이태우 서울대교수, 기존 페로브스카이트 LED 짧은 수명 원인 규명
서울대학교 공과대학(학장 차국헌)은 이태우 재료공학부 교수팀이 3D-2D 하이브리드 페로브스카이트 소재를 발광체로 적용한 LED를 개발했다고 7일 밝혔다.
LED는 현재 상용화돼있는 OLED를 이을 기술로 주목받고있다. 그 중 페로브스카이트는 기존 발광 소재들에 비해 저렴한 가격으로 생산 가능하고 높은 색순도를 가져 실제 사물과 가장 유사한 천연색 이미지 구현이 가능해 가장 유망한 발광 소재 중 하나로 꼽힌다. 하지만 3차원 페로브스카이트 LED는 수명이 짧은 것이 단점이다.
이 교수팀은 3차원 페로브스카이트 LED가 짧은 수명을 가지는 원인으로 페로브스카이트 격자 내 A 자리에 위치하는 유기 분자(메틸암모늄)의 높은 회전 자유도를 주목했다. 연구결과 회전 자유도가 발광체 내의 결함 형성 및 이온 결함 이동(이온 마이그레이션)을 가속하기 때문에 페로브스카이트 LED의 수명을 단축시키는 요소라는 것을 알아냈다.
이 문제를 극복하기 위해 이 교수팀은 3차원 페로브스카이트 전구체에 중성 분자(벤질아민)를 첨가함으로써 유기 분자 간 수소이온 (H+) 교환을 유도해 3차원 및 2차원 페로브스카이트가 공존하는 3D-2D 하이브리드 페로브스카이트 발광체를 개발해냈다.
연구 결과 3D-2D 하이브리드 페로브스카이트 격자 내 A 자리에 새로 도입된 유기 분자(벤질암모늄)는 기존 유기 분자(메틸암모늄)에 비해 훨씬 낮은 회전 자유도를 가져 결함 형성을 억제하여 결함 밀도를 감소시킬 수 있었다. 또 이온 마이그레이션 현상을 효과적으로 억제할 수 있었다.
또 교수팀은 페로브스카이트 LED 수명에 치명적인 ‘작동 중 발광 오버슈팅’ 현상을 이온 마이그레이션 현상과 관련 짓고 이를 정량화했다. 그 결과 기존 30분 수명을 유지했던 3차원 페로브스카이트 LED에 비해 획기적으로 개선된 13시간 작동 가능한 LED 소자를 보고했다.
이태우 교수는 "이 연구가 페로브스카이트 광전자 소자 수명 증가에 가이드라인이 될 뿐만 아니라 더 나아가 페로브스카이트 LED를 차세대 디스플레이로써 상용화에 한 발짝 더 다가갈 수 있도록 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.
연구 성과는 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 7월 6일 자로 온라인 게재됐다.
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