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합성에 수일 걸리던 난제를 “단 5분” 내 해결하는 혁신적 공정 개발
저비용·고안정성 차세대 광전소자 상용화에 기여 기대
연구 성과, 세계적 권위 학술지 Advanced Science 게재

왼쪽부터 진상현 박사(제1저자), 이연진 교수(교신저자).

[대학저널 이선용 기자] 연세대학교 물리학과 이연진 교수 연구팀이 차세대 광전 소재로 주목받는 ‘금속-유기 칼코겐화물’을 이용해 세계 최초로 발광 다이오드(LED) 구현에 성공했다. 이번 성과는 금속-유기 칼코겐 화합물의 근본적인 난제를 해결하며, 차세대 디스플레이와 조명 기술의 가능성을 크게 확장했다는 평가를 받고 있다.

금속-유기 칼코겐화물은 할라이드 페로브스카이트와 전이금속 칼코겐화물이 가진 단점을 동시에 보완할 수 있는 대안으로 주목받아 왔다. 그러나 합성에 수일이 소요되고, 제작된 박막의 품질이 낮아 실제 소자로 활용하기 어려운 한계가 있었다. 특히 이 소재를 전기 발광 소자에 적용한 사례는 그동안 학계에 보고된 바가 없었다.

연구팀은 ‘증기 보조 용액 공정(Vapor-Assisted Solution Process, VSP)’을 새롭게 개발해 이 문제를 해결했다. 이 공정은 대기압 환경에서 단 5분 만에 고품질의 금속-유기 칼코겐(AgSPhCOOMe) 박막 합성이 가능하다. 제작된 박막은 결함이 거의 없고 치밀한 구조 가졌으며, 37.5%에 달하는 광발광 양자 효율을 기록했다.

연구팀은 이 합성 기술을 기반으로 세계 최초의 금속-유기 칼코겐 LED 제작에 성공했다. 아울러 실시간 광전자 분석을 통해 소자 효율을 제한하는 주된 요인이 높은 전자 주입 장벽임을 밝혀내며, 향후 성능 개선을 위한 명확한 로드맵을 제시했다. 

 

증기 보조 용액 공정을 통한 금속-유기 칼코젠화물 신속 합성법 모식도.

이연진 연세대 교수는 “이번 연구는 금속-유기 칼코겐 소재의 고질적인 문제였던 느린 합성법을 극복하고, 누구도 구현하지 못했던 전기 발광 소자를 최초로 시연한 데 큰 의미가 있다”며 “이번 성과를 통해 소재의 잠재력이 입증된 만큼, 새로운 리간드 설계와 계면 처리법 등 후속 연구를 통해 차세대 디스플레이와 조명 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적 다학제 권위지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF=14.1)’에 게재됐다. 연구는 연세대 물리학과 진상현 박사(제1저자)가 주도했으며, 김관표 교수, 김우재 교수(연세대), 박수형 박사(한국과학기술연구원), 김영훈 교수(한양대)가 공동으로 참여했다. 또한 한국연구재단 중견연구자지원사업과 (주)야스의 지원을 받아 수행됐다.

 

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