증착형 페로브스카이트 LED 세계 최고 수준 효율 달성 성공

증착형 페로브스카이트 LED 세계 최고 수준 효율 달성 성공

차세대 초고해상도 디스플레이 상용화 앞당겨

서울대학교 재료공학부 이태우 교수와 영국 케임브리지대학교 사무엘 D. 스트랭크스(Samuel D. Stranks) 교수의 공동 연구팀이 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)의 진공 증착 공정에서 열역학적으로 발광에 유리한 상을 고정시킬 수 있는 새로운 ‘X-type 페로브스카이트 발광체’를 발견해 세계 최고 수준 효율의 증착형 PeLED를 개발했다.

정리 편집부

자료제공 서울대학교 공과대학

2026년08월

페로브스카이트는 고효율의 생생한 색을 낼 수 있고, 증착 시 기존 OLED 공정과 호환 가능해 “큰 시설 투자 없이도 차세대 디스플레이로 구현이 가능하다”는 점에서 주목받고 있다. 현재 디스플레이 산업에서는 ‘진공 증착’ 공정이 OLED 생산 시 널리 사용되고 있다. 

페로브스카이트 진공 증착은 단순히 재료를 쌓는 공정이 아니라, 기판 위에서 여러 전구체가 동시에 반응해 새로운 결정이 만들어지는 과정이다. 이 과정이 너무 빠르고 복잡해지면, 여러 종류의 결정상이 뒤섞이고 박막이 불균일해져 발광 효율과 색순도가 낮아진다. 때문에 본격적인 상용화를 위해서는, 페로브스카이트 결정의 형성 경로를 파악하고 제어하는 새로운 물질 설계 전략이 필요하다.

85% 이상의 높은 광발광 효율 확보

연구팀은 기존의 준 2차원 페로브스카이트와 차별화된, 새로운 형태의 ‘X-type 준 2차원 페로브스카이트 발광체’를 진공 증착으로 개발하는 데 성공했다. 진공 증착 과정에서 결정의 균일도가 높고 고효율·고색순도를 갖춘 페로브스카이트 LED(PeLED)를 만들 수 있는 새로운 제조 기술과 물질을 선보인 것이다.

먼저 연구팀은 ‘X-type 스페이서(spacer) 유기 분자의 도입’이라는 새로운 돌파구를 제시했다. 이 분자는 페로브스카이트가 만들어지는 과정에서 납 이온과 강하게 결합해 결정이 무질서하게 성장하는 것을 억제하고, 여러 결정상 가운데 에너지적으로 가장 안정된 구조가 열역학적이고 선택적으로 형성되도록 돕는다. 이를 통해 연구팀은 진공 증착 중에도 원하는 결정상이 형성되도록 유도하는 《열역학적 상고정화 기법》을 개발할 수 있었다.

또한 연구팀은 X-type 스페이서 분자와 플루오린화 리튬(LiF)을 화학적으로 결합시켜 나노미터(nm) 크기의 이종 스캐폴드(hetero-scaffold)를 개발하는 성과도 거뒀다. 이 구조체는 페로브스카이트 결정이 기판 위에서 무작위로 자라는 것을 막고, 박막 전체에서 결정이 균일하게 성장하도록 돕는 역할을 한다. 

이 같은 과정을 거쳐 성능이 우수한 결정 구조가 고르게 형성되어 85% 이상의 높은 광발광 효율을 확보한 박막을 만들었다. 그리고 이 박막을 적용한 PeLED는 21.9%의 외부양자효율, 높은 색순도를 보인 16.8nm의 발광 선폭을 달성했다. 이는 진공 증착 기반 PeLED 분야에서 기록된 세계 최고 수준의 성능이다. 또한 이 PeLED가 대면적, 유연 기판, 패턴화 플랫폼의 조건에서도 구현될 수 있다는 점을 확인함으로써, 향후 실제 디스플레이 공정에서 적용될 가능성을 시사했다.기존 제조 인프라와 호환성 높아 이번 기술은 기존 디스플레이 제조 인프라와의 호환성이 높기 때문에, 새로운 디스플레이를 생산하는데 장비에 대한 투자 비용이 LCD에서 OLED로 전환될 때보다 적게 든다. 뿐만 아니라 초소형 픽셀에서도 효율이 높으며, 밝은 빛을 낼 수 있어 다양하게 활용될 전망이다.

이태우 교수는 “이번 연구는 진공 증착 공정에서 페로브스카이트 전구체가 기판 위에서 반응하고 결정화되는 과정을 근본적으로 이해하고, 이를 바탕으로 새로운 X-type 준 2차원 페로브스카이트 발광체를 설계했다는 점에서 의미가 깊다”고 의의를 설명하며 “향후 초고해상도 디스플레이와 AR/VR용 마이크로디스플레이의 실용화를 앞당기는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과기정통부와 한국연구재단이 추진하는 『리더 연구과제』 및 『나노·소재기술개발사업』의 지원을 받아 이뤄졌으며, 서울대학교를 중심으로 케임브리지대학교의 연구기관이 참여한 공동 연구로 수행됐다. 연구 결과는 7월 1일(수) 나노기술 분야의 최고 권위 학술지 『네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)』에 게재됐다.