페롭트로닉 소자(Peroptronic Device)의 발전, 발광 구동원리
페롭트로닉 소자(Peroptronic Device)는 페로브스카이트 물질을 사용해 단일 구조에서 복합적 기능이 가능한 광전자 소자이다. 광활성 층(MAPbBr3)에서 전하 캐리어의 생성 및 재결합이 이루어지며 전하 수송 층은 전하 캐리어의 추출 또는 주입을 담당한다. 이 소자에서 빛을 흡수할 때에는 전하가 추출되면서 전기가 생성되고, 전기가 주입될 때에는 전하가 결합돼 빛이 생성되며, 각각의 과정을 통해 발전과 발광이 선택적으로 이루어진다.
과학기술정보통신부·한국연구재단이 김진영 울산과학기술원 교수 연구팀이 세계 최초로 빛을 전기로 바꾸는 태양전지와 전기를 빛으로 바꾸는 발광 소자(LED) 기능을 하나로 통합한 발광 전지를 개발했다고 밝혔다.
태양전지와 발광 소자는 구조와 제작 공정이 매우 유사하다. 그러나 태양전지는 전하가 추출되면서 전기가 발생하고 발광 소자는 전하가 주입되면서 빛이 발생하는 원리로, 소자가 작동하는 방식이 반대이다. 이에 태양전지와 발광 소자의 효율을 극대화하는 연구가 각각 진행될 뿐, 이들에 대한 통합연구가 부족했다.
김진영 교수 연구팀은 빛에너지의 흡수와 발광이 모두 가능한 페로브스카이트 물질을 사용해 단일 소자에서 발전과 발광이 모두 가능한 새로운 복합 기능성 소자를 만들고, 이를 페롭트로닉 소자(Peroptronic Device)라고 명명했다.
페롭트로닉 소자에는 특정 음이온(BIm4)이 포함된 고분자 전해질 층을 도입했으며, 이 물질의 도움으로 전하를 페로브스카이트에 쉽게 주입할 수 있고 추출도 가능해졌다.
한편 페롭트로닉 소자는 사물인터넷 기술에 적용할 수 있으며, 전원 및 디스플레이 역할을 동시에 수행할 것으로 기대된다. 또한 유연한 필름을 코팅할 때 사용하는 용액공정으로 제작 시 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 적용할 수 있는데, 해당 소재의 개발 공정은 기존 실리콘 등의 무기물 전자 소자에 비해 간단하고 제작 비용도 저렴하다.
김진영 교수는 “이번 연구성과는 이분화되어 있던 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 모두 구현시킨 차세대 혁신 소자의 개발이며, 이번 광전자 소자 기술의 통합으로 에너지 분야에 패러다임 변화를 기대한다”라고 밝혔다.
이 연구는 내용은 에너지 분야 국제학술지 에너지 및 환경과학(Energy & Enviro㎚ental Science) 8월 10일(목) 자에 게재되었다.
★ 연구 이야기 ★
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 유기 태양전지와 유기 발광 소자는 기본적으로 같은 구조를 갖기 때문에 한 개 연구팀에서 두 분야를 동시에 연구하는 경우가 많다. 하지만 광활성 층으로 사용되는 물질이 서로 상이하기 때문에 이분화되어 연구가 진행됐다.
페로브스카이트 물질의 등장과 함께 두 분야에서 기존 유기물 소자의 효율을 빠르게 갱신하고 있다. 이뿐만 아니라 두 분야에서 같은 물질을 광활성 층으로 사용할 수 있어 발전과 발광이 가능한 복합 기능성 단일 소자 제작이 가능하리라 생각됐다.
Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 기존 페로브스카이트 태양전지의 경우 800㎚의 빛을 흡수할 수 있어 고효율을 달성할 수 있었다. 하지만 발광 시에는 적외선 영역이 되기 때문에 우리 눈으로는 볼 수 없다는 단점이 있다. 따라서 연구팀은 페로브스카이트 물성을 조절해 흡수 영역을 가시광선 영역에 포함되는 530㎚까지 낮추어 연구를 진행했다.
흡수 영역을 낮추었으므로 태양전지 소자 효율은 기존 태양전지보다 상당히 줄었지만, 사람의 눈으로 인식이 가능한 녹색 빛을 내는 발광 소자를 만들 수 있었다. 또한 전하는 태양전지에서 추출이 되어야 하고 발광 소자에서는 주입이 되어야 한다.
기존 소재들은 한 가지 특성에 특화되어 있었기 때문에 추출과 주입이 모두 가능한 새로운 고분자 전해질을 도입해 발전과 발광이 가능한 복합 기능성 광전자 소자를 개발했다.
Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 해결(극복)했는지.
A. 연구팀 대부분이 태양전지를 연구하는 인력이었기 때문에 연구를 처음 시작할 때 태양전지 기반으로 접근했다. 기존 기술을 토대로 빠르게 소자를 제작했으나 태양전지로는 작동하고 발광 소자로는 작동하지 않았다.
태양전지로만 접근하다 보니 단일 구조에서 두 가지 기능을 모두 실현시키는 일에 어려움이 있었다. 그 이후로는 발광 소자를 제작했으며, 태양전지와 발광 소자에서 접점을 찾기 시작했다. 그 결과 두 가지 기능 모두 수행 가능한 복합 기능성 소자 제작에 성공했다.
하지만 여전히 태양전지 효율이 높으면 발광 소자 효율이 낮고, 반대로 발광 소자 효율이 높으면 태양 전지 효율이 낮은 현상이 반복됐다. 두 분야에서 최적의 효율을 내는 광활성 층 박막이 서로 상이했고 연구팀은 광활성 층을 최적화시켜 연구를 성공적으로 진행했다. 최초로 두 분야를 통합시켜 얻은 성공적인 연구 결과라는 데 의미를 부여하고자 한다.
Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 기존 두 분야로 나뉘어 연구되던 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 소자 제작이 가능하게 만들었다. 최초로 이루어낸 연구 성과이며 이를 계기로 많은 분야의 연구가 통합되는 계기가 되었으면 한다. 다양한 분야에서 서로 공동네트워크를 추진해 연구를 통합하는 복합 기능성 광전자 소자 연구의 시작이길 바란다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 최초로 복합 기능성 광전자 소자인 발광 태양전지의 개발에 성공했지만 아직 그 효율은 미비하다. 더욱 향상된 성능을 갖는 소자 제작이 첫 번째 목표이며, 이를 위해 기존의 태양전지 기술과 발광 소자 기술을 통합시켜 나가는 것이 중요하다.
다양한 분야의 전문가들과 활발한 교류를 통해 연구를 통합해 과학기술 발전에 기여하는 연구자가 되는 것이 두 번째 목표이다.
