(뉴스인020 = 김성길 기자) 차세대 디스플레이와 편광 광소자 개발에 핵심적인 페로브스카이트 나노결정의 배향을 리간드(표면 결합 유기분자) 공학으로 정밀하게 제어할 수 있는 원천 기술이 국제공동연구팀에 의해 개발됐다.

 

이번 성과는 한국연구재단에 의해 출범된 Brainlink 사업과 경상국립대학교(GNU) 지램프(G-LAMP) 사업단의 해외 파견 프로그램 지원을 받아 영국 옥스퍼드대학교로 파견된 울산과학기술원(UNIST) 이동렬 박사(신소재공학과, 지도교수 송명훈)와 배성용 박사(신소재공학부, 지도교수 김기환)가 주도한 연구의 결실이다.

 

이 박사와 배 박사는 옥스퍼드대 로버트 L.Z. 호예(Robert L.Z. Hoye) 교수 연구팀과 긴밀히 협력하며, 국내에서 축적한 페로브스카이트 소재 연구 역량을 국제 무대에서 발휘해 이번 성과를 이끌어냈다.

 

울산과학기술원 송명훈 교수 연구진과 경상국립대학교 신소재공학부 김기환 교수 연구진은, 영국 옥스퍼드대학교, 한양대학교, 성균관대학교 등과의 국제 네트워크로 이루어진 공동연구를 통해 세슘납브롬화물(CsPbBr₃) 페로브스카이트 나노플레이트릿(NPL, Nanoplatelet) 초격자의 배향을 ‘엣지-업(edge-up)’에서 ‘페이스-다운(face-down)’까지 연속적으로 조절하는 데 성공했다. 이 연구 성과는 소재 분야 권위지 《매터(Matter)》(IF: 17.5, JCR 6.05%, Cell Press 발간)에 2026년 3월자로 온라인 게재됐다.

 

▣ 나노판 배향, 왜 중요한가

 

페로브스카이트 나노플레이트릿은 두께가 수 원자층 수준인 2차원 양자우물 구조를 가지며, 전자와 정공이 강하게 구속된 엑시톤 전이(excitonic transition)가 특정 방향으로 정렬되는 특징을 갖는다. 이 때문에 나노플레이트릿은 본질적으로 평면 방향으로 편광된 빛을 방출하는 광학 이방성을 지닌다.

 

하지만 이러한 특성은 개별 나노결정 수준에서만 나타나는 경우가 많으며, 실제 소자에 사용되는 박막 상태에서는 나노결정들이 무작위로 배열되어 편광 특성이 크게 감소하는 문제가 있었다.

 

따라서 나노플레이트릿을 특정 방향으로 정렬시키는 배향 제어 기술은 편광 광원이나 광학 소자 성능을 높이기 위한 핵심 요소로 꼽힌다.

 

▣ 핵심 전략: 리간드 길이로 배향을 설계하다

 

연구팀은 나노판 표면의 고유 리간드를 유기암모늄 브로마이드 리간드로 부분 치환하는 방식을 채택했다.

 

이때 치환하는 리간드의 탄소 사슬 길이가 나노판의 크기와 조립 방식을 결정하는 핵심 변수임을 밝혀냈다.

 

올레일암모늄(oleylammonium) 등 긴 사슬 리간드를 사용하면 입체 장해 효과로 나노판 성장이 억제되어 크기가 작아지고, 엣지-업 배향의 초격자가 형성된다.

 

이 구조는 선편광도(degree of linear polarization)를 크게 향상시켜 3D 디스플레이나 광통신 편광 소자에 응용 가능하다.

 

부틸암모늄(butylammonium) 등 짧은 사슬 리간드를 사용하면 나노판이 더 크게 성장하고 리간드 간 상호작용이 약해져, 페이스-다운 배향이 유도된다.

 

이 배향은 발광 방향의 광추출 효율을 높여 청색 NPL LED의 발광 효율이 현저히 개선됐다.

 

▣ 기초부터 소자까지, 원리와 성능을 함께 입증

 

연구팀은 나노판 형성 과정을 인시튜(in situ) 광발광 측정으로 실시간 추적하여, 긴 사슬 리간드가 나노판 성장을 물리적으로 방해하는 메커니즘을 직접 규명했다.

 

이를 바탕으로 리간드 종류와 치환 비율을 조절함으로써 배향을 연속적으로 설계할 수 있는 원리를 제시했다.

 

실제 청색 LED 소자에 적용한 결과, 페이스-다운 배향 소자에서 외부 양자 효율이 뚜렷이 향상됐으며, 엣지-업 배향 소자에서는 선편광 발광 특성이 크게 개선됐다.

 

연구팀은 이 원리가 세슘납브롬화물뿐만 아니라 다양한 이방성 나노결정 시스템에 일반적으로 적용될 수 있음을 강조했다.

 

▣ G-LAMP 국제 파견이 이끈 성과

 

이번 연구는 특히 경상국립대학교 G-LAMP 사업단이 추진하는 우수 연구인력 해외 파견 프로그램의 대표적 성공 사례로 주목받고 있다. G-LAMP 사업단의 지원으로 세계 최고 수준의 무기화학 연구 그룹인 옥스퍼드대 호예 교수팀에 합류한 배성용 박사는, 파견 기간 양 기관의 연구 역량을 결집해 이번 성과를 이끌었다.

 

지도교수 김기환 교수는 “G-LAMP 사업단의 국제 연구 교류 지원이 이번 성과의 직접적인 토대가 됐다.”라며, “앞으로도 우수 연구인력의 해외 파견을 통해 세계 수준의 연구 네트워크를 더욱 강화해 나갈 것”이라고 말했다.

 

▣ 연구 의미와 향후 전망

 

김기환 교수는 “이번 연구는 단순히 나노결정 배향을 제어하는 것을 넘어, 하나의 소재 플랫폼에서 고효율 LED와 편광 광소자라는 두 가지 기능을 선택적으로 구현할 수 있는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다.”라고 밝혔다.

 

또한 “향후 고해상도 디스플레이, 증강현실(AR)/가상현실(VR) 광학 소자, 광통신용 편광 광원 등 다양한 첨단 광전자 응용 분야에 폭넓게 기여할 것으로 기대된다”라고 전했다.

 

이번 연구에는 경상국립대학교, UNIST, 옥스퍼드대학교, 한양대학교, 성균관대학교 등 6개 기관 연구진이 참여했으며, G-LAMP 사업단의 국제 협력 연구 지원 성과로서 높은 주목을 받고 있다.