광주과학기술원(지스트‧GIST) 고등광기술연구소(APRI)의 이창열 박사 연구팀이 광개시제 및 광가교 리간드 첨가를 통한 표면 결정 결함 생성 억제를 통해 대기와 화학적 안정성이 크게 향상된 페로브스카이트 양자점 소재를 개발하는 데 성공했다. 또 잉크젯 프린팅 공정을 통해 1마이크로미터(um)의 해상도를 가진 백색 전기발광소자를 구현해냈다.
○ 광개시제(Photo-initiator) : UV 또는 가시광선 하에 라디칼을 형성해 광가교 물질(고분자 또는 리간드)의 가교 반응이 효율적으로 일어날 수 있도록 도와주는 물질.
○ 광가교(Photo-crosslinking) : 빛을 받으면 단단하게 굳는 화학 반응. 광가교 반응이 일어난 물질의 경우 수분, 산소, 빛 에너지 등에 대한 높은 안정성을 나타냄.
○ 리간드 : 다양한 탄소 길이를 갖는 계면활성제. 양자점의 표면에 부착돼 양자점이 용액 내에서 안정적으로 분산될 수 있도록 함.
페로브스카이트 양자점 소재는 높은 발광효율과 고색순도를 가져 유기발광다이오드(OLED)를 대체할 수 있는 차세대 디스플레이 소재로 최근 각광받고 있다. 페로브스카이트는 특정 물질을 지칭하는 명칭이라기보다는 크기가 다른 원소 2개의 양이온과 이들에 결합한 음이온으로 구성된 입방 구조의 결정을 갖는 물질을 말한다.
그러나 페로브스카이트 양자점 소재는 이온결합 특성으로 인해 수분‧산소‧극성 용매 하에서 매우 쉽게 분해돼 발광효율과 색순도를 장기간 유지하기 어렵다는 단점을 가진다. 또 고해상도 디스플레이 구현을 위한 포토리소그래피 반도체 공정의 적용이 어렵다는 단점을 가진다.
연구팀은 침전법을 통해 합성된 페로브스카이트 양자점 용액에 광개시제와 광가교 리간드를 첨가해줌으로써 페로브스카이트 양자점 용액과 박막의 안정성을 향상시켰다. 첨가된 광개시제 및 광가교 리간드는 리간드 해리‧결합 등의 리간드 평형 상태 조절을 통해 페로브스카이트 양자점 소재의 발광특성과 구조적 안정성을 저하시키는 표면 결함 생성을 억제했다.
리간드 평형은 리간드가 양자점 표면과 용액 사이에서 결합과 해리를 반복하는 현상을 뜻한다. 이때 서로 다른 두 방향으로 진행하는 변화의 속도가 같기 때문에 겉보기에는 변화가 일어나고 있지 않은 것처럼 보이는 상태다.
연구팀은 UV 노광을 이용한 페로브스카이트 양자점 표면에 결합된 리간드의 광가교 반응을 통해 소재의 결정도와 박막상에서의 수분‧산소 등의 극성 분자에 대한 안정성을 크게 향상시켰다. 더불어 극성 용매에 대한 안정성 차이를 이용해 20 마이크로미터(um)의 해상도를 가진 원형 패턴을 구현했다.
또 페로브스카이트 양자점 용액에서의 리간드의 유동학적 요소들의 조절을 통해 잉크젯 프린팅이 가능한 녹색‧적색 페로브스카이트 양자점 잉크를 개발하고 이를 이용해 1마이크로미터(um)의 해상도를 가진 백색 전기발광소자를 구현하는 데 성공했다.
광가교 리간드 처리법은 페로브스카이트 양자점 표면에서의 결함 생성 억제와 광가교를 통한 박막 균일성‧대기 안정성을 향상시킴으로 장시간 높은 발광효율과 색순도를 유지하는 페로브스카이트 양자점 박막을 제작할 수 있다는 장점이 있다.
이창열 지스트 박사(교신저자)의 주도 하에 이한림 지스트 박사(제1저자)가 이번 연구를 수행했다. 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 지스트 개발과제 지원을 통해 이뤄졌으며, 지난달 3일 재료분야 저명 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)’에 온라인 게재됐다.
이창열 지스트 박사는 “새롭게 개발된 광가교 리간드 시스템 도입을 통한 장기 안정성이 확보된 고효율 페로브스카이트 양자점 소재 개발과 잉크젯 프린팅을 이용한 1 마이크로미터(um) 해상도의 전자발광소자 구현은 향후 페로브스카이트 양자점 소재의 차세대 디스플레이 상용화를 위한 중요한 진전을 이루었다”고 연구 성과의 의미를 설명했다.
AI타임스 윤영주 기자 yyj0511@aitimes.com
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