고려대 화공생명공학과 임상혁 교수, 맞춤형 분자와 건식 공정으로 결함 줄였다... 더 오래가는 LED 개발
▲ (왼쪽부터) 고려대 임상혁 교수(교신저자), 박진경 연구교수(제1저자), 허진혁 연구교수(교신저자), 중국 톈진대 페이 장(Fei Zhang) 교수(교신저자)
고려대학교 화공생명공학과 임상혁 교수 연구팀이 ‘구조 이성질체’ 분자와 ‘건식 전사공정’을 결합해 페로브스카이트 발광다이오드(LED) 내 결함을 정밀하게 제어하고, 전하 이동 균형과 안정성을 높이는 기술을 개발했다.
본 연구 성과는 국제적인 학술지 ‘Science Advances(IF=12.5)’ 온라인에 10월 25일 게재됐다. *논문명: Molecularly tailored dual-interface passivation via solvent-free rub-on transfer for efficient and stable perovskite LEDs *DOI: 10.1126/sciadv.ady4671 *URL: https://doi.org/10.1126/sciadv.ady4671
페로브스카이트는 열과 화학적 안정성이 높아, 이를 기반으로 한 LED가 차세대 디스플레이 소자로 주목받고 있다. 하지만 LED 내부 얇은 층들 사이에서는 결함이 생기기 쉬워, 시간이 지나면 빛이 약해지고 수명이 짧아진다. 이에 한 종류의 분자를 이용해 한쪽 면만 안정화하는 방식이 주로 사용됐지만, 두 계면을 제어하기 어렵고, 재료를 액체에 녹여 얇게 바르는 ‘용액 공정’ 과정에서 박막이 손상돼 안정성과 효율이 떨어지는 한계가 있었다. *페로브스카이트: 전기적·광학적 특성이 우수한 결정 구조로, 차세대 반도체와 태양전지 소재로 활용
▲ [그림 설명] 용매를 사용하지 않는 건식 전사공정(루브온 전사공정)을 이용해 페로브스카이트층의 상·하부 계면에 맞춤형 기능성 분자층을 도입, 양쪽 계면을 동시에 안정화하는 과정을 나타낸 모식도
연구팀은 이를 해결하기 위해 구조가 유사하지만 배열이 다른 두 종류의 ‘구조 이성질체’ 분자를 활용했다. 이 분자들을 LED 위·아래면에 맞게 배치해, 전자의 흐름을 방해하는 요인을 제어했다. 또한 용매를 전혀 쓰지 않고 분자를 균일하게 옮겨 붙이는 ‘건식 전사공정’을 도입해, 기존 용액 공정에서 생기던 용매 유도 결함을 억제했다. 그 결과, 연구팀은 페로브스카이트 LED의 발광 효율과 내구성을 크게 개선하고, 수명을 기존 대비 약 10배 늘리는 데 성공했다. *용매: 재료를 녹이는 액체 *용매 유도 결함(solvent-induced defects): 용액 공정 과정에서 남아 있는 용매가 페로브스카이트 결정의 균일한 형성을 방해하여 박막 내 결함을 유발하는 현상
임상혁 교수는 “이번 연구는 서로 다른 계면의 특성에 맞춰 분자를 정밀 제어함으로써, 기존 한계로 지적된 결함 문제를 근본적으로 해결한 성과”라며 “향후 고효율·고내구성 디스플레이를 비롯해 다양한 전자소자 개발에도 응용할 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 한국연구재단 기초연구(리더연구) 및 나노·소재기술 개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
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