- 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀, 친환경의 청색 페로브스카이트 발광체 개발

- 우수한 색 표현력과 40%의 높은 발광 효율을 동시 달성하여 기존 비납계 청색 페로브스카이트 소재의 난제를 극복

- 차세대 메타버스 디스플레이 산업의 핵심 기술로 기대

KAIST 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 유로퓸 이온을 이용해 납 이온 없이도 높은 발광 효율과 색 표현력을 지닌 친환경 페로브스카이트 소재를 개발했다. 이로써 차세대 디스플레이 및 광학 소자 개발에 새로운 가능성이 열렸다.

▲(왼쪽부터) 신소재공학과 조힘찬 교수, 하재영 박사과정, 연성범 석박사통합과정

현실과 가상이 융합된 메타버스 시대를 생생하고 현실감 있게 표현하기 위해 디스플레이와 광학 기기 기술이 더욱 빠르게 발전하고 있다. 하지만 차세대 발광 물질로 주목받으며 청색광 구현이 가능한 납 기반 페로브스카이트는 납 이온의 유독성으로 인해 산업적 응용이 제한되고 있다. 이에, KAIST 연구진이 청색광 구현이 가능한 친환경 대체 소재를 개발해서 화제다. 

KAIST는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 납 이온이 없이도 우수한 색 표현력과 높은 발광 효율을 가질 수 있는 친환경 대체 소재를 개발하였다고 13일 밝혔다.

연구팀은 이번 연구에서 유로퓸 이온(Eu2+)*으로 페로브스카이트의 납 이온을 대체함으로써 우수한 색 표현력과 높은 발광 효율을 동시에 가지는 발광 소재를 개발할 수 있음을 보였다. 

*유로퓸 이온: 원자 번호 63번인 희토류 금속 유로퓸(Eu)의 이온 형태. 주로 전자를 2개 또는 3개 잃은 양이온(Eu2+ 또는 Eu3+)으로 존재함

개발된 세슘 유로퓸 브로마이드(CsEuBr3) 페로브스카이트 나노결정은 420-450 나노미터(nm) 파장 영역에서의 진청색 발광 특성을 보였으며, 약 40%의 높은 발광 효율과 24 nm의 매우 좁은 발광 스펙트럼 반치폭*을 보였다. 

*반치폭: 스펙트럼의 최대값 절반 높이에서의 두 점 사이의 거리로, 발광 색상의 선명도(색순도)를 평가하는 지표

광원의 발광 스펙트럼이 좁을수록 디스플레이에서 선명한 색 표현이 가능하기 때문에, 이는 차세대 디스플레이 소재로서의 높은 가능성을 보여준 결과라고 할 수 있다.

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

*유기 리간드: 나노결정의 표면에 붙어 계면활성제 역할을 하는 물질. 암모늄, 포스핀 계열 리간드는 각각 질소, 인 원자를 중심으로 구성됨

구체적으로, 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 확인하였다.

신소재공학과 조힘찬 교수는 “이번 연구는 그동안 어려웠던 친환경 비납계 페로브스카이트 소재 연구의 돌파구를 제시하는 결과”라며 “차세대 디스플레이 및 광학 소자 개발의 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대되며, 향후 연구를 통해 소재의 광학적 특성과 공정성을 더욱 향상시킬 계획”이라고 전했다.

연구팀의 하재영 박사과정, 연성범 석박사통합과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노 (ACS Nano)’에 10월 17일 온라인 게재됐으며, 11월 호 부록 표지(Supplementary Cover)로 출판될 예정이다. 

(논문명: Revealing the Role of Organic Ligands in Deep-Blue-Emitting Colloidal Europium Bromide Perovskite Nanocrystals).

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

그림 1. 반응 시간에 따른 유로퓸 페로브스카이트의 상변화 거동에 대한 개략도.

그림 2. (A) 두 가지 브로민계 유기 리간드 전구체를 사용하여 합성한 유로퓸 페로브스카이트의 반응 시간에 따른 발광효율. (B) 높은 색순도와 발광효율을 갖는 3차원 세슘 유로퓸 브로마이드 페로브스카이트.