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빛에너지 흡수·발광 모두 가능한 복합기능성 소자 개발 성공

페롭트로닉 소자, 웨어러블 기기·사물인터넷·광전자 소자에 응용 가능

기사입력 2017-09-08 11:26:10
빛에너지 흡수·발광 모두 가능한 복합기능성 소자 개발 성공
용액 공정 방법을 이용한 페롭트로닉 소자(Peroptronic device) 제작 과정


[산업일보]
최근 청정에너지에 대한 관심이 증대되고 있어 조명산업에 있어서도 저전력‧친환경의 특징을 지닌 새로운 광원에 대한 필요성이 제기되고 있다. 지금까지 주목 받아온 유기발광 소자는 가격이 비싸고 색 조절 과정이 복잡하며 색순도와 전하 이동이 낮다는 단점을 가지고 있어 더 우수한 발광 소자의 개발이 요구되고 있었다.

이에 김진영 교수(울산과학기술원) 연구팀이 세계 최초로 빛을 전기로 바꾸는 태양전지와 전기를 빛으로 바꾸는 발광 소자(LED) 기능을 하나로 통합한 발광 전지를 개발했다고 과학기술정보통신부(이하 과기정통부)는 밝혔다.

태양전지와 발광 소자(LED)는 구조와 제작 공정에 있어 매우 유사하다. 그러나 태양전지는 전하가 추출되면서 전기가 발생하고 발광 소자는 전하가 주입되면서 빛이 발생하는 원리로, 소자가 작동하는 방식이 정반대다. 이에 태양전지와 발광 소자의 효율을 극대화하는 연구가 각각 진행돼 왔으나, 통합연구는 부족한 실정이었다.

김진영 교수 연구팀은 빛에너지의 흡수와 발광이 모두 가능한 페로브스카이트 물질을 사용해 단일 소자에서 발전과 발광이 모두 가능한 새로운 복합기능성 소자를 만들고, 이를 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)라고 명명했다.

페롭트로닉 소자는 전하 수송층 사이에 페로브스카이트 광활성층이 끼어있는 구조를 가지고 있어 일반적으로 하나의 소자에서 태양전지의 특성인 전하의 주입, 발광 소자의 특성인 전하의 추출을 모두 구현하는 것이 매우 어렵고 광활성층 박막에 의해 성능이 좌우된다.

이러한 페롭트로닉 소자의 특징을 최적화하기 위해 다양한 측면을 분석한 후, 종합적인 연구가 진행됐다. 연구팀은 고품질의 광활성층 박막 결정을 얻기 위해 페로브스카이트 전구체 용액을 스핀코팅한 후에 비극성 용매를 소자 위에 떨어뜨려 결정을 형성하는 단일단계 가공법 또는 브롬화납(PbBr2) 용액을 스핀코팅해 박막을 형성한 후 다시 메틸암모늄브로마이드(MABr) 용액으로 스핀코팅해 결정을 형성하는 2단계 용액 가공법을 이용해 박막을 형성했다.

이에 연구팀은 전하 수송층으로 BIm4(tetrakis(1-imidazolyl) borate anion) 음이온을 도입한 고분자 전해질을 사용해 단일 구조에서 발전과 발광이 가능한 소자를 구현하는데 성공했으며, 이 물질의 도움으로 전하가 페로브스카이트에 쉽게 주입되거나 추출되는 것이 모두 가능해졌다.

이렇게 개발된 소자는 사물인터넷에서 전원 및 디스플레이 역할을 동시에 수행할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 또한 유연한 필름을 코팅할 때 사용하는 용액공정으로 제작하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 적용할 수 있으며, 실리콘 등의 무기물 전자 소자에 비해 공정과정이 간단하고 제작비용이 저렴하다는 장점도 있다.

김진영 교수는 “이번 연구성과는 이분화돼 있던 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 모두 구현시킨 차세대 혁신 소자의 개발이며, 이번 광전자 소자 기술의 통합으로 에너지 분야에 패러다임 변화가 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

또한, 김 교수는 “최초로 복합기능성 광전자 소자인 발광 태양전지의 개발을 성공했지만 아직 그 효율은 미비한 실정”이라며 “보다 향상된 성능을 가지는 소자를 제작하는 것이 첫 번째 목표이며, 이를 위해 기존의 태양전지 기술과 발광 소자 기술을 계속해서 통합시켜 나가는 것이 중요하다고 생각한다”고 전했다.
강은영 기자 qboom@kidd.co.kr

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