김형준 교수팀, 태양전지 신소재 페로브스카이트 결정 구조를 나노 구조로 만들어 뒤틀림을 최소화해 발광 극대화 전략 도출

차세대 페로브스카이트 기반의 유기 발광 다이오드 (OLED)나 양자점 디스플레이(Quantum dot display) 등 고효율 LED 개발에 기여할 것으로 기대

▲ KAIST 김형준 교수(오른쪽 위), 하윤후 석박사통합과정(오른쪽 아래), 한밭대학교 홍기하 교수(왼쪽 아래)(사진제공=KAIST)  © 특허뉴스

KAIST는 화학과 김형준 교수 연구팀이 한밭대학교 홍기하 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 페로브스카이트 LED 나노 소재에서 일어나는 발광 효율의 향상 원인을 이론적으로 규명하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.

할로겐 페로브스카이트 화합물은 태양 빛을 이용해 높은 효율로 전기를 생산할 수 있어 차세대 태양전지에 사용 가능한 소재로 주목받고 있는 물질이다. 한편, LED는 태양전지와는 반대로 전기를 이용해서 빛을 방출하는 장치로서 디스플레이에 널리 사용되고 있다. 놀랍게도 페로브스카이트는 빛을 전기로 변환시키는 효율뿐 아니라 전기를 빛으로 변환시키는 발광 효율 또한 높은 것으로 알려져 차세대 LED 소재로서도 각광받고 있다.

본래 ‘페로브스카이트’는 러시아 과학자 페로브스키의 이름을 딴 광물 결정 구조의 이름이다. 연구팀은 이러한 페로브스카이트 결정 구조가 내부의 뒤틀림 정도에 따라 다양한 상(phase)을 가질 수 있음에 주목했다. LED 소재로 널리 사용되는 CsPbBr3라는 페로브스카이트 소재는 결정 구조 내부에 뒤틀림이 존재하는데, 이를 작은 나노 구조로 만들게 되면 이러한 뒤틀림이 최소화된 상이 형성된다. 연구팀은 비단열 양자 동역학 시뮬레이션을 이용해 이러한 결정 구조의 뒤틀림 제어가 발광 효율을 높이기 위한 주요 소재 성질 제어 전략임을 밝혔다.

연구진은 “이번 연구를 통해 페로브스카이트의 소재 결정 구조적 특성과 빛을 발생하는 광 동역학적 특성 사이의 복잡한 상관관계를 규명할 수 있었다”며 “추후 이러한 이론 기초 연구를 더욱 확장해 페로브스카이트 결정상 제어를 통한 발광 효율 극대화 전략을 도출해내어 페로브스카이트 기반의 고효율 LED 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

KAIST의 하윤후 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 에 지난해 12월 27일 자 온라인 게재됐다.

논문명은 Enhanced Light Emission through Symmetry Engineering of Halide Perovskites 이다.