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서울공대 재료공학부 이태우 교수팀, 증착형 페로브스카이트 LED 세계 최고 수준 효율 달성
서울대학교 공과대학은 재료공학부 이태우 교수와 영국 케임브리지대학교 사무엘 D. 스트랭크스(Samuel D. Stranks) 교수의 공동 연구팀이 차세대 디스플레이용 발광소자인 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)의 진공 증착 공정에서 열역학적으로 발광에 유리한 상을 고정시킬 수 있는 새로운 X-type 페로브스카이트 발광체를 발견해 세계 최고 수준 효율의 증착형 PeLED를 개발했다고 밝혔다.
페로브스카이트는 고효율의 생생한 색을 낼 수 있고, 증착 시 기존 OLED 공정과 호환이 가능해 큰 시설 투자 없이도 차세대 디스플레이로 구현이 가능하다는 점에서 주목받고 있다. 그러나 기존 진공 증착 방식에서는 결정화 과정이 열역학적으로 제어되지 않아, 증착 과정에서 페로브스카이트 결정이 빠르고 불균일하게 성장하는 문제가 있었다.
이에 연구팀은 X-type 스페이서 유기 분자 도입을 통해 새로운 ‘X-type 준(準) 2차원 페로브스카이트 발광체’를 설계함으로써 페로브스카이트 결정이 기판 위에서 열역학적으로 제어돼 고효율 발광에 유리한 균일한 상을 가지는 박막을 형성했다. 아울러 연구팀은 페로브스카이트 결정상이 선택적으로 성장하도록 돕는 이종 스캐폴드를 개발해, 진공 증착 공정에서의 결정화를 정밀하게 제어하는 방법을 제시했다. 그 결과, 높은 발광 효율과 고색순도를 동시에 갖는 진공 증착 기반 PeLED를 구현하는 데 성공했다.
이번 연구 결과는 7월 1일 나노기술 분야의 최고 권위 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 게재됐다.
연구 배경
페로브스카이트(주로 3차원 ABX3 구조, A는 양이온, B는 금속 양이온, X는 할라이드 음이온)는 색순도와 발광 효율이 높고, 재료비가 낮으며 기존 양자점과 달리 증착 공정도 가능해 OLED를 잇는 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다. 하지만 단순히 효율이 높다는 이유만으로 실제 산업에 페로브스카이트를 적용하기는 어렵다. 대면적 생산, 균일한 박막 형성, 정밀한 두께 조절, 픽셀 패터닝 등 여러 공정 조건이 디스플레이 제조 공정과 잘 맞아야 하기 때문이다.
현재 디스플레이 산업에서는 진공 증착 공정*이 OLED 생산 시 널리 사용되고 있다. 따라서 페로브스카이트도 기존 OLED 생산 인프라와 호환되는 진공 증착 방식으로 만들 수 있다면 상용화 가능성이 크게 높아진다.
* 진공 증착 공정 : 재료를 진공 상태에서 기화시킨 뒤, 기판 위에 얇은 막으로 형성하는 제조 기술
하지만 페로브스카이트 진공 증착은 단순히 재료를 쌓는 공정이 아니라, 기판 위에서 여러 전구체*가 동시에 반응해 새로운 결정이 만들어지는 과정이다. 이 과정이 너무 빠르고 복잡해지면, 여러 종류의 결정상이 뒤섞이고 박막이 불균일해져 발광 효율과 색순도가 낮아진다.
* 전구체 : 최종 물질을 만들기 위한 원료 물질로, 반응 과정을 거쳐 원하는 물질로 바뀐다.
따라서 페로브스카이트의 본격적인 상용화를 위해서는 단순한 공정 조건 최적화를 넘어, 페로브스카이트 결정의 형성 경로를 파악하고 제어하는 새로운 물질 설계 전략이 필요한 상황이었다.
연구 성과
이 문제의 해결에 나선 공동 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.
* 준 2차원 페로브스카이트 : 페로브스카이트 층이 1층, 2층, 3층... 등으로 구성되며, 각 층이 스페이서로 분리되어 있는 구조. 기존에는 A 자리에 덩치가 큰 분자를 넣어서 준 2차원 페로브스카이트를 제조하는 것이 일반적이었음.
먼저 연구팀은 X-type 스페이서(spacer)* 유기 분자의 도입이라는 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.
* X-type 스페이서 : X 자리 즉, 할라이드(halide) 자리를 치환해 동시에 페로브스카이트 격자 간 분리를 유발하는 물질
* 열역학적 상고정화 기법 : 온도에 따라 형성되는 상이 달라지고, 특정 범위에서 주요한 상의 비율이 급격히 많아지도록 유도하는 방식.
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.
* 플루오린화 리튬 : 전자소자의 성능 향상을 위해 사용되는 리튬 기반 화합물
* 이종 스캐폴드 : 플루오린화 리튬과 X-type 스페이서 유기 분자가 화학적으로 결합해 형성하는 균일한 결정화 씨앗층
이 같은 과정을 거쳐 연구팀은 성능이 우수한 결정 구조가 고르게 형성되어 85% 이상의 높은 광발광 효율*을 확보한 박막을 만들었다. 그리고 이 박막을 적용한 PeLED는 21.9%의 외부양자효율*, 높은 색순도를 보인 16.8nm의 발광 선폭*을 달성했다. 이는 진공 증착 기반 PeLED 분야에서 기록된 세계 최고 수준의 성능이다.
* 광발광 효율 : 페로브스카이트 박막에서 입사한 빛의 광에너지 대비 발광하는 빛의 광에너지의 비율을 나타냄.
* 외부양자효율 : 페로브스카이트 LED에서의 발광 효율
* 발광 선폭: 빛의 스펙트럼 폭을 나타내는 값. 좁을수록 색이 더 선명하고 순수하다.
또한 연구팀은 이 PeLED가 대면적, 유연 기판, 패턴화 플랫폼의 조건에서도 구현될 수 있다는 점을 확인해, 향후 실제 디스플레이 공정에서 적용될 가능성을 시사했다.
연구 의의
이번 연구는 페로브스카이트 디스플레이의 상용화에 있어 중요한 공정 원리를 밝히고, 열역학적으로 정밀하게 상이 제어되지 못하는 난제를 해결해 고효율·고색순도의 페로브스카이트 발광체를 진공 증착 방식으로 균일하게 만들 수 있는 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
특히 연구팀이 개발한 X-type 준 2차원 페로브스카이트는 단순한 첨가제 기술이 아니라, 결정이 형성되는 방식 자체를 제어하는 새로운 물질 설계 전략이라는 평가를 받는다. 기존 진공 증착 공정에서 문제가 됐던 박막의 불균일성, 낮은 색순도, 여러 결정상이 뒤섞이는 현상을 모두 개선할 수 있기 때문이다.
기대 효과
이번 연구 성과는 산업적으로도 중요한 의미를 지닌다. 진공 증착이 이미 OLED 생산의 핵심 공정이라는 점을 고려하면, 이번 기술은 기존 디스플레이 제조 인프라와의 호환성이 높기 때문에 새로운 디스플레이를 생산하는데 장비에 대한 투자 비용이 LCD에서 OLED로 전환될 때보다 적게 든다. 이뿐만 아니라 초소형 픽셀에서도 효율이 높으며 밝은 빛을 낼 수 있어서 향후 초고해상도 디스플레이, AR/VR용 마이크로디스플레이, 차세대 색변환 픽셀층 및 자발광 소자 개발에 활용될 전망이다.
연구진 의견
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”며 “기존 OLED 생산 인프라와 호환 가능한 진공 증착 공정으로 세계 최고 수준의 고효율·고색순도 페로브스카이트 발광소자를 구현한 성과로, 향후 초고해상도 디스플레이와 AR/VR용 마이크로디스플레이의 실용화를 앞당기는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
연구진 진로
논문의 공동 제1저자인 박찬율 학생은 서울대 재료공학부 이태우 교수 연구실의 박사과정생으로, 진공 증착 기반 페로브스카이트 발광체의 결정화 제어와 고효율 페로브스카이트 발광다이오드 개발 관련 연구를 수행하고 있다.
역시 공동 제1저자인 김주성 박사는 이태우 교수 연구실에서 박사학위 취득 이후, 현재 영국 케임브리지대학교 사무엘 D. 스트랭크스 교수 연구실에서 마리퀴리 펠로우 박사후연구원으로 재직 중이며, 페로브스카이트 기반 광전자 소자의 소재 설계와 광물리 특성 분석에 관한 연구를 이어가고 있다.
연구진은 이번 성과를 바탕으로 진공 증착 기반 페로브스카이트 발광소자의 대면적화 및 패턴화 공정 적용 가능성을 더욱 확장하기 위한 후속 연구를 지속하고 있다. 따라서 향후 초고해상도 디스플레이와 AR/VR용 마이크로디스플레이 등 차세대 디스플레이 기술의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 서울대학교를 중심으로 케임브리지대학교의 연구기관이 참여한 공동 연구로 수행됐다. 그리고 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더 연구과제(RS-2025-00560490) 및 나노·소재기술개발사업(2022M3H4A1A04096380)의 지원을 받아 이뤄졌다.
참고 자료
- 논문명/저널: Halide-site-substituting spacer creates quasi-two-dimensional perovskites for vapour-deposited light-emitting diodes / Nature Nanotechnology
- DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-026-02208-y
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
이에 연구팀은 X-type 스페이서 유기 분자 도입을 통해 새로운 ‘X-type 준(準) 2차원 페로브스카이트 발광체’를 설계함으로써 페로브스카이트 결정이 기판 위에서 열역학적으로 제어돼 고효율 발광에 유리한 균일한 상을 가지는 박막을 형성했다. 아울러 연구팀은 페로브스카이트 결정상이 선택적으로 성장하도록 돕는 이종 스캐폴드를 개발해, 진공 증착 공정에서의 결정화를 정밀하게 제어하는 방법을 제시했다. 그 결과, 높은 발광 효율과 고색순도를 동시에 갖는 진공 증착 기반 PeLED를 구현하는 데 성공했다.
이번 연구 결과는 7월 1일 나노기술 분야의 최고 권위 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 게재됐다.
연구 배경
페로브스카이트(주로 3차원 ABX3 구조, A는 양이온, B는 금속 양이온, X는 할라이드 음이온)는 색순도와 발광 효율이 높고, 재료비가 낮으며 기존 양자점과 달리 증착 공정도 가능해 OLED를 잇는 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다. 하지만 단순히 효율이 높다는 이유만으로 실제 산업에 페로브스카이트를 적용하기는 어렵다. 대면적 생산, 균일한 박막 형성, 정밀한 두께 조절, 픽셀 패터닝 등 여러 공정 조건이 디스플레이 제조 공정과 잘 맞아야 하기 때문이다.
현재 디스플레이 산업에서는 진공 증착 공정*이 OLED 생산 시 널리 사용되고 있다. 따라서 페로브스카이트도 기존 OLED 생산 인프라와 호환되는 진공 증착 방식으로 만들 수 있다면 상용화 가능성이 크게 높아진다.
* 진공 증착 공정 : 재료를 진공 상태에서 기화시킨 뒤, 기판 위에 얇은 막으로 형성하는 제조 기술
하지만 페로브스카이트 진공 증착은 단순히 재료를 쌓는 공정이 아니라, 기판 위에서 여러 전구체*가 동시에 반응해 새로운 결정이 만들어지는 과정이다. 이 과정이 너무 빠르고 복잡해지면, 여러 종류의 결정상이 뒤섞이고 박막이 불균일해져 발광 효율과 색순도가 낮아진다.
* 전구체 : 최종 물질을 만들기 위한 원료 물질로, 반응 과정을 거쳐 원하는 물질로 바뀐다.
따라서 페로브스카이트의 본격적인 상용화를 위해서는 단순한 공정 조건 최적화를 넘어, 페로브스카이트 결정의 형성 경로를 파악하고 제어하는 새로운 물질 설계 전략이 필요한 상황이었다.
연구 성과
이 문제의 해결에 나선 공동 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.
* 준 2차원 페로브스카이트 : 페로브스카이트 층이 1층, 2층, 3층... 등으로 구성되며, 각 층이 스페이서로 분리되어 있는 구조. 기존에는 A 자리에 덩치가 큰 분자를 넣어서 준 2차원 페로브스카이트를 제조하는 것이 일반적이었음.
먼저 연구팀은 X-type 스페이서(spacer)* 유기 분자의 도입이라는 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.
* X-type 스페이서 : X 자리 즉, 할라이드(halide) 자리를 치환해 동시에 페로브스카이트 격자 간 분리를 유발하는 물질
* 열역학적 상고정화 기법 : 온도에 따라 형성되는 상이 달라지고, 특정 범위에서 주요한 상의 비율이 급격히 많아지도록 유도하는 방식.
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.
* 플루오린화 리튬 : 전자소자의 성능 향상을 위해 사용되는 리튬 기반 화합물
* 이종 스캐폴드 : 플루오린화 리튬과 X-type 스페이서 유기 분자가 화학적으로 결합해 형성하는 균일한 결정화 씨앗층
이 같은 과정을 거쳐 연구팀은 성능이 우수한 결정 구조가 고르게 형성되어 85% 이상의 높은 광발광 효율*을 확보한 박막을 만들었다. 그리고 이 박막을 적용한 PeLED는 21.9%의 외부양자효율*, 높은 색순도를 보인 16.8nm의 발광 선폭*을 달성했다. 이는 진공 증착 기반 PeLED 분야에서 기록된 세계 최고 수준의 성능이다.
* 광발광 효율 : 페로브스카이트 박막에서 입사한 빛의 광에너지 대비 발광하는 빛의 광에너지의 비율을 나타냄.
* 외부양자효율 : 페로브스카이트 LED에서의 발광 효율
* 발광 선폭: 빛의 스펙트럼 폭을 나타내는 값. 좁을수록 색이 더 선명하고 순수하다.
또한 연구팀은 이 PeLED가 대면적, 유연 기판, 패턴화 플랫폼의 조건에서도 구현될 수 있다는 점을 확인해, 향후 실제 디스플레이 공정에서 적용될 가능성을 시사했다.
연구 의의
이번 연구는 페로브스카이트 디스플레이의 상용화에 있어 중요한 공정 원리를 밝히고, 열역학적으로 정밀하게 상이 제어되지 못하는 난제를 해결해 고효율·고색순도의 페로브스카이트 발광체를 진공 증착 방식으로 균일하게 만들 수 있는 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
특히 연구팀이 개발한 X-type 준 2차원 페로브스카이트는 단순한 첨가제 기술이 아니라, 결정이 형성되는 방식 자체를 제어하는 새로운 물질 설계 전략이라는 평가를 받는다. 기존 진공 증착 공정에서 문제가 됐던 박막의 불균일성, 낮은 색순도, 여러 결정상이 뒤섞이는 현상을 모두 개선할 수 있기 때문이다.
기대 효과
이번 연구 성과는 산업적으로도 중요한 의미를 지닌다. 진공 증착이 이미 OLED 생산의 핵심 공정이라는 점을 고려하면, 이번 기술은 기존 디스플레이 제조 인프라와의 호환성이 높기 때문에 새로운 디스플레이를 생산하는데 장비에 대한 투자 비용이 LCD에서 OLED로 전환될 때보다 적게 든다. 이뿐만 아니라 초소형 픽셀에서도 효율이 높으며 밝은 빛을 낼 수 있어서 향후 초고해상도 디스플레이, AR/VR용 마이크로디스플레이, 차세대 색변환 픽셀층 및 자발광 소자 개발에 활용될 전망이다.
연구진 의견
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”며 “기존 OLED 생산 인프라와 호환 가능한 진공 증착 공정으로 세계 최고 수준의 고효율·고색순도 페로브스카이트 발광소자를 구현한 성과로, 향후 초고해상도 디스플레이와 AR/VR용 마이크로디스플레이의 실용화를 앞당기는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
연구진 진로
논문의 공동 제1저자인 박찬율 학생은 서울대 재료공학부 이태우 교수 연구실의 박사과정생으로, 진공 증착 기반 페로브스카이트 발광체의 결정화 제어와 고효율 페로브스카이트 발광다이오드 개발 관련 연구를 수행하고 있다.
역시 공동 제1저자인 김주성 박사는 이태우 교수 연구실에서 박사학위 취득 이후, 현재 영국 케임브리지대학교 사무엘 D. 스트랭크스 교수 연구실에서 마리퀴리 펠로우 박사후연구원으로 재직 중이며, 페로브스카이트 기반 광전자 소자의 소재 설계와 광물리 특성 분석에 관한 연구를 이어가고 있다.
연구진은 이번 성과를 바탕으로 진공 증착 기반 페로브스카이트 발광소자의 대면적화 및 패턴화 공정 적용 가능성을 더욱 확장하기 위한 후속 연구를 지속하고 있다. 따라서 향후 초고해상도 디스플레이와 AR/VR용 마이크로디스플레이 등 차세대 디스플레이 기술의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 서울대학교를 중심으로 케임브리지대학교의 연구기관이 참여한 공동 연구로 수행됐다. 그리고 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더 연구과제(RS-2025-00560490) 및 나노·소재기술개발사업(2022M3H4A1A04096380)의 지원을 받아 이뤄졌다.
참고 자료
- 논문명/저널: Halide-site-substituting spacer creates quasi-two-dimensional perovskites for vapour-deposited light-emitting diodes / Nature Nanotechnology
- DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-026-02208-y
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