페로브스카이트 LED의 발광효율을 4배 높였다 [언박싱 연구실]

<73> 국민대 화학과 김영훈 교수팀
페로브스카이트 LED로 제작 공정 단축
올레산염 빼고 브롬 채운 가열 합성 기술 적용
국민대 이유빈 석사수료생 공동 1저자 참여

[파이낸셜뉴스] 국민대 연구팀이 표면의 코팅 분자를 바꿔 끼우는 추가 공정 없이도 효율 높은 페로브스카이트 LED를 만들었다. 전기를 빛으로 바꾸는 효율은 11.4%로, 기존 합성법으로 만든 나노결정 LED의 2.7%보다 4배 넘게 높다.

페로브스카이트는 빛을 잘 내는 결정 구조의 물질이다. 이를 눈에 보이지 않을 만큼 작게 만든 알갱이가 페로브스카이트 나노결정이다. 색이 선명하고 빛을 내는 효율이 높다. 액체로 만들어 뿌려 쓸 수 있어 차세대 디스플레이용 LED의 핵심 소재로 꼽힌다.

문제는 알갱이 표면이다. 표면은 긴 사슬 모양의 분자, 곧 리간드로 덮여 있다. 리간드는 알갱이가 뭉치지 않게 돕는다. 하지만 전기가 흐르는 길을 막는다. 그래서 LED를 만들 때는 긴 리간드를 짧은 분자로 바꿔 끼우는 리간드 교환 공정이 사실상 필수였다.

이번 연구는 이 교환 공정 없이도 쓸 수 있는 나노결정을 만들었다. 국민대는 "발광소자를 만드는 공정이 단순해지고, 빛과 전기를 다루는 다양한 소자로 활용 범위가 넓어질 것"이라고 설명했다. 연구팀은 논문에서 "이 나노결정이 여러 소자에 두루 쓸 수 있는 바탕 소재가 될 수 있다"고 밝혔다.

추가 처리 없이 나노결정을 바로 쓴 LED 가운데서는 지금까지 보고된 것 중 가장 높은 성능이라고 연구팀은 논문에서 밝혔다. 다만 최첨단 소자에는 아직 미치지 못한다고도 밝혔다.

기존 합성법은 섭씨 180도로 달군 용액에 다른 재료 용액을 빠르게 넣어 나노결정을 키우는 고온 주입법이다. 이 방식에서는 올레산염과 올레일암모늄이라는 긴 사슬 분자 두 가지가 알갱이 표면을 덮는다.

연구팀은 가열 합성법을 썼다. 재료를 한 용기에 모두 넣고 섭씨 120도로 5분간 가열하는 방식이다. 이때 SN2 반응이라는 화학반응이 일어난다. 한 분자가 다른 분자에서 브롬을 밀어내고 그 자리를 차지하는 반응이다. 올레산염은 이 반응에 재료로 쓰여 사라진다. 그 빈자리를 브롬 이온이 채운다.

올레일암모늄은 그대로 남는다. 그래도 표면을 덮은 리간드의 밀도는 기존보다 34.6% 낮아졌다. 연구팀이 계산한 값이다. 나노결정 크기도 더 고르게 자랐다.

브롬이 표면에 더 많이 붙은 것도 확인됐다. 표면을 분석하자 납 원자 1개당 브롬 원자는 4.42개로, 기존의 3.94개보다 많았다. 컴퓨터 계산에서도 브롬이 올레산염보다 표면에 더 단단히 붙었다. 브롬이 표면 빈자리를 메우자 결함이 줄었다. 결함은 전하를 붙잡아 빛이 나오지 못하게 하는 원인이다.

씻기 전 나노결정 용액의 발광 수율은 가열 합성이 90.0%, 기존이 84.4%였다. 발광 수율은 나노결정이 빛을 받아 다시 빛으로 내보내는 비율이다.

나노결정은 합성 뒤 용매로 씻어 불순물을 걷어낸다. 기존 나노결정은 한 번 씻으면 기름기 있는 찌꺼기가 남았다. 반응에 쓴 용매가 남은 탓으로 분석됐다. 두 번 이상 씻어야 막이 고르게 만들어졌다.

그런데 씻을수록 발광 수율이 떨어졌다. 기존 나노결정은 씻기 전 84.4%에서 두 번 씻은 뒤 55.1%로 내려갔다. 논문은 씻는 용매가 표면 분자를 떼어내 결함이 생긴 탓으로 설명했다.

가열 합성 나노결정은 한 번만 씻어도 고른 막이 됐다. 두 번 씻은 뒤의 발광 수율도 씻기 전 90.0%에서 77.5%였다. 막 표면의 거칠기도 달랐다. 한 번 씻은 가열 합성 나노결정은 7.595나노미터, 두 번 씻은 기존 나노결정은 10.386나노미터였다. 나노미터는 10억분의 1미터다. 숫자가 작을수록 표면이 매끈하다.

나노결정에 남은 유기물도 적었다. 열을 가해 날려 보낸 유기물의 무게 비율은 두 번 씻은 기존 나노결정이 약 20%, 한 번 씻은 가열 합성 나노결정이 12%였다.

연구팀은 나노결정을 얇은 막으로 만들어 비교했다. 막 상태의 발광 수율은 가열 합성이 65.8%, 기존이 40.7%였다.

리간드 밀도가 낮아지고 나노결정의 방향이 가지런히 맞춰지면서 전하의 흐름도 좋아졌다. 정공은 전자가 빠진 빈자리로, 양전하처럼 움직이며 전기를 나른다. 이 정공의 이동도는 기존보다 3배 넘게 높았다. 이동도는 얼마나 잘 움직이는지를 나타낸다. 전하를 붙잡는 결함의 밀도도 약 21% 낮았다.

연구팀은 이 나노결정을 리간드 교환 없이 LED의 빛을 내는 층에 그대로 썼다. 비교 대상은 기존 합성법 나노결정을 같은 방식으로 쓴 LED다.

외부양자효율은 소자에 넣은 전자 100개당 밖으로 나오는 빛 알갱이의 수를 뜻한다. 가열 합성 LED는 3.0볼트에서 최대 11.4%를 기록했다. 전자 100개당 빛이 약 11개 나온 셈이다. 기존 LED는 같은 조건에서 2.7%, 곧 약 3개였다.

가장 밝을 때의 밝기는 1제곱미터당 59칸델라에서 314칸델라로 5배 넘게 올랐다. 칸델라는 밝기를 나타내는 단위다. LED에서 빛이 나오기 시작하는 전압은 3.0볼트에서 2.7볼트로 낮아졌다.

빛의 파장 폭은 21나노미터에서 17나노미터로 좁아졌다. 파장 폭은 한 가지 색에 다른 색이 섞인 정도를 나타낸다. 좁을수록 색이 또렷하다. 초록빛이 더 선명해졌다는 뜻이다.

수명도 늘었다. 처음 밝기 약 50칸델라에서 밝기가 절반으로 줄 때까지 걸린 시간이 기존 LED의 약 2.3배였다.

연구는 국민대 화학과 김영훈 교수팀이 성균관대 이보람 교수팀, 한양대 이태경 교수팀과 함께 진행했다. 이유빈 석사수료생은 국민대 김지건 연구원, 성균관대 석경은 연구원과 함께 공동 제1저자로 참여했다. 국민대에 따르면 이유빈 석사수료생은 나노결정의 표면 특성 분석과 발광소자 적용 등 주요 연구 과정에 참여했다.

이번 논문은 재료과학 국제학술지 'Advanced Functional Materials'에 실렸다.

[email protected] 김만기 기자