KIST 기능성복합소재연구센터 김태욱 센터장 연구팀의 연구원이 납을 사용하지 않고 페로브스카이트를 합성하는 실험을 하고 있다. KIST 제공

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국내 연구팀이 납이 없는 페로브스카이트 합성법을 개발해 친환경적인 디스플레이 소재로 활용될 전망이다. 이외에도, 태양 에너지를 전기 에너지로 바꿔서 수확하는 에너지 소자 에도 활용이 가능할 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 김태욱 센터장 연구팀은 전남대학교 이상현 교수 연구팀과 공동연구를 통해 인체에 유해한 납을 사용하지 않고, 차세대 태양전지 나노소재인 페로브스카이트의 합성법을 개발했다고 밝혔다.

KIST 연구팀은 다양한 시도 끝에 유해한 납 대신 희토류계 원소인 이터븀(Ytterbium, Yb)으로 고품질, 고균일도를 가지는 페로브스카이트 나노소재 합성에 성공, 이를 활용해 고성능 광검출기 소자를 제작했다.

또한, 연구팀은 극저온 분광학적 방법으로 합성된 이터븀 기반 페로브스카이트 나노소재의 전하 운반체 동력학 메커니즘을 분석해 여기자-포논(phonon) 커플링 효과를 관찰했다. 이를 통해 해당 소재가 가지는 우수한 양자 효율과 더불어 좁은 파장 너비에 대한 원리를 효과적으로 규명했다.

KIST 김태욱 센터장 연구팀과 전남대 이상현 교수팀이 공동으로 개발해 합성한 페로스카이트 나노소재의 표면을 투과형전자현미경으로 관찰한 패턴 이미지다. 평균 나노소재 크기는 9.5nm이며, 내부 격자 간격은 0. 31 nm로 확인된다. KIST 제공

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

페로브스카이트는 육방면체 구조를 가진 반도체 물질로 빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있다. 고체 상태의 조명, 레이저 등의 산업 분야에 응용되고 있으며, 최근에는 태양전지 산업에서도 주목받고 있다. 뛰어난 색 재현율을 보이는 페로브스카이트는 비교적 간단한 제조 공정으로 만들 수 있어 디스플레이 소재로도 각광받는 추세다.

현재 페로브스카이트는 나노 구조체의 성능을 올리기 위해 인체에 유해한 납을 활용하는게 단점이다. 페로브스카이트 상용화를 위해서는 인체 및 환경에 유해한 납이 들어가지 않은 합성법 개발이 과제다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 나노·소재원천기술개발사업으로 수행됐으며, 국제적 재료화학분야의 권위지 어드벤스드 머터리얼스에 최신호에 게재됐다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자

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