WO2016072805A1 - 페로브스카이트 나노결정입자 및 이를 이용한 광전자 소자 - Google Patents

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WO2016072805A1
WO2016072805A1 PCT/KR2015/011959 KR2015011959W WO2016072805A1 WO 2016072805 A1 WO2016072805 A1 WO 2016072805A1 KR 2015011959 W KR2015011959 W KR 2015011959W WO 2016072805 A1 WO2016072805 A1 WO 2016072805A1
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WO
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organic
nanocrystalline particles
perovskite
acid
perovskite nanocrystalline
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PCT/KR2015/011959
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French (fr)
Inventor
이태우
임상혁
김영훈
조힘찬
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포항공과대학교 산학협력단
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/02—Use of particular materials as binders, particle coatings or suspension media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B33/00—Electroluminescent light sources
    • H05B33/10—Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of electroluminescent light sources
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B33/00—Electroluminescent light sources
    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces
    • H05B33/14—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces characterised by the chemical or physical composition or the arrangement of the electroluminescent material, or by the simultaneous addition of the electroluminescent material in or onto the light source

Definitions

  • the present invention relates to a perovskite material, and more particularly to an organic-inorganic hybrid perovskite or inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles and an optoelectronic device using the same.
  • organic light emitters have the advantage of high efficiency, but the color spectrum is poor due to the broad spectrum.
  • Inorganic quantum dot emitters have been known to have good color purity, but because they emit light due to quantum confinement effects or quantum size effects, the emission color changes mainly depending on the size of nanoparticles having a diameter of 20 nm or less. do. It is difficult to control the quantum dot size to be uniform toward the blue color, so there is a problem of poor color purity.
  • the inorganic quantum dot has a very deep valence band, so that the hole injection barrier in the organic hole injection layer is very large, which makes the hole injection difficult.
  • the two light emitters are expensive. Therefore, there is a need for a new type of organic-inorganic hybrid light emitter to compensate for and maintain the advantages of the organic and inorganic light emitter.
  • Organic-inorganic hybrid materials have the advantages of organic materials, which are low in manufacturing cost, simple in manufacturing and device fabrication process, easy to control optical and electrical properties, and inorganic materials having high charge mobility and mechanical and thermal stability. I can have it and am attracting attention academically and industrially.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite material has high color purity, simple color control, and low synthesis cost, so there is great potential for development as a light-emitting body.
  • High color purity has a layered structure in which the 2D plane of the inorganic material is sandwiched between the 2D plane of the organic material, and the dielectric constant difference between the inorganic and organic material is large ( ⁇ organic ⁇ 2.4, ⁇ inorganic ⁇ 6.1)
  • the excitons are bound to the inorganic layer and are therefore formed because they have a high color purity (FWHMM ⁇ 20 nm).
  • the material having a conventional perovskite structure is an inorganic metal oxide.
  • Such inorganic metal oxides are generally oxides, such as Ti, Sr, Ca, Cs, Ba, Y, Gd, La, Fe, and Mn (alkali metals, alkalis) having different sizes at A and B sites.
  • Earth cations, transition metals and lanthanides) cations are located and oxygen anions are located at X site, and metal cations at B site are combined with oxygen anions at X site as corner-sharing octahedrons of 6-fold coordination.
  • Examples thereof include SrFeO 3 , LaMnO 3 , CaFeO 3, and the like.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite has an organic ammonium (RNH 3 ) cation at the A site and an halides (Cl, Br, I) at the X site in the ABX 3 structure.
  • RNH 3 organic ammonium
  • Cl, Br, I halides
  • Inorganic metal oxide perovskite typically exhibits superconductivity, ferroelectricity, and colossal magnetoresistance, and thus, research has been conducted in general for sensors, fuel cells, and memory devices.
  • yttrium barium copper oxide has superconducting or insulating properties depending on oxygen contents.
  • organic-inorganic hybrid perovskite (or organometallic halide perovskite) is essentially laminated because the organic and inorganic planes are alternately stacked, which is similar to the lamellar structure, allowing exciton to be bound within the inorganic plane.
  • the crystal structure itself rather than the size of the material can be an ideal light emitter that emits very high color light.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite even if the organic ammonium contains a chromophore (mainly containing conjugated structure) having a bandgap smaller than the central metal and halogen crystal structure (BX3), the emission from organic ammonium Because of this, the half color width of the emission spectrum is wider than 50 nm because it does not emit light of high color purity, making it unsuitable as a light emitting layer. Therefore, such a case is not very suitable for the high color purity illuminant emphasized in this patent.
  • a chromophore mainly containing conjugated structure having a bandgap smaller than the central metal and halogen crystal structure (BX3)
  • the present patent focuses on the development of a high color purity high efficiency light emitting device in which light emission occurs in the inorganic lattice.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2001-0015084 discloses an electroluminescent device using a dye-containing organic-inorganic hybrid material as a light emitting layer by forming a thin film instead of particles. Luminescence does not come from the lobe-sky lattice structure.
  • organic-inorganic hybrid perovskite or inorganic metal halide perovskite has a small exciton binding energy, it is possible to emit light at low temperatures, but at room temperature, excitons do not go into the light emission due to thermal ionization and delocalization of charge carriers. There is a fundamental problem of dividing into extinction. In addition, when the free charge recombines again to form excitons, there is a problem that the excitons are dissipated by the surrounding layer having high conductivity, so that light emission does not occur.
  • the problem to be solved by the present invention is to synthesize the organic-inorganic hybrid perovskite or inorganic metal halide perovskite as nanocrystalline particles instead of a thin film to prevent thermal ionization, delocalization of the charge carrier and quenching of excitons, and thus the luminous efficiency and It is to provide a nanocrystalline particles with improved durability-stability.
  • the present invention provides a nanocrystalline particle having a maximum luminous efficiency at a size larger than the bore diameter which is not affected by the quantum confinement effect.
  • the present invention provides nanocrystalline particles having improved luminous efficiency and an optoelectronic device using the same by synthesizing a doped organic-inorganic hybrid perovskite or an inorganic metal halide perovskite into nanocrystals.
  • the present invention provides nanocrystalline particles that can be dispersed in all organic solvents and are applicable to various electronic devices.
  • perovskite nanocrystalline particles may include a perovskite nanocrystalline structure while being dispersed in an organic solvent.
  • the perovskite is an organic-inorganic hybrid perovskite or an inorganic metal halide perovskite, and is larger than the bohr diameter and has a diameter of an area that is not affected by the quantum confinement effect. It is done.
  • the perovskite nanocrystalline particles are characterized in that the light emitter has a diameter of 20 nm to 30 nm.
  • the organic solvent includes a protic solvent or an aprotic solvent
  • the protic solvent is dimethylformamide, gamma butyrolactone, N-methylpyrrolidone or Dimethylsulfoxide
  • the aprotic solvent is dichloroethylene, trichloroethylene, chloroform, chlorobenzene, dichlorobenzene, styrene, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, xylene, toluene , Cyclohexene or isopropyl alcohol.
  • the perovskite nanocrystalline particles are used as a light emitter.
  • the particle size of such a light emitter is characterized in that 20 nm or more and 900 nm or less. More specifically, it is characterized in that the 20 to 30 nm.
  • the perovskite nanocrystalline particles are used as a light emitter.
  • the emission wavelength of such a light emitter is characterized in that 200 nm to 1300 nm.
  • the perovskite nanocrystalline particles are characterized in that the spherical, cylindrical, elliptic cylinder or polygonal pillar shape.
  • the bandgap energy of the perovskite nanocrystalline particles is characterized by the structure of the perovskite crystal, unlike the inorganic quantum dot emitter depends on the particle size.
  • the band gap energy of the nanocrystalline particles is affected by the particle size.
  • the emission wavelength is thus influenced by the particle size.
  • the band gap energy of the perovskite nanocrystalline particles may be 1 eV to 5 eV.
  • the perovskite comprises a structure of ABX 3 , A 2 BX 4 , ABX 4 or A n- 1 B n X 3n +1 (n is an integer between 2 and 6), wherein A is an organoammonium or alkali metal Material, B is a metal material, and X may be a halogen element.
  • the organoammonium is an amidinium-based organic ion, (CH 3 NH 3 ) n , ((C x H 2x + 1 ) n NH 3 ) 2 (CH 3 NH 3 ) n , (RNH 3 ) 2 , (C n H 2n + 1 NH 3 ) 2 , (CF 3 NH 3 ), (CF 3 NH 3 ) n , ((C x F 2x + 1 ) n NH 3 ) 2 (CF 3 NH 3 ) n , ((C x F 2x + 1 ) n NH 3 ) 2 or (C n F 2n + 1 NH 3 ) 2 ) (n is an integer of 1 or more), and the alkali metal material is Na, K, Rb, Cs or It may be Fr.
  • B is a divalent transition metal, rare earth metal, alkaline earth metal, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, S
  • It may further include a plurality of organic ligands surrounding the surface of the perovskite nanocrystalline particles.
  • the organic ligands may include alkyl halides or carboxylic acids.
  • the alkyl structure of the alkyl halide is acyclic alkyl having a structure of C n H 2n +1 , primary alcohol, secondary alcohol, secondary alcohol, tertiary alcohol, alkylamine ), p-substituted aniline, phenyl ammonium or fluorine ammonium,
  • the carboxylic acid is 4,4'-azobis (4-cyanopaleric acid) (4,4'-Azobis (4-cyanovaleric acid)), acetic acid (Acetic acid), 5-minosalicyclic acid (5-Aminosalicylic acid), Acrylic acid, L-Aspentic acid, 6-Brohexahexanoic acid (6-Bromohexanoic acid), Promoacetic acid (Bromoacetic acid) Dichloro acetic acid, Ethylenediaminetetraacetic acid, Isobutyric acid, Itaconic acid, Maleic acid, r-maleimido Butyric acid (r-Maleimidobutyric acid), L-Malic acid (L-Malic acid), 4-nitrobenzoic acid (4-Nitrobenzoic acid) or 1-pyrenecarboxylic acid (1-Pyrenecarboxylic acid), oleic acid It may contain oleic acid.
  • the perovskite is characterized in that the doped perovskite.
  • the doped perovskite comprises a structure of ABX 3 , A 2 BX 4 , ABX 4 or A n- 1 B n X 3n +1 (n is an integer between 2 and 6), wherein a portion of A is Or a part of B is substituted with B ', or a part of X is substituted with X', wherein A and A 'are organic ammonium, and B and B' are metallic materials.
  • X and X ' may be a halogen element.
  • a and A ' is an amidinium-based organic ion, (CH 3 NH 3 ) n , ((C x H 2x + 1 ) n NH 3 ) 2 (CH 3 NH 3 ) n, (RNH 3 ) 2 , (C n H 2n + 1 NH 3 ) 2 , (CF 3 NH 3 ), (CF 3 NH 3 ) n , ((C x F 2x + 1 ) n NH 3 ) 2 (CF 3 NH 3 ) n , ( (C x F 2x + 1 ) n NH 3 ) 2 or (C n F 2n + 1 NH 3 ) 2 and (n is an integer of 1 or more, x is an integer of 1 or more), and B and B 'are a divalent transition metal , Rare earth metal, alkaline earth metal, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi or Po, wherein X and X 'may be a
  • A is substituted with A '
  • B is substituted with B'
  • X is substituted with X ', characterized in that 0.1% to 5%.
  • the nanocrystalline particles are characterized in that the core-shell structure.
  • the nanocrystalline particles are characterized in that the structure having a gradient composition.
  • the light emitting device may include a first electrode, a second electrode, and a light emitting layer positioned between the first electrode and the second electrode and including the above-described perovskite nanocrystalline particles.
  • Such a solar cell may be positioned between a first electrode, a second electrode, and the first electrode and the second electrode, and may include a photoactive layer including the above-described perovskite nanocrystalline particles.
  • the light emitting layer and the photoactive layer including the perovskite nanocrystalline particles may have various solution coating methods (spin-coating, dip coating, shear coating, bar coating, Slot-die coating, inkjet printing, nozzle printing, electrohydro jet printing, spray coating, and the like.
  • a perovskite nanocrystal structure having a crystal structure of FCC and BCC is formed, and an organic plane and an inorganic plane are alternately formed.
  • the lamellar structure may be formed by lamination, and in particular, since organic ammonium having no conjugated structure is used as an organic material, excitons may be constrained on the inorganic plane to give high color purity.
  • the band gap energy of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles or the inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles is different from the structure of the perovskite crystal, unlike the inorganic quantum dot emitter depends on the particle size. Is determined by. Therefore, since particles larger than the range of the quantum confinement effect are formed, the emission color does not change or become very small depending on the particle size.
  • the exciton diffusion length is not only reduced in the 20 nm to 30 nm nanocrystal particles, but the exciton binding energy is increased to excite the exciton due to thermal ionization and delocalization of the charge carriers. It can prevent the luminous efficiency at high room temperature.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles or inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles according to the present invention can be applied to various optoelectronic devices as nanoparticles that can be dispersed in an organic solvent.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystals or inorganic metal halide perovskite nanocrystals according to the present invention, not only increases luminous efficiency and durability-stability but also the semiconductor type n-type or p Change to -type to adjust the electro-optical properties.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a perovskite nanocrystal structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle light emitter and inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particle light emitter according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing a method for preparing an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles and its energy band diagram of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing a method for preparing an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic diagram showing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles of the gradient composition structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a gradient composition structure and an energy band diagram thereof according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing doped perovskite nanocrystalline particles and an energy band diagram thereof according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of a light emitting body according to Preparation Example 30 and Comparative Example 1.
  • FIG. 10 is a schematic view of a light emitting body according to Preparation Example 30 and Comparative Example 1.
  • FIG. 12 is a schematic of the synthesis of nanocrystals that can be sized according to the amount of surfactant.
  • FIG. 13 shows data of measuring dielectric constant of an organic-inorganic hybrid perovskite.
  • FIG. 16 is photoluminescence data of Preparation Example 30 having various sizes depending on the amount of surfactant.
  • FIG. 19 shows data of measuring ionization potential energy of perovskite nanocrystals according to the size of Preparation Example 30.
  • 20 is a schematic diagram showing the energy distribution of the perovskite nanocrystals according to the size of Preparation Example 1.
  • Fig. 22 is a schematic diagram of the light emitting diode formed using Preparation Example 30;
  • FIG. 23 is data for forming an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal formed by using the Preparation Example 30 into a thin film.
  • FIG. 26 is performance data of light emitting diodes having different thicknesses of thin films formed using Preparation Example 30.
  • first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers, and / or regions, such elements, components, regions, layers, and / or regions It will be understood that it should not be limited by these terms.
  • the perovskite nanocrystalline particles according to an embodiment of the present invention may be dispersed in an organic solvent and may include a perovskite nanocrystal structure.
  • the perovskite at this time may be an organic-inorganic hybrid perovskite or inorganic metal halide perovskite.
  • 1 is a structure of the perovskite nanocrystals according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1 shows the structure of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystals and inorganic metal halide perovskite nanocrystals together.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal has a center metal in the center, and is face centered cubic (FCC), and six inorganic halide materials (X) are positioned on all surfaces of the cube.
  • the body-centered cubic (BCC) has an organic ammonium (OA) that forms eight structures at all vertices of the cube.
  • Pb is shown as an example of the center metal at this time.
  • the inorganic metal halide perovskite nanocrystal has a center metal in the center, face centered cubic (FCC), and six inorganic halide materials (X) are located on all surfaces of the hexahedron.
  • Body centered cubic (BCC) is an alkali metal structure with eight positions at all vertices of the cube. Pb is shown as an example of the center metal at this time.
  • all sides of the cube form 90 °, and include a cubic structure having the same horizontal length, vertical length, and height, as well as tetragonal structure having the same horizontal length and vertical length but different height lengths.
  • the two-dimensional structure according to the present invention has the center metal in the center, the center of the cubic structure of the inorganic halide material is located on all six surfaces of the cube, and the body of the cubic structure of the organic ammonium is located at all vertices of the hexahedron
  • the width and length are the same, but the height is defined as a structure 1.5 times longer than the length and length.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle light emitter and inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particle light emitter according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is shown as an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle emitter
  • the inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles according to an embodiment of the present invention is that the A site is an alkali metal instead of an organic ammonium Except for the above-described organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles are the same.
  • the alkali metal material may be, for example, A, Na, K, Rb, Cs, or Fr.
  • organic-inorganic hybrid perovskite will be described as an example.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles 100 may include an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline structure 110 that can be dispersed in an organic solvent.
  • the organic solvent may be a protic solvent or an aprotic solvent.
  • the protic solvent includes dimethylformamide, gamma butyrolactone, N-methylpyrrolidone or dimethylsulfoxide
  • Protic solvents may include dichloroethylene, trichloroethylene, chloroform, chlorobenzene, dichlorobenzene, styrene, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, xylene, toluene, cyclohexene or isopropyl alcohol .
  • the nanocrystalline particles 100 may be in the form of a sphere, a cylinder, an elliptic cylinder or a polygonal cylinder.
  • the size of the nanocrystalline particles should be larger than the bore diameter beyond the quantum confinement effect or quantum size effect. Specifically, the size of the nanocrystalline particles should be 20 nm to 900 nm or less. More specifically, it may be 20 nm to 30 nm.
  • the size of the nano-crystal grains at this time means a size that does not consider the length of the ligand to be described later, that is, the size of the remaining portion except for these ligands.
  • the diameter of the nanocrystalline particles may be 20 nm to 30 nm.
  • the bandgap energy is determined by the structure of the perovskite crystal, whereas the inorganic quantum dot emitter depends on the particle size according to the quantum binding effect.
  • the nanocrystalline particles have a size less than the bore diameter, ie less than 20 nm, the band gap is changed by the particle size. Further, in the nanocrystalline particles having a size of less than 20 nm, it is difficult to control the distribution of the particle size, which makes it difficult to implement high color purity.
  • the bore diameter may vary depending on the structure of the material, but since it is generally 20 nm or more, the light emission wavelength is changed even when the perovskite structure is less than 20 nm. However, the change of the emission wavelength according to the particle size is disadvantageous for mass production because it requires more fine control in the synthesis and processing of the particles.
  • the nanocrystalline particles have a size of more than 30 nm, exciton defect energy is reduced and excitons do not go into luminescence due to thermal ionization and delocalization of charge carriers at room temperature and are separated by free charge and disappear. Luminous efficiency can be reduced.
  • the band gap energy of the nanocrystalline particles may be 1 eV to 5 eV.
  • the energy band gap is determined according to the constituent material or crystal structure of the nanocrystalline particles, by adjusting the constituent material of the nanocrystalline particles, it is possible to emit light having a wavelength of, for example, 200 nm to 1300 nm.
  • Such organic-inorganic hybrid perovskite materials include structures of ABX 3 , A 2 BX 4 , ABX 4 or A n-1 B n X 3n + 1 (n is an integer between 2 and 6), wherein A is Organoammonium, B is a metal material, X may be a halogen element.
  • B may be a divalent transition metal, a rare earth metal, an alkaline earth metal, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po, or a combination thereof.
  • the rare earth metal may be Ge, Sn, Pb, Eu or Yb.
  • the alkaline earth metal may be, for example, Ca or Sr.
  • X may be Cl, Br, I or a combination thereof.
  • organic / inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles 110 may further include a plurality of organic ligands 120 surrounding the surface.
  • the organic ligands may include alkyl halides or carboxylic acids.
  • the alkyl halide may be a structure of alkyl-X.
  • the halogen element corresponding to X may include Cl, Br, or I.
  • the alkyl structure includes primary alcohols and secondary alcohols having a structure such as acyclic alkyl having a structure of C n H 2n +1 , C n H 2n + 1 OH, and the like.
  • Tertiary alcohol, alkylamine with alkyl-N structure (ex.
  • the carboxylic acid is 4,4'-azobis (4-cyanopaleric acid) (4,4'-Azobis (4-cyanovaleric acid)), acetic acid (Acetic acid), 5-minosalicyclic acid (5-Aminosalicylic acid), Acrylic acid, L-Aspentic acid, 6-Brohexahexanoic acid (6-Bromohexanoic acid), Promoacetic acid (Bromoacetic acid) Dichloro acetic acid, Ethylenediaminetetraacetic acid, Isobutyric acid, Itaconic acid, Maleic acid, r-maleimido Butyric acid (r-Maleimidobutyric acid), L-Malic acid (L-Malic acid), 4-nitrobenzoic acid (4-Nitrobenzoic acid) or 1-pyrenecarboxylic acid (1-Pyrenecarboxylic acid), oleic acid It may contain oleic acid.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles according to the present invention can provide nanocrystalline particles having various band gaps according to halogen element substitution.
  • nanocrystalline particles comprising CH 3 NH 3 PbCl 3 organic-inorganic perovskite nanocrystal structures may have a bandgap energy of about 3.1 eV.
  • the nanocrystalline particles including the CH 3 NH 3 PbBr 3 organic-inorganic perovskite nanocrystal structure may have a bandgap energy of about 2.3 eV.
  • the nanocrystalline particles including the CH 3 NH 3 PbI 3 organic-inorganic perovskite nanocrystal structure may have a bandgap energy of about 1.5 eV.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles according to the present invention can provide nanocrystalline particles having various band gaps according to organic element substitution.
  • n 4 in (C n H 2n + 1 NH 3 ) 2 PbBr 4 .
  • a nanocrystalline particle having a bandgap of n 12 days and about 3.52 eV.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles according to the present invention can provide nanocrystalline particles having various band gaps according to the substitution of the central metal.
  • the nanocrystalline particles comprising the CH 3 NH 3 PbI 3 organic-inorganic perovskite nanocrystal structure may have a bandgap energy of about 1.5 eV.
  • Nanocrystalline particles comprising an organic-inorganic perovskite nanocrystalline structure may have a bandgap energy of about 1.31 eV.
  • Nanocrystalline particles comprising a 5 I 3 organic-inorganic perovskite nanocrystalline structure may have a bandgap energy of about 1.28 eV.
  • the nanocrystalline particles including the CH 3 NH 3 Sn 0.7 Pb 0.3 I 3 organic-inorganic perovskite nanocrystal structure may have a bandgap energy of about 1.23 eV.
  • Nanocrystalline particles comprising a 1 I 3 organic-inorganic perovskite nanocrystal structure may have a bandgap energy of about 1.18 eV.
  • the nanocrystalline particles including the CH 3 NH 3 SnI 3 organic-inorganic perovskite nanocrystal structure may have a bandgap energy of about 1.1 eV.
  • the nanocrystalline particles including the CH 3 NH 3 Pb x Sn 1 - x Br 3 organic-inorganic perovskite nanocrystal structure may have a bandgap energy of 1.9 eV to 2.3 eV.
  • the nanocrystalline particles including the CH 3 NH 3 Pb x Sn 1 - x Cl 3 organic-inorganic perovskite nanocrystal structure may have a bandgap energy of 2.7 eV to 3.1 eV.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing a method for preparing an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles according to an embodiment of the present invention.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles manufacturing method is a first solution and a non-positive solution in which the organic-inorganic hybrid perovskite is dissolved in a protic solvent
  • the method may include preparing a second solution in which a surfactant is dissolved in a magnetic solvent, and mixing the first solution with the second solution to form nanocrystalline particles.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles according to the present invention can be prepared through an inverse nano-emulsion method.
  • a first solution in which an organic-inorganic hybrid perovskite is dissolved in a protic solvent and a second solution in which a surfactant is dissolved in an aprotic solvent are prepared.
  • the protic solvent may include dimethylformamide, gamma butyrolactone or N-methylpyrrolidone, or dimethylsulfoxide, but is not limited thereto. It is not.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite at this time may be a material having a three-dimensional crystal structure or two-dimensional crystal structure.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite having a three-dimensional crystal structure may be an ABX 3 structure.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite having a two-dimensional crystal structure may be a structure of ABX 3 , A 2 BX 4 , ABX 4 or A n- 1 Pb n I 3n +1 (n is an integer between 2 and 6) have.
  • A is an organoammonium material
  • B is a metal material
  • X is a halogen element
  • B may be a divalent transition metal, a rare earth metal, an alkaline earth metal, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po, or a combination thereof.
  • the rare earth metal may be Ge, Sn, Pb, Eu or Yb.
  • the alkaline earth metal may be, for example, Ca or Sr.
  • X may be Cl, Br, I or a combination thereof.
  • such perovskite can be prepared by combining AX and BX 2 in a certain ratio. That is, the first solution may be formed by dissolving AX and BX 2 in a proportion in a protic solvent.
  • a first solution in which A 2 BX 3 organic-inorganic hybrid perovskite is dissolved may be prepared by dissolving AX and BX 2 in a protic solvent in a 2: 1 ratio.
  • the aprotic solvent at this time is dichloroethylene, trichloroethylene, chloroform, chlorobenzene, dichlorobenzene, styrene, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, xylene, toluene, cyclohexene or isopropyl alcohol May be included but is not limited to this.
  • the surfactant may be a structure of alkyl-X as an alkyl halide surfactant.
  • the halogen element corresponding to X may include Cl, Br, or I.
  • the structure of the alkyl primary alcohol (primary alcohol) having a structure such as acyclic alkyl (acyclic alkyl), C n H 2n + 1 OH having the structure C n H 2n +1, secondary alcohol (secondary alcohol) Tertiary alcohol, alkylamine with alkyl-N structure (ex.
  • the surfactant may be 4,4'-azobis (4-cyanopaleric acid) (4,4'-Azobis (4-cyanovaleric acid)), acetic acid, 5-minosalicyclic 5-Aminosalicylic acid, Acrylic acid, L-Aspentic acid, 6-Brohexahexanoic acid, Promoacetic acid, Dichloro acetic acid, Ethylenediaminetetraacetic acid, Isobutyric acid, Itaconic acid, Maleic acid, Male-acid Midobutyl acid (r-Maleimidobutyric acid), L-Malic acid (L-Malic acid), 4-nitrobenzoic acid (4-Nitrobenzoic acid) or 1-pyrenecarboxylic acid (1-Pyrenecarboxylic acid), May include, but is not limited to, carboxylic acids (COOH), such as oleic acid. It is not.
  • COOH carboxylic acids
  • the first solution is mixed with the second solution to form nanocrystalline particles.
  • nanocrystalline particles In the forming of the nanocrystalline particles by mixing the first solution with the second solution, it is preferable to drop the first solution drop by drop into the second solution.
  • the second solution at this time may be stirred.
  • nanocrystalline particles may be synthesized by slowly dropping a second solution in which an organic-inorganic perovskite (OIP) is dissolved into a second solution in which a strongly stirring alkyl halide surfactant is dissolved.
  • OIP organic-inorganic perovskite
  • organic-inorganic perovskite (OIP) when the first solution is dropped into the second solution and mixed, the organic-inorganic perovskite (OIP) is precipitated in the second solution due to the difference in solubility.
  • the organic-inorganic perovskite (OIP) precipitated in the second solution generates an organic-inorganic perovskite nanocrystal (OIP-NC) that is well dispersed while the alkyl halide surfactant stabilizes the surface. Therefore, organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles including organic-inorganic perovskite nanocrystals and a plurality of alkyl halide organic ligands surrounding the organic-inorganic perovskite nanocrystals can be prepared.
  • the size of the organic-inorganic perovskite nanocrystalline particles can be controlled by controlling the length or shape factor and amount of the alkyl halide surfactant.
  • form factor control can be controlled in size through a linear, tapered or inverted triangular surfactant.
  • the size of the organic-inorganic perovskite nanocrystals thus produced is preferably 20 nm to 30 nm in the range beyond the bore diameter beyond the quantum confinement effect. If the size of organic-inorganic perovskite nanocrystals exceeds 30 nm, the fundamental problem is that excitons do not go into luminescence but are separated into free charges and disappear due to thermal ionization and delocalization of charge carriers in large nanocrystals. There may be.
  • the band gap is changed by the particle size.
  • color purity and spectrum may be affected by size, and efficiency may be reduced due to defects on the surface of nanocrystals.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles according to an embodiment of the present invention may have a core-shell structure.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles and its energy band diagram of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles 100 ′ of the core-shell structure according to the present invention have a structure of a core 130 and a shell 130 surrounding the core 115. It can be seen that. At this time, a material having a larger band gap than the core 115 may be used as the shell 130 material.
  • the energy band gap of the shell 130 is larger than that of the core 115, so that the excitons may be more constrained to the core perovskite.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing a method for preparing an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • a method of preparing an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle having a core-shell structure includes a first solution and an aprotic solvent in which a first organic-inorganic hybrid perovskite is dissolved in a protic solvent. Preparing a second solution having an alkyl halide surfactant dissolved therein, mixing the first solution with the second solution to form a core including a first organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal structure, and the core The method may include forming a shell including a material surrounded by the core and having a larger band gap than the core.
  • a first solution in which an organic-inorganic hybrid perovskite is dissolved in a protic solvent is added dropwise to a second solution in which an alkyl halide surfactant is dissolved in an aprotic solvent.
  • organic-inorganic hybrid perovskite is precipitated in the second solution due to the difference in solubility, and the precipitated organic-inorganic hybrid perovskite is deposited.
  • the alkyl halide surfactant surrounds and stabilizes the surface to produce the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles 100 including the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core 115 well dispersed.
  • the nanocrystalline core 115 is then surrounded by alkyl halide organic ligands 120.
  • an organic-inorganic hybrid perovskite having a core-shell structure is formed by forming a shell 130 including a material surrounding the core 115 and having a larger band gap than the core 115.
  • Nanocrystalline particles 100 ′ may be manufactured.
  • the shell may be formed using the second organic-inorganic hybrid perovskite solution or the inorganic semiconductor material solution. That is, the second solution that surrounds the core by adding a third solution in which the second organic-inorganic hybrid perovskite or inorganic semiconductor material having a larger band gap than the first organic-inorganic hybrid perovskite is dissolved in the second solution. It is possible to form a shell comprising two organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystals or an inorganic semiconductor material or an organic polymer.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite having a larger bandgap than MAPbBr 3 MAPbCl 3
  • inorganic semiconductor material solution such as ZnS or metal oxide, or polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine
  • the organic polymer, such as polyvinyl alcohol (PVA) may be slowly dropped dropwise to form a shell including the second organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal (MAPbCl 3 ) or an inorganic semiconductor material.
  • MA at this time means methyl ammonium.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a MAPbBr 3 / MAPbCl 3 core-shell structure.
  • a shell can be formed using an organoamonium halide solution. That is, a large amount of organoammonium halide solution may be added to the second solution, followed by stirring to form a shell having a larger band gap than the core surrounding the core.
  • a MACl solution was added to an organic-inorganic hybrid perovskite (MAPbBr 3 ) solution produced by the method described above (Inverse nano-emulsion method), and the MAPbBr 3 surface of the MAPbBr 3 surface was strongly reacted with excess MACl. It can be converted to 3 - x Cl x to form a shell.
  • MAPbBr 3 organic-inorganic hybrid perovskite
  • MAPbBr 3 / MAPbBr 3-x Cl x core-shell structure of the organic-inorganic hybrid can form a perovskite nanocrystalline particles.
  • a shell can be formed using a pyrolysis / synthesis method. That is, after thermally decomposing the surface of the core by heat-treating the second solution, an organic ammonium halide solution is added to the heat-treated second solution to synthesize a surface, and thus a band gap is greater than that of the core surrounding the core. It can form a large shell.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite (MAPbBr 3 ) solution produced by the above method (Inverse nano-emulsion method) was heat-treated to change the surface to PbBr 2, and then MACl solution was added. Again the surface can be synthesized with MAPbBr 2 Cl to form a shell.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a MAPbBr 3 / MAPbBr 2 Cl core-shell structure can be formed.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles of the core-shell structure formed according to the present invention forms a shell with a material having a larger bandgap than the core, so that the excitons are more constrained to the core and are stable in air.
  • Skytight or inorganic semiconductors can be used to improve the durability of the nanocrystals by preventing core perovskite from being exposed to air.
  • a shell may be formed using an organic semiconductor material solution. That is, in the second solution, an organic semiconductor material having a larger band gap than the organic-inorganic hybrid perovskite is melted in advance, and the first solution in which the first organic-inorganic hybrid perovskite described above is dissolved is added to the second solution. Thus, a shell including the core including the first organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal and the organic semiconductor material surrounding the core may be formed.
  • a shell can be formed by using a selective exctraction method. That is, by inserting a small amount of IPA solvent into the second solution formed with a core containing the first organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystals, MABr is selectively extracted from the surface of the nanocrystals to form only PbBr 2 to form the core.
  • the shell may have a larger bandgap than the surrounding core.
  • MABr on the MAPbBr3 surface may be removed through selective extraction.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle light-emitting body of the MAPbBr 3 -PbBr 2 core-shell structure can be formed.
  • Figure 6 is a schematic diagram showing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles of the gradient (gradient) composition structure according to an embodiment of the present invention.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles 100 ′′ having a gradient composition may be dispersed in an organic solvent.
  • the nanocrystal structure 140 has a gradient composition structure whose composition changes from the center toward the outside, wherein the organic solvent may be a protic solvent or an aprotic solvent.
  • Inorganic hybrid perovskite at this time is ABX 3 - m X ' m , A 2 BX 4 - l X' l Or ABX 4 -k X ' k , wherein A is an organoammonium material, B is a metal material, X is Br, and X' is Cl.
  • the m, l and k value is characterized in that the increase in the direction toward the outside from the center of the nanocrystalline structure (140).
  • the energy band gap increases from the center of the nanocrystal structure 140 toward the outside direction.
  • B may be a divalent transition metal, a rare earth metal, an alkaline earth metal, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po, or a combination thereof.
  • the m, l, and k values may gradually increase from the center of the nanocrystal structure toward the outside direction. Therefore, the energy band gap may gradually increase according to the composition change.
  • the m, l and k values may increase in a step shape from the center of the nanocrystal structure toward the outside. Therefore, the energy bandgap may increase in the form of steps according to the composition change.
  • the organic / inorganic hybrid perovskite nanocrystal structure 140 may further include a plurality of organic ligands 120.
  • the organic ligand 120 may include an alkyl halide.
  • alkyl halides may be of the structure of alkyl-X.
  • the halogen element corresponding to X may include Cl, Br, or I.
  • the structure of the alkyl primary alcohol (primary alcohol) having a structure such as acyclic alkyl (acyclic alkyl), C n H 2n + 1 OH having the structure C n H 2n +1, secondary alcohol (secondary alcohol) Tertiary alcohol, alkylamine with alkyl-N structure (ex.
  • the nanocrystal structure can be made into a gradient-alloy type to gradually change the content of the perovskite that is present in the outside of the nanocrystal structure and the perovskite that is present in the large amount.
  • This gradual change in the content of the nanocrystal structure uniformly regulates the fraction in the nanocrystal structure and reduces surface oxidation, thereby improving the emission efficiency by improving exciton confinement in the large amount of perovskite present therein.
  • durability-stability can be increased.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles manufacturing method having a gradient composition comprises the steps of preparing a core-shell structured organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles and the core-shell And heat-treating the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles of the structure to have a gradient composition through interdiffusion.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a core-shell structure are prepared.
  • the method for preparing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a core-shell structure is the same as described above with reference to FIG. 5, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles of the core-shell structure may be heat-treated to form a gradient composition through interdiffusion.
  • the core-shell structured organic-inorganic hybrid perovskite is annealed at a high temperature to form a solid solution, and then has a gradient composition through interdiffusion by heat treatment.
  • the heat treatment temperature may be 100 °C to 150 °C. By annealing at such a heat treatment temperature, interdiffusion can be induced.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles manufacturing method of the structure having a gradient composition comprises the steps of forming a first organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core and the gradient composition surrounding the core Forming a second organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline shell having.
  • the first organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core is formed. This is the same as the method of forming the nanocrystalline core described above, detailed description thereof will be omitted.
  • the second organic-inorganic hybrid perovskite is ABX 3 - m X ' m , A 2 BX 4 - l X' l Or ABX 4 -k X ' k , wherein A is an organoammonium material, B is a metal material, X is Br, and X' is Cl.
  • the third solution in which the second organic-inorganic hybrid perovskite is dissolved may be added to the second solution while increasing the m, l or k value.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a gradient composition and an energy band diagram thereof according to an embodiment of the present invention.
  • the nanocrystalline particles 100 "according to the present invention is an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal structure 140 having a gradient composition of varying content.
  • the energy band gap can be manufactured to increase from the center to the outward direction.
  • the perovskite nanocrystalline particles according to the present invention may be doped perovskite nanocrystalline particles.
  • the doped perovskite comprises a structure of ABX 3 , A 2 BX 4 , ABX 4 or A n- 1 B n X 3n +1 (n is an integer between 2 and 6), wherein a portion of A is Or a part of B is substituted with B ', or a part of X is substituted with X', wherein A and A 'are organic ammonium, and B and B' are metallic materials.
  • X and X ' may be a halogen element.
  • A is substituted with A '
  • B is substituted with B'
  • X is substituted with X ', characterized in that 0.1% to 5%.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing doped perovskite nanocrystalline particles and an energy band diagram thereof according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a schematic view of a partially cut of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal structure 110 doped with a doping element 111.
  • FIG. 8B is a band diagram of the doped organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal structure 110.
  • the semiconductor type may be changed to n-type or p-type by doping the organic-inorganic hybrid perovskite.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystals of MAPbI 3 with Cl can be converted to n-type to control the electro-optic properties.
  • MA at this time is methyl ammonium.
  • a first solution in which an organic-inorganic hybrid perovskite doped in a protic solvent is dissolved is added dropwise to a second solution in which an alkyl halide surfactant is dissolved in an aprotic solvent.
  • the protic solvent may include dimethylformamide, gamma butyrolactone or N-methylpyrrolidone, or dimethylsulfoxide, but is not limited thereto. It is not.
  • the doped organic-inorganic hybrid perovskite includes a structure of ABX 3 , A 2 BX 4 , ABX 4 or A n-1 B n X 3n + 1 , wherein a part of A is substituted with A ′, or A part of B is substituted with B ', or a part of X is characterized by being substituted with X'.
  • a and A ' is an organic ammonium
  • B and B' is a metal material
  • X and X ' may be a halogen element.
  • A is (CH 3 NH 3 ) n , ((C x H 2x + 1 ) n NH 3 ) 2 (CH 3 NH 3 ) n, (RNH 3 ) 2 , (C n H 2n + 1 NH 3 ) 2 , (CF 3 NH 3 ), (CF 3 NH 3 ) n , ((C x F 2x + 1 ) n NH 3 ) 2 (CF 3 NH 3 ) n , ((C x F 2x + 1 ) n NH 3 ) 2 or (C n F 2n + 1 NH 3 ) 2 .
  • the B and B ' may be a divalent transition metal, rare earth metal, alkaline earth metal, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi or Po.
  • the rare earth metal may be Ge, Sn, Pb, Eu or Yb.
  • the alkaline earth metal may be, for example, Ca or Sr.
  • X and X ' may be Cl, Br or I.
  • a and A ' are different organic materials
  • B and B' are different metals
  • X and X ' are different halogen elements.
  • CH 3 NH 3 I, PbI 2 and PbCl 2 may be added to the DMF solvent to form a first solution.
  • the molar ratio of CH 3 NH 3 I: PbI 2 and PbCl 2 may be set at a 1: 1 ratio
  • the molar ratio of PbI 2 : PbCl 2 may be set at 97: 3.
  • the doped organic-inorganic hybrid perovskite is precipitated in the second solution due to the difference in solubility, and the precipitated doped organic-inorganic hybrid perovskite is alkylated.
  • the doped organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles 100 including the doped organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline structure well dispersed while stabilizing the surface while surrounding the halide surfactant will be produced.
  • the surface of the doped organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles is surrounded by organic ligands, which are alkyl halides.
  • the protic solvent including the doped organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles dispersed in the aprotic solvent in which the alkyl halide surfactant is dissolved is selectively evaporated by heating, or the aprotic solvent and aprotic solvent
  • Dopant organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles can be obtained by selectively extracting a protic solvent including nanocrystalline particles from an aprotic solvent by adding magnetic solvent and co-solvent that can be dissolved in both. have.
  • Organic-inorganic hybrid perovskite perovskite nanocrystalline particles and inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles according to an embodiment of the present invention can be applied to various optoelectronic devices.
  • the light emitting device may include a first electrode, a second electrode, and a light emitting layer positioned between the first electrode and the second electrode and including the above-described perovskite nanocrystalline particles.
  • the present invention may be applied to a solar cell using a photoactive layer including the organic-inorganic perovskite nanocrystalline particles or inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles.
  • a solar cell may be positioned between a first electrode, a second electrode, and the first electrode and the second electrode, and may include a photoactive layer including the above-described perovskite nanocrystalline particles.
  • An organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle having a three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention was formed. It was formed through the inverse nano-emulsion method.
  • a first solution was prepared by dissolving an organic-inorganic hybrid perovskite in a protic solvent.
  • Dimethylformamide was used as the protic solvent
  • CH 3 NH 3 PbBr 3 was used as the organic-inorganic hybrid perovskite.
  • CH 3 NH 3 PbBr 3 used was a mixture of CH 3 NH 3 Br and PbBr 2 in a 1: 1 ratio.
  • the first solution was slowly added dropwise to the second solution under vigorous stirring to form organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles in the solution state were spin-coated on a glass substrate to form an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle thin film (OIP-NP film).
  • OIP-NP film organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle thin film
  • the size of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is about 20nm.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention is carried out in the same manner as in Preparation Example 1, but using an alkyl halide surfactant as CH 3 (CH 2 ) 13 NH 3 Br Was formed.
  • the size of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is about 30nm.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention is carried out in the same manner as in Preparation Example 1, but using an alkyl halide surfactant as CH 3 (CH 2 ) 10 NH 3 Br. Was formed.
  • the size of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is about 40nm.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention is carried out in the same manner as in Preparation Example 1, but using an alkyl halide surfactant as CH 3 (CH 2 ) 7 NH 3 Br. Was formed.
  • the size of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is about 50nm.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention is carried out in the same manner as in Preparation Example 1, but using an alkyl halide surfactant as CH 3 (CH 2 ) 4 NH 3 Br. Was formed.
  • the size of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is about 70nm.
  • the size of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is about 80nm.
  • the size of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is about 100nm.
  • An organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal according to Preparation Example 1 is used as a core.
  • the second organic-inorganic hybrid perovskite (MAPbCl 3 ) solution having a large band gap is slowly dropped dropwise to the second organic-inorganic hybrid perovskite solution containing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core.
  • a shell containing the nano nanocrystals (MAPbCl 3 ) to form an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • An organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal according to Preparation Example 2 is used as a core.
  • the second organic-inorganic hybrid perovskite (MAPbCl 3 ) solution having a large band gap is slowly dropped dropwise to the second organic-inorganic hybrid perovskite solution containing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core.
  • a shell containing the nano nanocrystals (MAPbCl 3 ) to form an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • An organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal according to Preparation Example 3 is used as a core.
  • the second organic-inorganic hybrid perovskite (MAPbCl 3 ) solution having a large band gap is slowly dropped dropwise to the second organic-inorganic hybrid perovskite solution containing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core.
  • a shell containing the nano nanocrystals (MAPbCl 3 ) to form an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • An organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal according to Preparation Example 4 is used as a core.
  • the second organic-inorganic hybrid perovskite (MAPbCl 3 ) solution having a large band gap is slowly dropped dropwise to the second organic-inorganic hybrid perovskite solution containing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core.
  • a shell containing the nano nanocrystals (MAPbCl 3 ) to form an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • An organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal according to Preparation Example 5 is used as the core.
  • the second organic-inorganic hybrid perovskite (MAPbCl 3 ) solution having a large band gap is slowly dropped dropwise to the second organic-inorganic hybrid perovskite solution containing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core.
  • a shell containing the nano nanocrystals (MAPbCl 3 ) to form an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • An organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal according to Preparation Example 6 is used as the core.
  • the second organic-inorganic hybrid perovskite (MAPbCl 3 ) solution having a large band gap is slowly dropped dropwise to the second organic-inorganic hybrid perovskite solution containing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core.
  • a shell containing the nano nanocrystals (MAPbCl 3 ) to form an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • An organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal according to Preparation Example 7 is used as the core.
  • the second organic-inorganic hybrid perovskite (MAPbCl 3 ) solution having a large band gap is slowly dropped dropwise to the second organic-inorganic hybrid perovskite solution containing the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline core.
  • a shell containing the nano nanocrystals (MAPbCl 3 ) to form an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure of the core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • the formed organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles of the core-shell type emit light near ultraviolet rays or blue.
  • the emission spectrum is located at about 520 nm.
  • the core-shell organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time emit infrared or red light.
  • the emission spectrum is located at about 780 nm.
  • the emission spectrum of the core-shell type organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is located between 380 nm and 520 nm.
  • the emission spectrum of the core-shell type organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is located between 520 nm and 780 nm.
  • the same procedure as in Preparation Example 8 was performed, except that the core organic-inorganic hybrid perovskite (CH (NH 2 ) 2 ) 2 PbI 4 was used.
  • the (CH (NH 2 ) 2 ) 2 PbI 4 used was a mixture of CH (NH 2 ) 2 I and PbI 2 in a 2: 1 ratio.
  • the core-shell organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time emit infrared light and the emission spectrum is located at about 800 nm.
  • the emission spectra of the core-shell organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time are located at 820 nm and 1120 nm.
  • the emission spectra of the core-shell organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time are located at 540 nm and 650 nm.
  • the emission spectra of the core-shell organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time are located at 400 nm and 460 nm.
  • the emission spectrum of the core-shell type organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is located at about 411 nm.
  • the emission spectrum of the core-shell type organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is located at about 405 nm.
  • the emission spectrum of the formed core-shell organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles at this time is located at about 401 nm.
  • the emission spectrum of the core-shell type organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles formed at this time is located at about 388 nm.
  • Doped organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles were formed according to an embodiment of the present invention. It was formed through the inverse nano-emulsion method.
  • the first solution was prepared by dissolving the organic-inorganic hybrid perovskite doped in the protic solvent.
  • Dimethylformamide was used as the protic solvent
  • CH 3 NH 3 PbI 3 doped with Cl with an organic-inorganic hybrid perovskite was used.
  • CH 3 NH 3 PbI 3 doped with Cl was used as a mixture of CH 3 NH 3 I: PbI 2 and PbCl 2 in a 1: 1 ratio. Further, at this time of PbBr 2: PbCl 2 97: 3 ratio was mixed.
  • a first solution in which 3% Cl doped CH 3 NH 3 PbI 3 was dissolved was prepared.
  • the first solution was slowly added dropwise to the strongly stirring second solution to form nanocrystalline particles including Cl-doped organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystal structures.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles in the solution state were spin-coated on a glass substrate to form an organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle thin film (OIP-NP film).
  • OIP-NP film organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle thin film
  • Inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention were formed. It was formed through the inverse nano-emulsion method.
  • Cs2CO3 cesium carbonate
  • ODE Octadecene
  • PbBr2 oleic acid and oleylamine were added to an aprotic solvent, and a fourth solution was reacted at high temperature (120 ° C.) for one hour. Then, the third solution was slowly added dropwise to the strongly stirring fourth solution to form inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles having a three-dimensional structure.
  • the inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles in the solution state were spin-coated on a glass substrate to form a thin film of the inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles.
  • the size of the inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles formed at this time is about 20nm.
  • An inorganic metal halide perovskite (CsPbBr 3 ) nanocrystal according to Preparation Example 28 is used as a core.
  • the second inorganic metal halide perovskite (CsPbCl 3 ) solution having a large band gap is slowly dropped dropwise to the second inorganic metal halide perovskite solution containing the inorganic metal halide perovskite nanocrystalline core.
  • the shell including the crystalline nanocrystals (CsPbCl 3 ) was formed to form an inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particle emitter having a core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
  • the size of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles was adjusted by adjusting the amount of oleic acid.
  • a light emitting device according to an embodiment of the present invention was manufactured.
  • TPBI 1,3,5-Tris (1-phenyl- 1H-benzimidazol-2-yl) benzene
  • Evaporation is performed at the following high vacuum to form an electron transport layer, 1 nm thick LiF is deposited thereon to form an electron injection layer, and 100 nm thick aluminum is deposited thereon to form a negative electrode to form an organic / inorganic hybrid perovskite.
  • a nanocrystalline light emitting device was manufactured.
  • a solar cell according to an embodiment of the present invention was prepared.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles according to Preparation Example 1 were mixed with Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) and coated on the hole extracting layer to form a photoactive layer, and immediately 100 nm thick on the photoactive layer. was deposited to prepare a perovskite nanocrystalline solar cell.
  • PCBM Phenyl-C61-butyric acid methyl ester
  • CH 1 NH 3 PbBr 3 was dissolved in dimethylformamide, a protic solvent, to prepare a first solution.
  • the first solution is then spin coated onto a glass substrate to form CH 3 NH 3 PbBr 3.
  • a thin film (OIP film) was prepared.
  • the first solution is then spin coated onto a glass substrate to form CH 3 NH 3 PbCl 3
  • a thin film (OIP film) was prepared.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite solution of the bulk form rather than the nanocrystalline particles according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 emits dark light while the nanocrystalline particles according to Preparation Example 1 It can be seen that the light emitter forms a very bright green light.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of nanostructures according to Preparation Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of nanostructures according to Preparation Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIG. 10 (a) is a schematic diagram of the nano thin film according to Comparative Example 1
  • Figure 7 (b) is a schematic diagram of the nanocrystalline particle thin film according to Preparation Example 1.
  • Comparative Example 1 is a thin film form made by spin coating a first solution on a glass substrate
  • nanocrystalline particles according to Preparation Example 1 is a nanocrystalline structure ( 110) form.
  • FIG. 11 (a) is an image taken at a low temperature (70 K) of the light-emitting matrix of the organic-inorganic hybrid perovskite (OIP film) of the thin film form according to Comparative Example 1,
  • Figure 10 (b) is shown in Comparative Example 1
  • the light-emitting matrix of the organic-inorganic hybrid perovskite (OIP film) in the form of a thin film is an image taken at room temperature.
  • Figure 11 (c) is an image of the photoluminescence matrix of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle thin film (OIP-NP film) according to Preparation Example 1 at a low temperature (70 K),
  • Figure 11 (d) is prepared
  • the photoluminescent matrix of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle thin film (OIP-NP film) according to Example 1 is an image taken at room temperature.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle thin film (OIP-NP film) according to Preparation Example 1 in the case of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particle thin film (OIP-NP film) according to Preparation Example 1, the organic-inorganic hybrid in the form of a thin film according to Comparative Example 1 It shows photoluminescence at the same position as perovskite (OIP film), and it can be seen that it shows a higher color purity.
  • the OIP-NP film according to Preparation Example 1 shows a high color purity light emission at the same position as the low temperature at room temperature, it can be seen that the emission intensity does not decrease.
  • the organic-inorganic hybrid perovskite in the form of a thin film according to Comparative Example 1 differs in color purity and emission position at room temperature and low temperature, and excitons do not go into luminescence due to thermal ionization and delocalization of charge carriers at room temperature. It is separated and extinguished, showing low luminescence intensity.
  • FIG. 12 is a schematic of the synthesis of nanocrystals that can be sized according to the amount of surfactant.
  • the crystallization rate from the growth of the perovskite nanocrystl (Growth) to the termination (Termination) is slow, and the amount of the surfactant increases. It can be seen that the faster the crystallization rate, the smaller size of the perovskite nanocrystals are formed.
  • FIG. 13 is data of dielectric constants of organic-inorganic hybrid perovskite (CH 3 NH 3 PbBr 3 ).
  • Perovskite has a dielectric constant of about 16.
  • the bore diameter can be measured through the previously reported effective mass (perovskite) and the following equation (1).
  • FIG. 14 is nanocrystalline light emission images of various sizes synthesized with varying amounts of surfactant.
  • NC (1.5), NC (2), NC (5), NC (10), NC (50) and NC (100) shown in Figure 14 to 24 are 100 nm, 50 nm, 35 nm, 20 nm, It has nanocrystals of 7 nm and 3 nm diameter.
  • the number in parentheses is the amount of surfactant in ⁇ l. Therefore, the greater the amount of surfactant, the smaller the size of the formed nanocrystals.
  • the emission spectrum moves to a short wavelength as the amount of the surfactant increases and accordingly the size of the nanocrystalline particles is gradually reduced. This is due to the quantum confinement effect, in which the amount of the surfactant increases more than the nanocrystal size becomes smaller than the diameter.
  • the highest photoluminescence emission in the vicinity of the diameter of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystals larger than the bore diameter immediately before the quantum confinement effect (in case of the NC 10). It can be seen that it shows the photoluminescence quantum efficiency.
  • the size of the nanocrystal is larger than the bore diameter, it has a small exciton binding energy, and thus the emission efficiency is reduced because the exciton does not go into luminescence but disappears as free charge due to thermal ionization at room temperature and delocalization of the charge carrier. Done.
  • the size of the nanocrystals is smaller than the bore diameter, the light emission efficiency is reduced by defects on the surface of the nanocrystal particles.
  • PQE Photoluminescence efficiency
  • emission wavelength emission wavelength
  • FWHM full width at half maximum
  • Nanocrystalline Size nm
  • Photoluminescence Efficiency PLQE (%) Wavelength (nm)
  • FWHM Light emission half width
  • 520 21 100 (expected) 30 (expected) 520 21
  • FIG. 18 is data analyzing an exciton lifetime according to the size of Preparation Example 1.
  • FIG. 19 shows data of measuring ionization potential energy of perovskite nanocrystals according to the size of Preparation Example 1.
  • 20 is a schematic diagram showing the energy distribution of the perovskite nanocrystals according to the size of Preparation Example 1.
  • FIG. 20 shows energy levels according to nanocrystal particle sizes. Referring to FIG. 19, it can be seen that as the nanocrystalline particles become smaller, the ionization potential energy becomes deeper, and the electron affinity energy becomes shallower, thereby increasing the band gap.
  • Fig. 22 is a schematic diagram of a light emitting diode structure formed using nanocrystalline particles as a light emitting layer.
  • a light emitting diode is composed of an anode, a hole injection layer, a nanocrystalline particle emitting layer, an electron injection layer, and a cathode.
  • FIG. 23 is data for measuring roughness by forming nanocrystalline particles into thin films.
  • FIG. 23A and 23B when the thickness of nanocrystalline particles (OIP-NCs) is increased from about 15 nm to about 25 nm, the roughness (RMS) of the thin film is about 3.46 nm at about 5.2 nm. It can be seen that the decrease.
  • OIP-NCs nanocrystalline particles
  • RMS roughness
  • 24 is device performance data of a light emitting diode implemented using nanocrystalline particles having various sizes.
  • a light emitting diode using a nanocrystal in the case of the NC 10) having a size larger than a bore diameter exhibits maximum efficiency and maximum luminance. . This is because it exhibits the maximum photoluminescence quantum efficiency when it has a size near the bore diameter.
  • the photoluminescence spectrum shifts to a shorter wavelength, but the electroluminescence spectrum of the device has a constant value. This is because electrons and holes deteriorate to the band gap having the lowest energy value and emit light as the electrons and holes are transferred to the light emitting layer.
  • 25 is an image showing a cross section of a nanocrystalline particle light emitting diode.
  • HIL hole injection layer
  • ITO anode
  • Al cathode
  • EIL electron injection layer
  • FIG. 26 is performance data of a light emitting diode according to increasing thickness of nanocrystal particles.
  • a perovskite nanocrystal structure having a crystal structure of FCC and BCC is formed, and an organic plane and an inorganic plane are alternately formed.
  • Lamellar structure is formed by lamination.
  • organic ammonium having no bandgap is used as an organic material, excitons may be constrained on the inorganic plane to achieve high color purity.
  • the exciton diffusion length is not only reduced in the 20 nm to 30 nm nanocrystal particles, but the exciton binding energy is increased to excite the exciton due to thermal ionization and delocalization of the charge carriers. It can prevent the luminous efficiency at high room temperature.
  • the bandgap energy of the organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles or the inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles is determined by the structure of the crystal without depending on the particle size.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystalline particles or inorganic metal halide perovskite nanocrystalline particles according to the present invention can be applied to various optoelectronic devices as nanoparticles that can be dispersed in an organic solvent.
  • organic-inorganic hybrid perovskite nanocrystals or inorganic metal halide perovskite nanocrystals according to the present invention, not only increases luminous efficiency and durability-stability but also the semiconductor type n-type or p Change to -type to adjust the electro-optical properties.

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Abstract

페로브스카이트 나노결정입자 및 이를 이용한 광전자 소자를 제공한다. 페로브스카이트 나노결정입자는 유기 용매에 분산이 가능하면서 페로브스카이트 나노결정구조를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 페로브스카이트 나노결정입자 안에 FCC와 BCC를 합친 결정구조를 갖는 페로브스카이트 나노결정이 형성되며, 유기평면과 무기평면이 교대로 적층이 되어있는 라멜라 구조도 형성하고 있으며, 무기평면에 엑시톤이 구속되어 높은 색순도를 낼 수 있다. 또한, 페로브스카이트 나노결정입자는 양자구속효과를 넘어서는 보어 직경이상의 입자사이즈를 가지면서 높은 발광 효율과 입자 사이즈에 거의 의존하지 않는 발광 파장을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 페로브스카이트 나노결정입자는 유기용매에 분산될 수 있는 나노 입자로서 발광소자, 레이져, 태양전지 등 다양한 전자소자에 적용이 가능하다.

Description

페로브스카이트 나노결정입자 및 이를 이용한 광전자 소자
본 발명은 페로브스카이트 소재에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자 및 이를 이용한 광전자 소자에 관한 것이다.
현재 디스플레이 시장의 메가 트렌드는 기존의 고효율 고해상도 지향의 디스플레이에 더 나아가서 고색순도 천연색 구현을 지향하는 감성화질 디스플레이로 이동하고 있다. 이러한 관점에서 현재 유기 발광체 기반 유기 발광 다이오드 (OLED) 소자가 비약적인 발전을 이루었고 색순도가 향상된 무기 양자점 LED가 다른 대안으로 활발히 연구 개발되고 있다. 그러나, 유기 발광체와 무기 양자점 발광체 모두 재료적인 측면에서 본질적인 한계를 가지고 있다.
기존의 유기 발광체는 효율이 높다는 장점은 있지만, 스펙트럼이 넓어서 색순도가 좋지 않다. 무기 양자점 발광체는 색순도가 좋다고 알려져 왔지만, 양자 구속 효과(Quantum confinement effect) 혹은 양자 크기 효과(Quantum size effect)에 의한 발광이기 때문에 주로 20 nm 이하의 직경을 갖는 나노 입자의 크기에 따라서 발광색이 변화하게 된다. 청색(Blue color) 쪽으로 갈수록 양자점 크기가 균일하도록 제어하기가 어려워서 색순도가 떨어지는 문제점이 존재한다. 더욱이 무기 양자점은 매우 깊은 가전자대 (valence band)를 가지고 있어, 유기 정공 주입층에서의 정공주입 장벽이 매우 커 정공주입이 어렵다는 문제점이 존재한다. 또한 두 가지 발광체는 고가라는 단점이 있다. 따라서 이러한 유기와 무기 발광체의 단점을 보완하고 장점을 유지하는 새로운 방식의 유무기 하이브리드 발광체가 필요하다.
유무기 하이브리드 소재는 제조 비용이 저렴하고, 제조 및 소자 제작 공정이 간단하며, 광학적, 전기적 성질을 조절하기 쉬운 유기 소재의 장점과 높은 전하 이동도 및 기계적, 열적 안정성을 가지는 무기 소재의 장점을 모두 가질 수 있어 학문적, 산업적으로 각광받고 있다.
그 중, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 소재는 높은 색순도를 가지고, 색 조절이 간단하며 합성 비용이 저렴하기 때문에 발광체로서의 발전 가능성이 매우 크다. 높은 색순도는 무기물의 2차원 평면(2D plane)이 유기물의 2차원 평면(2D plane) 사이에 끼어 있는 층상 구조를 가지고 있고, 무기물(inorganic)과 유기물(organic)의 유전율 차이가 크기 때문에 (εorganic ≒ 2.4, εinorganic ≒ 6.1) 엑시톤이 무기층에 속박되고, 따라서 높은 색순도 (Full width at half maximum (FWHM) ≒ 20 nm)를 가지기 때문에 형성된다.
종래 페로브스카이트 구조(ABX3)를 가지는 물질은 무기금속산화물이다.
이러한 무기금속산화물은 일반적으로 산화물(oxide)로서, A, B site에 서로 다른 크기를 가지는 Ti, Sr, Ca, Cs, Ba, Y, Gd, La, Fe, Mn 등의 금속(알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속 및 란타넘 족 등) 양이온들이 위치하고 X site에는 산소(oxygen) 음이온이 위치하고, B site의 금속 양이온들이 X site의 oxygen 음이온들과 6-fold coordination의 corner-sharing octahedron 형태로서 결합되어 있는 물질이다. 그 예로서, SrFeO3, LaMnO3, CaFeO3 등이 있다.
이에 반해, 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 ABX3 구조에서 A site에 유기 암모늄(RNH3) 양이온이 위치하게 되고, X site에는 halides(Cl, Br, I)가 위치하게 되어 유기 금속 할라이드 페로브스카이트 재료를 형성하게 되므로 그 조성이 무기금속산화물 페로브스카이트 재료와는 완전히 다르다.
또한, 이러한 구성 물질의 차이에 따라 물질의 특성도 달라지게 된다. 무기금속산화물 페로브스카이트는 대표적으로 초전도성(superconductivity), 강유전성(ferroelectricity), 거대한 자기저항(colossal magnetoresistance) 등의 특성을 보이며, 따라서 일반적으로 센서 및 연료 전지, 메모리 소자 등에 응용되어 연구가 진행되어 왔다. 그 예로, yttrium barium copper oxide는 oxygen contents에 따라 초전도성(superconducting) 또는 절연(insulating) 특성을 지니게 된다.
반면, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 (혹은 유기금속 할라이드 페로브스카이트)는 유기평면과 무기평면이 교대로 적층이 되어 있어 라멜라 구조와 유사하여 무기평면 내에 엑시톤의 속박이 가능하기 때문에, 본질적으로 물질의 사이즈보다는 결정구조 자체에 의해서 매우 높은 색순도의 빛을 발광하는 이상적인 발광체가 될 수 있다.
만약, 유무기 하이브리드 페로브스카이트라도, 유기 암모늄이 중심금속과 할로겐 결정구조(BX3)보다 밴드갭이 작은 발색단(chromophore)(주로 공액구조를 포함함)을 포함하는 경우에는 발광이 유기 암모늄에서 발생하기 때문에 높은 색순도의 빛을 내지 못하여 발광 스펙트럼의 반치폭이 50 nm보다 넓어져서 발광층으로서 적합하지 않게 된다. 그러므로 이런 경우 본 특허에서 강조하는 고색순도 발광체에는 매우 적합하지 않다. 그러므로, 고색순도 발광체를 만들기 위해서는 유기 암모늄이 발색단을 포함하지 않고 발광이 중심금속-할로겐 원소로 구성되어 있는 무기물 격자에서 일어나게 하는 것이 중요하다. 즉, 본 특허는 무기물 격자에서 발광이 일어나는 고색순도 고효율의 발광체 개발에 초점을 맞추고 있다.
예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2001-0015084호(2001.02.26.)에서는 염료-함유 유기-무기 혼성 물질을 입자가 아닌 박막형태로 형성하여 발광층으로 이용하는 전자발광소자에 대하여 개시되어 있지만 페로브스카이트 격자구조에서 발광이 나오는 것이 아니다.
그러나 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트는 작은 엑시톤 결합 에너지를 가지기 때문에, 저온에서는 발광이 가능하나 상온에서는 열적 이온화 및 전하 운반체의 비편재화에 의해서 엑시톤이 발광으로 가지 못하고 자유 전하로 분리되어 소멸되는 근본적인 문제가 있다. 또한, 자유 전하가 다시 재결합하여 엑시톤을 형성할 때 엑시톤이 주변의 높은 전도성을 가지는 층에 의해 소멸되어 발광이 일어나지 못하는 문제가 있다.
따라서, 다양한 전자소자에의 응용이 가능한 향상된 특성을 갖는 페로브스카이트 소재를 연구할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열적 이온화, 전하 운반체의 비편재화 및 엑시톤의 퀜칭을 방지하도록 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트를 박막 대신 나노결정입자로 합성하여 발광 효율 및 내구성-안정성이 향상된 나노결정입자를 제공함에 있다.
또한, 기존에 양자점이 사이즈가 보어 지름(Bohr diameter) 이하로 사이즈가 작아짐에 따라 사이즈 조절이 어렵고, 색순도 및 스펙트럼이 사이즈에 영향 받으며 나노결정 표면의 결함 (defect)때문에 오히려 효율이 감소한다는 단점을 해결하기 위해, 양자구속 효과의 영향을 받지 않는 보어 지름보다 큰 크기에서 최대 발광 효율을 내는 나노결정입자를 제공함에 있다.
나아가, 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트를 나노결정으로 합성하여 발광효율이 보다 향상된 나노결정입자 및 이를 이용한 광전자소자를 제공함에 있다.
나아가, 모든 유기 용매에 분산이 가능하여 다양한 전자소자로의 응용이 가능한 나노결정입자를 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 페로브스카이트 나노결정입자를 제공한다. 이러한 페로브스카이트 나노결정입자는 유기 용매에 분산이 가능하면서 페로브스카이트 나노결정구조를 포함할 수 있다. 이때의 페로브스카이트는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트이고, 보어 지름 (Bohr diameter)보다 커서 양자구속 효과(Quantum confinement effect)의 영향을 받지 않는 영역의 지름을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 페로브스카이트 나노결정입자는 발광체는 20 nm 내지 30nm의 지름을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 유기 용매는 양성자성 용매 또는 비양성자성 용매를 포함하고, 상기 양성자성 용매는 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide), 감마 부티로락톤(gamma butyrolactone), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) 또는 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide)를 포함하고, 상기 비양성자성 용매는 다이클로로에틸렌, 트라이클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 스타이렌, 다이메틸포름아마이드, 다이메틸설폭사이드, 자일렌, 톨루엔, 사이클로헥센 또는 이소프로필알콜을 포함할 수 있다.
상기 페로브스카이트 나노결정입자는 발광체로서 사용되는 것을 특징으로 한다. 이러한 발광체의 입자크기는 20 nm 이상 900 nm 이하인 것을 특징으로 한다. 더 상세하게는 내지 20 nm 내지 30 nm 인 것을 특징으로 한다.
상기 페로브스카이트 나노결정입자는 발광체로서 사용되는 것을 특징으로 한다. 이러한 발광체의 발광 파장은 200 nm 내지 1300 nm인 것을 특징으로 한다.
상기 페로브스카이트 나노결정입자는 구형, 원기둥, 타원기둥 또는 다각기둥 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 페로브스카이트 나노결정입자의 밴드갭 에너지는 무기 양자점 발광체가 입자크기에 의해서 의존하는 것과 달리 페로브스카이트 결정의 구조에 의해서 결정되는 것을 특징으로 한다.
다만 상기 페로브스카이트 나노결정입자가 페로브스카이트의 보어지름 보다 작을 시 나노결정 입자의 밴드갭 에너지가 입자 크기에 영향을 받는다. 따라서 발광 파장이 입자 크기에 따라서 영향을 받는다.
상기 페로브스카이트 나노결정입자의 밴드갭 에너지는 1 eV 내지 5 eV일 수 있다.
상기 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An- 1BnX3n +1(n은 2 내지 6사이의 정수)의 구조를 포함하고, 상기 A는 유기암모늄 또는 알칼리금속 물질이고, 상기 B는 금속 물질이고, 상기 X는 할로겐 원소일 수 있다.
상기 유기암모늄은 아미디늄계 유기이온, (CH3NH3)n, ((CxH2x + 1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n + 1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2)이고(n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수), 상기 알칼리금속 물질은 Na, K, Rb, Cs 또는 Fr일 수 있다. 상기 B는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po, 또는 이들의 조합의 이온이고, 상기 X는 Cl, Br, I 이온 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 페로브스카이트 나노결정입자 표면을 둘러싸는 복수개의 유기리간드들을 더 포함할 수 있다.
상기 유기리간드는 알킬할라이드 또는 카르복실 산을 포함할 수 있다.
상기 알킬할라이드의 알킬 구조는 CnH2n +1의 구조를 가지는 비고리형 알킬(acyclic alkyl), 일차 알코올(primary alcohol), 이차 알코올(secondary alcohol), 삼차 알코올(tertiary alcohol), 알킬아민(alkylamine), p-치환된 아닐린(p-substituted aniline), 페닐 암모늄(phenyl ammonium) 또는 플루오린 암모늄(fluorine ammonium)을 포함하고,
상기 카르복실 산은 4,4'-아조비스(4-시아노팔레릭 에시드) (4,4'-Azobis(4-cyanovaleric acid)), 아세틱 에시드(Acetic acid), 5-마이노살리클릭 에시드 (5-Aminosalicylic acid), 아크리릭 에시드 (Acrylic acid), L-아스펜틱 에시드 (L-Aspentic acid), 6-브로헥사노익 에시드 (6-Bromohexanoic acid), 프로모아세틱 에시드 (Bromoacetic acid), 다이클로로 아세틱 에시드 (Dichloro acetic acid), 에틸렌디아민테트라아세틱 에시드 (Ethylenediaminetetraacetic acid), 이소부티릭 에시드 (Isobutyric acid), 이타코닉 에시드 (Itaconic acid), 말레익 에시드 (Maleic acid), r-말레이미도부틸릭 에시드 (r-Maleimidobutyric acid), L-말릭 에시드 (L-Malic acid), 4-나이트로벤조익 에시드 (4-Nitrobenzoic acid) 또는 1-파이렌카르복실릭 에시드 (1-Pyrenecarboxylic acid), 올레익 에시드 (oleic acid) 을 포함할 수 있다.
상기 페로브스카이트는 도핑된 페로브스카이트인 것을 특징으로 한다.
상기 도핑된 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An- 1BnX3n +1(n은 2 내지 6사이의 정수)의 구조를 포함하고, 상기 A의 일부가 A'로 치환되거나, 상기 B의 일부가 B'로 치환되거나, 상기 X의 일부가 X'로 치환된 것을 특징으로 하고, 상기 A 및 A'는 유기암모늄이고, 상기 B 및 B'는 금속물질이고, 상기 X 및 X'는 할로겐 원소일 수 있다.
이때, 상기 A 및 A'는 아미디늄계 유기이온, (CH3NH3)n, ((CxH2x+1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n + 1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2 또는 (CnF2n + 1NH3)2이고 (n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수), 상기 B 및 B'는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi 또는 Po이고, 상기 X 및 X'는 Cl, Br 또는 I일 수 있다.
또한, 상기 A의 일부가 A'로 치환되거나, 상기 B의 일부가 B'로 치환되거나, 상기 X의 일부가 X'로 치환된 비율이 0.1% 내지 5%인 것을 특징으로 한다.
상기 나노결정입자는 코어-쉘 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 나노결정입자는 그래디언트 조성을 가지는 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 발광소자를 제공한다. 이러한 발광소자는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하되, 상술한 페로브스카이트 나노결정입자를 포함하는 발광층을 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 태양전지를 제공한다. 이러한 태양전지는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하되, 상술한 페로브스카이트 나노결정입자를 포함하는 광활성층을 포함할 수 있다.
상기 페로브스카이트 나노결정입자를 포함하는 발광층 및 광활성층은 다양한 용액코팅 방법(스핀코팅(Spin-coating), 딥코팅(Dip coating), 쉬어 코팅 (Shear coating), 바코팅(Bar coating), 슬롯다이코팅 (Slot-die coating), 잉크젯 프린팅(Inkjet printing), 노즐 프린팅(Nozzle printing), 전기수력학적 젯프린팅 (Electrohydrodynamic jet printing), 스프레이코팅(spary coating) 등)을 통하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자 안에 FCC와 BCC를 합친 결정구조를 갖는 페로브스카이트 나노결정구조가 형성되며, 유기평면과 무기평면이 교대로 적층이 되어있는 라멜라 구조를 형성할 수도 있으며, 특히, 유기물질로는 공액구조가 없는 유기암모늄을 사용하기 때문에 무기평면에 엑시톤이 구속되어 높은 색순도를 낼 수 있다.
본 발명에서는 상기 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자의 밴드갭 에너지는 무기 양자점 발광체가 입자크기에 의해서 의존하는 것과 달리페로브스카이트 결정의 구조에 의해서 결정된다. 따라서 양자 구속 효과의 범위보다 큰 입자를 형성하기 때문에 입자 사이즈에 따라서 발광색의 변화가 없거나 아주 작게 된다.
또한, 20 nm 내지 30 nm 크기의 나노결정입자 안에서 엑시톤 확산거리(exciton diffusion length)가 감소할 뿐만 아니라 엑시톤 바인딩 에너지(exciton binding energy)가 증가하여 열적 이온화 및 전하 운반체의 비편재화에 의한 엑시톤 소멸을 막아 높은 상온에서 발광 효율을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자는 유기용매에 분산할 수 있는 나노입자로서 다양한 광전자소자에 적용 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정을 도핑함으로써, 발광 효율을 증가시키고 내구성-안정성을 증가시킬 뿐만 아니라 반도체 타입을 n-type이나 p-type으로 바꿔 전기-광학적 특성(electro-optical properties)을 조절할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 나노결정구조의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 발광체 및 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자 발광체를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 및 이의 에너지밴드다이어그램을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래디언트 조성 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래디언트 조성 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 및 이의 에너지밴드다이어그램을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도핑된 페로브스카이트 나노결정 입자 및 이의 에너지밴드다이어그램을 나타낸 모식도이다.
도 9은 제조예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 발광체에 자외선을 조사하여 발광 빛을 찍은 형광 이미지이다.
도 10는 제조예 30 및 비교예 1에 따른 발광체의 모식도이다.
도 11은 제조예 30 및 비교예 1에 따른 발광체의 광발광 (photoluminescence) 매트릭스(matrix)를 각각 상온과 저온에서 찍은 이미지이다.
도 12은 계면활성제의 양에 따라 크기조절이 가능한 나노결정의 합성 모식도이다.
도 13은 유무기 하이브리드 페로브스카이트의 유전상수 (Dielectric constant)를 측정한 데이터이다.
도 14는 계면활성제 양을 다르게 함에 따라 합성한 다양한 크기의 나노결정 발광 이미지 이다.
도 15은 계면활성제의 양 조절에 따른 제조예 30의 크기 변화를 표시한 데이터이다.
도 16은 크기가 계면활정제의 양 조절에 따라 다양한 크기를 보이는 제조예 30의 광발광 (photoluminescence) 데이터이다.
도 17은 제조예 30의 크기에 따른 광 발광효율(photoluminescence quantum efficiency)이다.
도 18는 제조예 30의 크기에 따른 여기자 수명(exciton lifetime)을 분석한 데이터 이다.
도 19는 제조예 30의 크기에 따른 페로브스카이트 나노결정의 이온화 포텐셜 (Ionization potential) 에너지를 측정한 데이터이다.
도 20은 제조예 1의 크기에 따른 페로브스카이트 나노결정의 에너지 분포를 그림 모식도이다.
도 21은 제조예 30의 크기에 따른 원소분석 데이터 이다.
도 22은 제조예 30을 이용하여 형성한 발광다이오드의 구조 모식도이다.
도 23은 제조예 30을 이용하여 형성한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 박막으로 형성한 데이터다.
도 24은 다양한 크기를 갖는 제조예 30을 이용하여 형성한 발광다이오드의 성능 데이터이다.
도 25는 제조예 30을 이용하여 형성한 발광다이오드의 측면 이미지 이다.
도 26은 제조예 30을 이용하여 형성한 박막 두께를 다르게 함에 따른 발광다이오드의 성능 데이터이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 나노결정입자를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 나노결정입자는 유기 용매에 분산이 가능하면서 페로브스카이트 나노결정구조를 포함할 수 있다. 이때의 페로브스카이트는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 나노결정의 구조이다.
도 1에는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 및 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정의 구조를 함께 도시하였다.
도 1을 참조하면, 본 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정은 중심 금속을 가운데에 두고, 면심입방구조(face centered cubic; FCC)로 무기할라이드 물질(X)이 육면체의 모든 표면에 6개가 위치하고, 체심입방구조(body centered cubic; BCC)로 유기 암모늄(organic ammonium, OA)이 육면체의 모든 꼭지점에 8개가 위치한 구조를 형성하고 있다. 이때의 중심 금속의 예로 Pb를 도시하였다.
또한, 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정은 중심 금속을 가운데에 두고, 면심입방구조(face centered cubic; FCC)로 무기할라이드 물질(X)이 육면체의 모든 표면에 6개가 위치하고, 체심입방구조(body centered cubic; BCC)로 알칼리 금속이 육면체의 모든 꼭지점에 8개가 위치한 구조를 형성하고 있다. 이때의 중심 금속의 예로 Pb를 도시하였다.
이때 육면체의 모든 면이 90°를 이루며, 가로길이와 세로길이 및 높이길이가 같은 정육면체 (cubic) 구조뿐만 아니라 가로길이와 세로길이는 같으나 높이 길이가 다른 정방정계 (tetragonal) 구조를 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 이차원적 구조는 중심 금속을 가운데에 두고, 면심입방구조로 무기할라이드 물질이 육면체의 모든 표면에 6개가 위치하고, 체심입방구조로 유기 암모늄이 육면체의 모든 꼭지점에 8개가 위치한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조로서, 가로길이와 세로길이는 같으나 높이길이가 상기 가로길이 및 세로길이보다 1.5배 이상 긴 구조로 정의한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 발광체 및 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자 발광체를 나타낸 모식도이다.
한편, 도 2는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 발광체로 도시하였는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자는 A site가 유기암모늄 대신 알칼리금속인 점을 제외하고는 상술한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 설명과 동일하다. 이때의 알칼리 금속 물질은 예컨대 상기 A는 Na, K, Rb, Cs 또는 Fr일 수 있다.
따라서, 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 예로 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자(100)는 유기 용매에 분산이 가능한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조(110)를 포함할 수 있다. 이때의 유기 용매는 양성자성 용매 또는 비양성자성 용매일 수 있다.
예를 들어, 상기 양성자성 용매는 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide), 감마 부티로락톤(gamma butyrolactone), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) 또는 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide)를 포함하고, 상기 비양성자성 용매는 다이클로로에틸렌, 트라이클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 스타이렌, 다이메틸포름아마이드, 다이메틸설폭사이드, 자일렌, 톨루엔, 사이클로헥센 또는 이소프로필알콜을 포함할 수 있다.
또한, 이때의 나노결정입자(100)는 구형, 원기둥, 타원기둥 또는 다각기둥 형태일 수 있다.
또한, 이러한 나노결정입자의 크기는 양자 구속 효과 혹은 양자 크기 효과를 벗어나는 보어 직경 이상이어야 한다. 자세하게는 나노결정입자의 크기가 20 nm 내지 900 nm 이하여야 한다. 더욱 자세하게는 20 nm 내지 30 nm일 수 있다. 한편, 이때의 나노결정입자의 크기는 후술하는 리간드의 길이를 고려하지 않은 크기 즉, 이러한 리간드를 제외한 나머지 부분의 크기를 의미한다.
예컨대, 나노결정입자가 구형인 경우, 나노결정입자의 지름은 20nm 내지 30 nm일 수 있다.
본 발명에 따른 20 nm 내지 30 nm 크기의 나노결정입자는 밴드갭 에너지는 무기 양자점 발광체가 양자구속효과에 따라서 입자크기에 의해서 의존하는 것과 달리 페로브스카이트 결정의 구조에 의해서 결정되는 것을 특징으로 한다
그러나, 만일, 나노결정입자가 보어직경 미만, 즉 예를 들어 20 nm 미만의 크기를 가지는 경우, 입자 크기에 의해 밴드갭이 변하게 된다. 나아가, 20 nm 미만의 작은 크기의 나노결정입자에서는 입자 크기의 분포를 조절하기 어렵기 때문에 높은 색순도를 구현하기 어려워지는 단점이 있다. 보어직경은 물질의 구조에 따라서 달라질 수 있으나 대체로 20 nm 이상이기 때문에 20 nm 미만의 경우 같은 페로브스카이트 구조를 가지더라도 발광파장이 바뀌게 된다. 하지만 이러한 입자 크기에 따른 발광 파장의 변화는 입자의 합성 및 공정 과정에서 더욱 더 미세한 조절을 요구하기 때문에 대량생산에 불리한 측면이 있다.
또한, 만일, 나노결정입자가 30 nm를 초과하는 크기를 가지는 경우, 엑시톤 결함 에너지가 감소하고 상온에서 열적 이온화 및 전하 운반체의 비편재화에 의해서 엑시톤이 발광으로 가지 못하고 자유 전하로 분리되어 소멸하는 이유로 발광효율이 감소될 수 있다.
또한, 이러한 나노결정입자의 밴드갭 에너지는 1 eV 내지 5 eV일 수 있다.
따라서, 나노결정입자의 구성물질 또는 결정구조에 따라 에너지 밴드갭이 정해지므로, 나노결정입자의 구성물질을 조절함으로써, 예컨대 200 nm 내지 1300 nm의 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있다.
이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질은 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An-1BnX3n+1(n은 2 내지 6사이의 정수)의 구조를 포함하고, 상기 A는 유기암모늄이고, 상기 B는 금속물질이고, 상기 X는 할로겐 원소일 수 있다.
예를 들어, 상기 유기암모늄은 아미디늄계(amidinium group) 유기이온 (예: 포름아미디늄(formamidinium, NH2CH=NH+) 이온，아세트아미디늄(acetamidinium, NH2C(CH)=NH2 +) 이온 또는 구아미디늄(Guamidinium, NHC(NH)=NH+) 이온) 또는 유기 암모늄 양이온((CH3NH3)n, ((CxH2x + 1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n + 1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2)일 수 있다(n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수).
상기 B는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. 이때의 희토류 금속은 예컨대 Ge, Sn, Pb, Eu 또는 Yb일 수 있다. 또한, 알칼리 토류 금속은 예컨대, Ca 또는 Sr일 수 있다. 또한, 상기 X는 Cl, Br, I 또는 이들의 조합일 수 있다.
한편, 상기 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자(110) 표면을 둘러싸는 복수개의 유기리간드들(120)을 더 포함할 수 있다.
상기 유기리간드는 알킬할라이드 또는 카르복실 산을 포함할 수 있다.
상기 알킬할라이드는 alkyl-X의 구조일 수 있다. 이때의 X에 해당하는 할로겐 원소는 Cl, Br 또는 I 등을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 alkyl 구조에는 CnH2n +1의 구조를 가지는 비고리형 알킬(acyclic alkyl), CnH2n + 1OH 등의 구조를 가지는 일차 알코올(primary alcohol), 이차 알코올(secondary alcohol), 삼차 알코올(tertiary alcohol), alkyl-N의 구조를 가지는 알킬아민(alkylamine) (ex. Hexadecyl amine, 9-Octadecenylamine 1-Amino-9-octadecene (C19H37N)), p-치환된 아닐린(p-substituted aniline), 페닐 암모늄(phenyl ammonium) 또는 플루오린 암모늄(fluorine ammonium)을 포함할 수 있지만 이것으로 제한되는 것은 아니다.
상기 카르복실 산은 4,4'-아조비스(4-시아노팔레릭 에시드) (4,4'-Azobis(4-cyanovaleric acid)), 아세틱 에시드(Acetic acid), 5-마이노살리클릭 에시드 (5-Aminosalicylic acid), 아크리릭 에시드 (Acrylic acid), L-아스펜틱 에시드 (L-Aspentic acid), 6-브로헥사노익 에시드 (6-Bromohexanoic acid), 프로모아세틱 에시드 (Bromoacetic acid), 다이클로로 아세틱 에시드 (Dichloro acetic acid), 에틸렌디아민테트라아세틱 에시드 (Ethylenediaminetetraacetic acid), 이소부티릭 에시드 (Isobutyric acid), 이타코닉 에시드 (Itaconic acid), 말레익 에시드 (Maleic acid), r-말레이미도부틸릭 에시드 (r-Maleimidobutyric acid), L-말릭 에시드 (L-Malic acid), 4-나이트로벤조익 에시드 (4-Nitrobenzoic acid) 또는 1-파이렌카르복실릭 에시드 (1-Pyrenecarboxylic acid), 올레익 에시드 (oleic acid) 을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자는 할로겐 원소 치환에 따라 다양한 밴드갭을 가지는 나노결정입자를 제공할 수 있다.
예를 들어, CH3NH3PbCl3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 약 3.1 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 또한, CH3NH3PbBr3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 약 2.3 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 또한, CH3NH3PbI3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 약 1.5 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자는 유기원소 치환에 따라 다양한 밴드갭을 가지는 나노결정입자를 제공할 수 있다.
예를 들어, (CnH2n + 1NH3)2PbBr4 에서 n=4 일때 약 3.5 eV의 밴드갭을 가지는 나노결정입자를 제공할 수 있다. 또한, n=5일때, 약 3.33 eV의 밴드갭을 가지는 나노결정입자를 제공할 수 있다. 또한, n=7일때, 약 3.34 eV의 밴드갭을 가지는 나노결정입자를 제공할 수 있다. 또한, n=12일떄, 약 3.52 eV의 밴드갭을 가지는 나노결정입자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자는 중심금속 치환에 따라 다양한 밴드갭을 가지는 나노결정입자를 제공할 수 있다.
예를 들어, CH3NH3PbI3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 약 1.5 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 또한, CH3NH3Sn0 . 3Pb0 .7I 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 약 1.31 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 또한, CH3NH3Sn0 . 5Pb0 . 5I3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 약 1.28 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 또한, CH3NH3Sn0.7Pb0.3I3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 약 1.23 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 또한, CH3NH3Sn0 . 9Pb0 . 1I3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 약 1.18 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 또한, CH3NH3SnI3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 약 1.1 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 또한, CH3NH3PbxSn1 - xBr3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 1.9 eV 내지 2.3 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 또한, CH3NH3PbxSn1 - xCl3 유무기 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자는 2.7 eV 내지 3.1 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법은 양성자성 용매에 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 녹아있는 제1 용액 및 비양성자성 용매에 계면활성제가 녹아있는 제2 용액을 준비하는 단계 및 상기 제1 용액을 상기 제2 용액에 섞어 나노결정입자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
즉, 역 나노-에멀젼(Inverse nano-emulsion) 법을 통하여 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 제조할 수 있다.
이하, 보다 구체적으로 설명하면,
먼저, 양성자성(protic) 용매에 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 녹아있는 제1 용액 및 비양성자성(aprotic) 용매에 계면활성제가 녹아있는 제2 용액을 준비한다.
이때의 양성자성 용매는 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide), 감마 부티로락톤(gamma butyrolactone) 또는 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 이때의 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 삼차원적인 결정구조 또는 이차원적인 결정구조를 갖는 물질일 수 있다.
예를 들어, 삼차원적인 결정구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 ABX3 구조일 수 있다. 또한, 이차원적인 결정구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An- 1PbnI3n +1(n은 2 내지 6사이의 정수)의 구조일 수 있다.
이때의 A는 유기암모늄 물질이고, 상기 B는 금속 물질이고, 상기 X는 할로겐 원소이다.
예를 들어, 상기 유기암모늄은 아미디늄계(amidinium group) 유기이온 (예: 포름아미디늄(formamidinium, NH2CH=NH+) 이온，아세트아미디늄(acetamidinium, NH2C(CH)=NH2 +) 이온 또는 구아미디늄(Guamidinium, NHC(NH)=NH+) 이온) 또는 유기 암모늄 양이온((CH3NH3)n, ((CxH2x + 1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n + 1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2)일 수 있다(n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수).
또한, 상기 B는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po 또는 이들의 조합일 수 있다. 이때의 희토류 금속은 예컨대 Ge, Sn, Pb, Eu 또는 Yb일 수 있다. 또한, 알칼리 토류 금속은 예컨대, Ca 또는 Sr일 수 있다. 또한, 상기 X는 Cl, Br, I 또는 이들의 조합일 수 있다.
한편, 이러한 페로브스카이트는 AX 및 BX2를 일정 비율로 조합하여 준비할 수 있다. 즉, 제1 용액은 양성자성 용매에 AX 및 BX2를 일정 비율로 녹여서 형성될 수 있다. 예를 들어, 양성자성 용매에 AX 및 BX2를 2:1 비율로 녹여서 A2BX3 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 녹아있는 제1 용액을 준비할 수 있다.
또한, 이때의 비양성자성 용매는 다이클로로에틸렌, 트라이클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 스타이렌, 다이메틸포름아마이드, 다이메틸설폭사이드, 자일렌, 톨루엔, 사이클로헥센 또는 이소프로필알콜를 포함 할 수 있지만 이것으로 제한되는 것은 아니다.
또한, 계면활성제는 알킬 할라이드 계면활성제로 alkyl-X의 구조일 수 있다. 이때의 X에 해당하는 할로겐 원소는 Cl, Br 또는 I 등을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 alkyl 구조에는 CnH2n +1의 구조를 가지는 비고리형 알킬(acyclic alkyl), CnH2n+1OH 등의 구조를 가지는 일차 알코올(primary alcohol), 이차 알코올(secondary alcohol), 삼차 알코올(tertiary alcohol), alkyl-N의 구조를 가지는 알킬아민(alkylamine) (ex. Hexadecyl amine, 9-Octadecenylamine 1-Amino-9-octadecene (C19H37N)), p-치환된 아닐린(p-substituted aniline), 페닐 암모늄(phenyl ammonium) 또는 플루오린 암모늄(fluorine ammonium)을 포함할 수 있지만 이것으로 제한되는 것은 아니다.
또한, 계면활성제는 4,4'-아조비스(4-시아노팔레릭 에시드) (4,4'-Azobis(4-cyanovaleric acid)), 아세틱 에시드(Acetic acid), 5-마이노살리클릭 에시드 (5-Aminosalicylic acid), 아크리릭 에시드 (Acrylic acid), L-아스펜틱 에시드 (L-Aspentic acid), 6-브로헥사노익 에시드 (6-Bromohexanoic acid), 프로모아세틱 에시드 (Bromoacetic acid), 다이클로로 아세틱 에시드 (Dichloro acetic acid), 에틸렌디아민테트라아세틱 에시드 (Ethylenediaminetetraacetic acid), 이소부티릭 에시드 (Isobutyric acid), 이타코닉 에시드 (Itaconic acid), 말레익 에시드 (Maleic acid), r-말레이미도부틸릭 에시드 (r-Maleimidobutyric acid), L-말릭 에시드 (L-Malic acid), 4-나이트로벤조익 에시드 (4-Nitrobenzoic acid) 또는 1-파이렌카르복실릭 에시드 (1-Pyrenecarboxylic acid), 올레익 에시드 (oleic acid)와 같이 카르복실산(COOH)을 포함할 수 있지만 이것으로 제한되는 것은 아니다.
그 다음에, 상기 제1 용액을 상기 제2 용액에 섞어 나노결정입자를 형성한다.
상기 제1 용액을 상기 제2 용액에 섞어 나노결정입자를 형성하는 단계는, 상기 제2 용액에 상기 제1 용액을 한방울씩 떨어뜨려 섞는 것이 바람직하다. 또한, 이때의 제2 용액은 교반을 수행할 수 있다. 예를 들어, 강하게 교반중인 알킬 할라이드 계면활성제가 녹아 있는 제2 용액에 유무기 페로브스카이트(OIP)가 녹아 있는 제2 용액을 천천히 한방울씩 첨가하여 나노결정입자를 합성할 수 있다.
이 경우, 제1 용액을 제2 용액에 떨어뜨려 섞게 되면 용해도 차이로 인해 제2 용액에서 유무기 페로브스카이트(OIP)가 석출(precipitation)된다. 그리고 제2 용액에서 석출된 유무기 페로브스카이트(OIP)를 알킬 할라이드 계면활성제가 표면을 안정화하면서 잘 분산된 유무기 페로브스카이트 나노결정(OIP-NC)을 생성하게 된다. 따라서, 유무기 페로브스카이트 나노결정 및 이를 둘러싸는 복수개의 알킬할라이드 유기리간드들을 포함하는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 제조할 수 있다.
한편, 이러한 유무기 페로브스카이트 나노결정입자의 크기는 알킬 할라이드 계면활성제의 길이 또는 형태 인자(shape factor) 및 양 조절을 통해 제어할 수 있다. 예컨대, 형태 인자 조절은 선형, tapered 또는 역삼각 모양의 surfactant를 통해 크기를 제어할 수 있다.
한편, 이와 같이 생성되는 유무기 페로브스카이트 나노결정의 크기는 양자 구속 효과를 넘어서는 보어 직경 이상의 범위에서 20 nm 내지 30 nm인 것이 바람직하다. 만일 유무기 페로브스카이트 나노결정의 크기를 30 nm를 초과하여 형성할 경우 큰 나노결정 안에서 열적 이온화 및 전하 운반체의 비편재화에 의해서 엑시톤이 발광으로 가지 못하고 자유 전하로 분리되어 소멸되는 근본적인 문제가 있을 수 있다.
또한, 보어직경 미만 즉, 20 nm 미만의 크기를 가지는 나노결정입자의 경우, 입자 크기에 의해 밴드갭이 변하게 되는데, 20 nm 미만의 작은 크기의 나노결정입자에서는 사이즈가 작아짐에 따라 사이즈 조절이 어렵고, 색순도 및 스펙트럼이 사이즈에 영향 받으며 나노결정 표면의 결함 (defect)때문에 오히려 효율이 감소한다는 단점이 있을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자는 코어-쉘 구조를 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 및 이의 에너지밴드다이어그램을 나타낸 모식도이다.
도 4(a)를 참조하면, 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자(100')는 코어(115) 및 코어(115)를 둘러싸는 쉘(130) 구조인 것을 알 수 있다. 이때 코어(115)보다 밴드갭이 큰 물질을 쉘(130) 물질로 이용할 수 있다.
이때 도 4(b)를 참조하면, 코어(115)의 에너지 밴드갭보다 쉘(130)의 에너지 밴드갭이 더 큰 바, 엑시톤이 코어 페로브스카이트에 좀더 잘 구속되도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법을 나타낸 모식도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법은 양성자성 용매에 제1 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 녹아있는 제1 용액 및 비양성자성 용매에 알킬 할라이드 계면활성제가 녹아있는 제2 용액을 준비하는 단계, 상기 제1 용액을 상기 제2 용액에 섞어 제1 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 코어를 형성하는 단계 및 상기 코어를 둘러싸되 상기 코어보다 밴드갭이 큰 물질을 포함하는 쉘을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 5(a)를 참조하면, 비양성자성 용매에 알킬 할라이드 계면활성제가 녹아있는 제2 용액에 양성자성 용매에 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 녹아있는 제1 용액을 한방울씩 첨가한다.
도 5(b)를 참조하면, 제2 용액에 제1 용액을 첨가하면, 용해도 차이로 인해 제2 용액에서 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 석출되고, 이러한 석출된 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 알킬 할라이드 계면활성제가 둘러싸면서 표면을 안정화하면서 잘 분산된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어(115)를 포함하는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자(100)를 생성하게 된다. 이때 나노결정 코어(115)는 알킬 할라이드 유기 리간드들(120)에 의해 둘러싸이게 된다.
도 5(a) 및 도 5(b)와 관련하여 도 3에서 상술한 바와 동일한 바, 자세한 설명은 생략한다.
도 5(c)를 참조하면, 상기 코어(115)를 둘러싸되 상기 코어(115)보다 밴드갭이 큰 물질을 포함하는 쉘(130)을 형성하여 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자(100')를 제조할 수 있다.
이러한 쉘을 형성하는 방법들에 대하여 아래와 같은 다섯가지 방법을 이용할 수 있다.
첫번째 방법으로 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 용액 또는 무기물 반도체 물질 용액을 이용하여 쉘을 형성할 수 있다. 즉, 상기 제2 용액에 상기 제1 유무기 하이브리드 페로브스카이트보다 밴드갭이 큰 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기물 반도체 물질이 녹아있는 제3 용액을 첨가하여 상기 코어를 둘러싸는 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 또는 무기물 반도체 물질 또는 유기 고분자를 포함하는 쉘을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상술한 방법 (Inverse nano-emulsion 법)을 통하여 생성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbBr3) 용액을 강하게 교반하면서, MAPbBr3보다 밴드갭이 큰 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbCl3) 용액, 또는 ZnS 또는 금속산화물(metal oxide)와 같은 무기반도체 물질 용액, 또는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리바이닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 폴리바이닐알코올(PVA)와 같은 유기 고분자를 천천히 한방울씩 떨어뜨려 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정(MAPbCl3) 또는 무기물 반도체 물질을 포함하는 쉘을 형성할 수 있다. 이때의 MA는 메틸암모늄을 의미한다.
이는 코어 페로브스카이트와 쉘 페로브스카이트가 서로 섞여 얼로이(alloy)형태를 만들 거나 달라붙는 성질이 있기 때문에 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 합성 할 수 있다.
따라서, MAPbBr3/MAPbCl3 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성할 수 있다.
두번째 방법으로, 유기암모늄 할로젠화물 용액을 이용하여 쉘을 형성할 수 있다. 즉, 상기 제2 용액에 유기암모늄 할로젠화물 용액을 다량 첨가한 후 교반하여 상기 코어를 둘러싸는 상기 코어보다 밴드갭이 큰 쉘을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기와 같은 방법 (Inverse nano-emulsion 법)을 통하여 생성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbBr3) 용액에 MACl 용액을 넣고 강하게 교반하여 excess한 MACl에 의해 표면의 MAPbBr3가 MAPbBr3 - xClx로 변환되어 쉘(Shell)이 형성될 수 있다.
따라서, MAPbBr3/MAPbBr3 - xClx 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성할 수 있다.
세번째 방법으로, 열분해/합성 방법을 이용하여 쉘을 형성할 수 있다. 즉, 상기 제2 용액을 열처리 하여 상기 코어의 표면을 열분해시킨 후, 상기 열처리된 제2 용액에 유기암모늄 할로젠화물 용액을 첨가하여 다시 표면을 합성시켜 상기 코어를 둘러싸는 상기 코어보다 밴드갭이 큰 쉘을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기와 같은 방법 (Inverse nano-emulsion 법)을 통하여 생성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 (MAPbBr3) 용액을 열처리 하여 표면이 PbBr2로 변화되도록 열분해 시킨 후, MACl 용액을 첨가하여 다시 표면이 MAPbBr2Cl로 되도록 합성시켜 쉘을 형성할 수 있다.
따라서, MAPbBr3/MAPbBr2Cl 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라 형성된 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자는 코어보다 밴드갭이 큰 물질로 쉘을 형성함으로써 엑시톤이 코어에 좀더 잘 구속되도록 하고, 공기중에 안정한 페로브스카이트 혹은 무기 반도체를 사용하여 코어 페로브스카이트가 공기중에 노출되지 않도록 하여 나노결정의 내구성을 향상시킬 수 있다.
네번째 방법으로 유기물 반도체 물질 용액을 이용하여 쉘을 형성할 수 있다. 즉, 제2 용액에는 유무기 하이브리드 페로브스카이트보다 밴드갭이 큰 유기물 반도체 물질이 미리 녹아있고, 이러한 제2 용액에 상술한 제1 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 녹아있는 제1 용액을 첨가하여 상기 제1 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 포함하는 코어 및 이러한 코어를 둘러싸는 유기물 반도체 물질을 포함하는 쉘을 형성할 수 있다.
이는 코어 페로브스카이트 표면에 유기 반도체 물질이 달라붙는 성질이 있기 때문에 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 합성 할 수 있다.
따라서, MAPbBr3-유기 반도체 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 발광체를 형성할 수 있다.
다섯번째 방법으로는, 선택적 추출 (selective exctraction) 방법을 이용하여 쉘을 형성할 수 있다. 즉, 상기 제1 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 포함하는 코어가 형성된 제2 용액에 IPA용매를 소량 넣어줌으로써 나노결정 표면에서 MABr을 선택적으로 추출하여 표면을 PbBr2만으로 형성하여 상기 코어를 둘러싸는 상기 코어보다 밴드갭이 큰 쉘을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기와 같은 방법 (Inverse nano-emulsion 법)을 통하여 생성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 (MAPbBr3) 용액에 IPA를 소량 넣어줌으로 써, 나노결정 표면의 MABr만 선택적으로 녹여 표면에 PbBr2만 남게 하도록 추출하여 PbBr2 쉘을 형성할 수 있다.
즉, 이때 선택적 추출을 통하여 MAPbBr3 표면의 MABr가 제거될 수 있다.
따라서, MAPbBr3-PbBr2 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 발광체를 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래디언트(gradient) 조성 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 나타낸 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래디언트 조성을 가지는 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자(100")는 유기 용매에 분산이 가능한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조(140)를 포함하고, 상기 나노결정구조(140)는 중심에서 외부방향으로 갈수록 조성이 변하는 그래디언트 조성 구조를 갖는다. 이때의 유기 용매는 양성자성 용매 또는 비양성자성 용매일 수 있다.
이때의 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 ABX3 - mX'm, A2BX4 - lX'l 또는 ABX4 -kX'k의 구조이고, 상기 A는 유기암모늄 물질이고, 상기 B는 금속 물질이고, 상기 X는 Br이고, 상기 X'는 Cl일 수 있다. 그리고, 상기 m, l 및 k값은 상기 나노결정구조(140)의 중심에서 외부방향으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 나노결정구조(140)의 중심에서 외부방향으로 갈수록 에너지 밴드갭이 증가하는 구조가 된다.
예를 들어, 상기 유기암모늄은 아미디늄계(amidinium group) 유기이온 (예: 포름아미디늄(formamidinium, NH2CH=NH+) 이온，아세트아미디늄(acetamidinium, NH2C(CH)=NH2 +) 이온 또는 구아미디늄(Guamidinium, NHC(NH)=NH+) 이온) 또는 유기 암모늄 양이온((CH3NH3)n, ((CxH2x + 1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n + 1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2)일 수 있다(n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수).
상기 B는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po 또는 이들의 조합일 수 있다.
한편, 상기 m, l 및 k값은 상기 나노결정구조의 중심에서 외부방향으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다. 따라서, 이러한 조성변화에 따라 에너지 밴드갭이 점진적으로 증가할 수 있다.
또 다른 예로, 상기 m, l 및 k값은 상기 나노결정구조의 중심에서 외부방향으로 갈수록 계단형태로 증가할 수 있다. 따라서, 이러한 조성변화에 따라 에너지 밴드갭이 계단형태로 증가할 수 있다.
또한, 이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조(140)를 둘러싸는 복수개의 유기리간드들(120)을 더 포함할 수 있다. 상기 유기리간드(120)는 알킬할라이드를 포함할 수 있다. 이러한 알킬 할라이드는 alkyl-X의 구조일 수 있다. 이때의 X에 해당하는 할로겐 원소는 Cl, Br 또는 I 등을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 alkyl 구조에는 CnH2n +1의 구조를 가지는 비고리형 알킬(acyclic alkyl), CnH2n+1OH 등의 구조를 가지는 일차 알코올(primary alcohol), 이차 알코올(secondary alcohol), 삼차 알코올(tertiary alcohol), alkyl-N의 구조를 가지는 알킬아민(alkylamine) (ex. Hexadecyl amine, 9-Octadecenylamine 1-Amino-9-octadecene (C19H37N)), p-치환된 아닐린(p-substituted aniline), 페닐 암모늄(phenyl ammonium) 또는 플루오린 암모늄(fluorine ammonium)을 포함할 수 있지만 이것으로 제한되는 것은 아니다.
따라서, 나노결정구조를 그래디언트 얼로이 (gradient-alloy) 타입으로 만들어 나노결정구조 외부에 다량 존재하는 페로브스카이트와 내부에 다량 존재하는 페로브스카이트의 함량을 점진적으로 변화시킬 수 있다. 이러한 나노결정구조 내의 점진적인 함량 변화는 나노결정구조 내의 분율을 균일하게 조절하고, 표면 산화를 줄여 내부에 다량 존재하는 페로브스카이트 안에서의 엑시톤 구속(exciton confinement)을 향상시켜 발광 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 내구성-안정성도 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래디언트 조성을 가지는 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래디언트 조성을 가지는 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법은 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 준비하는 단계 및 상기 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 열처리하여 상호확산을 통해 그래디언트 조성을 갖도록 형성하는 단계를 포함한다.
먼저, 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 준비한다. 이와 관련한 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법은 도 5를 참조하여 상술한 바와 동일한 바, 자세한 설명은 생략한다.
그 다음에, 상기 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 열처리하여 상호확산을 통해 그래디언트 조성을 갖도록 형성할 수 있다.
예를 들어, 코어-쉘 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 고온에서 어닐링 하여 solid solution 상태로 만든 후, 열처리에 의해 interdiffusion을 통해 gradient 조성을 가지도록 한다.
예를 들어, 상기 열처리 온도는 100 ℃ 내지 150 ℃일 수 있다. 이러한 열처리 온도로 어닐링함으로써 상호확산을 유도할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 그래디언트 조성을 가지는 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 제조방법은 제1 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어를 형성하는 단계 및 상기 코어를 둘러싸는 그래디언트 조성을 갖는 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 쉘을 형성하는 단계를 포함한다.
먼저, 제1 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어를 형성한다. 이에 대하여는 상술한 나노결정 코어를 형성하는 방법과 동일한바 자세한 설명은 생략한다.
그 다음에, 상기 코어를 둘러싸는 그래디언트 조성을 갖는 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 쉘을 형성한다.
상기 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 ABX3 - mX'm, A2BX4 - lX'l 또는 ABX4 -kX'k의 구조이고, 상기 A는 유기암모늄 물질이고, 상기 B는 금속 물질이고, 상기 X는 Br이고, 상기 X'는 Cl일 수 있다.
따라서, 상기 제2 용액에 상기 m, l 또는 k값을 증가시키면서 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 녹아있는 제3 용액을 첨가할 수 있다.
즉, 상기 ABX3 - mX'm, A2BX4 - lX'l 또는 ABX4 - kX'k의 조성이 제어된 용액을 연속적으로 떨어뜨려, 연속적으로 조성이 변화되는 쉘을 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래디언트 조성을 가지는 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 및 이의 에너지밴드다이어그램을 나타낸 모식도이다.
도 7(a)를 참조하면, 본 발명에 따른 나노결정입자(100")는 함량이 변하는 그래디언트 조성을 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조(140)인 것을 알 수 있다. 이때 도 7(b)를 참조하면, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조(140)의 중심에서 외부방향으로 갈수록 물질의 조성을 변화시킴으로써 에너지 밴드갭이 중심에서 외부방향으로 증가하도록 제조할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 페로브스카이트 나노결정입자는 도핑된 페로브스카이트 나노결정입자일 수 있다.
상기 도핑된 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An- 1BnX3n +1(n은 2 내지 6사이의 정수)의 구조를 포함하고, 상기 A의 일부가 A'로 치환되거나, 상기 B의 일부가 B'로 치환되거나, 상기 X의 일부가 X'로 치환된 것을 특징으로 하고, 상기 A 및 A'는 유기암모늄이고, 상기 B 및 B'는 금속물질이고, 상기 X 및 X'는 할로겐 원소일 수 있다.
이때, 상기 A 및 A'는
상기 유기암모늄은 아미디늄계(amidinium group) 유기이온 (예: 포름아미디늄(formamidinium, NH2CH=NH+) 이온，아세트아미디늄(acetamidinium, NH2C(CH)=NH2 +) 이온 또는 구아미디늄(Guamidinium, NHC(NH)=NH+) 이온) 또는 유기 암모늄 양이온((CH3NH3)n, ((CxH2x + 1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n + 1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2)일 수 있다(n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수). 상기 B 및 B'는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi 또는 Po이고, 상기 X 및 X'는 Cl, Br 또는 I일 수 있다.
또한, 상기 A의 일부가 A'로 치환되거나, 상기 B의 일부가 B'로 치환되거나, 상기 X의 일부가 X'로 치환된 비율이 0.1% 내지 5%인 것을 특징으로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도핑된 페로브스카이트 나노결정 입자 및 이의 에너지밴드다이어그램을 나타낸 모식도이다.
도 8(a)는 도핑원소(111)가 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조(110)의 부분절단한 모식도이다. 도 8(b)는 이러한 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조(110)의 밴드다이어그램이다.
도 8(a) 및 도 8(b)를 참조하면, 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 도핑을 통해 반도체 타입을 n-type이나 p-type으로 바꿀 수 있다. 예를 들어, MAPbI3의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 Cl로 일부 도핑할 경우 n-type으로 바꿔 전기광학적 특성을 조절할 수 있다. 이때의 MA는 메틸암모늄이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 설명한다. 역 나노-에멀젼 (Inverse nano-emulsion) 법을 통하여 제조하는 방법을 예로 설명한다.
먼저, 비양성자성 용매에 알킬 할라이드 계면활성제가 녹아있는 제2 용액에 양성자성 용매에 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 녹아있는 제1 용액을 한방울씩 첨가한다.
이때의 양성자성 용매는 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide), 감마 부티로락톤(gamma butyrolactone) 또는 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때의 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An-1BnX3n+1의 구조를 포함하고, 상기 A의 일부가 A'로 치환되거나, 상기 B의 일부가 B'로 치환되거나, 상기 X의 일부가 X'로 치환된 것을 특징으로 한다.
이때의 A 및 A'는 유기암모늄이고, 상기 B 및 B'는 금속물질이고, 상기 X 및 X'는 할로겐 원소일 수 있다. 예를 들어, 상기 A는 (CH3NH3)n, ((CxH2x+1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n + 1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2 또는 (CnF2n + 1NH3)2일 수 있다. 또한, 상기 B 및 B'는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi 또는 Po일 수 있다. 이때의 희토류 금속은 예컨대 Ge, Sn, Pb, Eu 또는 Yb일 수 있다. 또한, 알칼리 토류 금속은 예컨대, Ca 또는 Sr일 수 있다. 또한, 상기 X 및 X'는 Cl, Br 또는 I 일 수 있다.
또한, 이때의 A와 A'는 서로 다른 유기물이고, B와 B'는 서로 다른 금속이고, X와 X'는 서로 다른 할로겐 원소이다. 나아가, 도핑되는 X'는 X와 합금(alloy) 형성되지 않는 원소를 이용하는 것이 바람직하다.
예를 들어, DMF 용매에 CH3NH3I, PbI2 및 PbCl2를 첨가하여 제1 용액을 형성할 수 있다. 이때, CH3NH3I : PbI2 및 PbCl2의 몰비율을 1:1 비율로 하고 PbI2 : PbCl2의 몰비율을 97:3으로 설정할 수 있다.
한편, 이때의 AX의 합성예로서, A가 CH3NH3, X가 Br일 경우, CH3NH2(methylamine)과 HBr(hydroiodic acid)을 질소분위기에서 녹여 용매 증발을 통해 CH3NH3Br을 얻을 수 있다.
그 다음에, 제2 용액에 제1 용액을 첨가하면, 용해도 차이로 인해 제2 용액에서 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 석출되고, 이러한 석출된 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 알킬 할라이드 계면활성제가 둘러싸면서 표면을 안정화하면서 잘 분산된 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자(100)를 생성하게 된다. 이때 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 표면은 알킬 할라이드인 유기 리간드들이 둘러싸이게 된다.
이후, 알킬 할라이드 계면활성제가 녹아있는 비양성자성 용매에 분산되어있는 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 포함한 양성자성 용매를 열을 가해 선택적으로 증발 시키거나, 양성자성 용매와 비양성자성 용매와 모두 녹을 수 있는 코솔벤트(co-solvent)를 첨가하여 나노결정입자를 포함한 양성자성 용매를 선택적으로 비양성자성 용매로부터 추출하여 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 페로브스카이트 나노결정입자와 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자는 다양한 광전자소자에 응용이 가능하다.
예를 들어, 상술한 유무기 페로브스카이트 나노결정입자 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자를 포함하는 발광층을 이용하여 발광소자에 적용할 수 있다. 이러한 발광소자는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하되, 상술한 페로브스카이트 나노결정입자를 포함하는 발광층을 포함할 수 있다.
또 다른 예로 상술한 유무기 페로브스카이트 나노결정입자 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자를 포함하는 광활성층을 이용하여 태양전지에 적용할 수도 있다. 이러한 태양전지는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하되, 상술한 페로브스카이트 나노결정입자를 포함하는 광활성층을 포함할 수 있다.
제조예 1
본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다. Inverse nano-emulsion 법을 통하여 형성하였다.
구체적으로, 양성자성 용매에 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 녹여 제1 용액을 준비하였다. 이때의 양성자성 용매로 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide)를 사용하고, 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 CH3NH3PbBr3를 사용하였다. 이때 사용한 CH3NH3PbBr3은 CH3NH3Br 과 PbBr2를 1:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
그리고 비양성자성 용매에 알킬 할라이드 계면활성제가 녹아있는 제2 용액을 준비하였다. 이때의 비양성자성 용매는 톨루엔(Toluene)을 사용하였고, 알킬 할라이드 계면활성제는 옥타데실암모늄 브로마이드(octadecylammonium bromide, CH3(CH2)17NH3Br)를 사용하였다.
그 다음에, 강하게 교반중인 제2 용액에 제1 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 첨가하여 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
그 다음에, 이러한 용액상태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 유리 기판 상에 스핀코팅하여 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 박막(OIP-NP film)을 형성하였다.
이때의 형성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 크기는 약 20nm 이다.
제조예 2
제조예 1과 동일하게 수행하되, 알킬할라이드 계면활성제를 CH3(CH2)13NH3Br를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
이때의 형성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 크기는 약 30nm 이다.
제조예 3
제조예 1과 동일하게 수행하되, 알킬할라이드 계면활성제를 CH3(CH2)10NH3Br를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
이때의 형성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 크기는 약 40nm 이다.
제조예 4
제조예 1과 동일하게 수행하되, 알킬할라이드 계면활성제를 CH3(CH2)7NH3Br를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
이때의 형성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 크기는 약 50nm 이다.
제조예 5
제조예 1과 동일하게 수행하되, 알킬할라이드 계면활성제를 CH3(CH2)4NH3Br를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
이때의 형성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 크기는 약 70nm 이다.
제조예 6
제조예 1과 동일하게 수행하되, 알킬할라이드 계면활성제를 CH3CH2NH3Br를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
이때의 형성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 크기는 약 80nm 이다.
제조예 7
제조예 1과 동일하게 수행하되, 알킬할라이드 계면활성제를 CH3NH3Br를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
이때의 형성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 크기는 약 100nm 이다.
제조예 8
제조예 1에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 코어로 사용한다. 그리고, 이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어가 포함된 용액에 밴드갭이 큰 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbCl3) 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정(MAPbCl3)을 포함하는 쉘을 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
제조예 9
제조예 2에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 코어로 사용한다. 그리고, 이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어가 포함된 용액에 밴드갭이 큰 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbCl3) 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정(MAPbCl3)을 포함하는 쉘을 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
제조예 10
제조예 3에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 코어로 사용한다. 그리고, 이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어가 포함된 용액에 밴드갭이 큰 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbCl3) 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정(MAPbCl3)을 포함하는 쉘을 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
제조예 11
제조예 4에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 코어로 사용한다. 그리고, 이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어가 포함된 용액에 밴드갭이 큰 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbCl3) 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정(MAPbCl3)을 포함하는 쉘을 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
제조예 12
제조예 5에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 코어로 사용한다. 그리고, 이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어가 포함된 용액에 밴드갭이 큰 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbCl3) 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정(MAPbCl3)을 포함하는 쉘을 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
제조예 13
제조예 6에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 코어로 사용한다. 그리고, 이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어가 포함된 용액에 밴드갭이 큰 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbCl3) 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정(MAPbCl3)을 포함하는 쉘을 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
제조예 14
제조예 7에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정을 코어로 사용한다. 그리고, 이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 코어가 포함된 용액에 밴드갭이 큰 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트(MAPbCl3) 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 제2 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정(MAPbCl3)을 포함하는 쉘을 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
제조예 15
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (CH3NH3)2PbBr4를 사용하였다. 이때 사용한 (CH3NH3)2PbBr4은 CH3NH3Br 과 PbBr2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자는 자외선 혹은 파란색 근처의 빛을 발광한다. 발광 스펙트럼은 약 520 nm에 위치한다.
제조예 16
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (CH3NH3)2PbI4를 사용하였다. 이때 사용한 (CH3NH3)2PbI4은 CH3NH3I 과 PbI2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자는 적외선 혹은 붉은색 근처의 빛을 발광한다. 발광 스펙트럼은 약 780 nm에 위치한다.
제조예 17
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (CH3NH3)2PbClxBr4-x를 사용하였다. 이때 사용한 (CH3NH3)2PbClxBr4 -x은 CH3NH3Cl 과 PbBr2를 일정 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 발광 스펙트럼은 380 nm와 520 nm 사이에 위치한다.
제조예 18
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (CH3NH3)2PbIxBr4-x를 사용하였다. 이때 사용한 (CH3NH3)2PbIxBr4 -x은 CH3NH3I 과 PbBr2를 일정 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 발광 스펙트럼은 520 nm와 780 nm 사이에 위치한다.
제조예 19
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (CH(NH2)2)2PbI4를 사용하였다. 이때 사용한 (CH(NH2)2)2PbI4은 CH(NH2)2I 과 PbI2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자는 적외선의 빛을 내며 발광 스펙트럼은 약 800 nm에 위치한다.
제조예 20
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (CH3NH3)2PbxSn1-xI4를 사용하였다. 이때 사용한 (CH3NH3)2PbxSn1 - xI4은 CH3NH3I 과 PbxSn1-xI2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 발광 스펙트럼은 820 nm와 1120 nm 에 위치한다.
제조예 21
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (CH3NH3)2PbxSn1-xBr4를 사용하였다. 이때 사용한 (CH3NH3)2PbxSn1 - xBr4은 CH3NH3Br 과 PbxSn1-xBr2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 발광 스펙트럼은 540 nm와 650 nm 에 위치한다.
제조예 22
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (CH3NH3)2PbxSn1-xCl4를 사용하였다. 이때 사용한 (CH3NH3)2PbxSn1 - xCl4은 CH3NH3Cl 과 PbxSn1-xCl2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 발광 스펙트럼은 400 nm와 460 nm 에 위치한다.
제조예 23
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (C4H9NH3)PbBr4를 사용하였다. 이때 사용한 (C4H9NH3)PbBr4은 (C4H9NH3)Br 과 PbBr2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 발광 스펙트럼은 약 411 nm 에 위치한다.
제조예 24
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (C5H11NH3)PbBr4를 사용하였다. 이때 사용한 (C5H11NH3)PbBr4은 (C5H11NH3)Br 과 PbBr2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 발광 스펙트럼은 약 405 nm 에 위치한다.
제조예 25
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (C7H15NH3)PbBr4를 사용하였다. 이때 사용한 (C7H15NH3)PbBr4은 (C7H15NH3)Br 과 PbBr2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 발광 스펙트럼은 약 401 nm 에 위치한다.
제조예 26
제조예 8과 동일하게 수행하되, 코어 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 (C12H25NH3)PbBr4를 사용하였다. 이때 사용한 (C12H25NH3)PbBr4은 (C12H25NH3)Br 과 PbBr2를 2:1 비율로 섞은 것을 사용하였다.
이때의 형성된 코어-쉘 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 발광 스펙트럼은 약 388 nm 에 위치한다.
제조예 27
본 발명의 일 실시예에 따른 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다. Inverse nano-emulsion 법을 통하여 형성하였다.
구체적으로, 양성자성 용매에 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 녹여 제1 용액을 준비하였다. 이때의 양성자성 용매로 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide)를 사용하고, 유무기 하이브리드 페로브스카이트로 Cl이 도핑된 CH3NH3PbI3를 사용하였다. 이때 사용한 Cl이 도핑된 CH3NH3PbI3은 CH3NH3I : PbI2 및 PbCl2를 1:1 비율로 섞은 것을 사용하였다. 또한, 이때의 PbBr2 : PbCl2는 97:3 비율로 섞었다. 따라서, 3% Cl 도핑된 CH3NH3PbI3이 녹아있는 제1 용액을 준비하였다.
그리고 비양성자성 용매에 알킬 할라이드 계면활성제가 녹아있는 제2 용액을 준비하였다. 이때의 비양성자성 용매는 톨루엔(Toluene)을 사용하였고, 알킬 할라이드 계면활성제는 CH3(CH2)17NH3I를 사용하였다.
그 다음에, 강하게 교반중인 제2 용액에 제1 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 첨가하여 Cl 도핑된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하는 나노결정입자를 형성하였다.
그 다음에, 이러한 용액상태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 유리 기판 상에 스핀코팅하여 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 박막(OIP-NP film)을 형성하였다.
제조예 28
본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 구조를 갖는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다. Inverse nano-emulsion 법을 통하여 형성하였다.
구체적으로, 비양자성 용매인 Octadecene (ODE)에 세슘 카보네이트 (Cs2CO3)와 올레익 에시드 (oleic acid)를 넣고 고온에서 반응시켜 제 3 용액을 준비하였다. 비양자성 용매에 PbBr2와 올레익 에시드 (oleic acid) 그리고 올레라민 (oleylamine)을 넣고 고온 (120 ℃)에서 한시간 동안 반응을 한 제 4 용액을 준비한다. 그 다음에, 강하게 교반중인 제4 용액에 제3 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 첨가하여 삼차원적 구조를 갖는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
그 다음에, 이러한 용액상태의 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자를 유리 기판 상에 스핀코팅하여 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자 박막을 형성하였다.
이때의 형성된 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자의 크기는 약 20nm 이다.
제조예 29
제조예 28에 따른 무기금속 할라이드 페로브스카이트(CsPbBr3) 나노결정을 코어로 사용한다. 그리고, 이러한 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정 코어가 포함된 용액에 밴드갭이 큰 제2 무기금속 할라이드 페로브스카이트(CsPbCl3) 용액을 천천히 한방울씩 떨어뜨려 제2 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정(CsPbCl3)을 포함하는 쉘을 형성하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조의 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자 발광체를 형성하였다.
제조예 30
계면활성제를 올레익 에시드 (Oleic acid (CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH)를 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일하게 수행하여 삼차원적 구조를 갖는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 형성하였다.
이때, 올레익 에시드의 양을 조절하여 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 크기를 조절하였다.
제조예 31
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 제조하였다.
먼저 ITO 기판(ITO 양극이 코팅된 유리 기판)을 준비한 후, ITO 양극 상에 전도성 물질인 PEDOT:PSS(Heraeus 社의 AI4083) 을 스핀 코팅한 후 150에서 30분 동안 열처리하여 40nm 두께의 정공 주입층을 형성하였다.
상기 정공 주입층 상에 제조예 1에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자가 녹아있는 용액을 스핀 코팅하고 80에서 20분간 열처리 하여 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 발광층을 형성한다.
이 후, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 발광층 상에 50nm 두께의 1,3,5-Tris(1-phenyl-1H-benzimidazol-2-yl)benzene (TPBI)를 1 x 10-7 Torr 이하의 높은 진공에서 증착하여 전자수송층을 형성하고, 그 위에 1nm 두께의 LiF를 증착하여 전자주입층을 형성하고, 그 위에 100nm 두께의 알루미늄을 증착하여 음전극을 형성하여 유/무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 발광 소자를 제작하였다.
제조예 32
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 제조하였다.
먼저 ITO 기판(ITO 양극이 코팅된 유리 기판)을 준비한 후, ITO 양극 상에 전도성 물질인 PEDOT:PSS(Heraeus 社의 CLEVIOS PH) 을 스핀 코팅한 후 150에서 30분 동안 열처리하여 40nm 두께의 정공 추출층을 형성하였다.
상기 정공 추출층 상에 제조예 1에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자를 Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)과 섞어서 코팅하여 광활성층을 형성하고, 광활성층 위에 바로 100 nm 두께의 Al을 증착하여 페로브스카이트 나노결정입자 태양전지를 제조하였다.
비교예 1
양성자성 용매인 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide)에 CH3NH3PbBr3를 녹여 제1 용액을 제조하였다.
그 다음에, 상기 제1 용액을 유리 기판 상에 스핀 코팅하여 CH3NH3PbBr3 박막(OIP film)을 제조하였다.
비교예 2
양성자성 용매인 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide)에 CH3NH3PbCl3를 녹여 제1 용액을 제조하였다.
그 다음에, 상기 제1 용액을 유리 기판 상에 스핀 코팅하여 CH3NH3PbCl3 박막(OIP film)을 제조하였다.
실험예
도 9은 제조예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 발광체에 자외선을 조사하여 발광 빛을 찍은 형광 이미지이다.
도 9을 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 나노결정입자 형태가 아닌 벌크(bulk) 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 용액은 어두운 빛을 발광하는 반면 제조예 1에 따른 나노결정입자 형태의 발광체는 매우 밝은 초록색 빛을 내는 것을 확인 할 수 있다.
이에 반하여, 비교예 1 및 비교예 2에서, 유리 기판에 스핀 코팅하여 만든 박막형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 1% 내외의 낮은 PLQY 수치를 보였다.
도 10는 제조예 1 및 비교예 1에 따른 나노구조체의 모식도이다.
도 10(a)는 비교예 1에 따른 나노박막의 모식도이고, 도 7(b)는 제조예 1에 따른 나노결정입자 박막의 모식도이다. 도 7(a)를 참조하면, 비교예 1은 제1 용액을 유리 기판에 스핀 코팅하여 만든 박막 형태이고, 도 7(b)를 참조하면, 제조예 1에 따른 나노결정입자는 나노결정구조(110) 형태이다.
도 11은 제조예 1 및 비교예 1에 따른 발광체의 광발광 (photoluminescence) 매트릭스(matrix)를 각각 상온과 저온에서 찍은 이미지이다.
도 11(a)는 비교예 1에 따른 박막형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트(OIP film)의 광발광 매트릭스를 저온(70 K)에서 찍은 이미지이고, 도 10(b)는 비교예 1에 따른 박막형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트(OIP film)의 광발광 매트릭스를 상온(room temperature)에서 찍은 이미지이다.
도 11(c)는 제조예 1에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 박막(OIP-NP film)의 광발광 매트릭스를 저온(70 K)에서 찍은 이미지이고, 도 11(d)는 제조예 1에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 박막(OIP-NP film)의 광발광 매트릭스를 상온(room temperature)에서 찍은 이미지이다.
도 11(a) 내지 도 11(d)를 참조하면, 제조예 1에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 박막(OIP-NP film)의 경우 비교예 1에 따른 박막 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트(OIP film)과 같은 위치의 광발광을 보여주며, 좀더 높은 색순도를 보이는 것을 알 수 있다. 또한 제조예 1에 따른 OIP-NP film의 경우 상온에서 저온과 동일한 위치의 높은 색순도의 광발광을 보여주며, 발광 세기 또한 감소하지 않는 것을 알 수 있다. 반면에 비교예 1에 따른 박막 형태의 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 상온과 저온에서 색순도 및 발광 위치가 다를 뿐만 아니라, 상온에서 열적 이온화 및 전하 운반체의 비편재화에 의해서 엑시톤이 발광으로 가지 못하고 자유 전하로 분리되어 소멸되어 낮은 발광 세기를 보인다.
도 12은 계면활성제의 양에 따라 크기조절이 가능한 나노결정의 합성 모식도이다.
도 12를 참조하면, 계면활성제인 Oleic acid의 양이 작은 경우 페로브스카이트 나노결정(Perovskite Nanocrystl)의 성장(Growth)에서 종료(Termination)에 이르는 결정화 속도가 느리고, 계면활성제의 양이 많아 지면 결정화 속도가 빨라져 좀더 작은 크기의 페로브스카이트 나노결정이 형성되는 것을 알 수 있다.
도 13은 유무기 하이브리드 페로브스카이트 (CH3NH3PbBr3)의 유전상수 (dielectric constant)를 측정한 데이터이다. 페로브스카이트는 약 16의 유전상수를 갖는다. 또한, 기존에 보고된 페로브스카이트의 유효질량 (effective mass)과 하기의 식 1을 통해 보어 지름을 측정 할 수 있다.
<식 1>
Figure PCTKR2015011959-appb-I000001
(r은 보어 반지름, a0은 수소원자 (hydrogen)의 보어 반지름 (0.053 nm), εr은 유전상수, μ= me X mh / me -1 + mh -1, me 은 유효 전자질량 (effective electron mass) 그리고 mh은 유효 정공질량 (effective hole mass)).
도 14는 계면활성제 양을 다르게 함에 따라 합성한 다양한 크기의 나노결정 발광 이미지이다. 도 14 내지 도 24에 도시된 NC(1.5), NC(2), NC(5), NC(10), NC(50) 및 NC(100)은 100 nm, 50 nm, 35 nm, 20 nm, 7 nm 및 3 nm 지름의 나노결정 갖는다. 이때 괄호 안의 숫자는 계면활성제의 양으로서 ㎕ 단위이다. 따라서, 계면활성제의 양이 많을수록 형성된 나노결정의 크기가 작아진다.
도 14을 참조하면, 계면활성제 양을 늘려 페로브스카이트 나노결정입자의 크기를 작게 하면 좀더 단파장의 빛을 내는 것을 알 수 있다.
도 15는 계면활성제의 양 조절에 따른 제조예 1의 크기 변화를 표시한 데이터이다.
도 15을 참조하면, 제조예 1을 만들 시, 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 용액 상에 안정화 시키기 위해 사용하는 계면활성제의 양을 늘림에 의해 결정화 속도가 빨라지고, 이로 인해 페로브스카이트 나노결정 입자의 크기가 점차적으로 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 16는 크기가 계면활성제의 양 조절에 따라 다양한 크기를 보이는 제조예 1의 광발광발광 (photoluminescence) 데이터이다.
도 16을 참조하면, 계면활성제의 양이 많아지고 그에 따라 나노결정 입자의 크기가 점차적으로 줄어듬에 따라 발광스펙트럼이 단파장으로 움직이는 것을 알 수 있다. 이는 계면활성제의 양이 어느 이상 많아지면 나노결정 크기가 보어 지름 보다 작아져 생기는 양자구속 효과 (Quantum confinement effect)에 의한 것이다.
도 17은 제조예 1의 크기에 따른 광발광 발광효율(photoluminescence quantum effieicny)이다.
도 17을 참조하면, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정의 사이즈가 양자구속 효과(Quantum confinement effect)가 나타나기 바로 직전인 보어 지름보다 큰 근처(NC(10)인 경우)에서 가장 높은 광발광 발광효율(photoluminescence quantum efficiency)을 보이는 것을 알 수 있다. 나노결정의 크기가 보어 지름보다 보다 커질 경우, 작은 엑시톤 결합 에너지를 가지기 때문에, 상온에서의 열적 이온화 및 전하 운반체의 비편재화에 의해서 엑시톤이 발광으로 가지 못하고 자유 전하로 분리되어 소멸되므로 발광 효율이 감소하게 된다. 또한, 나노결정의 크기가 보어 지름보다 작을 경우, 나노결정 입자 표면에 있는 결함(defect)에 의해 발광 효율이 감소하게 된다.
페로브스카이트 나노결정의 크기에 따른 광발광효율 (PLQE), 발광파장, 발광 반치폭(FWHM)은 표 1에 정리해 놓았다.
나노결정 크기(nm) 광발광 효율(PLQE) (%) 발광파장(Wavelength) (nm) 발광 반치폭(FWHM) (nm)
3 63 470 30
7 66 502 35
20 72 511 26
35 60 514 23
50 (예상) 40 (예상) 520 21
100 (예상) 30 (예상) 520 21
도 18는 제조예 1의 크기에 따른 여기자 수명(exciton lifetime)을 분석한 데이터 이다.
도 18을 참조하면, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자의 사이즈가 작아 짐에 따라 여기자 수명 (Exciton lifetime)이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는, 나노결정 입자의 사이즈가 감소함에 따라 엑시톤 결합에너지가 커지게 되고, 이로 인해 자유전하로 분해되지 않은 채 여기자 상태로 바로 소멸하게 되어 수명이 짧아지게 되는 것이다.
도 19는 제조예 1의 크기에 따른 페로브스카이트 나노결정의 이온화 포텐셜 (Ionization potential) 에너지를 측정한 데이터이다.
도 19을 참조하면, 나노결정 입자의 크기가 보어 지름 이하로 작아짐에 따라 양자 구속 효과 (Quantum confinement effect)가 나타나고, 이에 따라 이온화 포텐셜이 점차 깊어지는 것을 알 수 있다.
도 20는 제조예 1의 크기에 따른 페로브스카이트 나노결정의 에너지 분포를 그림 모식도이다.
도 20은 나노결정 입자크기에 따른 에너지 레벨을 나타낸 것이다. 도 19를 참조하면, 나노결정 입자가 작아짐에 따라 이온화 포텐셜 (Ionization potential) 에너지가 깊어지고, 전자 친화도 (Electron affinity) 에너지가 얕아져 밴드갭이 커지는 것을 알 수 있다.
도 21은 제조예 1의 크기에 따른 원소분석 데이터 이다.
도 21(a) 내지 도 21(c)를 참조하면, 나노결정의 크기가 작아 짐에 따라, 부피 대비 표면적 (surface-to-volume ratio) 비가 커지게 된다. 따라서 작은 크기에 많은 계면활성제인 올레익 에시드(oleic acid)가 달라 붙게 되고, 이로 인해 산소 원소 (oxygen) 과 탄소 원소 (carbon) 의 비율이 증가하게 되는 것이다. 반면에 상대적으로 나노결정 내부를 차지하는 브롬 원소 (Br), 납 원소 (Pb), 질소 원소 (N)이 감소하게 되는 것을 알 수 있다.
도 22은 나노결정 입자를 발광층으로 사용하여 형성한 발광다이오드 구조의 모식도이다.
도 22을 참조하면, 발광 다이오드는 양극 (Anode), 정공주입층 (Hole injection layer), 나노결정 입자 발광층, 전자주입층 (Electron injection layer), 음극 (Cathode)로 구성되어 있다.
도 23은 나노결정 입자를 박막으로 형성하여 거칠기를 측정한 데이터이다. 도 23(a) 및 도 23(b)를 참조하면, 나노결정 입자(OIP-NCs)의 두께가 약 15 nm에서 약 25 nm로 증가시키면 박막의 거칠기(RMS)가 약 5.2 nm에서 약 3.46 nm로 감소하는 것을 알 수 있다.
도 24는 다양한 크기를 갖는 나노결정 입자를 이용하여 구현한 발광다이오드의 소자 성능 데이터 이다.
도 24(a) 내지 도 24(c)를 참조하면, 보어 지름 보다 큰 근처의 크기를 가지는 나노결정(NC(10)인 경우)을 이용한 발광 다이오드가 최대 효율과 최대 휘도를 보이는 것을 알 수 있다. 이는 보어 지름 보다 큰 근처의 크기를 가질 때 최대 광발광 발광효율(photoluminescence quantum efficiency)를 보이기 때문이다. 특이한 점은, 나노결정 입자의 크기가 작아짐에 따라 광발광 스펙트럼(photoluminescence spectrum)은 단파장으로 이동하지만, 소자의 전기발광 스펙트럼(electroluminescence spectrum)은 일정한 값을 가진다. 이는 전자와 정공이 발광층으로 옮겨짐에 따라 가장 낮은 에너지값을 갖는 밴드갭으로 열화(Thermalization)되고 발광이 일어나기 때문이다.
도 25는 나노결정 입자 발광다이오드의 단면을 표시한 이미지이다.
도 25를 참조하면, 양극 (ITO)와 음극 (Al)사이에 약 40 nm로 형성한 정공주입층 (HIL)과 약 15 nm 로 형성한 발광층 및 약 50 nm로 형성한 전자주입층 (EIL)이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
도 26는 나노결정 입자의 두께를 늘림에 따른 발광다이오드의 성능 데이터이다.
도 26을 참조하면, 페로브스카이트 나노결정입자 두께가 증가함에 따라 표면 거칠기가 감소 할 뿐만 아니라 발광이 가능한 나노결정 입자의 양이 많아지므로 효율과 휘도가 증가하게 된다.
본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자 안에 FCC와 BCC를 합친 결정구조를 갖는 페로브스카이트 나노결정구조가 형성되며, 유기평면과 무기평면이 교대로 적층이 되어있는 라멜라 구조를 형성하고 있으며, 특히, 유기물질로는 밴드갭이 없는 유기암모늄을 사용하기 때문에 무기평면에 엑시톤이 구속되어 높은 색순도를 낼 수 있다.
또한, 20 nm 내지 30 nm 크기의 나노결정입자 안에서 엑시톤 확산거리(exciton diffusion length)가 감소할 뿐만 아니라 엑시톤 바인딩 에너지(exciton binding energy)가 증가하여 열적 이온화 및 전하 운반체의 비편재화에 의한 엑시톤 소멸을 막아 높은 상온에서 발광 효율을 가질 수 있다.
또한, 상기 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자의 밴드갭 에너지는 입자크기에 의해서 의존하지 않고 결정의 구조에 의해서 결정된다.
또한, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정입자 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정입자는 유기용매에 분산될 수 있는 나노입자로서 다양한 광전자소자에 적용 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트 나노결정을 도핑함으로써, 발광 효율을 증가시키고 내구성-안정성을 증가시킬 뿐만 아니라 반도체 타입을 n-type이나 p-type으로 바꿔 전기-광학적 특성(electro-optical properties)을 조절할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
[부호의 설명]
100: 페로브스카이트 나노결정입자
100': 코어-쉘 구조의 페로브스카이트 나노결정입자
100": 그래디언트 조성을 가지는 구조의 페로브스카이트 나노결정입자
110: 페로브스카이트 나노결정구조
111: 도핑원소 115: 코어
120: 유기 리간드 130: 쉘
140: 그래디언트 조성을 가지는 구조의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 나노결정구조

Claims (21)

  1. 유기 용매에 분산이 가능하면서 페로브스카이트 나노결정구조를 포함하고,
    상기 페로브스카이트는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 또는 무기금속 할라이드 페로브스카이트이고,
    보어 지름 (Bohr diameter)보다 커서 양자구속 효과(Quantum confinement effect)의 영향을 받지 않는 영역의 지름을 갖는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 나노결정입자는 발광체는 20 nm 내지 30nm의 지름을 갖는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 용매는 양성자성 용매 또는 비양성자성 용매를 포함하고,
    상기 양성자성 용매는 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide), 감마 부티로락톤(gamma butyrolactone), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) 또는 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide)를 포함하고,
    상기 비양성자성 용매는 다이클로로에틸렌, 트라이클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 스타이렌, 다이메틸포름아마이드, 다이메틸설폭사이드, 자일렌, 톨루엔, 사이클로헥센 또는 이소프로필알콜을 포함하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 나노결정입자는 발광체로서 사용되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발광체의 발광 파장은 200 nm 내지 1300 nm인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 나노결정입자는 구형, 원기둥, 타원기둥 또는 다각기둥 형태인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 나노결정입자의 밴드갭 에너지는 입자크기에 의해서 의존하지 않고 결정의 구조에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 나노결정입자의 밴드갭 에너지는 1 eV 내지 5 eV인 페로브스카이트 나노결정입자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An- 1BnX3n +1(n은 2 내지 6사이의 정수)의 구조를 포함하고,
    상기 A는 유기암모늄 또는 알칼리금속 물질이고, 상기 B는 금속 물질이고, 상기 X는 할로겐 원소인,
    페로브스카이트 나노결정입자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유기암모늄은 아미디늄계 유기이온, (CH3NH3)n, ((CxH2x + 1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n + 1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2)이고(n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수),
    상기 알칼리금속 물질은 Na, K, Rb, Cs 또는 Fr이고,
    상기 B는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po, 또는 이들의 조합이고,
    상기 X는 Cl, Br, I 또는 이들의 조합인,
    페로브스카이트 나노결정입자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 나노결정입자 표면을 둘러싸는 복수개의 유기리간드들을 더 포함하는 것을 특징을 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유기리간드는 알킬할라이드 또는 카르복실 산을 포함하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 알킬할라이드의 알킬 구조는 CnH2n +1의 구조를 가지는 비고리형 알킬(acyclic alkyl), 일차 알코올(primary alcohol), 이차 알코올(secondary alcohol), 삼차 알코올(tertiary alcohol), 알킬아민(alkylamine), p-치환된 아닐린(p-substituted aniline), 페닐 암모늄(phenyl ammonium) 또는 플루오린 암모늄(fluorine ammonium)을 포함하고,
    상기 카르복실 산은 4,4'-아조비스(4-시아노팔레릭 에시드) (4,4'-Azobis(4-cyanovaleric acid)), 아세틱 에시드(Acetic acid), 5-마이노살리클릭 에시드 (5-Aminosalicylic acid), 아크리릭 에시드 (Acrylic acid), L-아스펜틱 에시드 (L-Aspentic acid), 6-브로헥사노익 에시드 (6-Bromohexanoic acid), 프로모아세틱 에시드 (Bromoacetic acid), 다이클로로 아세틱 에시드 (Dichloro acetic acid), 에틸렌디아민테트라아세틱 에시드 (Ethylenediaminetetraacetic acid), 이소부티릭 에시드 (Isobutyric acid), 이타코닉 에시드 (Itaconic acid), 말레익 에시드 (Maleic acid), r-말레이미도부틸릭 에시드 (r-Maleimidobutyric acid), L-말릭 에시드 (L-Malic acid), 4-나이트로벤조익 에시드 (4-Nitrobenzoic acid), 1-파이렌카르복실릭 에시드 (1-Pyrenecarboxylic acid) 또는 올레익 에시드 (oleic acid) 을 포함하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트는 도핑된 페로브스카이트인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 도핑된 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An- 1BnX3n +1(n은 2 내지 6사이의 정수)의 구조를 포함하고, 상기 A의 일부가 A'로 치환되거나, 상기 B의 일부가 B'로 치환되거나, 상기 X의 일부가 X'로 치환된 것을 특징으로 하고,
    상기 A 및 A'는 유기암모늄이고, 상기 B 및 B'는 금속물질이고, 상기 X 및 X'는 할로겐 원소인,
    페로브스카이트 나노결정입자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 A 및 A'는 (CH3NH3)n, ((CxH2x + 1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n + 1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x + 1)nNH3)2 또는 (CnF2n + 1NH3)2이고 (n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수),
    상기 B 및 B'는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi 또는 Po이고,
    상기 X 및 X'는 Cl, Br 또는 I인,
    페로브스카이트 나노결정입자.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 A의 일부가 A'로 치환되거나, 상기 B의 일부가 B'로 치환되거나, 상기 X의 일부가 X'로 치환된 비율이 0.1% 내지 5%인 것을 특징으로 하는,
    페로브스카이트 나노결정입자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 나노결정입자는 코어-쉘 구조인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 나노결정입자는 그래디언트 조성을 가지는 구조인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 나노결정입자.
  20. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하되, 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 페로브스카이트 나노결정입자를 포함하는 발광층을 포함하는 발광소자.
  21. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하되, 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 페로브스카이트 나노결정입자를 포함하는 광활성층을 포함하는 태양전지.
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