페로브스카이트 LED

김진영 에너지 및 화학공학부 교수팀, 페로브스카이트 속 음이온 조절 기술 개발중인 LED 물질

 

20 세기 초부터 에너지 소비가 급증하고 구조도 빠르게 변화하고 있습니다. 조명은 전 세계 에너지 소비에서 중요한 역할을 합니다. 2018 년에는 전 세계 전기의 약 6 %가 가정용 조명에 사용되고 10.3 %는 상업 부문에 사용되었습니다. 이는 기존 조명의 낮은 효율로 인해 에너지의 상당 부분이 낭비되었음을 나타냅니다. 미국 에너지 정보국은 2019 년에 미국 주거 부문과 상업 부문에서 약 2,160 억 킬로와트시의 전기를 조명에 사용했다고 추정했습니다.

최근 LED (Light-Emitting Diode)는 기존 백열등보다 에너지 효율이 10 배 이상 높은 에너지 절약형 친환경 조명 기술로 평가받고 있습니다. LED (Light-Emitting Diode)는 에너지를 절약하고 친환경적인 조명 기술로 간주되고 있습니다. 또한 유기 반도체 기반의 유기 LED (OLED) 디스플레이는 자체 발광 특성, 높은 발광 효율, 높은 콘트라스트 및 유연성 등으로 인해 모바일 전자 및 TV에서 매우 인기가 있습니다.

최근 몇 년 동안 메탈 할라이드 페로브 스카이트는 새로운 종류의 광전자 재료로 등장하여 LED 기술에서 큰 가능성을 보여주고 있습니다. 메탈 할라이드 페로브 스카이트는 조절 가능한 밴드갭, 높은 발광 양자 수율 및 높은 색 순도로 인해 상당한 관심을 받고 있습니다. 특히 저렴한 페로브 스카이트 원료는 비용을 더욱 절감할 수 있으며 간단한 합성 공정으로 생산주기를 단축할 수 있습니다. 우수한 성능과 결합된 페로브 스카이트 LED (PeLED)는 향후 ILED 및 OLED에 대한 강력한 경쟁자가 될 수 있습니다.

페로브 스카이트의 특성과 PeLED 의 성능 (A) 광 발광 스펙트럼 및 CsPbX3  나노 결정의 콜로이드의 해당 사진 . (B) NTSC 색상 표준의 140 % 에 도달하는 색도 좌표에 플로팅된 페로브 스카이트 나노 결정의 광발광 스펙트럼. (C) PeLED 의 EQE  데이터

이 논문은 비용 및 속성 측면에서 PeLED의 상용화 이점을 분석합니다. 재료 비용 이점, 제조 모드 및 간접비를 포함하여 PeLED의 비용을 ILED 및 OLED와 비교하고 PeLED의 우수한 특성과 효율성을 요약하고 안정성 및 독성을 포함한 PeLED의 문제점을 제시합니다.

공장에서 생산 효율성은 비용에 반비례합니다. 단기적으로 처리량 증가에 대한 장벽은 유기 물질 증착 및 에피택셜 성장과 같은 개별 공정에 소요되는 시간입니다. ILED의 경우 기능층 증착에 소요되는 시간은 약 6 시간입니다. OLED의 경우 열 증발 온도가 상승하고 우수한 제품의 수율이 약 70 % 일 때 층에 더 많은 결함과 낮은 수율이 발생합니다. 그러나 페로브 스카이트 소재는 내결함성이 뛰어나 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄 등과 같은 빠른 솔루션 기반 공정이 가능합니다. 습식 공정을 사용하면 생산 효율성을 개선하여 PeLED 비용을 줄일 수 있습니다. 또한 다른 색상의 PeLED는 유사한 제조 접근 방식으로 생산할 수 있으므로 제조를 간소화할 수 있습니다. 

용액 처리된 할로겐화물 페로브 스카이트 재료는 디스플레이 및 조명 응용 분야에서 PeLED를 자극하는 주요 특성 중 하나인 PLQY 단위를 나타냅니다. 페로브 스카이트 재료는 구성 조정 또는 크기 제어를 통해 조정 가능한 밴드 갭을 갖습니다. 페로브 스카이트 방출 파장은 Cl, Br 또는 I의 도핑 비율을 제어하거나 크기를 나노 미터로 제한하여 변경할 수 있습니다. 또한 페로브 스카이트는 약 20nm (최대 절반에서 전체 폭, FWHM)의 좁은 광 발광 방출 대역폭을 나타내므로 기존 반도체 또는 유기 방출기보다 색상 순도가 높습니다. 유기 염료 분자는 약 50nm FWHM을 나타내는 전자 및 진동 상태의 강한 결합으로 인해 비대칭 적으로 확장된 광 발광을 가지고 있습니다.

페로브 스카이트 LED(PeLED) 의 도전적인 문제

< 출 처 >

 

Zhang, Kai, et al. "Opportunities and challenges in perovskite LED commercialization." Journal of Materials Chemistry C 9.11 (2021): 3795-3799.

 

논문 제목: Opportunities and challenges in perovskite LED commercialization

 

저자: Kai Zhang, Ningning Zhu, Mingming Zhang, Lei Wang and Jun Xing

 

이미지 관련 링크: https://news.unist.ac.kr/kor/20180816-2/