서울공대 재료공학부 이태우 교수팀, 페로브스카이트 합성 신기술 개발 
- 더 생생한 초실감 TV 성큼...네이처誌 논문 게재 
- 0℃에서 합성하는 저온 주입법 개발, 대량 생산으로 상용화 가능성 높여 


▲ (왼쪽부터) 이태우 서울대 재료공학부 교수, 김성진 서울대 재료공학부 박사, 김선아 서울대 재료공학부 석박사 통합과정생

차세대 디스플레이 핵심 소재로 각광받는 페로브스카이트를 대량 생산하여 상용화할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.

과학기술정보통신부(부총리 겸 과기정통부 장관 배경훈, 이하 ‘과기정통부’)는 서울대학교 이태우 교수 연구팀이 페로브스카이트 나노결정을 발광효율 100%를 유지하며 대량 생산할 수 있는 새로운 합성 기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

과기정통부 지원 사업(기초연구사업, 미래개척융합 과학기술개발 사업 등)으로 수행한 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 「네이처(Nature)」에 2월 19일(현지시간 2.18.(수) 16시, GMT) 게재되었다.

페로브스카이트는 OLED(유기발광다이오드)와 QLED(무기양자점 발광다이오드)를 뛰어넘는 발광 성능으로 초고해상도 TV는 물론, 증강현실(AR)과 가상현실(VR)과 같은 차세대 디스플레이에 활용이 기대되는 소재다.

현재, 소재를 제품화하기 위한 나노결정 합성 방식으로 150℃ 이상의 고온 용액에 소재를 주입하는‘핫 인젝션(Hot-injection)’합성 기술이 주로 사용되고 있으나, 화재 등 안전 위험이 있고 산소와 수분을 차단하기 위한 특수 설비가 필수적이다.

이를 대신하여 상온에서 합성이 가능한 기술이 제시되기도 했으나, 균일하고 고품질의 나노결정 확보가 어렵고 대량 생산 시 생산성과 품질이 급격히 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 대량 생산 시 발생하는 품질 저하가 빠른 합성 속도에 따른 균일성 저하와 결정 결함에서 기인한다는 점에 주목하고, 이를 해결하기 위한, ‘저온 주입(Cold-injection)’합성 기술을 개발하였다.

‘저온 주입’ 합성 기술은 0℃ 부근의 낮은 온도로 냉각한 리간드 용액*에 페로브스카이트 전구체 용액을 주입하여 ‘유사 유화(pseudo-emulsion)’라고 불리는 상태를 형성한 뒤, 합성하는 방식이다. 이를 통해 페로브스카이트 나노결정의 합성 속도를 효과적으로 제어해 결함 생성을 억제하고, 100%의 발광 효율을 가진 고품질의 나노결정을 대량으로 생산할 수 있게 된다.
* 리간드(ligand) 용액 : 입자나 결정 표면에 달라붙어 성장을 조절해 주는 물질(리간드)을 녹여놓은 용액

특히 이번 기술은 2014년 페로브스카이트 소재 연구 분야가 본격적으로 형성되기 이전에 연구팀이 확보한 원천 특허를 기반으로 하고 있어 산업적 가치도 매우 높다. OLED의 경우 핵심 소재 기술에 대한 특허료를 해외 기업에 지불하고 있는 상황이지만, 향후 페로브스카이트 디스플레이가 본격 상용화될 경우 기술 종속 구조를 극복하고 차세대 디스플레이 시장 경쟁력 확보에 기여할 것으로 기대된다.

한편, 연구팀은 교원 창업 기업인 에스엔 디스플레이(주)(SN Display co., Ltd)와 협력해, 대량 생산된 페로브스카이트 나노결정을 기반으로 색변환 필름을 제작하고 실제 태블릿 디스플레이에 장착하여 상용화 가능성을 검증하였다. 에스엔 디스플레이(주)의 독보적인 기술력은 최근 CES 2026에서 페로브스카이트 발광체 분야 최초로 혁신상을 수상하며 세계적으로 그 가치를 인정받았다.

또한, 지난 1월 15일에 과학계의 양대 산맥인 네이처와 사이언스(Science) 본지에 서로 다른 디스플레이 핵심 기술에 관한 연구 성과를 각각 발표한 연구팀은 또 다시 한 달 만에 네이처 본지에 성과를 발표하며, 같은 해에 세계 최고의 학술지에 성과 3편을 게재하였다. 이처럼 한 연구팀이 단기간에 잇달아 성과를 거둔 것은 세계적으로도 매우 드문 사례로, 연구팀의 리더십과 연구 저력을 전 세계에 보여주었다는 평가다.

연구를 이끈 이태우 교수는 “이번 연구 성과는 페로브스카이트 소재의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것”이라며, “향후 페로브스카이트 소재를 활용해 디스플레이 응용을 위한 고효율·고안정성 발광 소자 개발에 주력할 계획”이라고 밝혔다.

과기정통부 구혁채 제1차관은 “이태우 교수는 과기정통부 기초연구사업을 통해 신진·중견·리더에 이르는 성장 단계를 충실히 밟아온 연구자”라며, “젊은 연구자부터 최우수 석학이 세계적인 성과를 창출할 수 있도록 단계별 맞춤 지원으로 촘촘한 성장 사다리를 구축해 나갈 것”이라고 밝혔다.

▲그림 1. Cold-injection method (저온주입법)의 모식도: (왼쪽) 저온의 리간드 용액(비극성용매, 리간드 및 항유화제로 구성)에 페로브스카이트 전구체 용액이 주입되는 단계, (오른쪽)그 결과 합성된 발광효율 100% 의 페로브스카이트 용액.
리간드 용액*에 전구체 용액을 주입하면 유사 이멀전(pseudo-emulsion) 환경이 형성되며, 이를 통해 페로브스카이트 나노결정이 성장한다. 이때 리간드 용액을 저온(≤4 °C)으로 유지하면 나노결정이 단계적으로 조립되고 결정 성장 과정에서 결함 형성이 효과적으로 억제되어, 그 결과 고품질의 순수 녹색 페로브스카이트 나노결정이 합성된다.
* 리간드 용액 : 비극성 용매, 리간드 및 항유화제(demulsifier)를 포함한 용액


▲ 그림 2. Cold-injection method(저온주입법)을 활용한 페로브스카이트 나노결정의 대량 합성 및 어플리케이션
(a) Cold-injection method(저온주입법)을 활용한 페로브스카이트 나노결정의 20L 대용량 합성 구현

(b) 외부양자효율 29.6%의 고효율 페로브스카이트 발광다이오드 구현

(c) 페로브스카이트 나노결정 색변환 필름이 장착된 태블릿 디스플레이

[참고자료]
- 논문명/저널: Cold-injection synthesis of highly emissive perovskite nanocrystals, Nature
- DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10117-2

[문의]
- 서울대학교 공과대학 재료공학부 이태우 교수 / twlees@snu.ac.kr
- 서울대학교 공과대학 재료공학부 김성진 박사 / sjkim93@snu.ac.kr