울산과학기술원(UNIST)이 차세대 3D 디스플레이에 활용할 수 있는 고휘도 발광소자 기술을 개발했다.

UNIST는 신소재공학과 송명훈·이승걸 교수 연구팀이 외부 편광 필터 없이도 고순도의 원형편광을 직접 발광하는 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)를 구현했다고 29일 밝혔다.

원형편광은 빛이 특정 방향으로 회전하며 진행하는 성분으로, 3D 디스플레이와 증강현실(AR)·가상현실(VR) 구현에 중요한 요소로 꼽힌다.

기존 LED는 빛이 사방으로 퍼지기 때문에 원형편광을 얻기 위해 필터를 추가로 사용해야 했고, 이 과정에서 상당량의 빛이 손실돼 밝기가 크게 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀이 개발한 PeLED는 발광 단계부터 원형편광을 직접 만들어내는 방식이다.

발광층 소재인 페로브스카이트 구조 안에 ‘키랄(Chiral)’ 분자를 도입해, 내부에서 생성되는 빛이 자연스럽게 한쪽 방향으로 회전하도록 설계했다.

신소재 디스플레이 개념도 [UNIST 제공]

키랄 분자는 왼손과 오른손처럼 거울상 대칭이 되지 않는 비대칭 구조를 지닌 분자로, 물질 내부의 구조적 비틀림을 유도하는 특징이 있다.

기존 연구에서는 키랄 분자 한 종류만을 첨가하는 방식이 주로 사용됐지만, 구조의 비틀림이 균일하지 않아 편광 순도와 밝기가 제한되는 한계가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 역할이 다른 두 가지 키랄 분자를 혼합하는 전략을 적용했다.

연구에 사용된 메틸벤질 암모늄(MBAI)은 페로브스카이트 층 사이에서 전체적인 비틀림 구조를 유도하고, 비나프틸 인산염(BHP)은 구조적 비틀림 과정에서 발생하는 결함을 완화해 발광 안정성을 높이는 역할을 했다.

실험 결과, 새로 개발한 PeLED는 단일 키랄 분자를 사용했을 때보다 원형편광 방향의 순도가 약 3배 향상됐다.

발광 효율을 나타내는 외부양자효율(EQE)은 1.28%에서 6.9%로 크게 개선됐고, 최대 휘도 역시 742칸델라(cd)/㎡에서 1,753cd/㎡로 높아졌다.

UNIST 송명훈 교수는 “페로브스카이트 LED는 이미 상용화된 OLED보다 제조 원가와 광 효율 측면에서 원형편광 발광 구현에 유리한 소재”라고 말했다.

이어 “이번 기술은 필터 없이도 밝은 3D 디스플레이 구현이 가능할 뿐 아니라, 양자 암호 통신과 같은 고부가가치 분야로의 확장 가능성도 갖고 있다”라고 설명했다.