용매 없이 만든 고효율 페로브스카이트 발광 박막…300일 넘게 특성 유지
유해 유기용매를 쓰지 않고도 높은 효율과 장기 안정성을 갖춘 페로브스카이트 녹색 발광 박막을 만드는 길이 열렸다. 동의대학교 김성훈 교수 연구팀은 전구체 분말과 실리카 나노입자를 건식으로 증착해 디스플레이와 조명용 파장변환 소재를 제작하는 공정을 개발했다고 밝혔다.
금속 할라이드 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하고 좁은 파장 범위의 빛을 내는 소재다. 원하는 색을 선명하게 구현할 수 있어 차세대 디스플레이와 조명 분야의 발광 소재로 연구돼 왔다. 하지만 기존 스핀코팅과 스프레이코팅 같은 용액 공정은 유해 유기용매를 사용하고 원료가 손실되며, 넓고 두꺼운 막을 만들기 어렵다는 한계가 있었다. 진공 증착 방식도 고진공 장비가 필요하고 결정 성장과 결함을 제어하기 어려웠다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘공융반응 보조 에어로졸 증착’ 방식을 도입했다. 공융반응은 둘 이상의 물질을 함께 섞었을 때 각각의 물질보다 낮은 조건에서 녹거나 반응하기 쉬워지는 현상이다. 연구팀은 브로민화세슘(CsBr)과 브로민화납(PbBr2) 전구체에 실리카 나노입자를 섞어 건식 증착한 뒤 430℃에서 열처리했다.
열처리 과정에서 CsBr과 PbBr2의 공융반응이 실리카의 저온 소결을 촉진하면서 페로브스카이트 주변에 구멍이 많은 다공성 실리카 골격이 형성됐다. 이 골격은 페로브스카이트 결정들이 지나치게 커지거나 서로 뭉치는 것을 막았다. 열처리 후 결정립 크기는 약 47나노미터로 조절됐다. 1나노미터는 10억분의 1미터다.
실리카 골격은 결정 사이의 물리적 장벽으로 작용하는 동시에 Si-O-Pb 결합을 통해 페로브스카이트 표면을 안정화했다. 이에 따라 흡수된 에너지가 빛을 내지 못하고 사라지는 ‘비발광 재결합’이 억제됐다. 만들어진 CsPbBr3·다공성 SiO2 복합 박막은 와트당 85.7루멘의 광효율을 기록했다.
박막은 대기 중에서 300일 이상 발광 특성을 유지했고, 150℃ 환경에서도 27일 넘게 특성이 이어졌다. 3볼트·20밀리암페어로 연속 구동한 시험에서는 약 5,000분이 지난 뒤에도 초기 광효율의 65.8%를 유지했다. 기존 유기 리간드 기반 CsPbBr3 양자점 필름과 비교해서도 LED 구동 수명이 늘어났다.
공정 확장 가능성도 확인됐다. 연구팀은 6×6제곱센티미터 크기의 박막을 만들었으며, 원하는 모양을 바로 형성하는 직접 패터닝과 평평하지 않은 표면에 입히는 곡면 코팅도 구현했다. 이 연구는 전류를 직접 주입해 자체적으로 빛을 내는 독립형 페로브스카이트 LED가 아니라, 외부 광원의 색을 녹색으로 바꾸는 광발광 파장변환 박막을 다룬다. 따라서 이번 광효율을 페로브스카이트 LED의 외부양자효율과 직접 비교해서는 안 된다.
같은 연구진은 2022년 초음파 보조 에어로졸 증착을 이용해 페로브스카이트 양자점과 금속산화물을 청색 OLED 위에 함께 증착한 바 있다. 당시 최소 3마이크로미터 두께에서 청색광을 완전히 변환하고, 마스크 방식으로 30마이크로미터 점과 무마스크 방식으로 13마이크로미터 선 패턴을 구현했다. 이번 연구는 이 색변환 기술을 용액과 유기 리간드 없이 전구체 분말과 실리카 골격을 사용하는 방향으로 확장했다.
연구에는 홍지우 동의대 석사과정생과 이준우 광운대 학생이 공동 제1저자로 참여했다. 김성훈 동의대 교수와 오종민 광운대 교수, 김상욱 아주대 교수는 공동 교신저자를 맡았다. 동의대·광운대·포항공대·아주대 소속 연구자 9명이 참여한 논문은 2026년 8월 온라인 공개됐으며, Chemical Engineering Journal 544권 논문번호 179270으로 수록됐다. 권호상 발행일은 2026년 9월 15일이다.
연구비는 한국연구재단 과제 2건과 부산시·부산테크노파크의 BB21plus 사업, 한국산업기술진흥원 과제에서 지원됐다. 연구팀은 용매 사용과 원료 손실 문제를 줄이면서 대면적·패턴·곡면 형태로 만들 수 있다는 점에서 차세대 디스플레이와 조명의 파장변환 소재로 활용될 가능성을 제시했다고 밝혔다.
자료: 동의대학교, Elsevier(Chemical Engineering Journal), Crossref, 한국과학기술원, 아주대학교