^*페로브스카이트(Perovskite): ABX3의 결정구조를 갖는 물질이다. 현재 페로브스카이트 구조를 가진 유기금속 할로젠 화합물이 우수한 광학 및 전기적 특성을 보여 태양전지와 발광소자 둥 광전자소자의 활성재료로 사용된다.

^*나노 레터스(Nano Letters): 미국화학회(American Chemical Society, ACS)에서 2001년 창간한 과학 전문잡지로, 2019년 현재 인용지수 12.070인 나노 분야 최고 권위지이다.

*논문명: Flexibility of Semitransparent Perovskite Light-Emitting Diodes Investigated by Tensile Properties of the Perovskite Layer

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

최근 웨어러블(wearable) 전자장치의 수요가 증가함에 따라 차세대 디스플레이로 주목받고 있는 ‘유연성 발광소자’에 대한 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 유연성 소자의 광학 특성과 안정성 향상에 대한 관심도 커지는 추세다.

페로브스카이트는 유·무기 복합구조를 가지는 재료로, 색 선명도와 전자이동도가 우수하다. 또 할로겐 원소 치환을 통해 밴드 갭(band gap)*을 조절하면 색깔도 쉽게 조절할 수 있다. 이런 장점 덕분에 발광소자의 활성층(전자를 받아 빛을 내는 부분)으로 페로브스카이트를 활용하는 연구가 많이 진행됐다. 최근에는 유연성 소자에 페로브스카이트를 적용하기 위한 연구도 많아졌다.

그러나 지금까지는 페로브스카이트 발광소자의 유연 특성에 대한 구체적인 연구가 부족했다. 기존에는 주로 페로브스카이트 발광소자를 반복적으로 굽히면서 나타나는 변형에 따른 효율 감소를 분석하는 데만 집중했기 때문이다. 이 방법으로는 소자 성능이 떨어지는(열화 현상) 구체적인 원인 분석이 어려웠다.

이번 연구에서는 ①페로브스카이트 발광소자의 구성 재료를 바꿔 투명성과 유연성을 향상시키고, ②소자를 구성하는 재료의 기계적 물성을 이용해 유연 특성을 분석했다. 그 결과 투명도와 유연성이 향상된 페로브스카이트 발광소자를 개발하고, 소자의 열화 원인을 구체적으로 분석하는 방법을 제안해냈다.

^*밴드 갭(Band Gap): 결정 물질의 전자상태를 나타내는 에너지띠 사이에 전자가 존재하지 않는 에너지 영역을 말하며, 우리말로 ‘띠틈’이라고도 한다. 보통은 전자가 차 있는 원자가띠와 비어 있는 전도띠 사이에 존재하는 에너지 간격을 의미한다.

2. 연구내용

이번 연구에서 개발한 ‘반투명 유연 페로브스카이트 발광소자’는 전극 물질로 ‘은 나노와이어(siver nanowire)’와 ‘전도성 고분자’를 사용했다. 기존에 전극으로 사용하던 금속 물질은 불투명하고 유연성도 없지만, 이를 다른 물질로 대체해 투명도와 유연성을 확보한 것이다. 또 활성층인 페로브스카이트와 음극 사이에 고분자 전해질을 사용해 전자 주입 장벽을 줄였다. 이는 페로브스카이트 발광소자의 효율을 높이는 결과로 이어졌다.

페로브스카이트 발광소자의 기계적 물성을 구체적으로 분석하는 연구도 진행했다. 완성된 소자의 반복적인 굽힘 시험에서 벗어나, 소자를 구성하는 각 재료별로 기계적인 특성을 측정하고, 이를 이용해 유연성을 분석한 것이다. 참고로 페로브스카이트 발광소자는 전극(양극, 음극) 사이에 전자이동층과 활성층, 전해질층 등이 들어가는 구조다.

각 재료의 기계적 물성은 ‘홀-나노인덴테이션(hole-nanoindentation)’과 ‘일축인장실험’, 두 방법으로 측정‧분석했다. 홀-나노인덴테이션은 수 마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만 분의 1m) 지름의 구멍(hole) 위에 측정할 재료를 매우 얇은 박막으로 올려두고, 뾰족한 압입자(일반적으로 다이아몬드)로 눌러 변형시키면서 물질의 성질을 분석하는 기술이다. 주로 재료의 ‘파단강도’, 즉 재료가 파괴돼 끊어지기까지의 최대 응력*과 물질이 응력을 받았을 때 일어나는 변형률의 정도인 ‘탄성계수’ 등을 평가할 때 쓰인다. 이번 연구에서는 페로브스카이트 발광소자의 활성층, 전자이동층, 전해질층 등을 실제 소자에 쓰이는 방법과 동일한 방법으로 제작해 홀-나노인덴테이션으로 측정, 분석했다.

홀-나노인덴테이션 측정 결과, 활성층으로 쓰인 페로브스카이트의 유연성이 가장 취약하게 평가됐다. 이 부분은 일축인장실험을 통해 더욱 정밀하게 기계적 물성을 평가했다. 이 실험은 재료의 연성과 강도를 측정하는 기법 중 하나로, 재료의 양 끝을 고정하고 한쪽 방향으로 하중을 가해 당기면서 변형에 대한 저항력을 평가한다. 일축인장실험 결과로 얻은 페로브스카이트의 유연성 한계를 이용해 분석한 이론적 예측값은 실제 소자의 효율이 감소한 유연성 한계와 맞아떨어졌다.

이번 연구를 통해 반투명 유연 페로브스카이트 발광소자를 개발하고, 변형 특성도 분석했다. 특히 이 소자를 구부렸을 때 성능이 떨어지는 원인을 구체적으로 찾을 수 있는 방법을 제안했다.

^*응력(stress): 물체의 외부에서 외력이 가해질 때, 그 물체 내부에 이것을 저항하려고 하는 힘

3. 기대효과

유연성이 우수하고 투명도도 개선된 페로브스카이트 발광 소자는 더욱 선명한 디스플레이를 제작하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 특히 유연성이 크게 향상돼 폴더블 스마트폰 디스플레이나 웨어러블 디스플레이 등의 개발에 기여할 것으로 보인다.

또 소자의 변형 특성을 구체적으로 분석하게 됨으로써 페로브스카이트 발광소자의 유연 특성을 높이는 데 도움이 될 전망이다. 이는 향후 더욱 유연한 페로브스카이트 소자를 만드는 기반이 될 것이다.

[붙임] 그림 설명