한양대학교 에너지공학과 김영훈 교수, 화학공학과 김도환 교수, 융합전자공학부 정예환 교수, 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 배병수 교수로 구성된 공동연구팀이 물 속에서도 장기간 광발광 양자효율(Photoluminescence quantum yield, 이하 PLQY)을 안정적으로 유지하는 ‘페로브스카이트 나노복합체 색변환층 패턴’을 개발했다고, 18일 밝혔다.

할라이드 페로브스카이트 나노결정 발광 소재는 기존 유기·무기 발광 소재보다 저렴하고 색순도가 높아 차세대 디스플레이 색변환층 소재로 주목받고 있다. 그러나 기존 소재는 이온 결합 구조 특성으로 인한 낮은 안정성과 포토레지스트, 에칭 등 패터닝 공정에서의 결정 구조 손상이라는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 페로브스카이트 나노결정과 실록산 레진을 혼합한 광가교성 나노복합체를 합성하고, 유변학적 공정 제어를 적용한 포토리소그래피 공정으로 수십 마이크로미터 크기의 패턴을 구현했다. 그 결과, 물 속에서도 4개월 이상 높은 PLQY를 유지했으며, 녹색광·적색광 발광 나노복합체를 멀티 패터닝해 청색 백라이트 위에서 백색광으로 색변환하는 데 성공했다.

이 과정에서 실록산 레진은 페로브스카이트를 손상시키지 않으면서도 포토리소그래피를 가능하게 하는 이중 기능을 수행했다. 또한, 나노복합체의 점도를 용매 첨가로 최적화하고, 공정을 약한 광가교 단계와 강한 광가교 단계로 분리해 패턴 균일도를 높였다. 특히, 내부에 소량의 물 분자가 침투하면 이온 결함이 부동태화(passivation)되어 PLQY가 오히려 향상되는 현상도 확인했다.

김영훈 한양대 교수는 “물 속에서도 작동 가능한 수준의 안정성을 확보한 색변환층을 구현했다는 점에서 의의가 크다”며 “향후 페로브스카이트 발광 소재 기반의 차세대 디스플레이 상용화에 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단·포스코사이언스펠로십·한국전기연구원의 지원을 받았으며, 연구 결과는 나노재료 분야 권위지 『Nano Energy(IF 17.1)』에 7월 19일 온라인 게재됐다. 논문명은 「Rheology-controlled microlithography of exceptionally stable perovskite nanocrystals for microdisplays」이며, 교신저자로 한양대 김영훈·김도환·정예환 교수와 KAIST 배병수 교수가, 공동 제1저자로 한양대 배상우·박진민, 한국전기연구원 장준호, 한양대 홍성우 연구원이 참여했다.