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  • 기사등록 2019-07-23 12:01:37
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▲ 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 김태욱 센터장 연구팀은 전남대 이상현 교수 연구팀과 공동연구를 통해 인체에 유해한 납을 사용하지 않는 페로브스카이트 합성법을 개발했다. KIST 김태욱 센터장 연구팀의 연구원이 납을 사용하지 않고 페로브스카이트를 합성하는 실험을 하고 있다.



[기계신문] 나노소재는 반도체 특성을 가지고 있는 수십 나노미터 이하의 크기를 나노 입자로서, 양자 구속 효과로 인해 벌크 입자와는 다른 고유한 물리·화학적 특성을 갖는다. 구체적으로, 나노소재는 여기원으로부터 광을 흡수하여 에너지 여기 상태로 되고, 나노소재의 밴드갭 이하에 해당하는 에너지를 방출하는 기본적 원리에 근간한다.


이때, 나노 결정의 크기 및 조성 변화를 통해 에너지 밴드갭을 조절하게 되면 새로운 광학적·전기적 특성을 발현시키는 것이 가능하게 된다. 특히, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 나노소재는 높은 발광 효율 및 색 선명도가 뛰어나다는 내재적 특성과 더불어, 조성 변화가 용이하다는 장점을 가지고 있다.


하지만 기존의 페로브스카이트 나노소재는 주로 납(Pb)을 포함하고 있어, 그 유해성으로 인하여 산업적 이용 가능성이 제한되고 있는 상황이어서, 이를 해결하기 위한 산·학·연에서의 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다.


최근 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 김태욱 센터장 연구팀은 전남대학교 이상현 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 인체에 유해한 납을 사용하지 않고, 차세대 태양전지 재료로 각광받는 나노소재인 페로브스카이트의 합성법을 개발했다.



▲ 합성된 페로스카이트 나노소재의 표면을 관찰한 TEM 및 SAED 패턴 이미지. 평균 나노소재 크기는 9.5 nm이며, 내부 격자 (200) 간격은 0. 31 nm로 확인된다.



페로브스카이트는 육방면체의 특별한 구조를 가진 반도체 물질을 일컫는다. 빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있어서 고체 상태의 조명, 레이저 등의 산업 분야에 응용되고 있으며, 최근에는 태양전지 산업에서도 크게 주목받고 있다.


우수한 효율과 좁은 파장 너비로 인하여 기존의 재료보다 뛰어난 색 재현율을 보이는 페로브스카이트는 비교적 간단한 제조 공정으로 높은 발광율과 선명한 색을 구현할 수 있어, 미래 디스플레이의 유망 소재로도 전 세계적으로 각광받는 추세이다.


하지만, 현재까지의 연구는 페로브스카이트의 합성된 나노 구조체의 성능 극대화를 위하여 납(Pb) 성분을 활용하고 있다. 중금속인 납 성분은 세계 각국에서 오염과 인체에 일으키는 피해에 주목하고 있으며, 더 나아가 사용 및 수출·입 제한을 두는 실정이다.



▲ 해당 페로브스카이트 나노소재의 광학적 특성을 보여주는 결과. 여기파장의 위치와는 상관없이 671 nm에서 강한 발광특성을 보이며, 저온 발광특성 분석을 통해 합성된 나노소재의 여기자 결합 에너지(33 meV), 여기자와 다양한 종류의 포논과의 커플링 세기 등의 고유 물성을 확인할 수 있다.



페로브스카이트의 상용화를 위해서는 인체 및 환경에 유해한 납 성분이 들어가지 않은 합성법의 개발이 필수적으로 해결해야 할 우선 과제였다. 이에 KIST 연구팀은 다양한 시도 끝에 유해한 납 대신 희토류계 원소인 이터븀(Ytterbium, Yb)을 사용하여 고품질, 고균일도를 가지는 페로브스카이트 나노소재 합성에 성공하였으며, 이를 활용하여 고성능 광검출기 소자를 제작한 결과를 보고하였다.


또한, 연구팀은 극저온 분광학적 방법을 통해 합성된 이터븀 기반 페로브스카이트 나노소재의 전하 운반체 동력학 메커니즘을 분석하여, 여기자-포논(phonon) 커플링 효과를 관찰하였다. 이를 통해 해당 소재가 가지는 우수한 양자 효율과 더불어 좁은 파장 너비에 대한 원리를 효과적으로 규명할 수 있었다. 여기자-포논(phonon) 커플링 효과는 물질이 빛을 흡수함으로써 생성된 여기자와 물질의 격자 진동에너지를 뜻하는 포논의 겹침 현상을 말한다.



▲ 해당 페로브스카이트 나노소재를 활용한 그래핀/페로브스카이트 나노소재 하이브리드 광검출기 소자의 측정 결과. 본 실험 결과로부터 해당 소자는 뚜렷한 on-off 스위칭 현상을 보이며, 높은 광응답성 및 외부 양자효율 특성을 보임을 확인할 수 있다.



KIST 김태욱 센터장은 “이번 연구는 납이 들어가지 않은 페로브스카이트 나노소재 연구에 대한 새로운 활로를 제시함과 더불어, 해당 원소재의 응용 및 상업화를 위한 획기적인 계기가 될 것”이라고 전망했다.


전남대 이상현 교수는 “첨단소재에 사용되는 희토류계 원소를 페로브스카이트 나노소재에 도입함으로써 다양한 응용연구와 함께 신소재에 대한 원천기술 확보가 가능할 것”이라고 설명했다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 아래 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 나노·소재원천기술개발사업으로 수행되었으며, 재료화학 분야 국제학술지 어드벤스드 머터리얼스(Advanced Materials) 최신호에 게재되었다.


한음표 기자 hup@mtnews.net

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