김동하 교수 연구팀, 세계 최고 수준 색순도 지닌 페로브스카이트 진청색 발광체 개발
김동하
화학·나노과학전공
차세대 디스플레이 소재로 각광받는 페로브스카이트 상용화 기대
진청색 발광 저해 요인 규명으로 진청색 구현에 돌파구 제시
본교 연구팀이 세계 최고 수준의 색순도를 지닌 페로브스카이트(perovskite) 진청색 발광체 개발에 성공했다. 그동안 페로브스카이트 상용화에 걸림돌로 작용했던 진청색 발광 소재 색순도 저하 문제가 극복됨에 따라, 향후 차세대 디스플레이 상용화에 박차를 가할 수 있을 것으로 기대된다.
화학·나노과학전공 김동하 교수 연구팀은 유사-이차원(quasi-two dimension) 페로브스카이트 발광체의 결정화 메커니즘을 분석해 진청색 발광을 저해하는 요인을 제거, 발광체의 색순도를 획기적으로 개선한 연구 결과를 발표했다. 연구 논문(Narrowing the Phase Distribution of Quasi-2D Perovskites for Stable Deep-Blue Electroluminescence)은 7월 6일(수) 재료 및 화학 분야 국제 저명 학술지 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)> 최신호에 게재됐다.
그림 1. 기존 합성법(기판가열법, 반용매처리법) 및 새로운 합성전략(용매-반용매 동시증발법)을 사용하여 제작한 페로브스카이트발광 다이오드의 전계발광 스펙트럼.
용매-반용매동시증발법을 사용해 제작된 발광다이오드가 색순도가높은 진청색을 발광함을 확인할 수 있다.
유사-이차원 페로브스카이트 발광체는 높은 발광 효율과 저렴한 소재 비용으로, 현재 상용화된 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode) 및 양자점 발광다이오드(quantum dot light emitting diode)를 대체할 차세대 디스플레이 소재로 각광받고 있다. 상용화를 위해 필수적인 진청색 발광 소재 개발 기술이 현재까지 답보 상태였으나, 이번 연구로 진청색 발광을 저해하는 주요 원인인 양자우물 분산성을 획기적으로 개선할 수 있게 됐다.
일반적인 용액 공정으로 합성된 유사-이차원 페로브스카이트는 넓은 양자우물(quantum well) 분산성을 지닌다. 불균일한 양자우물 두께는 소자 구동 과정에서 전하가 가장 작은 밴드갭을 가진 양자우물로 모이게 하는데, 이로 인해 진청색 발광을 저해하는 문제가 발생한다. 김동하 교수 연구팀은 화공신소재공학과 석사과정 나윤서 학생의 주도로 기존 합성법으로 제작된 유사-이차원 페로브스카이트의 양자우물 분포를 분석한 결과, 용매와 반용매의 증발 속도 차이가 양자우물의 두께 증가를 촉진시킴을 확인할 수 있었다. 연구팀은 용매와 반용매의 동시 증발을 유도하는 새로운 합성 전략을 통해 양자우물 분산성을 획기적으로 감소시킬 수 있음을 입증했다. 그 결과, 최대 발광 파장이 466nm이고 반치 전폭(full width at half maximum)이 14nm 수준인 세계 최고 수준의 색순도를 갖춘 안정적인 진청색 발광체를 개발하는 데 성공했다. 이는 현재까지 보고된 진청색 유사-이차원 페로브스카이트 발광 소재 중 최고 수치다.
그림 2. 용매-반용매동시증발법을 사용해 제작한 유사-이차원 페로브스카이트박막. 색순도가높은 진청색발광 특성을 확인할 수 있다.
본 기술은 페로브스카이트 발광다이오드 상용화에 크게 기여할 뿐 아니라 비 페로브스카이트, 유사 유·무기 발광 소재 및 신규 디스플레이 소재 발굴에도 적용하여 외연 확장을 모색할 수 있을 것으로 기대된다. 이화여대 김동하 교수는 “페로브스카이트의 한계로 인식되고 있는 진청색 소재 구현에 돌파구를 제시할 수 있는 간단하고 창의적인 전략을 개발함으로써 관련 학계에 의미 있는 기여를 할 수 있게 되어 보람을 느낀다”며, “본 기술을 접목한 페로브스카이트 발광 다이오드 소자 구성을 최적화함으로써 현존 OLED 및 QLED 다음 세대의 디스플레이 산업을 개척할 수 있기를 기대한다”고 말했다.