^*페로브스카이트 (Perovskite): 러시아 과학자인 ‘페로브스키’가 발견한 광물의 결정구조. 기본적으로 유기 분자, 금속 및 할로겐 원소로 구성되며 일반적으로 3차원 구조의 격자 배열을 가지는 반도체 소재이다. 이 소재는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환할 수 있는 특성 때문에 LED의 발광체로 활용될 수 있다. 반대로 빛 에너지(태양광)을 전기에너지로 바꿀 수도 있다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

디스플레이 소자는 TV나 스마트폰 등 IT 산업의 필수품으로 디스플레이 기술이 날로 진화하고 있는 가운데 LCD(Liquid Crystal Display, 액정 디스플레이)를 거쳐 현재 OLED(Organic Light Emitting Diode, 유기발광소자)가 최신 디스플레이 소자로 알려져 있다. 하지만, 이들의 발광선폭은 30nm(나노미터) 이상이기 때문에 천연색을 그대로 구현하기 위해서는 발광 선폭이 좁은 새로운 발광체의 개발이 필요하다. 이 때문에 차세대 물질로 ‘페로브스카이트(Perovskite)’1)가 대두되고 있다.

페로브스카이트는 유·무기 복합구조를 가지는 재료로 그간 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지 소재로 각광받아 왔다. 이 물질은 태양전지의 원리(빛 에너지 -> 전기에너지)를 역으로 이용해 전기에너지를 받아 빛을 내는 발광소자로도 쓸 수 있다. 높은 색 선명도, 우수한 전자이동도 그리고 할로겐 원소 치환 및 혼합기술을 통한 손쉬운 밴드 갭(band gap)2) 조절이 가능해 차세대 디스플레이 기술을 대체할 것이라는 전망이 나오고 있다.

2014년부터 디스플레이에 발광물질로 페로브스카이트에 관한 연구가 시작됐으며, 효율을 OLED 수준까지 끌어올렸다. 현재 페로브스카이트의 효율(외부양자효율, EQE)는 레드 23%, 그린 21%, 블루 10% 수준으로 이는 6년 만에 얻어진 성과다.

하지만 아직 청색광(블루영역) 효율이 낮아, 상용화를 위해서는 이 문제를 해결해야한다. 페로브스카이트 발광소자에서 청색광을 얻기 위해서 할로겐 원소 혼합을 하는데 소자 구동 시 할로겐 원소의 이동 및 분리현상으로 인한 발광피크(Peak)의 변화 및 발광 반치폭(발광 피크를 기준으로 반을 나눈 폭) 확장 문제(색순도 저하)가 생긴다.

이번 연구에서는 페로브스카이트 발광소자의 정공 수송층 재료를 직접 합성하였고, 이를 소자에 적용하여 정공 수송층 위에 성장하는 페로브스카이트의 결정성 및 계면(서로 다른 두 물질의 경계면) 결함을 분석했다. 그 결과 결정성이 우수하고 계면 결함이 적은 페로브스카이트 발광소자를 개발하고, 소자의 효율 및 전계발광 스펙트럼의 안정성을 향상시키는 방법을 제안하였다.

2. 연구내용

이번 연구에서 개발한 청색 발광 페로브스카이트 발광소자는 정공 수송층(전하입자인 정공이 통과하는 물질) 물질로 ‘공액고분자 전해질’을 합성하여 사용했다. 발광소자에서 전하 수송층은 소자 성능과 안정성에 크게 영향을 준다. 특히, 페로브스카이트 발광층 아래 전하 수송층은 페로브스카이트 발광층의 결정 성장과 계면 결함 형성에 상당히 영향을 준다. ‘공액고분자3) 전해질’은 π-비편재화(π-conjugated)된 주 가지(공액고분자)와 이온성 곁가지(전해질)로 구성되어 있다. 이번 연구에서는 곁가지의 이온 크기가 다른 3가지 종류의 공액 고분자 전해질을 합성하여 사용했다. 곁가지의 이온 크기가 가장 큰 공액 고분자 전해질은 페로브스카이트의 결정성을 향상시키고, 계면 결함을 줄였다. 이는 페로브스카이트 발광소자의 효율을 높이는 결과로 이어졌다.

페로브스카이트 발광소자의 결정성과 계면 특성을 분석하는 연구도 진행했다. 곁가지의 이온 크기가 다른 3가지 종류의 공액 고분자 전해질과 기존의 정공 수송 층으로 사용되는 전도성 고분자 물질을 비교해 결정성과 계면 특성을 비교했다. 공액 고분자 전해질 위에 성장한 페로브스카이트 결정은 기존의 전도성 고분자 PEDOT:PSS4) 물질 위에 성장한 페로브스카이트 결정보다 결정성이 좋고 계면 특성이 좋은 것이 확인되었다. 또한, 공액 고분자 전해질의 곁가지 이온 크기가 커짐에 따라 계면 특성이 향상되었다.

곁가지의 이온 크기가 커짐에 따라 계면 특성이 향상된 근원을 찾기 위해, 유니스트 곽상규 교수님 연구실과 공동 연구를 진행했다. 페로브스카이트 계면에서 이온 크기에 따른 흡착력 정도를 DFT (Density Functional Theory)5)를 통해 계산했다. 계산 결과, 페로브스카이트 계면에서 공액 고분자 전해질의 곁가지 이온 크기가 클수록 흡착력이 증가되어 계면 특성이 향상된 페로브스카이트 결정이 형성되었다.

페로브스카이트 발광소자에서 블루 영역을 달성하기 위해서는 할로겐 원소 치환이 필요하다. 하지만 이는 소자 구동 시 발생하는 할로겐 원소 이동을 야기하고, 최종적으로 발광 스펙트럼이 불안정하게 된다. 이러한 할로겐 원소 이동을 억제하기 위해 지금까지는 페로브스카이트 발광층 자체를 첨가제나 추가적인 처리를 통해 소자 효율이나 스펙트럼의 안정성을 높였다.

이번 연구에서는 페로브스카이트 발광층이 아닌 새로운 정공 수송 층을 개발하여 페로브스카이트 결정성과 계면 특성을 향상하여, 발광소자의 효율뿐만 아니라, 스펙트럼의 안정성을 높이는 결과를 가져왔다.

3. 기대효과

공액 고분자 전해질 개발을 통해 결정성과 계면 특성이 개선된 청색 페로브스카이트 발광소자는 높은 효율과 안정한 스펙트럼의 청색 디스플레이를 제작하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

특히 결정성과 계면 특성을 구체적으로 분석하게 됨으로써 청색 페로브스카이트 발광소자의 결정성과 계면 특성 향상에 도움이 될 전망이다. 이는 향후 청색 페로브스카이트 발광소자의 효율과 스펙트럼 안정성을 향상 시킬 수 있는 길을 제시하였다는데 큰 의미가 있다.

[붙임]용어설명

1. 페로브스카이트 (Perovskite)

러시아 과학자인 ‘페로브스키’가 발견한 광물의 결정구조. 기본적으로 유기 분자, 금속 및 할로겐 원소로 구성되며 일반적으로 3차원 구조의 격자 배열을 가지는 반도체 소재이다. 이 소재는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환할 수 있는 특성 때문에 LED의 발광체로 활용될 수 있다. 반대로 빛 에너지(태양광)을 전기에너지로 바꿀 수도 있다.

2. 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. 물질 고유의 성질이다. 이 성질에 따라 물질이 흡수하거나 방출하는 빛 에너지의 파장영역이 달라진다.

3. 공액 고분자 (Conjugated π-electron system)

다중 결합이 단결합을 사이에 하나 끼워 존재하고 상호 작용을 나타내는 것을 공액이라 한다. 이때 다중결합을 하는 π결합(상대적으로 약한 결합)에 의해 자유롭게 움직일 수 있는 전자(비편재화된 전자)가 존재 한다.

4. PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate)

광전소자에서 정공 수송 층으로 주로 사용되는 전도성 고분자 물질.

5. DFT (Density Functional Theory, 밀도범함수 이론)

물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나이다. 이를 통해 어떤 분자가 세상에 존재할 수 있는지 없는지의 여부, 특정 분자의 모양과 성질 등을 예측할 수 있다. 컴퓨터를 사용하는 과학 계산들 중에서, 가장 널리 쓰이는 양자역학 계산 분야 중 하나이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 청색 페로브스카이트 발광소자(PeLED) 발광 이미지 및 공액 고분자 전해질 분자 구조

그림2. 청색 페로브스카이트 발광소자(PeLED) 발광 스펙트럼 안정성 증가: 기존에 정공 수송 층으로 주로 사용되는 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 대비 공액 고분자 전해질을 사용한 페로브스카이트 발광소자의 발광 스펙트럼이 안정되었다.

그림3. 공액 고분자 전해질의 곁가지 이온 크기에 따른 흡착력 계산 결과: DFT 계산을 통해 이온 크기가 커짐에 따라 흡착력이 증가하는 것을 확인하였다.