[논문]고효율 광전자 소자 응용을 위한 전 무기 할라이드 페로브스카이트 나노결정 합 성 및 필름 제작

최승희; 김현빈; 유정현; 권석빈; 정성국; 송영현; 윤대호

doi:10.6111/jkcgct.2018.28.3.106

고효율 광전자 소자 응용을 위한 전 무기 할라이드 페로브스카이트 나노결정 합 성 및 필름 제작
Synthesis of all-inorganic halide perovskite nanocrystal and film fabrication for application in highly efficient optoelectronic device 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.28 no.3, 2018년, pp.106 - 111

최승희 (성균관대학교 신소재공학과) , 김현빈 (성균관대학교 신소재공학과) , 유정현 (성균관대학교 신소재공학과) , 권석빈 (성균관대학교 신소재공학과) , 정성국 (성균관대학교 신소재공학과) , 송영현 (조명소재부품연구센터 한국광기술원) , 윤대호 (성균관대학교 신소재공학과)

초록
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할라이드 페로브스카이트 나노결정은 고색순도 및 우수한 발광특성을 바탕으로 LED 응용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고온주입법을 통하여 $CsPbX_3$(X = I, Br, and Cl) 나노결정을 합성하였고 할로젠 이온의 조성 변화를 통하여 발광파장을 제어하였다. 고분자 바인더를 사용하여 녹색과 적색의 필름을 제작하였다. 합성된 나노결정 및 제작된 필름의 우수한 광특성을 확인하였고, 이를 InGaN 청색 LED칩에 적용하여 우수한 색영역의 wLED를 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Halide perovskite nanocrystals have become attractive for LED applications due to their high color purity and excellent luminescent properties. $CsPbX_3$ (X = I, Br, and Cl) nanocrystals were synthesized by hot-injection method and the emission wavelength was controlled by changing the composition of halide ion. Green- and red-emitting films were fabricated using a polymer binder. The outstanding optical properties of the synthesized nanocrystals and fabricated films were confirmed. The wLED designed by green- and red-emitting perovskite nanocrystal films on blue InGaN LED was characterized.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

0.1 M의 Cs-oleate를 만들기 위하여 50 mL 용량의 3구 둥근 바닥 플라스크에 CsCO₃(0.4 g), OA(1.25 mL)그리고 ODE(15 mL)를 아르곤 분위기의 글러브 박스 안에서 혼합하였다. 혼합된 용액을 120℃의 진공 분위기에서 한 시간 동안 교반 후, 150℃, 질소 분위기에서 30분간 교반하여 Cs-oleate를 준비하였다.
2(a)와 (b)를 통하여 10~15nm 크기의 단분산된 정육면체 형태의 나노결정을 확인할 수 있다. CsPbX₃의 할로젠 음이온 조성에 따른 나노결정의 광특성을 평가하기 위하여 광발광 및 광흡수 분광분석을 수행하였다. Fig.
얻어진 혼합물을 polyethylene terephthalate(PET) 기판 위에 닥터 블레이드 방법을 이용하여 코팅한 후, EC는 진공오븐에서 40℃, 1시간 동안 경화되었으며 NOA63은 UVlamp(X Lite^TM 500)에서 3분 동안 경화되었다. 경화된 필름을 기판으로부터 분리하여 발광필름을 수득한 후 녹색과 적색 필름을 InGaN 청색 LED에 동시에 적용하여 wLED를 제작하였다.
합성된 나노결정의 결정성 평가를 위하여 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Bruker D8-Advance)을 수행하였다. 고분해능 투과전자 현미경(high resolutiontransmission electron microscopy, HRTEM, JEM2100F)이 80 kV의 가속 전압으로 분석되었다. 나노결정 및 필름의 광특성 분석은 형광분광광도계(fluorescence, SCINCO,FS-2, KOREA) 및 광발광 양자 효율(photoluminescenceQuantum Yield, PLQY, Absolute PLQY Spectrometer,HAMAMATSUC111347)로 조사되었다.
녹색과 적색 발광 필름을 제작하기 위하여 toluene에 분산된 할라이드 페로브스카이트 나노결정 0.4 mL 당EC는 0.1 g을 첨가하였고 NOA63은 0.5 g을 첨가하였다.30분 동안 상온에서 충분히 교반 한 후 EC의 경우 추가적으로 초음파 수조에 넣어 30분간 분산시켰다.
제작된 필름은 EC보다 NOA63을 사용하였을 때 더 우수한광특성을 나타내었고, 녹색과 적색 각각 약 20 nm와 30nm 정도로 좁은 FWHM과 약 60 %와 50 % 정도의 우수한 PLQY를 나타내었다. 녹색과 적색 필름은 InGaN 청색칩에 적용하여 백색광을 구현하였다. 백색광 특성평가 결과 EC보다 NOA63으로 만들어진 필름이 전류향상에 따른 발광특성 저하가 적어 wLEDs에 사용되기 적합함을 확인하였다.
(X = I, Br, Cl) 페로브스카이트 나노결정을(PeNC) 합성하고 조성에 따른 발광파장을 제어하였다. 또한 적색과 녹색의 나노결정을wLED에 응용하기 위하여 고효율의 발광필름을 제작하였으며 발광필름 제작 시 나노결정의 안정성을 향상시키는 효율적이고 간단한 방법을 제안한다. 우리는 고분자 바인더로 Ethyl cellulose(EC)와 Norland Optical Adhesive 63(NOA63)을 사용하여 필름을 제작하였다.
본 연구에서는 고품질의 CsPbX₃(X = I, Br, Cl) 페로브스카이트 나노결정을(PeNC) 합성하고 조성에 따른 발광파장을 제어하였다. 또한 적색과 녹색의 나노결정을wLED에 응용하기 위하여 고효율의 발광필름을 제작하였으며 발광필름 제작 시 나노결정의 안정성을 향상시키는 효율적이고 간단한 방법을 제안한다.
NOA63은 UV경화성 물질로 우수한 기계적 성질을 가지고 투습성이 낮기 때문에 나노결정을 필름 형태로 제작하였을 때 광특성을 저하시키지 않는 도움을 준다. 필름 제작 후 InGaN 청색 LED 칩 위에 CsPbBr₃ 녹색 발광필름과 CsPb(Br_0.4I_0.6)₃적색 발광필름을 적용하여 고색재현 wLED를 구현하였다.
할라이드 페로브스카이트 발광소재 합성을 위해 고온 주입법을 사용하여 고효율고색순도의 단분산된 나노결정을 성공적으로 합성하였고 할로젠 음이온 치환을 통하여 청색부터 적색까지 발광파장을 제어하였다.
합성된 나노결정의 결정성 평가를 위하여 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Bruker D8-Advance)을 수행하였다. 고분해능 투과전자 현미경(high resolutiontransmission electron microscopy, HRTEM, JEM2100F)이 80 kV의 가속 전압으로 분석되었다.
합성된 녹색발광 CsPbBr₃ 및 적색발광 CsPb(Br_0.4I_0.6)₃나노결정의 결정성 평가를 위하여 XRD 분석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

8 %,Sigma-Aldrich)이 사용되었다. 고분자 바인더로는 ethylcellulose(EC, 48.0~49.5 %(w/w) ethoxyl basis, SigmaAldrich)와 Norland Optical Adhesive 63(NOA63, NorlandCompany)가 사용되었다.
1128 mmol의 납 할라이드 원료물질을 화학양론에 맞게 정량하여 30 mL ODE와 함께 아르곤 분위기의 글러브 박스 내에서 혼합하였다. 납 할라이드의 조성은CsPb(Br_0.4I_0.6)₃(적색), CsPbBr₃(녹색), 그리고 CsPb(Br_0.6Cl_0.4)₃(청색)이다. 혼합물 내의 수분을 정제하기 위하여 120℃진공 상태에서 교반하였다.
또한 적색과 녹색의 나노결정을wLED에 응용하기 위하여 고효율의 발광필름을 제작하였으며 발광필름 제작 시 나노결정의 안정성을 향상시키는 효율적이고 간단한 방법을 제안한다. 우리는 고분자 바인더로 Ethyl cellulose(EC)와 Norland Optical Adhesive 63(NOA63)을 사용하여 필름을 제작하였다. NOA63은 UV경화성 물질로 우수한 기계적 성질을 가지고 투습성이 낮기 때문에 나노결정을 필름 형태로 제작하였을 때 광특성을 저하시키지 않는 도움을 준다.
할라이드 페로브스카이트 나노결정을 합성하기 위하여 고온주입법이 사용되었다. 원료물질로는 cesium carbonate(Cs₂CO₃, 99 %, Sigma-Aldrich), lead iodide(PbI₂, 99 %,Sigma-Aldrich), lead bromide(PbBr₂, 98 %, SigmaAldrich), lead chloride(PbCl₂, 98 %, Sigma-Aldrich)가사용되었고 용매로는 1-octadecnen(ODE, 90 %, AlfaAesar), oleic acid(OA, 90 % Alfa Aesar), oleylamine(OAm, 70 %, Sigma-Aldrich), toluene(anhydrous, 99.8 %,Sigma-Aldrich)이 사용되었다. 고분자 바인더로는 ethylcellulose(EC, 48.

이론/모형

30분 동안 상온에서 충분히 교반 한 후 EC의 경우 추가적으로 초음파 수조에 넣어 30분간 분산시켰다. 얻어진 혼합물을 polyethylene terephthalate(PET) 기판 위에 닥터 블레이드 방법을 이용하여 코팅한 후, EC는 진공오븐에서 40℃, 1시간 동안 경화되었으며 NOA63은 UVlamp(X Lite^TM 500)에서 3분 동안 경화되었다. 경화된 필름을 기판으로부터 분리하여 발광필름을 수득한 후 녹색과 적색 필름을 InGaN 청색 LED에 동시에 적용하여 wLED를 제작하였다.
나노결정 및 필름의 광특성 분석은 형광분광광도계(fluorescence, SCINCO,FS-2, KOREA) 및 광발광 양자 효율(photoluminescenceQuantum Yield, PLQY, Absolute PLQY Spectrometer,HAMAMATSUC111347)로 조사되었다. 제작된 wLED의 전계 발광(Electroluminescence, EL) 특성을 관찰하기 위하여 광결합 분리기(OPI-150-Optel-precision) 시스템이 사용되었다. 모든 분석은 상온에서 수행되었다.
할라이드 페로브스카이트 나노결정을 합성하기 위하여 고온주입법이 사용되었다. 원료물질로는 cesium carbonate(Cs₂CO₃, 99 %, Sigma-Aldrich), lead iodide(PbI₂, 99 %,Sigma-Aldrich), lead bromide(PbBr₂, 98 %, SigmaAldrich), lead chloride(PbCl₂, 98 %, Sigma-Aldrich)가사용되었고 용매로는 1-octadecnen(ODE, 90 %, AlfaAesar), oleic acid(OA, 90 % Alfa Aesar), oleylamine(OAm, 70 %, Sigma-Aldrich), toluene(anhydrous, 99.

성능/효과

Fig. 4(a)는 EC로 제작된 필름의 결과인데 전류가 10 mA에서 50 mA로 증가할수록 전체적인 발광강도는 증가하는 추세를 보이나 청색영역의 발광피크에 비하여 녹색과 적색의 발광강도가 현저히 낮은 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 EC 고분자 바인더로 만들어진 필름이 전류가 증가할수록 강한 청색광 및 발생한 열에 의하여 열화현상이 일어나 가해진 청색광을 녹색과 적색으로 충분히 변환시키지 못하였기 때문이다.
Fig. 3(a)의 PL 스펙트럼 분석 결과 FWHM이 20~40 nm 이하로 디스플레이용 발광소재에 사용되기 적합한 고색순도의 청색, 녹색, 적색 발광소재가 합성 되었음을 확인할 수 있다. 또한 CsPbBr₃를 기준으로 X 자리에 Cl이 치환될수록 밴드갭이 커져 발광파장이 청색이동을 일으키고 I이 치환될수록 밴드갭이 작아져 적색이동을 일으킨다.
Commission International de I’Eclairage(CIE) 색좌표의 청색, 녹색 및 적색의 각 좌표를 연결한 면적이 NationalTelevision System Committee(NTSC) 면적 대비 각각 EC는 116 %이고 NOA63은 119 %를 나타내어 NOA63 발광필름을 이용하여 제작된 wLED의 색영역이 더 넓은것을 확인하였고 이에 따라 더 많은 색을 표현할 수 있음을 확인하였다.
CsPbBr3와CsPb(Br0.4I0.6)3의 패턴을 비교한 결과 I− 이온이 치환되었을 때 저각으로 피크 이동이 있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 Br−(0.196 nm)보다 이온반경이 더 큰 I−(0.22nm) 원소가 치환될수록 격자의 층간 거리가 넓어졌다는 것을 의미한다.
4의 전계발광 강도와 같이 발광효율 역시 NOA63이 EC에 비하여 높은 효율을 나타냄을 알 수 있다. NOA63의 우수한 기계적 성질에 의하여 우수한 광특성 및 고색순도를 가지는 녹색과 적색의 필름을 수득할 수 있었고, 이를 통하여 고효율의 wLED를 구현할 수 있음을 확인하였다.Fig.
또한 CsPbBr₃를 기준으로 X 자리에 Cl이 치환될수록 밴드갭이 커져 발광파장이 청색이동을 일으키고 I이 치환될수록 밴드갭이 작아져 적색이동을 일으킨다. 따라서 할로젠 치환을 통한 가시광 전영역의 발광파장 제어가 가능함을 확인하였다. Fig.
녹색과 적색 필름은 InGaN 청색칩에 적용하여 백색광을 구현하였다. 백색광 특성평가 결과 EC보다 NOA63으로 만들어진 필름이 전류향상에 따른 발광특성 저하가 적어 wLEDs에 사용되기 적합함을 확인하였다. 할라이드 페로브스카이트 나노결정을 통하여 제작된 wLEDs는 색좌표상 NTSC 대비 면적이 119 %로 차세대 디스플레이용 발광소재로 적용될 잠재력 있는 소재이다.
합성된 나노결정을 고분자 바인더와의 혼합을 통하여 제작된 필름의 광특성 분석 결과가 Table 1에 나타나 있다. 적색과 녹색 EC 필름은 각각 649 nm와 523 nm의 발광파장, 43 nm와 23nm의 FWHM, 그리고 23 %와 56 %의 PLQY를 나타내며 NOA63 필름의 경우 631 nm와 523 nm의 발광파장,32 nm와 20 nm의 FWHM, 그리고 50 %와 60 %의 PLQY로 NOA63 필름이 EC 필름보다 더 우수한 광특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. Fig.
합성된 나노결정은 wLEDs 패키지 제작을 위하여 EC와 NOA63 고분자 바인더를 사용하여 필름 형태로 제작되었다. 제작된 필름은 EC보다 NOA63을 사용하였을 때 더 우수한광특성을 나타내었고, 녹색과 적색 각각 약 20 nm와 30nm 정도로 좁은 FWHM과 약 60 %와 50 % 정도의 우수한 PLQY를 나타내었다. 녹색과 적색 필름은 InGaN 청색칩에 적용하여 백색광을 구현하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디스플레이 및 조명 분야에 상용화된 백색 발광 다이오드의 장점은 무엇인가?	백색 발광 다이오드(White light emitting diode, wLED)는 높은 에너지 효율, 긴 수명, 낮은 소비전력 및 환경 친화적인 측면을 기반으로 디스플레이 및 조명 분야에 상용화가 되고 있다[1, 2]. wLED를 구현하기 위한 일반적인방법은 InGaN 청색 LED 칩에 황색 형광체(Y3Al5O12 :Ce3+, YAG : Ce)를 실리콘 봉지재로 충진하여 적용된다[3].
	wLED를 구현하기 위한 일반적인 방법은 무엇인가?	백색 발광 다이오드(White light emitting diode, wLED)는 높은 에너지 효율, 긴 수명, 낮은 소비전력 및 환경 친화적인 측면을 기반으로 디스플레이 및 조명 분야에 상용화가 되고 있다[1, 2]. wLED를 구현하기 위한 일반적인방법은 InGaN 청색 LED 칩에 황색 형광체(Y3Al5O12 :Ce3+, YAG : Ce)를 실리콘 봉지재로 충진하여 적용된다[3]. 하지만 황색 형광체 발광 스펙트럼이 적색 영역과 녹색 영역을 커버하지 못하며 이의 넓은 발광스펙트럼에의하여 디스플레이에 사용되었을 때 많은 종류의 색을 표현하지 못한다[4].
	유무기 하이브리드 할라이드 페로브스카이트의 어떠한 특성들이 발광소재로 적합하다고 보는가?	최근 페로브스카이트의 뛰어난 광전기적 특성을 기반으로 광검출기, 및 레이저 등의 다양한 분야에 적용되고 있으며 특히 우수한 광특성을 바탕으로 발광소재 분야에서 큰 주목을 받고 있다[11]. 할라이드 페로브스카이트는 약 20 nm 정도의 좁은 발광 스펙트럼의 FWHM, 매우 우수한 광발광 양자효율(Photoluminescencequantum yield, PLQY), 조성제어 기반 가시광 전 영역(400~800 nm)을 커버하는 용이한 밴드갭 제어 및 낮은 합성 단가 등 발광소재로 적합한 특성을 나타내고 있다[12, 13]. 하지만 유무기 하이브리드 할라이드 페로브스카이트 소재는 A 자리 유기물의 안정성에 대한 문제가 제기되고 있어 유기물 대신 Cs+ 혹은 Rb+ 등의 무기 원소로 구성된 전 무기 할라이드 페로브스카이트 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[14-16].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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