한양대, 세계 최고 효율 페로브스카이트 LED 개발

[이데일리 신하영 기자] 한양대 연구팀이 차세대 디스플레이의 핵심 소재인 페로브스카이트 나노결정 기반 발광다이오드(LED)에서 세계 최고 수준의 발광 효율과 색순도를 동시에 구현하는 데에 성공했다.

좌측부터 한태희 교수, 박종호 석·박사과정생, 하지수 석사과정생, 김대환 박사과정생(사진=한양대)

한양대는 한태희 신소재공학부 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 23일 밝혔다.

페로브스카이트 나노결정은 뛰어난 색 표현력과 높은 발광 효율을 동시에 구현할 수 있어 기존 유기발광다이오드(OLED)를 이을 차세대 소재로 주목받아 왔다. 다만 실제 소자 적용 시 나노결정 표면의 리간드 분자가 전하 이동을 방해해 에너지 손실이 발생하는 재료적 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 나노결정 표면의 분자 구조를 정밀하게 제어하는 새로운 전략을 적용했다. 기존 표면 리간드 분자를 제거하는 동시에 전자 이동을 촉진하는 공액 구조의 다기능성 분자를 표면에 안정적으로 결합시키는 리간드 교환 기술을 개발함으로써 나노결정 간 전기적 연결을 강화하고 전하 이동을 조정했다.

특히 전자와 정공이 만나 빛을 내는 위치를 소자 중심으로 이동시켜 에너지 손실을 줄이고 발광 효율을 극대화했다. 그 결과 연구팀은 외부양자효율(EQE) 31.7%의 초고성능 페로브스카이트 LED를 구현하는 데 성공했다. 이는 현재까지 보고된 페로브스카이트 나노결정 LED 중 세계 최고 수준의 성능이다. 기존 기술의 핵심 과제였던 전하 불균형 문제도 효과적으로 해결한 성과로 평가받는다.

이번 연구는 나노결정 표면의 화학적 설계를 통해 소자 내부의 전하 흐름과 발광 메커니즘을 정밀하게 제어할 수 있음을 입증했다는 점에서 의미를 갖는다. 한태희 교수는 “이번 연구는 LED 소자의 핵심 성능을 좌우하는 전하 균형을 외부 구조가 아닌 나노결정 표면의 전자적 특성을 정밀하게 설계해 직접 제어한 사례”라며 “향후 다양한 광전자 소자와 차세대 디스플레이로 확장 가능한 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행했다. 연구에는 한양대 박종호 석·박사과정생, 하지수 석사과정생, 김대환 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며 한태희 교수는 교신저자를 맡았다. 연구 결과는 저명 국제 학술지(Advanced Materials)에 4월 19일 자로 게재됐다.