사물인터넷에서 전원 및 디스플레이 역할 동시 수행

세계 경제발전과 인구 증가로 인해 에너지 소비량은 매년 계속해서 증가하고 있다. 현재 에너지원으로 주로 사용되는 화석연료는 지구온난화와 환경오염 문제를 일으켜 청정 재생 에너지에 대한 연구가 시급해졌고, 이러한 관점에서 무한한 에너지를 갖고 있는 태양에너지에 대한 관심이 커졌다.

최근 청정에너지에 대한 관심이 증대되면서 조명산업에서도 저전력, 친환경의 새로운 광원에 대한 필요성이 제기되었다. 지금까지 주목받아 온 유기발광 소자는 가격이 비싸며 색 조절 과정이 복잡하고 색 순도와 전하 이동이 낮다는 단점을 갖고 있다. 따라서 더 우수한 색 순도를 갖고 있으면서도 낮은 가격으로 생산할 수 있는 새로운 발광 소자 개발이 필요한 상황이다.

 

현재 태양전지와 발광 소자에서 이용되는 물질들은 각 소자에 최적화된 물질적 특성을 갖기 때문에 두 기능을 모두 갖춘 단일 소자를 구현하는 데 어려움이 있다. 페로브스카이트 물질은 태양전지와 발광 소자의 광활성층(광자를 흡수 또는 발광하고 전하 캐리어 생성 또는 결합을 담당하는 박막층)으로 모두 사용 가능하여, 최근 학계에서는 다양한 페로브스카이트 태양전지와 발광 소자가 차세대 소자로 사용되고 있다. 그러나 한 소자에서 발전과 발광을 동시에 달성하려는 시도는 전무하며, 많은 연구자들이 두 분야에 대한 연구를 이분화하여 진행하고 있다.

여기서 페로브스카이트란, ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물을 말한다. 회티타늄석이라고도 한다. 사면체나 팔면체 또는 입방체의 결정이 있고 색깔은 노란색에서부터 붉은색, 갈색, 검은색인 것까지 있으며, 박편은 회색이나 적색이다. 상온에서 존재하는 것은 보통 결정 구조가 뒤틀려 있다.

페로브스카이트 물질의 경우 빛의 흡수와 발광이 모두 가능해 기존의 물질들과 달리 단일 소자에서 복합적인 기능 구현이 가능하지만, 현재 다양한 물성 조절에 따른 페로브스카이트 물질의 특성변화 및 메커니즘에 대한 연구가 매우 미비하여 물리적, 화학적, 전기적, 광학적 특성 분석과 페로브스카이트 박막의 결정 성장 제어 및 메커니즘 규명 등 다양한 연구가 필요하다.

▲ 그림 1. 페롭트로닉 소자의 발전, 발광 구동 원리

두 기능을 동시에 가진 페롭트로닉 소자

김진영 교수(울산과학기술원) 연구팀은 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 사용하여 단일 구조에서 발전과 발광이 가능한 차세대 융복합 소자 기술을 개발했다.

연구팀의 차세대 융복합 소자는 두 가지 기능을 동시에 가진 페로브스카이트 기반 소자로, 기존의 태양전지와 발광 소자의 기능을 모두 가진 광전자 소자다. 여기서 광전자 소자란, 광전력을 변화시키는 소자 또는 광출력을 내거나 변환시키는 소자로서, 전기를 빛으로 바꾸거나 빛을 전기로 바꾸는 태양전지(SC), 광 다이오드(PD), 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 등을 말한다.

연구팀은 이러한 새로운 융복합 소자를 페롭트로닉 소자(Peroptronic Device: 단일 구조에서 두 가지 기능을 동시에 가진 페로브스카이트 기반 복합기능성 차세대 융복합 단일 소자를 일컫는 용어로, 연구진이 만든 신조어)라는 새로운 광전자 소자 종류로 보고했다. 기존의 태양전지-발광 소자 역할을 하는 2개의 소자를 하나의 소자로 통합함으로써 새로운 형태의 복합기능성 광전자 소자를 구현했다. 태양전지와 발광 소자의 특성상 전하의 주입 또는 추출을 단일 소자에서 구현하는 것은 매우 어렵다. 이에 연구팀은 테트라키스(1-이미다졸릴)보레이트 음이온(tetrakis(1-imidazolyl)borate anion)을 도입한 고분자 전해질을 전하 수송층으로 사용했다.

여기서 고분자 전해질은 전하를 갖고 있어 전해질의 성질이 있는 고분자를 말한다. 고분자 사슬 중에 해리기가 있으며 물에 녹은 상태에서는 고분자 이온이 된다. 폴리스티렌술폰산 등의 합성고분자 외에 생물에도 단백질 등의 형태로 존재한다. 저분자의 전해질과 성질이 크게 다르다. 공업적으로는 이온 교환막을 비롯하여 각 방면에서 사용된다.

페롭트로닉 소자는 광활성층 박막에 의해 성능이 좌우된다. 이를 최적화하기 위해 다양한 측면을 분석하여 종합적으로 연구를 진행했다. 연구팀은 고품질의 광활성층 박막 결정을 얻기 위해 페로브스카이트 전구체(어떤 물질대사나 반응에서 특정 물질이 되기 전 단계의 물질) 용액을 스핀코팅한 후에 비극성 용매(용매분자가 영구쌍극자를 갖지 않아 그 결과로 극성의 화학종에 분자 간 회합을 일으킬 힘이 없는 용매)를 소자 위에 떨어뜨려 결정을 형성하는 단일단계 가공법 또는 브롬화납(PbBr2) 용액을 스핀코팅하여 박막을 형성한 후 다시 메틸암모늄브로마이드(MABr) 용액으로 스핀코팅하고 결정을 형성하는 2단계 용액 가공법을 이용하여 박막을 형성했다.

이 고분자 전해질은 전하의 주입 또는 추출 역할이 모두 가능하여 단일 구조에서 발전과 발광이 가능한 소자를 구현하는 데 성공했다. 이러한 유형의 디바이스를 이용해 저비용 광통신 소자 또는 주간에 전력을 생산하고 야간에 빛을 발산하는 자체 구동 디스플레이와 같은 페로브스카이트 광전자 소자를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.

새로 개발된 페롭트로닉 소자는 기존 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 가능하게 했다는 점에서 원천성이 있다. 특히 이분화되어 있던 연구를 통합했다는 점에서 큰 차별성이 있다.

페롭트로닉 소자는 용액 공정(필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정으로, 인쇄기법이 가능해서 대면적 소자 제작이 용이하다)을 통해 제작이 가능해 기계적 유연성을 가진 매우 얇은 소자로 제작이 가능하다. 이는 웨어러블 디바이스나 사물인터넷 분야에도 적용 가능하며 광범위한 특성을 갖고 있어 다양한 광전자 소자에 응용할 수 있다.

통합 광전자 소자 기술 기반 마련

기존에 이분화되어 있던 태양전지와 발광 소자를 통합하여 단일 구조에서 구현했으며 용액 공정을 통해 얇고 유연하게 제작 가능하다. 기존 소자 제작 방식의 한계를 넘어 새로운 방향을 제시함으로써, 통합된 광전자 소자 기술의 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 태양전지와 발광 소자뿐 아니라 페로브스카이트를 이용하는 다양한 광전자 소자 연구 개발에 많은 도움이 될 것으로 예상한다. 이를 통한 국내외 연구진들의 공동연구 네트워크 추진이 가능하며 서로 다른 메커니즘을 통합하는 핵심 기술 창출의 선두주자가 될 것으로 기대되고 있다. 이를 시작으로 메커니즘 통합화를 기반으로 하는 시장 개척이 가능할 것으로 예상된다.

김진영 교수는 “이번 연구 성과는 이분화되어 있던 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 모두 구현시킨 차세대 혁신 소자의 개발이며, 이번 광전자 소자 기술의 통합으로 에너지 분야에 패러다임 변화를 기대한다”라고 연구 의의를 설명했다.