[한국에너지신문] 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업 개인연구 지원을 받은 김동하 이화여대 교수와 에드워드 사전트 캐나다 토론토대 교수 공동연구팀이 페로브스카이트 신소재로 밝은 빛을 내는 LED 기술을 개발했다고 밝혔다.
페로브스카이트 (Perovskite)는 천연광물인 칼슘티타늄옥사이드(CaTiO3)와 같은 결정 구조를 갖고 있는 유기-무기-할로겐(AMX3) 유형의 화합물이다. 기존의 3차원 구조 하이브리드 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하고 전하 운반능력이 뛰어나 전기적 성질이 우수한 반면 형광효율이 낮다.
이 때문에 최근 페로브스카이트 태양전지에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있는 반면 LED 응용에 관련된 연구결과는 보고 건수가 적다. 하지만 페로브스카이트 LED는 일반 LED 와 OLED에 사용되는 소재보다 저렴하고, 높은 색순도를 가지고 있어 많은 연구가 진행 중이다.
하이브리드 페로브스카이트는 유기-무기-할로겐화합물로 구성된 것으로 기존에 알려진 페로브스카이트는 무기화합물로만 구성돼 있다. 형광효율은 발광에 있어서 흡수된 자극 에너지가 유효한 발광이 되는 비율을 나타내는 양으로 흡수된 자극광의 양자수를 발광 양자수로 나눈 것이다.
연구팀은 형광 효율이 낮은 페로브스카이트 단점을 차원 제어 공정개발을 통해 엑시톤 결합에너지 제어, 박막 내 페로브스카이트 결정 사이에서의 에너지 전달을 효과적으로 제어함으로써 형광효율을 높였다.
태양전지에 사용해왔던 페로브스카이트 소재의 단위격자는 3차원 구조다. 3차원 구조를 유지하기 위해 단위격자에 포함된 메틸암모니움 양이온을 크기가 비교적 큰 페닐에틸암모니움 양이온으로 대체하면서 페로브스카이트 단위격자가 3차원으로 유지하기 힘들고 2차원적인 층상구조로 결합이 이루어진다. 이를 화학양론적으로 조절해 층상구조의 구체적인 층수를 제어 함으로써 차원 제어 페로브스카이트를 제조한다.
엑시톤은 절연체나 반도체에 있어서 전도대(conduction band)에 여기(勵起)된 전자(電子)와 가전자대 (valence band)에 남아 있는 정공이 쿨롱 인력으로 결합해 1쌍이 되어 있는 중성의 준입자(準粒子)를 형성한 것을 말한다.
연구 결과, 빛의 밝음을 나타내는 척도인 광휘(radiance)는 80Wsr(스테라디안)-1m-2에 달하고, 전기에너지를 빛에너지로 바꾸는 소자의 발광 효율은 8.8%로 나타났다. 연구팀은 이 밝기는 현재까지 전 세계적으로 보고된 페로브스카이트 기반 LED 중에서 가장 우수하며, 자외선에서 가시광선 영역 대에서의 파랑, 초록 등 다양한 색상의 빛을 내는 LED도 개발할 수 있는 가능성을 열었다고 설명했다.
광휘는 특정한 면적을 복사하고 있는 광원의 강도를 측정할 때 광원의 미소 면에서 관측방향의 미소 입체각 내에 복사되는 강도의 그 면과 그 방향에 대한 정사영 면적당 양이다.
김동하 교수는 “이 연구성과는 페로브스카이트를 제어해 LED에 적용한 최초의 연구를 보고한 것으로 향후 전자, 의료, 통신기기 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.
연구성과는 국제적 학술지 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology) 6월 27일자에 게재됐다.
