페로브스카이트 퀀텀닷으로 고효율 발광 다이오드 만든다

KAIST 연구진 올인원 공정 개발..."차세대 디스플레이, 태양전지, 광컴퓨팅 적용 가능"

차세대 디스플레이 발광 물질로 주목받는 페로브스카이트 퀀텀닷으로 고효율 발광 다이오드를 만들 수 있는 공정 기술이 개발됐다. 

KAIST(총장 이광형)는 이정용 전기및전자공학부 교수 연구팀이 페로브스카이트 퀀텀닷 층에 직접적인 자외선, 전자빔 처리나 용액 가둠막 없이 고효율 RGB 패턴 발광 다이오드를 제작하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

페로브스카이트 퀀텀닷은 외부 양자 효율과 색 순도가 높고, 퀀텀닷 내부의 할라이드 음이온의 종류와 비율에 따라 밴드갭을 조절할 수 있어 차세대 디스플레이 발광 물질로 주목받는다. 

하지만 용매 분산을 위하여 긴 탄소 사슬을 갖는 절연 유기 분자가 퀀텀닷 주변을 둘러싸고 있어 전자 소자로 적용하면 성능이 낮아지고, 패터닝 공정에 사용되는 자외선 및 전자빔 처리에 취약해 디스플레이를 만들기 위한 픽셀 패터닝 공정이 어렵다는 문제가 있다.

연구팀은 페로브스카이트 퀀텀닷 주변의 절연성 유기 리간드(결합 분자)를 전하 수송이 유리한 유기 리간드로 교환해 발광 다이오드 성능을 높였다. 또 퀀텀닷 내부 할라이드 조성 비율을 조절하는 할라이드 음이온 교환을 통해 퀀텀닷 박막의 발광 색상을 자유롭게 바꿀 수 있게 했다. 리간드 교환과 할라이드 음이온 교환을 동시에 진행하는 올인원 공정을 개발한 것이다.

나아가 페로브스카이트 퀀텀닷 박막의 국부적 부분만 색을 변환시키는 패터닝 공정을 제안, 페로브스카이트 퀀텀닷 박막에 대한 직접적인 자외선 및 전자빔 처리 없이 RGB 색상이 패터닝된 발광 다이오드를 고속으로 제작하는 데 성공했다.

페로브스카이트 퀀텀닷의 리간드 교환과 할라이드 음이온 교환을 동시에 진행 시켜주는 올인원 공정의 공정모식도와 각각의 단계에 해당하는 페로브스카이트 퀀텀닷의 구성을 묘사한 모식도 (자료=KAIST)

이정용 교수는 "이번에 개발한 페로브스카이트 퀀텀닷 박막 패터닝 공정은 용액공정 기반 페로브스카이트 퀀텀닷 패터닝 공정이 당면한 여러 문제점을 해소했고, 차세대 페로브스카이트 퀀텀닷 디스플레이 구현에 적용 가능할 것"이라고 말했다.

또 색 변환과 패터닝이 자유로워 향후 광검출기, 태양전지, 광컴퓨팅 소자 등 다양한 광전소자에 활용될 전망이다.

이 연구는 한국연구재단의 중견연구사업, 나노 및 소재 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인판에 최근 게재됐다.