WO2020139043A2 - Perovskite-based blue light-emitting device and manufacturing method therefor - Google Patents

Perovskite-based blue light-emitting device and manufacturing method therefor Download PDF

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WO2020139043A2
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quasi
dimensional perovskite
emitting device
alkyl group
unit cell
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김동하
전리나
이일금
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이화여자대학교 산학협력단
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50Wavelength conversion elements

Definitions

  • the present application relates to a low-dimensional perovskite-based blue light emitting device manufactured through introduction of a spacer additive, and a method of manufacturing the blue light emitting device.
  • Hybrid halide perovskite-based solar cells showed conversion efficiency (PCE) of more than 20% (in laboratory) in the years following their appearance, and as of July 2018 at the Chinese Academy of Sciences (CAS), the United States National Renewable Energy (NREL) Laboratory) Achieved the highest certified efficiency of 23.3%.
  • PCE conversion efficiency
  • CAS Chinese Academy of Sciences
  • NREL National Renewable Energy
  • the success of these solar cells is due to the unprecedented high absorbance characteristics of the perovskite material and the inexpensive solution processability.
  • the properties of most of these materials are also suitable for light emitting diodes (LEDs), so the possibility of success of perovskite LEDs (PeLEDs) has been predicted.
  • Perovskite solar cells are due to their excellent charge carrier mobility and low density of deep trap states.
  • perovskite exhibits excellent optical properties, including a wide range of color controllability, making it very suitable for luminescent applications.
  • bulk and quantum dot perovskites have been a major component in impressive light pumping lasers and light emitting diodes.
  • the rapid development of the organic-inorganic metal halide perovskite means a breakthrough in the next generation thin film optoelectronics.
  • methylammonium (MA, CH 3 NH 3 ) lead iodide (MAPbI 3 ) perovskite possesses adequate band gap energy, large absorption coefficient and long-distance bipolar photocarrier diffusion.
  • PCE certified power conversion efficiency
  • perovskite material lacks long-term stability under ambient operating conditions, and thus, device stability improvement, such as a solar cell using the perovskite, is required.
  • Organometal halide perovskite species exhibit huge bulk crystal domain sizes, rare traps, good mobility, and free carriers at room temperature. These properties support the excellent performance of organometal halide perovskites in charge-separation devices. In devices that rely on forward injection of electrons and holes, such as light emitting diodes (LEDs), good mobility effectively captures non-equilibrium charge carriers by rare nonradiative centers. Contribute to In addition, the lack of bound excitons undermines competition for unintended non-radiative recombination of the intended radiation recombination.
  • LEDs light emitting diodes
  • the present application provides a low-dimensional perovskite-based blue light emitting device manufactured through introduction of a spacer additive and a method of manufacturing the blue light emitting device.
  • a first aspect of the present application provides a light emitting device comprising a quasi-two-dimensional perovskite film comprising a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Formula 1 below.
  • a compound of MX 2 , R 1 NH 3 X and BX is mixed in a solvent, and a compound of AX is added to the mixture to form a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 below.
  • a method of manufacturing a light emitting device including manufacturing:
  • a and B each independently contain an organoammonium or alkali metal ion
  • R 1 contains a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms
  • M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2 + , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+
  • X includes halide anions
  • n is an integer of 2 or more
  • is the doping content of the A cation, where 0 ⁇ 1.5.
  • a third aspect of the present application provides a blue light emitting diode, comprising the light emitting device according to the first aspect.
  • the crystal structure of the perovskite is controlled by controlling the doping of the A cation (mixing of three different types of organic ammonium cation ligands), through which the low-dimensional perovskite-based blue color is controlled. It is possible to control the properties of the light emitting device.
  • the doping amount of an aromatic alkyl ammonium cation when mixing three different types of organic ammonium cation ligands, the physical properties of the low-dimensional perovskite-based blue light emitting device are controlled and luminous efficiency You can maximize it by adjusting.
  • an easy process, low cost, and efficient device fabrication are possible based on a solution process, and a conventional report of a low-dimensional perovskite-based blue light emitter by controlling a total amount and a relative amount of a mixture ligand It is possible to derive an uncrystallized crystal structure and an improved blue light emission phenomenon.
  • a bulky insulator alkyl ammonium cation e.g., aromatic alkyl ammonium cation
  • n value the number of layers of the quasi-2 dimensional perovskite
  • 1 is a schematic diagram showing a quasi-two-dimensional perovskite unit cell in one embodiment of the present application.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a strategy of a quasi-two-dimensional perovskite comprising a plurality of cationic ligands in one embodiment of the present application.
  • 3A is a graph showing the chemical formula of system 1 perovskite and PL thereof in a strategy of a quasi-dimensional perovskite including a plurality of cationic ligands in one embodiment of the present application.
  • 3B is a schematic diagram showing the (100) orientation of system 1 perovskite in the strategy of a quasi-dimensional perovskite comprising a plurality of cationic ligands in one embodiment of the present application.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the (110) orientation of the system 2 perovskite in the strategy of a quasi-dimensional perovskite comprising a plurality of cationic ligands in one embodiment of the present application.
  • FIG. 5 is a graph showing a standardized PL of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using Benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) additive in one embodiment of the present application.
  • BTABr Benzyltrimethylammonium bromide
  • FIG. 6 shows, in one embodiment of the present application, perovskite film not doped under UV lamp (365 nm), perovskite film 0.2 mole doped with BTA, perovskite film 0.4 mole doped with BTA
  • FIG. 7 is a graph showing a standardized PL of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using a benzyltrimethylammonium bromide additive in one embodiment of the present application.
  • perovskite film doped under UV lamp (365 nm)
  • perovskite doped with BTA 1.2 mole doped This is an image showing a film and a perovskite film with 1.4 moles of BTA doped (from bottom to top).
  • FIG. 9 is a graph showing a standardized PL of a quasi-dimensional perovskite-based light emitting device using a phenylethylammonium bromide (PEABr) additive in one embodiment of the present application.
  • PEABr phenylethylammonium bromide
  • perovskite film is not doped under UV lamp (365 nm), perovskite film doped 0.2 molar PEA, perovskite PEA 0.4 molar doped
  • UV lamp 365 nm
  • perovskite film doped 0.2 molar PEA perovskite PEA 0.4 molar doped
  • FIG. 11 is a graph showing UV-vis absorption data of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using a benzyltrimethylammonium bromide additive in one embodiment of the present application.
  • FIG. 12 is a graph showing UV-vis absorption data of a quasi-dimensional perovskite-based light emitting device using a phenylethylammonium bromide additive in one embodiment of the present application.
  • FIG. 13 shows the PL yield of an undoped perovskite film, a perovskite film of 0.4 mole doped PEA, and a perovskite film of 0.8 mole doped PEA, in one embodiment of the present application. It is a graph.
  • FIG. 14 is a quasi-dimensional perovskite using an phenylethylammonium bromide (PEABr) additive, a benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) additive, and an n-hexylammonium bromide (nHABr) additive, respectively, in one embodiment of the present application. It is a graph showing the standardized PL of the base light emitting device (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
  • each of a phenylethylammonium bromide (PEABr) additive, a benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) additive, and a n-hexylammonium bromide (nHABr) additive using a quasi-two-dimensional PEG It is a graph showing the UV-vis absorption data of the lobsky-based light emitting device (% is mol% relative to the content of R 2 NH 3 ).
  • FIG. 16 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using a phenylethylammonium bromide (PEABr) additive in one embodiment of the present application (% is R 2 NH 3 Mole content relative to).
  • PEABr phenylethylammonium bromide
  • nHABr n-hexylammonium bromide
  • FIG. 19 shows the results of Transient absorption (TA) spectroscopy analysis of a quasi-two-dimensional perovskite based light emitting device using a phenylethylammonium bromide (PEABr) additive in one embodiment of the present application: a,e. 0% PEA((nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 ); b,f. 10% PEA((PEA) 0.2 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.2 ); c,g. 30% PEA ((PEA) 0.6 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.6 ); d,h. 50% PEA((PEA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ) (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
  • PEABr phenylethylammonium bromide
  • FIG. 20 shows the results of Transient absorption (TA) spectroscopy analysis of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using a benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) additive in one embodiment of the present application: a. 0% PEA((nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 ); b. 10% BTA ((BTA) 0.2 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.2 ); c. 30% BTA ((BTA) 0.6 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.6 ); d. 50% BTA ((BTA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ) (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
  • TA Transient absorption
  • FIG. 21 shows the results of Transient absorption (TA) spectroscopy analysis of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using an n-hexylammonium bromide (nHABr) additive, in one embodiment of the present application: a. 0% nHA((nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 ), b. 10% nHA((nHA) 0.2 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.2 ), c. 30% nHA((nHA) 0.6 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.6 ), d. 50% nHA ((nHA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ) (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
  • TA Transient absorption
  • step of or “step of” as used in the present specification does not mean “step for”.
  • the term “combination(s)” included in the expression of the marki form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the marki form, It means to include one or more selected from the group consisting of the above components.
  • alkali metal is an element belonging to Group 1 of the periodic table and includes lithium (Li), sodium (Na), potassium (K) or rubidium (Rb).
  • a first aspect of the present application provides a light emitting device comprising a quasi-2 dimensional perovskite film comprising a quasi-2 dimensional perovskite unit cell represented by Formula 1 below:
  • a and B each independently contain an organoammonium or alkali metal ion
  • R 1 includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms
  • M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
  • X contains halide anions
  • n is an integer of 2 or more
  • is the doping content of the A cation, where 0 ⁇ 1.5.
  • the quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 may include a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 2:
  • C includes an aryl-alkyl group or a linear alkyl group having 1 to 10 carbon atoms
  • R 1 and R 2 each independently includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms
  • R 3 includes H or a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms
  • M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
  • X contains halide anions
  • n is an integer of 2 or more
  • is the doping content of the (CNR 3 3 ) cation, where 0 ⁇ 1.5.
  • the luminous efficiency of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled by adjusting the doping content ⁇ of the A cation.
  • the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled from 460 nm to 500 nm by adjusting the doping content ⁇ of the A cation. More specifically, by controlling the doping content ⁇ of the A cation, the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell is controlled from 480 nm to 500 nm, which may indicate blue emission.
  • the light emitting device including the quasi-two-dimensional perovskite is an aromatic alkylammonium cationic ligand or an aliphatic alkylammonium cationic ligand in a low-dimensional perovskite using an aliphatic alkylammonium cationic ligand,
  • it can be prepared by doping benzylmethylammonium (Benzyltrimethylammonium, BTA), phenylethylammonium (PEA) or n-hexylammonium (HA) cations.
  • the light-emitting device including the quasi-two-dimensional perovskite controls the perovskite crystal structure through mixing of the three different types of organic ammonium cation ligands, through which The properties of the blue light-emitting body can be controlled.
  • a cation for example, benzylmethylammonium (Benzyltrimethylammonium, BTA), phenylethylammonium (Phenylethylammonium, PEA) or n-hexylammonium (HA) cation to control the crystal structure of the perovskite by controlling the amount of doping, thereby controlling the properties of the quasi-two-dimensional perovskite-based light emitting device It is possible to control, adjust its emission wavelength to the blue wavelength and maximize the emission efficiency.
  • CNR 3 3 cation for example, benzylmethylammonium (Benzyltrimethylammonium, BTA), phenylethylammonium (Phenylethylammonium, PEA) or n-hexylammonium (HA) cation to control the crystal structure of the perovskite by controlling the amount of doping, thereby controlling the properties of the quasi-two-dimensional perovskite-based light emitting device It is possible
  • benzylmethylammonium (BTA), phenylethylammonium (PEA), or n-hexylammonium (HA) cation is introduced into the structure as an additive.
  • a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 can be manufactured, and when manufactured, a light emitting device can be adjusted to a blue wavelength and maximize the luminous efficiency.
  • the light emitting device represents the system 2.
  • the quasi-two-dimensional perovskite through the system 1 is a model in which two types of spacers are mixed within a total of 2 moles by replacing the nPA spacer with BTA, and when its PL is measured, wavelength shift is not found (Fig. 3a).
  • System 2 showing a light emitting device according to one embodiment of the present application is a model in which three spacers having different chemical properties are added in a total amount of more than 2 moles, and a quasi-two-dimensional BTA spacer has nPA as a basic configuration.
  • nPA the emission wavelength shifts to a short wavelength in proportion to the introduced amount
  • the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may exhibit blue light emission and have (110) orientation.
  • it may be to induce blue-shift (PL) of the photoluminescence (PL) emission peak wavelength of the light emitting device by controlling the content of the A cation (CNR 3 3 cation).
  • PL blue-shift
  • the quasi-two-dimensional perovskite unit cell has (110) orientation, it is advantageous to exhibit blue light emission, and the crystallinity inside the thin film increases, so that it is aligned in the vertical orientation, so that the recombination of excitons is advantageous.
  • the degree of charge transfer through the quasi-two-dimensional perovskite is excellent.
  • the A cation may include one or more selected from benzyltrimethylammonium, phenylethylammonium and n-hexylammonium, but is not limited thereto.
  • C is a phenyl-C 1-6 alkyl group
  • R 1 is a C 1-6 alkyl group
  • R 2 is a C 1-6 alkyl group
  • M is Pb 2+
  • the X is an iodine anion
  • the n is an integer of 2 or 3
  • the ⁇ may be 0.6 to 1.
  • a luminous efficiency of about 88% can be obtained at 485 nm.
  • the prior art increases the luminous efficiency by adding Cs to the A-position cation site of the perovskite, and induced blue-shift of the PL emission peak wavelength, according to an embodiment of the present application.
  • the light emitting device obtains a luminous efficiency of 62.5% at 480 nm without adding Cs by adding at least one selected from benzyltrimethylammonium, phenylethylammonium and n-hexylammonium to the A-position cation site, and at the same time the peak emission wavelength of PL emission. Blue-shift can be induced.
  • the light-emitting device may exhibit a high value of about 93% at 497 nm, about 88% at 485 nm, PLQY by additionally introducing cations such as Cs Can be further increased.
  • the total number of moles of the three types of organic ammonium cations included in the quasi-dimensional perovskite unit cell is greater than n+1, for example, the benzylmethylammonium (Benzyltrimethylammonium, BTA), phenylethylammonium (Phenylethylammonium, PEA) or n-hexylammonium (n-hexylammonium, HA) cation, such as the doping amount of the organic ammonium cation is greater than ⁇ , the number of moles of the three alkylammonium cations is (n + 1)+ ⁇ .
  • BTA benzylmethylammonium
  • PEA phenylethylammonium
  • n-hexylammonium n-hexylammonium
  • the number of moles of halide X included in the quasi-dimensional perovskite unit cell is benzylmethylammonium (BTA), phenylethylammonium (PEA) or n-hexylammonium (n-) at 3n+1.
  • BTA benzylmethylammonium
  • PEA phenylethylammonium
  • n- n-hexylammonium
  • Hexylammonium, HA Hexylammonium
  • the doping amount of an organic ammonium cation, such as cation, can be as large as 3 n+1+ ⁇ .
  • the light emitting device may have an emission wavelength of about 460 nm to about 500 nm, but is not limited thereto. More specifically, the emission wavelength can be adjusted from about 480 nm to about 500 nm.
  • the second aspect of the present application is to mix a compound of MX 2 , R 1 NH 3 X and BX in a solvent, and add a compound of AX to the mixture to give a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Formula 1 below. It provides a method of manufacturing a light emitting device, comprising manufacturing:
  • a and B each independently contain an organoammonium or alkali metal ion
  • R 1 includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms
  • M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
  • X contains halide anions
  • n is an integer of 2 or more
  • is the doping content of the A cation, where 0 ⁇ 1.5.
  • the quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 may include a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 2:
  • C includes an aryl-alkyl group or a linear alkyl group having 1 to 10 carbon atoms
  • R 1 and R 2 each independently includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms
  • R 3 includes H or a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms
  • M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
  • X contains halide anions
  • n is an integer of 2 or more
  • is the doping content of the (CNR 3 3 ) cation, where 0 ⁇ 1.5.
  • a method of manufacturing a light emitting device may further include manufacturing a quasi-two-dimensional perovskite film by coating the quasi-two-dimensional perovskite unit cell on a base material. .
  • the luminous efficiency of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled by adjusting the doping content ⁇ of the A cation.
  • the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled from 460 nm to 500 nm by adjusting the doping amount ⁇ of the A cation. More specifically, the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled from 480 nm to 500 nm by adjusting the doping amount ⁇ of the A cation.
  • an easy process, low cost, and efficient fabrication of a perovskite-based blue light emitting device based on a solution process are possible, and the total amount of the three different organic ammonium mixture ligands and their relative By controlling the amount, it is possible to derive a perovskite crystal structure that has not been previously reported, thereby improving the blue light emission phenomenon.
  • the synthetic yield of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be about 100%.
  • the structure of the derived crystal can be predicted by DFT experiment, and the correlation between the crystal structure and luminescence properties can be systematically identified.
  • a third aspect of the present application provides a blue light emitting diode, comprising the light emitting device according to the first aspect.
  • contents that may be common to each other may be applied to all of the first side, second side, and third side even if the description is omitted.
  • DMSO dimethylsulfoxide
  • PbBr 2 methylammonium bromide
  • MABr methylammonium bromide
  • nPApropylr bromide, nPABr 3 Dissolve in a molar ratio of 2:2 and alkylammonium additives such as phenylethylammonium bromide (PEABr), benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) or n-hexylammonium bromide (nHABr) bromide additives) were added in molar ratios of 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, and 1.4. Then, the precursor solution was stirred for 30 minutes at room temperature.
  • PEABr phenylethylammonium bromide
  • BTABr benzyltrimethylammonium bromide
  • nHABr n-hexylammonium bromide
  • nPA 2 MA 2 Pb 3 Br 10
  • the amount of PEABr, BTABr, and nHABr is added to the low-dimensional perovskite luminous material, respectively, as an additive, the amount is increased from 507 nm to 455 nm. Up to about 5 nm, the PL emission peak wavelength was blue-shifted (Fig. 2, Fig. 6, and Fig. 14).
  • Table 1 shows the PLQY of the quasi-two-dimensional perovskite film doped with BTABr, and the quasi-two-dimensional perovskite film doped with PEABr.
  • BTABr doped quasi-two-dimensional perovskite film, and PEABr doped quasi-two-dimensional perovskite film are both shifted to the blue wavelength compared to the case where the doping (green wavelength) I could confirm that.
  • BTABr 1 doped quasi-dimensional perovskite film in BTABr 1 mole doped photoluminescence quantum efficiency is maintained similar to the case where the doped BTABr 1 molar doping is excellent in being used as the most blue emitter I could confirm.
  • PEABr-doped quasi-two-dimensional perovskite films can be confirmed that the overall light emission quantum efficiency is excellent, in particular, 0.4 mol and 0.8 mol of PEABr was found to have the best light emission quantum efficiency effect ( Values of 0.6 molar doping have errors).
  • PEA PEA 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11
  • photoluminescence quantum efficiency 62.5% was obtained at an excitation wavelength of 480 nm.
  • Table 2 shows the PL Full-width at Half maximum (PL FWHM) of the quasi-two-dimensional perovskite film doped with BTABr, and the quasi-two-dimensional perovskite film doped with PEABr. (color purity) can be confirmed.
  • the PL FWHM difference is shown to be very small compared to the case where BTABr doped quasi-two-dimensional perovskite film, and PEABr doped quasi-two-dimensional perovskite film were both not doped, both films It was confirmed that it has excellent color purity.
  • PEABr doped into a low-dimensional perovskite emitter having a molecular formula is increased from 0.6 mol, which is 30 mol%, to the crystallinity inside the thin film, and is perpendicular to the substrate. It can be confirmed that it is aligned, and it can be seen that the most vertical alignment is performed well at 1 mole, which is 50 mol%. However, if PEABr is added very much, it is important to adjust the content appropriately since the amorphization proceeds.
  • nPA molecular formula of (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10
  • 17C when 1.0 mole of PEABr 50% was doped, it was confirmed that the crystallinity of the (110) orientation was increased inside the thin film, and the orientation was well achieved up to the lower limit of 0.6 moles and the upper limit of 1.4 moles based on 1 mole. can confirm.
  • GIWAXS Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering
  • n-HABr pinholes were formed on the surface of the thin film due to high crystallinity due to the increase in crystallinity due to the interaction between long chain chain molecules (Fig. 18c), when PEABr was additionally introduced, A uniform thin film without pinholes was formed (Fig. 18A).

Abstract

The present specification relates to a low-dimensional perovskite-based blue light-emitting device using spacer additive introduction, and a method for manufacturing the blue light-emitting device.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 08.01.2020] 페로브스카이트 기반 청색 발광 디바이스 및 이의 제조 방법[Correction 08.01.2020 according to Rule 26]  Perovskite-based blue light emitting device and manufacturing method thereof
본원은, 스페이서 첨가제(spacer additive) 도입을 통해 제조되는 저차원 페로브스카이트 기반 청색 발광 디바이스, 및 상기 청색 발광 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.The present application relates to a low-dimensional perovskite-based blue light emitting device manufactured through introduction of a spacer additive, and a method of manufacturing the blue light emitting device.
하이브리드 할로겐화물 페로브스카이트 기반의 태양전지는 등장한지 수년 만에 20%(실험실 내)가 넘는 PCE(변환 효율)를 보였고 최근 중국과학원(CAS)에서 2018년 7월 기준 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory) 공인 최고 효율인 23.3%를 달성하였다. 이러한 태양전지의 성공은 페로브스카이트 재료의 유례없이 높은 흡광도 등의 특성 및 저렴한 용액 가공성 등에 기인한다. 또한, 이들 재료 대부분의 특성은 발광다이오드(LED)에도 적합하므로 페로브스카이트 LED(PeLED)의 성공 가능성이 예고되었다.Hybrid halide perovskite-based solar cells showed conversion efficiency (PCE) of more than 20% (in laboratory) in the years following their appearance, and as of July 2018 at the Chinese Academy of Sciences (CAS), the United States National Renewable Energy (NREL) Laboratory) Achieved the highest certified efficiency of 23.3%. The success of these solar cells is due to the unprecedented high absorbance characteristics of the perovskite material and the inexpensive solution processability. In addition, the properties of most of these materials are also suitable for light emitting diodes (LEDs), so the possibility of success of perovskite LEDs (PeLEDs) has been predicted.
페로브스카이트 태양 전지는 이들의 우수한 전하 캐리어 이동도 및 깊은 트랩 상태들의 낮은 밀도에서 기인한 것이다. 또한, 페로브스카이트는 광범위한 색채 조절가능성을 포함하는 뛰어난 광학적 물성들을 나타내며, 이는 이를 발광 응용들에 매우 적합하도록 한다. 실제로, 벌크 및 양자점 페로브스카이트는 인상적인 광 펌핑 레이저들 및 발광 다이오드들에서 주된 요소가 되어 왔다.Perovskite solar cells are due to their excellent charge carrier mobility and low density of deep trap states. In addition, perovskite exhibits excellent optical properties, including a wide range of color controllability, making it very suitable for luminescent applications. Indeed, bulk and quantum dot perovskites have been a major component in impressive light pumping lasers and light emitting diodes.
구체적으로, 유기-무기 금속 할라이드 페로브스카이트의 급속한 발전은 차세대 박막 광전자 공학의 획기적인 발전을 의미한다. 특히, 메틸암모늄 (MA, CH3NH3) 요오드화 납 (MAPbI3) 페로브스카이트는 적절한 밴드 갭 에너지, 큰 흡수 계수 및 장거리 양극성 광캐리어 (photocarrier) 확산을 보유한다. 여러 연구 그룹의 노력에 의하여 페로브스카이트 태양 전지의 인증된 전력 변환 효율 (PCE)이 23.3%로 향상되었다. 그러나, 이러한 페로브스카이트 재료는 주변 작동 조건 하에서 장기 안정성이 부족하여, 이러한 페로브스카이트를 이용한 태양 전지 등 디바이스 안정성 향상이 요구된다.Specifically, the rapid development of the organic-inorganic metal halide perovskite means a breakthrough in the next generation thin film optoelectronics. In particular, methylammonium (MA, CH 3 NH 3 ) lead iodide (MAPbI 3 ) perovskite possesses adequate band gap energy, large absorption coefficient and long-distance bipolar photocarrier diffusion. The efforts of several research groups have improved the certified power conversion efficiency (PCE) of perovskite solar cells to 23.3%. However, such a perovskite material lacks long-term stability under ambient operating conditions, and thus, device stability improvement, such as a solar cell using the perovskite, is required.
한편, 이러한 기존의 3차원 구조 하이브리드 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하고 전하 운반능력이 뛰어나 전기적 성질이 우수한 반면 형광효율이 낮다. 이러한 특징으로 인하여 최근 페로브스카이트 태양전지에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있는 반면 LED 응용에 관련된 연구결과 들은 많이 보고가 되지 않았다. 하지만 페로브스카이트 LED는 일반 LED와 OLED에 사용되는 소재보다 저렴하고, 높은 색순도를 가지고 있어 현재 많은 연구가 진행 중이다. 이에, 페로브스카이트를 제어하여 LED에 적용한 최초의 연구를 보고한 것으로 향후 전자, 의료, 통신기기 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.On the other hand, such a conventional three-dimensional hybrid hybrid perovskite absorbs light well and has excellent charge carrying ability, so it has excellent electrical properties and low fluorescence efficiency. Due to these characteristics, studies related to perovskite solar cells have been actively conducted, but research results related to LED applications have not been reported. However, perovskite LEDs are cheaper than materials used in general LEDs and OLEDs, and have high color purity, so much research is currently underway. Accordingly, it is reported that the first study applied to LED by controlling perovskite is expected to be applicable to various fields such as electronics, medical, and communication devices.
유기금속 할라이드 페로브스카이트 류는, 거대한 벌크 결정 도메인 사이즈, 희귀 트랩들, 우수한 이동도, 및 실온에서 자유로운 캐리어 (carrier)들을 나타낸다. 이와 같은 물성들은 전하-분리 디바이스들에서의 유기금속 할라이드 페로브스카이트의 우수한 성능을 뒷받침하는 것이다. 발광 다이오드 (LED)와 같이, 전자들 및 정공 (hole)들의 순방향 (forward) 주입에 의존적인 디바이스들에서, 우수한 이동도는 희귀 비방사 중심 (nonradiative centre)들에 의한 비평형 전하 캐리어들의 효율적인 포획에 기여한다. 또한, 결합된 엑시톤 (bound exciton)들의 결여는 의도된 방사 재결합의 의도되지 않은 비방사 재결합에 대한 경쟁을 약화시킨다.Organometal halide perovskite species exhibit huge bulk crystal domain sizes, rare traps, good mobility, and free carriers at room temperature. These properties support the excellent performance of organometal halide perovskites in charge-separation devices. In devices that rely on forward injection of electrons and holes, such as light emitting diodes (LEDs), good mobility effectively captures non-equilibrium charge carriers by rare nonradiative centers. Contribute to In addition, the lack of bound excitons undermines competition for unintended non-radiative recombination of the intended radiation recombination.
CH3NH3PbI3 페로브스카이트에서 엑시톤들이 낮은 결합 에너지 (9 meV 내지 60 meV)를 가지기 때문에 [Yang, Y. et al. Observation of a hot-phonon bottleneck in lead-iodide perovskites. Nat. Photon. 10, 53-59 (2016)], 실온에서 전하 캐리어들은 결합된 엑시톤들을 형성하는 대신 자유롭다. 따라서, CH3NH3PbI3 페로브스카이트의 광 루미네선스 양자 수율(PLQY)은 여기 강도에 의존적이며, 방사 2분자성 재결합이 우세한 높은 여기 광자 플루엔스(fluence)에서 더 높은 값에 도달된다. 트랩-중재된 비방사 재결합은 약한 여기 하에서 우세하며, 이는 상대적으로 낮은 PLQY의 결과를 초래한다.Since excitons in CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite have low binding energy (9 meV to 60 meV) [Yang, Y. et al. Observation of a hot-phonon bottleneck in lead-iodide perovskites. Nat. Photon. 10, 53-59 (2016)], at room temperature charge carriers are free instead of forming bound excitons. Thus, the photoluminescence quantum yield (PLQY) of CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite is dependent on the excitation intensity, reaching a higher value at high excitation photon fluences predominantly radiative bimolecular recombination. do. Trap-mediated non-radiative recombination predominates under weak excitation, which results in relatively low PLQY.
본원은, 스페이서 첨가제(spacer additive) 도입을 통해 제조되는 저차원 페로브스카이트 기반 청색 발광 디바이스 및 상기 청색 발광 디바이스의 제조 방법을 제공한다.The present application provides a low-dimensional perovskite-based blue light emitting device manufactured through introduction of a spacer additive and a method of manufacturing the blue light emitting device.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present application are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 포함하는 준-2 차원 페로브스카이트 필름을 포함하는, 발광 디바이스를 제공한다.A first aspect of the present application provides a light emitting device comprising a quasi-two-dimensional perovskite film comprising a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Formula 1 below.
본원의 제 2 측면은, 용매에 MX2, R1NH3X 및 BX의 화합물을 혼합하고, 상기 혼합물에 AX의 화합물를 첨가하여 하기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 제조하는 것을 포함하는, 발광 디바이스의 제조 방법을 제공한다:In the second aspect of the present application, a compound of MX 2 , R 1 NH 3 X and BX is mixed in a solvent, and a compound of AX is added to the mixture to form a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 below. Provided is a method of manufacturing a light emitting device, including manufacturing:
[화학식 1][Formula 1]
AαB2(R1NH3)n-1MnX3n+1+α;A α B 2 (R 1 NH 3 ) n-1 M n X 3n+1+α ;
상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,
A 및 B는 각각 독립적으로 유기암모늄 또는 알칼리 금속 이온을 포함하고, R1은 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고, M은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하고, X는 할라이드 음이온을 포함하고, n은 2 이상의 정수이고, α는 A 양이온의 도핑 함량으로서, 0<α≤1.5임.A and B each independently contain an organoammonium or alkali metal ion, R 1 contains a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2 + , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , and metal cations selected from the group consisting of , X includes halide anions, n is an integer of 2 or more, and α is the doping content of the A cation, where 0<α≤1.5.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 발광 디바이스를 포함하는, 청색 발광 다이오드를 제공한다.A third aspect of the present application provides a blue light emitting diode, comprising the light emitting device according to the first aspect.
본원의 구현예들에 따르면, A 양이온의 도핑(서로 다른 3 종류의 유기암모늄 양이온 리간드의 혼합)의 조절을 통해 페로브스카이트의 결정 구조를 제어하고, 이를 통해 저차원 페로브스카이트 기반 청색 발광 디바이스의 물성을 제어할 수 있다. 특히, 본원의 구현예들에 따르면, 서로 다른 3 종류의 유기암모늄 양이온 리간드의 혼합 시 방향족 알킬 암모늄 양이온의 도핑 양을 조절함으로써 상기 저차원 페로브스카이트 기반 청색 발광 디바이스의 물성을 제어하고 발광 효율을 조절하여 극대화 할 수 있다.According to the embodiments herein, the crystal structure of the perovskite is controlled by controlling the doping of the A cation (mixing of three different types of organic ammonium cation ligands), through which the low-dimensional perovskite-based blue color is controlled. It is possible to control the properties of the light emitting device. In particular, according to the embodiments of the present application, by controlling the doping amount of an aromatic alkyl ammonium cation when mixing three different types of organic ammonium cation ligands, the physical properties of the low-dimensional perovskite-based blue light emitting device are controlled and luminous efficiency You can maximize it by adjusting.
본원의 일 구현예들에 따르면, 용액 공정을 바탕으로 하여 손쉬운 공정, 저비용, 및 효율적인 소자 제작이 가능하며, 혼합물 리간드의 총량 및 상대적인 양을 제어하여 저차원 페로브스카이트 기반 청색 발광체의 종래 보고되지 않은 결정 구조를 도출하고, 향상된 청색 발광 현상을 도출할 수 있다.According to one embodiment of the present application, an easy process, low cost, and efficient device fabrication are possible based on a solution process, and a conventional report of a low-dimensional perovskite-based blue light emitter by controlling a total amount and a relative amount of a mixture ligand It is possible to derive an uncrystallized crystal structure and an improved blue light emission phenomenon.
본원의 구현예들에 따르면, 층간 삽입 절연체 리간드의 상대적인 양을 제어함으로써 결정 구조 다변화를 모색할 수 있으며, 도출된 결정의 구조를 DFT 실험으로써 예측하고 결정 구조와 발광 특성 간의 상관 관계를 체계적으로 규명할 수 있다.According to the embodiments of the present application, it is possible to seek a crystal structure diversification by controlling the relative amount of the intercalating insulator ligand, and predict the structure of the resulting crystal by DFT experiments and systematically identify the correlation between the crystal structure and luminescence properties can do.
본원의 구현예들에 따르면, 준-2 차원 페로브스카이트의 층수 (n 값)을 조절하지 않고, 부피가 큰 절연체 알킬 암모늄 양이온 (예를 들어, 방향족 알킬 암모늄 양이온)을 도입하고 그의 도핑 양을 조절함으로써, 저차원 페로브스카이트 기반 청색 발광 디바이스의 발광 파장대를 약 480 nm에서 500 nm까지로 제어할 수 있다.According to embodiments herein, a bulky insulator alkyl ammonium cation (e.g., aromatic alkyl ammonium cation) is introduced and its doping amount without adjusting the number of layers of the quasi-2 dimensional perovskite (n value) By adjusting the, the emission wavelength band of the low-dimensional perovskite-based blue light emitting device can be controlled from about 480 nm to 500 nm.
도 1은, 본원의 일 실시예에 있어서, 준-2차원 페로브스카이트 단위 셀을 나타내는 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a quasi-two-dimensional perovskite unit cell in one embodiment of the present application.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 복수 개의 양이온 리간드를 포함하는 준-2차원 페로브스카이트의 전략을 나타내는 개략도이다.2 is a schematic diagram showing a strategy of a quasi-two-dimensional perovskite comprising a plurality of cationic ligands in one embodiment of the present application.
도 3a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 복수 개의 양이온 리간드를 포함하는 준-2차원 페로브스카이트의 전략 중 시스템 1 페로브스카이트의 화학식 및 이의 PL을 나타내는 그래프이다.3A is a graph showing the chemical formula of system 1 perovskite and PL thereof in a strategy of a quasi-dimensional perovskite including a plurality of cationic ligands in one embodiment of the present application.
도 3b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 복수 개의 양이온 리간드를 포함하는 준-2차원 페로브스카이트의 전략 중 시스템 1 페로브스카이트의 (100) 배향을 나타내는 모식도이다.3B is a schematic diagram showing the (100) orientation of system 1 perovskite in the strategy of a quasi-dimensional perovskite comprising a plurality of cationic ligands in one embodiment of the present application.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 복수 개의 양이온 리간드를 포함하는 준-2차원 페로브스카이트의 전략 중 시스템 2 페로브스카이트의 (110) 배향을 나타내는 모식도이다.4 is a schematic diagram showing the (110) orientation of the system 2 perovskite in the strategy of a quasi-dimensional perovskite comprising a plurality of cationic ligands in one embodiment of the present application.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 벤질트리메틸암모늄 브로마이드(Benzyltrimethylammonium bromide, BTABr) 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 표준화된 PL을 나타낸 그래프이다. FIG. 5 is a graph showing a standardized PL of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using Benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) additive in one embodiment of the present application.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, UV 램프(365 nm) 하에서 도핑되지 않은 페로브스카이트 필름, BTA가 0.2 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, BTA가 0.4 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, BTA가 0.6 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, BTA가 0.8 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, 및 BTA가 1.0 몰 도핑된 페로브스카이트 필름을 나타낸 이미지이다(아래에서 위쪽으로).FIG. 6 shows, in one embodiment of the present application, perovskite film not doped under UV lamp (365 nm), perovskite film 0.2 mole doped with BTA, perovskite film 0.4 mole doped with BTA This is an image showing a film, a perovskite film with 0.6 mole doped BTA, a perovskite film with 0.8 mole doped BTA, and a perovskite film with 1.0 mole doped BTA (from bottom to top).
도 7는, 본원의 일 실시예에 있어서, 벤질트리메틸암모늄 브로마이드 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 표준화된 PL을 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing a standardized PL of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using a benzyltrimethylammonium bromide additive in one embodiment of the present application.
도 8는, 본원의 일 실시예에 있어서, UV 램프(365 nm) 하에서 도핑되지 않은 페로브스카이트 필름, BTA가 1.0 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, BTA가 1.2 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, 및 BTA가 1.4 몰 도핑된 페로브스카이트 필름을 나타낸 이미지이다(아래에서 위쪽으로).8 is, in one embodiment of the present application, a perovskite film doped under UV lamp (365 nm), perovskite film doped with BTA 1.0 mole doped, perovskite doped with BTA 1.2 mole doped This is an image showing a film and a perovskite film with 1.4 moles of BTA doped (from bottom to top).
도 9은, 본원의 일 실시예에 있어서, 페닐에틸암모늄 브로마이드(Phenylethylammonium bromide, PEABr) 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 표준화된 PL을 나타낸 그래프이다. 9 is a graph showing a standardized PL of a quasi-dimensional perovskite-based light emitting device using a phenylethylammonium bromide (PEABr) additive in one embodiment of the present application.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, UV 램프(365 nm) 하에서 도핑되지 않은 페로브스카이트 필름, PEA가 0.2 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, PEA가 0.4 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, PEA가 0.6 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, PEA가 0.8 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, 및 PEA가 1.0 몰 도핑된 페로브스카이트 필름을 나타낸 이미지이다(아래에서 위쪽으로).10 is, in one embodiment of the present application, perovskite film is not doped under UV lamp (365 nm), perovskite film doped 0.2 molar PEA, perovskite PEA 0.4 molar doped This is an image showing a film, a perovskite film with 0.6 mole doped PEA, a perovskite film with 0.8 mole doped PEA, and a perovskite film with 1.0 mole doped PEA (from bottom to top).
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, 벤질트리메틸암모늄 브로마이드 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 UV-vis 흡수 데이터를 나타낸 그래프이다. FIG. 11 is a graph showing UV-vis absorption data of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using a benzyltrimethylammonium bromide additive in one embodiment of the present application.
도 12는, 본원의 일 실시예에 있어서, 페닐에틸암모늄 브로마이드 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 UV-vis 흡수 데이터를 나타낸 그래프이다. 12 is a graph showing UV-vis absorption data of a quasi-dimensional perovskite-based light emitting device using a phenylethylammonium bromide additive in one embodiment of the present application.
도 13은, 본원의 일 실시예에 있어서, 도핑되지 않은 페로브스카이트 필름, PEA가 0.4 몰 도핑된 페로브스카이트 필름, 및 PEA가 0.8 몰 도핑된 페로브스카이트 필름의 PL 수율을 나타낸 그래프이다.FIG. 13 shows the PL yield of an undoped perovskite film, a perovskite film of 0.4 mole doped PEA, and a perovskite film of 0.8 mole doped PEA, in one embodiment of the present application. It is a graph.
도 14는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 페닐에틸암모늄 브로마이드(PEABr) 첨가제, 벤질트리메틸암모늄 브로마이드(BTABr) 첨가제, n-헥실암모늄 브로마이드(nHABr) 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 표준화된 PL을 나타낸 그래프이다 (%는 R2NH3의 함량에 대한 몰%임).FIG. 14 is a quasi-dimensional perovskite using an phenylethylammonium bromide (PEABr) additive, a benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) additive, and an n-hexylammonium bromide (nHABr) additive, respectively, in one embodiment of the present application. It is a graph showing the standardized PL of the base light emitting device (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
도 15a 내지 도 15c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 페닐에틸암모늄 브로마이드(PEABr) 첨가제, 벤질트리메틸암모늄 브로마이드(BTABr) 첨가제, n-헥실암모늄 브로마이드(nHABr) 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 UV-vis 흡수 데이터를 나타낸 그래프이다 (%는 R2NH3의 함량에 대한 몰%임).15A to 15C, in one embodiment of the present application, each of a phenylethylammonium bromide (PEABr) additive, a benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) additive, and a n-hexylammonium bromide (nHABr) additive using a quasi-two-dimensional PEG It is a graph showing the UV-vis absorption data of the lobsky-based light emitting device (% is mol% relative to the content of R 2 NH 3 ).
도 16은, 본원의 일 실시예에 있어서, 페닐에틸암모늄 브로마이드(PEABr) 첨가제 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 X-ray diffraction 분석 결과를 나타내는 그래프이다(%는 R2NH3의 함량에 대한 몰%임).FIG. 16 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using a phenylethylammonium bromide (PEABr) additive in one embodiment of the present application (% is R 2 NH 3 Mole content relative to).
도 17a 내지 도 17e는, 본원의 일 실시예에 있어서, 페닐에틸암모늄 브로마이드(PEABr) 첨가제 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering(GIWAXS) 분석를 나타내는 그래프이다: a. 0% PEA; b. 10% PEA; c. 30% PEA; d. 50% PEA; e. 70% PEA (%는 R2NH3의 함량에 대한 몰%임).17A-17E, Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) analysis of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using a phenylethylammonium bromide (PEABr) additive in one embodiment of the present application. This is a graph that shows: a. 0% PEA; b. 10% PEA; c. 30% PEA; d. 50% PEA; e. 70% PEA (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
도 18은, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 페닐에틸암모늄 브로마이드(PEABr) 첨가제, 벤질트리메틸암모늄 브로마이드(BTABr) 첨가제, n-헥실암모늄 브로마이드(nHABr) 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 모폴로지를 나타내는 SEM 사진이다: a. 50% PEA((PEA)1(nPA)2MA2Pb3Br11); b. 50% BTA((BTA)1(nPA)2MA2Pb3Br11); c. 50% nHA((nHA)1(nPA)2MA2Pb3Br11) (%는 R2NH3의 함량에 대한 몰%임).18 is a quasi-two-dimensional perovskite using phenylethylammonium bromide (PEABr) additive, benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) additive, and n-hexylammonium bromide (nHABr) additive, respectively, in one embodiment of the present application. SEM photograph showing the morphology of the base light emitting device: a. 50% PEA((PEA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ); b. 50% BTA((BTA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ); c. 50% nHA ((nHA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ) (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
도 19는, 본원의 일 실시예에 있어서, 페닐에틸암모늄 브로마이드(PEABr) 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 Transient absorption (TA) 분광법 분석 결과를 나타내는 것이다: a,e. 0% PEA((nPA)2MA2Pb3Br10); b,f. 10% PEA((PEA)0.2(nPA)2MA2Pb3Br10.2); c,g. 30% PEA((PEA)0.6(nPA)2MA2Pb3Br10.6); d,h. 50% PEA((PEA)1(nPA)2MA2Pb3Br11) (%는 R2NH3의 함량에 대한 몰%임).FIG. 19 shows the results of Transient absorption (TA) spectroscopy analysis of a quasi-two-dimensional perovskite based light emitting device using a phenylethylammonium bromide (PEABr) additive in one embodiment of the present application: a,e. 0% PEA((nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 ); b,f. 10% PEA((PEA) 0.2 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.2 ); c,g. 30% PEA ((PEA) 0.6 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.6 ); d,h. 50% PEA((PEA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ) (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
도 20은, 본원의 일 실시예에 있어서, 벤질트리메틸암모늄 브로마이드(BTABr) 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 Transient absorption (TA) 분광법 분석 결과를 나타내는 것이다: a. 0% PEA((nPA)2MA2Pb3Br10); b. 10% BTA((BTA)0.2(nPA)2MA2Pb3Br10.2); c. 30% BTA((BTA)0.6(nPA)2MA2Pb3Br10.6); d. 50% BTA((BTA)1(nPA)2MA2Pb3Br11) (%는 R2NH3의 함량에 대한 몰%임).FIG. 20 shows the results of Transient absorption (TA) spectroscopy analysis of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using a benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) additive in one embodiment of the present application: a. 0% PEA((nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 ); b. 10% BTA ((BTA) 0.2 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.2 ); c. 30% BTA ((BTA) 0.6 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.6 ); d. 50% BTA ((BTA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ) (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
도 21은, 본원의 일 실시예에 있어서, n-헥실암모늄 브로마이드(nHABr) 첨가제를 사용한 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 Transient absorption (TA) 분광법 분석 결과를 나타내는 것이다: a. 0% nHA((nPA)2MA2Pb3Br10), b. 10% nHA((nHA)0.2(nPA)2MA2Pb3Br10.2), c. 30% nHA((nHA)0.6(nPA)2MA2Pb3Br10.6), d. 50% nHA((nHA)1(nPA)2MA2Pb3Br11) (%는 R2NH3의 함량에 대한 몰%임).FIG. 21 shows the results of Transient absorption (TA) spectroscopy analysis of a quasi-dimensional perovskite based light emitting device using an n-hexylammonium bromide (nHABr) additive, in one embodiment of the present application: a. 0% nHA((nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 ), b. 10% nHA((nHA) 0.2 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.2 ), c. 30% nHA((nHA) 0.6 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10.6 ), d. 50% nHA ((nHA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ) (% is mole% relative to the content of R 2 NH 3 ).
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 디바이스를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another device in between. do.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when one member is said to be "on" another member, this includes not only the case where one member abuts another member, but also the case where another member exists between the two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the present specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. As used herein, the terms “about”, “substantially”, and the like are used in or near the numerical values when manufacturing and material tolerances unique to the stated meanings are presented, to aid understanding of the present application Hazards are used to prevent unreasonable abuse by unconscionable infringers of the disclosures that are accurate or absolute.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The term "step of" or "step of" as used in the present specification does not mean "step for".
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout the present specification, the term “combination(s)” included in the expression of the marki form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the marki form, It means to include one or more selected from the group consisting of the above components.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.Throughout this specification, the description of “A and/or B” means “A or B, or A and B”.
본원 명세서 전체에서, "알칼리 금속"의 기재는 주기율표의 1족에 속하는 원소로서, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K) 또는 루비듐(Rb)을 포함한다.Throughout the present specification, the description of “alkali metal” is an element belonging to Group 1 of the periodic table and includes lithium (Li), sodium (Na), potassium (K) or rubidium (Rb).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments and examples of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present application is not limited to these embodiments and examples and drawings.
본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 포함하는 준-2 차원 페로브스카이트 필름을 포함하는, 발광 디바이스를 제공한다:A first aspect of the present application provides a light emitting device comprising a quasi-2 dimensional perovskite film comprising a quasi-2 dimensional perovskite unit cell represented by Formula 1 below:
[화학식 1][Formula 1]
AαB2(R1NH3)n-1MnX3n+1+α;A α B 2 (R 1 NH 3 ) n-1 M n X 3n+1+α ;
상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,
A 및 B는 각각 독립적으로 유기암모늄 또는 알칼리 금속 이온을 포함하고,A and B each independently contain an organoammonium or alkali metal ion,
R1은 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 1 includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
M은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하고,M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
X는 할라이드 음이온을 포함하고,X contains halide anions,
n은 2 이상의 정수이고,n is an integer of 2 or more,
α는 A 양이온의 도핑 함량으로서, 0<α≤1.5임.α is the doping content of the A cation, where 0<α≤1.5.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀은 하기 화학식 2로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 포함하는 것일 수 있다:In one embodiment of the present application, the quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 may include a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 2:
[화학식 2][Formula 2]
(CNR3 3)α(R2NH3)2(R1NH3)n-1MnX3n+1+α; (CNR 3 3 ) α (R 2 NH 3 ) 2 (R 1 NH 3 ) n-1 M n X 3n+1+α ;
상기 화학식 2에서,In Chemical Formula 2,
C는 아릴-알킬기 또는 탄소수 1 내지 10의 선형 알킬기를 포함하고,C includes an aryl-alkyl group or a linear alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R1 R2은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 1 and R 2 each independently includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R3은 H 또는 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 3 includes H or a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
M은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하고,M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
X는 할라이드 음이온을 포함하고,X contains halide anions,
n은 2 이상의 정수이고,n is an integer of 2 or more,
α는 (CNR3 3) 양이온의 도핑 함량으로서, 0<α≤1.5임.α is the doping content of the (CNR 3 3 ) cation, where 0<α≤1.5.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 양이온의 도핑 함량 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 효율이 조절되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the luminous efficiency of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled by adjusting the doping content α of the A cation.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 양이온의 도핑 함량 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 파장대가 460 nm에서 500 nm로 제어되는 것일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 A 양이온의 도핑 함량 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 파장대가 480 nm에서 500 nm로 제어되어, 청색 발광을 나타내는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled from 460 nm to 500 nm by adjusting the doping content α of the A cation. More specifically, by controlling the doping content α of the A cation, the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell is controlled from 480 nm to 500 nm, which may indicate blue emission.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 준-2차원 페로브스카이트를 포함하는 발광 디바이스는, 지방족 알킬암모늄 양이온 리간드를 이용한 저차원 페로브스카이트에 방향족 알킬암모늄 양이온 리간드 또는 지방족 알킬암모늄 양이온 리간드, 예를 들어, 벤질메틸암모늄 (Benzyltrimethylammonium, BTA), 페닐에틸암모늄 (Phenylethylammonium, PEA) 또는 n-헥실암모늄(n- hexylammonium, HA) 양이온을 도핑함으로써 제조될 수 있다.In one embodiment of the present application, the light emitting device including the quasi-two-dimensional perovskite is an aromatic alkylammonium cationic ligand or an aliphatic alkylammonium cationic ligand in a low-dimensional perovskite using an aliphatic alkylammonium cationic ligand, For example, it can be prepared by doping benzylmethylammonium (Benzyltrimethylammonium, BTA), phenylethylammonium (PEA) or n-hexylammonium (HA) cations.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 준-2차원 페로브스카이트를 포함하는 발광 디바이스는, 상기 서로 다른 3 종류의 유기암모늄 양이온 리간드의 혼합을 통한 페로브스카이트 결정 구조를 제어하고, 이를 통해 청색 발광체의 물성을 제어할 수 있다. 특히, 본원의 일 구현예에 있어서, 서로 다른 3 종류의 유기암모늄 양이온 리간드의 혼합 시, A 양이온(CNR3 3 양이온), 예를 들어 벤질메틸암모늄 (Benzyltrimethylammonium, BTA), 페닐에틸암모늄 (Phenylethylammonium, PEA) 또는 n-헥실암모늄(n- hexylammonium, HA) 양이온을 도핑 양을 조절함으로써, 상기 페로브스카이트의 결정 구조를 제어하고, 이를 통해 준-2차원 페로브스카이트 기반 발광 디바이스의 물성을 제어하고, 이의 발광 파장을 청색 파장으로 조절하고 발광 효율을 극대화 할 수 있다.In one embodiment of the present application, the light-emitting device including the quasi-two-dimensional perovskite controls the perovskite crystal structure through mixing of the three different types of organic ammonium cation ligands, through which The properties of the blue light-emitting body can be controlled. In particular, in one embodiment of the present application, when mixing three different types of organoammonium cation ligands, A cation (CNR 3 3 cation), for example, benzylmethylammonium (Benzyltrimethylammonium, BTA), phenylethylammonium (Phenylethylammonium, PEA) or n-hexylammonium (HA) cation to control the crystal structure of the perovskite by controlling the amount of doping, thereby controlling the properties of the quasi-two-dimensional perovskite-based light emitting device It is possible to control, adjust its emission wavelength to the blue wavelength and maximize the emission efficiency.
본원의 도 1을 참조하면, 종래 기술의 프로필아민 및 메틸아민을 A-자리 양이온 리간드로 사용한 준-2차원 페로브스카이트는 (nPA)2MA2Pb3Br10 (n=3)으로 나타낼 수 있으며, 본원의 일 구현예에 따른 발광 디바이스는 상기 구조에 벤질메틸암모늄 (Benzyltrimethylammonium, BTA), 페닐에틸암모늄 (Phenylethylammonium, PEA) 또는 n-헥실암모늄(n- hexylammonium, HA) 양이온을 첨가제로 도입함으로써, 상기 화학식 1로써 표시되는 준-2차원 페로브스카이트 단위 셀을 제조할 수 있으며, 이를 통해 발광 디바이스를 제조하면 청색 파장으로 조절되고 발광 효율을 극대화된 효과를 얻을 수 있다.Referring to Figure 1 of the present application, the quasi-two-dimensional perovskite using propylamine and methylamine of the prior art as an A-site cationic ligand may be represented as (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 (n=3). In the light emitting device according to one embodiment of the present application, benzylmethylammonium (BTA), phenylethylammonium (PEA), or n-hexylammonium (HA) cation is introduced into the structure as an additive. , A quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 can be manufactured, and when manufactured, a light emitting device can be adjusted to a blue wavelength and maximize the luminous efficiency.
도 2 내지 5를 참조하면, 준-2차원 페로브스카이트 (nPA)2MA2Pb3Br10 (n=3)에 BTABr의 첨가제를 도핑할 경우, (BTA)x(nPA)2-xMA2Pb3Br10의 시스템 1 또는 (RA+)y(nPA)2MA2Pb3Br10+y의 시스템 2가 될 수 있다. 본원의 일 구현예에 따른 발광 디바이스는 상기 시스템 2를 나타내는 것이다. 상기 시스템 1을 통한 준-2차원 페로브스카이트는 nPA 스페이서를 BTA로 치환한 것으로 총 2 몰 이내에서 두 가지 종류의 스페이서를 혼합한 모델이며, 이의 PL을 측정하면 파장 이동이 발견되지 않는다 (도 3a). 또한 시스템 1의 배향성을 살펴보면 (100) 배향을 나타낸다 (도 3b). 이에 반해, 본원의 일 구현예에 따른 발광 디바이스를 나타내는 시스템 2는, 화학적 성질이 다른 세 가지 스페이서를 총 2 몰을 초과하도록 첨가한 모델이며, BTA 스페이서를 nPA를 기본 구성으로 가지는 준-2차원 페로브스카이트에 추가적으로 도입된 것으로서, 도입된 양에 비례하여 단파장으로 발광 파장이 이동하는 것을 확인할 수 있다 (도 5). 또한, 시스템 2의 배향성을 살펴보면, (110) 배향성을 가지는 것으로서 시스템 1과는 상이하다 (도 4).2 to 5, when doping the additive of BTABr to quasi-two-dimensional perovskite (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 (n=3), (BTA) x (nPA) 2-x It can be system 1 of MA 2 Pb 3 Br 10 or system 2 of (RA + ) y (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10+y . The light emitting device according to the embodiment of the present application represents the system 2. The quasi-two-dimensional perovskite through the system 1 is a model in which two types of spacers are mixed within a total of 2 moles by replacing the nPA spacer with BTA, and when its PL is measured, wavelength shift is not found (Fig. 3a). In addition, when looking at the orientation of System 1, it shows (100) orientation (FIG. 3B). On the other hand, System 2 showing a light emitting device according to one embodiment of the present application is a model in which three spacers having different chemical properties are added in a total amount of more than 2 moles, and a quasi-two-dimensional BTA spacer has nPA as a basic configuration. As additionally introduced into the perovskite, it can be confirmed that the emission wavelength shifts to a short wavelength in proportion to the introduced amount (FIG. 5). In addition, when looking at the orientation of the system 2, it has a (110) orientation and is different from the system 1 (FIG. 4).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀은 청색 발광을 나타내고, (110) 배향성을 가지는 것일 수 있다. 또한, A 양이온(CNR3 3 양이온)의 함량 조절을 통해 상기 발광 디바이스의 PL(Photoluminescence) 방출 피크 파장의 청색-이동(blue-shift)을 유도하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀은 (110) 배향성을 가지므로 청색 발광을 나타내는 데 유리하고, 박막 내부의 결정성이 증가하여 수직배향으로 정렬되어 엑시톤의 방사 재결합이 유리하므로 상기 준-2 차원 페로브스카이트를 통한 전하의 전달도가 우수하다.In one embodiment of the present application, the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may exhibit blue light emission and have (110) orientation. In addition, it may be to induce blue-shift (PL) of the photoluminescence (PL) emission peak wavelength of the light emitting device by controlling the content of the A cation (CNR 3 3 cation). Specifically, since the quasi-two-dimensional perovskite unit cell has (110) orientation, it is advantageous to exhibit blue light emission, and the crystallinity inside the thin film increases, so that it is aligned in the vertical orientation, so that the recombination of excitons is advantageous. The degree of charge transfer through the quasi-two-dimensional perovskite is excellent.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 양이온은 벤질트리메틸암모늄, 페닐에틸암모늄 및 n-헥실암모늄 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.In one embodiment of the present application, the A cation may include one or more selected from benzyltrimethylammonium, phenylethylammonium and n-hexylammonium, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 C는 페닐-C1-6 알킬기이고, 상기 R1은 C1-6 알킬기이고, 상기 R2는 C1-6 알킬기이고, 상기 M은 Pb2+이고, 상기 X는 요오드 음이온이고, 상기 n은 2 또는 3의 정수이고, 상기 α는 0.6 내지 1인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, C is a phenyl-C 1-6 alkyl group, R 1 is a C 1-6 alkyl group, R 2 is a C 1-6 alkyl group, and M is Pb 2+ , The X is an iodine anion, the n is an integer of 2 or 3, and the α may be 0.6 to 1.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트의 A-위치 양이온 자리에 Cs를 첨가하지 않고, 485 nm에서 약 88%의 발광 효율을 얻을 수 있다. 구체적으로, 종래 기술은 페로브스카이트의 A-위치 양이온 자리에Cs를 첨가하여 발광 효율을 높이고, PL 방출 피크 파장의 청색-이동(blue-shift)을 유도하였으나, 본원의 일 구현예에 따른 발광 디바이스는, A-위치 양이온 자리에 벤질트리메틸암모늄, 페닐에틸암모늄 및 n-헥실암모늄 중에서 선택되는 하나 이상을 첨가함으로써 Cs 첨가 없이도 480 nm에서 62.5%의 발광 효율을 얻음과 동시에 PL 방출 피크 파장의 청색-이동(blue-shift)을 유도할 수 있다.In one embodiment of the present application, without adding Cs to the A-position cation site of the perovskite, a luminous efficiency of about 88% can be obtained at 485 nm. Specifically, the prior art increases the luminous efficiency by adding Cs to the A-position cation site of the perovskite, and induced blue-shift of the PL emission peak wavelength, according to an embodiment of the present application. The light emitting device obtains a luminous efficiency of 62.5% at 480 nm without adding Cs by adding at least one selected from benzyltrimethylammonium, phenylethylammonium and n-hexylammonium to the A-position cation site, and at the same time the peak emission wavelength of PL emission. Blue-shift can be induced.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발광 디바이스는, PLQY(Photoluminescence quantum yield)이 497 nm에서 약 93%, 485 nm에서 약 88%의 높은 값을 나타낼 수 있으며, Cs 등의 양이온을 추가 도입하여 PLQY를 더욱 증가시킬 수 있다.In one embodiment of the present application, the light-emitting device, PLQY (Photoluminescence quantum yield) may exhibit a high value of about 93% at 497 nm, about 88% at 485 nm, PLQY by additionally introducing cations such as Cs Can be further increased.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 준-2차원 페로브스카이트 단위 셀에 포함되는 상기 3 종류의 유기암모늄 양이온의 총 몰수는 n+1보다 크며, 예를 들어, 상기 벤질메틸암모늄 (Benzyltrimethylammonium, BTA), 페닐에틸암모늄 (Phenylethylammonium, PEA) 또는 n-헥실암모늄(n- hexylammonium, HA) 양이온과 같은 유기암모늄 양이온의 도핑 양 α만큼 더 크게 되어 상기 3 종류의 알킬암모늄 양이온의 몰수는 (n+1)+α가 될 수 있다. 또한, 상기 준-2차원 페로브스카이트 단위 셀에 포함되는 할라이드 X의 몰수는 3n+1에서 벤질메틸암모늄 (Benzyltrimethylammonium, BTA), 페닐에틸암모늄 (Phenylethylammonium, PEA) 또는 n-헥실암모늄(n- hexylammonium, HA) 양이온과 같은 유기암모늄 양이온의 도핑 양 α만큼 더 크게 되어 3n+1+α가 될 수 있다.In one embodiment of the present application, the total number of moles of the three types of organic ammonium cations included in the quasi-dimensional perovskite unit cell is greater than n+1, for example, the benzylmethylammonium (Benzyltrimethylammonium, BTA), phenylethylammonium (Phenylethylammonium, PEA) or n-hexylammonium (n-hexylammonium, HA) cation, such as the doping amount of the organic ammonium cation is greater than α, the number of moles of the three alkylammonium cations is (n + 1)+α. In addition, the number of moles of halide X included in the quasi-dimensional perovskite unit cell is benzylmethylammonium (BTA), phenylethylammonium (PEA) or n-hexylammonium (n-) at 3n+1. Hexylammonium, HA) The doping amount of an organic ammonium cation, such as cation, can be as large as 3 n+1+α.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발광 디바이스는는, 발광 파장이 약 460 nm 내지 약 500 nm로 조절될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 구체적으로는, 발광 파장이 약 480 nm 내지 약 500 nm로 조절될 수 있다.In one embodiment of the present application, the light emitting device may have an emission wavelength of about 460 nm to about 500 nm, but is not limited thereto. More specifically, the emission wavelength can be adjusted from about 480 nm to about 500 nm.
본원의 제 2 측면은, 용매에 MX2, R1NH3X 및 BX의 화합물을 혼합하고, 상기 혼합물에 AX의 화합물을 첨가하여 하기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 제조하는 것을 포함하는, 발광 디바이스의 제조 방법을 제공한다:The second aspect of the present application is to mix a compound of MX 2 , R 1 NH 3 X and BX in a solvent, and add a compound of AX to the mixture to give a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Formula 1 below. It provides a method of manufacturing a light emitting device, comprising manufacturing:
[화학식 1][Formula 1]
AαB2(R1NH3)n-1MnX3n+1+α;A α B 2 (R 1 NH 3 ) n-1 M n X 3n+1+α ;
상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,
A 및 B는 각각 독립적으로 유기암모늄 또는 알칼리 금속 이온을 포함하고,A and B each independently contain an organoammonium or alkali metal ion,
R1은 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 1 includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
M은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하고,M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
X는 할라이드 음이온을 포함하고,X contains halide anions,
n은 2 이상의 정수이고,n is an integer of 2 or more,
α는 A 양이온의 도핑 함량으로서, 0<α≤1.5임.α is the doping content of the A cation, where 0<α≤1.5.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀은 하기 화학식 2로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 포함하는 것일 수 있다:In one embodiment of the present application, the quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 may include a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 2:
[화학식 2][Formula 2]
(CNR3 3)α(R2NH3)2(R1NH3)n-1MnX3n+1+α; (CNR 3 3 ) α (R 2 NH 3 ) 2 (R 1 NH 3 ) n-1 M n X 3n+1+α ;
상기 화학식 2에서,In Chemical Formula 2,
C는 아릴-알킬기 또는 탄소수 1 내지 10의 선형 알킬기를 포함하고,C includes an aryl-alkyl group or a linear alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R1 R2은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 1 and R 2 each independently includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R3은 H 또는 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 3 includes H or a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
M은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하고,M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
X는 할라이드 음이온을 포함하고,X contains halide anions,
n은 2 이상의 정수이고,n is an integer of 2 or more,
α는 (CNR3 3) 양이온의 도핑 함량으로서, 0<α≤1.5임.α is the doping content of the (CNR 3 3 ) cation, where 0<α≤1.5.
본원의 일 구현예에 따른 발광 디바이스의 제조 방법은, 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 기재 상에 코팅하여 준-2 차원 페로브스카이트 필름을 제조하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있다.A method of manufacturing a light emitting device according to one embodiment of the present application may further include manufacturing a quasi-two-dimensional perovskite film by coating the quasi-two-dimensional perovskite unit cell on a base material. .
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 양이온의 도핑 함량 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 효율이 조절되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the luminous efficiency of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled by adjusting the doping content α of the A cation.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 양이온의 도핑 양 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 파장대가 460 nm에서 500 nm로 제어되는 것일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 A 양이온의 도핑 양 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 파장대가 480 nm에서 500 nm로 제어되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled from 460 nm to 500 nm by adjusting the doping amount α of the A cation. More specifically, the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be controlled from 480 nm to 500 nm by adjusting the doping amount α of the A cation.
본원의 일 구현예에 있어서, 용액 공정을 바탕으로 손쉬운 공정, 저비용, 및 효율적으로 페로브스카이트-기반 청색 발광체 소자 제작이 가능하며, 상기 3종류의 서로 상이한 유기암모늄 혼합물 리간드의 총량 및 이의 상대적인 양을 제어하여 종래 보고되지 않은 페로브스카이트 결정 구조를 도출하고, 이에 의하여 향상된 청색 발광 현상을 도출할 수 있다.In one embodiment of the present application, an easy process, low cost, and efficient fabrication of a perovskite-based blue light emitting device based on a solution process are possible, and the total amount of the three different organic ammonium mixture ligands and their relative By controlling the amount, it is possible to derive a perovskite crystal structure that has not been previously reported, thereby improving the blue light emission phenomenon.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 준-2차원 페로브스카이트 단위 셀의 합성 수율이 약 100% 수준일 수 있다.In one embodiment of the present application, the synthetic yield of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell may be about 100%.
본원의 일 구현예에 있어서, 층간 삽입 절연체 리간드의 상대적인 양을 제어함으로써, 결정 구조의 다변화를 모색할 수 있다. 아울러, 도출된 결정의 구조를 DFT 실험으로써 예측할 수 있고, 결정 구조와 발광 특성 간의 상관 관계를 체계적으로 규명할 수 있다.In one embodiment of the present application, by controlling the relative amount of the intercalating insulator ligand, diversification of the crystal structure can be sought. In addition, the structure of the derived crystal can be predicted by DFT experiment, and the correlation between the crystal structure and luminescence properties can be systematically identified.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 발광 디바이스를 포함하는, 청색 발광 다이오드를 제공한다.A third aspect of the present application provides a blue light emitting diode, comprising the light emitting device according to the first aspect.
제 1 측면 내지 제 3 측면에 있어서, 서로 공통될 수 있는 내용은 그 기재가 생략되었더라도 제 1 측면, 제 2 측면 및 제 3 측면 모두에 적용될 수 있다.In the first to third aspects, contents that may be common to each other may be applied to all of the first side, second side, and third side even if the description is omitted.
이하, 실시예에 의하여 본원을 좀더 자세히 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present application will be described in more detail by examples, but the present application is not limited thereto.
1. 저차원 페로브스카이트 기반 청색 발광체 제조 1. Manufacture of low-dimensional perovskite-based blue light emitter
1-1. 페로브스카이트 용액 전구체 제조1-1. Preparation of perovskite solution precursor
디메틸설폭사이드 (Dimethylsulfoxide, DMSO) 1 mL에 브롬화 납[lead(II) bromide, PbBr2] : 메틸암모늄 브로마이드 (methylammonium bromide, MABr) : n-프로필암모늄 브로마이드 (n-propylammonium bromide, nPABr)를 3:2:2의 몰 비율로 녹이고 페닐에틸암모늄 브로마이드(phenylethylammonium bromide, PEABr), 벤질트리메틸암모늄 브로마이드(benzyltrimethylammonium bromide, BTABr) 또는 n-헥실암모늄 브로마이드(n-hexylammonium bromide, nHABr)과 같은 알킬암모늄 첨가제(alkylammonium bromide additive)를 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 및 1.4의 몰 비율로 첨가하였다. 그 후, 전구체 용액을 상온에서 30 분간 스터링하였다.Dimethylsulfoxide (DMSO) 1 mL of lead bromide [lead(II) bromide, PbBr 2 ]: methylammonium bromide (MABr): n-propylammonium bromide (nPApropylr bromide, nPABr) 3: Dissolve in a molar ratio of 2:2 and alkylammonium additives such as phenylethylammonium bromide (PEABr), benzyltrimethylammonium bromide (BTABr) or n-hexylammonium bromide (nHABr) bromide additives) were added in molar ratios of 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, and 1.4. Then, the precursor solution was stirred for 30 minutes at room temperature.
1-2. 페로브스카이트 박막 제조1-2. Perovskite thin film production
아세톤, 아이소프로필알코올, 증류수(DI water)에 각각 30 분씩 초음파 처리를 통하여 유리 기판을 세척한 뒤, 페로브스카이트 전구체 용액을 도포한 후 5000 rpm, 70 초의 조건으로 스핀-코팅하였다. 스핀-코팅 시작 후 35 초 뒤에 클로로포름 100 μL를 떨어뜨렸다. 스핀-코팅 프로그램 설정 시간이 끝난 후, 90℃에서 5 분간 어닐링하였다.After washing the glass substrate through acetone, isopropyl alcohol, distilled water (DI water) for 30 minutes each by ultrasonic treatment, and then applying a perovskite precursor solution, spin-coating under conditions of 5000 rpm and 70 seconds. 100 μL of chloroform was dropped 35 seconds after the start of spin-coating. After the spin-coating program set time was over, it was annealed at 90°C for 5 minutes.
2. 특성 분석2. Characterization
2-1. PL(Photoluminescence) 측정2-1. PL(Photoluminescence) Measurement
(nPA)2MA2Pb3Br10 (n=3)의 분자식을 가지는 저차원 페로브스카이트 발광체 물질에 PEABr, BTABr 및 nHABr을 각각 첨가제로 그 양을 증가시키면서 넣어주면, 507 nm에서 455 nm까지 약 5 nm의 일정한 간격을 가지며 PL 방출 피크 파장이 청색-이동(blue-shift)하는 현상을 보였다(도 2, 도 6, 및 도 14).(nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 (n=3) When the amount of PEABr, BTABr, and nHABr is added to the low-dimensional perovskite luminous material, respectively, as an additive, the amount is increased from 507 nm to 455 nm. Up to about 5 nm, the PL emission peak wavelength was blue-shifted (Fig. 2, Fig. 6, and Fig. 14).
BTABr 스페이서 첨가제를 계속 첨가하였을 때, 1.0 몰 비율까지는 상온에서 투명한 전구체 용액을 얻을 수 있지만 1.2 내지 1.4 몰 비율만큼 첨가하였을 때는 상온에서 BTABr 침전물이 형성되었다. 즉, BTABr 스페이서 첨가제를 1.0 몰까지 혼합한 경우가 박막으로 제작하였을 때 광 발광 양자효율이 우수할 것임을 예측할 수 있다. 이후, 소수성 필터를 이용하여 침전물을 거르고 유리 기판 위에 스핀-코팅하였을 때, 도 5 및 도 6의 현상과 마찬가지로 약 470 nm까지 청색-이동하는 현상을 보였다(도 7 및 도 8).When BTABr spacer additive was continuously added, a clear precursor solution was obtained at room temperature up to a 1.0 mole ratio, but BTABr precipitate was formed at room temperature when added at a 1.2 to 1.4 mole ratio. That is, when the BTABr spacer additive is mixed up to 1.0 mol, it can be predicted that the photoluminescence quantum efficiency will be excellent when manufactured as a thin film. Subsequently, when the precipitate was filtered using a hydrophobic filter and spin-coated on a glass substrate, a blue-shifting phenomenon was observed up to about 470 nm, as in FIGS. 5 and 6 (FIGS. 7 and 8 ).
BTABr 첨가제 대신에 PEABr 첨가제를 넣어주었을 때도, 같은 양의 첨가제에 의해 507 nm (첨가제를 넣지 않은 샘플)에서 485 nm(첨가제를 0.8 몰 비율로 넣어준 샘플)까지 매우 비슷한 정도의 청색-이동 현상이 나타났다(도 9 및 도 10). BTABr 첨가제와의 차이점으로, PEABr 첨가제를 넣어준 저차원 페로브스카이트에서 더 높은 광 발광 양자효율(PLQY)을 보였다(표 1).Even when the PEABr additive was added instead of the BTABr additive, a very similar degree of blue-shifting from 507 nm (sample without additive) to 485 nm (sample with 0.8% mole additive) was caused by the same amount of additive. Appeared (FIGS. 9 and 10 ). As a difference from the BTABr additive, the low-dimensional perovskite containing PEABr additive showed higher photoluminescence quantum efficiency (PLQY) (Table 1).
2-2. PLQY(Photoluminescence quantum yield) 측정2-2. PLQY(Photoluminescence quantum yield) measurement
[표 1][Table 1]
Figure PCTKR2019018658-appb-I000001
Figure PCTKR2019018658-appb-I000001
[표 2][Table 2]
Figure PCTKR2019018658-appb-I000002
Figure PCTKR2019018658-appb-I000002
표 1은, BTABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름, 및 PEABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름의 PLQY을 나타낸 것이다. 표 1을 통해, BTABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름, 및 PEABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름 모두가 도핑되지 않은 경우(녹색 파장)에 비해 청색 파장대로 이동된 것을 확인할 수 있었다. 또한, BTABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름에서 BTABr 1 몰이 도핑된 것의 광 발광 양자효율이 도핑되지 않은 경우와 유사하게 유지되어 BTABr 1 몰 도핑이 가장 청색 발광체로 사용되기에 우수함을 확인할 수 있었다. 아울러, PEABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름에서는 전체적으로 모두 광 발광 양자효율이 우수함을 확인할 수 있으며, 특히 PEABr 0.4 몰과 0.8 몰이 가장 우수한 광 발광 양자효율 효과가 있음을 확인할 수 있었다 (0.6 몰 도핑의 값은 오차가 존재함). 또한, 50 몰% PEA 샘플 ((PEA)1(nPA)2MA2Pb3Br11)을 박막으로 제작했을 때 480 nm의 여기 파장에서 62.5%의 광 발광 양자 효율을 얻었다.Table 1 shows the PLQY of the quasi-two-dimensional perovskite film doped with BTABr, and the quasi-two-dimensional perovskite film doped with PEABr. Through Table 1, BTABr doped quasi-two-dimensional perovskite film, and PEABr doped quasi-two-dimensional perovskite film are both shifted to the blue wavelength compared to the case where the doping (green wavelength) I could confirm that. In addition, BTABr 1 doped quasi-dimensional perovskite film in BTABr 1 mole doped photoluminescence quantum efficiency is maintained similar to the case where the doped BTABr 1 molar doping is excellent in being used as the most blue emitter I could confirm. In addition, PEABr-doped quasi-two-dimensional perovskite films can be confirmed that the overall light emission quantum efficiency is excellent, in particular, 0.4 mol and 0.8 mol of PEABr was found to have the best light emission quantum efficiency effect ( Values of 0.6 molar doping have errors). In addition, when a 50 mol% PEA sample ((PEA) 1 (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 11 ) was prepared as a thin film, photoluminescence quantum efficiency of 62.5% was obtained at an excitation wavelength of 480 nm.
표 2는, BTABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름, 및 PEABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름의 PL FWHM(PL Full-width at Half maximum)을 나타낸 것으로서, 컬러 순도(color purity)를 확인할 수 있다. BTABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름, 및 PEABr이 도핑된 준-2 차원 페로브스카이트 필름 모두에서 도핑되지 않은 경우와 비교하여 PL FWHM 차이가 매우 적은 것으로 나타나, 상기 두 필름 모두가 우수한 컬러 순도를 가짐을 확인할 수 있었다. Table 2 shows the PL Full-width at Half maximum (PL FWHM) of the quasi-two-dimensional perovskite film doped with BTABr, and the quasi-two-dimensional perovskite film doped with PEABr. (color purity) can be confirmed. The PL FWHM difference is shown to be very small compared to the case where BTABr doped quasi-two-dimensional perovskite film, and PEABr doped quasi-two-dimensional perovskite film were both not doped, both films It was confirmed that it has excellent color purity.
2-3. 흡광도(Uv-vis absorption) 측정2-3. Measurement of absorbance (Uv-vis absorption)
475 nm 이상에 해당하는 파장 영역에서 BTABr 첨가제, PEABr 첨가제, nHABr 첨가제를 같은 양만큼 (nPA)2MA2Pb3Br10에 넣어주었을 때, 가장 좁은 밴드갭을 가지는 n≥ 층(475 nm)의 저차원 페로브스카이트의 형성이 유사하게 억제되었다(도 11, 도 12, 도 15a, 도 15b 및 도 15c). 이를 통하여, 도 5 및 도 9에서 다른 종류의 알킬암모늄 브로마이드 첨가제를 넣어주었음에도 그 양이 같으면 같은 정도의 청색-이동 현상을 보이는 것을 설명할 수 있다. 두 가지 첨가제의 두드러진 차이점으로는, 428 nm (n=2)와 443 nm (n=3)에서의 엑시톤 흡수 피크(excitonic absorption peak)의 세기이다. BTABr 첨가제에 비해서 PEABr 첨가제를 넣어주었을 때, n=2와 n=3을 가지는 저차원 페로브스카이트의 형성이 두드러진다. 이를 통하여 상기 표 1의 발광 효율을 설명할 수 있으며, n≥4 층(475 nm)의 저차원 페로브스카이트의 형성이 유사하게 억제됨을 통해 준-2 차원 페로브스카이트가 유지되면서 청색 발광 효과가 있음을 확인할 수 있다.When the BTABr additive, PEABr additive, and nHABr additive are added in the same amount (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 in the wavelength region corresponding to 475 nm or more, the n≥ layer (475 nm) having the narrowest band gap The formation of low-dimensional perovskite was similarly suppressed (FIGS. 11, 12, 15A, 15B and 15C). Through this, it can be explained that even though different types of alkylammonium bromide additives are added in FIGS. 5 and 9, they show the same degree of blue-shifting when the amounts are the same. The salient difference between the two additives is the intensity of the excitonic absorption peak at 428 nm (n=2) and 443 nm (n=3). When a PEABr additive was added compared to the BTABr additive, the formation of a low-dimensional perovskite having n=2 and n=3 is remarkable. Through this, the luminous efficiency of Table 1 can be explained, and the formation of a low-dimensional perovskite of n≥4 layer (475 nm) is similarly suppressed, while the quasi-two-dimensional perovskite is maintained while emitting blue light. You can see that it works.
2-4. X-ray diffraction 분석2-4. X-ray diffraction analysis
도 16을 통해 (nPA)2MA2Pb3Br10 (n=3)의 분자식을 가지는 저차원 페로브스카이트 발광체 물질에 추가적으로 첨가제를 도입할수록, 페로브스카이트 박막 표면이 급격하게 비정형화 되는 것을 관찰할 수 있다. 표면 분석으로는 결정 분석하는 데 한계가 있어, grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) 분석 기법을 활용하였다. 16, the more additives are added to the low-dimensional perovskite emitter material having the molecular formula of (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 (n=3), the more rapidly the perovskite thin film surface becomes amorphous. Can be observed. As a surface analysis, there was a limitation in the analysis of crystals, so a grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) analysis technique was used.
(nPA)2MA2Pb3Br10 (n=3)의 분자식을 가지는 저차원 페로브스카이트 발광체에 도핑되는 PEABr 이 30 몰%인 0.6 몰부터는 박막 내부의 결정성이 증가되어 기판에 수직 방향으로 정렬됨을 확인할 수 있으며, 50 몰%인 1 몰에서 가장 수직 방향 정렬이 잘 이루어짐을 확인할 수 있다. 그러나, PEABr이 매우 많이 첨가되면 오히려 비정형화가 진행되므로 함량을 적절히 조절하는 것이 중요하다.(nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 (n=3) PEABr doped into a low-dimensional perovskite emitter having a molecular formula is increased from 0.6 mol, which is 30 mol%, to the crystallinity inside the thin film, and is perpendicular to the substrate. It can be confirmed that it is aligned, and it can be seen that the most vertical alignment is performed well at 1 mole, which is 50 mol%. However, if PEABr is added very much, it is important to adjust the content appropriately since the amorphization proceeds.
2-5. Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) 분석2-5. Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) analysis
도 17a 내지 도 17e를 통해 (nPA)2MA2Pb3Br10 (n=3)의 분자식을 가지는 저차원 페로브스카이트 발광체 물질에 PEABr이 점점 더 많이 도입된 페로브스카이트 박막을 GIWAXS로 분석하였을 때, 박막 내부에 (110) 배향의 결정성이 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 도 17c를 통해, PEABr 50%인 1.0 몰이 도핑되었을 대, 가장 박막 내부에 (110) 배향의 결정성이 증가함을 확인하였으며, 1 몰을 기준으로 하한 0.6 몰 및 상한 1.4 몰까지는 배향성이 잘 이루어짐을 확인할 수 있다.17A to 17E, the perovskite thin film in which PEABr is increasingly introduced into the low-dimensional perovskite emitter material having the molecular formula of (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 (n=3) is used as GIWAXS. When analyzed, it can be observed that the crystallinity of the (110) orientation increases inside the thin film. 17C, when 1.0 mole of PEABr 50% was doped, it was confirmed that the crystallinity of the (110) orientation was increased inside the thin film, and the orientation was well achieved up to the lower limit of 0.6 moles and the upper limit of 1.4 moles based on 1 mole. can confirm.
2-6. Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) 분석2-6. Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) analysis
도 18을 참조하면, (nPA)2MA2Pb3Br10 (n=3)의 분자식을 가지는 저차원 페로브스카이트 발광체 물질에 BTABr이 추가적으로 도입되었을 때, tertiary methyl functional group이 암모늄 양이온과 브롬 음이온 사이의 이온 결합을 방해하므로 매우 비정형한 박막이 형성됨을 확인할 수 있다 (도 18의 b). 또한, n-HABr이 추가적으로 도입되었을 때, 긴 체인 사슬 분자 간의 상호작용으로 결정성이 증가하므로 높은 결정성으로 인한 박막 표면에 핀홀이 형성되었으며 (도 18의 c), PEABr가 추가적으로 도입되었을 때, 핀홀이 없는 균일한 박막을 형성하였다 (도 18의 a). 이는 LED 소자의 발광 층으로 응용되기 위한 조건을 만족하는 것이다. 이를 통해, 핀홀이 없는 균일한 박막인 BTABr 50%인 1 몰이 첨가되었을 때, 가장 청색 발광체로 사용되기에 적합함을 확인하였다.Referring to FIG. 18, when BTABr was additionally introduced into a low-dimensional perovskite luminous material having a molecular formula of (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 (n=3), tertiary methyl functional group was added with ammonium cations and bromine. It can be confirmed that a very irregular thin film is formed because it interferes with the ionic bond between the anions (FIG. 18B). In addition, when n-HABr was additionally introduced, pinholes were formed on the surface of the thin film due to high crystallinity due to the increase in crystallinity due to the interaction between long chain chain molecules (Fig. 18c), when PEABr was additionally introduced, A uniform thin film without pinholes was formed (Fig. 18A). This satisfies the conditions for application as a light emitting layer of an LED device. Through this, when 1 mole of BTABr 50%, a thin film without pinholes, was added, it was confirmed that it is suitable for use as the most blue light emitter.
2-7. Transient absorption (TA) 분석2-7. Transient absorption (TA) analysis
도 19 내지 21을 통해, 상기 BTABr, PEABr, nHABr의 첨가제가 (nPA)2MA2Pb3Br10 (n=3)의 분자식을 가지는 저차원 페로브스카이트 발광체 물질에 각각 도입되었을 때 모두 청색 발광을 유도했으나, TA 분석 결과, PEA+가 m=3 엑시톤을 형성하는 데 가장 유리한 것을 확인할 수 있다 (도 19). 높은 발광 효율의 청색 페로브스카이트 물질을 디자인하기 위해서는 m=3 엑시톤이 형성되기 위한 생성 자유 에너지가 기존의 (100)-배향 n=3 엑시톤의 생성 자유 에너지의 차이가 크지 않아야 하고, 페로브스카이트 전구체 용액을 용액 공정으로 박막을 제작했을 때, 표면에 핀홀없이 균일한 형태이어야 하므로, 실시예의 BTABr, PEABr, nHABr의 첨가제가 도입된 (nPA)2MA2Pb3Br10 (n=3)의 분자식을 가지는 저차원 페로브스카이트 발광체는 청색 발광체로 사용되기에 적합함을 확인하였다.19 to 21, when the additives of BTABr, PEABr, and nHABr are introduced into a low-dimensional perovskite emitter material having a molecular formula of (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 (n=3), all are blue. Although luminescence was induced, it was confirmed that PEA + was most advantageous in forming m=3 excitons as a result of TA analysis (FIG. 19 ). In order to design a blue perovskite material having high luminous efficiency, the generated free energy for the formation of m=3 excitons must not have a large difference between the existing (100)-oriented n=3 excitons generated free energy. When the thin film of the Skyt precursor solution was prepared by a solution process, it should be a uniform shape without pinholes on the surface, so the additives of BTABr, PEABr, and nHABr of the example were introduced (nPA) 2 MA 2 Pb 3 Br 10 (n=3 It was confirmed that the low-dimensional perovskite emitter having a molecular formula of) is suitable for use as a blue emitter.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present application is for illustrative purposes, and those skilled in the art to which the present application pertains will understand that it is possible to easily modify to other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims below, rather than the detailed description, and it should be interpreted that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof are included in the scope of the present application.

Claims (13)

  1. 하기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 포함하는 준-2 차원 페로브스카이트 필름을 포함하는, 발광 디바이스: A light emitting device comprising a quasi-2 dimensional perovskite film comprising a quasi-2 dimensional perovskite unit cell represented by Formula 1 below:
    [화학식 1][Formula 1]
    AαB2(R1NH3)n-1MnX3n+1+α;A α B 2 (R 1 NH 3 ) n-1 M n X 3n+1+α ;
    상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,
    A 및 B는 각각 독립적으로 유기암모늄 또는 알칼리 금속 이온을 포함하고,A and B each independently contain an organoammonium or alkali metal ion,
    R1은 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 1 includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
    M은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하고,M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
    X는 할라이드 음이온을 포함하고,X contains halide anions,
    n은 2 이상의 정수이고,n is an integer of 2 or more,
    α는 A 양이온의 도핑 함량으로서, 0<α≤1.5임.α is the doping content of the A cation, where 0<α≤1.5.
  2. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀은 하기 화학식 2로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 포함하는 것인, 발광 디바이스:The quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 includes a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 2 below:
    [화학식 2] [Formula 2]
    (CNR3 3)α(R2NH3)2(R1NH3)n-1MnX3n+1+α; (CNR 3 3 ) α (R 2 NH 3 ) 2 (R 1 NH 3 ) n-1 M n X 3n+1+α ;
    상기 화학식 2에서,In Chemical Formula 2,
    C는 아릴-알킬기 또는 탄소수 1 내지 10의 선형 알킬기를 포함하고,C includes an aryl-alkyl group or a linear alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
    R1 R2은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 1 and R 2 each independently includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
    R3은 H 또는 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 3 includes H or a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
    M은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하고,M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
    X는 할라이드 음이온을 포함하고,X contains halide anions,
    n은 2 이상의 정수이고,n is an integer of 2 or more,
    α는 (CNR3 3) 양이온의 도핑 함량으로서, 0<α≤1.5임.α is the doping content of the (CNR 3 3 ) cation, where 0<α≤1.5.
  3. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 A 양이온의 도핑 함량 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 효율이 조절되는 것인, 발광 디바이스.The luminous efficiency of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell is controlled by adjusting the doping content α of the A cation.
  4. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 A 양이온의 도핑 함량 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 파장대가 480 nm에서 500 nm로 제어되는 것인, 발광 디바이스.By adjusting the doping content α of the A cation, the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell is controlled from 480 nm to 500 nm.
  5. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀은 청색 발광을 나타내고, (110) 배향성을 가지는 것인, 발광 디바이스.The quasi-two-dimensional perovskite unit cell exhibits blue light emission and has (110) orientation.
  6. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 A 양이온은 벤질트리메틸암모늄, 페닐에틸암모늄 및 n-헥실암모늄 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 발광 디바이스.The A cation is one of benzyl trimethyl ammonium, phenyl ethyl ammonium, and one or more selected from n-hexyl ammonium, the light emitting device.
  7. 제 2 항에 있어서,According to claim 2,
    상기 C는 페닐-C1-6 알킬기이고, 상기 R1은 C1-6 알킬기이고, 상기 R2는 C1-6 알킬기이고, 상기 M은 Pb2+이고, 상기 X는 요오드 음이온이고, 상기 n은 2 또는 3의 정수이고, 상기 α는 0.6 내지 1인 것인, 발광 디바이스.The C is a phenyl-C 1-6 alkyl group, the R 1 is a C 1-6 alkyl group, the R 2 is a C 1-6 alkyl group, the M is Pb 2+ , the X is an iodine anion, and the n is an integer of 2 or 3, wherein α is 0.6 to 1, the light emitting device.
  8. 용매에 MX2, R1NH3X 및 BX의 화합물을 혼합하고,Mix the compounds of MX 2 , R 1 NH 3 X and BX in a solvent,
    상기 혼합물에 AX의 화합물을 첨가하여 하기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 제조하는 것To prepare a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by the following formula (1) by adding the compound of AX to the mixture
    을 포함하는, 발광 디바이스의 제조 방법:A method of manufacturing a light emitting device comprising:
    [화학식 1][Formula 1]
    AαB2(R1NH3)n-1MnX3n+1+α;A α B 2 (R 1 NH 3 ) n-1 M n X 3n+1+α ;
    상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,
    A 및 B는 각각 독립적으로 유기암모늄 또는 알칼리 금속 이온을 포함하고,A and B each independently contain an organoammonium or alkali metal ion,
    R1은 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 1 includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
    M은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하고,M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
    X는 할라이드 음이온을 포함하고,X contains halide anions,
    n은 2 이상의 정수이고,n is an integer of 2 or more,
    α는 A 양이온의 도핑 함량으로서, 0<α≤1.5임.α is the doping content of the A cation, where 0<α≤1.5.
  9. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8,
    상기 화학식 1로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀은 하기 화학식 2로써 표시되는 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 포함하는 것인, 발광 디바이스의 제조 방법:The quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 1 includes a quasi-two-dimensional perovskite unit cell represented by Chemical Formula 2 below:
    [화학식 2][Formula 2]
    (CNR3 3)α(R2NH3)2(R1NH3)n-1MnX3n+1+α; (CNR 3 3 ) α (R 2 NH 3 ) 2 (R 1 NH 3 ) n-1 M n X 3n+1+α ;
    상기 화학식 2에서,In Chemical Formula 2,
    C는 아릴-알킬기 또는 탄소수 6 내지 10의 선형 알킬기를 포함하고,C includes an aryl-alkyl group or a linear alkyl group having 6 to 10 carbon atoms,
    R1 R2은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 1 and R 2 each independently includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
    R3은 H 또는 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하고,R 3 includes H or a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
    M은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하고,M is Pb 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Yb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , And metal cations selected from the group consisting of combinations thereof,
    X는 할라이드 음이온을 포함하고,X contains halide anions,
    n은 2 이상의 정수이고,n is an integer of 2 or more,
    α는 (CNR3 3) 양이온의 도핑 함량으로서, 0<α≤1.5임.α is the doping content of the (CNR 3 3 ) cation, where 0<α≤1.5.
  10. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8,
    상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀을 기재 상에 코팅하여 준-2 차원 페로브스카이트 필름을 제조하는 것을 추가 포함하는, 발광 디바이스의 제조 방법.A method of manufacturing a light-emitting device further comprising coating the quasi-two-dimensional perovskite unit cell on a base material to produce a quasi-two-dimensional perovskite film.
  11. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8,
    상기 A 양이온의 도핑 함량 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 효율이 조절되는 것인, 발광 디바이스의 제조 방법.A method of manufacturing a light emitting device, wherein the luminous efficiency of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell is controlled by controlling the doping content α of the A cation.
  12. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8,
    상기 A 양이온의 도핑 양 α를 조절함으로써 상기 준-2 차원 페로브스카이트 단위 셀의 발광 파장대가 480 nm에서 500 nm로 제어되는 것인, 발광 디바이스.By adjusting the doping amount α of the A cation, the emission wavelength band of the quasi-two-dimensional perovskite unit cell is controlled from 480 nm to 500 nm, the light emitting device.
  13. 제 1 항에 따른 발광 디바이스를 포함하는, 청색 발광 다이오드.A blue light emitting diode comprising the light emitting device according to claim 1.
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