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천연색 구현 가능한 차세대 페로브스카이트 LED 원천기술 개발

임상혁 교수팀, 20nm 이하 발광선폭 갖는 고순도 적,녹,청색 양자점 개발

Cell Report Physical Science 커버 논문으로 게재돼

▲ 왼쪽부터 허진혁 연구교수(고려대, 제1저자), 박진경 박사과정생(고려대, 제1저자), 임상혁 교수(고려대, 교신저자)

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  공과대학 화공생명공학과 임상혁 교수 연구팀은 20nm 이하의 선폭을 갖는 고순도 적색, 녹색, 청색 페로브스카이트 양자점 합성 기술을 세계 최초로 개발하여 천연색 구현이 가능한 차세대 페로브스카이트 LED를 구현했다. 이번 연구는 세계적인 국제학술지 Cell 자매지인 'Cell Report Physical Science' 9월 2일자(*현지시간 기준) 커버 논문으로 게재됐다.

*논문 제목 : Full color spectrum coverage by high colour-purity perovskite nanocrystal light emitting diodes

*저자정보 : 허진혁 연구교수(고려대, 제1저자), 박진경 박사과정생(고려대, 제1저자), 임상혁 교수(고려대, 교신저자)

  스마트폰 및 TV에 사용되고 있는 FPD(Flat Panel Display)는 LCD(Liquid Crystal Display)에서 OLED(Organic Light Emitting Display) 및 QLED(Quantum dot LED)로 진화하고 있다. 그러나, 이들의 발광선폭은 30nm 이상으로 눈으로 보는 컬러 이미지를 정확히 디스플레이에서 구현하지 못하는 단점이 있어, 천연색을 그대로 구현하기 위해서는 발광선폭이 좁은 새로운 발광체의 개발이 반드시 필요했다.

*페로브스카이트 : 러시아 과학자인 '페로브스키'가 발견한 광물의 결정구조

 AMX3 (A=1가 양이온, M=pb, Sn, X = 할로겐) 구조의 금속 할라이드 결정

*LCD : 액정 디스플레이, OLED : 유기 발광 디스플레이, QLED : 양자점 발광 디스플레이

  현재 차세대 고효율, 저가격 태양전지로 전 세계적으로 각광을 받고 있는 페로브스카이트는 양자점과 같이 나노 결정화될 경우, 매우 강한 빛을 내는 것으로 알려져 있다. 기존 칼코겐 화합물 기반의 반도체 양자점과 달리 페로브스카이트는 이온결정으로 구성되어 있어 결함 생성이 적어 양자효율이 매우 높고, 양자우물 구조의 결정 구조를 가져 발광 선폭이 매우 좁은 특징이 있어 차세대 발광체로 많은 연구가 진행되고 있다.

  이러한 페로브스카이트 나노결정(양자점) 발광체는 고온 용액공정을 통해서 만들어지며, 색상의 조절은 할로겐족 음이온의 치환반응을 통해 구현되어 왔으나, 불균일한 치환반응으로 인해 발광 스펙트럼의 선폭이 넓어져 색순도가 떨어지는 단점이 있었다.

  임상혁 교수팀은 반응 후 불순물을 남기지 않는 할로겐산을 도입하여 상대적으로 낮은 반응온도에서 균일한 할로겐족 음이온 치환반응이 일어날 수 있는 신규 합성법을 개발해, 이를 통해 불순물이 없는 고순도의 균일 조성을 가지는 페로브스카이트 나노결정 발광체를 개발했다.

  개발된 페로브스카이트 나노결정 발광체는 가시광선 영역 전체에서 20nm 이하의 발광스펙트럼 선폭을 가져 천연색 구현이 가능한 고색순도 페로브스카이트 LED를 구현할 수  있었다.

  임상혁 고려대 교수는 "페로브스카이트 나노결정 발광체가 현재 사용 중인 디스플레이의 칼라필터를 대체할 수 있는 형광체 및 자체발광을 하는 LED 등에 사용되어 천연색을 구현할 수 있는 고색순도의 디스플레이를 구현할 수 있다는 가능성을 검증한 것"이라고 연구 의의를 설명했다.

  이번 연구 성과는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 선도연구센터 (ERC, 결정기능화 공정기술센터)와 나노,소재 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

[그림 설명]

​<그림1> 페로브스카이트 나노결정 발광체의 투과전자현미경 사진 (위 왼쪽), 

             발광 스펙트럼 (위 오른쪽), UV 조사 하에서의 발광 사진 (아래)

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