침전법을 통해 합성된 페로브스카이트 양자점 용액에 광개시제와 광가교 리간드를 첨가해줌으로써 페로브스카이트 양자점 용액 및 박막의 안정성을 향상시켰다.

왼쪽부터 이한림 박사와 이창열 수석연구원
왼쪽부터 이한림 박사와 이창열 수석연구원

지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 고등광기술연구소(APRI, 소장 이영락)의 이창열 박사 연구팀은 광개시제 및 광가교 리간드 첨가를 통한 표면 결정 결함 생성 억제를 통해 대기 및 화학적 안정성이 크게 향상된 페로브스카이트 양자점 소재를 개발하는데 성공했다.

또한 잉크젯 프린팅 공정을 통해 1 마이크로미터(um)의 해상도를 가진 백색 전기발광소자를 구현했다.

페로브스카이트 양자점 소재는 높은 발광효율과 고색순도를 가져 유기발광다이오드(OLED)를 대체할 수 있는 차세대 디스플레이 소재로 최근 각광받고 있다.

그러나 페로브스카이트 양자점 소재는 이온결합 특성으로 인해 수분, 산소, 극성 용매 하에서 매우 쉽게 분해되어 발광효율 및 색순도를 장기간 유지하기 어렵다는 점과 고해상도 디스플레이 구현을 위한 포토리소그래피 반도체 공정의 적용이 어렵다는 단점을 가지고 있다.

연구팀은 침전법을 통해 합성된 페로브스카이트 양자점 용액에 광개시제와 광가교 리간드를 첨가해줌으로써 페로브스카이트 양자점 용액 및 박막의 안정성을 향상시켰다.

(왼쪽)  XPS 및 XRD 분석을 통한 광가교 리간드 시스템 도입 전, 후의 시간에 따른 페로브스카이트 양자점 소재의 구조 분해 연구. (오른쪽)  페로브스카이트 양자점 용액에서의 리간드 평형 상태 모식도.
(왼쪽) XPS 및 XRD 분석을 통한 광가교 리간드 시스템 도입 전, 후의 시간에 따른 페로브스카이트 양자점 소재의 구조 분해 연구. (오른쪽) 페로브스카이트 양자점 용액에서의 리간드 평형 상태 모식도.

첨가된 광개시제(Photo-initiator) 및 광가교(Photo-crosslinking) 리간드는 리간드 해리 및 결합 등의 리간드 평형 상태 조절을 통해 페로브스카이트 양자점 소재의 발광특성 및 구조적 안정성을 저하시키는 표면 결함 생성을 억제했다.

UV 노광을 이용한 페로브스카이트 양자점 표면에 결합된 리간드의 광가교 반응을 통해 소재의 결정도 및 박막상에서의 수분, 산소 등의 극성 분자에 대한 안정성을 크게 향상시켰을 뿐만 아니라 극성 용매에 대한 안정성 차이를 이용하여 20 마이크로미터(um)의 해상도를 가진 원형 패턴을 구현하였다.

(위쪽) 섀도우 및 포토 마스크를 이용한 광가교 반응을 통해 구현된 페로스카이트 양자점 박막의 패턴 형광 이미지. (아래쪽) 잉크젯 프린팅 및 스핀 코팅을 통해 구현된 페로브스카이트 양자점 전기발광소자의 휘도 및 EL 이미지.
(위쪽) 섀도우 및 포토 마스크를 이용한 광가교 반응을 통해 구현된 페로스카이트 양자점 박막의 패턴 형광 이미지. (아래쪽) 잉크젯 프린팅 및 스핀 코팅을 통해 구현된 페로브스카이트 양자점 전기발광소자의 휘도 및 EL 이미지.

또한 페로브스카이트 양자점 용액에서의 리간드의 유동학적 요소들의 조절을 통해 잉크젯 프린팅이 가능한 녹색 및 적색 페로브스카이트 양자점 잉크를 개발하고 이를 이용하여 1 마이크로미터(um)의 해상도를 가진 백색 전기발광소자를 구현했다.

특히, 광가교 리간드 처리법은 페로브스카이트 양자점 표면에서의 결함 생성 억제와 광가교를 통한 박막 균일성 및 대기 안정성을 향상시킴으로 장시간 높은 발광효율과 색순도를 유지하는 페로브스카이트 양자점 박막을 제작할 수 있다는 장점이 있다.

지스트 이창열 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 전진을 이루었다”고 연구 성과의 의미를 설명했다.

한편, 이창열 박사(교신저자)와 이한림 박사(제1저자)가 수행한 이번 연구는 재료분야 저명 학술지인 어드밴스드 머티리얼(Advanced materials)에 지난달 3일 '광가교 리간드 시스템의 동역학 조절을 통한 화학적으로 안정한 유기 페로브스카이트 양자점 개발 및 고해상도 전기발광소자 구현(Design of Chemically Stable Organic Perovskite Quantum Dots for Micropatterned Light-Emitting Diodes through Kinetic Control of a Cross-Linkable Ligand System-보기)'이란 제목으로 게재됐다.

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