차세대 디스플레이 소재로 각광을 받고 있는 페로브스카이트의 발광효율을 극대화 할 수 있는 방법이 국내 연구진에 의해 규명되었다.
페로브스카이트 발광체는 합성 및 색조절의 용이성, 높은 색순도 및 발광효율 등의 다양한 장점으로 인해 디스플레이, 태양전지, 광검출기 등의 차세대 광전자 소재로 활발히 연구되고 있다.
본 연구결과는 세계 최고 과학전문지인 ‘Nature’의 자매지로 자연과학의 모든 분야에 걸쳐 수준 높은 논문이 출판되는 학술지인 ‘Nature Communications’에 2022년 7월 23일자로 게재되었다.
이 연구는 서울대 물리천문학부 이탁희 교수와 재료공학부 강기훈 교수를 중심으로, 이정재 박사 (서울대 지구환경과학부), 이태우 교수 (서울대 재료공학부)가 공동지도하였으며 한국연구재단의 개인연구사업(중견연구, 리더연구), 서울대학교 기초과학연구원 자율중점연구소, 서울대학교 기초교육원 학부생연구지원프로그램의 지원으로 수행되었다.
점점 더 선명하고 생동감 있게 진화하는 최첨단 디스플레이의 발광층으로 활용될 수 있는 물질을 찾는 연구가 활발한 가운데, 금속 할라이드 페로브스카이트* 발광체가 주목받고 있다.
* 금속 할라이드 페로브스카이트 : 지구내부에 존재하는 광물인 페로브스카이트 (CaTiO3)와 동일한 구조를 가지는 ABX3 (X=염소, 브롬, 요오드) 구조의 화합물
하지만 페로브스카이트 소재는 현재 발광효율과 발광지속성이 상대적으로 낮아서 이를 해결하기 위해 세계적으로 연구가 집중되고 있다.
발광효율과 지속성의 문제를 해결하기 위해 최근에는 페로브스카이트 단일소재에서 나아가, 페로브스카이트를 다른 물질과 이종구조(heterostructure)의 형태로 혼합하는 방식의 소재개발이 주목을 받고 있다.
그러나 기존에 쓰이던 용액 합성법으로는 페로브스카이트 이종구조의 조성 및 구조적 배열의 조절이 어렵다는 단점이 있다.
본 연구팀은 용액 합성법의 대안으로 기계화학적 합성법(mechanochemical synthesis)을 적용하여, 발광효율이 극대화된 다차원의 세슘–납–브롬 물질로 이뤄진 페로브스카이트 이종구조의 배열상태를 구현할 수 있는 새로운 합성경로를 제시하였다.
특히, 페로브스카이트 이종구조의 형성과정을 합성시간에 따라서 분석한 결과 발광체가 절연체 호스트에 캡슐화되어 있는 구조에서 가장 높은 발광효율을 보였다.
이 합성법은 인체 및 환경에 해로운 용매의 사용이 없어 환경친화적이고, 높은 수율을 자랑하며, 대량합성이 가능하므로 산업계에서 활용될 수 있는 높은 발전가능성을 가지고 있다.
이 논문의 제 1저자인 백경윤 학생은 현재 서울대학교 물리천문학부 학부생이며 이탁희 교수 연구실의 학부인턴으로 연구를 수행하였고 올해 가을 미국 하버드 대학교 물리학과 박사과정 진학을 앞두고 있다.
백경윤 학생은 “재료공학 분야에서 주목받는 물질에 대해 물리학적 관점에서 근본적인 물성을 탐구하는 연구를 함으로써 물리학의 응용분야가 광범위하다는 것을 실감했다”고 소감을 밝혔으며“강의실에서 접할 수 없는 실험 기자재들을 많이 다룰 수 있었던 뜻깊은 경험이었다.”고 덧붙였다.
이번 연구를 공동지도한 강기훈 교수는 본 연구성과에 대해 “재료, 물리, 화학분야 연구진들의 다양한 전문성과 과학적 시각의 시너지가 돋보인 다학제간 연구의 표본이라고 생각한다”며 “포닥연구원 때부터 상대적으로 늦게 페로브스카이트 연구주제에 뛰어들었을 때의 막연한 불안감이 있었지만, 새로운 분야를 공부하는 것이 흥미로워서 재미있게 연구할 수 있었다. 특히, 연구진들과 함께 의미 있는 연구적 성과를 낼 수 있어서 기쁘고 감사드린다”고 소감을 밝혔다.
이탁희 교수는 “이번 연구에서 다양한 구조와 조성의 페로브스카이트에 대해 발광효율을 극대화할 수 있는 방법을 제시하였으며 차세대 디스플레이 소재의 대량생산 가능성을 제시하였다”고 연구의의를 밝혔다.