이번 연구를 수행한 조힘찬(왼쪽부터) 교수, 하재영 박사과정, 연성범 석박사통합과정.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 발광 물질로 주목받으며 청색광 구현이 가능한 납 기반 페로브스카이트는 납 이온의 유독성으로 인해 산업적 응용이 제한되고 있다. 이런 가운데 국내 연구진이 청색광 구현이 가능한 친환경 대체 소재를 개발에 성공했다.

KAIST는 신소재공학과 조힘찬(사진) 교수 연구팀이 납 이온이 없이도 우수한 색 표현력과 높은 발광 효율을 가질 수 있는 친환경 대체 소재를 개발했다고 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 이온이란 원자 번호 63번인 희토류 금속 유로퓸(Eu)의 이온 형태를 말한다.

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(발광 색상 선명도)을 보였다.

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

반응 시간에 따른 유로퓸 페로브스카이트의 상변화 거동에 대한 개략도.[KAIST 제공]

또한 연구팀은 유로퓸 기반 나노결정의 구조적, 광학적 특성이 합성 과정에서 사용된 유기 리간드(계면활성제 역할을 하는 물질)에 따라서 크게 바뀌는 현상을 처음으로 규명했다.

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 확인했다.

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.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 10월 17일 온라인 게재됐다.