김성훈 교수 연구팀
공융반응 기반 다공성 실리카 구조로 페로브스카이트 결정 성장 제어·장기 안정성 확보

연구팀. 왼쪽부터 동의대 김성훈 교수, 홍지우 석사과정생. 동의대 제공

동의대학교 김성훈 교수 연구팀이 유기용매를 사용하지 않고 고효율 및 고안정성 페로브스카이트 발광 증착막을 제조할 수 있는 새로운 건식 공정 기술을 개발했다. 이번 연구에서는 에어로졸 증착 기술과 공융반응을 결합하여 페로브스카이트 결정의 성장을 정밀하게 제어하고, 장기간 안정적으로 발광 특성을 유지할 수 있는 다공성 실리카-페로브스카이트 복합 박막을 구현했다.

금속 할라이드 페로브스카이트는 높은 광흡수율과 우수한 발광 특성, 좁은 발광 파장폭 등의 장점으로 차세대 디스플레이와 조명용 발광 소재로 주목받고 있다.

기존 페로브스카이트 박막은 대부분 스핀코팅, 스프레이코팅 등 용액 공정으로 제조되기 때문에 유해 유기용매 사용과 원료 손실이 불가피하고, 대면적과 후막 제조에도 한계가 있었다. 또한 진공 증착과 같은 기존 건식 공정은 고진공 장비가 필요하고 결정 성장과 결함을 정밀하게 제어하기 어렵다는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 공융반응 보조 에어로졸 증착(Eutectic-Assisted Aerosol Deposition) 기술을 개발하였다. CsBr과 PbBr2 전구체에 실리카 나노입자를 혼합해 건식으로 증착한 후 430℃에서 열처리하면, CsBr-PbBr2의 공융반응이 실리카의 저온 소결을 촉진하면서 페로브스카이트 주변에 다공성 실리카 골격을 형성한다. 이 구조는 열처리 과정에서 페로브스카이트 결정이 지나치게 성장하거나 서로 합쳐지는 것을 억제하는 동시에, 실리카와 페로브스카이트 계면의 결함을 안정화하는 역할을 한다. 열처리 후에도 페로브스카이트 결정립 크기를 약 47nm 수준으로 제어할 수 있었다. 다공성 실리카 골격은 페로브스카이트 결정 간의 물리적 장벽 역할과 함께 계면의 Si-O-Pb 결합을 통한 표면 안정화 효과를 나타내어 비발광 재결합을 효과적으로 억제했다.

그 결과 개발된 CsPbBr3/다공성 SiO2 복합 박막은 85.7 lm/W의 높은 광효율과 18nm의 좁은 발광 반치폭(FWHM)으로 선명한 녹색 발광 특성을 나타냈으며, 일반 대기에서 300일 이상, 150℃에서도 27일 이상 발광 특성을 안정적으로 유지해 우수한 장기 안정성을 입증했다.

또한 기존 리간드 기반 CsPbBr3 양자점 필름 대비 LED 구동 수명이 크게 향상되었으며, 6×6 cm2 대면적 제조와 직접 패터닝 및 곡면 코팅까지 구현함으로써 향후 디스플레이와 조명용 파장변환 소재로의 확장 가능성을 확인했다.

이번 연구에는 동의대 홍지우 석사과정생과 광운대 이준우 학생이 공동 제1저자로 참여했으며, 동의대 김성훈 교수, 광운대학교 오종민 교수, 아주대 김상욱 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

연구 결과는 ‘Stable dry-processed perovskite emitters enabled by eutectic-assisted silica scaffold formation’이라는 제목으로 국제 저명 학술지 Chemical Engineering Journal에 2026년 8월 온라인 게재됐다.

연구 개요도. 동의대 제공

김형일 부산닷컴 기자 ksolo@busan.com