고해상도 디스플레이 구현을 위한 페로브스카이트 양자점 안정성 향상
작성자 관리자 작성일 2021-06-11
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최근수정일 2021-06-11, IP 172.25*******

 

고해상도 디스플레이 구현을 위한 페로브스카이트 양자점

안정성 향상


- 잉크젯 프린팅을 이용한 고해상도 전기발광소자 구현, 차세대 양자점 디스플레이에 적용 가능

지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 고등광기술연구소(APRI, 소장 이영락)의 이창열 박사 연구팀은 광개시제* 및 광가교** 리간드*** 첨가를 통한 표면 결정 결함 생성 억제를 통해 대기 및 화학적 안정성이 크게 향상된 페로브스카이트 양자점 소재를 개발하는데 성공했다. 또한 잉크젯 프린팅 공정을 통해 1 마이크로미터(um)의 해상도를 가진 백색 전기발광소자를 구현하였다.

* 광개시제(Photo-initiator): UV 또는 가시광선 하에서 라디칼을 형성하여 광가교 물질(고분자 또는 리간드)의 가교 반응이 효율적으로 일어날 수 있도록 도와주는 물질이다.

** 광가교 (Photo-crosslinking): 빛을 받으면 단단하게 굳는 화학 반응을 말하며, 광가교 반응이 일어난 물질의 경우 수분, 산소, 빛 에너지 등에 대한 높은 안정성을 나타낸다.

*** 리간드: 다양한 탄소길이를 갖는 계면활성제로 양자점의 표면에 부착되어 양자점이 용액 내에서 안정적으로 분산될 수 있도록 한다.

페로브스카이트* 양자점 소재는 높은 발광효율과 고색순도를 가져 유기발광다이오드(OLED)를 대체할 수 있는 차세대 디스플레이 소재로 최근 각광받고 있다.

그러나 페로브스카이트 양자점 소재는 이온결합 특성으로 인해 수분, 산소, 극성 용매 하에서 매우 쉽게 분해되어 발광효율 및 색순도를 장기간 유지하기 어렵다는 점과 고해상도 디스플레이 구현을 위한 포토리소그래피 반도체 공정의 적용이 어렵다는 단점을 가지고 있다.

* 페로브스카이트: 특정 물질을 지칭하는 명칭이라기보다는 크기가 다른 원소 2개의 양이온과 이들에 결합한 음이온으로 구성된 입방 구조의 결정을 갖는 물질을 말한다.

본 연구팀은 침전법을 통해 합성된 페로브스카이트 양자점 용액에 광개시제와 광가교 리간드를 첨가해줌으로써 페로브스카이트 양자점 용액 및 박막의 안정성을 향상시켰다. 첨가된 광개시제 및 광가교 리간드는 리간드 해리 및 결합 등의 리간드 평형* 상태 조절을 통해 페로브스카이트 양자점 소재의 발광특성 및 구조적 안정성을 저하시키는 표면 결함 생성을 억제하였다.

* 리간드 평형: 리간드가 양자점 표면과 용액 사이에서 결합과 해리를 반복하는 현상을 뜻한다. 이때 서로 다른 두 방향으로 진행하는 변화의 속도가 같기 때문에 겉보기에는 변화가 일어나고 있지 않은 것처럼 보이는 상태이다.

UV 노광을 이용한 페로브스카이트 양자점 표면에 결합된 리간드의 광가교 반응을 통해 소재의 결정도 및 박막상에서의 수분, 산소 등의 극성 분자에 대한 안정성을 크게 향상시켰을 뿐만 아니라 극성 용매에 대한 안정성 차이를 이용하여 20 마이크로미터(um)의 해상도를 가진 원형 패턴을 구현하였다.

또한 페로브스카이트 양자점 용액에서의 리간드의 유동학적 요소들의 조절을 통해 잉크젯 프린팅이 가능한 녹색 및 적색 페로브스카이트 양자점 잉크를 개발하고 이를 이용하여 1 마이크로미터(um)의 해상도를 가진 백색 전기발광소자를 구현하였다.

광가교 리간드 처리법은 페로브스카이트 양자점 표면에서의 결함 생성 억제와 광가교를 통한 박막 균일성 및 대기 안정성을 향상시킴으로 장시간 높은 발광효율과 색순도를 유지하는 페로브스카이트 양자점 박막을 제작할 수 있다는 장점이 있다.

지스트 이창열 박사는 새롭게 개발된 광가교 리간드 시스템 도입을 통한 장기 안정성이 확보된 고효율 페로브스카이트 양자점 소재 개발과 잉크젯 프린팅을 이용한 1 마이크로미터(um) 해상도의 전자발광소자 구현은 향후 페로브스카이트 양자점 소재의 차세대 디스플레이 상용화를 위한 중요한 전진을 이루었다고 연구 성과의 의미를 설명했다.

지스트 이창열 박사(교신저자)가 주도하고 지스트 이한림 박사(1저자)가 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자 지원 사업 및 지스트 개발과제의 지원을 받았으며, 202153일 재료분야 저명 학술지인어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 온라인 게재되었다. <>


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