페로브스카이트 발광체, 차세대 디스플레이 상용화의 획기적 실마리를 찾다

은(Ag) 나노막대 광결정 이용 페로브스카이트 나노입자의 발광 안정성 증대   

 KBSI-DGIST 공동연구, The Journal of Physical Chemistry Letter誌 게재

사진1. 논문 표지

 페로브스카이트 나노입자의 발광 원리를 정밀하게 규명해 구조적 안정성을 높일 수 있는 제어 기술을 개발했다. 향후 페로브스카이트 발광소자의 차세대 디스플레이 상용화 기술 개발에 중요한 진전이 있을 것으로 기대된다. 

 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 대구센터 채원식 박사 연구팀과 대구경북과학기술원(총장 국양, 이하 DGIST) 에너지공학과 이종수 교수 연구팀이 공동으로 페로브스카이트 광소재 내 양자입자의 상태변화를 실시간 분석해 발광 효율을 저해하는 요인을 제거함으로써, 발광의 안정성을 획기적으로 높인 성과를 얻었다고 21일(화) 밝혔다.

 페로브스카이트 광소재는 높은 발광효율과 고색순도를 지녀, 유기발광다이오드(OLED)를 대체할 차세대 디스플레이 소재로 각광받고 있다. 다만, 페로브스카이트는 표면과 내부가 열이나 빛에 노출됐을 때 이온 결합들이 불안정한 거동을 일으켜, 디스플레이 성능을 저하시키고 발광 시간을 짧게 한다. 이같은 발광효율 저하의 요인은 차세대 디스플레이 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.  

그림1. 은(Ag) 나노막대 광결정 위에 도입된 페로브스카이트 나노입자의 발광 원리 및 형광 수명 변화와 안정성 향상을 

형상화한 모식도_나노입자 내에 생성되는 전자-정공 재결합이 은 나노 광결정에 의해서 빠르게 유도되고, 트라이온 재결합 경로는 억제되어 장기간 발광 안정성을 갖는 나노입자를 관찰할 수 있었음.

 일반적으로, 발광 현상은 나노광소재를 빛으로 들뜨게 했을 때 생성되는 전자-정공(엑시톤, exciton) 재결합 또는 엑시톤쌍(biexciton)의 결합 에너지를 통해 일어나는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이번 연구로 새로 알게된 사실은 엑시톤, 엑시톤쌍 재결합에 의한 발광경로 외에 트라이온(trion) 결합이라는 또다른 발광경로가 존재한다는 것이다.  

사진2. 시분해 형광 공초점 현미경(FLIM; fluorescence lifetime imaging microscope)_레이저를 이용하여 물질 또는 개체를 

들뜨게 한 후, 시간과 공간을 동시에 분할하여 광 신호를 초고속으로 검출해 형광의 수명을 영상으로 나타내는 분석 연구장비임.

 KBSI 대구센터의 ‘시분해 형광 공초점 현미경(FLIM)’ 장비로 단일 나노입자 내부를 시간과 공간을 동시 분할하여 양자입자의 상태변화를 실시간 분석한 결과, 엑시톤에 음전하를 띠는 전자 또는 양전하를 띠는 정공이 추가적으로 결합한 트라이온 양자입자의 존재여부를 확인할 수 있었다. 또, 이렇게 생성된 음전하 또는 양전하 트라이온 입자들의 불규칙한 움직임이 발광의 안정성을 낮추는 주요 원인임을 찾을 수 있었다.

그림2. 광리소그래피 기술로 제작된 은(Ag) 나노막대 광결정*(왼쪽) 및 그 위에 고분자로 코팅한 페로브스카이트 

나노입자의(오른쪽) 전자현미경 사진_오른쪽 사진에서 규칙적인 은(Ag) 나노막대 광결정 구조체 사이로 

비교적 안정적인 구조를 띤 양자점 입자가 관찰된다.

 특히, 발광 효율 저하의 주요 요인이 되는 트라이온 재결합을 차단하기 위해 은(Ag) 나노막대 광결정* 기판을 적용해서 결합 경로를 효과적으로 제어하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 광결정은 신호전달용 광섬유 케이블에도 적용되는 구조 결정체로, 은 나노막대 광결정을 통해 트라이온 재결합은 제거되는 반면, 고효율 발광에 유익한 엑시톤 재결합 경로가 확대됨으로써, 발광의 안정성을 한층 높일 수 있었다. 

 * 광결정(photonic crystal) : 물질이나 입자 또는 패턴을 빛의 파장 길이인 가시광선- 적외선 영역에서 규칙적인 형태로 배열시킨 구조적 광학 결정체를 말함.

사진3. 연구하는 모습 사진 

 향후 페로브스카이트 소재 외에도 반도체 나노소재 내에서 발생하는 엑시톤 입자 및 다양한 양자입자의 새로운 발광 경로를 밝히는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

사진4. 공동연구자 사진_(왼쪽부터) 채원식 책임연구원(공동제1저자 및 공동교신저자), DGIST 이종수 교수(공동교신저자), 

DGIST 조신영 대학원생(공동제1저자)

 KBSI 대구센터 채원식 박사 연구팀은 은 나노막대 광결정을 이용하여 페로브스카이트 양자점 나노입자의 들뜸 상태에서 엑시톤, 엑시톤쌍, 트라이온 재결합 동역학을 정밀 규명하는 연구를 수행했고, DGIST 에너지공학과 이종수 교수 연구팀은 고효율의 페로브스카이트 나노입자를 개발했다.

 본 연구결과는 KBSI의 분석impossible 연구사업의 지원으로 수행됐으며, 물리화학 분야 세계적 학술지인 The Journal of Physical Chemistry Letters지 [논문명: Multiple-route exciton recombination dynamics and improved stability of perovskite quantum dots by plasmonic photonic crystal, IF=6.475, JCR 상위 8.11%, 채원식(공동제1저자 및 공동교신저자), DGIST 조신영(공동제1저자), DGIST 이종수(공동교신저자)에 6월 9일자 표지 논문으로 게재됐다.

 KBSI 채원식 박사는 “디스플레이 소재 내에서 일어나는 양자 현상을 정확하게 밝히고, 제어할 수 있는 기틀을 마련한 것으로, 향후 반도체 및 디스플레이 연구와 관련 응용산업 발전에 필요한 핵심 양자정보를 제공할 것으로 기대된다”며, “반도체 나노소재 내에서 생성되는 다양한 양자입자들의 실시간 거동 분석을 위한 후속 연구도 진행하고 있다”고 밝혔다.

 DGIST 이종수 교수는 “이번 연구는 차세대 디스플레이 기술인 페로브스카이트 양자점 광전소자의 광 생성 및 소멸 원리를 밝힌 것으로, 고안정성 페로브스카이트 소자 제작에 도움될 수 있는 후속 연구를 진행 중”이라고 말했다.

 KBSI는 연구자 수요기반의 과제 공모를 통해 분석impossible 연구사업을 추진하고 있으며, 과제 수행을 통해 분석한계를 뛰어넘는 고난도 분석기술 개발로 국가적 R&D 난제 극복에 필요한 기반기술 제공 등 도전적이고 창의적인 연구환경 조성 마련에 힘쓰고 있다.   <끝>