페로브스카이트 짧은 수명 원인 규명해 획기적으로 개선
유기 분자의 높은 회전 자유도 조정

이태우 서울대학교 공과대학 재료공학부 교수 연구팀이 차세대 디스플레이 소재로 각광받는 발광 다이오드(LED)를 개발했다.

연구팀은 신제품이 3D-2D 하이브리드 페로브스카이트 소재를 발광체로 적용했으며 기존 30분에 불과했던 페로브스카이트의 수명을 13시간 이상 유지되도록 연장시켰다고 7일 밝혔다.

최근 업계에서 상용화된 유기 발광 다이오드(OLED)를 잇는 차세대 발광 다이오드(LED)에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되며 페로브스카이트는 가장 유망한 발광 소재 중 하나로 손 꼽히고 있다.

페로브스카이트 소재는 기존 발광 소재들에 비해 저가에 생산이 가능하며 높은 색순도를 가지고 있어 실제 사물과 가장 유사한 천연색의 이미지 구현이 가능하다는 장점이 있다.

페로브스카이트 LED는 관련 연구의 첫 발표 후 지난 5년 동안 인광 OLED 및 양자점 발광 다이오드(QDLED) 수준의 효율을 보였다.

그러나 3차원 페로브스카이트 LED의 짧은 수명은 향후 상용화를 위해 반드시 극복돼야 하는 문제점으로 지적됐으나 최근까지 명확한 원인과 해결 방안이 제시되지 못하고 있었다.

페로브스카이트는 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 적합하다고 평가된다.

이 교수팀은 3차원 페로브스카이트 LED가 짧은 수명을 가지는 원인으로 페로브스카이트 격자 내 위치하는 유기 분자(메틸암모늄)의 높은 회전 자유도를 지적했다.

또 이는 발광체 내의 결함 형성 및 이온 결함 이동(이온 마이그레이션)을 가속하기 때문에 페로브스카이트 LED의 수명을 단축시키는 요소라고 밝혔다.

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 개발했다.

3D-2D 하이브리드 페로브스카이트 격자 내 자리에 새로 도입된 유기 분자(벤질암모늄)는 기존 유기 분자(메틸암모늄)에 비해 훨씬 낮은 회전 자유도를 가지기 때문에 결함 형성을 억제해 결함 밀도를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 이온 마이그레이션 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.

또 이 교수팀은 페로브스카이트 LED 수명에 치명적인 ‘작동 중 발광 오버슈팅’ 현상을 이온 마이그레이션 현상과 관련 짓고 이를 정량화함으로써 페로브스카이트 LED의 수명을 평가하는 새로운 척도를 제시했다.

이 교수는 “페로브스카이트 발광체의 차원 조절을 통해 페로브스카이트 LED의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있는 방안을 제시했다”며 “이 연구가 페로브스카이트 광전자 소자 수명 증가에 가이드라인이 될 뿐만 아니라 페로브스카이트 LED를 차세대 디스플레이로써 상용화에 한 발짝 더 다가갈 수 있도록 기여할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.