▲ 차원제어 페로브스카이트의 형광 성질을 나타내는 스펙트럼 (a) 및 일시적인 흡수 스펙트럼 (b)으로부터 박막 내 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 페로브스카이트 결정군이 존재함을 증명함. .

국내 연구진이 저렴한 소재가격과 고 색순도를 가지지만 낮은 형광효율이란 한계가 있던 페로브스카이트 LED를 높은 형광효율을 가지게 하는 기술개발에 성공했다. 향후 전자·의료·통신기기등에서 다양한 활용이 기대된다

한국연구재단(이사장 정민근)은 18일 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 김동하 이화여대 교수·에드워드 사전트 캐나다 토론토대교수 공동연구팀이 페로브스카이트 신소재로 밝은 빛을 내는 LED 기술을 개발했다고 밝혔다.

기존의 3차원 구조 하이브리드 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하고 전하 운반능력이 뛰어나 전기적 성질이 우수한 반면 형광효율이 낮아 태양전지쪽의 연구는 활발하지만 LED에서는 한계점을 가지고 있었다.

이에 일반 LED와 OLED에 사용되는 소재보다 저렴하고 고 색순도를 가지는 페로브스카이트 LED를 활용하기위해 많은 연구가 진행중이다.

연구팀은 페로브스카이트의 형광효율을 높이기 위해 기존 3차원 구조의 AMX3 페로브스카이트에서 크기가 비교적 작은 양이온 A(methylammonium)와 함께 크기가 큰 양이온 A’ (phenylethylammonium)을 도입하고 화학 양적 제어를 통하여 차원을 제어하고 LED 소자에 적용하였다.

또한 차원 제어 페로브스카이트의 높은 형광효율을 나타내는 원인을 분석하기 위하여 일시적 흡광 측정 및 일시적 형광 측정을 통하여 메커니즘을 규명하였다.

이러한 차원 제어 공정 개발을 통해 엑시톤 결합에너지 제어, 박막 내 페로브스카이트 결정 사이에서의 에너지 전달을 효과적으로 제어함으로써 형광효율을 높였다.

연구결과, 빛의 밝음을 나타내는 척도인 광휘(radiance)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.”라고 연구의 의의를 설명했다.

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