색 안정성을 높인 페로브스카이트 발광 소자

 

 지난달 3월 4일 네이처에 페로브스카이트 발광 소자에 대한 내용이 게재되었다. 연구진은 국내 부경대 물리학과 교수팀(이보람)이 참여한 국제 공동연구팀이다.

 

 페로브스카이트는 차세대 소자로서 유망한 소자임은 전 게시물들을 통해 얘기한 바가 있다. 이번 연구는 디스플레이 분야에 활용될 페로브스카이트 소자이다.

 

• 2021.04.20 - [과학과 공학 이야기/태양전지] - 태양광전지 원리와 페로브스카이트 구조
• 2020.10.31 - [과학과 공학 이야기/전기변색과 배터리] - 전기변색(Electrochromic) 5 번째 : WO₃ 삼산화텅스텐의 구조

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 페로브스카이트 발광체는 높은 색순도, 발광 효율, 색 조절 용이, 저렴한 소재 비용에 장점이 있다. 대체 소재를 찾으려는 연구는 당연한 것인데, 페로브스카이트 중 '금속 할라이드 페로브스카이트 발광체[천연광물인 칼슘티타늄옥사이드(CaTiO30)와 같은 결정 구조를 갖고 있음. 유기 무기 할로겐(AMX3)]'가 주목을 받고 있다.

 

 다만 페로브스카이트는 외부 환경에 쉽게 영향을 받아 안정성이 떨어진다. 특히 발광 소자로 사용될 때, 적색과 청색을 얻기 위해선 둘 이상의 할라이드를 혼합한다. 이때 외부 자극에 의해 쉽게 분리되고, 파장이 바뀌어 발광색이 변하게 된다. 즉, 색에 대한 안정성이 떨어진다.

 

 *금속 할라이드 페로브스카이트에는 '프렌켈 결함'이 존재하는데, 할라이드 이온들이 결정의 결함 자리를 통해 이동하고 이로 인해 둘 이상의 할라이드 이온은 분리가 되는 것으로 보인다.(Halide segregtaion)

 

 

 여기서 '프렌켈 결함'은 위 사진을 참고하면 된다. 음이온이 주황색이고, 양이온은 파란색 원형이다. 보통 양이온은 음이온보다 크기가 작아 쉽게 이동할 수 있다. 위 사진처럼 양이온이 원래 자리에서 빠져나가 다른 양이온 자리에서 쌍을 이루고 있는 것을 '프렌켈 결함'이라고 한다.

 

 반면 양이온과 음이온이 빠져나간 것을 '쇼트키 결함'이라고 한다. 두 경우 모두 구조는 불안정하나 전기적 중성도를 유지하게 된다.

 

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 이와 같은 결함을 보완하기 위해 연구팀은 우선 브롬(Br)과 요오드(I) 두 가지 할라이드(할로젠)를 이용해 적색 발광을 하는 나노 결정을 합성하였다. 실험 방법은 요약하면 아래와 같다.

 

1. 메틸암모늄(MA)과 브롬(Br), 납(Pb)과 요오드(I)를 아세토나이트릴에 넣는다. (MABr+Pbl2) 

 

2. 메틸아민 가스를 첨가한다.

 

3. 아세토나이트릴과 메틸아민이 첨가된 MAPb2Br을 전구체 안에 넣는다. Oleic acid and oleylamine in toluene, 60 ºC

 

4.  테트라아세트산(EDTA), 글루타티온(Glutathione)을 넣고 12h 교반

 

source : Nature Vol 591 4 March 2021

 

 

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 위 실험을 통해 보안할 수 있는 점은 테트라아세트산(EDTA), 글루타티온(Glutathione)이 리간드 처리가 되어, 페로브스카이트 내 프렌켈 결함과 강하게 결합하여 결함을 제거하거나, 표면에 결합하여 리간드로 작용하며 외부 자극에 대해 보호하게 된다.

source : Nature Vol 591 4 March 2021

 

source : Nature Vol 591 4 March 2021

 

 이렇게 만들어진 페로브스카이트 발광 소자는 외부 양자효율이 20.3%를 보이며 매우 우수한 성능을 보였다. *외부 양자효율이란 주입된 전하 입자 수에 대비해 사용할 수 있는 빛 입자수다. 수치가 높을수록 좋다.

 

source : Nature Vol 591 4 March 2021

 

 또한, 색 안정성도 높았는데, 위 그래프는 왼쪽은 일정한 전류를 시간에 따라 준 것이고, 오른쪽은 다른 전류를 가했을 때의 발광 파장 스펙트럼이다. 보이는 것처럼 리간드를 처리하지 않은 페로브스카이트 발광소자는 680nm 부근에서 새로운 파장이 생긴 반면, 리간드를 처리한 소자는 새로운 파장이 나타나질 않는다.

 

 이를 통해 색 안정성이 높다는 것을 확인할 수 있다. 대단한 성과이나, 납이 독성을 가졌기 때문에 이를 대체할 물질을 찾는 것, 혹은 이 독성을 어떻게 보완할 것인지에 대한 것은 여전한 숙제로 보인다.