우리 연구진이 페로브스카이트 나노입자 발광 원리를 규명, 안정성을 높이는 제어 기술을 개발했다. 향후 페로브스카이트 발광소자 차세대 디스플레이 상용화 기술 개발에 중요한 진전이 있을 전망이다.
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 채원식 대구센터 연구원팀, 이종수 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수팀이 페로브스카이트 광소재 내 양자입자 상태변화를 실시간 분석해 발광 효율 저해 요인을 제거하고 발광 안정성을 높이는 성과를 얻었다고 21일 밝혔다.
페로브스카이트 표면과 내부가 열·빛에 노출됐을 때 이온 결합이 불안정해져 디스플레이 성능이 떨어지고 발광 시간이 줄어든다. 차세대 디스플레이 상용화 걸림돌이다.
발광 현상은 나노광소재를 빛으로 들뜨게 했을 때 생성되는 전자-정공(엑시톤) 재결합이나 엑시톤쌍 결합 에너지로 일어나는 것으로 알려져 있다. 그러나 이번 연구로 이밖에 '트라이온 결합'이라는 발광경로가 존재한다는 것을 발견했다.
KBSI 대구센터의 '시분해 형광 공초점 현미경(FLIM)' 장비로 단일 나노입자 내 양자입자 상태변화를 분석한 결과, 엑시톤에 음전하를 띠는 전자나 양전하를 띠는 정공이 추가된 트라이온 양자입자 존재여부를 확인할 수 있었다. 트라이온 입자의 불규칙한 움직임이 발광 안정성을 낮추는 주요 원인임을 찾을 수 있었다.
연구진은 은 나노막대 광결정 기판을 적용, 트라이온 재결합을 차단하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 고효율 발광에 유익한 엑시톤 재결합 경로가 확대돼 발광 안정성을 한층 높일 수 있었다.
이번 연구는 향후 반도체 나노소재 내에서 발생하는 엑시톤 입자 및 다양한 양자입자의 새로운 발광 경로를 밝히는 것에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구결과는 KBSI 분석 임파서블 연구사업 지원으로 수행됐으며, 물리화학 분야 세계적 학술지인 저널 오브 피지컬 캐미스트리 레터스에 6월 9일자 표지 논문으로 게재됐다.
채원식 연구원은 “디스플레이 소재 내 양자 현상을 정확하게 밝히고, 제어 기틀을 마련한 것으로 향후 반도체 및 디스플레이 연구와 관련 응용산업 발전에 핵심 양자정보를 제공할 것으로 기대된다”며 “반도체 나노소재 내 다양한 양자입자 실시간 거동 분석 후속 연구도 진행하고 있다”고 밝혔다.
이종수 교수는 “이번 연구는 차세대 디스플레이 기술인 페로브스카이트 양자점 광전소자의 광 생성 및 소멸 원리를 밝힌 것으로, 고안정성 페로브스카이트 소자 제작에 도움될 수 있는 후속 연구를 진행 중”이라고 말했다.
KBSI는 연구자 수요기반의 과제 공모를 통해 분석 임파서블 연구사업을 추진하고 있으며, 과제 수행을 통해 분석한계를 뛰어넘는 고난도 분석기술 개발로 국가적 R&D 난제 극복에 필요한 기반기술 제공 등 도전적이고 창의적인 연구환경 조성 마련에 힘쓰고 있다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
