친환경 청색 페로브스카이트 발광 소재로 생생한 화면 즐긴다

[아이뉴스24 정종오 기자] 현실과 가상이 융합된 메타버스 시대를 생생하고 현실감 있게 표현하기 위해 디스플레이와 광학 기기 기술이 더욱 빠르게 발전하고 있다. 차세대 발광 물질로 주목받으며 청색광 구현이 가능한 납 기반 페로브스카이트는 납 이온의 유독성으로 인해 산업적 응용이 제한되고 있다.

한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 청색광 구현이 가능한 친환경 대체 소재를 개발해서 화제다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 납 이온이 없이도 우수한 색 표현력과 높은 발광 효율을 가질 수 있는 친환경 대체 소재를 개발하였다고 13일 발표했다.

연구팀은 이번 연구에서 유로퓸 이온(원자 번호 63번인 희토류 금속 유로퓸(Eu)의 이온 형태)으로 페로브스카이트의 납 이온을 대체함으로써 우수한 색 표현력과 높은 발광 효율을 동시에 가지는 발광 소재를 개발할 수 있음을 보였다.

개발된 세슘 유로퓸 브로마이드(CsEuBr3) 페로브스카이트 나노결정은 420~450 나노미터(nm) 파장 영역에서의 진청색 발광 특성을 보였다. 약 40%의 높은 발광 효율과 24nm의 매우 좁은 발광 스펙트럼 반치폭(발광 색상의 선명도를 평가하는 지표)을 보였다.

광원의 발광 스펙트럼이 좁을수록 디스플레이에서 선명한 색 표현이 가능하다. 차세대 디스플레이 소재로서의 높은 가능성을 보여준 결과라고 할 수 있다.

연구팀은 유로퓸 기반 나노결정의 구조적, 광학적 특성이 합성 과정에서 사용된 유기 리간드(암모늄 계열, 포스핀 계열)에 따라서 크게 바뀌는 현상을 처음으로 규명했다.

세슘 유로퓸 브로마이드 페로브스카이트 나노결정은 합성 초기에 형성된 세슘 브로마이드(CsBr) 나노결정에 유로퓸 이온이 점진적으로 도입되면서 형성된다.

이 과정에서 사용된 리간드에 따라 결정 형성의 경로가 달라지며, 이 경로 차이에 의해 최종적으로 합성된 세슘 유로퓸 브로마이드 페로브스카이트 나노결정의 발광 효율이 크게 향상될 수 있음을 확인했다.

조힘찬 신소재공학과 교수는 “이번 연구는 그동안 어려웠던 친환경 비납계 페로브스카이트 소재 연구의 돌파구를 제시하는 결과”라며 “차세대 디스플레이와 광학 소자 개발의 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대되고 앞으로 추가 연구를 통해 소재의 광학적 특성과 공정성을 더욱 향상시킬 계획”이라고 말했다.

연구팀의 하재영 박사과정, 연성범 석박사통합과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구(논문명: Revealing the Role of Organic Ligands in Deep-Blue-Emitting Colloidal Europium Bromide Perovskite Nanocrystals)는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 10월 17일 온라인으로 실렸다. 11월 호 부록 표지(Supplementary Cover)로 출판될 예정이다.