반도체산업협회인 SEMI는 지난해 글로벌 반도체 장비 매출액이 서울대 공대(eng.snu.ac.kr) 재료공학부 이태우 교수와 미국 펜실베니아 대학(University of Pennsylvania) 앤드류 M. 라페(Andrew. M. Rappe) 교수 공동 연구팀이 차세대 발광 소재인 금속 할라이드 페로브스카이트를 이용해 세계 최고 효율의 발광 소자를 개발했다. 연구 결과는 세계적인 국제 학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 1월 4일자에 게재됐다.

이태우 교수는 2015년 페로브스카이트 발광 소자의 효율이 8.53%임을 ‘사이언스(Science)’지에 보고한 바 있다. 페로브스카이트 발광체는 여기자(勵起子, Exciton) 결합 에너지가 낮다는 본질적인 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 수 나노미터(10억분의 1m) 크기를 갖는 나노 입자의 형태로 제조해 여기자를 공간적으로 구속하려는 연구가 진행돼 왔다. 하지만 페로브스카이트 나노 입자는 크기가 작아 표면에 결함(Defect)이 많다. 또한 표면에 위치한 리간드가 쉽게 떨어진다. 리간드(Ligand, 배위자)란 배위화합물이나 착화합물에서 중심원자(주로 금속원소)와 결합하고 있는 원자나 분자다. 리간드가 떨어지면 결함이 더 많이 형성된다. 이 문제를 효과적으로 제어하는 방안이 필요하다.

이태우 교수가 이끄는 서울대 연구팀은 이를 위해 구아니디늄(Guanidinium) 유기 양이온을 기존 포르마미디늄(Formamidinium) 기반 페로브스카이트 나노 입자에 도입하는 전략을 제시했다. 도입된 첨가 양이온은 나노 입자 내부 및 표면에 존재하는 결함을 모두 제어해 여기자를 나노 입자 내부에 효과적으로 가두어 매우 높은 발광 효율(90% 이상)을 달성했다. 또한 공동연구팀은 할라이드 기반 1,3,5-트리스(브로모메틸)-2,4,6-트리에틸벤젠(TBTB) 물질을 페로브스카이트 나노 입자 박막 상부에 결함 제거층으로 도입해 잔여 결함을 제거했다. 이를 통해 세계 최고의 외부양자효율(23.4%) 및 전류효율(108cd/A-1)을 갖는 페로브스카이트 발광 다이오드를 제작했다. 이는 현재까지 보고된 페로브스카이트 발광 다이오드 효율 중 최고 수준의 소자 효율이다.