[더테크 뉴스] 페로브스카이트 나노입자의 발광 원리를 정밀하게 규명해 구조적 안정성을 높일 수 있는 제어 기술이 개발됐다. 향후 페로브스카이트 발광소자의 차세대 디스플레이 상용화 기술 개발에 중요한 진전이 있을 것으로 기대된다. 

한국기초과학지원연구원(이하 KBSI)은 대구센터 채원식 박사 연구팀과 대구경북과학기술원(이하 DGIST) 에너지공학과 이종수 교수 연구팀이 공동으로 페로브스카이트 광소재 내 양자입자의 상태변화를 실시간 분석해 발광 효율을 저해하는 요인을 제거함으로써, 발광의 안정성을 크게 높인 성과를 얻었다고 21일 밝혔다.

페로브스카이트 광소재는 높은 발광효율과 고색순도를 지녀, 유기발광다이오드(OLED)를 대체할 차세대 디스플레이 소재로 각광받고 있다. 다만, 페로브스카이트는 표면과 내부가 열이나 빛에 노출됐을 때 이온 결합들이 불안정한 거동을 일으켜, 디스플레이 성능을 저하시키고 발광 시간을 짧게 한다. 이같은 발광효율 저하의 요인은 차세대 디스플레이 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

일반적으로 발광 현상은 나노광소재를 빛으로 들뜨게 했을 때 생성되는 전자-정공(엑시톤) 재결합 또는 엑시톤쌍의 결합 에너지를 통해 일어나는 것으로 알려져 있다. 그러나 이번 연구로 새로 알게된 사실은 엑시톤, 엑시톤쌍 재결합에 의한 발광경로 외에 트라이온 결합이라는 또다른 발광경로가 존재한다는 것이다.  

KBSI 대구센터의 시분해 형광 공초점 현미경(FLIM) 장비로 단일 나노입자 내부를 시간과 공간을 동시 분할해 양자입자의 상태변화를 실시간 분석한 결과, 엑시톤에 음전하를 띠는 전자 또는 양전하를 띠는 정공이 추가적으로 결합한 트라이온 양자입자의 존재여부를 확인할 수 있었다. 또 이렇게 생성된 음전하 또는 양전하 트라이온 입자들의 불규칙한 움직임이 발광의 안정성을 낮추는 주요 원인임을 찾을 수 있었다.

특히 발광 효율 저하의 주요 요인이 되는 트라이온 재결합을 차단하기 위해 은(Ag) 나노막대 광결정 기판을 적용해서 결합 경로를 효과적으로 제어하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 광결정은 신호전달용 광섬유 케이블에도 적용되는 구조 결정체로, 은 나노막대 광결정을 통해 트라이온 재결합은 제거되는 반면, 고효율 발광에 유익한 엑시톤 재결합 경로가 확대됨으로써, 발광의 안정성을 한층 높일 수 있었다. 

향후 페로브스카이트 소재 외에도 반도체 나노소재 내에서 발생하는 엑시톤 입자 및 다양한 양자입자의 새로운 발광 경로를 밝히는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

KBSI 대구센터 채원식 박사 연구팀은 은 나노막대 광결정을 이용해 페로브스카이트 양자점 나노입자의 들뜸 상태에서 엑시톤, 엑시톤쌍, 트라이온 재결합 동역학을 정밀 규명하는 연구를 수행했고, DGIST 에너지공학과 이종수 교수 연구팀은 고효율의 페로브스카이트 나노입자를 개발했다.

본 연구결과는 KBSI의 분석impossible 연구사업의 지원으로 수행됐으며, 물리화학 분야 세계적 학술지인 The Journal of Physical Chemistry Letters지에 6월 9일자 표지 논문으로 게재됐다.

KBSI 채원식 박사는 “디스플레이 소재 내에서 일어나는 양자 현상을 정확하게 밝히고, 제어할 수 있는 기틀을 마련한 것으로, 향후 반도체 및 디스플레이 연구와 관련 응용산업 발전에 필요한 핵심 양자정보를 제공할 것으로 기대된다”며 “반도체 나노소재 내에서 생성되는 다양한 양자입자들의 실시간 거동 분석을 위한 후속 연구도 진행하고 있다”라고 밝혔다.

DGIST 이종수 교수는 “이번 연구는 차세대 디스플레이 기술인 페로브스카이트 양자점 광전소자의 광 생성 및 소멸 원리를 밝힌 것으로, 고안정성 페로브스카이트 소자 제작에 도움될 수 있는 후속 연구를 진행 중”이라고 말했다.