차원 제어 페로브스카이트의 단위 격자구조와 형광 성질 분석 (a)페로브스카이트 차원 제어의 모식도 (b)각각 다른 차원 제어 페로브스카이트를 활용한 엘이디 소자 구조의 모식도 (c)차원 제어 페로브스카이트의 형광 효율 경향 그라프에서 이 3 혹은 5에 가까울 때 형광 효율이 가장 높음 (d)조사광의 세기에 따른 차원 제어 페로브스카이트 형광 효율 변화도 그라프에서 조사광의 세기가 커짐에 따라 형광 효율도 현저히 커짐 (사진. 한국연구재단)

한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 김동하 교수(이화여대)·에드워드 사전트 교수(캐나다 토론토대) 공동연구팀이 페로브스카이트(천연광물인 칼슘티타늄옥사이드(CaTiO3)와 같은 결정 구조를 갖고 있는 유기-무기-할로겐(AMX3) 유형의 화합물) 신소재로 밝은 빛을 내는 LED 기술을 개발했다고 밝혔다.

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 많은 연구가 진행 중이다.

연구팀은 형광 효율이 낮은 페로브스카이트 단점을 차원 제어 공정 개발을 통해 엑시톤(절연체나 반도체에 있어서 전도대에 여기(勵起)된 전자와 가전자대에 남아 있는 정공이 쿨롱 인력으로 결합하여 1쌍이 되어 있는 중성의 준입자(準粒子)를 형성한 것) 결합에너지 제어, 박막 내 페로브스카이트 결정 사이에서의 에너지 전달을 효과적으로 제어함으로써 형광효율을 높였다. 

연구결과, 빛의 밝음을 나타내는 척도인 광휘(특정한 면적을 복사하고 있는 광원의 강도를 측정할 때 광원의 미소 면에서 관측방향의 미소 입체각 내에 복사되는 강도의 그 면과 그 방향에 대한 정사영 면적당의 양)는 80Wsr(스테라디안)-1m-2에 달하고, 전기에너지를 빛에너지로 바꾸는 소자의 발광 효율은 8.8%로 나타났다. 연구팀은 이 밝기는 현재까지 전 세계적으로 보고된 페로브스카이트 기반 LED 중에서 가장 우수하며, 자외선에서 가시광선 영역 대에서의 파랑, 초록 등 다양한 색상의 빛을 내는 LED도 개발할 수 있는 가능성을 열었다고 설명했다.

김동하 교수는 “이 연구성과는 페로브스카이트를 제어하여 LED에 적용한 최초의 연구를 보고한 것으로 향후 전자, 의료, 통신기기 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 국제적 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 6월 27일자에 게재되었다.

그래파인 적용해 페로브스카이트 태양전지 성능 제고

최근 몇 년간, 세계에서 날로 심각해지는 에너지와 환경문제를 해결하기 위해 사람들은 고효율, 저원가인 신형 태양전지 개발에 관심을 두고 있다. 다양한 신형 태양전지 중 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지는 높은 흡광계수, 강한 캐리어 운송능력, 높은 부품효율 등 우세로 두각을 나타내며 많은 과학연구자들의 주목을 받았고 신형 태양전지 영역의 중요한 연구방향이 되고 있다.
페로브스카이트 전지의 신속한 발전에 따라 페로브스카이트 전지구조는 다공성 구조에서 평면구조로 이동했고, 부품 경계층에서 핵심적인 변화를 발생시켰다. 부품 경계층에는 전자 전송계층과 홀 전송계층이 있는데 부품의 경계성질은 페로브스카이트 전지 성능, 캐리어 추출과 부품 효율에 뚜렷한 영향을 미친다. 동시에 경계층 형태와 캐리어 운송능력이 페로브스카이트 전지의 부품효율에 대한 제고에 핵심적인 역할을 한다.
최근 중국과학원 녕파(Ning Bo City)재료기술공정연구소 종속인 신형에너지기술연구소 Jun-feng Fang 그룹은 중국과학원 화학연구소 연구원 Yu-liang Li와 협력해 신형 탄소재료 그래파인을 혼성 페로브스카이트 부품의 전자 전송계층에 혼합해 효과적으로 전자 전송계층의 전도율과 페로브스카이트 전지의 부품성능을 제고했다. 연구성과는 국가자연과학기금, 절강성(Zhejiang Province)자연과학기금, 녕파시 자연과학기금, 중국과학원 ‘백인계획’과 중국과학원 청년혁신촉진회의 지원을 받았다.

파드츄어 박사의 연구팀이 태양 전지의 사용을 위해 광흡수 페브로스카이트 필름들을 만드는 새로운 길을 열었다.
새로운 방법은 현재의 결정화 방법에서 이용된 고속 가열보다 나은 페로브스카이트 결정들을 개발하는데 실온 용매법을 이용한 것이다. ‘Room-Temperature Crystallization of Hybrid-Perovskite Thin Films via Solvent-Solvent Extraction for High-Performance Solar Cells’라는 제목으로 왕립 화학회 Journal of Materials Chemistry A에 게재된 연구는 이 기술이 대면적에 걸쳐 두께를 정확하게 조정하며 고품질 결정 필름들을 제조하고 페로브스카이트 전지를 위해 대량 생산에 대한 방법을 제시할 수 있다는 것을 보였다.
파드츄어 박사의 연구실 대학원생인 유앤유앤 조우는 용매-용매 추출(SSE) 접근법을 적용했다. 페로브스카이트 프리커서들은 NMP라는 용매에 분해되고 기판 상으로 코팅된 이후, 가열하는 대신 NMP 용매를 선택적으로 분해하고 사라지게 하는 두 번째 용매인 디에틸 에테르(DEE) 내에 담그면, 매우 평평한 페로브스카이트 결정들이 남게 된다.
이 방법은 열을 포함하지 않기 때문에 플렉서블 광전지에 사용되는 매우 열에 민감한 폴리머 기판들을 비롯해 어떠한 기판 상에서도 형성될 수 있으며, 전체 SSE 결정 과정이 열처리의 경우 한 시간 이상 걸리는 것에 비해 2분 이내에 끝난다는 장점이 있다. 이는 조립 라인 과정 중에 수행될 수 있기 때문에 대량 생산에 적용되기 쉬울 것으로 예상된다.

에너지 효율을 높인 전자 디바이스

특정한 티타늄 기반 금속 산화물은 페로브스카이트라고 알려진 결정 구조를 형성하여 전기 전하의 미세한 내부 불균형을 발생시킨다. 이런 불균형은 물질이 전기장에 반응하여 두 강유전 상태 사이로 바뀔 수 있게 해, 매우 빠르고 낮은 전력을 사용하는 전자기기를 가능하게 해 줄 것으로 전망된다. 

일본 RIKEN 신생 재료 과학 연구 센터의 Masashi Kawasaki와 그의 동료 연구진은 도쿄 대학의 Yusuke Kozuka와 공동 연구를 통해서 이온 액체를 사용함으로써 강유전체 물질의 성능을 전형적으로 저감하는 누수 전하를 제거할 수 있는 새로운 방법을 발견했다. 

실리콘 기반 필드 효과 트랜지스터는 현대 전자기술의 기초이다. 이런 디바이스에서 트랜지스터 접합을 통한 전류 흐름은 입력 소스 및 출력 드레인 사이의 반도체 게이트의 전자 상태를 교대로 함으로써 조절된다. 전류는 단지 전압이 반도체에 인가되었을 때만 그와 같은 디바이스에서 흐를 수 있다. 이에 비해서 강유전체 결정의 전기적 특성이 바뀔 수 있는 것은 소스와 드레인 터미널 사이의 채널 편극을 영구적으로 설정하여, 채널에 일정한 전압 없이 ‘온’ 상태로 전류가 흐를 수 있게 해준다. 이런 방법은 비휘발성 메모리 응용과 논리 회로를 위해 매우 유용하다는 것을 증명할 수 있다.

연구진이 당면한 문제는 강유전체를 최적화하는 것이었다. 

이 경우에는 바륨 티탄산염이 있다. 하나는 에피탁시얼 박막으로서 강유전체 물질의 결정질 층을 성장시킴으로 만들어진 것과 다른 하나는 상업용 벌크 결정에 기반한 것으로 만들어진 두 디바이스를 비교함으로써, 연구진은 박막 트랜지스터가 놀랍게도 그 자신의 ‘온’ 상태를 보였다고 밝혔다.