“어떻게 이런 연구성과를”, 韓 과학자 차세대 디스플레이 난제 동시 해결…‘효율·수명’ 두마리 토끼 잡아

이태우 서울대 교수, 차세대 디스플레이 연구로 ‘네이처·사이언스’ 동시 게재 완전 신축형 OLED 효율 향상, 페로브스카이트 나노결정 발광체로 수명 연장 국내 연구진이 차세대 디스플레이의 핵심 성능을 좌우한 효율과 수명을 향상시키는 오랜 난제를 해결했다. 디스플레이 강국 코리아의 위상을 다시금 입증하는 연구성과라는 평가가 나온다. 서울대 공과대학은 이태우 재료공학부 교수 연구팀이 지난 15일 세계 과학 학술지 양대축인 ‘네이처’(Nature)와 ‘사이언스’(Science)에 서로 다른 디스플레이 핵심 기술에 관한 혁신적 연구 성과를 각각 발표했다고 16일 밝혔다. 한 연구자가 같은 날 세계 최고 권위를 지닌 과학분야 학술지 두 편에 논문을 게재한 것은 매우 이례적인 일이어서 국내외 과학계의 이목을 집중시켰다. 이 교수팀은 유기발광다이오드(OLED)의 새로운 응용 분야로 꼽히는 신축형 OLED에서 기존의 딱딱한 OLED와 유사한 수준의 밝기와 고효율을 구현할 수 있는 메커니즘을 세계 최초로 규명해 네이처에 발표했다. 또 OLED 이후 차세대 디스플레이로 주목받는 페로브스카이트의 최대 난제였던 수명 문제를 획기적으로 개선한 연구 성과는 사이언스 표지 논문으로 실렸다. 이미 성숙 단계에 접어든 OLED 분야 연구를 통해 네이처에 논문을 게재한 것은 우리나라 OLED 연구 역사에서 처음이자 국제적으로 매우 드문 일이다. 이 교수팀은 피부 부착형 디스플레이의 핵심인 ‘완전 신축형 OLED’ 관련 연구 결과를 네이처에 발표했다. 절연성 탄성체에 막힌 삼중항 에너지 전달 문제를 새로운 에너지 전달 메커니즘인 엑시플렉스로 해결했다. 아울러 이차원 신소재인 ‘맥신’ 기반 신축 전극을 도입해 소자를 60%까지 늘려도 성능과 밝기 저하가 없는 역대 최고 수준의 외부양자효율(17.0%)를 달성한 신축형 OLED를 개발하는 데 성공했다. 낮은 효율로 상용화를 기대하기 어려웠던 기존 완전 신축성 OLED의 제약을 극복한 것으로, 피부나 의류, 사물 등에 부착해 헬스케어, 지능형 디스플레이 등에 적용할 수 있다. 이 교수팀은 기존 페로브스카이트의 수명을 획기적으로 개선한 새로운 페로브스카이트 나노결정 입자 발광체를 개발한 연구성과를 사이언스에 발표했다. 지난 2015년 고효율 페로브스카이트 발광다이오드를 구현한 성과를 사이언스에 발표한 이후 페로브스카이트 발광체 분야 연구 논문으로는 두 번째다. 차세대 소자인 페로브스카이트 나노결정은 색 순도, 색 구현 영역, 가격, 흡광도, 소비 전력 등 여러 특성에서 기존 양자점보다 우위에 있다. 하지만 연한 이온 격자 구조로 인해 수명이 짧은 치명적 단점을 페로브스카이트 나노결정의 구조적 결함을 보완해 효율과 수명을 높인 ‘계층적 쉘’ 기술을 개발했다. 계층적 쉘 기술을 적용해 기존 양자점과 형광체에서 65% 이하였던 외부 양자 수율을 이론적 한계치인 91.4%까지 끌어 올렸으며, 고온다습한 환경에서도 3000시간 이상 견디는 안정성을 확보했다. 이 교수팀은 교원 창업기업인 에스엔디스플레이와 협력해 10.1인치 태블릿에서 75인지 TV에 이르는 시제품 디스플레이를 구현했다. 이태우 교수는 “페로브스카이트의 효율과 안정성을 동시에 확보한 사이언스 논문, 신축 시에도 고효율을 유지하는 OLED를 구현한 네이처 논문은 각각 독립적으로도 매우 의미 있는 디스플레이 연구의 진전”이라고 평가했다. 이어 “한국 디스플레이 산업이 도전받는 상황에서 한 연구실에서 두 개의 세계적 난제를 동시에 해결한 이번 성과는 한국 디스플레이 기술의 초격차 우위를 확고히 다지는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.