최고 발광 효율의 페로브스카이트 LED 공개

차원 제어 페로브스카이트의 단위 격자구조와 형광 성질 분석 (a)페로브스카이트 차원 제어의 모식도 (b)각각 다른 차원 제어 페로브스카이트를 활용한 엘이디 소자 구조의 모식도 (c)차원 제어 페로브스카이트의 형광 효율 경향 그라프에서 이 3 혹은 5에 가까울 때 형광 효율이 가장 높음 (d)조사광의 세기에 따른 차원 제어 페로브스카이트 형광 효율 변화도 그라프에서 조사광의 세기가 커짐에 따라 형광 효율도 현저히 커짐 (사진. 한국연구재단)

한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 김동하 교수(이화여대)·에드워드 사전트 교수(캐나다 토론토대) 공동연구팀이 페로브스카이트(천연광물인 칼슘티타늄옥사이드(CaTiO3)와 같은 결정 구조를 갖고 있는 유기-무기-할로겐(AMX3) 유형의 화합물) 신소재로 밝은 빛을 내는 LED 기술을 개발했다고 밝혔다.

기존의 3차원 구조 하이브리드 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하고 전하 운반능력이 뛰어나 전기적 성질이 우수한 반면 형광효율이 낮다. 이러한 특징으로 인하여 최근 페로브스카이트 태양전지에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있는 반면 LED 응용에 관련된 연구결과 들은 많이 보고가 되지 않았다. 하지만 페로브스카이트 LED는 일반 LED와 OLED에 사용되는 소재보다 저렴하고, 높은 색순도를 가지고 있어 많은 연구가 진행 중이다.

연구팀은 형광 효율이 낮은 페로브스카이트 단점을 차원 제어 공정 개발을 통해 엑시톤(절연체나 반도체에 있어서 전도대에 여기(勵起)된 전자와 가전자대에 남아 있는 정공이 쿨롱 인력으로 결합하여 1쌍이 되어 있는 중성의 준입자(準粒子)를 형성한 것) 결합에너지 제어, 박막 내 페로브스카이트 결정 사이에서의 에너지 전달을 효과적으로 제어함으로써 형광효율을 높였다. 

연구결과, 빛의 밝음을 나타내는 척도인 광휘(특정한 면적을 복사하고 있는 광원의 강도를 측정할 때 광원의 미소 면에서 관측방향의 미소 입체각 내에 복사되는 강도의 그 면과 그 방향에 대한 정사영 면적당의 양)는 80Wsr(스테라디안)-1m-2에 달하고, 전기에너지를 빛에너지로 바꾸는 소자의 발광 효율은 8.8%로 나타났다. 연구팀은 이 밝기는 현재까지 전 세계적으로 보고된 페로브스카이트 기반 LED 중에서 가장 우수하며, 자외선에서 가시광선 영역 대에서의 파랑, 초록 등 다양한 색상의 빛을 내는 LED도 개발할 수 있는 가능성을 열었다고 설명했다.

김동하 교수는 “이 연구성과는 페로브스카이트를 제어하여 LED에 적용한 최초의 연구를 보고한 것으로 향후 전자, 의료, 통신기기 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 국제적 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 6월 27일자에 게재되었다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 최고 발광 효율의 페로브스카이트 LED 공개