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문주호 교수팀
문주호 교수팀, 코어-쉘 카이랄 페로브스카이트 양자점 기반 고성능 원편광 발광 소자 구현 코어-쉘 구조의 카이랄 페로브스카이트를 발광층으로 이용하여 뛰어난 원편광 발광 특성 및 효율을 보이는 스핀-발광 소자 제작 국제적 최고 권위 저널 ‘Advanced Materials (IF 29.4)’에 게재
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사진 1. (왼쪽부터) 문주호 교수, 장규민 석박사통합과정생 (제 1 저자)
공과대학 신소재공학과 문주호 교수 연구팀은 카이랄 페로브스카이트 재료 기반 스핀 정렬층의 물리적 구조를 제어하여 우수한 원편광 발광 효율을 보이는 스핀-발광 소자 제작에 성공했다.
원편광된 빛은 야외에서의 시인성 개선과 3D 디스플레이 제작 등을 위해 필수적인 요소로, 이를 발광하는 소자는 높은 수요를 보일 전망이다. 현재 산업에서는 원편광된 빛의 발생을 위해 원편광 필터를 사용하고 있지만 해당 기술은 높은 단가와 편광으로 인한 광손실이 큰 걸림돌이 되고 있다. 이를 해결하기 위해 카이랄 재료를 사용하는 방법이 고안되었는데, 전하가 카이랄 물질 내부를 통과할 때 특정 방향의 스핀만을 가질 수 있기 때문에 이러한 특성을 이용하면 발광층 자체로부터 원편광 된 빛을 낼 수 있다.
연구팀은 우수한 카이랄 관련 특성을 가지지만 스핀 수명이 짧아 원편광 발광 소자로의 적용에 한계가 있었던 카이랄 페로브스카이트 재료의 물리적 구조를 제어하는 전략을 제시하였다. 이는 우수한 발광 특성을 가지는 페로브스카이트 양자점 외부에 카이랄 페로브스카이트를 쉘로 도입하여 코어-쉘 구조를 형성하는 방법이다. 해당 전략을 이용하면 소자의 구동 과정 중 주입된 전하가 쉘 부분에서 스핀 정렬되고 빠르게 코어로 이동하여 스핀 정렬을 유지한 채로 재결합하는 것이 수월해진다. 이를 통해 제작된 스핀-발광 소자는 기존 보고들의 한계점을 해결하며 세계 최고의 원편광 전기발광 정도 (gCP-EL = 2.4 × 10−1) 와 준수한 외부양자효율 (5.47%)을 달성하였다.
사진 2. (위) 코어 및 코어-쉘 페로브스카이트 양자점, (아래) 코어-쉘 페로브스카이트 양자점 기반 발광 소자의 원편광 발광 메커니즘 관련 모식도
추가로, 연구팀은 코어-쉘 페로브스카이트 양자점 기반 잉크를 제작하였고 이를 이용하여 다양한 패턴을 잉크젯 프린팅 하는 데에 성공하였다. 제작된 패턴또한 발광 소자와 마찬가지로 뛰어난 원편광 발광을 보여주며 실제 산업으로의 응용 가능성을 증명하였다.
사진 3. 코어-쉘 페로브스카이트 양자점 잉크로 프린팅된 다양한 패턴 및 이의 원편광 발광 측정 방법과 결과
문주호 교수는 “본 연구를 통해 카이랄 페로브스카이트 재료 기반 원편광 발광 소자 제작의 가능성을 증명하였으며, 해당 재료가 차세대 디스플레이로 응용되는 데에 크게 기여할 것으로 기대된다” 라고 하였다.
본 연구는 한국연구재단 리더연구, 나노 및 소재기술개발사업(경쟁형)과 연세 시그니처 연구클러스터사업의 지원으로 수행되었으며, 국제적으로 권위있는 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 11월 23일 온라인 게재됐다.
[논문 정보]
논문 제목: Core–Shell Perovskite Quantum Dots for Highly SelectiveRoom-Temperature Spin Light-Emitting Diodes, Advanced Materials 2309335 (2023).
논문주소: https://doi.org/10.1002/adma.202309335
Researcher
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Professor Moon Joo Ho
연세대학교 공과대학 신소재공학
JMOON@YONSEI.AC.KR