[대학저널 오혜민 기자] GIST(총장 김기선) 고등광기술연구소(APRI, 소장 석희용) 이창열 박사와 아주대 분자과학기술학과 김종현 교수 공동연구팀은 페로브스카이트 소재의 결정구조 제어를 통해 발광에 관여하는 결정부분을 Cs 원자(세슘)로 격리분할 함으로써 양자구속효과(특정 무기화합물질의 크기가 수 나노미터로 줄어들어 소재의 전기적, 광학적 특성이 변화)를 구현하는데 성공했다.
이번 연구성과로 합성된 페로브스카이트 소재가 양자구속효과 및 높은 결정구조 안정성을 기반해 우수한 발광효율 및 고온안정성을 확보함으로써 감열변색을 통한 온도센서로 활용이 가능해졌다.
감열변색은 온도 변화에 따라 소재의 색이 변하는 특성으로 감열변색 특성을 가진 소재를 활용할 경우 추가적 전원 공급 없이도 간단히 온도 변화를 확인할 수 있다. 따라서 이번 연구를 통해 개발된 페로브스카이트의 감열변색 특성을 활용할 경우 일상에서 사용되는 온도센서를 쉽게 구현할 수 있을 것으로 전망된다.
페로브스카이트 소재는 우수한 전기적 특성, 높은 흡광계수, 발광파장제어의 용이성에 따라 차세대 전자소재로 주목받고 있다. 그러나 기존 CsPbX3 (X=Cl, Br, I) 결정구조의 페로브스카이트 소재는 열안정성이 낮고 전자-정공쌍의 결합 에너지가 작아 외부의 열에 의해 전자와 정공이 쉽게 해리됨으로 인해 낮은 발광효율을 가지는 단점이 있다. 이에 페로브스카이트 소재의 감열변색 소자로의 응용은 매우 제한적이었다.
연구팀은 온도에 따른 결정구조의 변화가 크지 않아 높은 열안정성을 갖는 Cs4PbBr6 결정구조의 페로브스카이트 소재를 합성했다. Cs4PbBr6 결정구조는 발광이 일어나는 정팔면체 형태의 결정부분이 Cs원자에 의해 공간적으로 분리됨에 따라 3차원 구조 내에서 발광영역이 원자수준으로 격리됨으로 양자구속효과를 보였다. 이러한 양자구속효과를 통해 Cs4PbBr6 페로브스카이트 소재는 전자-정공쌍의 결합 에너지가 증대돼 상온에서 전자-정공쌍의 해리가 적어짐으로 높은 발광효율을 보였다.
Cs4PbBr6 페로브스카이트 소재는 온도의 상승에 따라 안정한 발광특성을 유지하다가 100도 이상의 고온에서 전자-정공쌍 해리를 통한 급격한 발광효율 저하 특성을 가져 20배 이상의 높은 색조 대비를 갖는 감열변색형 온도 센서로 적용 가능했다.
GIST 이창열 박사는 “페로브스카이트 소재의 결정구조 제어를 통한 양자구속효과를 통해 상온에서 높은 발광효율과 고온 열안정성을 갖는 소재를 구현함으로써 페로브스카이트 소재의 감열변색소자로의 응용성을 넓혔다”고 설명했다.
아주대 김종현 교수는 “이번 연구는 열적으로 안정한 고발광 페로브스카이트 소재를 개발할 수 있는 또 하나의 새로운 원리를 제시한 것으로 앞으로 열안정 페로브스카이트 디스플레이 개발에 기초기술로 활용되길 기대한다”고 말했다.
GIST 고등광기술연구소 이창열 박사(공동 교신저자)와 아주대 김종현 교수(공동 교신저자)가 주도하고 GIST 고등광기술연구소 최진우 박사(제1저자)가 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 중견연구자 지원사업, 교육부 기본연구 지원사업, GIST의 재원인 GIST 개발과제(광과학기술 특성화연구)를 통해 수행됐으며 화학분야 저명 학술지 Nanoscale(나노스케일)에 2월 16일자 온라인으로 게재됐다.
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