▲ 페로브스카이트 양자점과 및 다차원 소재의 발광 원리

국내연구진이 차세대 디스플레이 소재로 활용될 수 있는 페로브스카이트 양자점의 상온 발광원리를 규명했다.

GIST(지스트, 총장 문승현) 고등광기술연구소(APRI, 소장 석희용) 이창열 박사 연구팀은 다차원 페로브스카이트 소재의 광학적 특성 비교를 통해 차세대 디스플레이 소재로 활용 가능한 페로브스카이트 양자점의 상온 발광원리를 규명했다고 지난 25일 밝혔다.

페브로스카이트는 실리콘태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지 소재로 떠오르고 있다. 고효율, 고색순도 발광이 가능하다는 장점을 기반으로 기존 반도체 소재를 대체할 차세대 디스플레이 소재로 새롭게 각광받고 있다.

하지만 태양전지에 사용되는 다결정 박막형태의 페로브스카이트는 상온에서 발광효율이 낮아 디스플레이 소재로의 적용에 걸림돌이 되고 있다.

이에 연구팀은 기존의 다결정 페로브스카이트 박막의 낮은 발광효율을 개선하고자 상온에서도 고효율의 발광효율을 갖는 수 나노미터 크기의 페로브스카이트 양자점을 개발하고, 온도에 따른 발광특성을 분석함으로써 상온 발광 원리를 규명했다.

일반적으로 반도체 소재는 전자와 정공이 결합하는 과정에서 빛 에너지를 방출하면서 빛이 난다. 반도체 소재 내에서 전자와 정공의 결합이 더 잘 이루어질수록 발광 효율이 증가하는 것이다.

페로브스카이트 양자점은 크기가 수 나노미터로 전자와 정공이 모두 수 나노미터 공간에 갇히게 되면 서로 결합할 확률이 증가하고, 이에 따라 소재의 발광 효율이 크게 향상돼 상온에서도 높은 발광 효율을 가질 수 있다.

연구팀은 페로브스카이트 양자점의 온도에 따른 발광 특성 변화를 다결정 박막 및 단결정과 비교 분석함으로써 전자와 정공의 결합 에너지를 정량적으로 산출했다.

전자와 정공의 결합에너지가 높은 페로브스카이트 양자점은 다결정 박막 및 단결정에 비해 높은 발광효율을 보였다. 하지만 페로브스카이트 양자점 또한 저온에 비해 고온에서 발광 효율이 감소하는데, 이는 전자 및 정공이 열에너지를 흡수해 양자점을 탈출하기 때문임을 연구과정에서 발견했다.

이창열 박사는 “높은 발광효율과 높은 색순도를 모두 갖는 페로브스카이트 양자점은 우수한 차세대 디스플레이 소재이며 페로브스카이트 양자점 내 전자와 정공의 결합에너지를 정량적으로 산출하고, 고온에서 발광 효율이 감소하는 이유를 밝혀낸 것이 이번 연구의 가장 큰 의의”라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자 지원사업 및 광주과학기술원의 재원인 GIST 개발과제(광과학기술 특성화연구)를 받아 수행됐으며, 7월5일 세계적인 물리화학분야 학술지인 Journal of Physical Chemistry Letters에 게재됐다.