고효율 적색 페로브스카이트 발광소자 개발

- 나노결정 표면 결함 제거하여 색안정성 확보
- 페로브스카이트 적색 발광소자 색 안정성 향상 실마리

한국연구재단(이사장 노정혜)은 부경대학교 이보람 교수 연구팀 등이 참여한 국제공동연구로 발광 파장 안정성이 우수한 고효율의 적색 페로브스카이트 발광소자가 개발됐다고 지난달 10일 밝혔다.
  페로브스카이트 발광체는 높은 색순도, 높은 발광효율, 색조절 용이성, 저렴한 소재 비용으로 인해 차세대 디스플레이 소재로 활발히 연구되고 있다. 영국 옥스퍼드 대학, 미국 오레곤 대학, 영국 캠브리지 대학, 페로주 대학, 인도과학원 등 5개 기관 연구자들이 참여한 이번 연구는 EU 호라이즌 프로그램의 하나로, 유연하고 가벼운 페로브스카이트 소자를 목표로 하는 페로큐브 프로젝트(PEROCUBE project)의 일환이다.
  REC20201)을 만족하는 높은 색 순도와 색 조절까지 용이한 경제적인 디스플레이 소재를 찾으려는 연구가 활발한 가운데 금속 할라이드 페로브스카이트2) 발광체가 주목받고 있다. 하지만 문제는 색 안정성이다. 적색과 청색을 얻기 위해 둘 이상의 할라이드를 혼합하는데 외부자극에 의해 쉽게 분리되어 발광색이 바뀌게 된다.
  연구팀은 납(Pb)과 킬레이트 결합을 하는 두 종류의 리간드를 페로브스카이트 나노결정에 처리함으로써 나노결정에 존재하는 결함을 제거하였다. 할라이드 이온들은 금속 할라이드 페로브스카이트 결정의 결함을 통하여 이동하는 것으로 알려져 있다.
  지금까지 많은 연구진들이 페로브스카이트 결정의 표면 결함을 패시베이션3)하는 방법을 통하여 할라이드 분리를 막고자 하였으나 완벽한 해결책을 찾지 못하고 있었다. 이렇게 표면결함을 제거한 나노결정은 박막 상태에서 1.5배 향상된 발광효율(광발광 양자효율)4)을 보였으며, 나노결정을 발광소자에 적용하였을 때 외부양자효율이 기존 4.1%에서 20.3%로 향상되었다. 뿐만 아니라, 리간드 처리를 한 페로브스카이트 나노 결정 발광소자의 경우 소자 구동 시 일정한 발광 스펙트럼으로 높은 색 안정성을 보였다.
  이번에 제시한 리간드 처리 방법이 태양전지, 트랜지스터 등에 쓰일 수 있는 다양한 금속 할라이드 페로브스카이트 소자의 효율 및 안정성 향상 연구에 기여할 것으로 기대된다.
  이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(신진연구, 중견연구, 기초연구실) 등의 지원으로 이뤄졌다. 연구 성과는 국제학술지 ´Nature´지에 3월 4일 게재됐다.

[ 연구의 주요 내용 ]

1. 연구의 필요성

메탈 할라이드 페로브스카이트는 색 조절의 용이성, 높은 색 순도, 높은 발광 특성, 공정의 용이성 등으로 차세대 발광체로서 각광을 받고 있다. 최근 페로브스카이트 발광소자의 외부양자효율이 상용화에 가까운 20%를 달성함으로서 연구개발이 활발하다. 
  메탈 할라이드 페로브스카이트 발광소자의 색 조절은 비교적 용이 하다. 두 개 이상의 할라이드를 섞어 비율을 조절함으로써, 페로브스카이트 발광체의 발광 색을 변화할 수 있다. 하지만, 둘 이상의 할라이드 이온을 사용하게 되면, 소자 구동 시 외부 전압에 의하여 할라이드 분리(Halide segregtaion) 현상이 발생하여 발광색이 변화하게 되는 문제가 있다. 이는, 발광소자의 적용에 큰 문제이고, 높은 효율과 동시에 높은 색 안정성을 가지는 발광소자의 개발이 필요하다.
  할라이드 분리 현상의 원인이 되는 할라이드 이온 이동은 주로 페로브스카이트 표면과 내부의 결함을 통하여 이루어진다고 보고되어 있다. 따라서 할라이드 분리 현상을 막고 색 안정성이 높은 페로브스카이트 발광소자의 구현을 위해서는 페로브스카이트의 결함의 제어 기술 개발이 필요하다.

<그림 1> 페로브스카이트 표면 리간드 처리에 대한 모식도
에틸렌다이아민테트라아세트산 (Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA)과 글루타티온(Glutathione)의 경우 할라이드 페로브스카이트 표면의 납 프렌켈 결함(Frenkel defect)과 강하게 결합하여 이를 제거하거나, 페로브스카이트 표면에 결합하여 리간드로 작용한다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 4월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>