KR101986010B1 - 연속적인 원편광이색성 박막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연속적인 원편광이색성 박막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 소자 에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적인 원편광이색성 박막은, 키랄 유기물; 및 상기 키랄 유기물에 결합하고, 금속 이온 및 할로겐 이온을 포함하는 무기물을 포함하는 유무기 하이브리드 화합물을 가지며 원편광이색성을 나타내는 연속적 박막을 포함하며, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지며, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 하기 화학식 1 내지 화학식 4 로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
A2MX4 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 2]
AMX3 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 3]
A3BX6 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 4]
A3B2X7 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 1]
A2MX4 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 2]
AMX3 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 3]
A3BX6 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 4]
A3B2X7 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
Description
본 발명은 광학 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연속적인 원편광이색성 박막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 소자에 관한 것이다.
키랄리티(chirality)는 물질의 기하학적 성질로서, 어떠한 물질이 거울대칭성(mirror plane symmetry)이나 반전대칭(inversion symmetry)을 가지고 있지 않을 때 나타나는 성질이다. 상기 키랄리티를 갖는 물질을 키랄(chiral) 물질이라 지칭하며, 상기 키랄 물질은 서로가 서로의 거울상이지만 기하학적으로 구별되는 거울상 이성질체들(enantiomers)로서 존재하게 된다. 상기 거울상 이성질체들의 구조적 차이는 아주 작지만, 생리학적, 전기적, 광학적 성질이 크게 달라질 수 있다.
상기 키랄 물질의 상기 이성질체들이 서로 다르게 나타낼 수 있는 광학적인 성질들 중 원편광이색성(circular dichroism; CD)이 대표적으로 알려져 있다. 원편광은 광의 전기장이 시계 혹은 반시계방향으로 회전하는 광을 의미하며 회전의 방향에 따라 좌원편광(Left CP, LCP), 우원편광(Right CP, RCP)으로 구분될 수 있다. 원편광이색성이란 어떠한 물질이 두 종류의 원편광(LCP, RCP)된 광을 다른 정도로 흡수하는 것을 의미한다.
상기 키랄리티와 상기 원편광이색성은 다양한 유기(생체)분자에서 발견되는 성질이지만, 순수한 무기물기반 반도체물질에서는 이러한 원편광이색성이 구현되기 매우 어렵다. 그러나 최근, 원편광된 광을 이용하는 소자에 응용하기 위해서, 상기 키랄리티를 갖는 유기물, 즉 키랄 유기물을 무기물계 반도체물질인 양자점(quantum dot)의 표면에 도입하였을 때, 상기 유기물의 키랄리티가 상기 무기물계 반도체물질로 전이될 수 있음이 발견되었다. 이러한 키랄 유기물과 무기물계 반도체의 조합에 의해 키랄리티를 구현하는 합성 물질을 키랄 양자점 구조체라 지칭할 수 있다.
그러나, 상기 키랄 양자점 구조체는 나노 입자적 성질에 의하여, 양호한 내구성 및 수명을 갖는 고품질의 연속적인 박막을 얻기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 상기 키랄 양자점 구조체의 표면에는 전자와 양공과 같은 전하 전달체가 이동할 수 없는 장벽이 존재할 수 있어, 연속된 형태로 상기 키랄 양자점 구조체를 제조할 수 없으므로, 상기 키랄 양자점 구조체는 박막 형태를 요구하는 광전 소자, 광학 소자 및 전기 장치에는 응용이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 우수한 원편광이색성을 확보하면서도 전자와 양공과 같은 전하 전달체의 이동이 가능하며, 고품질을 갖도록 연속적프로파일을 갖는 연속적 박막을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 연속적 박막의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 연속적 박막을 포함하는 광학 소자를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적인 원편광이색성 박막은, 키랄 유기물; 및 상기 키랄 유기물에 결합하고, 금속 이온 및 할로겐 이온을 포함하는 무기물을 포함하는 유무기 하이브리드 화합물을 가지며 원편광이색성을 나타내는 연속적 박막을 포함하며, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지며, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 하기 화학식 1 내지 화학식 4 로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
A2MX4(여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임)
[화학식 2]
AMX3 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 3]
A3BX6 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 4]
A3B2X7 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
또한, 일 실시예에서, 상기 원편광이색성이 나타나는 파장 대역은 350nm 내지 800 nm의 범위 내일 수 있으며, 상기 키랄 유기물 및 상기 무기물 중 적어도 하나를 포함하는 결정성 용액의 농도는 5 wt% 내지 66 wt% 범위 내일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 선형 구조로 성장될 수 있으며, 상기 결정성 용액의 농도는 50 wt% 내지 66 wt% 범위 내일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 (020) 방향으로 우선 배향될 수 있으며, 상기 결정성 용액의 농도는 50 wt% 내지 66 wt% 범위 내일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연속적 박막의 두께는 100 nm 내지 5 ㎛ 의 범위를 가질 수 있다. 상기 키랄 유기물은 S-Methylbenzylamine(S-MBA), R-Methylbenzylamine (R-MBA), S-(+)-Butylamine(S-BA) 및 R-(-)-Butylamine(R-BA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상기 금속 이온은 준금속, 전이 금속 및 전이 후 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막의 제조 방법은, 금속 화합물을 준비하는 단계; 할로겐 이온을 포함하는 액상 용액을 준비하는 단계; 상기 액상 용액에 상기 금속 화합물을 용해시켜 혼합 용액을 형성하는 단계; 상기 혼합 용액에 키랄 유기물을 혼합하여 결정성 침전물을 형성하는 단계; 상기 결정성 침전물을 용매에 분자 및 이온 수준으로 용해시켜 결정성 용액을 형성하는 단계; 및 상기 결정성 용액을 기판에 코팅하여 연속적 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 결정성 침전물은 상기 키랄 유기물과 상기 금속 이온 및 상기 할로겐 이온을 포함하는 무기물을 포함하는 유무기 하이브리드 화합물의 파우더이며, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 결정성 용액을 상기 기판에 코팅한 후, 상기 결정성 용액에 포함된 상기 용매를 제거하기 위해 건조 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 연속적 박막의 두께는 상기 결정성 용액의 농도 및 상기 코팅 조건에 따라 조절 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 용매는 DMF(Dimethylformamide), GBL(γ-butyrolactone), DMSO(dimethyl sulfoxide), NMP(N-methylpyrrolidone), 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 클로로포름, 클로로벤젠, 물 및 이의 조합 및 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 결정성 용액을 기판에 코팅하는 단계는, 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 나이프 코팅(knife coating), 롤 코팅(roll coating), 리버스 롤 코팅(reverse roll coating), 캘린더 코팅(calendar coating), 커튼 코팅(curtain coating), 압출 코팅(extrusion coating), 캐스트 코팅(cast coating), 역 로드 코팅(inverted rod coating), 조각-롤 코팅(engraved-roll coating), 침지 코팅(dip coating), 에어-나이프 코팅(air-knife coating) 및 거품 코팅(foam coating) 중 적어도 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자는, 광 검출기 및 발광 소자를 포함하며, 상기 광 검출기 및 상기 발광 소자 중 적어도 하나는 상기 연속적 박막을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 키랄 유기물과 금속 이온 및 할로겐 이온을 포함하는 무기물을 포함하며, 분자 및 이온 수준으로 용해된 페로브스카이트의 전구 물질 용액으로부터 박막을 제조함으로써, 전자와 양공과 같은 전하 전달체의 이동이 가능하며, 고성능의 연속적인 특징 및 원편광이색성을 갖는 연속적 박막을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 상기 페로브스카이트는 반도체 성질을 띠는 층이 종래의 양자점과 같이 유기물에 의해 고립되어 있지 않고 상대적으로 더 넓은 범위에 연속적으로 형성될 수 있기 때문에, 전하 전달체가 자유롭게 이동 가능하여 상기 양자점보다 광학 소자 및 전기 장치로의 응용 범위가 확대될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막의 사시도 및 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 키랄 유기물의 일 실시예인 S-Methylbenzylamine 및 R-Methylbenzylamine을 나타내는 구조식이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 화합물의 페로브스카이트 결정 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 연속적 박막의 제조 방법을 나타내기 위한 순서도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 화합물의 파우더와 브롬화 칼륨(KBr)을 이용하여 제작한 펠릿(pellet)을 나타낸 광학 이미지 및 상기 펠릿의 원편광이색성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 결정성 용액의 농도에 따라 제조된 연속적 박막의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막에 포함되는 결정성 용액의 농도에 따라, 상기 연속적 박막의 X-ray 회절 분광법(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막에 포함되는 결정성 용액의 농도에 따라, 상기 연속적 박막의 원편광이색성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 연속적 박막을 제조할 때, 스핀 코팅의 속도에 따라 조절되는 연속적 박막의 두께를 나타낸 주사전자현미경 이미지이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 9와 같이 두께가 조절된 연속적 박막의 X-ray 회절 분광법 분석 결과, 원편광이색성 분석 결과 및 흡광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막을 포함하는 광 검출기를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막을 포함하는 발광 소자를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 키랄 유기물의 일 실시예인 S-Methylbenzylamine 및 R-Methylbenzylamine을 나타내는 구조식이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 화합물의 페로브스카이트 결정 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 연속적 박막의 제조 방법을 나타내기 위한 순서도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 화합물의 파우더와 브롬화 칼륨(KBr)을 이용하여 제작한 펠릿(pellet)을 나타낸 광학 이미지 및 상기 펠릿의 원편광이색성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 결정성 용액의 농도에 따라 제조된 연속적 박막의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막에 포함되는 결정성 용액의 농도에 따라, 상기 연속적 박막의 X-ray 회절 분광법(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막에 포함되는 결정성 용액의 농도에 따라, 상기 연속적 박막의 원편광이색성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 연속적 박막을 제조할 때, 스핀 코팅의 속도에 따라 조절되는 연속적 박막의 두께를 나타낸 주사전자현미경 이미지이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 9와 같이 두께가 조절된 연속적 박막의 X-ray 회절 분광법 분석 결과, 원편광이색성 분석 결과 및 흡광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막을 포함하는 광 검출기를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막을 포함하는 발광 소자를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명된다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 부재 또는 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들에 대해 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막(P)의 사시도 및 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 함께 참조하면, 연속적 박막(P)은 키랄 유기물 및 상기 키랄 유기물에 결합되는 무기물을 포함하는 유무기 하이브리드 화합물을 포함하며, 원편광이색성이 나타날 수 있다. 상기 유무기 하이브리드 화합물은 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있으며, 하기 화학식 1 내지 화학식 4로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
A2MX4
상기 식에서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온일 수 있다.
[화학식 2]
AMX3
상기 식에서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온일 수 있다.
[화학식 3]
A3BX6
상기 식에서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온일 수 있다.
[화학식 4]
A3B2X7
상기 식에서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온일 수 있다.
상기 키랄 유기물은 키랄성(chirality)을 가지고 있는 유기 분자를 지칭할 수 있다. 상기 키랄성이란, 상기 유기 분자 자체 및 상기 유기 분자의 거울상(mirror image)이 서로 포개질 수 없는 구조를 의미할 수 있다. 상기 유기 분자 및 상기 유기 분자의 거울상은 서로 포개어질 수 없기 때문에 서로 다른 화합물이며, 상기 유기 분자 및 상기 유기 분자의 거울상의 관계를 거울상 이성질체(enantiomer)라 할 수 있다. 즉, 상기 거울상 이성질체는 상기 유기 분자 자체 및 상기 분자의 거울상이 서로 겹쳐지지 않는 이성질체를 의미할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 거울상 이성질체는 구조가 동일하고, 치환기의 위치가 대칭적으로 존재하므로 고유 광회전도([a]D)를 제외하고는 모든 물리적 및 화학적 성질이 동일할 수 있다. 따라서, 상기 거울상 이성질체는 화학 반응성이 동일하고, 물리적 성질 역시 동일하므로 증류, 재결정 및 크로마토그래피(chromatography)를 포함하는 일반적인 분리 방법으로는 상기 유기 분자 및 상기 분자의 거울상이 서로 구별되지 않을 수 있다. 상기 유기 분자 및 상기 유기 분자의 거울상을 구별하는 방법 중 하나로 원편광이색성이 있을 수 있다. 상기 원편광이색성에 대한 내용은 후술하기로 한다.
일 실시예에서, 상기 거울상 이성질체들의 상기 키랄성은 주로, 분자들의 구조가 탄소 원자를 키랄 중심으로 하는 정사면체 구조를 갖기 때문에 나타나지만, 이에 한정된 것은 아니다. 예컨대, 상기 분자의 질소 원자, 규소 원자 및 인 원자가 상기 키랄 중심을 이루어도 상기 키랄성을 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 분자가 상기 키랄 중심을 갖고 있지 않아도 상기 키랄성을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 분자가 탄소 원자-탄소 원자로 이루어진 단일 결합(C-C 단일 결합)을 축으로 하는 회전에 장애가 있어 회전이 일어나지 않는 경우에도 상기 키랄성을 가질 수 있다. 이처럼, 상기 키랄 중심을 가지고 있지 않지만 상기 탄소 원자-탄소 원자로 이루어진 단일 결합의 제한된 회전으로 인하여 상기 거울상 이성질체로 존재하는 이성질체를 회전장애 이성질체(atropisomer)라고 할 수 있으며, 대표적인 화합물의 예로 바이페닐(biphenyl)이 있다.
일 실시예에서, 상기 키랄 유기물은 대칭 요소를 포함하지 포함할 수도 있다. 상기 대칭 요소는 대칭면, 대칭 중심 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 대칭면이란, 물체 혹은 분자를 둘로 나누었을 때 생기는 제 1 면과 제 2 면이 정확하게 대칭되도록 가로지르는 가상의 면을 의미할 수 있다. 또한, 상기 대칭 중심이란, 물체나 분자의 중심에 위치하여 상기 대칭 중심을 기준으로 상기 물체나 상기 분자의 동일한 성분이 같은 거리만큼 정반대 방향에 위치하게 되는 가상의 점을 의미할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 키랄 유기물은 S-Methylbenzylamine(S-MBA), R-Methylbenzylamine (R-MBA), S-(+)-Butylamine(S-BA) 및 R-(-)-Butylamine(R-BA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 키랄 유기물과 같이 특정한 키랄 유기물에서만 상기 원편광이색성이 나타나는 것이 아니고, 다른 키랄 유기물을 포함하더라도 상기 원편광이색성이 나타날 수 있다.
일 실시예에서, 상기 키랄 유기물 및 상기 무기물 중 적어도 하나를 포함하는 결정성 용액의 농도는 5 wt% 내지 66 wt% 범위 내일 수 있다. 상기 범위 내에서, 상기 원편광이색성이 나타나는 파장 대역은 350 nm 내지 800 nm 의 범위 내일 수 있다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 상기 결정성 용액의 농도가 66 wt% 를 초과할 때, 상기 원편광이색성이 나타나는 파장 대역이 800 nm 초과일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 무기물은 금속 이온 및 할로겐 이온을 포함할 수 있다. 상기 금속 이온은 준금속, 전이 금속 및 전이 후 금속 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 준금속은 붕소(B), 실리콘(Si), 저머늄(Ge), 비소(As), 안티몬(Sb), 텔루륨(Te) 및 폴로늄(Po) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 전이 금속은 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브데늄(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 은(Ag), 카드늄(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au) 및 수은(Hg) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 할로겐 이온은 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 및 아스타틴(At) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전술한 키랄 유기물 및 상기 키랄 유기물에 결합되는 무기물을 포함하는 유무기 하이브리드 화합물이 갖는 페로브스카이트 결정 구조는 상기 화학식 1과 같이 A2MX4의 화학식으로 구성될 수 있다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 예컨대, AMX3 , A3BX6 및 A3B2X7와 같은 화학식으로 구성될 수 있다.
상기 AMX3 화학식은 다른 실시예에 따른 페로브스카이트형 물질인 CaTiO3와 같은 결정 구조를 가지는 물질을 지칭한다. 상기 화학식 A2MX4와 상기 화학식 AMX3 , A3BX6 및 A3B2X7은 양이온(A 및 M)과 음이온(X)을 가지고 있으므로, 이에 따라 상기 유무기 하이브리드 화합물이라는 용어가 사용될 수 있다. 상기 페로브스카이트는 조성에 따라 강유전성, 반도성, 초전도성, 이온 전도성, 혼합도전성, 전기 광학 효과 및 촉매능의 특성을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 페로브스카이트 결정 구조의 유무기 하이브리드 화합물을 포함하는 연속적 박막(P)은 기판(B)상에 배치될 수 있다. 상기 연속적 박막의 두께는 100 nm 내지 5 ㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 연속적 박막의 두께가 100 nm 미만인 경우에는, 유무기 하이브리드 화합물의 연속적 박막 구조를 얻기 어려우며, 그 두께가 5 ㎛를 초과하는 경우에는, 원편광이색성의 효율이 감소될 수 있다.
기판(B)은 유리, 석영, AlO, SiC 또는 MgO 등을 포함하는 투명한 무기 세라믹 기재, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리이미드(PI), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐피롤리돈(PVP) 및 폴리에틸렌(PE)을 포함하는 투명 플렉서블한 유기물 기재, 또는 Si, Ge, GaAs, InP, InSb, InAs, AlAs, AlSb, CdTe, ZnTe, ZnS, CdSe, CdSb 및 GaP와 같은 반도체 기재를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 키랄 유기물의 일 실시예인 S-Methylbenzylamine(S-MBA) 및 R-Methylbenzylamine(R-MBA)을 나타내는 구조식이다.
도 2a 및 도 2b를 함께 참조하면, S-MBA 및 R-MBA는 서로 거울상을 갖는 키랄 유기 분자이다. 상기 키랄 유기 분자의 S- 및 R-은 치환기를 호칭하는 순서의 방향으로 정해질 수 있다. 예컨대, 상기 키랄 유기 분자를 명명하는 순서는 첫째, 상기 키랄 유기 분자에 키랄 중심을 정하고, 상기 키랄 유기 분자의 4 개의 치환기 중 우선 순위가 가장 높은 치환기부터 1 로 시작하여, 가장 낮은 치환기까지 차례대로 번호를 배정할 수 있다. 즉, 상기 우선순위가 가장 낮은 치환기의 번호는 4 가 될 수 있다. 상기 우선순위가 가장 낮은 치환기를 정사면체 구조의 가장 뒷면, 즉 키랄 중심으로부터 가장 멀리 위치시킨 후, 우선순위가 높은 순서대로(1 ~ 3) 호칭한다. 호칭되는 방향이 시계 방향(오른쪽)이면 R-, 반시계 방향(왼쪽)이면 S-로 정해질 수 있다.
상기 S-MBA 및 상기 R-MBA의 아미노기(NH2)에서, 상기 S-MBA의 상기 아미노기(NH2)는 지면의 앞으로 나와있고, 상기 R-MBA의 상기 아미노기(NH2)는 지면의 뒤로 물러나 있어 서로 동일하지 않은 키랄 구조를 가질 수 있다. 상기 S-MBA와 상기 R-MBA 중 하나의 유기 분자만을 사용하여 연속적 박막을 제조하면 원편광이색성이 나타날 수 있다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 화합물의 페로브스카이트 결정 구조((S-MBA)2PbI4, (R-MBA)2PbI4)를 도시한다. 상기 유무기 하이브리드 화합물은 상기 키랄 유기물 및 상기 키랄 유기물에 결합되는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 무기물은 금속 이온 및 할로겐 이온을 포함하며, 상기 금속 이온은 준금속, 전이 금속 및 전이 후 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 페로브스카이트 결정 구조는 화학식 1에 따라 상기 도 2a 및 도 2b에서 전술한 키랄 유기 분자(S-MBA, R-MBA)가 금속 이온 및 할로겐 이온으로 이루어진 무기 분자와 결합한 구조이다. 여기서, 상기 금속 이온은 납(Pb)이 사용되었고 할로겐 이온으로는 요오드(I)가 사용되었다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 전술한 것과 같이, 상기 금속 이온은 준금속, 전이 금속 및 전이 후 금속 중 어떤 금속 이온이든 사용 가능할 수 있으며, 할로겐 이온 또한 종류에 관계 없이 사용 가능할 수 있다.
구체적으로, 상기 페로브스카이트 결정 구조 내에서, 팔면체 중심에 1 개의 금속 이온(예: 납(Pb))이 배치되고 상기 팔면체의 꼭지점에 6 개의 할로겐 이온(예: 요오드(I))이 배치되어 하나의 무기 분자를 구성하고, 이러한 무기 분자들은 횡방향으로 하나의 할로겐 이온을 공유하여 결합되고, 종방향으로 적어도 하나 초과의 키랄 유기 분자(예: S-MBA 또는 R-MBA)를 통해 결합될 수 있다. 예를 들면, 횡방향의 2 개의 무기 분자들은 각각 하나의 할로겐 이온을 공유하여 결합되며 종방향으로 2 개의 무기 분자들은 2 개의 키랄 유기 분자들을 통해 결합될 수 있다. 이러한 횡방향의 무기 분자들간 결합과 종방향의 무기 분자들간 결합을 통해, 연속된 2차원 형태로 확장된 상기 키랄 구조체가 형성될 수 있으며, 상기 키랄 구조체의 표면에서 전자와 양공과 같은 전하 전달체가, 종래의 키랄 양자점 구조체가 갖는 장벽과 같은 방해 요인을 겪지 않고 이동할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 키랄 유기 분자의 농도에 따라 상기 유무기 하이브리드 화합물은 선형 구조로 성장될 수 있다. 또한, 상기 키랄 유기 분자의 농도에 따라 상기 유무기 하이브리드 화합물의 결정성이 변하여 우선 배향되는 방향이 달라질 수 있다. 상기 키랄 유기분자의 농도, 상기 유무기 하이브리드 화합물의 선형구조 및 결정성에 관한 내용은 후술하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막의 제조 방법을 나타내기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 상기 연속적 박막의 제조 방법은 금속 화합물을 준비하는 단계(S10), 할로겐 이온을 포함하는 액상 용액을 준비하는 단계(S20), 상기 액상 용액에 상기 금속 화합물을 용해시켜 혼합 용액을 형성하는 단계(S30), 상기 혼합 용액에 키랄 유기물을 혼합하여 결정성 침전물을 형성하는 단계(S40), 상기 결정성 침전물을 용매에 분자 및 이온 수준으로 용해시켜 결정성 용액을 형성하는 단계(S50) 및 상기 결정성 용액을 기판에 코팅하여 연속적 박막을 형성하는 단계(S60)를 포함할 수 있다. 금속 화합물을 준비하는 단계(S10)와 상기 금속 화합물을 용해시켜 혼합 용액을 형성하는 단계(S20)는 선후 관계없이 수행될 수 있다.
금속 화합물을 준비하는 단계(S10)에서 상기 금속은 준금속, 전이 금속 및 전이 후 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며 산화납(PbO)과 같은 금속 화합물이 고체 상태로 준비될 수 있다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 예컨대, SiO2, B2O2, GeO, ZnO, PbO, CdO, V2O5, SnO, ZrO2 및 MoO3와 같은 다른 금속 화합물이 준비될 수도 있다.
할로겐 이온을 포함하는 액상 용액을 준비하는 단계(S20)에서 요오드화수소산(HI)과 같은 액상 용액이 준비될 수 있다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 예컨대, 염산, 브로민화수소산, 트리플루오로메탄술폰산, 트리플루오로아세트산, 트리클로로아세트산 및 퍼플루오로프로피온산과 같은 할로겐 이온을 포함하는 다른 액상 용액이 준비될 수 있다.
상기 액상 용액과 상기 금속 화합물이 준비된 이후, 상기 액상 용액에 상기 금속 화합물을 용해시켜 혼합 용액을 형성하는 단계(S30)가 수행될 수 있다. 상기 혼합 용액을 형성한 후 키랄 유기물을 혼합하여 결정성 침전물을 형성하는 단계(S40)가 수행될 수 있다. 상기 키랄 유기물은 S-Methylbenzylamine(S-MBA), R-Methylbenzylamine (R-MBA), S-(+)-Butylamine(S-BA) 및 R-(-)-Butylamine(R-BA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 키랄성을 갖는 다른 유기물을 포함할 수도 있다. 상기 결정성 침전물은 상기 키랄 유기물과 상기 금속 이온 및 상기 할로겐 이온을 포함하는 무기물을 포함하는 유무기 하이브리드 화합물의 파우더이며, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 전술한 S10 단계에서 상기 금속 화합물이 산화납이고, S20 단계에서 상기 할로겐 이온을 포함하는 상기 액상 용액이 요오드화수소산이며, S30 단계에서 상기 키랄 유기물이 R-MBA이라면, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 (R-MBA)2PbI4의 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 것과 같이 다른 금속 화합물, 액상 용액 및 키랄 유기물을 사용하더라도 상기 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다.
상기 결정성 침전물을 용매에 분자 및 이온 수준으로 용해시켜 결정성 용액을 형성하는 단계(S50)가 수행될 수 있다. 상기 결정성 용액의 농도는 5 wt% 내지 66 wt% 범위를 가질 수 있으며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 용매는 DMF(Dimethylformamide), GBL(γ-butyrolactone), DMSO(dimethyl sulfoxide), NMP(N-methylpyrrolidone), 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 클로로포름, 클로로벤젠, 물 및 이의 조합 및 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 결정성 침전물을 분자 및 이온 수준으로 용해시킴으로써, 전자와 양공과 같은 전하 전달체의 이동이 가능하며, 양호한 내구성 및 수명을 갖는 고성능의 연속적인 특징을 갖는 연속적 박막을 제조할 수 있다.
상기 결정성 용액을 기판에 코팅하여 연속적 박막을 형성하는 단계(S60)는 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 나이프 코팅(knife coating), 롤 코팅(roll coating), 리버스 롤 코팅(reverse roll coating), 캘린더 코팅(calendar coating), 커튼 코팅(curtain coating), 압출 코팅(extrusion coating), 캐스트 코팅(cast coating), 역 로드 코팅(inverted rod coating), 조각-롤 코팅(engraved-roll coating), 침지 코팅(dip coating), 에어-나이프 코팅(air-knife coating) 및 거품 코팅(foam coating) 중 적어도 어느 하나에 의해 수행될 수 있다. 상기 결정성 용액을 코팅한 후, 상기 결정성 용액에 포함된 상기 용매를 제거하기 위해 건조 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 연속적 박막은 원편광이색성을 나타내는 것이며, 상기 연속적 박막의 두께는 상기 결정성 용액의 농도 및 상기 코팅 조건에 따라 조절이 가능할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 화합물의 파우더와 브롬화 칼륨(KBr)을 이용하여 제작한 펠릿(pellet)을 나타낸 광학 이미지 및 상기 펠릿의 원편광이색성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 전술한 도 4의 S40 단계에서 형성되는 상기 결정성 침전물을 용매에 분자 및 이온 수준으로 용해시켜 결정성 용액을 형성하는 단계(S50) 및 상기 결정성 용액을 기판에 코팅하여 연속적 박막을 형성하는 단계(S60)를 거치지 않고 펠릿 형태로 구조체가 제조될 수 있다. 상기 결정성 침전물인 상기 유무기 하이브리드 화합물은 파우더의 형태로 존재하나, 브롬화칼륨(KBr)과 혼합하면 상기 파우더가 상기 펠릿 구조체(100)로 제조될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 일 실시예에서, 상기 펠릿 구조체(100)인 유무기 하이브리드 화합물의 원편광이색성을 측정하기 위해 제조된 상기 유무기 하이브리드 화합물은, 포함되는 상기 키랄 유기물, 상기 금속 이온 및 상기 할로겐 이온에 따라 (R-MBA)2PbI4, (S-MBA)2PbI4 및 (rac-MBA)2PbI4의 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다. 상기 (rac-MBA)2PbI4에서 rac-MBA는 상기 R-MBA 및 S-MBA를 1:1 비율로 혼합된 물질이며, X-ray 회절 분광법(XRD)에 따라 상기 (R-MBA)2PbI4 , 상기 (S-MBA)2PbI4 및 상기 (rac-MBA)2PbI4의 결정성이 분석되었을 때(미도시), 상기 (R-MBA)2PbI4 , 상기(S-MBA)2PbI4 및 상기 (rac-MBA)2PbI4 모두 큰 차이가 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (R-MBA)2PbI4 , 상기(S-MBA)2PbI4 및 상기 (rac-MBA)2PbI4의 원편광이색성 측정 결과를 보면, 상기 (R-MBA)2PbI4 , 상기(S-MBA)2PbI4 및 상기 (rac-MBA)2PbI4 모두 뚜렷한 원편광이색성이 나타나지 않음을 확인할 수 있다. x축인 파장 대역(350 nm ~ 600 nm)에서 측정되는 y축인 CD(좌편광된 광의 흡광도 - 우편광된 광의 흡광도; 원편광이색성)를 참조하면, 전체 파장 대역에 걸쳐 CD가 약 -20 mdeg ~ 15 mdeg까지 무질서하게 나타남을 알 수 있다. 특정 대역의 파장에서만 CD가 나타나는 것이 아니기 때문에, 뚜렷한 원편광이색성이 나타나지 않음을 알 수 있다. 따라서, 상기 파우더 형태 및 상기 펠릿 구조체(100)인 유무기 하이브리드 화합물에서는 원편광이색성이 뚜렷하게 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 결정성 용액의 농도에 따라 제조된 연속적 박막의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지(C1 ~ C4)이다.
도 6을 참조하면, C1 ~ C4 이미지는 각각 상기 (R-MBA)2PbI4를 포함하는 상기 연속적 박막이다. C1은 상기 (R-MBA)2PbI4에 포함되는 상기 결정성 용액의 농도가 20 wt%이고, C2는 상기 (R-MBA)2PbI4에 포함되는 상기 결정성 용액의 농도가 44 wt%이며, C3 및 C4는 각각 50 wt% 및 66 wt% 이다.
일 실시예에서, C1을 참조하면, 상기 유무기 하이브리드 화합물의 결정 모양이 평평한 구조로 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. C2를 참조하면, C1의 결정 모양보다 성장하였지만, 선형 구조를 갖는다고 보기에는 어려울 수 있다. C3 및 C4를 참조하면 상기 결정들이 서로 교차하며 연결되어 있는 선형 구조의 결정 모양을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 유무기 하이브리드 화합물의 결정 모양은 상기 결정성 용액의 농도가 증가될수록 선형적으로 성장되는 구조를 가질 수 있다. 상기 선형적으로 성장되는 구조는 needle 형태의 결정 구조라고 지칭될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 결정성 용액의 농도를 최대 66 wt%로 포함하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 상기 결정성 용액의 농도를 66 wt% 초과 포함하였을 경우 C4에서 보여지는 상기 결정 모양보다 선형적으로 더욱 성장된 결정 모양을 확인할 수 있다. 상기 유무기 하이브리드 화합물에 R-MBA, Pb 및 I 가 포함된 (R-MBA)2PbI4의 페로브스카이트 구조만을 도시하였으나, 다른 키랄 유기물, 금속 이온 및 할로겐 이온을 포함할 수 있으며 이 경우에도 포함되는 상기 결정성 용액의 농도가 증가될수록, 상기 유무기 하이브리드 화합물의 결정 모양이 선형적으로 성장되는 구조를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막에 포함되는 결정성 용액의 농도에 따라, 상기 연속적 박막의 X-ray 회절 분광법(XRD) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 (R-MBA)2PbI4이며, 상기 유무기 하이브리드 화합물에 포함되는 상기 결정성 용액의 농도에 따라 상기 유무기 하이브리드 화합물의 결정성이 변하는 것을 알 수 있다. 상기 결정성 용액의 농도가 20 wt%일 경우, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 (002) 방향으로 우선 배향되는 것을 알 수 있다. 상기 결정성 용액의 농도가 40 wt%로 증가할 경우, 상기 (002) 방향 및 상기 20 wt%에서 나타나지 않았던 (020) 방향으로 우선 배향되는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 결정성 용액의 농도가 50 wt% 및 66 wt%로 증가할 경우에는 상기 (002) 방향으로 우선 배향되는 것이 사라지고, 상기 (020) 방향으로만 우선 배향되는 것을 알 수 있다.
도 7에서는 상기 유무기 하이브리드 화합물로 (R-MBA)2PbI4를 66 wt% 농도까지 도시하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 유무기 하이브리드 화합물은 다른 키랄 유기물, 금속 이온 및 할로겐 이온을 포함할 수 있으며 이 경우에도 상기 결정성 용액의 농도에 따라 상기 유무기 하이브리드 화합물의 결정성이 변할 수 있다. 또한, 상기 결정성 용액의 농도가 66 wt% 초과일 경우에 상기 유무기 하이브리드 화합물의 결정성이 변하여 (020) 방향이 아닌 다른 방향으로 우선 배향될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막에 포함되는 결정성 용액의 농도에 따라, 상기 연속적 박막의 원편광이색성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 전술한 것과 같이 도 5a 및 도 5b에서 도시한 상기 유무기 하이브리드 화합물이 파우더 형태일 경우 원편광이색성이 나타나지 않으나, 상기 유무기 하이브리드 화합물이 상기 연속적 박막의 형태를 가질 경우, 원편광이색성이 나타남을 확인할 수 있다. 따라서, 원편광이색성은 상기 유무기 하이브리드 화합물이 상기 연속적 박막 형태일때만 나타나는 특정한 성질임을 알 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연속적 박막에 포함되는 상기 결정성 용액의 농도에 따라 상기 연속적 박막의 원편광이색성이 나타나는 파장 대역이 달라짐을 확인할 수 있다. 예컨대, 상기 결정성 용액의 농도가 20 wt%인 그래프를 참조하면, 상기 파장 대역이 약 425 nm 내지 475 nm 일 때 원편광이색성이 나타나지 않으나, 상기 결정성 용액의 농도가 40 wt% 및 50 wt% 일 때 상기 파장 대역(425 nm 내지 475 nm)에서 원편광이색성이 나타남을 확인할 수 있다. 또한, 상기 결정성 용액의 농도가 20 wt%인 그래프를 참조하면 상기 파장 대역이 525 nm보다 장파장인 경우 원편광이색성이 나타나지 않았지만, 상기 결정성 용액의 농도가 40 wt%, 50 wt% 및 66 wt%인 그래프를 참조하면, 상기 파장 대역이 525 nm보다 장파장인 경우에도 원편광이색성이 나타남을 알 수 있다.
따라서, 상기 연속적 박막에서 나타나는 원편광이색성의 파장 대역은 상기 유무기 하이브리드 화합물에 포함되는 상기 결정성 용액의 농도에 따라 변할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 상기 결정성 용액의 농도가 증가할수록 원편광이색성이 나타나는 상기 파장 대역은 상기 결정성 용액의 농도가 낮았을 때보다 장파장 영역으로 이동될 수 있다. 예컨대, 상기 결정성 용액의 농도가 66 wt% 초과일 경우에 원편광이색성이 나타나는 파장 대역은 800 nm 초과일 수 있다. 도 8에는 상기 (S-MBA)2PbI4 및 상기(R-MBA)2PbI4가 20 wt% 내지 66 wt%의 결정성 용액을 포함하는 경우만을 도시하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 키랄 유기물, 금속 이온 및 할로겐 이온을 포함할 수 있으며 이 경우에도 상기 결정성 용액의 농도에 따라 원편광이색성이 나타나는 상기 파장 대역이 달라 질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 결정성 용액의 농도가 66 wt%인 경우를 참조하면, 상기 결정성 용액의 농도가 40 wt% 및 50 wt%인 경우와 달리 상기 파장 대역이 425 nm 내지 475 nm일 때, 원편광이색성이 나타났다고 보기 어려울 수 있다. 이는 상기 결정성 용액의 농도가 높아짐에 따라 상기 연속적 박막의 두께가 두꺼워지기 때문에 나타나는 현상이며 이는 상기 연속적 박막을 코팅하는 조건에 따라 조절될 수 있다. 상기 코팅 조건은 후술하도록 한다.
일 실시예에서, 상기 결정성 용액의 농도가 50 wt% 및 66 wt% 일 때의 그래프를 참조하면, L 파장 대역은 band edge에 벗어난 대역으로, 반도체가 흡수 가능한 band gap보다 더 작은 에너지의 대역일 수 있다. L 파장 대역은 좌편광된 광과 우편광된 광이 서로 산란(scattering)할 수 있는 정도가 달라질 수 있으며, 광이 흡광될 수 없는 영역일 수 있다. 상기 결정성 용액의 농도가 50 wt% 및 66 wt%로, 고농도의 결정성 용액을 포함하는 연속적 박막의 경우, 장파장 대역에서 두 원편광(좌편광, 우편광)된 광을 서로 다른 정도로 산란시킬 수 있으며 이에 따라, 상기 결정성 용액의 농도에 따른 파장 대역의 변경이 가능할 수 있다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 상기 키랄 유기물의 종류 및 상기 결정성 용액의 농도에 따라 L 파장 대역의 범위가 달라질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 연속적 박막을 제조할 때, 스핀 코팅의 속도에 따라 조절되는 연속적 박막의 두께(V1 - V3)를 나타낸 주사전자현미경 이미지이다.
도 9를 참조하면, 상기 연속적 박막에 포함되는 상기 결정성 용액의 농도가 66 wt%일 때를 예시적으로 나타내었으며 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 스핀 코팅의 회전 속도가 2000 rpm일 때 V1, 5000 rpm일 때 V2 및 9000 rpm일 때 V3로 나타내었음을 알 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연속적 박막에 포함되는 상기 결정성 용액의 농도가 동일하더라도, 상기 회전 속도가 증가함에 따라 상기 연속적 박막의 두께가 달라짐을 알 수 있다. 예컨대, V1일 때 상기 연속적 박막의 두께는 4.188 ㎛ 이고, V2일 때 2.944 ㎛ 이며 V3일 때 1.975 ㎛ 로 상기 회전 속도가 증가함에 따라 상기 연속적 박막의 두께가 얇아지는 것을 알 수 있다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 회전 속도가 동일하더라도, 상기 결정성 용액의 농도가 66 wt% 보다 낮을 경우에는 상기 결정성 용액의 농도가 66 wt%일 때 보다 상기 연속적 박막의 두께가 얇아질 수 있다. 또한, 상기 결정성 용액의 농도가 66 wt%로 동일하더라도, 상기 회전 속도가 9000 rpm 초과일 경우 상기 연속적 박막의 두께가 상기 회전 속도가 9000 rpm 미만일 때 보다 얇아질 수 있다. 따라서, 상기 연속적 박막의 두께는 상기 회전 속도 및 상기 결정성 용액의 농도에 따라 조절될 수 있다. 도 9는 상기 스핀 코팅을 예시로 설명하여 상기 회전 속도에 따른 상기 연속적 박막의 두께를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다른 코팅을 이용할 경우에도 상기 코팅의 조건 및 상기 결정성 용액의 농도에 따라 상기 연속적 박막의 두께가 조절될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 9와 같이 두께가 조절된 연속적 박막의 X-ray 회절 분광법 분석 결과 및 원편광이색성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10a를 참조하면, 상기 연속적 박막에 포함된 상기 결정성 용액의 농도가 66 wt%일 경우일 때, 전술한 도 9의 회전 속도에 따라(2000 rpm - 9000 rpm) 각 연속적 박막의 결정성을 분석한 것이다. 전술한 도 7의 (R-MBA)2PbI4 66 wt%와 같이 상기 연속적 박막의 결정성은 상기 연속적 박막을 제조할 때의 상기 회전 속도와 관계없이 동일한 결정성((020) 방향 우선 배향)을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 상기 연속적 박막에 포함되는 상기 결정성 용액의 농도가 동일하면, 상기 연속적 박막의 두께에 관계없이 동일한 결정성을 갖는 것을 확인할 수 있는 것이다.
도 10b를 참조하면, 전술한 도 8의 (R-MBA)2PbI4 66 wt%가 425 nm 내지 475 nm 파장 대역에서 원편광이색성이 나타나지 않았으나, 도 10b의 상기 회전 속도가 9000 rpm 일 때 상기 425 nm 내지 475 nm 파장 대역에서 원편광이색성이 나타남을 알 수 있다. 이는 상기 연속적 박막이 동일한 농도의 키랄 유기물을 포함하더라도, 상기 회전 속도에 따라 원편광이색성이 나타나는 파장 대역을 조절할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 상기 연속적 박막의 두께가 얇아질수록, 525 nm보다 단파장 영역에서도 원편광이색성이 나타날 수 있으며, 525 nm보다 장파장 영역에서는 원편광이색성이 나타나는 파장 대역이 이동하는 현상이 나타날 수 있다. 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 연속적 박막이 다른 키랄 유기물, 다른 금속 이온 및 다른 할로겐 이온을 포함하더라도 상기 회전속도에 따라 상기 파장 대역이 조절될 수 있으며, 이는 상기 결정성 용액의 농도 및 상기 코팅 조건이 달라지더라도 적용될 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막을 포함하는 광 검출기(200, 300)를 도시한다.
도 11a는 광 전지 형태의 광 검출기(200)이며, 도 11b는 트랜지스터 형태의 광 검출기(300)일 수 있다. 상기 연속적 박막은 원편광이색성이 나타날 수 있으므로, 상기 연속적 박막을 이용하여 흡수된 광을 전류로서 검출하는 광 검출기를 구성하게 되면, 특정 파장에서 좌원편광된 광과 우원편광된 광에 대한 흡광이 다름으로 인하여, 상기 좌원편광된 광과 상기 우원편광된 광에 의해 발생되는 전류의 세기가 달라지게 될 수 있다. 따라서 검출되는 상기 전류의 세기를 판단함으로써 광의 원편광성을 판단할 수 있다.
상기 광 검출기는 상기 연속적 박막을 광 흡수층으로 사용할 수 있다. 상기광검출기는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함할 수 있으며, 예컨대, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 음극 및 양극 또는 소스 및 드레인으로 구성될 수 있다. 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속적 박막을 포함하는 발광 소자(400)를 도시한다.
도 12를 참조하면, 상기 연속적 박막은 원편광이색성을 나타낼 수 있으므로, 상기 연속적 박막이 발광될 때, 상기 발광되는 광 또한 원편광 특성을 나타낼 수 있다. 광을 조사했을 때 나오는 포토루미네선스(photoluminescence) 또는 전자를 주입했을 때 나오는 일렉트로루미네선스(electroluminescence)에서 모두 상기 원편광성이 관찰될 수 있다. 따라서, 상기 연속적 박막을 발광층으로 사용하여 상기 원편광된 광을 발광하는 발광 소자(400)가 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 발광 소자(400)는 반사방지막(anti-glare film)을 통과해도 휘도가 떨어지지 않는 LED로 이용될 수 있다. 종래의 LED 소자는 후면 전극(cathode)이 외부의 광을 반사하는 문제로 인해 야외 시인성이 떨어지는 문제가 있을 수 있으나, 이를 해결하는 방법으로 상기 반사방지막을 도입하는 방법이 있을 수 있다. 상기 반사방지막은 후술하는 원리에 의해 야외 시인성을 향상시킬 수 있다.
편광되지 않는 외부의 광이 선편광 필름과 위상지연 필름을 통과하면서 원편광될 수 있다. 상기 원편광된 광이 전극에 반사되면서 원편광성의 반전이 일어날 수 있다. 예컨대, 좌원편광은 우원편광으로 반전될 수 있으며, 우원편광은 좌원편광으로 반전될 수 있다. 상기 반전된 원편광 광이 위상지연필름을 통과하면 다시 상기 선편광된 광이 될 수 있는데, 상기 선편광성의 방향은 상기 반전된 원편광성으로 인해 최전면부의 상기 선평광 필터를 통과할 수 없는 방향을 갖게 될 수 있다. 따라서 상기 전극에서 반사된 상기 외부 광이 다시 빠져나가지 못하므로, 상기 반사된 광이 감소하여 야외시인성이 증가될 수 있다.
그러나, 상기 반사방지막은 종래의 편광 되지 않은 LED를 광원으로 하는 소자에 도입되었을 때, LED의 광이 상기 선편광 필터를 통과하여 외부로 나가게 되므로, 50% 초과의 광손실이 나타날 수 있다. 상기 발광 소자(400)를 사용하여, 적절한 방향으로 원편광된 광은 상기 위상지연판을 통과하면서 모두 상기 선편광판에 통과될 수 있는 방향으로 선편광될 수 있으므로 상기 원편광된 빛을 발광하는 상기 LED를 도입하면 상기 반사방지막에 의해 휘도 손실이 없는 상기 LED 소자가 제조될 수 있다.
초과에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
P: 연속적 박막
B: 기판
B: 기판
Claims (21)
- 키랄 유기물; 및
상기 키랄 유기물에 결합하고, 금속 이온 및 할로겐 이온을 포함하는 무기물을 포함하는 유무기 하이브리드 화합물을 가지며 원편광이색성을 나타내는 연속적 박막을 포함하며,
상기 유무기 하이브리드 화합물은 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지며,
상기 유무기 하이브리드 화합물은 하기 화학식 1, 화학식 2, 화학식 3 및 화학식 4 중 어느 하나로 표시되는 연속적 박막;
[화학식 1]
A2MX4(여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임)
[화학식 2]
AMX3 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 3]
A3MX6 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임).
[화학식 4]
A3M2X7 (여기서, A는 상기 키랄 유기물이고, M은 상기 금속 이온이며, X는 상기 할로겐 이온임). - 제 1 항에 있어서,
상기 원편광이색성이 나타나는 파장 대역은 350 nm 내지 800 nm 범위 내인 연속적 박막. - 제 2 항에 있어서,
상기 키랄 유기물 및 상기 무기물 중 적어도 하나를 포함하는 결정성 용액의 농도는 5 wt% 내지 66 wt% 범위 내인 연속적 박막. - 제 1 항에 있어서,
상기 유무기 하이브리드 화합물은 선형 구조로 성장된 연속적 박막. - 제 4 항에 있어서,
상기 키랄 유기물 및 상기 무기물 중 적어도 하나를 포함하는 결정성 용액의 농도는 50 wt% 내지 66 wt% 범위 내인 연속적 박막. - 제 1 항에 있어서,
상기 유무기 하이브리드 화합물은 (020) 방향으로 우선 배향된 연속적 박막. - 제 6 항에 있어서,
상기 키랄 유기물 및 상기 무기물 중 적어도 하나를 포함하는 결정성 용액의 농도는 50 wt% 내지 66 wt% 범위 내인 연속적 박막. - 제 1 항에 있어서,
상기 연속적 박막의 두께는 100 nm 내지 5 ㎛ 의 범위를 갖는 연속적 박막. - 제 1 항에 있어서,
상기 키랄 유기물은 S-Methylbenzylamine(S-MBA), R-Methylbenzylamine (R-MBA), S-(+)-Butylamine(S-BA) 및 R-(-)-Butylamine(R-BA) 중 적어도 하나를 포함하는 연속적 박막. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 이온은 준금속, 전이 금속 및 전이 후 금속 중 적어도 하나를 포함하는 연속적 박막. - 금속 화합물을 준비하는 단계;
할로겐 이온을 포함하는 액상 용액을 준비하는 단계;
상기 액상 용액에 상기 금속 화합물을 용해시켜 혼합 용액을 형성하는 단계;
상기 혼합 용액에 키랄 유기물을 혼합하여 결정성 침전물을 형성하는 단계;
상기 결정성 침전물을 용매에 분자 및 이온 수준으로 용해시켜 결정성 용액을 형성하는 단계; 및
상기 결정성 용액을 기판에 코팅하여 연속적 박막을 형성하는 단계를 포함하는 연속적 박막의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 결정성 침전물은 상기 키랄 유기물과 상기 금속 화합물의 금속 이온 및 상기 할로겐 이온을 포함하는 무기물을 포함하는 유무기 하이브리드 화합물의 파우더이며,
상기 유무기 하이브리드 화합물은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 연속적 박막의 제조 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 연속적 박막은 원편광이색성을 나타내는 것인 연속적 박막의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 금속 화합물은 준금속, 전이 금속 및 전이 후 금속 중 적어도 하나를 포함하는 연속적 박막의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 결정성 용액을 상기 기판에 코팅한 후,
상기 결정성 용액에 포함된 상기 용매를 제거하기 위해 건조 공정을 수행하는 단계를 포함하는 연속적 박막의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 연속적 박막의 두께는 상기 결정성 용액의 농도 및 코팅 조건에 따라 조절 가능한 연속적 박막의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 용매는 DMF(Dimethylformamide), GBL(γ-butyrolactone), DMSO(dimethyl sulfoxide), NMP(N-methylpyrrolidone), 이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 클로로포름, 클로로벤젠, 물 및 이의 조합 및 중 적어도 어느 하나를 포함하는 연속적 박막의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 결정성 용액을 기판에 코팅하는 단계는, 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 나이프 코팅(knife coating), 롤 코팅(roll coating), 리버스 롤 코팅(reverse roll coating), 캘린더 코팅(calendar coating), 커튼 코팅(curtain coating), 압출 코팅(extrusion coating), 캐스트 코팅(cast coating), 역 로드 코팅(inverted rod coating), 조각-롤 코팅(engraved-roll coating), 침지 코팅(dip coating), 에어-나이프 코팅(air-knife coating) 및 거품 코팅(foam coating) 중 적어도 어느 하나에 의해 수행되는 연속적 박막의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 결정성 용액의 농도는 5 wt% 내지 66 wt% 범위를 갖는 연속적 박막의 제조 방법. - 제 1 항 기재의 연속적 박막을 포함하는 광학 소자.
- 제 20 항에 있어서,
상기 광학 소자는, 광 검출기 및 발광 소자를 포함하며,
상기 광 검출기 및 상기 발광 소자 중 적어도 하나는 상기 연속적 박막을 포함하는 광학 소자.
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