페로브스카이트 사용, 발전·발광 통합한 전지 개발
사물인터넷에서 전원 및 디스플레이 역할 동시 수행
국내 연구진이 세계 최초로 빛을 전기로 바꾸는 태양전지와 전기를 빛으로 바꾸는 발광 소자(LED) 기능을 하나로 통합한 발광전지를 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 과기정통부)가 밝혔다. 울산과학기술원 김진영 교수는 “이번 연구 성과는 이분화 되어있던 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 모두 구현시킨 차세대 혁신 소자의 개발이며, 이번 광전자 소자 기술의 통합으로 에너지 분야에 패러다임 변화를 기대한다”고 이번 연구의 의의를 설명했다. 자료 : 과학기술정통부
태양전지와 발광 소자(LED)는 구조와 제작공정이 매우 유사하다. 그러나 태양전지는 전하가 추출되면서 전기가 발생하고, 발광소자는 전하가 주입되면서 빛이 발생하는 원리다. 즉 소자가 작동하는 방식이 서로 정반대다. 따라서 태양전지와 발광소자의 효율을 극대화하는 연구가 각각 진행되고 있으나, 이들에 대한 통합연구는 부족했다. 연구팀은 빛에너지의 흡수와 발광이 모두 가능한 페로브스카이트 물질을 사용하여 단일소자에서 발전과 발광이 모두 가능한 새로운 복합기능성 소자를 만들고, 이를 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)라고 명명했다.
태양전지·발광소자 역할 2개 소자를 하나로 통합
세계 최초… 새로운 복합기능성 광전자 소자 구현
페로브스카이트 물질의 경우 빛의 흡수와 발광이 모두 가능해 기존의 물질들과 달리 단일 소자에서 복합적인 기능이 가능하다. 그러나 현재 다양한 물성 조절에 따른 페로브스카이트 물질의 특성변화 및 메커니즘에 대한 연구가 부족해 물리·화학·전기·광학적 특성분석과 페로브스카이트 박막의 결정 성장 제어 및 메커니즘 규명 등 다양한 연구가 필요하다. 연구팀은 페로브스카이트 물질을 광 활성층으로 사용하여 단일 구조에서 발전과 발광이 가능한 차세대 융·복합 소자 기술을 개발했다.
연구팀의 차세대 융·복합소자는 두 가지 기능을 동시에 가지는 페로브스카이트기반 소자로 기존의 태양전지와 발광소자의 기능을 모두 가지는 광전자 소자다. 연구팀은 이러한 새로운 융·복합 소자를 페롭트로닉소자(Peroptronic device)라는 새로운 광전자 소자의 종류로 보고했다. 기존의 태양전지·발광소자 역할을 하는 2개의 소자를 하나의 소자로 통합함으로써 세계 최초로 새로운 형태의 복합기능성 광전자 소자를 구현했다.
태양전지와 발광 소자의 특성상 전하의 주입, 또는 추출을 단일 소자에서 구현하는 것이 매우 어렵다. 이에 연구팀은 테트라키스(1-이미다졸릴)보레이트 음이온(tetrakis(1-imidazolyl)borate anion)을 도입한 고분자 전해질을 전하 수송층으로 사용했다. 이 고분자 전해질은 전하의 주입, 또는 추출이 모두 가능해서 단일 구조에서 발전과 발광이 가능한 소자를 구현하는데 성공했다. 이러한 유형의 디바이스를 이용하여 저비용 광통신 소자, 또는 주간에 전력을 생산하고 야간에 빛을 발산하는 자체구동 디스플레이와 같은 페로브스카이트 광전자 소자를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
[그림1] 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)의 발전/발광 구동원리페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 페로브스카이트 물질을 사용하여 단일 구조에서 복합적 기능이 가능한 광전자 소자이다. 광 활성층(MAPbBr3)에서 전하 캐리어의 생성 및 재결합이 이루어지며, 전하 수송층은 전하 캐리어의 추출 또는 주입을 담당한다. 이 소자에서 빛을 흡수할 때에는 전하가 추출되면서 전기가 생성되고, 전기가 주입될 때에는 전하가 결합하여 빛이 발광된다. 각각의 과정을 통해 발전과 발광이 선택적으로 이루어진다.
[그림2] 용액 공정방법을 이용한 페롭트로닉 소자(Peroptronic device) 제작과정페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 용액 공정방법을 활용하여 제작이 가능하다. 투명전극/정공 수송층(ITO/PEDOT:PSS)위에 페로브스카이트(MAPbBr3) 광 활성층 박막을 형성하고, 그 위에 전자 수송층(ETL) 박막을 형성한 뒤 은(Ag) 등의 전극을 증착함으로서 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)가 완성된다. 용액 공정방식은 기계적 유연성을 갖는 매우 얇은 소자로 제작할 수 있도록 해준다. 이는 웨어러블이나 사물인터넷 분야에도 적용 가능하며 광범위한 특성을 가지고 있어 다양한 광전자 소자에 응용할 수 있다.
새로 개발된 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 기존 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 가능하게 했다는 점에서 원천성이 있다. 특히 이분화 되어 있던 연구를 통합했다는 점에서 큰 차별성이 있다. 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 용액공정을 통해 제작이 가능하기 때문에 기계적 유연성을 갖는 매우 얇은 소자로 제작이 가능하다. 이는 웨어러블 디바이스나 사물인터넷 분야에도 적용 가능하며 광범위한특성을 가지고 있어 다양한 광전자 소자에 응용할 수 있다.
‘상이한 메커니즘 통합, 핵심기술 창출’ 계기 될 듯
기존에 이분화 되어 있던 태양전지와 발광 소자를 통합하여 단일구조에서 구현했으며, 용액공정을 통해 얇고 유연하게 제작할 수 있다. 기존 소자 제작방식의 한계를 넘어 새로운 방향을 제시함으로써, 통합된 광
전자 소자 기술의 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 태양전지와 발광 소자뿐 아니라 페로브스카이트를 이용하는 다양한 광전자 소자 연구개발에 많은 도움이 될 것으로 예상한다. 이를 통한 국내외 연구진들의 공동연구 네트워크 추진이 가능하며, 상이한 메커니즘을 통합하는 핵심기술 창출의 선두주자가 될 것이라고 기대한다. 이를 시작으로 메커니즘 통합화를 기반으로 하는 시장개척이 가능할 것으로
예상한다.
이 연구는 과기정통부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 받아 수행됐고, 연구내용은 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’에 게재됐다. 논문명과 저자정보는 다음과 같다.
-논문명 : Peroptronic Devices: Perovskite-Based Light-Emitting Solar Cells
-저자 정보 : 김진영 교수(교신저자), 브라이트 워커(Bright walker) 박사(교신저자), 김학범(제1저자)이상 울산과학기술원.용어설명
1. Energy & Environmental Science : 전 과학 분야에서 상위 1% 이내에 드는 학술지로, 에너지 분야 1위에 랭크되는 최상위 학술지. 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(2016 impact factor) 25918. .
2. 페롭트로닉 소자(PEROPTRONIC DEVICE) : 연구진이 만든 신조어로 단일 구조에서 두 가지 기능을 동시에 가지는 페로브스카이트 기반 복합기능성 차세대 융·복합 단일 소자.
3. 페로브스카이트 : ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물. 회 티타늄석이라고도 하며, 사면체나 팔면체 또는 입방체의 결정이 있다. 노란색에서부터 붉은색, 갈색, 검은색인 것까지 색이 다양하고, 박편은 회색이나 적색이다. 상온에서 존재하는 것은 보통 결정구조가 뒤틀려있 다.
4. 용액공정 : 필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정으로, 인쇄기법이 가능해서 대면적 소자 제작이 용이함.
5. 광전자 소자 : 광전력을 변화시키는 소자 또는 광출력을 내거나 변환시키는 소자. 전기를 빛으로 바꾸거나 빛을 전기로 바꾸는 태양전지(SC), 광 다이오드(PD), 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 등.
6. 광 활성층 : 광자를 흡수 또는 발광하고 전하 캐리어 생성 또는 결합을 담당하는 박막층.
7. 전하 수송층 : 전하의 주입 및 추출을 담당하는 박막층.
8. 고분자 전해질 : 전하를 갖고 있어 전해질의 성질이 있는 고분자. 고분자 사슬 중에 해리기가 있으며 물에 녹은 상태에서는 고분자 이온이 된다. 폴리스티렌술폰산 등의 합성고분자 외에 생물에도 단백질 등의 형태로 존재한다.
9. 전구체 : 어떤 물질대사나 반응에서 특정 물질이 되기 전 단계의 물질.
10. 스핀코팅 : 코팅할 물질의 용액이나 액체물질을 기질 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅 방법.
11. 비극성 용매 : 용매분자가 영구쌍극자를 갖지 않아 그 결과로 극성의 화학종에 분자 간 회합을 일으킬 힘이 없는 용매
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