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페로브스카이트: 차세대 발광 소재로 주목받는 혁신 소재
페로브스카이트(Perovskite), 특히 금속 할라이드 페로브스카이트 물질은 독특한 ABX₃ 결정 구조가 특징입니다. A는 유기 암모늄 양이온(MA+, FA+) 또는 무기 알칼리 양이온(Cs+), B는 전이 금속 양이온(Pb2+, Sn2+, Cu2+), X는 할라이드 음이온(Cl-, Br-, I-)을 뜻합니다.
페로브스카이트 소재는 특히나 자발광 소자(페로브스카이트 LED)와 LCD, OLED, 무기 LED와 통합되는 색변환 층(페로브스카이트 Color Conversion Layer)에서 각각 혁신적인 차세대 발광 소재 후보로 떠오르고 있습니다. 높은 발광 효율, 뛰어난 색 순도, 저비용 용액 공정 가능성을 자랑하는 페로브스카이트는 기존의 OLED와 QLED를 대체할 강력한 후보로 자리매김하고 있습니다.
페로브스카이트는 생생한 색 표현을 위한 좁은 발광 스펙트럼, 높은 발광 효율, 그리고 적색, 녹색, 청색을 포함한 넓은 발광 파장 영역을 정밀하게 제어할 수 있는 광학적 특성을 특징으로 합니다. 이러한 특성과 더불어, 낮은 제조 비용과 유연한 기판과의 호환성의 장점도 가지고 있습니다. 따라서 페로브스카이트 발광체는 첨단 디스플레이 및 고효율 조명 제작에 이상적인 재료이기 때문에, 미래 디스플레이 및 조명 기술의 최전선에 서 있습니다. 에스엔디스플레이는 독보적인 기술과 경험을 바탕으로, 페로브스카이트 발광체를 상용화하기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다.
페로브스카이트의 나노 결정화를 통해 상용화 가능한 발광 효율 실현
*여기자 구속 효과: 여기자(전자와 정공의 쌍)가 벌크한 결정보다 나노 사이즈의 결정에 더 잘 구속되어 효율적인 발광 재결합을 유도하는 효과
벌크를 넘어서: 벌크 입자에서 나노 결정으로
에스엔디스플레이의 여정은 기존의 페로브스카이트 벌크에서 페로브스카이트 나노결정(PeNC)으로의 혁신적 도약으로 시작되었습니다. 우리는 이 혁신적인 소재를 기반으로 한 최초의 LED를 탄생시켰고, 2014년에 특허로 등록하였습니다. 기존의 벌크 페로브스카이트는 저온에서 유망한 발광 특성을 보였지만 상온에서의 성능은 매우 제한적이었으며, 이는 수십 년 동안 해결되지 않은 난제였습니다. 우리는 페로브스카이트 입자 크기를 나노미터 단위로 축소하여 상온 전계발광 효율을 기존 OLED와 비슷한 수준으로 크게 향상시킴으로써 이 난제를 해결하였습니다. 이러한 놀라운 효율 향상은, 여기자 결합 에너지를 증가시켜 효율적인 발광 재결합을 촉진함으로써 상온에서 여기자의 열적 해리를 방지해 복사 방출을 향상시킬 수 있는 엑시톤 구속 효과에 의해 이루어집니다. 이러한 혁신은 뛰어난 밝기, 높은 흡광도, 뛰어난 색 순도 등 페로브스카이트 나노결정의 뛰어난 광전자적 특성과 함께 디스플레이 기술의 새로운 시대를 여는 토대를 마련했습니다.
퀀텀을 넘어서: 무기 양자점 이상의 잠재력을 지닌 페로브스카이트 나노결정
무기 퀀텀닷(QD)은 삼성 QLED와 QD-OLED TV에 응용되고 2023년 노벨 화학상 수상으로 주목을 받고 있습니다. 이 물질의 주요 장점은 엑시톤 보어 직경(일반적으로 10nm 미만) 이하의 양자 구속 영역 내에서 크기를 제어하여 반도체의 특성을 조절할 수 있다는 점입니다. 양자 구속 효과는 입자의 크기에 따라 밴드갭을 조절하여 방출 파장을 조절할 수 있게 하는데, 예를 들어, 입자가 작아질수록 파장이 짧고 청색으로 편이된 파장을 방출합니다. 그러나 QD 크기가 너무 작아지면 표면이 불완전하게 부동태화되고, 발광 효율이 낮아지거나 빛 흡수가 감소할 수 있습니다. 이는 광발광 애플리케이션, 특히 고해상도 또는 소면적 디스플레이의 색변환층에 주요한 한계로 작용합니다.
Color Conversion Layer (CCL) 프로토타입 by 에스엔디스플레이
QD-OLED 디스플레이 구조 내 양자점 기반 색변환층의 광흡수가 효율적이지 못하면, 청색광 누출, 두꺼운 색변환층, 전반적인 전력 효율 저하 등의 문제로 이어질 수 있습니다. 양자점에 비해 PeNC는, 양자 구속 영역을 넘어서는 크기에서도 우수한 발광 특성을 나타내므로 입자 크기가 엑시톤 보어 직경보다 커질 수 있습니다. 합성 과정에서 정밀한 크기 제어가 필요한 QD와 달리, PeNC는 조성으로 발광 파장을 쉽게 조절할 수 있어 생산 비용을 절감하고 일관된 제품 품질을 유지할 수 있습니다. 흡광도가 높고 발광 효율이 높은 에스엔디스플레이의 PeNC는 양자점보다 더 얇은 필름에서도 고효율의 색변환이 가능하여, 대형 TV부터 초소형 AR/VR 디스플레이에 이르기까지 다양한 종류의 디스플레이에서 더욱 뛰어난 성능을 구현할 수 있습니다.
불안정성을 넘어서: 새로운 코어-쉘 구조로 탁월한 안정성을 달성하다
페로브스카이트 소재는 큰 잠재력을 보여 왔지만, 안정성의 향상이 핵심 난제였습니다. 이를 해결하기 위해 에스엔디스플레이는 상용화가 가능한 수준으로 페로브스카이트 나노결정의 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 코어-쉘 구조를 개발했습니다. 우리의 새로운 접근법은 시간에 따른 물질 열화와 주변 환경에 취약하다는 약점을 해소하여 페로브스카이트 디스플레이가 다양한 조건에서 장시간 고성능을 유지할 수 있도록 합니다. 우리의 혁신은, 페로브스카이트 소재를 고성능 디스플레이 장치에 신뢰성 있게 적용할 수 있게 하는 중요한 진전입니다.
2022년, 우리는 in situ 코어-쉘 전략을 사용하여 제작한 전계발광 소자(LED)에 대한 주목할 만한 결과를 네이처 저널에 보고하였습니다. 이 소자는 28.9%의 기록적인 외부 양자 효율, 473,000 cd/m²의 놀라운 밝기, 그리고 이전에 보고된 수명 기록보다 약 천 배나 향상된 T50~31,000시간의 긴 소자 수명을 달성했습니다. 현재 에스엔디스플레이는 색변환층에 페로브스카이트를 활용하는 연구에서도 우수한 결과를 얻고 있으며, 청색광 조명 아래에서 15,000 시간 이상의 T90(테스트 진행 중)에 이르는 매우 높은 안정성을 보여주었습니다. 또한 고온(≥ 60°C) 및 고습(≥ 90% RH), 고광속(≥ 100mW/cm2) 등 가혹한 조건에서도 뛰어난 광학적 특성(PLQY ≥ 90%)을 유지하면서 무기 양자점 성능과 유사한 수준의, 상용화 가능한 안정성을 보여주었습니다. 당사의 제품은 고해상도 픽셀화 기술이 더욱 향상된다면, 프리미엄 AR/VR, 스마트폰, 스마트워치 등 소형 디스플레이에서도 상용화할 수 있으리라 기대됩니다.