과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)는 서울대학교 이태우 교수 연구팀이 금속 할라이드 페로브스카이트와 유기발광 소재를 결합한 고효율 장수명 하이브리드 탠덤 발광 소자 개발에 성공했다고 밝혔다.

과기정통부 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)」에 1월 16일(현지시간 1.16.(화) 10시, GMT) 게재*되었다.

* 논문명 : Valley-centre tandem perovskite light-emitting diodes

차세대 태양전지 소재로 널리 알려진 페로브스카이트는 전기적 특성과 색 순도가 우수하고 가격이 저렴해 차세대 디스플레이 소자로 주목받고 있으나 기존 유기발광소자(OLED)보다 효율이 낮다는 한계가 있다.

이를 해결하는 방법 중 하나는 서로 다른 특성의 소자를 결합하는 탠덤(Tandem)구조를 이용하는 것이다. 하지만 용액공정으로 제작하는 페로브스카이트의 특성상 다른 소자와 적층하는 것이 매우 까다롭고, 단순히 적층하는 것만으로는 높은 색순도와 발광 효율을 갖게하는 것이 어렵다.

연구팀은 용액공정으로 하단의 페로브스카이트 나노 결정 단일소자를 제작한 뒤 증착공정으로 상단의 유기 발광 단일소자를 제작하는 새로운 디자인으로 탠덤 구조 페로브스카이트 발광 소자 제작에 성공하였다.

이는 페로브스카이트를 기반으로 탠덤 발광소자를 제작한 세계 최초의 연구결과이며, 연구팀은 광학 시뮬레이션을 통해 고효율·고색순도를 동시 구현하는 최적의 소자구조를 찾아 ‘하이브리드-탠덤 밸리(h-Tandem Valley)’로 명명하였다.

새로운 하이브리드 탠덤 소자는 페로브스카이트 상단 유기 발광층의 빛이 모두 투과하도록 얇고(~30[nm]) 투명한 나노입자 발광체를 사용하여 광추출 효율을 극대화하였다.

또한, 페로브스카이트 단일소자의 구동 수명은 동일 휘도(100[nit]) 기준 1.8시간인 반면, 연구팀이 개발한 탠덤 소자의 구동 수명은 5,596시간으로 약 3,108배 향상되었다.

연구팀은 이 기술을 이용하여 면적이 크고 유연한 발광 소자 제작에도 성공하였으며, 향후 차세대 디스플레이 분야에서 페로브스카이트 발광 소재 상용화에도 기여할 것으로 전망된다.

이태우 교수는 “이번 연구는 서로 다른 발광 소자를 적층하여 효율과 고색순도를 동시에 만족하도록 소자를 구성하는 가이드라인을 제시한 데 의의가 있다”라며, “이를 기반으로 녹색뿐 아니라 청·적색 하이브리드 페로브스카이트 탠덤 소자를 개발하여 풀컬러 하이브리드 탠덤 디스플레이 구현에 도전하겠다”라고 밝혔다.