청색광 구현이 가능해 차세대 발광 물질로 주목받고 있지만 산업적 응용에 제한이 있는 납 기반 페로브스카이트의 납 이온 유독성 문제를 해결한 친환경 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 납 이온이 없이도 우수한 색 표현력과 높은 발광 효율을 가질 수 있는 친환경 대체 소재를 개발하였다고 16일 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 이온은 원자 번호 63번인 희토류 금속 유로퓸(Eu)의 이온 형태로 주로 전자를 2개 또는 3개 잃은 양이온(Eu2+ 또는 Eu3+)으로 존재한다.

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 반치폭을 보였다. 반치폭은 스펙트럼의 최대값 절반 높이에서의 두 점 사이의 거리로, 발광 색상의 선명도(색순도)를 평가하는 지표다.

광원의 발광 스펙트럼이 좁을수록 디스플레이에서 선명한 색 표현이 가능하기 때문에, 이는 차세대 디스플레이 소재로서의 높은 가능성을 보여준 결과다.

또한, 연구팀은 유로퓸 기반 나노결정의 구조적, 광학적 특성이 합성 과정에서 사용된 유기 리간드(암모늄 계열, 포스핀 계열)*에 따라서 크게 바뀌는 현상을 처음으로 규명했다. 유기 리간드는 나노결정의 표면에 붙어 계면활성제 역할을 하는 물질이다.

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 말했다.

연구팀의 하재영 박사과정, 연성범 석박사통합과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노 (ACS Nano)’에 10월 17일 온라인 게재됐으며, 11월 호 부록 표지(로 출판될 예정이다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.