발전 발광이 모두 가능한 발광 전지 최초 개발

사물인터넷에서 전원과 디스플레이 역할을 동시에 수행 가능

(그림1) 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)의 발전,발광 구동원리 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 페로브스카이트 물질을 사용하여 단일 구조에서 복합적 기능이 가능한 광전자 소자이다. 광활성층(MAPbBr3)에서 전하 캐리어의 생성 및 재결합이 이루어지며 전하 수송층은 전하 캐리어의 추출 또는 주입을 담당한다. 이 소자에서 빛을 흡수할 때에는 전하가 추출되면서 전기가 생성되고, 전기가 주입될 때에는 전하가 결합하여 빛이 발광된다. 각각의 과정을 통해 발전과 발광이 선택적으로 이루어진다.

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

김진영 교수 연구팀의 연구내용은 에너지 분야 국제학술지 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science) 8월 10일자에 게재되었다.

※ 논문명 : Peroptronic Devices: Perovskite-Based Light-Emitting Solar Cells

※ 저자정보 : 김진영 교수(교신저자, 울산과학기술원), 브라이트 워커(Bright Walker) 박사(교신저자, 울산과학기술원), 김학범(제1저자, 울산과학기술원)

태양전지와 발광 소자(LED)는 구조와 제작 공정이 매우 유사하다. 그러나 태양전지는 전하가 추출되면서 전기가 발생하고 발광 소자는 전하가 주입되면서 빛이 발생하는 원리로, 소자가 작동하는 방식이 정반대이다. 이에 태양전지와 발광 소자의 효율을 극대화하는 연구가 각각 진행될 뿐, 이들에 대한 통합연구가 부족했다.

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

* 페로브스카이트 : 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물

* 페롭트로닉 소자(Peroptronic device) : 두 가지 기능을 동시에 가지는 페로브스카이트 기반 복합기능성 단일 소자를 일컫는 용어로 본 연구진이 만든 신조어

페롭트로닉 소자에는 특정 음이온(BIm4)이 포함되어 있는 고분자 전해질* 층을 도입하였으며, 이 물질의 도움으로 전하가 페로브스카이트에 쉽게 주입되거나 추출되는 것이 모두 가능해졌다.

* 고분자 전해질 : 전하를 갖고 있어 전해질의 성질이 있는 고분자

이 소자는 사물인터넷에서 전원 및 디스플레이 역할을 동시에 수행할 것으로 기대된다. 또한 유연한 필름을 코팅할 때 사용하는 용액공정*으로 제작하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 적용할 수 있다. 기존 실리콘 등의 무기물 전자 소자에 비해 공정과정이 간단하고 제작비용이 저렴한 장점도 있다.

* 용액공정 : 필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정

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 연구의 의의를 설명했다.

* 광전자 소자 : 광전력을 변화시키는 소자 또는 광출력을 내거나 변환시키는 소자

이 연구는 과기정통부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었다.

□ 논문명, 주저자정보

- 논문명 : Peroptronic Devices: Perovskite-Based Light-Emitting Solar Cells

- 저자 정보 : 김진영 교수(교신저자, 울산과학기술원),

브라이트 워커(Bright walker) 박사(교신저자, 울산과학기술원),

김학범(제1저자, 울산과학기술원)

(그림2) 용액 공정 방법을 이용한 페롭트로닉 소자(Peroptronic device) 제작 과정

페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 용액 공정 방법을 활용하여 제작이 가능하다. 투명전극/정공 수송층(ITO/PEDOT:PSS) 위에 페로브스카이트(MAPbBr3) 광활성층 박막을 형성하고, 그 위에 전자 수송층(ETL) 박막을 형성한 뒤 은(Ag) 등의 전극을 증착함으로서 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)가 완성된다. 용액 공정 방식은 기계적 유연성을 갖는 매우 얇은 소자로 제작할 수 있도록 해준다. 이는 웨어러블이나 사물인터넷 분야에도 적용 가능하며 광범위한 특성을 가지고 있어 다양한 광전자 소자에 응용할 수 있다.

□ 논문의 주요내용

1. 연구의 필요성

○ 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.

2. 연구내용

○ 연구팀은 페로브스카이트 광활성층*을 사용하여 단일 구조에서 발전과 발광이 가능한 차세대 융복합 소자 기술을 개발했다. 연구팀의 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 기존의 태양 전지-발광 소자 역할을 하는 2개의 소자를 하나의 소자로 통합함으로써 세계 최초로 새로운 형태의 복합기능성 광전자 소자를 구현했다.

* 광활성층 : 광자를 흡수 또는 발광하고 전하 캐리어 생성 또는 결합을 담당하는 박막층

○ 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 전하 수송층* 사이에 페로브스카이트 광활성층이 끼어있는 구조이다. 일반적으로 하나의 소자에서 태양전지의 특성인 전하의 주입, 발광 소자의 특성인 전하의 추출을 모두 구현하는 것이 매우 어렵다. 이에 연구팀은 전하 수송층으로 BIm4(tetrakis (1-imidazolyl) borate anion) 음이온을 도입한 고분자 전해질을 사용하여 단일 구조에서 발전과 발광이 가능한 소자를 구현하는데 성공하였다.

* 전하 수송층 : 전하의 주입 및 추출을 담당하는 박막층

○ 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 광활성층 박막에 의해 성능이 좌우된다. 이를 최적화하기 위해 다양한 측면을 분석하여 종합적으로 연구를 진행하였다. 연구팀은 고품질의 광활성층 박막 결정을 얻기 위해 페로브스카이트 전구체* 용액을 스핀코팅*한 후에 비극성 용매*를 소자 위에 떨어뜨려 결정을 형성하는 단일단계 가공법 또는 브롬화납(PbBr2) 용액을 스핀코팅하여 박막을 형성한 후 다시 메틸암모늄브로마이드(MABr) 용액으로 스핀코팅하여 결정을 형성하는 2단계 용액 가공법을 이용하여 박막을 형성하였다.

* 전구체 : 어떤 물질대사나 반응에서 특정 물질이 되기 전 단계의 물질

* 스핀코팅 : 코팅할 물질의 용액이나 액체 물질을 기질 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅 방법

* 비극성 용매 : 용매분자가 영구쌍극자를 갖지 않아 그 결과로 극성의 화학종에 분자간 회합을 일으킬 힘이 없는 용매

○ 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 용액 공정을 통해 기계적 유연성을 갖는 매우 얇은 소자로 제작이 가능하다. 이는 웨어러블이나 사물인터넷 분야에도 적용 가능하며 광범위한 특성을 가지고 있어 다양한 광전자 소자에 응용할 수 있다.

3. 연구 성과

○ 기존에 이분화되어 있던 태양전지와 발광 소자를 통합하여 단일 구조에서 구현하였으며 용액 공정을 통해 얇고 유연하게 제작이 가능하다.

○ 이번 연구는 기존 소자 제작 방식의 한계를 넘어 새로운 방향을 제시함으로써, 통합된 광전자 소자 기술의 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

○ 태양전지와 발광 소자뿐 아니라 페로브스카이트를 이용하는 다양한 광전자 소자 연구 개발에 많은 도움이 될 것으로 예상한다.

▢ 연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

ㅇ 세계 경제발전과 인구 증가로 에너지 소비량이 매년 증가하고 있다. 현재 에너지원으로 주로 사용하는 화석연료는 지구온난화와 환경오염 문제를 일으켜 청정 재생 에너지에 대한 연구가 시급해졌고, 이러한 관점에서 무한한 에너지를 가지고 있는 태양에너지에 대한 관심이 커졌다.

ㅇ 최근 청정에너지에 대한 관심이 증대되면서 조명산업에서도 저전력, 친환경의 새로운 광원에 대한 필요성이 제기되고 있다. 지금까지 주목 받아온 유기발광 소자는 가격이 비싸며 색 조절 과정이 복잡하고 색순도와 전하 이동이 낮은 단점을 가지고 있다. 따라서 더 우수한 색순도를 가지면서 낮은 가격으로 생산 가능한 새로운 발광 소자의 개발이 필요한 상황이다.

ㅇ 현재 태양전지와 발광 소자에서 이용되는 물질들은 각 소자에 최적화된 물질적 특성을 가지기 때문에 두 기능을 모두 갖춘 단일 소자를 구현하는 데 큰 어려움이 있다. 페로브스카이트 물질은 태양전지와 발광 소자의 광활성층으로 모두 사용이 가능하여 최근 학계에서는 다양한 페로브스카이트 태양전지와 발광 소자가 차세대 소자로써 사용되고 있다. 그러나 한 소자에서 발전과 발광을 동시에 달성하려는 시도는 전무하며 많은 연구자들이 두 분야에 대한 연구를 이분화하여 진행하고 있다.

2. 연구내용

ㅇ 연구팀은 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 사용하여 단일 구조에서 발전과 발광이 가능한 차세대 융복합 소자 기술을 개발했다. 연구팀의 차세대 융복합 소자는 두 가지 기능을 동시에 가지는 페로브스카이트 기반 소자로써 기존의 태양전지와 발광 소자의 기능을 모두 가지는 광전자 소자이다. 연구팀은 이러한 새로운 융복합 소자를 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)라는 새로운 광전자 소자 종류로 보고했다. 기존의 태양전지-발광 소자 역할을 하는 2개의 소자를 하나의 소자로 통합함으로써 세계 최초로 새로운 형태의 복합기능성 광전자 소자를 구현했다.

ㅇ 태양전지와 발광 소자의 특성상 전하의 주입 또는 추출을 단일 소자에서 구현하는 것이 매우 어렵다. 이에 연구팀은 테트라키스(1-이미다졸릴)보레이트 음이온(tetrakis(1-imidazolyl)borate anion)을 도입한 고분자 전해질을 전하 수송층으로 사용하였다. 이 고분자 전해질은 전하의 주입 또는 추출의 역할이 모두 가능하여 단일 구조에서 발전과 발광이 가능한 소자를 구현하는 데 성공하였다. 이러한 유형의 디바이스를 이용하여 저비용 광통신 소자 또는 주간에 전력을 생산하고 야간에 빛을 발산하는 자체 구동 디스플레이와 같은 페로브스카이트 광전자 소자를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.

ㅇ 새로 개발된 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 기존 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 가능하게 했다는 점에서 원천성이 있다. 특히 이분화 되어 있던 연구를 통합하였다는 점에서 큰 차별성이 있다.

ㅇ 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)는 용액 공정을 통해 제작이 가능해 기계적 유연성을 갖는 매우 얇은 소자로 제작이 가능하다. 이는 웨어러블 디바이스나 사물인터넷 분야에도 적용 가능하며 광범위한 특성을 가지고 있어 다양한 광전자 소자에 응용할 수 있다.

3. 기대효과

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

ㅇ 태양전지와 발광 소자뿐 아니라 페로브스카이트를 이용하는 다양한 광전자 소자 연구 개발에 많은 도움이 될 것으로 예상한다. 이를 통한 국내외 연구진들의 공동연구 네트워크 추진이 가능하며 상이한 메커니즘을 통합하는 핵심 기술 창출의 선두주자가 될 것이라고 기대한다. 이를 시작으로 메커니즘 통합화를 기반으로 하는 시장 개척이 가능할 것으로 예상한다.

▢ 용 어 설 명

1. 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science) 誌

○ 전 과학 분야에서 상위 1% 이내에 드는 학술지로 에너지 분야에서 1위에 랭크되는 최상위 학술지. 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(2016 impact factor) 29.518.

2. 페롭트로닉 소자(PEROPTRONIC DEVICE)

○ 단일 구조에서 두 가지 기능을 동시에 가지는 페로브스카이트 기반 복합기능성 차세대 융복합 단일 소자를 일컫는 용어로 본 연구진이 만든 신조어

3. 페로브스카이트

○ ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물. 회티타늄석이라고도 함. 사면체나 팔면체 또는 입방체의 결정이 있음. 색깔은 노란색에서부터 붉은색, 갈색, 검은색인 것까지 있고, 박편은 회색이나 적색. 상온에서 존재하는 것은 보통 결정 구조가 뒤틀려 있음.

4. 용액공정

○ 필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정으로, 인쇄기법이 가능해서 대면적 소자 제작이 용이함.

5. 광전자 소자

○ 광전력을 변화시키는 소자 또는 광출력을 내거나 변환시키는 소자. 전기를 빛으로 바꾸거나 빛을 전기로 바꾸는 태양전지(SC), 광 다이오드(PD), 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 등

6. 광활성층

○ 광자를 흡수 또는 발광하고 전하 캐리어 생성 또는 결합을 담당하는 박막층

7. 전하 수송층

○ 전하의 주입 및 추출을 담당하는 박막층

8. 고분자 전해질

○ 전하를 갖고 있어 전해질의 성질이 있는 고분자. 고분자 사슬 중에 해리기가 있으며 물에 녹은 상태에서는 고분자 이온이 됨. 폴리스티렌술폰산 등의 합성고분자 외에 생물에도 단백질 등의 형태로 존재함. 저분자의 전해질과 성질이 크게 다르다. 공업적으로는 이온 교환막을 비롯하여 각 방면에서 사용됨.

9. 전구체

○ 어떤 물질대사나 반응에서 특정 물질이 되기 전 단계의 물질. 어떤 물질대사나 화학반응 등에서 최종적으로 얻을 수 있는 특정 물질이 되기 전 단계의 물질을 말함. 여기서 특정 물질이란 금속ㆍ이온ㆍ단백질ㆍ핵산ㆍ탄수화물ㆍ지방 등 모든 물질을 포함하며, 꼭 어떤 반응의 마지막 물질일 필요는 없고, 임의로 정한 어느 단계에서 얻을 수 있는 물질을 말함.

10. 스핀코팅

○ 코팅할 물질의 용액이나 액체 물질을 기질 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅 방법

11. 비극성 용매

○ 용매분자가 영구쌍극자를 갖지 않아 그 결과로 극성의 화학종에 분자간 회합을 일으킬 힘이 없는 용매. 비극성용매는 보통 비극성화합물에 대한 매우 좋은 용매로 사염화탄소, 헥산, 벤젠 등은 요오드에 대해 매우 좋은 용매임.

김진영 교수[교신저자] 이력사항