에너지 레벨 차이가 있는 두 금속 산화물 사이에서 일어나는 전하 전달 현상 주목

건포도 빵의 형태와 유사한 구조로 된 새로운 개념의 금속 산화물 소재를 제안

OLED, QLED 등 적용해 기존 기술보다 고성능 입증

실감형 메타버스 구현에 꼭 필요한 최첨단 미래 디스플레이 산업에 기여할 것

▲ 건포도 빵 구조의 NiO:MoO3 전하 전달 복합체 및 소자 성능: 산화 니켈(NiO) 내부에 산화 몰리브덴(MoO3) 나노입자가 건포도 빵 형태와 같은 헤테로 구조를 이루는 형태이다. 두 금속 산화물 효과적인 전하 전달(Charge transfer)가 유도되어 박막의 에너지 밴드가 넓은 범위에서 조절 가능하여 여러 광전자소자에 맞춤형으로 제공이 가능하다. 이 박막은 녹색 및 청색 유기 발광다이오드(OLED)에 적용되었고 청색 소자 기준 상용 유기소재 기반 소자보다도 높은 17% 수준의 외부양자효율을 달성하여 범용성과 성능을 입증하였다.(사진제공=KAIST)  © 특허뉴스

KAIST는 신소재공학과 정연식 교수, 전덕영 명예교수, 한국전자통신연구원(ETRI) 권병화 박사 공동 연구팀이 차세대 디스플레이 소자에 적용 가능한 신개념 금속 산화물 복합 나노소재 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.

KAIST-ETRI 공동 연구팀은 특정 금속 산화물 나노입자가 다른 산화물 내부에서 나노미터(nm) 크기로 분산될 경우, 접촉면(인터페이스)에서 전하가 교환되면서 전하 전달 복합체(Charge transfer complex)를 형성하는 새로운 현상을 발견했다. 연구팀은 이를 유기발광다이오드(OLED) 등 고부가가치 디스플레이에 적용해 기존 상용 유기 소재 기반의 소자 성능을 뛰어넘는 데 성공했다.

디스플레이 발광 셀 등 다층구조를 가지는 광전자소자에서 금속 산화물은 우수한 전기적 특성 및 안정성 덕분에 전하 수송 및 주입 층으로 널리 활용되고 있다. 하지만, 유기 발광 다이오드(OLED)에서 퀀텀닷 발광다이오드(QLED), 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)로 이어지는 미래 디스플레이 산업에서 이러한 금속 산화물 소재를 더 유용하게 활용하기 위해서는 에너지 레벨 및 전기전도도와 같은 특성들이 더 넓은 범위에서 제어될 수 있어야 한다.

이는 유기 발광 소재, 퀀텀닷, 페로브스카이트 등으로 발광층 소재가 매우 다양해짐에 따라 디스플레이 소자들의 성능을 극대화하기 위해서는 각각의 시스템에 최적화된 전기적 특성을 제공해야 하기 때문이다.

연구팀은 에너지 레벨 차이가 있는 두 금속 산화물 사이에서 일어나는 전하 전달(Charge transfer) 현상에 주목했다. 전하 전달 복합체는 마치 건포도 빵의 형태와 유사한 구조로 되어 있는데, 건포도(나노입자)를 더 넣게 되면 더 많은 당분(전하)이 빵(매트릭스)으로 이동하여 빵 전체가 더 달콤해지는 원리로 비유될 수 있다.

이 새로운 개념을 산화 몰리브덴(MoO3) 나노입자와 산화니켈(NiO)의 조합으로 구현해 두 금속 산화물의 전하 전달 현상을 효과적으로 유도했으며, 광범위한 에너지 레벨 조절 능력 및 최대 2.4배의 전기전도도 향상을 달성했다. 이를 녹색과 청색 OLED에 적용했고 기존의 상용 유기 소재를 적용한 소자보다 32% 더 우수한 외부양자효율을 달성함으로 높은 범용성과 성능을 입증했다.

KAIST 정연식 교수는 “이번 기술은 핵심 소재의 성능 제어 방법을 혁신함으로써, 실감형 메타버스 구현에 꼭 필요한 최첨단 디스플레이 구현에 기여할 것”이라고 전망했다.

오는 2월에 KAIST 신소재공학 박사학위 취득 예정인 김무현 연구원이 주도하고 조남명 박사, ETRI 주철웅 선임연구원 등이 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 1월 10일 자 온라인판에 게재됐다.

논문명은 Metal Oxide Charge Transfer Complex for Effective Energy Band Tailoring in Multilayer Optoelectronics 이다.