서울--(뉴스와이어)--국내 연구진이 차세대 디스플레이의 핵심 성능인 ‘고효율’과 ‘수명’이라는 두 마리 토끼를 잡고 오랜 난제를 해결해 세계 과학계의 주목을 받고 있다.

서울대학교 공과대학(이하 서울공대)은 재료공학부 이태우 교수 연구팀이 지난 1월 15일(온라인 공개일 기준) 세계 최고 권위의 과학계 양대 학술지인 ‘네이처(Nature)’와 ‘사이언스(Science)’에 서로 다른 디스플레이 핵심 기술에 관한 혁신적 연구 성과를 각각 발표했다고 밝혔다.

네이처와 사이언스 본지는 각 분야에서 가장 엄격한 심사와 선별 과정을 거치는 학술지로, 인공지능(AI) 단백질 설계의 권위자이자 2024년 노벨화학상 수상자인 데이비드 베이커(David Baker) 워싱턴대 교수의 연구팀 등 세계적인 연구 그룹들이 양대 저널에 우수 성과를 발표하고 있다.

그러나 이태우 교수의 경우처럼 동일 연구자가 같은 날 네이처와 사이언스에 논문을 게재하는 사례는 세계적으로도 극히 이례적이어서 국내외 학계가 이번 성과에 더욱 주목하고 있다. 따라서 이번 사례는 서울공대가 수행한 디스플레이 연구의 높은 학문적 완성도와 국제적 파급력을 전 세계 학계가 공인한 쾌거로 평가된다.

이태우 교수팀은 OLED의 새로운 응용 분야로 꼽히는 신축형 OLED에서 기존의 딱딱한 OLED와 유사한 수준의 밝기와 고효율을 구현할 수 있는 메커니즘을 세계 최초로 규명한 연구 성과를 네이처에 발표했다. 아울러 OLED 이후 차세대 디스플레이로 각광받는 페로브스카이트(Perovskite)의 최대 난제였던 수명 문제를 획기적으로 해결한 연구 성과는 사이언스의 표지 논문으로 선정됐다.

Nature 게재 논문 - 늘려도 성능 변함없는 신축형 OLED 개발

이미 성숙 단계에 접어든 유기발광다이오드(OLED) 분야에서 네이처 논문이 실리는 사례는 대한민국 OLED 연구 역사에서 처음이며 국제적으로도 매우 드물지만, 이태우 교수팀은 피부 부착형 디스플레이의 핵심인 ‘완전 신축형(fully stretchable) OLED’ 관련 연구 결과를 네이처에 발표해 한국 디스플레이의 새 역사를 썼다. 절연성 탄성체에 막힌 삼중항 에너지의 전달 문제를 새로운 에너지 전달 메커니즘인 엑시플렉스(Exciplex)로 해결하고 추가적으로 맥신(MXene) 기반 신축 전극을 도입해 소자를 60%까지 늘려도 성능 및 밝기 저하가 없는 역대 최고 수준의 외부양자효율(17.0%)을 달성한 신축형 OLED 개발에 성공한 것이다.

따라서 이번 연구는 낮은 효율로 상용화를 기대하기 어려웠던 기존 완전 신축성 OLED의 한계를 극복한 성과로 평가된다. 피부, 옷, 사물 등에 부착된 불안정한 환경에서도 충격과 인장을 견딜 수 있는 OLED를 구현한 이 기술은 향후 헬스케어 및 지능형 디스플레이에 응용될 것으로 기대된다.

Science 게재 논문 - 페로브스카이트 발광체 효율 한계 극복한 디스플레이 기술 구현

이태우 교수팀이 기존 페로브스카이트의 수명을 획기적으로 개선한 새로운 페로브스카이트 나노결정 입자 발광체를 개발한 연구 성과가 이번에 사이언스의 표지 논문으로 선정됐다. 이는 이태우 교수팀이 지난 2015년 최초의 고효율 페로브스카이트 발광 다이오드를 구현한 성과를 사이언스에 논문으로 발표한 이후, 같은 저널에 두 번째로 게재한 페로브스카이트 발광체 분야의 논문이다.

차세대 소자인 ‘페로브스카이트 나노결정’은 색 순도, 색 구현 영역, 가격, 흡광도, 소비 전력 등 발광체의 모든 특성에 있어 기존 양자점보다 우위에 있다. 그러나 연한 이온 격자로 이뤄진 근본적 한계 때문에 수명이 짧은 치명적 단점을 지닌다. 이에 이태우 교수팀은 ‘페로브스카이트 나노결정’의 구조적 결함을 보완해 효율과 수명을 높인 ‘계층적 쉘(Hierarchical Shell)’ 기술을 개발했다.

특히 외부 양자 수율(EQY)을 기존 양자점 및 형광체에서 65% 이하를 오랜 기간 넘어설 수 없었지만 이론적 한계치인 91.4%까지 끌어올렸으며, 고온다습한 환경에서도 3000시간 이상 견디는 압도적 안정성을 확보했다. 이번 연구에서는 계층적 쉘 페로브스카이트 나노결정 발광체를 이용해 10.1인치 태블릿에서 75인치 TV까지 프로토타입 디스플레이를 교원 창업기업인 에스엔디스플레이와 협력해 구현했다. 또한 이 새로운 페로브스카이트 나노결정은 3500 PPI(pixels per inch) 이상의 초고해상도 패터닝도 가능한 강점 덕분에 향후 증강현실(AR)·가상현실(VR) 디스플레이 소자에 활용될 가능성이 높다.

2026년 1월 15일, 이태우 교수팀이 네이처와 사이언스에 동시에 발표한 두 연구 성과는 단순히 학술적 가치가 높은 논문을 넘어 세계 디스플레이 시장의 게임 체인저로 부상할 것이란 분석이 나온다. 특히 차세대 초고화질 TV와 AR·VR, 몸에 붙이는 헬스케어 디스플레이 등 미래 산업의 핵심 기술로 널리 응용될 전망이다.

이태우 교수는 “페로브스카이트의 효율과 안정성을 동시에 확보한 사이언스 논문, 신축 시에도 고효율을 유지하는 OLED를 구현한 네이처 논문은 각각 독립적으로도 매우 의미 있는 디스플레이 연구의 진전”이라며 “한국 디스플레이 산업이 도전받는 상황에서 한 연구실에서 두 개의 세계적 난제를 동시에 해결한 이번 성과는 한국 디스플레이 기술의 초격차 우위를 확고히 다지는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.

참고자료

◇ Nature 논문 추가 설명

기존 OLED 분야는 성숙돼 있고 이 분야에서 대한민국에서 Nature 논문을 내는 것은 OLED 역사에서도 찾아보기 힘들다. OLED 분야의 새로운 미래 응용 분야인 신축형 OLED가 딱딱한 기존 OLED와 유사한 수준의 고효율을 가능케 하는 메커니즘을 발견해 이번에 한국 디스플레이에서 새로운 역사를 쓰게 됐다.

◇ Science 논문 추가 설명

페로브스카이트 발광체는 우수한 발광 특성을 가지지만 이온 결정이 가지는 한계를 가지고 있다. 그러나 이번에 이태우 교수팀이 개발한 계층적 쉘 나노 결정 합성 기술은 기존 양자점이 오랜 기간 수명의 특성을 향상시킨 것보다 더 빠른 속도로 수명 개선을 가능하게 했다. 특히 이번 연구는 2014년 페로브스카이트 발광체가 태동한 이후에 짧은 연구 역사임에도 상업화 수준의 수명을 이루었다는 것에 큰 의미가 있다.

이태우 교수 그룹은 2014년 페로브스카이트 분야가 태동할 시기에 이 분야 최초의 원천 특허를 출원했으며, 에스엔디스플레이를 통해 페로브스카이트 발광체의 상업화에 힘을 기울이고 있다. 그동안 한국 디스플레이 산업은 그 성장 과정에서 원천 재료 특허를 보유한 외국에 매년 많은 로열티를 지불해 왔다. 그러나 앞으로 페로브스카이트 디스플레이가 상업화될 경우 최초로 한국이 디스플레이의 원천 재료를 보유하게 되므로 더 이상 로열티를 외국에 지불하지 않아도 된다는 점에서 큰 의미를 지닌다.