세계 최고 효율 달성…서울대·케임브리지대, 차세대 디스플레이 'PeLED' 상용화 길 열었다

uapple 기자

등록 2026-07-02 10:10

신규 X-type 준 2차원 페로브스카이트 발광체 개발로 진공 증착 결정화 제어

고효율·고색순도 PeLED 구현… 차세대 초고해상도 디스플레이 상용화 앞당겨

나노기술 분야 최고 권위 학술지 ‘Nature Nanotechnology’ 게재

왼쪽부터 이태우 서울대 재료공학부 교수, 사무엘 D. 스트랭크스(Samuel D. Stranks) 케임브리지대 교수, 박찬율 서울대 재료공학부 박사과정생, 김주성 서울대 재료공학부 박사, 시안웨이 추아(Xian Wei Chua) 케임브리지대 박사과정생

서울대·케임브리지대 연구팀, 차세대 '페로브스카이트 LED' 상용화 난제 풀었다

서울대학교 공과대학 재료공학부 이태우 교수와 영국 케임브리지대학교 사무엘 D. 스트랭크스 교수 공동 연구팀이 차세대 디스플레이용 발광소자인 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)의 진공 증착 공정에서 발광 효율을 극대화할 수 있는 핵심 기술을 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 열역학적으로 유리한 결정 상을 고정할 수 있는 새로운 'X-type 페로브스카이트 발광체'를 발견, 이를 통해 세계 최고 수준의 효율을 갖춘 증착형 PeLED를 구현했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 7월 1일 나노기술 분야 세계 최고 권위 학술지인 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 게재됐다.

기존 OLED 공정 호환되는 신소재…'불균일 성장' 난제 해결

페로브스카이트는 높은 색순도와 뛰어난 발광 효율, 저렴한 재료비 등의 장점을 지녀 유기발광다이오드(OLED)를 이을 차세대 디스플레이 소재로 각광받고 있다. 특히 반도체 박막을 만드는 진공 증착 방식을 사용할 경우 기존 OLED 생산 인프라를 그대로 활용할 수 있어 산업계의 큰 기대를 모았다.

하지만 진공 증착 과정에서 전구체들이 기판 위에서 너무 빠르고 불균일하게 결정화되는 치명적인 문제가 있었다. 이로 인해 여러 종류의 결정상이 뒤섞여 박막의 품질이 떨어지고, 발광 효율과 색순도가 저하되는 한계가 존재했다.

이 같은 공정 제어의 한계를 극복하기 위해 공동 연구팀은 기존 준 2차원 구조와 차별화된 'X-type 준 2차원 페로브스카이트 발광체'를 설계했다.

연구팀이 도입한 X-type 스페이서 유기 분자는 페로브스카이트 형성 과정에서 납 이온과 강하게 결합해 결정이 무질서하게 자라는 것을 막는다. 동시에 에너지적으로 가장 안정된 구조가 선택적으로 형성되도록 유도하는 '열역학적 상고정화 기법'을 가능케 했다.

세계 최고 수준 효율 달성…AR·VR 등 차세대 디스플레이 적용 기대

연구팀은 여기서 나아가 X-type 스페이서 분자와 플루오린화 리튬(LiF)을 화학적으로 결합한 나노미터 크기의 '이종 스캐폴드'를 개발했다. 이 구조체는 기판 전체에서 결정이 균일하게 자라도록 돕는 씨앗층 역할을 수행한다.

이 기술을 적용한 페로브스카이트 박막은 85% 이상의 높은 광발광 효율을 확보했다. 이를 기반으로 제작된 PeLED 소자는 외부양자효율(EQE) 21.9%, 발광 선폭 16.8nm를 기록하며 진공 증착 기반 PeLED 분야에서 세계 최고 수준의 성능을 입증했다. 좁은 발광 선폭은 그만큼 빛의 스펙트럼이 정밀해 선명하고 순수한 색을 낼 수 있음을 의미한다.

연구팀은 이번에 개발한 PeLED가 대면적화, 유연 기판 적용, 패턴화 플랫폼 등 실제 디스플레이 양산에 필요한 주요 조건들을 충족할 수 있음을 확인했다.

이태우 서울대 교수는 "이번 연구는 진공 증착 공정에서 페로브스카이트의 반응 및 결정화 과정을 근본적으로 이해하고 제어한 성과"라며 "기존 OLED 생산 라인을 활용할 수 있어 장비 투자 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 초고해상도 디스플레이 및 AR·VR용 마이크로디스플레이의 실용화를 앞당기는 핵심 기술이 될 것"이라고 강조했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구과제 및 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 서울대 박사과정 박찬율 학생과 케임브리지대 김주성 박사가 공동 제1저자로 참여했다.