[사이언스] 고효율·고순도 청색 발광 소자로 PeLED TV 시대 온다... 발광효율 3배 이상 올려

특허뉴스 박진석 기자 | 기사입력 2020/10/13 [14:23]

[사이언스] 고효율·고순도 청색 발광 소자로 PeLED TV 시대 온다... 발광효율 3배 이상 올려

특허뉴스 박진석 기자 | 입력 : 2020/10/13 [14:23]

▲ 청색 페로브스카이트 발광소자(PeLED) 발광 이미지 및 공액 고분자 전해질 분자 구조  © 특허뉴스

 

 

디스플레이 소자는 TV나 스마트폰 등 IT 산업의 필수품으로 디스플레이 기술이 날로 진화하고 있는 가운데 LCD(Liquid Crystal Display, 액정 디스플레이)를 거쳐 현재 OLED(Organic Light Emitting Diode, 유기발광소자)가 최신 디스플레이 소자로 알려져 있다. 하지만, 이들의 발광선폭은 30nm(나노미터) 이상이기 때문에 천연색을 그대로 구현하기 위해서는 발광 선폭이 좁은 새로운 발광체의 개발이 필요하다. 이 때문에 차세대 물질로 페로브스카이트(Perovskite)’가 대두되고 있다.

 

페로브스카이트는 유·무기 복합구조를 가지는 재료로 그간 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지 소재로 각광받아 왔다. 이 물질은 태양전지의 원리(빛 에너지 전기에너지)를 역으로 이용해 전기에너지를 받아 빛을 내는 발광소자로도 쓸 수 있다. 높은 색 선명도, 우수한 전자이동도 그리고 할로겐 원소 치환 및 혼합기술을 통한 손쉬운 밴드 갭(band gap) 조절이 가능해 차세대 디스플레이 기술을 대체할 것이라는 전망이 나오고 있다.

 

이러한 가운데, 디스플레이에서 가장 어려운 청색광 구현 문제가 해결돼 OLED TV대신 ‘PeLED’ (피이 엘이디) TV를 집에서 볼 날이 더 가까워졌다.

 

UNIST 송명훈·곽상규 교수팀은 고려대학교 화학과 우한영 교수 연구팀과 공동으로 청색광을 발산하는 페로브스카이트 발광소자(Perovskite LEDs, 이하 PeLED)’를 개발했다. 연구팀이 개발한 페로브스카이트 발광소자는 청색광을 만드는 효율이 기존 대비 3배 이상 높고 색 순도(純度)가 높아 또렷한 푸른색 구현이 가능하다.

 

발광소자는 TV나 휴대폰에서 색상을 구현하는 장치다. PeLED는 색상 구현 물질로 페로브스카이트를 쓴다. 페로브스카이트는 이온(ion)을 품고 있는 물질로 이온 종류를 바꾸는 방식으로 여러 가지 색상을 만들 수 있다. 다른 발광 소재들에 비해 생산 단가가 낮고 자연에 가까운 천연색을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 소재로 크게 주목받고 있다.

 

하지만 청색 PeLED는 전기에너지를 빛으로 바꾸는 효율이 10%밖에 되지 않아 전력소모가 많다. 빨강이나 녹색의 절반에도 못 미친다. 또 청색 PeLED를 구현하기 위해 첨가하는 이온 때문에 색 순도가 시간이 지남에 따라 떨어지는 문제가 있고 또렷한 청색이 아닌 다른 색상이 섞여 나온다.

 

연구진은 페브스카이트 물질을 복잡하게 조작하는 방식 아닌 인접한 물질을 바꿔 소자의 성능을 향상시키는 획기적인 방법을 썼다. 발광 소자 내에서 페로브스카이트와 인접한 정공수송층물질을 바꾼 것이다. 페로브스카이트 소자를 만들 때 공정이 단순해져 가격적인 측면에서도 유리하다. 새롭게 합성한 유기물을 정공 수송층로 썼을 때 기존 발광소자 대비 3~4배 정도 효율이 향상됐고 색 순도를 나타내는 지표인 전계발광 스펙트럼도 크게 안정됐다.

 

1저자인 장충현 연구원은 이번 연구는 청색 PeLED의 근원적인 문제를 페로브스카이트 발광층 자체가 아닌 페로브스카이트와 정공수송층간의 계면(서로 다른 물질의 경계면) 성질 변화로 해결했다는 점에서 의의가 크다라고 설명했다.

 

연구진은 PeLED 소자에 쓰이는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 대신해 공액 고분자 전해질을 정공 수송층으로 썼다. 정공 수송층을 이 물질로 바꿨을 때 페로브스카이트입체 구조의 규칙성(결정성)이 좋아지고 계면에서 결함이 줄어 발광소자가 전기를 빛으로 바꾸는 효율이 크게 향상됐다. 또 공액 고분자 전해질을 구성하는 곁가지 이온의 크기가 클수록 페로브스카이트 물질이 뚜렷한 결정성을 갖고 계면에 결함이 적은 것을 확인했다.

 

송명훈 교수는 “PeLED6년이라는 짧은 시간 동안 OLED (Organic LED) 수준의 효율을 구현했지만, 청색광 효율이 10% 수준 이었다이번 연구를 통해 소자 효율과 색 순도 문제가 동시에 개선돼 상용화를 앞당길 수 있을 것이라고 기대했다.

 

이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 에이시에스 나노(ACS Nano)’ 910일자로 온라인으로 공개됐다.

 

논문명은 Sky-Blue-Emissive Perovskite Light-Emitting Diodes: Crystal Growth and Interfacial Control Using Conjugated Polyelectrolytes as a Hole-Transporting Layer 이다.

  • 도배방지 이미지

PeLED,디스플레이,OLED,페로브스카이트,UNIST,송명훈교수,곽상규교수,우한영교수,발 관련기사목록