서울대 재료공학부 이태우 교수팀케임브리지대 Samuel Stranks 교수 공동연구팀, 열역학적 결정화 제어 기반 증착형 페로브스카이트 발광 다이오드에서 세계 최고 효율 달성으로 Nature Nanotechnology 지 논문 게재
이태우 교수 연구팀(제1저자: 박찬율 박사과정)과 케임브리지대학교 Samuel Stranks 교수 공동연구팀이 할로겐 자리 치환형 유기 스페이서(BPA)를 활용한 열역학적 결정화 제어 전략으로 고순도 X형 준-2D 페로브스카이트 박막을 진공 증착 공정으로 구현하고, 이를 기반으로 세계 최고 효율의 증착형 페로브스카이트 발광 다이오드(PeLED)를 개발하였다.
높은 색순도를 갖는 페로브스카이트 발광재료는 진공 증착이 가능한 재료로 기존 산업에서의 OLED 장비를 그대로 이용할 수 있다. 하지만, 기존 증착형 페로브스카이트는 전구체 간 빠른 표면 반응으로 인해 혼합 상 분포와 불균일한 나노구조가 형성되어 발광 효율이 크게 제한되는 근본적인 난제가 있었다. 연구팀은 BPA 스페이서가 Pb²⁺와 공유결합을 형성하여 활성화 에너지를 높임으로써 열역학적으로 선택적인 medium-n 준-2D 상만을 안정적으로 결정화할 수 있음을 규명하였다. 또한 BPA와 LiF가 자기조립된 헤테로 스캐폴드가 나노스케일 성장 주형으로 작용하여 공간적으로 균일한 결정화를 유도하고 상 분리를 억제하였다.
그 결과 광발광 양자 효율 85% 이상, EL 선폭 78.5 meV의 초협폭 발광과 PeLED의 외부 양자 효율(EQE) 21.9%을 동시에 실현함으로써 증착형 PeLED 분야 세계 최고 효율을 달성하여 Nature Nanotechnology 지에 게재되었다.
▲ (좌측부터) 서울대학교 이태우 교수, 박찬율 석박과정생, 김주성 박사
▲ (좌측부터) 진공 증착 페로브스카이트의 원리 및 신규 X-타입 준 2차원 발광체 구조, 가로 세로 7cm 대면적 패턴 및 어레이 페로브스카이트 발광소자 image.