연세대학교 물리학과 이연진 교수 연구팀이 강원대학교 반도체물리학과 이현복 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 차세대 디스플레이 소재인 페로브스카이트 발광소자(PeLED)의 진공 증착 공정 난제를 해결하는 데 성공했다.

 

이번 연구는 대면적 양산의 주요 걸림돌로 지적돼 온 유기물 공정의 불안정성을 극복한 성과로, 응용물리 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘Applied Physics Reviews’에 게재됐다.

 

페로브스카이트는 뛰어난 색 순도와 높은 발광 효율로 OLED를 이을 차세대 디스플레이 발광 소재로 주목받고 있다. 그러나 산업적 활용을 위한 대면적 패널 양산에는 ‘진공 증착’ 공정이 필수적임에도, 유기물 소재가 열에 의해 쉽게 기화되는 휘발성 특성으로 인해 정밀한 두께 조절과 성분 제어가 어려워 제조 공정의 한계로 지적돼 왔다.

 

연구팀은 이를 해결하기 위해 유기물 증발 소스에 소량(약 1%)의 무기물을 첨가하는 방법을 고안했다. 첨가된 무기물이 유기물 표면과 반응해 무거운 ‘닻(Kinetic Anchor)’ 역할을 하는 안정적인 보호층을 형성함으로써, 유기물의 불안정한 증발을 효과적으로 억제했다.

 

또한 연구팀은 잔류가스분석기(RGA)를 활용해 진공 체임버 내부의 유기물 가스 농도를 실시간으로 정밀하게 모니터링하는 시스템을 구축했다. 이를 통해 발광을 담당하는 나노결정이 절연체 매트릭스에 균일하게 분포된 구조를 정밀하게 제어하는 데 성공했다.

 

그 결과, 전하가 나노결정 내부에 효과적으로 갇히고 표면 결함이 치유되면서 소자의 발광 효율(EQE)은 기존 3.6%에서 6.8%로 약 두 배 향상됐다. 특히 80여 개의 소자를 제작해 통계적 재현성을 확보했으며, 고휘도(1000 nit) 환경에서도 소자의 수명이 크게 향상되는 메커니즘을 규명했다.

 

공동 제1 저자인 정나은 박사와 강동희 박사는 “유기물 진공 증착 공정은 그동안 제어가 어려운 ‘블랙박스’로 여겨졌으나, 소재의 열역학적 반응 원리와 초정밀 분석 기법을 결합해 해결의 실마리를 찾았다”며 “이번 공정 제어 기술은 향후 페로브스카이트 디스플레이와 태양전지 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

 

이연진 교수와 이현복 교수는 “단순한 효율 향상을 넘어 다수의 소자에서 동일한 성능을 구현하는 재현성을 확보했다는 점에서 산업적 의미가 크다”며 “기초물리학적 분석 역량을 바탕으로 차세대 광전 소재 공정 혁신을 제시한 연구”라고 밝혔다.

 

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 ㈜엘지디스플레이, ㈜야스의 지원을 받아 수행됐다.

 

* 자료 링크

1. 논문제목: Precisely controlled organic halide evaporation for efficient vacuum-deposited perovskite light-emitting diodes

2. 논문주소: https://doi.org/10.1063/5.0307016