KR102150992B1 - Novel Perovskites and its use - Google Patents

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KR102150992B1
KR102150992B1 KR1020190043601A KR20190043601A KR102150992B1 KR 102150992 B1 KR102150992 B1 KR 102150992B1 KR 1020190043601 A KR1020190043601 A KR 1020190043601A KR 20190043601 A KR20190043601 A KR 20190043601A KR 102150992 B1 KR102150992 B1 KR 102150992B1
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정미희
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세종대학교산학협력단
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/30Coordination compounds

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Abstract

The present invention relates to a perovskite which is stable and emits excellent white light, and the use thereof. The perovskite comprises: an edge-shared helical chain consisting of a unit structure of chemical formula 1, [PbX_5]^(3-); and a plurality of piperazinium of chemical formula 2.

Description

신규 페로브스카이트 및 이의 용도{Novel Perovskites and its use}Novel Perovskites and its use

본 발명은 안정적이고, 우수한 백색광을 내는 페로브스카이트 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a stable, excellent white light perovskite and its use.

페로브스카이트 LED소자는 CH3NH3PbBr3 및 CH3NH3PbBr2I 물질을 이용해서 EQE 0.1-0.4% 및 최대 밝기가 364 cd/m-2로 처음 보고가 되었다. 페로브스카이트는 할라이드 구성에 의해서 밴드갭 조절이 가능하여 다양한 색의 EL 방출을 구현할 수가 있고, 현재 상업화된 III-V족 화합물 반도체, OLED 및 QLED 소자들에 비해서 표면 결함에 기인한 비방사 재결합(nonradiative recombination)이 작고, 용액공정이 가능하여 공정비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 공기중의 수분 및 산소에 매우 민감하고 열적 안정성이 떨어져서 양이온이 혼합된 구조([HC(NH2)2]0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3) 및 무기기반 CsPbBr3을 도입하여 낮은 turn-on 전압 및 밝기를 향상시켜서 성능을 향상시키고 있다. 하지만 페로브스카이트가 가지는 구조자체의 형성 에너지가 낮아서 공기중에서 쉽게 분해되는 문제는 여전히 페로브스카이트를 LED소자에 적용하는 데는 한계가 되고 있다.Perovskite LED devices were first reported with an EQE of 0.1-0.4% and a maximum brightness of 364 cd/m -2 using CH 3 NH 3 PbBr 3 and CH 3 NH 3 PbBr 2 I materials. Perovskite is capable of adjusting the band gap by the halide configuration, enabling EL emission of various colors, and non-radiative recombination due to surface defects compared to currently commercialized III-V group compound semiconductors, OLEDs, and QLED devices. Nonradiative recombination) is small and solution processing is possible, which has the advantage of reducing process cost. However, it is very sensitive to moisture and oxygen in the air, and its thermal stability is low, so it has a structure in which cations are mixed ([HC(NH 2 ) 2 ] 0.83 Cs 0.17 Pb(I 0.6 Br 0.4 ) 3 ) and inorganic-based CsPbBr 3 Performance is improved by improving turn-on voltage and brightness. However, the problem of being easily decomposed in the air due to the low formation energy of the structure itself of perovskite is still a limitation in applying perovskite to LED devices.

페로브스카이트의 불안정을 해결하고자 도입된 구조가 소수성이면서 벌크한 유기 양이온을 도입하여 기존의 3차구조 대신 0차에서부터 2차구조까지 저차원 페로브스카이트가 LED소재로서 보고되고 있다. 특히 2차원 구조중에서는 (110) 방향의 구조적 왜곡에 의해 전자-포논 짝지음에 의해서 self-trapped 여기자(excitons)에 의해서 브로드밴드 방출을 하는 백색 발광 페로브스카이트가 고체상태 발광 및 디스플레이에 적용하는데 잠재력이 큰 물질로 여겨지고 있다. 현재까지 (NMEDA)[PbBr4](N-MEDA=N1-methylethane-1,2-diammonium), (EDBE)[PbX4] (EDBE=2,2′-(ethylenedioxy)bis-(ethylammonium); X = Cl 또는 Br), α-(DMEN)PbBr4 (DMEN=2-(dimethylamino)ethylamine), (EDBE)PbI4(EDBE=2,2-(ethylenedioxy)bis(ethylammonium)), (CH3CH2NH3)4Pb3Br10-xClx (C6H11NH3)2PbBr4이 보고되고 있다. 그러나 PLQE가 0.5-9%정도에 그치고 있고 공기 중에 수분, 공기, 열적 안정성을 극복해야 하는 문제점이 있다. In order to solve the instability of perovskite, low-dimensional perovskite from zero to secondary structure has been reported as an LED material instead of the conventional tertiary structure by introducing bulk organic cations while the structure is hydrophobic. In particular, white light-emitting perovskite, which emits broadband by self-trapped excitons by electron-phonon coupling due to structural distortion in the (110) direction, is applied to solid state light emission and displays. It is considered a material with great potential. To date (NMEDA)[PbBr 4 ](N-MEDA=N1-methylethane-1,2-diammonium), (EDBE)[PbX 4 ] (EDBE=2,2′-(ethylenedioxy)bis-(ethylammonium); X = Cl or Br), α-(DMEN)PbBr 4 (DMEN=2-(dimethylamino)ethylamine), (EDBE)PbI 4 (EDBE=2,2-(ethylenedioxy)bis(ethylammonium)), (CH 3 CH 2 NH 3 ) 4 Pb 3 Br 10-x Cl x and (C 6 H 11 NH 3 ) 2 PbBr 4 has been reported. However, the PLQE is only 0.5-9%, and there is a problem of overcoming moisture, air, and thermal stability in the air.

한국공개특허 2019-0007812호Korean Patent Publication No. 2019-0007812

본 발명은 안정적이고, 우수한 백색광을 내는 페로브스카이트 및 이의 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a stable, excellent white light emitting perovskite and use thereof.

1. 하기 화학식 1의 단위구조로 이루어진 엣지-공유 나선형 사슬 및 복수개의 하기 화학식 2의 피페라지늄을 포함하고,1. An edge-covalent helical chain consisting of a unit structure of the following formula 1 and a plurality of piperazinium of the following formula 2

상기 피페라지늄 N+-H는 각각 사슬의 서로 다른 X-와 수소 상호작용을 형성하는 것인, 하기 화학식 3의 단위구조로 표시되는 2차 삼방정계 페로브스카이트 화합물:The piperazinium N + -H is a secondary trigonal perovskite compound represented by the unit structure of the following formula (3), which forms a hydrogen interaction with each other X - of the chain:

[화학식 1][Formula 1]

[PbX5]3- [PbX 5 ] 3-

(식 중, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나)(Wherein, X is one selected from the group consisting of Cl, Br and I)

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019038273412-pat00001
Figure 112019038273412-pat00001

[화학식 3][Formula 3]

(pip)0.5nPbnX3n (pip) 0.5n Pb n X 3n

(식 중, pip는 상기 화학식 2의 피페라지늄, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나, n은 3 이상의 정수).(Wherein, pip is piperazinium of Formula 2, X is one selected from the group consisting of Cl, Br, and I, and n is an integer of 3 or more).

2. 위 1에 있어서, 상기 화학식 1의 X는 Cl인 화합물.2. The compound of 1 above, wherein X in Formula 1 is Cl.

3. 위 1에 있어서, 상기 상기 엣지-공유 나선형 사슬은 적어도 일부가 이어져 고리를 형성하는 것인 화합물.3. The compound according to the above 1, wherein the edge-covalent helical chain is at least partially connected to form a ring.

4. 위 1에 있어서, 상기 화합물의 CRI 값이 70 이상인 화합물.4. The compound of 1 above, wherein the CRI value of the compound is 70 or more.

5. 위 1에 있어서, 상기 화합물의 CRI 값이 90 이상인 화합물.5. The compound of 1 above, wherein the CRI value of the compound is 90 or higher.

6. 위 1 내지 5 중 어느 하나의 화합물을 포함하는 발광소자.6. A light-emitting device including any one of the compounds 1 to 5 above.

7. 위 6의 발광소자를 포함하는 발광장치.7. A light-emitting device including the light-emitting device of 6 above.

본 발명의 페로브스카이트는 안정적이고, 우수한 백색광을 낼 수 있어, 이의 LED로의 용도 등에 있어서 우수한 성능을 발휘할 수 있다.The perovskite of the present invention is stable and can emit excellent white light, and thus can exhibit excellent performance in its use as an LED.

도 1: (a) 다이암모늄 양이온 피페라지늄 유기분자로서, pip = piperazine, 1mpz = 1-methylpiperazine 및 2,5-dmpz = trans-2,5-dimehtylpiperazine, (b) (pip)2PbBr6, (pip)3Pb6Cl18, (1mpz)4Pb2Br12, 및 (2,5-dmpz)0.5PbBr3 페로브스카이트 결정의 SEM 이미지.
도 2: (a) (pip)2PbBr6 페로브스카이트의 Pb-Br 결합길이는 트랜스방향으로 2.89Å과 3.23Å, 축방향으로 2.93Å과 3.07Å이고, 피페라진 유기분자와 N-H-Br 수소결합을 통한 무기사슬로 초분자 사슬을 형성함, (b) 2개의 금속 할라이드 이합체(Pb2Br12 8-)가 서로 완전히 분리되고, 유기 양이온과 무기사슬이 N-H-Br 결합을 통해 연결되어, 교대로 배열된 (pip)2PbBr6 단결정의 구조.
도 3: (a) c축 방향을 1D 사슬의 엣지-공유로 구성된 (pip)3Pb6Cl18의 결정구조, (b) 무기사슬, PbCl5 및 유기 양이온 사이의 수소결합(붉은 파선), (c) c축 방향으로 나선형으로 축적됨으로 인한 무기층의 동심원 배열.
도 4: (a) a축을 따라 단사정계 공간 그룹 P2/n을 갖고, [PbBr6]4- 팔면체 및 1mpz 2가 양이온 사이의 수소결합(노란 파선)을 보이는 0D (1mpz)4Pb2Br12의 결정구조, (b, c) [PbBr6]4- 은 c축을 따라 큰 1-메틸피페라진 2가 양이온에 의해 분리됨.
도 5: (a) (2,5-dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO)(단사정계 공간 그룹 P21/C)의 결정구조, (b) (2,5-dmpz) PbBr3· (CH3)2SO(사방정계 공간 그룹 Pbca)의 결정구조, (c) (2,5-dmpz) PbBr3· (CH3)2SO 1D 사슬 및 UV선((λex = 365 nm) 하에서의 (2,5-dmpz) PbBr3· (CH3)2SO의 백색광 방출, (d, e) 수소결합에 의해 DMSO와 연결된 2,5-dmpz를 갖는 b축을 따르는 (2,5-dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO)의 1D [PbBr3]- 무기 사슬.
도 6: (pip)2PbBr6, (pip)3Pb6Cl18, (1mpz)4Pb2Br12 및 (2,5-dmpz)0.5PbBr3 페로브스카이트 결정구조의 실험적 및 이론적 XRD 패턴.
도 7: (a, b, c) (pip)2PbBr6, (pip)3Pb6Cl18, (1mpz)4Pb2Br12 및 (2,5- dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO) 페로브스카이트의 라만 스펙트럼, (d) (pip)2PbBr6, (pip)3Pb6Cl18, (1mpz)4Pb2Br12 및 (2,5- dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO) 페로브스카이트의 밴드갭 결정을 위한 UV 가시 확산 반사 스펙트럼.
도 8: (pip)2PbBr6, (pip)3Pb6Cl18, (1mpz)4Pb2Br12 및 (2,5- dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO) 페로브스카이트 형광의 광발광 데이터.
도 9: (pip)2PbBr6, (pip)3Pb6Cl18, (1mpz)4Pb2Br12 및 (2,5- dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO) 대칭 피페라지늄 기반 페로브스카이트의 시간 분해 광발광 decay 곡선.
도 10: (pip)2PbBr6, (pip)3Pb6Cl18, (1mpz)4Pb2Br12 및 (2,5-dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO) 페로브스카이트의 (a, b) 정상 상태 PL, (c) CIE 색상 조정, (d) (1mpz)4Pb2Br12 및 (2,5-dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO) 페로브스카이트 결정을 주위 광 및 4W 310nm 자외선 하에서 각각 사진화함.
도 11: (2,5-dmpz) PbBr3·(CH3)2SO 페로브스카이트의 수소구조를 나타낸 것으로서, 점선의 노란색과 빨간색 선은 각각 [PbBr3]- 팔면체 및 2,5-dmpz 2가 양이온, 2,5-dmpz 2가 양이온과 DMSO 용매 분자 간 수소결합을 나타내는 것임.
Figure 1: (a) As an organic molecule of diamonium cationic piperazinium, pip = piperazine, 1mpz = 1-methylpiperazine and 2,5-dmpz = trans-2,5-dimehtylpiperazine, (b) (pip) 2 PbBr 6 , SEM images of (pip) 3 Pb 6 Cl 18 , (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 , and (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 perovskite crystals.
Figure 2: (a) (pip) 2 PbBr 6 Pb-Br binding length of perovskite is 2.89Å and 3.23Å in the trans direction, 2.93Å and 3.07Å in the axial direction, piperazine organic molecule and NH-Br Forming a supramolecular chain with an inorganic chain through a hydrogen bond, (b) two metal halide dimers (Pb 2 Br 12 8- ) are completely separated from each other, and an organic cation and an inorganic chain are connected through NH-Br bonds, Structure of alternating (pip) 2 PbBr 6 single crystals.
Figure 3: (a) c-axis direction of 1D chain edge-covalent (pip) 3 Pb 6 Cl 18 crystal structure, (b) hydrogen bonds between inorganic chains, PbCl 5 and organic cations (red dashed line), (c) Concentric arrangement of inorganic layers due to helical accumulation in the c-axis direction.
Figure 4: (a) 0D (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 showing a hydrogen bond (yellow broken line) between a monoclinic space group P2/n along the a-axis, and [PbBr 6 ] 4- octahedron and 1mpz divalent cations The crystal structure of (b, c) [PbBr 6 ] 4- is separated by a large 1-methylpiperazine divalent cation along the c axis.
Figure 5: Crystal structure of (a) (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 ·2 ((CH 3 ) 2 SO) (monoclinic space group P2 1 /C), (b) (2,5-dmpz) Crystal structure of PbBr 3 · (CH 3 ) 2 SO (orthorhombic space group Pbca), (c) (2,5-dmpz) PbBr 3 · (CH 3 ) 2 SO 1D chain and (2,5-dmpz) under UV rays ((λ ex = 365 nm) White light emission of PbBr 3 · (CH 3 ) 2 SO, (d, e) (2,5-dmpz) along the b axis with 2,5-dmpz linked to DMSO by hydrogen bonds (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 ·2((CH 3) 1D [PbBr 3] of 2 SO) - the inorganic chain.
Figure 6: (pip) 2 PbBr 6 , (pip) 3 Pb 6 Cl 18 , (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 and (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 Experimental and theoretical XRD patterns of perovskite crystal structures .
Figure 7: (a, b, c) (pip) 2 PbBr 6 , (pip) 3 Pb 6 Cl 18 , (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 and (2,5- dmpz) 0.5 PbBr 3 ·2((CH 3 ) 2 SO) Raman spectrum of perovskite, (d) (pip) 2 PbBr 6 , (pip) 3 Pb 6 Cl 18 , (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 and (2,5- dmpz) 0.5 PbBr 3 ·2((CH 3 ) 2 SO) UV visible diffuse reflection spectrum for the bandgap determination of perovskite.
Figure 8: (pip) 2 PbBr 6 , (pip) 3 Pb 6 Cl 18 , (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 and (2,5- dmpz) 0.5 PbBr 3 · 2 ((CH 3 ) 2 SO) perovskite Photoluminescence data of skyt fluorescence.
Figure 9: (pip) 2 PbBr 6 , (pip) 3 Pb 6 Cl 18 , (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 and (2,5- dmpz) 0.5 PbBr 3 ·2((CH 3 ) 2 SO) Symmetric pipe Time-resolved photoluminescence decay curves of a radiinium-based perovskite
Figure 10: (pip) 2 PbBr 6 , (pip) 3 Pb 6 Cl 18 , (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 and (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 · 2 ((CH 3 ) 2 SO) perovskite Skyt's (a, b) steady state PL, (c) CIE color adjustment, (d) (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 and (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 ·2((CH 3 ) 2 SO ) Perovskite crystals were photographed under ambient light and 4W 310nm ultraviolet light, respectively.
Figure 11: (2,5-dmpz) PbBr 3 · (CH 3) 2 SO page as shown hydrogen structure of perovskite, yellow and red dotted lines respectively [PbBr 3] - and 2,5-octahedral dmpz It represents a hydrogen bond between a divalent cation, 2,5-dmpz divalent cation and a DMSO solvent molecule.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 납 할라이드(lead halide)로 구성된 비유기층(inorganic layer)에 2가 유기 양이온(organic dication)인 피페라지늄을 도입하여, 납 할라이드 팔면체 단위구조 연결을 뒤틀리게 함으로써 백색광을 방출하는 신규 페로브스카이트 화합물에 관한 것이다. 이는 흥분된 전자를 오랫동안 포집하고 있고, 후술할 실시예에서 구체적으로 언급될 전자 수명(electron lifetime)이 높은 수치를 나타내어 백색광의 방출 능력이 매우 우수하다. The present invention introduces piperazinium, which is a divalent organic cation, to an inorganic layer composed of lead halide, thereby distorting the connection of the lead halide octahedral unit structure, thereby emitting white light. It relates to skyt compounds. This is because the excited electrons are collected for a long time, and the electron lifetime, which will be specifically mentioned in the examples to be described later, is high, so that the ability to emit white light is very excellent.

이에, 구체적으로, 본 발명은 하기 화학식 1의 단위구조로 이루어진 엣지-공유 나선형 사슬 및 복수개의 하기 화학식 2의 피페라지늄을 포함하고, 상기 피페라지늄 N+-H는 각각 사슬의 서로 다른 X-와 수소 상호작용을 형성하는 것인, 하기 화학식 3의 단위구조로 표시되는 2차 삼방정계 페로브스카이트 화합물을 제공한다:Thus, specifically, the present invention includes an edge-covalent helical chain consisting of a unit structure of the following formula (1) and a plurality of piperazinium of the following formula (2), wherein the piperazinium N + -H is each different X of the chain - and to which, to form a hydrogen interaction provides a second trigonal crystal system perovskite compounds represented by the structural unit of formula (3):

[화학식 1][Formula 1]

[PbX5]3- [PbX 5 ] 3-

(식 중, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나)(Wherein, X is one selected from the group consisting of Cl, Br and I)

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019038273412-pat00002
Figure 112019038273412-pat00002

[화학식 3][Formula 3]

(pip)0.5nPbnX3n (pip) 0.5n Pb n X 3n

(식 중, pip는 상기 화학식 2의 피페라지늄, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나, n은 3 이상의 정수).(Wherein, pip is piperazinium of Formula 2, X is one selected from the group consisting of Cl, Br, and I, and n is an integer of 3 or more).

상기 화학식 1, 3에 있어서, X는 구체적으로 Cl일 수 있는데, 피페라지늄의 N+-H와 X- 간 과도한 수소 상호작용 또는 X-의 과도한 bulky함으로 인한 페로브스카이트 비유기층의 과도한 뒤틀림을 방지하여 전기 전도도의 우수성을 유지한다는 측면에서 Br, I에 비해 바람직할 수 있다. In the general formula 1, 3, X is specifically can be a Cl, l titanium in large N + -H and X-excessive warping of the perovskite dielectric base layer caused by the excessive bulky in-between the excess hydrogen interactions or X It may be preferable compared to Br and I in terms of preventing and maintaining excellent electrical conductivity.

상기 화학식 엣지-공유 나선형 사슬은 구체적으로 동심원의 배열을 하며 규칙적으로 단위구조 내 축적되며 형성되는 것일 수 있고, 보다 구체적으로는, 상기 사슬의 적어도 일부가 이어져 고리를 형성하는 것일 수 있는데, 이는 하기 도면을 참조하면 그 형태가 구체화될 수 있다.The formula edge-covalent helical chain may be specifically arranged in a concentric circle and formed by regularly accumulating in a unit structure, and more specifically, at least a part of the chain may be connected to form a ring. With reference to the drawings, the shape may be specified.

상기 화합물은 백색 발광을 하는 특수성을 가진 것으로서, 연색성(Color rendering index, CRI) 값이 시판되는 형광등의 경우 60 내외에 불과한 반면, 본 발명의 화합물은 그 값이 70 이상, 75 이상, 80 이상, 85 이상 또는 90 이상일 수 있고, 바람직하게는 90 이상의 매우 높은 값을 나타내는 것일 수 있다.The compound has the specificity of emitting white light, and the color rendering index (CRI) value is only around 60 in the case of a commercially available fluorescent lamp, whereas the compound of the present invention has a value of 70 or more, 75 or more, 80 or more, It may be 85 or more or 90 or more, and preferably it may represent a very high value of 90 or more.

본 발명의 화합물은 상기 구성 화합물(lead halide, piperazinium)을 별도로 용해시킨 후, 모두를 당업계에 주지된 방법으로 혼합 교반하여 제조될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 구성 화합물들을 각각에 대응하는 당업계 주지된 용매와 가열 교반한 후, 일 화합물 용액을 타 화합물 용액에 적가(drop by drop)하는 방식으로 혼합시킨 후, 침전되는 본 발명 화합물을 수득할 수 있다. 또한, 본 발명 화합물의 구성 화합물인 납 할라이드의 구조적 결점을 극복하기 위한 당업계의 주지된 방법을 차용하여 사용할 수 있고, 구체적으로는 안티솔벤트 방법(antisolvent method)을 사용할 수 있다.The compound of the present invention can be prepared by separately dissolving the above constituent compounds (lead halide, piperazinium), and then mixing and stirring all of them by a method known in the art. More specifically, after heating and stirring the constituent compounds with a solvent well known in the art corresponding to each, a solution of one compound is mixed by drop by drop into a solution of another compound, and then the precipitated compound of the present invention is Can be obtained. In addition, a method known in the art for overcoming the structural defects of lead halide, which is a constituent compound of the present compound, may be used, and specifically, an antisolvent method may be used.

본 발명은 또한 상기 화합물을 포함하는 발광소자를 제공한다. The present invention also provides a light emitting device comprising the compound.

본 발명의 발광소자는 상술한 바대로, 상기 소자가 포함하는 본 발명의 화합물의 백색의 발광 정도가 매우 높은 수준을 보임에 따라, 백색을 필요로 하는 산업계의 다양한 분야에 광소자로서 우수하게 활용될 수 있다.As described above, the light emitting device of the present invention is excellently used as an optical device in various fields of the industry requiring white color as the white light emission level of the compound of the present invention included in the device is very high. Can be.

본 발명은 또한 상기 발광소자를 포함하는 발광장치를 제공한다.The present invention also provides a light-emitting device including the light-emitting element.

본 발명의 발광장치는 상술한 바대로, 상기 장치가 포함하는 본 발명의 소자가 우수한 효율과 밝기로 백색을 발광하므로, 그 장치에 특별한 제한없이, 상기 발광소자를 포함하는 산업계의 다양한 발광장치는 백색 발광에 우수한 효과를 나타낼 수 있다.The light-emitting device of the present invention, as described above, emits white light with excellent efficiency and brightness, and therefore, various light-emitting devices in the industry including the light-emitting device are without particular limitation on the device. It can exhibit an excellent effect on white light emission.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, examples will be described in detail to illustrate the present invention in detail.

실험방법Experiment method

1. 실험재료1. Experimental materials

브롬화 납(PbBr, 98%), 염화 납(PbCl, 98%), 피페라진(piperazine, 99%), 1-메틸피페라진(99%), 하이드로브로민산(HBr, 48%), 염산(HCl, 37%), 차아인산(H3PO2, 50 중량% 수용액), N,N-디메틸포름아미드(DMF, 무수물, 99.8%), 디메틸설폭사이드(DMSO, 무수물, 99.9% 이상), 디클로로메탄(무수물, 99.8% 이상) 및 클로로벤젠(CB, 무수물, 99.8%)은 Sigma-Aldrich로부터 구입하여 추가 정제없이 사용하였다. 트랜스-2,5-디메틸피페라진(98%)은 Thermo Fisher Scientific Korea Co., Ltd.에서 구입하였다. 트랜스-2,5-디메틸피페라지늄 브로마이드는 등몰량(equimolar)의 HBr 및 트랜스-2,5-디메틸피페라진을 중화시켜 합성하였다. 그 후, 0℃에서 2시간 동안 교반하고, 생성된 용액을 50℃에서 1시간 동안 증발시켰다. 침전물을 60℃의 진공 오븐에서 24시간 동안 건조시키고 추가 정제없이 사용하였다. 트랜스-2,5-디메틸피페라지늄 클로라이드도 동일한 방법으로 제조하였으나, HCl을 사용하였다.Lead bromide (PbBr, 98%), lead chloride (PbCl, 98%), piperazine (99%), 1-methylpiperazine (99%), hydrobromic acid (HBr, 48%), hydrochloric acid (HCl , 37%), hypophosphorous acid (H 3 PO 2 , 50 wt% aqueous solution), N,N-dimethylformamide (DMF, anhydride, 99.8%), dimethyl sulfoxide (DMSO, anhydride, 99.9% or more), dichloromethane (Anhydride, 99.8% or more) and chlorobenzene (CB, anhydride, 99.8%) were purchased from Sigma-Aldrich and used without further purification. Trans-2,5-dimethylpiperazine (98%) was purchased from Thermo Fisher Scientific Korea Co., Ltd. Trans-2,5-dimethylpiperazinium bromide was synthesized by neutralizing equimolar amounts of HBr and trans-2,5-dimethylpiperazine. Then, the mixture was stirred at 0° C. for 2 hours, and the resulting solution was evaporated at 50° C. for 1 hour. The precipitate was dried in a vacuum oven at 60° C. for 24 hours and used without further purification. Trans-2,5-dimethylpiperazinium chloride was also prepared in the same manner, but HCl was used.

2. 페로브스카이트의 합성2. Synthesis of perovskite

0.367g의 PbBr2(1 mmol)을 5.0 mL의 HBr 용액에 용해시켰다. 플라스크를 오일 조에서 120℃로 가열한 다음, 고체가 완전히 용해될 때까지 격렬하게 교반하였다. 별도의 비이커에서, 피페라진(0.086g, 1 mmol)을 1mL HBr 용액으로 중화시켰다. 피페라진 용액을 연속적으로 교반하면서, PbBr2 용액에 서서히 적가(drop by drop)하였다. 열을 제거하고, 플라스크를 교반하지 않고 공기 냉각시켰다. 느린 냉각 동안 판상 결정이 침전되었다. 다른 페로브스카이트도 같은 방식으로 준비했다. PbBr2를 일정한 농도로 유지시키고, 1-메틸피페라진(1 mmol, 0.100 g)의 1 mL 용액을 교반된 5 mL PbBr2 용액에 적가하였다. 상기 방법으로 합성된 2,5-디메틸피페라지늄 납 브롬화물의 결정은 많은 결점이 있기 때문에, 종래 알려진 안티솔벤트 방법(antisolvent method)을 사용하여 제조하였다. PbBr2(1 mmol, 0.36701 g) 및 트랜스-2,5-디메틸피페라지늄 브로마이드(1 mmol, 0.276g)의 혼합물을 6mL의 DMSO에 용해시켰다. 디클로로메탄은 안티솔벤트로서 사용되었다. 염화 납을 주성분으로 하는 페로브스카이트도 상기와 같이 제조되었고, HCl이 사용되었다. 0.367 g of PbBr 2 (1 mmol) was dissolved in 5.0 mL of HBr solution. The flask was heated to 120° C. in an oil bath and then stirred vigorously until the solids were completely dissolved. In a separate beaker, piperazine (0.086 g, 1 mmol) was neutralized with 1 mL HBr solution. While the piperazine solution was continuously stirred, it was slowly added dropwise (drop by drop) to the PbBr 2 solution. Heat was removed and the flask was air cooled without stirring. During slow cooling, plate-like crystals precipitated. Other perovskites were prepared in the same way. PbBr 2 was maintained at a constant concentration, and a 1 mL solution of 1-methylpiperazine (1 mmol, 0.100 g) was added dropwise to the stirred 5 mL PbBr 2 solution. Since the crystal of 2,5-dimethylpiperazinium lead bromide synthesized by the above method has many drawbacks, it was prepared using a conventionally known antisolvent method. A mixture of PbBr 2 (1 mmol, 0.36701 g) and trans-2,5-dimethylpiperazinium bromide (1 mmol, 0.276 g) was dissolved in 6 mL of DMSO. Dichloromethane was used as antisolvent. Perovskite containing lead chloride as a main component was also prepared as described above, and HCl was used.

3. 물성분석3. Physical property analysis

(1) 고해상도 PXRD 및 단결정 X선 회절(1) High resolution PXRD and single crystal X-ray diffraction

분말 XRD(PXRD) 분석은 40 kV/30 mA에서 작동하고, 평평한 샘플 형상을 지닌 위치 감지형 검출기가 장착되었으며, 교정된 CPS 120 INEL 분말 X선 회절계(Cu Kα 흑연-단색화된 방사)를 사용하여 실온에서 수행되었다. 페로브스카이트 결정을 파라톤-N 오일로 코팅하고, 실리콘(111) 이중 결정 단색화기(DCM)를 갖는 BL2D SMC의 ADSC Quantum-210 검출기(Pohang Accelerator Laboratory in Korea )에서, 싱크로트론 방사(l = 0.61000Å)를 이용하여, 298K에서 회절 데이터를 측정하였다. PAL BL2D-SMDC 프로그램은 데이터 수집(검출기 거리 63mm, 오메가 스캔, △ω = 3°, 프레임 당 노출시간 1초)에 사용되었고, HKL3000sm(버전 703r)은 셀 세분화, 축소 및 흡수 보정에 사용되었다. 페로브스카이트의 결정구조는 SHELXT-2014 프로그램을 사용한 직접법을 사용하여 해결되었고, SHELXL-2014 프로그램 패키지로 전체 행렬 최소 자승 계산(full-matrix least-squares calculations)을 이용하여 정제되었다.Powder XRD (PXRD) analysis operates at 40 kV/30 mA, equipped with a position-sensing detector with a flat sample shape, using a calibrated CPS 120 INEL powder X-ray diffractometer (Cu Kα graphite-monochromatic radiation). And carried out at room temperature. Perovskite crystals were coated with paratone-N oil, and in an ADSC Quantum-210 detector (Pohang Accelerator Laboratory in Korea) of BL2D SMC with a silicon (111) double crystal monochromator (DCM), synchrotron radiation (l = 0.61000Å) was used to measure diffraction data at 298K. The PAL BL2D-SMDC program was used for data acquisition (detector distance 63mm, omega scan, Δω = 3°, exposure time 1 second per frame), and HKL3000sm (version 703r) was used for cell segmentation, reduction and absorption correction. The crystal structure of perovskite was solved using the direct method using the SHELXT-2014 program, and refined using full-matrix least-squares calculations with the SHELXL-2014 program package.

(2) 광 흡수 분광학(2) light absorption spectroscopy

생성된 반사율 대 파장 데이터는 반사율을 Kubelka-Munk 방정식에 따라 흡수 데이터로 변환하여 물질의 밴드 갭을 추정하는 데 사용되었다: The generated reflectance versus wavelength data was used to estimate the material's band gap by converting the reflectance into absorption data according to the Kubelka-Munk equation:

[수학식 1][Equation 1]

α/S = (1 - R)2(2R)-1 α/S = (1-R) 2 (2R) -1

(R은 반사율, α와 S는 각각 흡수 및 산란 계수).(R is the reflectance, α and S are the absorption and scattering coefficients, respectively).

(3) 정상상태 및 시간-분해 광발광(3) Steady state and time-resolved photoluminescence

페로브스카이트의 방출 및 여기자(exciton) 광발광(PL) 스펙트럼은 FluoroMate FS-2 Fluorescence Spectrometer (Scinco, 대한민국)로 측정하였다. 역전형 스캐닝 공초점 현미경(MicroTime-200, Picoquant, Germany)을 사용하여 60x (공기) 대물 렌즈를 사용하여 시간 분해 PL (TRPL) 연구를 수행했다. 수명 측정은 한국과학재단(KBSI) 대구센터에서 수행되었다. 단일 모드 펄스 다이오드 레이저(375nm 및 470nm, 펄스 폭은 ~30ps)를 여기원(excitation source)으로 사용하였다. 470nm의 레이저가 조사되었을 때, 샘플에서의 방출을 수집하기 위해, 다이크로익 미러(Z375RDC, AHF), 롱패스 필터(HQ405lp, AHF), 75 μm 핀홀, 밴드-패스 필터 및 아발란체(avalanche) 단일 포톤 다이오드(PDM series, MPD)를 이용하였다. 시간 관련 단광자 계산(time-correlated single-photon counting, TCSPC) 기술은 형광 광자를 계산하는 데에 사용되었다. 200 x 200 픽셀로 구성된 TRPL 이미지는 시간 태그가 달린 시간 분해(TTTR) 데이터 수집방법을 이용하여 기록되었다. Symphotime-64 소프트웨어(버전 2.2)를 지수함수형 붕괴 모델로 사용하여, 16 ps의 시간분해능으로 얻은 PL 쇠퇴에 대한 지수 피팅을 진행했다: Perovskite emission and exciton photoluminescence (PL) spectra were measured with a FluoroMate FS-2 Fluorescence Spectrometer (Scinco, Republic of Korea). A time resolved PL (TRPL) study was performed using a 60x (air) objective lens using an inverted scanning confocal microscope (MicroTime-200, Picoquant, Germany). Lifespan measurements were performed at the Daegu Center of the Korea Science Foundation (KBSI). Single-mode pulsed diode lasers (375nm and 470nm, pulse width of ~30ps) were used as excitation sources. When the 470 nm laser was irradiated, to collect the emission from the sample, a dichroic mirror (Z375RDC, AHF), a long pass filter (HQ405lp, AHF), a 75 μm pinhole, a band-pass filter and avalanche ) A single photon diode (PDM series, MPD) was used. Time-correlated single-photon counting (TCSPC) technique was used to count fluorescent photons. TRPL images composed of 200 x 200 pixels were recorded using a time-tagged time-resolved (TTTR) data collection method. Using Symphotime-64 software (version 2.2) as an exponential decay model, an exponential fit for the PL decay obtained with a time resolution of 16 ps was performed:

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019038273412-pat00003
(I(t)는 시간-의존 PL 강도, A는 진폭, τ는 PL 수명).
Figure 112019038273412-pat00003
(I(t) is the time-dependent PL intensity, A is the amplitude, and τ is the PL lifetime).

실험결과Experiment result

환원제 H3PO2로 농축된 HI 용액에서 페로브스카이트를 합성했는데, 모든 결정체는 무색의 판상 결정구조를 보였다(도 1). 결정학적 데이터와 구조적 정제가 표 1에 제시되어 있다. (pip)2PbBr6는 중심 대칭 사방정계의 공간 그룹 Pnnm에서 결정화되었다. 도 2a에서 확인할 수 있듯, 두개의 팔면체 사이의 브리징(bridging) 각도는 거의 선형(180°)이다. 그러나, 가장 긴 3.2370(8)Å, 가장 짧은 2.8915(13)Å 및 cis- 위치의 중간 길이로 이루어진 트랜스 위치에서의 Pb-I 거리는 각각 3.0730(11)Å 및 2.9339(11)Å이다. 피페라진 2가 양이온은 a축을 따라 b축으로 이동한 두개의 다이머 [Pb2Br11] 사이의 의자 형태로 배열되었다. 무기층은 a축을 따라 움직이는 모서리 공유 이합체 [PbBr6] 팔면체를 포함하고 있지만, 인접한 체인은 b축과 c축을 따라 연결되어 있지 않다. 따라서, 채택된 납 브로마이드 모티프는 1-D였다. 그러나, 각각의 피페라진 2가 양이온은 3차원의 초분자 네트워크를 형성하는 N-H-Br 수소결합을 통해 4개의 무기 체인과 연결되었다. 따라서, 두개의 금속 할라이드 이합체 [Pb2Br12]8- 는 서로 완전히 분리되어, 주기적으로 유기 양이온 매트릭스에 배열되었다(도 2b).Perovskite was synthesized from HI solution concentrated with reducing agent H 3 PO 2 , and all crystals showed colorless plate-like crystal structure (FIG. 1). Crystallographic data and structural refinement are presented in Table 1. (pip) 2 PbBr 6 was crystallized in the space group Pnnm of a centrally symmetric orthorhombic system. As can be seen in Fig. 2A, the bridging angle between the two octahedrons is almost linear (180°). However, the Pb-I distances at the trans position consisting of the longest 3.2370(8)Å, the shortest 2.8915(13)Å and the intermediate length of the cis- position are 3.0730(11)Å and 2.9339(11)Å, respectively. The piperazine divalent cations were arranged in a chair shape between two dimers [Pb 2 Br 11 ] moving along the a-axis and toward the b-axis. The inorganic layer contains an edge covalent dimer [PbBr 6 ] octahedron moving along the a-axis, but adjacent chains are not connected along the b-axis and c-axis. Therefore, the adopted lead bromide motif was 1-D. However, each piperazine divalent cation was linked to four inorganic chains through NH-Br hydrogen bonds forming a three-dimensional supramolecular network. Thus, the two metal halide dimers [Pb 2 Br 12 ] 8- were completely separated from each other and were periodically arranged in the organic cation matrix (FIG. 2B).

고도로 비대칭적인 단위 때문에, (pip)3Pb6Cl18은 삼각형 공간 그룹 R3에서 결정화되었다(도 3). (pip)3Pb6Cl18은 비대칭 단위의 납 원자를 둘러싼 5개의 고유 염화물을 가지고 있다. PbCl5의 엣지 공유 체인은 단위 셀을 나선형으로 통과했다(도 3a). 수소결합은 무기 체인과 유기 양이온 사이의 빨간 점선으로 3D 초분자 네트워크를 형성한다. 도 3b는 각 유기 양이온이 4개의 무기 사슬에 연결되어 있음을 보여준다. 할로겐의 대체가 페로브스카이트 형태의 착물에서의 간단한 할로겐 치환 반응보다 중요한 구조 변화를 야기한다는 점을 주목할 가치가 있다. PbCl5의 무기 체인이 c축 방향으로 나선형으로 연결되었으므로, 무기층은 동심원을 형성하며 축적된다(도 3c).Because of the highly asymmetric units, (pip) 3 Pb 6 Cl 18 crystallized in triangular space group R3 (FIG. 3 ). (pip) 3 Pb 6 Cl 18 contains five unique chlorides surrounding the lead atom in the asymmetric unit. The edge covalent chain of PbCl 5 spirally passed through the unit cell (Fig. 3A). Hydrogen bonds form a 3D supramolecular network with a red dotted line between the inorganic chain and organic cations. Figure 3b shows that each organic cation is connected to four inorganic chains. It is worth noting that the replacement of the halogen causes more significant structural changes than the simple halogen substitution reaction in the perovskite form of the complex. Since the inorganic chains of PbCl 5 are helically connected in the c-axis direction, the inorganic layers form concentric circles and are accumulated (Fig. 3C).

큰 유기 양이온으로 인해, 1-메틸피페라진의 사용으로부터 분리된 팔면체 0차원(0D) 구조가 얻어졌다. 0D (1mpz)4Pb2Br12는 중심대칭 단사정계의 공간 그룹 P2/n에서 결정화되어, [PbBr6]4- 팔면체가 1-메틸피페라진 2가 양이온에 의해 분리되었다. 도 4a에서 볼 수 있듯, 유기 양이온은 (pip)2PbBr6 에서와 같이 N-H-Br을 통해 인접 연결된 무기 골격이다. 수소결합은 Br- 음이온을 페로브스카이트 격자에서 꺼내었고, 이는 격리된 무기 틀(framework)을 만들었다. 도 4b와 4c는 절단된 [PbBr6]4- 팔면체를 명확하게 보여주고, 이는 c축을 따라 큰 1-메틸피페라진을 분리하여 나타낸다. 결정 응집은 가장 가까운 donor-acceptor 거리가 2.4946(9)Å 및 2.6321(10)Å 인 N-H-Br 수소 결합에 의해 달성된다.Due to the large organic cations, an octahedral zero-dimensional (0D) structure was obtained that was separated from the use of 1-methylpiperazine. 0D (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 was crystallized in the space group P2/n of the centrosymmetric monoclinic system, and the [PbBr 6 ] 4- octahedron was separated by 1-methylpiperazine divalent cations. As can be seen in FIG. 4A, the organic cation is an inorganic skeleton adjacently connected through NH-Br as in (pip) 2 PbBr 6 . Hydrogen bonding pulled the Br - anions out of the perovskite lattice, which created an isolated inorganic framework. 4B and 4C clearly show the truncated [PbBr 6 ] 4- octahedron, which is represented by separating the large 1-methylpiperazine along the c-axis. Crystal aggregation is achieved by NH-Br hydrogen bonds with the nearest donor-acceptor distances of 2.4946(9)Å and 2.6321(10)Å.

(2,5-dmpz)0.5PbBr3의 비대칭 단위는 2,5-dmpz 2가 양이온의 절반, 하나의 [PbBr3]- 및 2개의 DMSO 분자로 구성되었다. 완전한 2가 양이온은 의자 형태로 이어진 반전 대칭에 의해 만들어졌고, 메틸 그룹으로 적도 위치를 차지했다(도 5a). 이는 수화된 과염소산 염(C6H16N2 2+·2ClO4 -·2H2O)의 입체구조와 유사했다. 그것은 중심대칭 단사정계의 공간 그룹 P21/c에서 결정화되었다. 구조 내 무한 무기 체인 [PbBr3] 는 c축을 따라 확장되었다. 확장된 구조에서, 2가 양이온은 N-H-ODMSO 수소결합을 통해 연결되어 (010) 방향을 따라 기어 유형의 체인을 생성한다(도 5d). 도 5e에 도시된 바와 같이, 각각의 양이온은 수소결합에 의해 4개의 DMSO 분자에 연결된다. Donor-acceptor (N-H-ODMSO) 거리는 대각선 방향으로 각각 1.95Å과 1.89Å을 나타낸다. 수소결합은 무기 체인의 공간에서 고립 격자와 무기 격자로부터의 2가 양이온을 끌어낸다. 이 독특한 수소결합 네트워크는 1D 단일사실의 연속성을 유지하는 데에 도움이 되었다. 유사하게, 2,5-dmpz 2가 양이온 염기성 화합물을 이용하여, (2,5-dmpz) PbBr3·(CH3)2SO 구조를 합성하였다(도 5b). 이 화합물은 사방정계의 공간 그룹 Pbca에서 결정화되었다. 이들은 1D 단일 사슬 무기 모티프를 보였고(도 6c), (2,5-dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO) 및 (2,5-dmpz) PbBr3·(CH3)2SO 간 구조적 현저한 차이가 관찰되었다. 위에서 언급했듯이, (2,5-dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO)에서 수소결합은 2가 양이온 및 인접한 DMSO 분자에서만 발생하는 반면, (2,5-dmpz) PbBr3·(CH3)2SO에는 2가 양이온과 이에 연결된 DMSO 분자(N-H-ODMSO)에서 발생하며, 무기 골격(N-H-Br)은 수소결합에 의해 연결되어 있다(도 11 및 표 4). 이 화합물은 또한 백색 발광을 일으켰다(도 5c). 이에, 발광재료로서의 성능을 위한 2가 양이온, 용매 분자 및 무기 골격 간 수소결합 효과를 더 연구하였다.(2,5-dmpz) 0.5 of the asymmetric unit PbBr 3 is 2,5-dmpz second half of the cation, a [PbBr 3] - was composed of DMSO and 2 molecules. The complete divalent cations were created by inversion symmetry leading to a chair shape and occupied the equator with methyl groups (Fig. 5a). This hydrated perchlorate - was similar to the three-dimensional structure of (C 6 H 16 N 2 2+ · 2ClO 4 · 2H 2 O). It crystallized in the space group P21/c of the centrosymmetric monoclinic system. The infinite weapon chain [PbBr 3 ] in the structure extends along the c-axis. In the expanded structure, the divalent cations are linked through NHO DMSO hydrogen bonds to form a gear-type chain along the (010) direction (Fig. 5D). As shown in Figure 5e, each cation is connected to four DMSO molecules by hydrogen bonds. The donor-acceptor (NHO DMSO ) distance is 1.95Å and 1.89Å in the diagonal direction, respectively. Hydrogen bonds draw out the isolated lattice and divalent cations from the inorganic lattice in the space of the inorganic chain. This unique hydrogen bonding network helped to maintain the continuity of 1D single facts. Similarly, using a 2,5-dmpz divalent cationic basic compound, (2,5-dmpz) PbBr 3 ·(CH 3 ) 2 SO structure was synthesized (Fig. 5b). This compound was crystallized from the orthorhombic space group Pbca. They showed 1D single-chain inorganic motifs (Fig. 6c), (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 ·2((CH 3 ) 2 SO) and (2,5-dmpz) PbBr 3 ·(CH 3 ) 2 SO Significant differences in the structure of the liver were observed. As mentioned above, hydrogen bonding at (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 ·2((CH 3 ) 2 SO) occurs only in the divalent cation and adjacent DMSO molecules, whereas (2,5-dmpz) PbBr 3 · (CH 3 ) 2 SO occurs in a divalent cation and a DMSO molecule (NH-ODMSO) connected thereto, and the inorganic skeleton (NH-Br) is connected by hydrogen bonds (FIG. 11 and Table 4). This compound also produced white light emission (Fig. 5c). Accordingly, the effect of hydrogen bonding between divalent cations, solvent molecules, and inorganic skeletons for performance as a light emitting material was further studied.

르 베일 정제(Le Bail refinement)를 이용하여 피페라진 기반 페로브스카이트의 고해상도 PXRD 데이터를 추출했다(도 6). 모든 페로브스카이트는 불순물 없이 고순도로 결정화된다. 그러나, 위에서 언급한 과포화 합성 제조로 인해, 2차 결정은 용액-공기 계면에서 쉽게 생성되었다. 이들은 XRD 피크에서 추가 피크를 생성하여, 이론적 및 실험적 값의 차이를 초래했다.High resolution PXRD data of piperazine-based perovskite was extracted using Le Bail refinement (FIG. 6). All perovskites crystallize in high purity without impurities. However, due to the above mentioned supersaturated synthetic preparation, secondary crystals were easily produced at the solution-air interface. They created additional peaks at the XRD peak, leading to differences in theoretical and experimental values.

피페라지늄 기반 납 브롬화물 페로브스카이트의 국소 구조적 역학 효과를 연구하기 위해, 페로브스카이트 결정에 대한 라만 측정을 3가지 다른 주파수 영역에서 수행하였다: a) 200 cm-1 이하 (도 7a), b) 800 내지 1700 cm-1 (도 7b), c) 2580 내지 3100 cm-1 (도 7c). 라만 스펙트럼은 주변 조건에서 514 nm 레이저 여기(excitation)에서 얻어졌다. 3차원 페로브스카이트에 대한 종래 기술과는 달리, CH3NH3PbB3 및 CsPbBr3 납 할로겐화 페로브스카이트 화합물은 잘 용해된 스펙트럼을 보였다. 결정구조의 차원성과 연결성 모드에 따라, 이들 시스템의 진동 응답은 무기 네트워크의 연결성 및 양이온 효과와 일치하는 매우 다른 특성을 나타냈다. 이것은 포논-포논, 전자-포논, 스핀-포논 상호작용의 관점에서, 페로브스카이트 재료의 유기 및 무기 재료 간의 상호작용에 대한 유용한 정보를 제공했다. X-Pb-X (X = Br 및 Cl) 결합의 굽힘 및 신장에 상응하는 낮은 파수(15 내지 200 cm-1)에서 밴드를 할당하는 반면, 더 높은 파수(> 800 cm-1)에서의 피크는 유기 양이온의 유리로부터 유래되었다. 종래 알려진 스펙트럼과 잘 일치하여, 모든 페로브스카이트의 측정된 라만 스펙트럼은 X-Pb-X 결합의 굽힘과 연관된 50cm-1 이하의 두가지 강한 모드를 나타냈다(도 7a). 또한, Pb-X 굽힘 모드에 주로 기인한 (1mpz)4Pb2Br12 에서의 84cm-1 및 (pip)2PbBr6 에서의 75cm-1 진동 주파수를 명확하게 관찰한 반면, (1mpz)4Pb2Br12 에서의 125cm-1 및 (pip)2PbBr6 에서의 135 m-1 밴드는 유기 양이온의 유리에 할당되었다. 800 내지 1700 cm-1 영역에서(도 7b), (2,5-dmpz)0.5PbBr3 화합물 내 C-N축 주변의 꼬임(881 cm-1) 및 C-N 축의 진동(962 cm-1)을 관찰하였다. 모든 페로브스카이트는 1400cm-1과 1459cm-1에서 C-H 결합의 굽힘 모드를 보였다. 2850cm-1 이상의 주파수 영역(도 7c)은 C-H 및 N-H 스트레칭과 관련이 있다. 또한, C-H 대칭적 스트레칭과 연관된 2963cm-1 인근 밴드 및 비대칭적 C-H 스트레칭과 연관된 3000 내지 3017 cm-1 인근의 더블렛(doublet)이 관찰되었다.To study the local structural dynamics effect of piperazinium-based lead bromide perovskite, Raman measurements for perovskite crystals were performed in three different frequency domains: a) 200 cm -1 or less (Fig. 7A ), b) 800 to 1700 cm -1 (Fig. 7b), c) 2580 to 3100 cm -1 (Fig. 7c). Raman spectra were obtained from 514 nm laser excitation at ambient conditions. 3D perovskite Unlike the prior art with respect to the bit, CH 3 NH 3 PbB 3 and 3 CsPbBr lead halide perovskite compounds showed a very soluble spectrum. Depending on the dimensionality and connectivity mode of the crystal structure, the vibrational responses of these systems exhibited very different properties consistent with the connectivity and cationic effects of inorganic networks. This provided useful information on the interaction between organic and inorganic materials of perovskite materials in terms of phonon-phonon, electron-phonon, and spin-phonon interactions. X-Pb-X (X = Br and Cl) allocates bands at lower wavenumbers (15-200 cm -1 ) corresponding to the bending and elongation of bonds, whereas peaks at higher wavenumbers (> 800 cm -1 ) Was derived from the free of organic cations. In good agreement with the previously known spectra, the measured Raman spectra of all perovskites showed two strong modes of less than 50 cm -1 associated with the bending of the X-Pb-X bond (Fig. 7A). In addition, 84cm -1 at (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 and 75 cm -1 at (pip) 2 PbBr 6 due mainly to the Pb-X bending mode were clearly observed, whereas (1mpz) 4 Pb Bands of 125 cm -1 at 2 Br 12 and 135 m -1 at (pip) 2 PbBr 6 were assigned to the release of organic cations. In the area of 800 to 1700 cm -1 (Fig. 7b), (2,5-dmpz) twist around the CN axis (881 cm -1 ) and vibration of the CN axis (962 cm -1 ) in 0.5 PbBr 3 compound were observed. All perovskites showed a bending mode of CH bond at 1400cm -1 and 1459cm -1 . A frequency region of 2850cm -1 or more (FIG. 7C) is related to CH and NH stretching. In addition, the 3000 to 3017 cm -1 double Nazareth (doublet) associated with the nearby neighborhood 2963cm -1 band and asymmetric CH stretching associated with the CH symmetric stretching observed.

구조적 형태에 따른 광학 특성은 확산 반사율 측정법을 이용하여 측정되었다(도 7d). 이 물질들의 광학 밴드는 일반적으로 [PbBr6]4-의 연결성에 의해 특징지어지고, 모서리로부터 가장자리를 거쳐서 면-공유로의 연결성은 밴드 갭의 현저한 증가를 낳는다. 이것은 무리 네트워크의 차원 뿐만 아니라 두 개의 인접한 납 이온 사이에 공유되는 요오드화물의 수로부터 기대되는 양자 한정 효과(quantum confinement effect)로 흔히 이해될 수 있다. 구체적으로, (pip)2PbBr6는 [010] 방향을 따라 리본을 형성하는 이합체 [PbBr6]4- 빌딩 블록으로 구성된 1D 구조를 형성했다. 무기질 부분의 연결성은 PbBr6 팔면체를 공유하는 모서리만으로 구성되었고, 시리즈에서 가장 큰 밴드갭(3.27 eV)을 갖는다. (1mpz)4Pb2Br12는 밴드갭(3.12 eV)을 넓히는 유일한 PbBr6 팔면체로 구성되어 있다. 흥미롭게도, (2,5-dmpz)3Pb2Br10 페로브스카이트는 이 시리즈 중에서 가장 낮은 밴드갭(2.34 eV)을 보였는데, 위에서 언급한 것처럼, 모서리를 공유하고 더 왜곡된 구조로 간주된다.Optical properties according to the structural shape were measured using a diffuse reflectance measurement method (Fig. 7d). The optical bands of these materials are generally characterized by the connectivity of [PbBr 6 ] 4- and the side-to-side connectivity from edge to edge results in a significant increase in the band gap. This can be commonly understood as the quantum confinement effect expected from the dimensions of the herd network as well as the number of iodides shared between two adjacent lead ions. Specifically, (pip) 2 PbBr 6 formed a 1D structure composed of a dimer [PbBr 6 ] 4- building block forming a ribbon along the [010] direction. The connectivity of the inorganic part consisted of only the edges that shared the PbBr 6 octahedron, and had the largest bandgap (3.27 eV) in the series. (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 is composed of the only PbBr 6 octahedron that widens the band gap (3.12 eV). Interestingly, the (2,5-dmpz) 3 Pb 2 Br 10 perovskite had the lowest bandgap (2.34 eV) in this series, which, as mentioned above, is considered a more distorted structure with edge sharing. .

방출 메커니즘을 연구하기 전에, 백색광 방출이 표면 결함의 결과가 아닌 벌크 효과라고 확증하고자 했다. 따라서, 마이크로미터 크기의 페로브스카이트 파우더에 대해 형광 광발광 측정을 수행했다(도 8). 이들 화합물의 대부분은 실온에서 넓은 밴드 방출 특성을 나타내어, 본 발명 샘플의 광대역 백색광 방출이 본질적인 특성이라는 것을 명확하게 했다. (1mpz)4Pb2Br12 페로브스카이트의 경우, 630nm에서 램프 피크와 겹치기 때문에, 장파장에서의 방출 피크가 제거되었다. 그러나, 이 결과를 공초점 현미경 PL 방출(도 10)과 비교하면, 형광 방출의 대역폭이 약간 좁아진다. 이것은 분말 시료에서 여기(excitation) 에너지와 산란 효과의 차이에 기인한 것이다.Before studying the emission mechanism, we tried to confirm that white light emission is a bulk effect, not a result of surface defects. Therefore, fluorescence photoluminescence measurement was performed on the micrometer-sized perovskite powder (FIG. 8). Most of these compounds exhibited wide band emission properties at room temperature, clarifying that the broadband white light emission of the samples of the present invention is an intrinsic property. In the case of (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 perovskite, since it overlapped with the ramp peak at 630 nm, the emission peak at a long wavelength was removed. However, comparing this result with the confocal microscope PL emission (Fig. 10), the bandwidth of fluorescence emission is slightly narrowed. This is due to the difference between the excitation energy and the scattering effect in the powder sample.

대칭성 피페라진 페로브스카이트에서 여기자(exciton) 재조합 역학을 연구하기 위해 도 9에 나와있는 시간-분해 광발광 decay를 조사하였고, 375 nm에서 여기(excitation)을 선택했다. PL decay 곡선은 3가지 지수 붕괴 동역학으로 분석되었고, 그 결과는 표 2에 요약되었다. 빠른 붕괴 과정(τ1)은 여기자의 복사 재결합을 나타내었고, 느린 붕괴 과정(τ2 및 τ3)은 페로브스카이트 결정 구조의 STE에 상응한다. (2,5-dmpz)0.5PbBr3는 잠재적 형광 발광 물질을 나타내는 물질로서 종래 알려진 2D 페로브스카이트보다 현저히 긴 평균 수명을 보여주었다. 캐리어의 복사 재결합에 해당하는 (2,5-dmpz)0.5PbBr3 에서의 τ1 값은 페로브스카이트 중 가장 컸다. (1mpz)4Pb2Br12는 28ns의 평균 수명을 나타내었고, STE로 인한 τ2 성분은 페로브스카이트 중에서 가장 큰 값이었다. 이것은 아마도 PbBr6 팔면체의 왜곡된 구조 때문일 수 있다. 다른 페로브스카이트에 비해 (pip)3Pb6Cl18의 평균 수명은 가장 짧은 4.47ns 이다.The time-resolved photoluminescence decay shown in FIG. 9 was investigated to study the kinetics of exciton recombination in the symmetric piperazine perovskite, and excitation was selected at 375 nm. The PL decay curve was analyzed with three exponential decay kinetics, and the results are summarized in Table 2. The fast decay process (τ 1 ) indicates the radiation recombination of the excitons, and the slow decay processes (τ 2 and τ 3 ) correspond to the STE of the perovskite crystal structure. (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 was a material representing a latent fluorescent light emitting material and showed a significantly longer average life than conventionally known 2D perovskite. The value of τ 1 at (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 corresponding to the radiation recombination of the carrier was the largest among perovskites. (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 showed an average lifespan of 28 ns, and the τ 2 component due to STE was the largest value among perovskites. This is probably due to the distorted structure of the PbBr 6 octahedron. Compared to other perovskites (pip), the average lifetime of 3 Pb 6 Cl 18 is the shortest 4.47 ns.

피페라진 기반 페로브스카이트의 광발광 측정을 수행했는데, 325nm 여기(excitation)에서, (pip)2PbBr6는 ~403nm에서 더 높은 에너지 숄더 피크, 580nm에서 최대를 갖는 넓은 방출 피크 및 191.30nm의 큰 FWHM을 갖는, 가시 스펙트럼의 전체 범위를 커버하는 넓은 광 방출을 나타내었다(도 10a). (pip)3Pb6Cl18은 (pip)2PbBr6과 같은 기능을 나타내었는데, 535nm에서 최대 방출, 152.61nm(8.12 eV)의 FWHM 및 410nm에서 숄더 피크와 같은 넓은 방출을 보였다(도 10a). (2,5-dmpz)0.5PbBr3 또한 524nm에서 최대값 및 170.73nm의 FWHM을 갖는 넓은 방출을 나타내었다. (1mpz)4Pb2Br12는 607nm에서 최대값을 가지며 187.62nm의 FWHM을 갖는 넓은 피크를 나타냈다. 그러나, 이들 화합물은 명백한 고에너지 숄더 피크를 나타내지 않았다(도 10b). 중요하게, 모든 화합물의 CRI는 일광(daylight)에 대비하여 광원으로서 높은 정확성을 나타내는 전형적인 형광 광원(ca. 65) 이상을 나타냈다. 이 화합물의 국제 CIE(국제기준) 색 좌표는, 1931 색 공간 색도 다이어그램에서, (pip)2PbBr6의 경우 (0.452, 0.472), (pip)3Pb6Cl18의 경우 (0.340, 0.371), (1mpz)4Pb2Br12의 경우 (0.476, 0.456), (2,5-dmpz)0.5PbBr3의 경우 (0.315, 0.401)를 각각 나타냈다(도 10c). (pip)2PbBr6, (pip)3Pb6Cl18, 및 (2,5-dmpz)0.5PbBr3의 상관 색 온도(CCT)는 각각 3247.6K, 5246.0K 및 6076.5K였다(표 3). (pip)3Pb6Cl18 및 (2,5-dmpz)0.5PbBr3·2((CH3)2SO)의 CCT는 실내 조명 적용을 위한 차가운 백색 광원을 5000K 이상에서 보여주는 반면, (1mpz)4Pb2Br12의 CCT는 2810.4K로 따뜻한 오렌지색 빛을 방출했다(도 10d).Photoluminescence measurements of piperazine-based perovskites were performed, where at 325 nm excitation, (pip) 2 PbBr 6 has a higher energy shoulder peak at ~403 nm, a broad emission peak with a maximum at 580 nm and a wide emission peak at 191.30 nm. It showed a broad light emission covering the entire range of the visible spectrum, with a large FWHM (FIG. 10A ). (pip) 3 Pb 6 Cl 18 exhibited the same function as (pip) 2 PbBr 6 , exhibiting maximum emission at 535 nm, FWHM at 152.61 nm (8.12 eV), and broad emission such as shoulder peak at 410 nm (Fig. 10a) . (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 also showed a broad emission with a maximum value at 524 nm and a FWHM of 170.73 nm. (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 had a maximum value at 607 nm and showed a broad peak with an FWHM of 187.62 nm. However, these compounds did not show obvious high energy shoulder peaks (FIG. 10B ). Importantly, the CRI of all compounds exhibited more than a typical fluorescent light source (ca. 65) showing high accuracy as a light source compared to daylight. The international CIE (International Standard) color coordinates of this compound are (pip) 2 PbBr 6 (0.452, 0.472), (pip) 3 Pb 6 Cl 18 (0.340, 0.371) in the 1931 color space chromaticity diagram, In the case of (1mpz) 4 Pb 2 Br 12 (0.476, 0.456), in the case of (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 (0.315, 0.401) were respectively shown (Fig. 10C). Correlated color temperatures (CCT) of (pip) 2 PbBr 6 , (pip) 3 Pb 6 Cl 18 , and (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 were 3247.6K, 5246.0K and 6076.5K, respectively (Table 3). The CCT of (pip) 3 Pb 6 Cl 18 and (2,5-dmpz) 0.5 PbBr 3 ·2((CH 3 ) 2 SO) shows a cold white light source for indoor lighting applications above 5000K, while (1mpz) The CCT of 4 Pb 2 Br 12 emitted warm orange light at 2810.4K (FIG. 10D).

Figure 112019038273412-pat00004
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Figure 112019038273412-pat00007
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Claims (7)

하기 화학식 1의 단위구조로 이루어진 엣지-공유 나선형 사슬 및 복수개의 하기 화학식 2의 피페라지늄을 포함하고,
상기 피페라지늄의 N+-H는 각각 사슬의 서로 다른 X-와 수소 상호작용을 형성하는 것인, 하기 화학식 3의 단위구조로 표시되는 페로브스카이트 화합물:
[화학식 1]
[PbX5]3-
(식 중, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나)
[화학식 2]
Figure 112020052557000-pat00008

[화학식 3]
(pip)0.5nPbnX3n
(식 중, pip는 상기 화학식 2의 피페라지늄, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군에서 선택된 하나, n은 3 이상의 정수).
Including an edge-covalent helical chain consisting of a unit structure of the following formula (1) and a plurality of piperazinium of the following formula (2),
The perovskite compound represented by the unit structure of the following formula (3), wherein N + -H of the piperazinium forms a hydrogen interaction with each other X - of the chain:
[Formula 1]
[PbX 5 ] 3-
(Wherein, X is one selected from the group consisting of Cl, Br and I)
[Formula 2]
Figure 112020052557000-pat00008

[Formula 3]
(pip) 0.5n Pb n X 3n
(Wherein, pip is piperazinium of Formula 2, X is one selected from the group consisting of Cl, Br, and I, and n is an integer of 3 or more).
청구항 1에 있어서, 상기 화학식 1의 X는 Cl인 페로브스카이트 화합물.
The perovskite compound of claim 1, wherein X in Formula 1 is Cl.
청구항 1에 있어서, 상기 엣지-공유 나선형 사슬은 적어도 일부가 이어져 고리를 형성하는 것인 페로브스카이트 화합물.
The perovskite compound of claim 1, wherein the edge-covalent helical chain is at least partially connected to form a ring.
청구항 1에 있어서, 상기 화합물의 CRI 값이 70 이상인 페로브스카이트 화합물.
The perovskite compound of claim 1, wherein the compound has a CRI value of 70 or more.
청구항 1에 있어서, 상기 화합물의 CRI 값이 90 이상인 페로브스카이트 화합물.
The perovskite compound of claim 1, wherein the compound has a CRI value of 90 or higher.
청구항 1 내지 5 중 어느 하나의 페로브스카이트 화합물을 포함하는 발광소자.
A light-emitting device comprising the perovskite compound of any one of claims 1 to 5.
청구항 6의 발광소자를 포함하는 발광장치.A light-emitting device comprising the light-emitting device of claim 6.
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