[정보통신신문=박남수기자]

지스트(광주과학기술원) 고등광기술연구소(APRI)의 이창열 수석연구원 연구팀은 페로브스카이트 양자점의 성장 메커니즘 규명을 통해 결정 성장 속도를 제어함으로써 매우 얇은 두께의 쉘(shell)을 가진 코어-쉘 페로스브카이트 양자점을 개발하는데 성공했다.

페로브스카이트는 특정 물질을 지칭하는 명칭이라기보다는 크기가 다른 원소 2개의 양이온과 이들에 결합한 음이온으로 구성된 입방 구조의 결정을 갖는 물질이다.

코어(core)-쉘(shell) 페로브스카이트 양자점은 페로브스카이트 양자점의 낮은 대기 및 화학적 안정성을 향상시키기 위해 수분, 산소 및 극성 용매 등에 대해 높은 안정성을 가지는 무기물로 페로브스카이트 양자점을 둘러싼 구조이다.

매우 얇은 두께의( < 2 nm) 실리카(SiO2)를 쉘로 코팅한 페로브스카이트 양자점은 매우 높은 발광효율과 극성 용매 하에서도 광학적 특성의 급격한 손실이 없는 우수한 화학적 안정성을 나타내었다.

페로브스카이트 양자점 소재는 높은 발광효율, 고색순도 및 용액 공정으로 인한 낮은 가격 등의 장점으로 유기발광다이오드(OLED)를 대체할 수 있는 차세대 디스플레이 발광소재로 최근 주목받고 있다.

그러나 이온결합 특성으로 인해 수분, 산소 및 극성 용매 하에서 매우 쉽게 분해되어 발광효율 및 색순도를 장기간 유지하기 어렵다는 단점이 있다.

금속 산화물(metal oxide) 또는 무기물을 쉘로 도입한 코어-쉘 페로브스카이트 양자점의 경우, 높은 화학적 안정성을 나타내었으나 절연체 특성을 가지는 쉘의 두께 제어의 어려움으로 인한 낮은 전하 주입 효율은 소재의 최적화 및 디스플레이로의 개발에 큰 걸림돌로 작용하고 있다.

본 연구팀은 표면 리간드의 결합 에너지(binding energy) 조절을 통한 페로브스카이트 양자점의 결정 및 실리카 쉘의 성장 속도 제어를 통해 고안정성의 코어-셀 페로브스카이트 양자점을 합성하는데 성공했다.

코어-쉘 페로브스카이트 양자점 합성을 위해 사용되는 세 종류의 리간드 첨가량 조절을 통해 리간드와 양자점간의 결합 에너지를 제어함으로써 양자점의 결정성을 향상시켰으며 매우 얇은 두께의 실리카 셀을 형성했다.

리간드는 다양한 탄소길이를 갖는 계면활성제로 양자점의 표면에 부착되어 양자점이 용액 내에서 안정적으로 분산될 수 있도록 한다.

연구팀이 개발한 코어-쉘 페로브스카이트 양자점은 높은 화학적 안정성으로 인해 페로브스카이트 양자점 전기발광 소자의 박막 제작 전 공정이 용액 공정으로 구현 가능하였다. 또한 절연체 특성의 실리카 셀의 두께가 매우 얇음( < 2 nm)으로 인해 전하 이동 특성의 저하가 크지 않아 고효율의 전기발광소자 구현이 가능했다.

이창열 지스트 수석연구원은 “매우 얇은 두께의 실리카 쉘을 가진 고효율, 고안정성의 코어-셀 페로브스카이트 양자점 잉크를 개발함으로써 용액 공정만으로 페로브스카이트 양자점 전기발광소자를 구현 가능하다는 것을 확인하였다”면서 “향후 페로브스카이트 양자점 소재의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

지스트 이창열 박사(교신저자)가 주도하고 Cuc Kim Trinh 박사(제1저자)와 이한림 박사(제1저자)가 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자 지원 사업, 학문후속세대 및 지스트 개발과제를 통해 수행되었으며, 2021년 6월 30일 재료분야 저명 학술지인 ACS Applied Materials and Interfaces에 속표지(supplementary cover) 논문으로 선정됐다.

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