국내 연구진, 페로브스카이트 합성 신기술 개발… 생생한 초실감 TV ‘성큼’

[산업일보]
차세대 디스플레이의 핵심 소재로 꼽히는 ‘페로브스카이트’를 높은 품질로 대량 생산할 수 있는 원천 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

과학기술정보통신부는 18일 정부세종청사에서 브리핑을 통해 서울대학교 재료공학부 이태우 교수 연구팀이 페로브스카이트 나노결정을 발광효율 100%로 유지하며 대용량으로 합성할 수 있는 ‘저온 주입(Cold-injection)’ 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 연구 성과는 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 19일(현지시간 18일) 자에 게재됐다.


고온 위험·품질 저하 한계 동시에 극복
페로브스카이트는 유기발광다이오드(OLED)와 무기양자점 발광다이오드(QLED)를 뛰어넘는 발광 성능을 지닌 소재다. 색 순도가 매우 높아 현존하는 소재 중 초고해상도 TV의 색 표준인 ‘Rec. 2020’을 충족할 수 있는 거의 유일한 대안으로 평가받는다.

기존에는 150℃(도) 이상의 고온에서 소재를 주입하는 ‘핫 인젝션(Hot-injection)’ 방식이 주로 쓰였다. 그러나 이 방식은 화재와 폭발 위험이 크고, 산소와 수분을 차단하는 특수 설비가 필요해 공정 비용이 많이 든다. 상온에서 합성하는 대안 기술도 제시됐으나, 대량 생산 시 결정 결함이 생기거나 품질이 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

이태우 교수팀은 대기 중에서 0도 부근의 낮은 온도로 냉각한 용액에 전구체를 주입하는 ‘저온 주입법’을 통해 이 문제를 해결했다고 밝혔다. 연구팀은 ‘유사 유화(pseudo-emulsion)’라고 불리는 새로운 메커니즘을 발견, 이를을 통해 결정 합성 속도를 늦춰 결함 생성을 억제하고 균일한 나노결정을 확보하는 데 성공했다.

생산성 6.5배 높이고 유해 용매는 획기적으로 줄여
이번 기술은 높은 산업적 활용 가치로도 주목받고 있다. 연구팀은 실험실 수준의 소량 합성을 넘어 20L(리터) 규모의 대형 반응기에서도 발광효율 100%가 유지됨을 입증했다. 기존 합성법과 비교해 생산성은 6.5배 높아졌으며, 합성에 필요한 극성 용매(DMF) 사용량은 19.6배나 줄어 환경 유해성도 낮췄다.

또 대량 생산된 페로브스카이트를 적용한 발광다이오드는 외부 양자효율(EQE) 29.6%를 기록해 이론적 한계치에 근접한 세계 최고 수준의 성능을 보였다. 연구팀은 교원 창업 기업인 ‘에스엔 디스플레이(SN Display)’와 협력해 이 소재를 실제 10.1인치 태블릿 디스플레이에 장착하며 상용화 가능성을 검증했다.

차세대 디스플레이 '기술 주권' 확보
이번 성과는 한국이 디스플레이 소재 분야에서 기술 종속을 극복하고 초격차 경쟁력을 확보했다는 점에서도 의미가 크다. OLED 핵심 소재 특허를 해외 기업에 의존해온 것과 달리, 이번 기술은 연구팀이 2014년부터 확보한 독자적인 원천 특허를 기반으로 하고 있다.

관련 시장의 전망도 밝다. 세계 디스플레이 시장 규모는 2034년 약 3,717억 달러(한화 약 539조 원)에 이를 것으로 예상되며, 초실감(XR) 디스플레이 시장 또한 2026년 106억 4천만 달러에서 2031년 591억 8천만 달러로 연평균 40.95%씩 급격히 성장할 전망이다.

이태우 교수는 "이번 연구는 연구실 수준을 넘어 실제 사업화가 가능한 수준의 대량 생산을 성공시켰다는 점에 의의가 있다"며 "앞으로 페로브스카이트 소재의 상용화를 앞당겨 한국 디스플레이 산업이 차세대 시장에서 초격차 경쟁력을 확보하는 기폭제가 되길 기대한다"고 밝혔다.