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하이브리드 반도체 재료로 고성능 LED 생산 용이

프린터로 만든 첫 번째 페로브스카이트 LED
하이브리드 반도체 재료로 고성능 LED 생산 용이

흥미로운 발전 :
잉크젯 프린팅을 사용해 하이브리드 페로브스카이트-반도체 재료로부터 발광 다이오드를 생산하는 데 처음으로 성공했다. 지금까지 태양 전지로는 성공했지만 LED로는 성공하지 못했다. 새로운 방법은 이제 강력하고 밝은 LED뿐만 아니라 이런 반도체로 다른 전자 부품을 간단하고 저렴하게 생산할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.

▲ 처음으로 연구원들은 잉크젯을 사용하여 하이브리드-페로브스카이트 반도체에서 고성능 발광 다이오드 (녹색)를 인쇄했다. 이로 인해 새로운 응용 분야가 열렸다. © Claudia Rothkirch / HU 베를린

유기 반도체의 경우에 프린터 생산하는 것은 오래 전부터 가능하다.
과학자들은 이미 유기 태양 전지와 레이저 칩을 생산했다.
반도체 재료 페로브스카이트로 제조된 태양 전지도 잉크젯 인쇄를 사용하여 제조될 수 있다. 그러나 무엇보다도 발광 다이오드에 문제가 있었다. 특히 효율적이고 강한 빛을 내는 하이브리드 페로브스카이트 재료는 인쇄할 수 없었다. 이들 반도체에서, 유기 및 무기 성분은 페로브스카이트-결정 구조를 형성한다.

결정화 문제

여기서 문제점은 페로브스카이트 구조는 증착 후에 지지 물질상에서만 결정화되기 때문에, 생성된 결정 구조의 품질을 제어하기 어렵다. 유망한 금속 할로겐화물 페로브스카이트는 일반적으로 격자에서 많은 결함을 형성해 결과적인 LED의 성능을 저하시킨다.
베를린 훔볼트 대학교(HU, Humboldt University Berlin)의 에밀 리스트-크라토흐빌(Emil List-Kratochvil)은 “지금까지 충분한 품질을 갖는 액체 용액으로부터 이러한 반도체층을 생산하는 것은 불가능했다”고 말했다.

HU의 첫 번째 저자 펠릭스 헤르머쉬미트(Felix Hermerschmidt)가 이끄는 연구팀이 페로브스카이트 물질의 결정화를 최적화하는 방법을 발견해 결정적인 돌파구를 마련했다.
핵심은 금속 암모늄-납브로마이드(MAPbBr3)로 만들어진 반도체 액체를 적용하기 전에, 캐리어 염화물 (폴리머)에 염화칼륨 염을 접목했다.

▲ 페로브스카이트(CaTiO3) 결정구조

주최자로서의 소금

현미경에서 이전에 확산된 구조화되지 않은 담체 물질은 염 접목으로 결정 구조를 가진다는 것이 밝혀졌다. 연구원들은 “작은 미세 결정이 염화칼륨 1리터 당 5그램에서 발견되었으며, 1 리터 당 15그램의 높은 농도에서 수지상 결정 구조가 수십 마이크로미터 이상으로 확장되는 것을 볼 수 있다”고 보고했다.

다음 단계에서 Hermerschmidt와 동료들은 잉크젯 프린터를 사용하여 하이브리드-페로브스카이트 재료를 이 기판에 적용했다. 그 결과 기판의 결정 구조가 반도체로 옮겨지고 질서 정연하게 결정화시켰다. 과학자들은 “우리 방법은 결정층을 사용해 인쇄된 층의 결정화를 직접 제어한다”고 말했다.

이전보다 20배 더 빠름

연구원들은 잉크젯을 사용해 이러한 여러 LED를 생산하고 시험함으로써 하이브리드-페로브 스카이트에서 인쇄된 발광 다이오드의 성능에 이것이 의미하는 바를 테스트했다.
측정 결과, 인쇄된 LED는 2.6볼트의 임계 전압에서 4,000 칸델라의 광도에 도달한 것으로 나타났다. 이것은 소금이 없는 인쇄 테스트와 비교하여 20배의 휘도 증가에 해당한다.

▲ 자연에서 발견된 페로브스카이트 광물, American Museum of Natural History, Clarence Bement collection, donated in 1910.

Hermerschmidt와 그의 동료들은 “처음으로, 우리는 금속 할로겐화물 페로브스카이트로 만들어진 발광 다이오드를 생산했다”고 말했다. 이 기술은 고성능 LED 및 기타 반도체 부품을 간단하고 대량으로 생산할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.

리스트-크라토흐빌(List-Kratochvil)은 설명을 덧붙였다.
“구성에 따라 모든 유형의 마이크로 전자 부품을 제조할 수 있다. 단순하고 저렴한 단일 공정으로 모든 구성 요소를 제조할 수 있는 보편적으로 적용 가능한 재료 등을 사용하는 장점은 매우 인상적이다”

(Materials Horizons, 2020; doi : 10.1039 / d0mh00512f)
자료 : Helmholtz Center Berlin for Materials and Energy GmbH

[더사이언스플러스]

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