[서울=뉴스핌] 송주원 기자 = 숭실대학교는 화학공학과 강범구 교수와 신소재공학과 박민호 교수 공동 연구팀이 용액공정 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)의 효율과 수명을 함께 높일 수 있는 새로운 정공 수송층 고분자 소재를 개발했다고 20일 밝혔다. 연구 결과는 고분자과학 분야 국제학술지 'European Polymer Journal'에 온라인 게재됐다.

페로브스카이트 발광다이오드는 페로브스카이트 결정 구조를 가진 반도체를 발광층으로 사용하는 소자다. 색순도가 높고 소재의 조성을 조절해 원하는 발광 파장을 구현하기 쉬워 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다.

PeLED는 여러 기능성 층을 겹쳐 만드는 구조다. 이 가운데 정공 수송층(HTL)은 정공 주입층과 발광층 사이에서 정공을 발광층으로 전달한다. 정공의 이동 속도와 에너지 준위에 따라 발광층 내부의 전자와 정공의 균형이 달라지는 만큼 소자의 발광 효율과 수명을 좌우하는 핵심 요소로 꼽힌다.

연구팀은 정공 수송 특성을 갖는 '트리페닐아민' 그룹을 곁사슬에 넣은 단량체를 음이온 중합 방식으로 합성했다. 또 π-공액 길이가 서로 다른 두 종류의 단량체를 설계하고 영하 30도에서 2분 만에 중합을 끝내 분자량과 분자량 분포를 정밀하게 조절한 고분자를 만드는 데 성공했다.

개발한 고분자는 열에 강하고 용매에도 잘 견디는 특성을 보였다. 이에 따라 정공 수송층이 손상되지 않은 상태에서 그 위에 발광층을 만들 수 있어 용액공정 방식의 PeLED 제조에 활용할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

실제 새 고분자를 정공 수송층에 적용하자 기존 소재인 PVK(Poly(9-vinylcarbazole))를 사용한 소자보다 정공 주입 장벽이 낮아지고 정공 수송 성능이 향상됐다. 외부 양자효율과 전류효율도 함께 개선됐다.

특히 π-공액 길이가 긴 고분자를 사용한 PeLED의 최대 외부 양자효율(EQE)은 15.8%를 기록했다. 구동 수명은 기존 PVK 소재를 적용한 소자보다 약 12배 길어졌다.

연구팀은 정공 수송 성능과 에너지 준위 정렬이 개선된 데다 고분자에 포함된 트리페닐아민 구조가 페로브스카이트 발광층 계면의 결함을 안정화하면서 성능이 높아진 것으로 분석했다. 빛을 내지 않는 비발광 재결합이 억제되는 효과도 광발광 및 시간분해 광발광 분석을 통해 확인했다.

강 교수는 "이번 연구는 정밀 음이온 중합을 통해 분자량 및 분자량 분포가 제어된 정공 수송 고분자를 합성해 PeLED의 정공 수송 특성과 발광층 계면 특성을 동시에 개선했다는 점에서 의미가 있다"고 말했다.

이어 "앞으로 정공 수송 고분자의 분자 구조와 에너지 준위를 더욱 정밀하게 제어해, 고효율·고안정성 차세대 발광소자용 소재 개발에 주력할 계획"이라고 밝혔다.

이번 연구에는 강 교수와 박 교수의 지도 아래 김준모·이예지 학생이 제1저자로 참여했다. 한국연구재단의 대학기초연구소지원사업(G-LAMP)과 대학중점연구소지원사업, 모아팹시설활용지원사업의 지원을 받았다.

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