획기적으로 수명 개선한 고효율 고안정성 딥블루 코어쉘 페로브스카이트 발광소재 개발
고려대-KBSI 공동연구팀, 차세대 디스플레이를 위한 이상적인 발광체 코어/쉘 구조 개발
딥블루 페로브스카이트 발광 다이오드의 안정성 한계 극복
연구결과, 재료과학분야 국제학술지 ‘Advanced Science’ 게재

▲ (왼쪽부터) 홍용주 박사 (제1저자, 고려대), 제현두 석사(제1저자, 고려대), 최동훈 교수(교신저자, 고려대), 이광렬 교수 (교신저자, 고려대)

고려대 화학과 이광렬 교수, 최동훈 교수 연구팀은 한국기초과학지원연구원(KBSI) 백현석 박사 연구팀과 QLED처럼 빛을 받아 색을 내는 색 변환 소자에 대해 새로운 코어쉘 페로브스카이트 딥블루 발광체 나노소재를 개발, 적용하여 딥블루 페로브스카이트 LED 광학 효율 및 소자 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심기술을 개발했다.

이번 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 6월 4일 재료과학분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Science’ (Impact Factor: 17.521)에 게재됐으며, 본 연구는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업과 LG 디스플레이지원으로 수행됐다.
- 저자정보 : 홍용주(제1저자, 고려대학교), 유충만(제1저자, 고려대학교), 제현두(제1저자, 고려대학교), 박진영(제1저자, 고려대학교), 김태경(KBSI), 백현석(KBSI), Gracy(고려대학교), 김영서(고려대학교), 하정민(고려대학교), 주진환(고려대학교), 김채원(고려대학교), 우한영(고려대학교), 박성남(고려대학교), 최동훈(교신저자, 고려대학교), 이광렬(교신저자, 고려대학교) (총 15명)
- 논문명 : Perovskite Nanocrystals Protected by Hermetically Sealing for Highly Bright and Stable Deep-Blue Light-Emitting Diodes
- 논문게재지 : Advanced Science
(2023년 06월 04일 online published), (Adv. Sci. 2023, 230290, doi.org/10.1002/advs.202302906)


□ 금속 할라이드 페로브스카이트는 금속 그리고 할로겐원소로 구성돼있는 결정구조를 지닌 소재다. 값싸고 효율이 높은 차세대 태양전지 소재로 활발한 연구가 진행돼왔으나 나노 결정화를 통해 순도가 높은 색상을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이를 위한 발광 재료로 많은 연구가 진행되고 있다.
* 금속 할라이드 페로브스카이트 : Cs, Pb, 및 할로겐 원소 (I, Br, Cl)로 구성된 CsPbX3 구조의 결정구조. 본 연구에서는 Br과 Cl가 혼성화된 CsPb(Br1-xClx)3 조성으로 구현하여 딥블루 페로브스카이트 나노결정이 형성되도록 유도했다.

□ 페로브스카이트 LED가 주목받는 이유는 크게 세 가지가 있다.
  ◌ 첫째로 좁은 발광파장폭이다. 페로브스카이트 LED는 매우 좁은 발광파장폭을 갖고 있다. 이는 정확한 색상의 재현을 가능하게 하며, 다양한 색상을 포함한 더 넓은 색역을 표현할 수 있다. 이는 고화질 디스플레이와 조명 응용 분야에서 매우 중요한 요소이다. 지난 2012년 ITU(국제전기통신연합)가 UHD TV를 위한 새로운 색 표준으로 제정한 Rec.2020을 만족하기 위해서는 발광 스펙트럼 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)이 20나노미터 수준인 발광체가 필요한데 보통 QLED나 OLED는 30나노미터 수준의 발광파장폭을 지녀 전체 색상 구현에 부족하다. 현재까지는 페로브스카이트 LED가 Rec.2020 색 표준을 만족할 수 있는 유일한 소재라 여겨지고 있다.
  ◌ 둘째로 높은 색 순도와 색 포화도를 들 수 있다. 페로브스카이트 LED는 높은 색 순도와 포화도를 지니고 있어 더 생생하고 선명한 색상을 구현할 수 있는 차세대 디스플레이 소재이다.
  ◌ 끝으로 쉬운 제조 과정이다, 페로브스카이트 나노결정은 합성과정이 비교적 간단하고 빠르며, 저렴한 제조 과정이 장점으로 꼽힌다. 이는 대량 생산에 유리하여 상업적으로도 경제적인 이점을 제공한다.

□ 그러나, 페로브스카이트 나노결정은 그 자체로 매우 불안정한 특성으로 인해 표면을 이종 물질 쌓는 것은 물론 표면제어도 매우 도전적이다. 이를 해결할 쉘물질 상의 모색 및 새로운 합성 방법론의 개발이 시급하다. 특히, 이상적인 페로브스카이트 기반 자발광 다이오드를 구현하기 위해서 청색 페로브스카이트의 효율 및 수명을 개선하는 것이 중요한데. 청색 페로브스카이트는 적색, 녹색 페로브스카이트에 비해 이온 이동 (ion migration), 상 분리 (phase segregation)으로 인한 낮은 효율, 구동 및 스펙트럼 안정성으로 소재 개발부터 매우 도전적인 연구 주제이다.

□ 이광렬 교수와 최동훈 교수 연구팀은 이를 위해 10 나노미터 수준의 페로브스카이트 결정의 표면을 안정화시키면서도 동시에 수 나노미터의 무기반도체 ZnS를 둘러싸는 ‘코어/쉘 페로브스카이트’ 합성 방법을 새롭게 제시했다.

□ 이는 특히 기존의 유기물 기반 쉘 소재와 달리 무기반도체의 성질의 쉘을 성공적으로 도입함으로써, 전하 주입을 방해하지 않는 1~2 나노미터 수준의 반도체 ZnS 쉘이 내부의 딥블루 페로브스카이트 입자를 둘러싸는 코어/쉘 구조를 형성하여 매우 높은 내부 발광 효율 및 안정성을 구현했다.

□ 이광렬 교수와 최동훈 교수 연구팀은 이러한 페로브스카이트 구조를 기반으로 발광 소자를 제작하여 딥블루 영역에서 (발광파장: 451 nm) 높은 밝기 (2916 cd m-2)와 외부양자효율 (1.32%), 특히 딥블루 영역에서 가장 큰 한계점으로 꼽혀 왔던 페로브스카이트의 수명을 크게 끌어올려 약 20분에 달하는 딥블루 발광소자를 구현했다.

□ 이러한 각각의 특성들은 현재까지 보고된 딥블루 페로브스카이트 발광 다이오드 기반 효율, 수명, 밝기에 대해 매우 높은 수치이다. 연구진은 이번 연구를 통해 페로브스카이트 LED 소자에 기반한 디스플레이의 해상도를 크게 높인 만큼, 향후 스마트 웨어러블 장치 개발에 광범위하게 적용될 수 있으며, 다양한 분야에서 더 높은 해상도의 화면을 구현하는 데에 기여할 것으로 전망했다.


[ 그 림 설 명 ] 

                  

[그림1] 무기반도체 ZnS를 이용한 코어/쉘 페로브스카이트 나노결정 구조. ZnS 쉘이 없는 페로브스카이트 (Core) 및 코어쉘 페로브스카이트 (Core/shell) 수분 노출 안정성 비교 실험 사진 및 LED 소자 구동 사진.



[그림2] 코어/쉘 구조 페로브스카이트 구조적 특이성 분석. a,b,c) 무기반도체 ZnS이 적용된 코어/쉘 페로브스카이트 형성 반응 모식도 및 투과전자현미경 분석. d) 결정 구조 시뮬레이션 모델링 및 계면 격자 불일치 분석.



[그림3] 코어/쉘 구조 페로브스카이트 발광효율 및 안정성 평가 결과 a) 코어/쉘 구조 수분 노출 안정성 그래프 및 사진, b) 파장 별, 밝기, 외부양자효율 비교 그래프, c) 파장 별 페로브스카이트 LED 소자 구동 안정성 비교 그래프.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)