서울대학교 재료공학부 이태우 교수 연구팀이 차세대 디스플레이 분야에서 오랜 기간 해결되지 않던 핵심 기술 과제를 잇달아 풀어내며 세계 학계의 주목을 받고 있다.
서울대 공과대학은 이태우 교수팀이 지난 1월 15일을 기준으로 세계 최고 권위의 학술지인 네이처(Nature)와 사이언스(Science)에 서로 다른 디스플레이 핵심 기술을 다룬 연구 논문을 각각 게재했다고 밝혔다. 동일 연구자가 같은 날 두 저널에 논문을 발표한 사례는 국제적으로도 극히 드문 경우로 평가된다.
네이처와 사이언스는 각 분야에서 가장 엄격한 심사 과정을 거치는 학술지다. 최근에도 인공지능 기반 단백질 설계 연구로 2024년 노벨화학상을 수상한 데이비드 베이커 미국 워싱턴대 교수 연구팀 등 세계적 연구진의 성과가 실리고 있다. 그런 가운데 한국 연구진이 두 저널에 동시에 이름을 올렸다는 점에서 학계 안팎의 시선이 쏠리고 있다.
네이처에 실린 논문은 신축형 OLED의 효율 저하 문제를 정면으로 다뤘다. 기존 OLED는 높은 성능에도 불구하고 딱딱한 구조적 특성 탓에 웨어러블이나 피부 부착형 디스플레이로 확장하는 데 한계가 있었다. 특히 완전 신축형 OLED는 소자를 늘리는 과정에서 발광 효율이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌로 꼽혀 왔다.
이태우 교수팀은 절연성 탄성체 환경에서 삼중항 에너지 전달이 막히는 원인을 분석하고, 새로운 에너지 전달 메커니즘인 엑시플렉스 구조를 적용해 문제를 해결했다. 여기에 맥신(MXene) 기반 신축 전극을 결합해 소자를 최대 60%까지 늘린 상태에서도 밝기와 성능 저하가 없는 신축형 OLED를 구현했다.
외부양자효율은 17.0%로, 완전 신축형 OLED 기준으로는 최고 수준이다. OLED 연구가 이미 성숙 단계에 접어든 상황에서 국내 연구진의 네이처 논문 게재는 한국 OLED 연구사에서도 이례적인 성과로 받아들여진다. 연구진은 해당 기술이 헬스케어용 웨어러블 디스플레이나 지능형 인터페이스 분야로 확장될 수 있을 것으로 보고 있다.
사이언스에는 차세대 디스플레이 소재로 주목받아온 페로브스카이트 발광체의 수명 문제를 다룬 연구가 실렸다. 해당 논문은 표지 논문으로 선정됐다. 이태우 교수팀이 사이언스에 페로브스카이트 발광체 연구를 게재한 것은 2015년 이후 두 번째다.
페로브스카이트 나노결정은 색 순도와 색 재현 영역, 제조 비용, 소비 전력 측면에서 기존 양자점보다 경쟁력이 높다. 다만 연한 이온 격자 구조로 인해 안정성이 낮고 수명이 짧다는 점이 상용화를 가로막아 왔다.
연구팀은 나노결정의 구조적 결함을 보완하는 계층적 쉘(Hierarchical Shell) 합성 기술을 개발해 효율과 안정성을 동시에 끌어올렸다. 외부양자수율은 이론적 한계로 여겨지던 91.4%에 근접했고, 고온다습한 조건에서도 3000시간 이상 구동 가능한 안정성을 확보했다.
이번 연구에서는 교원 창업기업인 에스엔디스플레이와 협력해 10.1인치 태블릿부터 75인치 TV까지 다양한 크기의 프로토타입 디스플레이를 구현했다. 3500PPI 이상의 초고해상도 패터닝이 가능하다는 점에서 AR·VR용 디스플레이로의 확장 가능성도 제시됐다.
이번 성과는 학문적 의미를 넘어 산업적 파급력도 거론된다. 한국 디스플레이 산업은 최근 중국 기업들의 추격과 원천 소재 특허 의존 문제로 경쟁 환경이 녹록지 않다. 이태우 교수팀은 페로브스카이트 분야 초기부터 원천 특허를 확보해 왔고, 향후 상업화가 본격화될 경우 소재 로열티 구조에도 변화가 생길 가능성이 있다.
다만 실험실 수준의 성과가 대규모 양산과 장기 신뢰성 검증으로 이어질 수 있을지는 별도의 과제로 남는다. 디스플레이 산업 특성상 공정 안정성과 수율, 비용 구조 검증이 병행돼야 한다는 점에서 후속 연구와 산업계 협력이 중요하다는 지적도 나온다.
이태우 교수는 “페로브스카이트의 효율과 안정성을 동시에 확보한 연구와, 신축 환경에서도 고효율을 유지하는 OLED 연구는 각각 독립적으로도 의미가 크다”며 “한 연구실에서 서로 다른 두 난제를 같은 시점에 해결했다는 점에서 한국 디스플레이 기술 경쟁력을 보여주는 사례가 될 것”이라고 말했다.
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