페로브스카이트 LED

이번 연구에서는 김동하 교수 연구팀은 기존 3차원 구조의 AMX3 페로브스카이트에서 크기가 비교적 작은 양이온 A(methylammonium)와 함께 크기가 큰 양이온 A’(phenylethylammonium)을 도입하고 화학 양적 제어를 통해 차원을 제어하고 발광다이오드(LED) 소자에 적용했다. 또한 차원 제어 페로브스카이트의 높은 형광효율을 나타내는 원인을 분석하기 위해 일시적 흡광 측정과 일시적 형광 측정을 통하여 메커니즘을 규명했다. 특히 차원 제어 페로브스카이트의 향상된 엑시톤 결합 에너지와 부동한 밴드갭 에너지를 갖고 있는 페로브스카이트 결정들 사이의 에너지 전달로 인한 형광 효율 증가로 이러한 한계점을 극복할 수 있게 되었다. 김 교수 연구팀에서 2016년 미국화학회지에 보고한 차원 제어 페로브스카이트 개념을 활용해 설계한 차원 제어 페로브스카이트는 기존 메틸암모니움 아이오다이드 기반의 3차원 구조 페로브스카이트에 페닐에틸암모니움 아이오다이드 유기물 리간드를 도입한 것으로, 납아이오다이드, 메틸암모니움 아이오다이드 및 페닐에틸암모니움 아이오다이드 사이의 정밀한 화학 양론적 제어를 통해 페로브스카이드 차원을 정확하게 조절할 수 있었다.

기존 3차원 페로브스카이트는 상온에서의 엑시톤 결합 에너지가 상대적으로 약한 반면 2차원 구조의 페로브스카이트는 6배 가량 더 강함으로써 형광 소재 응용에 적절한 조건을 가지고 있다. 하지만 2차원 구조의 페로브스카이트는 상온에서 형광 효율이 낮고 전하이동 속도가 낮은 단점으로 인하여 LED 소자 응용에는 한계가 있었다. 그래서 차원 제어 페로브스카이트로 엑시톤 결합에너지 제어가 가능하며 자기 조립방식으로 형성된 결정 박막 내에 에너지 준위 차이가 있는 유기물 리간드를 도입한 것으로, 납아이오다이드, 메틸암모니움 아이오다이드 및 페닐에틸암모니움 아이오다이드 사이의 정밀한 화학 양론적 제어를 통해 페로브스카이드 차원을 정확하게 조절할 수 있다. 2차원 구조의 페로브스카이트는 상온에서의 형광 효율이 낮고 전하이동속도가 낮은 단점으로 인하여 LED 소자 응용에는 한계가 있습니다. 높은 효율의 LED 소자는 상대적으로 큰 엑시톤 결합에너지가 필요하다. 따라서 차원 제어 페로브스카이트로 엑시톤 결합에너지 제어가 가능하며 적절한 LED 소자에 사용할 수 있는 형광재료 개발을 하게 됐다. 이를 통해 소재의 형광 효율이 기존 2차원이나 3차원 구조의 페로브스카이트보다 100배 가량 증가한 차원 제어 페로브스카이트 박막을 제조하게 되었다.  페로브스카이트 전구체 용액을 만들어 기판 상에 스핀 코팅하고 필름 형성 과정에 페로브스카이트 결정화를 촉진시켜 주는 클로로벤젠 (chlorobenzene)을 도입함으로써 결함 없이 균일한 박막을 형성할 수 있었다. 그 결과 전기에너지를 빛에너지로 바꾸는 소자의 발광 효율은 8.8%로 나타났다. http://s21.co.kr/news_proc/news_print.jsp?ncd=2673