한예은, 김소현(전재, 석사과정), '발광소자 재현성 향상 연구' ACS Photonics 표지논문 선정

황인찬 교수 연구팀(전자재료공학과), 저차원 페로브스카이트 발광소자 재현성 향상 연구

- 재료 및 계면 분야의 국제학술지 ACS Photonics (IF: 6.864, JCR Ranking 9.3%) 커버이미지 선정 -

 [사진1. 한예은(제1저자)]

본교 황인찬 교수(전자재료공학과)는 한예은(제1저자), 김소현(공동저자) 석사과정연구원, 공동연구팀(University of Washington의 Prof. David Ginger, 국민대의 이미정 교수)과 함께 저차원 페로브스카이트 형성과 발광소자의 특성이 낮은 재현성의 이유를 밝히고 높은 재현성을 가지기 위한 방법을 제시하는 내용의 연구를 발표했다.

페로브스카이트는 높은 광흡수계수, 전기전도도와 밴드갭 조절의 용이함으로 인해 태양전지와 포토다이오드, 발광소자에 적용될 수 있는 차세대 광소재 물질이다. 저차원 페로브스카이트 (layered perovskite)는 3D 페로브스카이트에 비해 공기 내 안정성이 높을 뿐 아니라, 층 수(layer number)를 제어함으로써 엑시톤(exciton)의 결합에너지를 높일 수 있어 발광소재로서의 각광받고 있다. 저차원 페로브스카이트로 이루어진 박막은 층 수 자체뿐 아니라 그것들의 분포에 따라 광전기적 특성이 크게 달라지게 되는데, 다른 층 수의 페이즈들의 비슷한 형성에너지로 인해 재현성 높은 박막을 형성하는데 어려움이 있었다.

Figure 1. 대기온도에 따른 저차원 페로브스카이트 기반 발광소자 특성과 박막 내 페이즈 형성 및 배열

황인찬 교수 연구팀은 박막 내 저차원 페로브스카이트의 형성과 배열(orientation)이 대기온도에 크게 달라짐을 확인하고 이를 규명하였다. 저차원 페로브스카이트의 낮은 재현성과 실험실마다 다른 공정조건은 인지하지 않았던 새로운 공정변수 제어의 필요성을 의미한다. 계절과 낮밤, 그리고 기타 주변 요소에 따라 달라질 수 있는 대기온도는 대게 수 °C 차이정도만 발생하게 되어, 페로브스카이트 형성에 미치는 영향이 간과되기 쉽다.

본 연구를 통해 단 5 °C 이내의 대기온도 차이로도 페이즈 형성에 영향을 미쳐 그들의 분포 뿐 아니라 배열이 달라짐을 밝혀냈었다. 이는 용액공정 시 대기온도에 따라 용매의 증발속도가 달라지기 때문이고, 상층부에서 높은 층 수를 가지면서 수직으로 배열된 페이즈들의 결정을 용이하게 해주기 때문이다. 더불어, 페로브스카이트 그레인의 크기와 모양도 영향을 미쳐 발광특성의 재현성을 저하를 유발하는 것을 밝혀내었다. 제어되지 않은 대기온도 내 제작된 발광소자는 71.4%의 큰 상대표준오차를 지니지만, 대기온도를 제어할 경우 최고 9.9%의 작은 상대표준오차를 가져 높은 재현성을 구현하였다. 이를 통해 박막 공정 시 주변 환경 변수를 제어함의 중요성을 밝혔다.

Figure 2. ACS Photonics의 supplementary cover로 선정된 이미지

한편, 본 연구결과는 재료 및 계면 분야의 국제학술지 ACS Photonics 에 2020년 9월에 발표된 한편 supplementary cover로 선정되었다.

[논문 정보]

1. Yaeeun Han et al., Significance of Ambient Temperature Control for Highly Reproducible Layered Perovskite Light-Emitting Diodes. ACS Photonics 7, 2489-2497 (2020).