[스마트경제=복현명 기자] 김태근 고려대학교 전기전자공학부 교수 연구팀이 친환경 이중 페로브스카이트 기반 LED의 효율을 개선할 수 있는 새로운 접근 방법을 제시했다.
연구팀은 무연 이중 페로브스카이트 결정화 시 생기는 결함 형성을 억제해 안정된 구조의 무연 이중 페로브스카이트 박막을 제작하고 이를 통해 세계 최고 수준의 외부 양자효율을 갖는 청색 LED를 구현했다.
이번 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 에너지 분야 저명한 국제학술지 ‘ACS Energy Letters(IF: 22.0/JCR 상위 3.6%)에 1월 18일 공개됐으며 최신호 부표지논문(Supplementary Cover)으로 선정됐다.
페로브스카이트 재료는 우수한 광전 특성과 저비용 공정의 장점으로 지난 10년 동안 태양전지 및 디스플레이 분야에서 주목을 받고 있다.
그러나 대부분의 페로브스카이트는 납-할로겐화물 기반의 물질로 구성돼 납의 독성으로 인해 상업화가 제한되고 있다.
이에 수명과 안정성이 우수한 Cs2AgBiCl6와 같은 세슘(Cs) 기반의 환경 친화적인 무연 이중 페로브스카이트가 대체물질로 주목받고 있으나 해당 물질에 대한 물성 연구와 이해도가 부족해 광전소자 적용 시 효율 저하나 동작 전압 상승 등의 문제가 존재한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구그룹들은 무연 이중 페로브스카이트(A2B(I)B(III)X6)의 화학적 조성 변형과 도핑 등의 방법을 통해 소자의 효율을 높이고자 노력해왔다.
특히 해당 물질의 B-위치 금속에 다른 물질을 도핑하여 광전특성을 개선하는 연구 등이 보고되고 있다.
하지만 효율을 개선하기 위한 수많은 노력에도 불구하고 아직까지 무연 이중 페로브스카이트 LED의 외부 양자효율은 0.5% 정도에 머물러 있다.
김태근 고려대 교수팀은 이러한 접근 방법 대신 무연 이중 페로브스카이트의 결정과 결정화 시에 형성되는 결함의 상관관계에 주목했다.
그 결과 연구팀은 이론적 계산, 분석을 통해 무연 이중 페로브스카이트(A2B(I)B(III)X6)의 B-위치 금속의 결함이 LED의 발광 효율을 감소시키는 주요 원인(deep-level defects)임을 발견했다.
특히 발레르 산(Valeric Acid)을 이중 페로브스카이트 물질의 결정화에 추가해 B-위치 금속으로 인한 깊은 결함을 줄이고 궁극적으로 결정 구조가 보존된 이중 페로브스카이트 박막을 형성할 수 있었다.
연구팀은 이와 같은 결정화 방법을 활용해 형성된 무연 이중 페로브스카이트 결정을 기반으로 청색 LED를 제작했고 세계 최고 수준의 외부 양자효율 (1.8%)와 높은 휘도 (280 Cd/m2)를 데모하는데 성공했다.
이번 연구 결과는 무연 이중 페로브스카이트의 결정화와 결함 형성에 대한 새로운 정보와 통찰력을 제공한다.
또한 무연 이중 페로브스카이트 기반의 광전소자의 특성을 개선할 수 있는 기술적 돌파구를 제시함으로써 미래 친환경 페로브스카이트 기반의 디스플레이를 구현하는데 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원으로 수행됐다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
