<조종영 과학기술정보통신부 기초연구진흥과장>
안녕하십니까? 과학기술정보통신부 기초연구진흥과장 조종영입니다.

오늘 브리핑할 내용은 2월 19일 목요일 새벽 영국 시각으로 2월 18일 수요일 오후 4시입니다. 네이처지에 게재되는 서울대학교 재료공학부 이태우 교수님의 연구 성과입니다.

차세대 디스플레이 분야의 핵심 소재로 주목받는 페로브스카이트 나노결정을 발광효율 100%로 유지하면서 대량 생산할 수 있는 새로운 합성기술이 개발되었습니다.

특히 지난 1월 15일 세계 최고 권위 학술지 중 하나인 네이처지와 사이언스지에 디스플레이 관련으로 각각 다른 연구 성과를 발표한 데 이어서 한 달 만에 또다시 이뤄낸 성과로 세계적으로도 매우 드문 사례입니다.

기초연구는 과학기술 발전의 근간이며, 장기간에 걸쳐 다양한 분야에 응용되고 새로운 산업 창출과 삶의 질 향상에 기여하고 있습니다.

하지만 가시적인 성과 측정이 어렵고 결과가 나오는 데 오랜 시간이 필요해 지속적이고 장기적인 지원이 필요한 영역입니다.

오늘 발표할 연구 성과 또한 이태우 교수님의 과학기술... 과기정통부 기초연구사업을 통해 신진·중견·리더에 이르는 성장 단계를 밟으며 꾸준히 연구해 온 끝에 달성한 성과입니다.

과기정통부는 젊은 연구자들이 그리고 최우수석학까지 세계적 성과를 창출할 수 있도록 각 단계별로 맞춤형으로 지원을 하며, 연구자분들이 연구에 전념하고 공백 없이 안정적으로 성장할 수 있도록 촘촘한 성장사다리를 구축해 가겠습니다.

연구 업적 및 성과에 대한 자세한 내용은 이태우 교수님께서 설명해 주시겠습니다. 감사합니다.


<이태우 서울대학교 재료공학부 교수>
안녕하십니까? 서울대학교 재료공학부 이태우 교수입니다.

오늘 이렇게 귀한 자리를, 시간과 공간을 주시고 이렇게 발표할 수 있는 영광을 주셔서 너무 감사드리고요.

오늘 저는 디스플레이 분야에 떠오르고 있는 페로브스카이트 발광 소재의 대량 합성에 대해서 저희가 네이처지에 2월 18일 자로 이렇게 게재가 되었는데요. 게재가 되게 되었는데요. 그래서 그 내용을 오늘 설명을 드리도록 하겠습니다.

그래서 먼저 디스플레이 관련돼서 설명을 드리자면 잘 아시다시피 디스플레이는 저희가 두꺼운 CRT부터 시작해서 LCD, 그다음에 지금은 OLED, 그다음에 지금은 휴대폰은 폴더블 폰까지 가고 있는 상황이죠.

그 상황에서 우리가 앞으로 넥스트 제너레이션 디스플레이는 뭐가 될까, 라는 궁금증이 있습니다. 그래서 그런 차원에서 저희가 한 10년 이상 연구를 해왔고, 그런 측면에서 저희가 앞으로 가야 될 방향이 어떻게 되느냐, 그렇게 설명을 드릴 수 있는데요.

지금까지는 대부분 성능 위주의 그런 발전이 이루어 왔다고 볼 수 있습니다. 예를 들자면 더 얇고 그다음에 구부릴 수 있고 그런 식으로 좀 더 우리가 모바일 세상에서 더 편리하고 이런 식으로 해서 이렇게 발전돼 왔다면 앞으로는 우리의 인간의 감수성을 더 자극할 수 있는 그런 디스플레이로 갈 거다, 라고 생각하고 있습니다.

우리는 팬데믹 시대를 지났잖아요. 팬데믹 시대에 우리는 집안에서도 바깥세상과 같은 그런 생동감 있는 그런 영상을 보고 싶어 하는 욕구가 생겼습니다. 그런 측면에서 보면 우리는 그냥 콘텐츠를 보는 디바이스가 아니라 우리가 좀 더 느낄 수 있는 그런 디바이스로 변화하고 있는데, 그 상황에서 우리가 필요한 것은 색의 컬러가 과연 자연 색에 가까운 컬러가 나오겠느냐, 우리가 그리고 그 디스플레이는 얼마나 몰입감을 우리한테 줄 수 있겠느냐, 라는 측면으로 우리가 요약할 수가 있습니다.

그런 측면에서 우리는 두 가지의 어떤 발전 방향을 가지고 있는데 앞으로는 이런 디스플레이는 굉장히 생생한 화질을 우리가 실제 그 현장에 있는 것처럼 느낄 수 있는 그런 디스플레이가 필요하다고 말씀드릴 수 있고요.

그다음에 우리가 지금 AR·VR 가상현실이라든지 그런 방향으로, 증강현실 이런 방향으로 진행되고 있는데, 그런 측면에서 우리가 헤드 마운티드 디스플레이라든지 AR 글라스라든지 이런 측면으로 점점 발전되어 가고 있습니다. 그러면 점점 더 몰입감이 있는 그런 디스플레이로 가고 있는데 그런 측면에서 새로운 재료가 필요하다고 말씀드릴 수가 있습니다.

그래서 이러한 디스플레이가 이런 두 가지 방향의 발전 방향도 있지만, 또한 이렇게 우리가 헬스케어용으로 언제, 어디서든지 우리가 정보를 볼 수 있는 그런 방향의 어떻게 보면 헬스케어용 웨어러블 디스플레이 방향도 존재를 합니다.

그래서 그런 측면에서의 이런 기존의 IoT 디바이스와 인테그레이션할 수 있는 그런 디바이스도 당연히 필요한 세상에 살고 있고요.

그런 측면에서 우리가 세 가지 방향을 요약드릴 수가 있는데, 첫째는 생생한 화질을 가지는 그런 디스플레이를 우리가 구현하는 것, 그리고 굉장히 몰입감이 있는 그런 디스플레이를 구현하는 것, 그리고 또한 우리가 언제, 어디서든지 우리가 원하는 정보를 얻을 수 있는 그런 웨어러블 디스플레이를 우리가 구현할 수 있고, 이런 디스플레이는 조금 더 지능적으로 지금 연구되고 있는 뉴로모픽 소자와 콤바인할 수 있다든지 그런 방향으로 진화되고 있습니다.

그런 측면에서 가장 적합한 소재가 뭔가를 저희가 생각을 해보면 기존에 있는 재료의 단점이 일단은 OLED 소재라든지 QLED 소재라든지 이런 소재들은 현재 색의 구현력이 굉장히 떨어집니다.

그런 측면에서 보면 새로운 발광 재료가 굉장히 필요하다고 말씀드릴 수가 있는데, 그 재료 중에 태양전지의 재료로도 많이 알려져 있는 이런 페로브스카이트 재료가 발광체로 굉장히 좋을 거다, 라는 그런 게 제가 2014년도에 저희가 연구를 하게 된 계기가 됐는데요.

그래서 이 페로브스카이트 재료는 ABX₃ 구조를 가지고 있고 A는 유기 디타이온이라든지 유기 양이온, 혹은 세슘, 금속이온이라든지 그런 것들이 있을 수가 있고요. B는 중심 금속인데 여러 가지 금속이 사용될 수 있습니다. 그래서, 그리고 X는 할라이드인데요. 주로 크로린, 염소, 브롬 그다음에 아이오다이드 이런 계열의 재료가, 원소가 사용될 수 있고요.

그런데 우리가 태양전지에 쓸 수 있는 재료가 과연 LED에 바로 사용이 될 수 있을까요? 이런 질문을 던질 수가 있는데 그 대답은 'Yes'일 수도 있고 'No'일 수 있습니다. 그런데 처음에 저희가 했을 때는 태양전지에 쓰이는 재료를 그대로 쓰면 안 된다, 라는 게 전제입니다. 왜냐하면 태양전지에서 쓰는 재료들은 대부분 다, '여기자'라고 있는데 여기자의 어떤 confinement가 잘 안 돼서 여기자의 분리가 상온에서 잘 일어나는 그러한 현상을 가지고 있어서 기본적으로 이 재료는 상온에서 발광할 수 없다, 라고 수십 년 동안 알려져 왔습니다.

그래서 Exciton, 여기자라고 하는 게 상온에서 해리되는 에너지가 한 30meV인데, 우리 room temperature 25℃가 약 26meV입니다. 그러면 30과 26meV는 굉장히 가깝기 때문에 상온에서 그냥 여기자가, 여기자는 전자와 홀이 이렇게 정전기 인력으로 이렇게 붙어 있는, 바인드돼 있는, 결합돼 있는 이런 거를 여기자라고 합니다, exciton이라고 합니다. 그래서 이게 상온에서는 그냥 해리가 될 수 있는 그런 문제점을 가지고 있습니다.

그래서 태양전지는 굉장히 좋죠. 이게 charge가 해리되기 때문에 전기를 더 발생시킬 수 있지만 발광 재료로는 굉장히 어려운 그런 문제점을 가지고 있습니다.

그래서 제가 그때 생각해 낸 것은 그러면 이 재료는 유전적으로 굉장히 안 좋다, 그러면 환경적으로 이걸 바꿔야 되겠다, 라고 해석을 해서 제가 나노 구조로 만들면 될 수 있겠다고 생각한 게 우리가 이렇게 큰 벌크의 상황에서 electron hole이 이렇게 돌아다닌다고 보면 굉장히 잘 떠돌아다닐 수가 있죠. 근데 이 구조의 디멘션을 굉장히 작은 사이즈, 나노 사이즈, 10nm 사이즈까지 줄인다고 한다면 정공과 전자가 잘 돌아다닐 수 있을까요? 그렇지 못합니다.

그래서 기하학적으로 구속돼 있는 이런, 공간적으로 구속돼 있는 어떤 기하학적인 구조를 만들게 되면 이 여기자가 굉장히 발광을 잘할 수 있다는 거를 저희가 제안을 하게 됐고, 그게 저희가 2015년도에 최초 고효율 페로브스카이트 LED라는 그런 논문을 사이언스에 게재되게 되는 계기가 되는데요.

그래서 그런 것처럼 저희가 이런 나노 구조 3개 정도가 되는데, 보시면 잘 알려져 있는 nanoparticle, 양자점하고 유사하게 생겼습니다. 그다음에 quasi-2D, 유사 2D라고 얘기를 하고요. 그다음에 polycrystal인데 polycrystal이 태양전지에서 많이 쓰이는 재료인데요. 그것을 굉장히 작은 그레인으로 만들면 가능하다는 겁니다. 그래서 이 그레인을 100nm 이하로 만들게 되면 여기자에 구속이 되기 때문에 또 효율이 높아질 수 있다는 거를 저희가 사이언스지에 2015년도에 발표하게 됐고요.

그래서 이 페로브스카이트가 왜 좋냐? 장점은 너무 많습니다. 근데 한 세 가지만 제가 들자면 이 재료는 기존에 OLED가 구현할 수 있는 색의 구현력보다 훨씬 더 넓은 구현력을 가집니다. 그래서 원리적으로 보면 'Rec.2020'이라고 해서 2020년도에 UHD가 구현이 된다 하면 색의 해상도, 색의 구현력은 이 정도는 돼야 된다 해서 Recommendation BT.2020이라는 거를 옛날부터 만들어 놨습니다. 그 좌표가 이 좌표인데요.

그런데 우리가 UHD가 구현이 됐지만, 2020년도에. Rec.2020은 달성하지 못했습니다. 왜냐하면 색의 구현력이 부족한 OLED에 쓰는 유기 재료와 QLED에 쓰고 있는 양자점 재료는 Rec.2020을 근본적으로 달성할 수 없는 재료이기 때문입니다.

그래서 이 페로브스카이트 재료는 Rec.2020을 근본적으로 100% 만족할 수 있는 재료기 때문에 이 재료가 다른 재료와 큰 차별성이 존재합니다.

그리고 가격 경쟁력인데요. 기존에 양자점이라든지 유기 발광체, 인광 재료가 가장 많이 쓰이고 있는데 거기 인광 재료에는 RP라는 그런 금속 재료가 쓰이는데 희금속입니다.

그래서 그 유기 발광체는 가격이 계속해서 증가할 수밖에 없고, 앞으로는 RP는 광산에서 생산이 안 될 수도 있기 때문에 언젠가는 소멸이 될 수밖에 없는 그런 상황에 있고요.

양자점은 그보다는 색순도가 더 좋지만 여러 가지 장점도 가지고 있지만 여전히 색순도가 Rec.2020을 만족하지 못하고 있고, 그리고 고온에서도 합성을 하기 때문에 굉장히 공정비용과 그다음에 안전의 그런 문제점을 가지고 있습니다.

그래서, 그리고 저희가 이 페로브스카이트 재료에 대해서 원천 특허를 2014년도에 저희가 출원했습니다. 디스플레이 역사가 굉장히 오래돼 있고 우리나라가 디스플레이 종주국이다, 라고 할 정도로 굉장히 디스플레이 강국인데요. 사실은 디스플레이의 강국이지만 우리나라에서는 주로 공정이라든지, 디바이스 제조라든지, 패널 제조 이런 쪽에서 굉장히 강국이고 이런 리더십을 계속해서 이어져 왔었는데요.

하지만 재료는 계속해서 OLED 재료, LCD 재료 이런 재료들은, 양자점 재료 포함해서요. 외국에 다 로열티를 지불하고 지금까지 생산을 했습니다. 그만큼 생산 원가가 더 올라갈 수 없는 그런 구조로 계속 있었죠. 하지만 페로브스카이트가 디스플레이로 양산화 된다고 한다면 그런 로열티를 외국에 지불하지 않아도 되는 그런 장점들을 가지고 있고요.

그다음에 양자점에서 지금 디스플레이가 한 60%가 차지하는 게 카드뮴 재료입니다. 그래서 이게 카드뮴 재료는 2025년 11월에 RoHS라고 해서 Restriction of Hazardous Substances 그런 규제가 유럽에서 발의가 됐었는데 카드뮴 재료가 디스플레이에 많이 쓰이고 있어서 유예가 됐었습니다.

그래서 그게 유예가 된 게 2025년 11월까지여서 이제는 중국도 카드뮴을 배제한 그런 디스플레이를 만들어야 되는 움직임이 도래했습니다. 그래서 이런 여러 가지 환경규제 측면에서도 페로브스카이트로 넘어가야 되는 그런 상황에 있다고 말씀드릴 수 있고요.

저희 연구실은 감히 저희가 2014년부터 이 분야를 주도해 왔다고 감히 말씀드릴 수 있는 게 저희가 이때 2014년부터 계속해서 이 분야의 record efficiency를 갱신하면서 저희가 발전해 왔습니다.

주로 OLED나 QLED 같은 경우에는 거의 한 20년의 시간이 필요하고요. 주로 보시면 잠복기, 인덕션이 있다가 급격히 증가하지만 페로브스카이트의 경우에는 나오자마자 바로 스카이로켓처럼 이렇게 급격하게 이렇게 효율이 증가해서 지금은 거의 OLED의 수준에 이르는 그런 효율이 발표되고 있습니다.

저희 연구실은 사실 2014년도에 제가 이걸 연구하면서 전격적으로 원천특허 포트폴리오를 8건을 출원하게 됐습니다. 그래서 이 8건의 포트폴리오는 향후에 저희가 연구를 하는 여러 가지 아이디어까지 포함해서 저희가 출원이 됐기 때문에 그 이후에 이 특허를 기초로 해서 저희가 여러 가지 좋은 논문들이 나오게 됐고요.

그래서 저희가 2014년도에 이렇게 멀티 컬러 페로브스카이트를 발표하고, 그다음에 이게 최초 고효율 논문인데요. 페로브스카이트 LED가 발전하게 된 계기가 페로브스카이트에서 발광을 할 수 있다는 거는 몇 가지 논문이 있었지만 고효율을 날 수 있다, 라고는 아무도 생각 안 했습니다. 그래서 저희가 이 분야에서 최초 고효율이고 사이언스·네이처 계열에서는 전 세계적으로 처음으로 본지에 저희가 게재하게 됐고요. 그다음에 계속해서 저희가 레코드를 갱신하는 논문들을 계속해서 네이처 자매지나 네이처에 내보냈고요.

그리고 1월 15일에 저희가 어떻게 보면 페로브스카이트 분야에서 저희가 상업화 수준을, 수준이거나 그것을 넘어서는 그런 효율을, 효율과 수명을 가지고 있는 그런 페로브스카이트 재료와 그것을 필름과 디스플레이에 응용한 것을 저희가 발표하게 됐고요. 그래서 그때 저희가 사이언스 논문의 표지로 선정이 되었습니다.

그래서, 그리고 저희가 이번에 1월... 2월 18일 자로 나오게 되는 네이처인 경우에는 페로브스카이트의 대량 합성인데요. 보통은 양자점 같은 경우도 대량 합성하게 되면 성능이 떨어지게 됩니다. 하지만 20L 대량 합성하는 경우에도 100% 효율을 낼 수 있는 그런 저희가 합성법을 저희가 최초로 개발하게 됐습니다.

그래서 2014년도에 제가 감히 이 특허가 '페로브스카이트 재료로서는 저희가 처음 특허다.'라고 말씀드릴 수가 있고요. 그래서 그런 측면에서 저희가 2014년도에 전격적으로 이 특허를 냈고 3개국에 저희가 출원 등록까지 다 완료하게 됐습니다.

저희가 페로브스카이트 LED를 분야를 감히 선도하고 있다는 그 증거가 저희가 논문이 나오고 나서 그 이후로 이렇게 급격하게 논문 숫자가 증가하고 있는 걸 보면 그걸 알 수가 있습니다.

그래서 저희가 이것을 그냥 연구에만 그치지 않고 글로벌한 큰 임팩트를 주기 위해서는 translation, 기술이전과 상업화가 일어나야 됩니다. 그래서 그런 측면에서 저희는 교원창업으로 SN Display라는 회사를 저희가 창업을 하고, 그래서 저희가 창업을 해서 실제로 페로브스카이트 필름을 만드는 그런 연구 개발을 하고 있고요. 그리고 2026년도 1월에 CES 혁신상을 저희가 수상하게 됐습니다.

그리고 아까 말씀드렸다시피 저희가 2026년 1월 15일에 저희가 동시, 사이언스·네이처가 동시 게재되는 그런 결과를 얻었는데요. 그 사이언스지에서는 페로브스카이트 분야에서 저희가 표지 논문으로 선정돼서 게재가 되었고, 또한 네이처에는 신축성이 가능한 OLED 분야에서 저희가 네이처 본지를 내게 돼서 동시 게재를 이루게 되었습니다.

그래서 오늘 말씀드릴 내용은 콜로이달 페로브스카이트 나노결정에 관련된 건데요. 이게 기존에 있는 양자점과 유사한 구조를 가지고 있습니다. 그래서 그 구조는 페로브스카이트 구조를 가지고 있는 입자가 있고, 그것을 분산을 잘 시켜주는 리간드 구조로 이렇게 돼 있고요.

그래서 이것은 블루부터 해서 레드까지 다양한 색깔로 100%에 가까운 그런 효율을 다 달성할 수 있는 그런 소재가 됩니다.

기존에 양자점이 상용화됐지만 상용화된 양자점은 대부분 85% 정도에 머무르고 있습니다. 하지만 저희는 대량 생산에서도 100%가 가능하다는 희망을 저희가, 이 논문에서 저희가 게재를 하게 됐는데요.

그런데 이 페로브스카이트 재료가 굉장히 높은 발광을 이루고 있는데 우리가 디스플레이, 디스플레이 해서 디스플레이로만 쓸 수 있는 게 아닙니다. 이게 디스플레이도 두 가지 방향, 자발광 디스플레이도 가능하고 색변환 디스플레이도 가능합니다.

그리고 AR·VR 디스플레이 이런 다양한 방향의 디스플레이 쪽으로도 가능하지만 저희가 지금 추구하고 있는 방향은 농업용 강온이라든지 그다음에 신틸레이터라든지, 그러니까 의료용 신틸레이터라든지 혹은 태양전지에서 쓸 수 있는 Solar concentrator 필름이라든지 이런 다양한 분야에 적용할 수 있는 그런 재료가 되겠습니다.

그래서 그런 측면에서 저희가 이런 디스플레이 분야에 처음으로 저희가 이렇게 진입하고 이 분야의 상용화를 이루고 있지만 앞으로는 응용 분야가 무궁무진하다고 말씀드릴 수가 있고요.

하지만 기존에 있는 합성법을 쓰게 된다면 상당한 문제점을 가지고 있습니다. 이게 양자점은 노벨상을 탄, 최근에 노벨상을 탄 유명한 주제죠, 사실. 삼성이 QLED로 상용화도 하게 되고 그래서 노벨상을 탄 건데, 이 재료의 합성은 Hot-injection이라는 방법으로 이루어져 있습니다.

그 얘기는 주로 200~300°C의 고온에서 합성을 하게 되고요. 그래서 이 합성을 하게 되면 굉장히 온도 조절이라든지 이런, kinetics라고 하는데요. 이런 thermodynamics, 열역학이라든지 이런 부분을 조절을 굉장히 민감하게 해야지만, 굉장히 유니폼한 디스플레이용 입자 사이즈가 나오게 됩니다. 그래서 고품질의 어떤 나노결정 제조가 가능하지만 그만큼 cost가 더 많이 들 수 있는 그런 생산 공정을 가지고 있죠.

그리고 이 재료가, 이 페로브스카이트가 이런 고온합성법으로도 굉장히 많이 연구가 돼 있지만 고온합성법으로 상용화되는 거는 굉장히 위험하다, 라고 말씀드릴 수 있는 게 고온으로 합성을 한 다음에 이것을 상온에서 quenching, 식히는 과정이 급속으로 냉각하는 과정이 필요로 하게 되는데요. 그런 과정에서 이게 리액터가 폭발한다든지 그런 문제도 또 가지고 있습니다.

그래서 그런 측면에서 저희가 상용을 한다면 온도를 상온이나 상온 이하로 떨어뜨려야 되고, 그다음에 이런 여러 가지 thermodynamics나 kinetics 이런 거를 조절할 수 있는 거에 대해서 민감도를 많이 떨어뜨려야 됩니다. 그래야 생산을 저렴하게 할 수 있죠.

그래서 저희가 개발한 거는 저온주입법이라고 그러는데 한국말로 저온주입법이라니까 이게 뭐 그냥 온도만 떨어뜨리는 건가, 이렇게 생각할 수 있겠습니다. 근데 이게 저희가 영어로는 Cold-injection이라고 해서 Hot-injection과 완전히 대비되는 그런 개념으로 했기 때문에 저희가 네이처에 나갈 수가 있었던 거고요.

그 Hot-injection이라 그러는 거는 굉장히, 전 세계에서 어떤 분야에도 많이 쓰이고 있는 그런 합성법입니다. 양자점뿐만 아니라 나노입자, 굳이 우리가 발광체뿐만 아니라 메탈옥사이드, 다양한 분야에서 쓰이고 있는 게 Hot-injection 분야... 합성법이거든요.

그래서 저희가 한 거는 저온으로 떨어뜨려야 되겠다, 근데 저온으로 떨어뜨리면 문제가 있는 게 입자의 품질이 떨어집니다. 결정성이 떨어지게 되는 거죠. 왜냐하면 저온으로 떨어지기 때문에 여러 가지 결정을 더 유도할 수 있는 그런 열역학적, 기능적 그런 것들이 많이 작용을 못 하는 그런 상황에 있죠.

그래서 그런 걸 저희가 해결하고자 저희가 합성법을 개발하면서 문제점을 발견한 것은 이런 kinetics를 천천히 우리가 조절할 수 있는 그런 걸 하려면 온도를 더 떨어뜨리는 게 더 유리하다, 라는 생각을 하게 됐습니다.

근데 온도만 떨어뜨려서는 되지 않고요. 핵심 키워드는 저희가 고농도로, 용매를 적게 쓰면서 고농도로 하고, 그다음에 고농도에서 전구체가 있는데 전구체라는 거는 보시면 페로브스카이트가 될 수 있는 그런 프리커서, 그거를 전구체라고 그럽니다.

그다음에 극성 용매에 이게 녹아져 있고, 그다음에 페로브스카이트 둘러싸는 유기 리간드가 녹아져 있는 무극성 용매가 있습니다. 여기에 있고, 그다음에 항유화제, demulsifier라는 게 여기 들어와 있는데 이 전구체를 여기 떨어뜨릴 때 이 반응기가 4℃ 이하로 유지가 되면 이것이 Hot-injection처럼 굉장히 결정성이 증가를 해서 대량 생산을 하더라도 굉장히 고품질의 입자를 생산할 수 있다, 라는 거를 저희가 발견을 하게 됩니다. 그래서, 그리고 색 품질도 기존의 Hot-injection으로 만들어지는 것보다 더 좋은 그런 입자들을 만들게 된 거죠.

그다음에 Hot-injection으로 만들 수 있는 재료는 좀 제한이 됩니다. 하지만 저희는 Hot-injection으로 만들 수 있는 것이 여러 컴포지션으로 만들 수 있다는 거를 저희가 또 논문에서 보여 주었고요.

그래서 0℃ 부근에서, 낮은 온도에서 저희가 온도를 떨어뜨리게 되면 유사 유화를 형성하게 됩니다. pseudo-emulsion을 형성하게 되는데, 그래서 pseudo-emulsion을 형성하게 되면 급격한 페로브스카이트의 어떤 결정화가 일어남으로 인해서 품질을 떨어뜨린 거를 방지할 수가 있습니다.

그래서 예를 들면 emulsion이라는 게 뭐냐, 유화라는 게 뭐냐? 보시면 이렇게 탁하게 생긴 액을 갖다가, 잘 섞이지 않아서 탁하게 생긴 이런 부분들을 emulsion이라고 보시면 되는데 대부분은 이게 liquid-liquid, 액체-액체 상황에서 잘 섞이지 않아서 이렇게 일어납니다.

그래서, 그런데 저기 유사 유화라는 거는 액체-액체가 굳이 아니더라도 우리가 섞었는데 이렇게 탁하게 이렇게 생기면서 녹지도 않고 알갱이들이 이렇게 떠 있는 상태를 얘기하는 겁니다.

그래서 그런 측면에서 저희가 이런 유사 유화 기법으로 해서 기존에 있는 저온... 기존에 있는 LARP 방법이 있는데 LARP 방법보다 훨씬 더 저희가 색의 품질이 좋은 그런 합성법을 저희가 개발하게 되었습니다.

그래서 보시게 되면 기존 합성법인 경우에는 이렇게 떨어뜨리게 되면 입자가 바로 형성됩니다. 그러면 색의 품질이 굉장히 떨어집니다. 왜냐하면 결정의 품질이 떨어지기 때문에 그렇고요.

저희 같은 경우에는 이렇게 주입을 하게 되면 보시는 바와 같이 이렇게 현탁액만 형성이 되다가요, 추후에 보시면 천천히 이렇게 결정이 일어나게 돼서 굉장히 좋은 품질의 입자를 형성할 수 있게, 여기 보시면 큐브 모양의 입자가 굉장히 고품질로 형성돼 있고 균일도도 우수하고 순수한 녹색 발광체를 이렇게 형성하게 된 것을 알 수가 있습니다.

그래서 이것을 저희가 실험실 스케일에서부터 해서 저희가 20L 대량 스케일, 즉 산업용 생산이 가능한 스케일까지 저희가 합성을 했는데 보시면, 보시면 실험실 스케일부터 대량 합성까지 했는데도 이런 PLQY, 효율이 저하되지 않는 걸 알 수 있습니다. 이것은 다른 형광체에서는 보이지 않는 특성이고요.

그리고 그뿐만 아니라 생산성도 굉장히 증대했고요. 그다음에 소모되는 용매가 줄어야지 유해성이 줄어드는데 소모되는 용매도 한 20분의 1로 줄어들어서 생산성뿐만 아니라 환경적 유해성도 굉장히 저감했다고 말씀드릴 수 있고요.

그다음에 자발광 소자를 했을 때 양자효율이 29.6%로 이론 수치와 거의 같은 그런 효율을 이상적으로 저희가 구현할 수가 있었습니다. 그래서 그것을 저희가 필름으로 만들어서 태블릿까지 저희가 구현을 해서 저희가 발표를 하게 됐고요.

이것은 기대 효과적인 측면에서 두 가지 정도 말씀드릴 수 있는데 저희가 디스플레이 시장은 계속해서 성장하고 있고, 이게 2034년도에는 539조 원 정도 시장이 될 거라고 예상되고 있고, 그다음에 XR 디스플레이 시장이 계속해서 증가를 하고 있는데 이게 연평균 성장률이 한 40% 정도 됩니다. 그래서 이런 시장에서 대응할 수 있는 유일한 소재다, 라고 말씀드릴 수 있고 이것에 대한 경제적 가치는 굉장히 높아질 수 있다고 말씀드릴 수 있습니다.

그리고 우리나라가 중국에 점점 기술 격차가 줄어들고 있어서 위협을 받고 있는데 저희가 아까 말씀드린 대로 페로브스카이트는 한국 디스플레이 역사에서 최초로 원천재료를 확보한 케이스가 되겠습니다. 그래서, 그런 측면에서 우리가 초격차 디스플레이 테마를 통해서 경쟁 국가의 기술 격차를 더 벌릴 수가 있고, 원천 IP 기반의 핵심 소재 국산화를 통해서 자립도와 경제적 가치를 극대화할 수가 있게 되겠습니다.

그래서 요약을 드리면 이런 페로브스카이트 재료가 이제는 상업화 스케일까지 확대돼서 생산할 수 있는 길이 열렸다고 말씀드릴 수가 있고요. 그 측면뿐만 아니라 이제 저희가 유해성이라든지 이런 부분도 많이, 기존 공정에 비해서 개선해서 실제로 상업화할 수 있는 그런 전 단계의 연구가, 기초연구가 되었다고 생각됩니다.

그래서 저희가 이렇게 연구를 하게 된 거는 감사할 분들이 되게 많습니다. 그래서 저희 연구실에서 이 연구를 수행했던 김성진 박사와 김선아 박사과정 학생이 주도적으로 수행했는데 감사를 드리고요.

그리고 말씀드렸다시피 저희가, 제가 9년간 리더 연구의 도움을 받았습니다. 그래서 리더 연구에 대해서 대단히 큰 감사를 드리고 싶습니다.

이상입니다. 감사합니다.


[질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다.

<질문> 교수님, 발표 잘 들었습니다. 지금 교수님이 생각하시는 지금 이 차세대 디스플레이 페로브스카이트 소재 상용화 시기는 언제쯤으로 보시는지 궁금하고요.

그리고 지금 국내에서도 페로브스카이트 태양전지 연구를 많이 하는데 지금까지 효율적인 측면에서는 높은 효율, 중국 못지않은 이런 효율을 구현하고 있는 걸로 알고 있는데 실질적으로 상용화는 갈 길이 멀다, 이런 평가가 있는데 이 기술이 어떻게, 태양열 쪽에 어떻게 적용될 수 있는지 설명 좀 부탁드리겠습니다.

<답변> (이태우 서울대 재료공학부 교수) 저희는 디스플레이 쪽의 연구를 하고 있고요. 그래서 디스플레이 쪽으로 보면 저희 SN Display라는 회사에서는 지금 입자를 생산하고 그것을 필름화해서 지금 쓰이고 있는, 지금 저희가 가정에서 쓰이고 있는 QLED TV가 있습니다, 삼성전자에서 만들고 있는. QLED TV가 있는데 그런 TV에 양자점 필름 대신에 저희가 만든 페로브스카이트 필름이 대체돼서 쓰인다고 하는 거를 가정한다면 저희가 한 1년 이내의 상업화를 목표로 하고 있습니다.

그 외에 여러 가지 모두에 응용할 수 있는 디바이스나 물질에 있는데요. 그것은 단계적으로 저희가 하려고 하고 있고, 그다음에 중기적으로는 저희가 AR·VR에 들어갈 수 있는 광변환 픽셀 그런 것들을 저희가 3년 내지 5년 이내에 구현하는 걸 목표로 하고 있고요.

그다음에 자발광 소자는 그거보다 조금 더 뒤로 해서 저희가 상업화를 목표로 하고 있습니다. 그래서, 그런 상황이고요.

태양전지에는 저희가 이런 입자 재료나 이런 것들이 쓰일 수가 있게 되는데요. 이런 입자를 쓰게 되면 장점이 있는 게 저희가 페로브스카이트인 경우에 두 가지의 질문이 많이 있습니다. Pb를 쓰고 있는 거는 괜찮은가? 이런 얘기가 있고, 그다음에 수명은 좋은가? 그런 게 있는데요.

저희가 최근에 케미컬 소사이어티 리뷰 저널에 저희가 논문을 게재하게 됐는데 우리가 체내에서 존재하는 Pb의 함량이 얼마이고 저희가 구현할 수 있는 페로브스카이트의 함량이, Pb의 함량이 얼마냐, 그래서 'Pb-Free 기술이 정말 필요한가?' 이런 거에 대해서 저희가 논문을 냈었는데요.

그때 보시면 치아에 들어가 있는, 치아 안에 있는 납의 농도가 얼마인지 아십니까? 36ppm입니다, 치아 안에. 약 40ppm이 있고요. 그다음에 우리 뼈에 들어 있는 납의 농도는 약 20ppm 정도가 있습니다. 그리고 우리 헤어에도 한 수ppm 정도가 들어 있고 우리가 먹고 있는 채소나 이런 것들도 토양에서 올라온 납의 함량들이 어느 정도 존재하는 상황이죠.

그 상황인데 저희가 구현하는 페로브스카이트 광변환 필름의 납의 농도는 20ppm 미만입니다. 그래서, 그렇기 때문에 실제로는 우리가 체내에서 존재하는 납의 농도에 준하는 납의 농도를 가지고 있어서 그런 부분에서 우리가, 그런 부분에서 상용화에 대해서는 굉장히 긍정적으로 보고 있는 부분이고요.

그래서 일반적으로 우리가 처음에 이 분야를 시작했을 때 두 가지 우려사항이 있었는데 그런 우려사항들이 점점 희석되고 있고요. 그다음에 그게 점점 성능이 기존에 있는 소재, 유기 소재라든지 양자점 소재보다 월등한 성능을 내고 있고, 그리고 이게 사이즈가 적어지면 적어질수록 저희 소재를 대체할 수 있는 기술이 없어지게 됩니다.

그것은 오늘 말씀을 드리지는 않았지만 광흡광도라는 게 존재합니다. 광흡광도가 뭐냐면, 빛을 우리가 받아서 빛을 낸다고 가정했을 때 우리가 100이라는 빛을 낼 때 입자 100으로 우리가 100을 낼 수 있다고 한다면 우리가 입자를 10을 가지고 100을 낼 수 있다면 더 좋은 거지 않습니까? 그만큼 이 재료는, 페로브스카이트 재료는 기존 양자점에 비해서 10배 정도 좋은 광흡광도를 가지고 있어서요.

그래서 적은 재료로도 같은 밝기를 낼 수가 있습니다. 그래서 전력 소모가 굉장히 줄어들 수 있기 때문에 실제로 디스플레이에 들어가는 페로브스카이트 입자의 양이 기존의 양자점에 비해서 현격히 줄어드는 그런 상황이 될 수 있습니다.

그런, 그런 게 있는데 그렇게 되면 우리가 high-resolution 고해상도 패터닝을 한다고 가정하면 양자점은 한 10㎛ 정도가 돼야만 빛을 다 흡수해서 빛을 낼 수가 있다고 한다면 페로브스카이트의 경우에는 1㎛ 정도만 돼도 빛을 다 흡수해서 같은 광량의 빛을 낼 수가 있습니다.

그런 얘기는 뭐냐면 우리가 AR·VR로 구현했을 때 주로 2㎛ 정도의 픽셀을 구현해야 되는데 그러면 높이가 10㎛이 되면 이게 타워지 않습니까? 그래서 2㎛의 픽셀을 만들면 높이도 2㎛ 정도가 돼야 되는데 그거를 구현할 수 있는 거는 지금은 페로브스카이트밖에 존재하지 않기 때문에, 앞으로 이런 소형 그리고 몰입감이 있는 디스플레이로 가면 갈수록 페로브스카이트밖에 없는 상황이 되기 때문에 여러 가지 우리가 우려사항이 있는 부분에 대해서는 점점 해소가 되고 있고, 그리고 그게 있더라도 이것으로 개발할 수밖에 없는 그런 상황에 있다, 라고 말씀드릴 수밖에 없고요.

그다음에 TV 시장은 아무래도 양자점과 경쟁하지만 TV 시장에서도 가격에 대한 압박이 굉장히 심하고 그런 여러 가지 상황에서 기존 QD 기술은 이미 Saturation돼 가고 있고 가격은 더 이상 떨어뜨릴 수 없는 그런 상황에 존재를 하기 때문에 페로브스카이트로 넘어와야 되는 그런 상황에 와 있습니다.

그래서 저희가 이런, 디스플레이 기술이 점점 더 개발이 돼서 상용화된다면 그다음 기술로 우리가 바라보고 있는 게 Solar concentrator 기술입니다. 이것은 BIPV에 들어갈 수 있는 그런, 창호나 이런 데 들어갈 수 있는데요.

우리가 태양전지하고 콤바인을 해서 우리가 투명한 유리에 필름을 이렇게 넣게 되면 이게 태양을 전지... 태양에서 빛을 받아서 그 빛을 외부 와이드로 해서 태양전지의 빛으로, 다시 태양전지에 적합한 강온의 어떤 파장으로 변환해서 줄 수 있는 그런 기술이 있을 수가 있는데 그게 Solar concentrator 기술인데 그런 부분에도 저희가 확장할 수 있는 기술이 되고요.

그다음에 그런 측면에서 페로브스카이트 태양전지의 상용화와 상관없이 저희가 기존, 태양전지와 콤바인을 하게 된다면 굉장히 빠르게 상용화할 수 있다고 생각하고 있습니다. 그것도 저희가 한 3년 스케일로 저희가 보는 부분이고요.

아까 마지막에 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 어떻겠느냐, 그 질문이 있는데 그거는 제가 조금 감히 말씀드리기가 좀 그렇고요. 그런, 그런데 다만, 말씀드릴 수 있는 거는 중국에는 페로브스카이트 태양전지 하는 업체가 50개가 존재합니다. 그리고 일본의 파나소닉이 지금 그걸로 상용화를 발표를 했고 CES에서 큰 발표를 했었습니다. 그만큼 페로브스카이트 태양전지도 큰 줄기로 해서 전 세계적으로 가고 있는 상황이고, 상용화가 될 거냐, 안 될 거냐에 의구심을 갖는 순간 우리는 뒤처집니다.

흐름이 이렇게 생기고 모멘텀이 생겼을 때는 무조건 그 모멘텀에 실어야 되고요. 그 모멘텀에 실어서 기술 개발이 남들보다 먼저 일어나야지만 우리가 기술에 대한 종주국이 될 수 있는데, 우리가 항상 처음에 기술을 시작할 때 이런 우려, 이런 우려, 이런 우려를 다 고려해서 기술 개발을 한다면 기술 개발은 일어날 수가 없다, 없는 거죠.

저희도 이 기술이 시작할 때 이걸로 과연 되겠냐, 원래 빛이 잘 안 나오는 재료 아니냐, 수명은 되겠냐, 뭐는 되겠냐, 라는 우려사항이 많지만 저는 사실은 제가 OLED를 25년간 연구했던 입장으로 제가 OLED를 처음 시작했을 때 그때 당시에도 우리가 소자를 만들면 그냥 1시간 만에 다 죽었습니다. 근데 상용화를 성공해 냈습니다. 그런 역사가 있기 때문에 우리가 우려만 가지고 우리가 처음에 원천기술을 확보할 수 있는 단계에서 우려를 너무 한다면 우리는 원천기술이 어렵지 않을까, 라는 생각을 하고 있습니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 이제 온라인 질문 한 두 가지 정도, 두 분 정도 받고서 마무리하겠습니다. 먼저, 연합뉴스 기자십니다. 질문은 두 가지인데요. 첫 번째는 네이처·사이언스에 3편을 연속으로 내는 사례가 이례적인 것 같은데 소감이 있으시다면 말씀을 부탁드립니다.

또 한 가지는 상업화 스케일로 갈 수 있는 길을 여셨다고 하는데 추가로 해소돼야 할 문제가 있다면 무엇인지, 그리고 2024년에 국내 기업과 협업이 어렵다는 인터뷰를 하신 것 같은데 지금은 협업을 하고 계신지, 국내 디스플레이 업계의 반응도 궁금합니다.

<답변> (이태우 서울대 재료공학부 교수) 일단 제가 감사하게도 사이언스 네이처지에 3개의 논문을 발표하게 돼서 굉장히 감사하고요. 제가 아까 말씀드렸다시피 리더 과제의 도움을 많이 받아서 오랜 연구를 계속해서 할 수 있게 된 게 가장 크지 않았나 생각이 듭니다.

그리고 그와 더불어서 저는 조금 과학의 인문학을 학생들한테 많이 얘기를 하는 측면이 있는데요. 그래서 우리가 이런 과학을 바라볼 때 인문학적인 측면에서 과학을 바라봐야 된다는 그런 거를 학생들한테 많이 얘기하고 있고, 또 어떻게 보면 과학은, 과학자로서는 심리가 중요하다, 이런 얘기도 많이 하고 있는데 학생들이 이 분야에 대해서 자기가 철학적으로 중요하다고 느껴야지 이 연구가 잘할 수 있고 그리고 오래 견딜 수가 있고 자기가 결국에는 성취할 수 있다고 생각이 됩니다.

그래서 그것은 저희 학생들과 연구진들이 어떻게 보면 저를 믿고 오랜 기간 어떻게 보면 이 연구가 잘될 수 있을 거라는 확신을 가졌기 때문에 가능하지 않았나, 생각이 들고요. 그런 측면에서 저희 학생들과 저의 어떤 유대관계라든지 혹은 연구실 문화라든지 이런 게 전부 다 결부돼서 이뤄낸 성과라고 생각이 듭니다. 그런 측면에서 여러 가지 연구 환경과 이런 부분에서의 복합적인 리더 과제와 어떤 학생들의 어떤 의지와 그다음에 저를 믿고 따라준 여러 가지 그런 부분의 어떤 부분이 있고요.

그래서 그런 부분을 제가 학생들한테 1시간 동안 얘기하고 하는데 오늘은 시간 관계가 있어서 이 정도로 얘기를 하고요.

그다음에.

<질문> (온라인 질의 대독) 기업, 기업과 협업 관련해서 말씀.

<답변> (이태우 서울대 재료공학부 교수) 기업은 저희가 협업을 계속해서 하고 있습니다. 사실 3년 정도 전만 하더라도 저희가 좀 기업이 OLED나 QLED 쪽으로 집중하는 부분들이 많아서, 아직도 여전히 협업... OLED나 QLED 쪽에 집중하는 부분이 많기 때문에 저희가 어떤 새로운 기술을 바라볼 수 있는 그런 여유가 그렇게 많지 않을 수 있겠다는 생각을 하고 있었는데요.

그런데 최근에는 저희가 글로벌 기업에서 많이 3년 전부터, 뭐라 이렇게 저희가 사실 언론 보도를 하면 안 되는 NDA가 있어서요. 글로벌 기업에서 먼저 손을 내줬고요, 빅테크 기업에서. 그리고, 그래서 공동 과제도 하고 있고, 그다음에 최근에 또 빅테크 기업에서 또 계속, 또 다른 빅테크 기업에서도 연락이 오고 있고요. 그다음에 국내의 어떤 대기업과도 전자 기업인데 열심히 저희가 또 샘플을 주고받으면서 상용화를 논하는 단계에 와 있습니다.

그래서 그 측면에서 저희 굉장히 글로벌하게 이런 부분에서 굉장히 관심을 많이 가지고 있는 측면이라서 지금은 어떻게 보면 페로브스카이트의 잠복기에서 어떻게 보면 성장기의 그런 변곡점에 있는 게 아닌가, 라는 그런 생각이 들 정도로 많은 기업들이 관심을 가져주셔서 감사를 드립니다.

그다음에 또 남은 게...

<질문> (온라인 질의 대독) 다음은 동아사이언스 기자입니다. 질문이 두 가지입니다. 극한 환경에서 작동하는 장치에 대한 수요도 많아지는데 페로브스카이트 디스플레이는 우주나 외계 행성 또는 심해 등 가혹한 환경에서 어울리거나 잘 작동할 수 있을지 설명을 부탁드립니다.

또 한 가지는 양자점도 결국 대용량 생산법이 제시되면서 노벨상 수상으로 이어졌는데 조만간 페로브스카이트 분야 개척자들이 여러 양산기술과 연계된다면 노벨상을 받을 가능성도 있을지 한번 언급 부탁드리겠습니다.

<답변> (이태우 서울대 재료공학부 교수) 굉장히 예민하고 제가 감히 할 수 없는 질문인데, 어쨌든 두 번째 질문은 제가 감히 좀... 어려운 질문인 것 같습니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 첫 번째는 극한 환경에서 관해서.

<답변> (이태우 서울대 재료공학부 교수) 극한 환경 같은 경우도 제가 좀 말씀드리기가 어려운 게 태양전지 같은 경우에 지금 극한 환경에 견딜 수 있는 태양전지에 대한 연구가 굉장히 많이 일어나고 있거든요.

그래서 LED는 사실 극한 환경이라고 한다면 저희가 남극이나 북극, 극저온에서 일어나는 부분이죠. 그러니까 태양전지는 우주 환경에서의 에너지나 이런 걸 필요, 우주 환경에서 에너지가 필요하기 때문에 그런 측면에서 태양전지가 극한 환경에서 연구가 되고 있고요. 잘 될 거라고 생각이 듭니다, 저는.

그런데, 왜냐하면 이 페로브스카이트가 지금은 Core-Shell 구조를 쓰지 않고도 굉장히 아이디얼한 성능이 양자점보다도 좋은 성능이 나오고 있기 때문에 shell까지 써서 수명을 더 증가시키게 된다면 굉장히 극한 환경에도 더 괜찮을 거라고 생각하고 있습니다.

그런데 제가 페로브스카이트 LED 측면에서 극한 환경이라고 한다면 우리가 극저온인데요. 극저온보다는 저온, 더 저온. 어떻게 보면 우리가 -40℃, -50℃, -100℃로 가면 LED가 어떻게 발광을 할까요? 그런데 OLED는 발광하게 하기 어렵습니다.

왜냐하면 극, charge injection이라든지 transport가 어렵기 때문인데요. 페로브스카이트는 transport도 많이 줄어들지도 않을뿐더러 그다음에 우리가 -40℃ 이렇게 구현하게 되면 효율도 증가하고 수명도 증가합니다. 그게 페로브스카이트가 가지는 장점입니다. 그래서 우리가 어떻게 보면 바다 안이라든지 혹은 남극·북극과 같은 추운 지역이라든지 이런 데서 디스플레이가 훨씬 더 다른 디스플레이하고 차별성이 있을 거라고 생각하고 있습니다.

<답변> (사회자) 감사합니다. 그럼 이것으로 오늘 브리핑을 모두 마치겠습니다. 오늘 브리핑의 보도 시점은 2월 19일 목요일 새벽 1시입니다. 국제 엠바고인 만큼 보도 시점까지 가판과 PDF, 온라인 등에 노출되지 않도록 유의해 주시기 바랍니다. 감사합니다.

<답변> (이태우 서울대 재료공학부 교수) 감사드립니다.

<끝>

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