개념도.(자료=한국과학기술원)

페로브스카이트는 유기 원소, 금속, 할로겐원소로 구성된 구조를 지닌 소재로 광전자소자와 태양전지에 주로 사용된다.

좁은 발광 파장 폭 때문에 현재 디스플레이에 사용되고 있는 퀀텀닷이나 유기 발광체와 대비해 폭넓은 색 재현율을 구현해 기존 퀀텀닷을 대체할 차세대 디스플레이의 색 변환 소재로도 주목받고 있다.

다만 빛, 수분, 고온에 취약해 대기 중 짧은 시간 내에 성능이 떨어지는 문제 때문에 실제 사용이 거의 불가능했다. 학계나 기업에서 페로브스카이트 물질을 유기 결합체가 둘러싼 나노 단위의 입자의 형태로 만들어 수분이나 산소의 침투를 막거나, 나노 입자에 무기물 코팅과 같은 연구를 진행해왔다.

대부분 연구는 외부에서 수분을 물리적으로 막는 방법들이며 제조공정이 복잡하고 대기에서 안정성이 제한됐다. 강산, 강염기, 극성용매, 고온 고습 환경에서 안정성을 담보하는 페로브스카이트 나노 입자 색 변환 소재는 개발하지 못했다.

연구팀은 자체 개발한 솔-젤(Sol-Gel) 합성공정을 이용해 실록산 분자구조와 페로브스카이트 나노 입자를 한꺼번에 둘러싼 캡슐화된 복합체 수지를 개발했다. 열에 강한 실록산 분자구조로 페로브스카이트 나노 입자를 보호하고 별도 차단층 없이 페로브스카이트 나노 입자의 발광 안정성을 높였다. 이를 퀀텀닷에도 적용해 고온·고습 환경에도 안정된 실록산 캡슐화 퀀텀닷 수지를 만들었다.

캡슐화된 페로브스카이트 나노 입자 수지는 제조과정 중 자외선 경화에 의해 발광 효율이 낮게 나타났지만, 곧 원래 값으로 회복했다. 물속에서도 600일 이상 유지하는 등 우수한 발광 안정성을 보였다.

디스플레이의 색 변환 층으로 성능을 확인하자 양자효율과 색 재현율은 기존 퀀텀닷 보다 높게 나타났다. 실록산 캡슐화를 통해 페로브스카이트 나노 입자 속 납의 독성을 막아 생체친화적 특성도 보였다.

배병수 교수는 “페로브스카이트 나노 입자가 기존 퀀텀닷을 대체하는 새로운 디스플레이 색 변환 소재로 활용하는 연구개발을 촉진하는 계기가 될 것”이라며 “결과적으로 조기 상용화도 기대된다”고 했다.

연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 4일자 온라인으로 게재됐다.