[기계신문] TV, 모니터, 네비게이션 등과 같이 일상에서 시각적 정보를 표시하는 디스플레이는 최근 유기발광다이오드(OLED) 및 양자점 발광다이오드(QLED) 등의 개발을 통해 자연색에 가까운 사실적 색감을 표현하는 방향으로 발전하고 있다.
지난 몇 년간 우수한 광학적, 전기적 특성을 바탕으로 태양전지 분야에서 주목받아온 페로브스카이트는 최근 고효율, 고색순도 발광이 가능하다는 장점을 기반으로 기존 반도체 소재를 대체할 차세대 디스플레이 소재로 새롭게 각광받고 있다.
페로브스카이트는 회티타늄석이라고도 불리며, ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이다.
1839년 러시아 우랄산맥에서 처음 발견되었으며 러시아 광물학자 과학자(Perovski)의 이름을 땄다. 페브로스카이트는 실리콘태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지 소재로 떠오르고 있어 주목된다.
반도체 소재가 디스플레이에 활용되기 위해서는 고효율, 고색순도를 가질 뿐만 아니라 상온 발광이 요구된다. 하지만 태양전지에 사용되는 다결정 박막형태의 페로브스카이트는 상온에서 발광효율이 낮아 디스플레이 소재로의 적용에 걸림돌이 되고 있다.
이에 광주과학기술원(GIST) 고등광기술연구소 이창열 박사 연구팀은 기존의 다결정 페로브스카이트 박막의 낮은 발광효율을 개선하고자 상온에서도 고효율의 발광효율을 갖는 수 나노미터 크기의 페로브스카이트 양자점을 개발하고, 온도에 따른 발광특성을 분석함으로써 상온 발광 원리를 규명했다고 밝혔다.
일반적으로 반도체 소재는 소재 내에 존재하는 전자와 정공이 결합하는 과정에서 빛 에너지를 방출함으로써 발광한다. 따라서 반도체 소재 내에서 전자와 정공의 결합이 더 잘 이루어질수록 발광 효율이 증가한다.
크기가 수 나노미터에 불과한 페로브스카이트 양자점의 경우, 전자와 정공이 모두 수 나노미터 공간에 갇히게 되면서 서로 결합할 확률이 증가하고, 이에 따라 소재의 발광 효율이 크게 향상되어 상온에서도 높은 발광 효율을 가질 수 있다.
연구팀은 페로브스카이트 양자점의 온도에 따른 발광 특성 변화를 다결정 박막 및 단결정과 비교 분석함으로써 전자와 정공의 결합 에너지를 정량적으로 산출하였다. 전자와 정공의 결합에너지가 높은 페로브스카이트 양자점은 다결정 박막 및 단결정에 비해 높은 발광효율을 보였다.
하지만 페로브스카이트 양자점 또한 저온에 비해 고온에서 발광 효율이 감소하는데, 이는 전자 및 정공이 열에너지를 흡수하여 양자점을 탈출하기 때문임을 연구과정에서 발견하였다.
이창열 박사는 "높은 발광효율과 높은 색순도를 모두 갖는 페로브스카이트 양자점은 우수한 차세대 디스플레이 소재"라며 "페로브스카이트 양자점 내 전자와 정공의 결합에너지를 정량적으로 산출하고, 고온에서 발광 효율이 감소하는 이유를 밝혀낸 것이 이번 연구의 가장 큰 의의"라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자 지원사업 및 광주과학기술원의 재원인 GIST 개발과제(광과학기술 특성화연구)를 받아 수행되었으며, 지난 7월 5일 국제 물리화학분야 학술지 Journal of Physical Chemistry Letters(저널 오브 피지컬 케미스트리 레터)에 게재되었다.