응용물리학과 최석호 교수 연구팀이 세계 최초로 페로브스카이트를 활용해 압전전지·태양전지·LED 등 세 가지 기능을 갖는 자가 발전형 다기능 소자를 개발했다.

응용물리학과 최석호 교수 연구팀, 세 가지 소자의 다기능 고효율 달성
낮에는 태양전지, 밤에는 물리적 진동으로 생산한 전기로 LED 자가 구동 구현
자가 구동형 소자 개발로 휴대용 전자기기 충전 불편함 줄여

응용물리학과 최석호 교수 연구팀이 세계 최초로 2D/3D 페로브스카이트(Perovskite) 다차원 이종 접합구조를 이용해 태양전지, LED(발광다이오드) 및 압전전지 등 세 가지 기능이 동시에 구현되는 다기능 소자를 개발했다. 연구팀이 개발한 소자는 동일한 소자 구조에서 다른 원리의 소자를 통합시켜 낮엔 태양, 밤엔 물리적 진동으로 생산한 전기로 LED 자가 구동을 구현해 큰 의의가 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 진행됐고, 최 교수 외에 응용물리학과 장찬욱 학술연구교수, 스위스 로잔공대 화학과 김효범 연구박사, 나지르 교수 및 안동대 물리학과 신동희 교수가 공동으로 수행했다. 연구 결과는 ‘Piezo-electric and-phototronic effects of perovskite 2D|3D heterostructures’라는 논문으로 에너지 분야 주요 국제학술지인 <나노 에너지(Nano Energy, IF=16.602)>에 2월 20일 자 온라인판에 게재되고, 국내외 특허를 출원했다.

페로브스카이트는 2010년에 태양전지의 광 흡수층으로 처음 도입돼 태양전지 발전에 큰 영향을 미쳤다. 효율적인 전하 운반자 생성과 긴 수명 등이 장점으로 고효율 태양전지를 구현할 수 있다. 현재 페로브스카이트 태양전지의 최대 전력 변환 효율은 25% 이상에 이르러 상용화 가능성이 높아졌다.

페로브스카이트는 높은 전력 변환 효율뿐만 아니라 발광 다이오드 효율도 20% 이상으로 LED와 같은 다양한 광전자 소자 분야에서 이상적인 후보 물질로 주목받고 있다. 특히 페로브스카이트는 기존 LED가 갖는 고가의 제조공정, 낮은 색 순도라는 단점을 극복할 수 있어 대체 물질로 기대를 모으고 있다. 즉, 페로브스카이트 물질은 태양전지의 광 흡수층에 적용돼 태양 에너지의 수확(Energy Harvesting) 기능을 수행할 수 있고, 동시에 LED 발광 활성층에 적용돼 빛을 방출하는 기능도 수행할 수 있다.

페로브스카이트의 태양광을 흡수하고, 빛을 발광하는 두 가지 양면 특성을 활용해 온칩(on-chip)에 통합하면 하나의 소자에서 다양한 기능성을 발휘할 수 있다. 많은 연구자가 다양한 물질을 활용해 LED뿐만 아니라 동시에 태양전지에서 높은 효율을 보이는 다기능 소자를 찾는 이유다. 하지만 태양전지와 LED는 각각 수광 및 발광 소자로 원리 및 구조가 달라 하나의 구조로 두 소자를 온칩에 통합하면, 태양전지와 LED 중 어느 한 성능은 향상되지만 다른 하나의 성능은 저하되는 문제가 발생한다.

계면 제어기술로 성능 저하 문제 해결, 시간과 장소에 구애받지 않고 LED 자가 구동 가능
문제 해결의 실마리는 최 교수 연구팀이 지난 2019년 연구<어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF=25.245)>에 게재한 논문에서 찾을 수 있다. 최 교수 연구팀은 계면(interface) 제어기술을 통한 2D/3D 페로브스카이트 이종접합 구조 온칩에서 우수한 태양전지 기능과 LED 활용 가능성을 발견했다. 이번 연구에서 이를 발전시켜 압전전지 기능도 추가로 개발했다.

최 교수 연구팀은 빛을 방출하는 소자인 LED 기능을 갖는 2D와 3D 페로브스카이트로 이뤄진 다차원 이종접합 고효율 페로브스카이트 압전 태양전지를 기반으로 한 다기능소자(그림1)를 개발했다. 같은 물질 구조의 칩에서 태양광 흡수와 물리적 진동에 의한 두 가지 종류의 발전이 가능하고 나아가, 발전을 통해 획득한 전기로 LED가 자가 구동하도록 했다.

그림 1. (좌측) 투명전극(FTO)/전자전도층(TiO2)/2D/3D 페로브스카이트/정공전도층(Spiro-OMETAD)/금전극(Au) 구조 다기능 소자의 개략도, (중간) 2차원/3차원 (2D/3D) 소자와 3차원 (3D) 소자의 압전 효과 비교, (우측) 빛을 쪼이면서 측정한 2D/3D 다기능 소자의 압전효과

태양광을 통해 태양전지에 흡수된 에너지는 전하를 분리하고 전달해 부하 전기를 일으키고 이를 축적한다. 축적한 전기는 필요에 따라 다시 소자에 전력을 제공해 동일한 소자에서 LED를 활용할 가능성을 제공한다. 전기는 바람, 심장박동, 인간의 움직임과 같은 물리적 진동에 의한 압력 변화에 따라 일어나는 압전효과(그림2)에 의해서도 일어날 수 있어 태양광 흡수가 불가능한 경우에도 전기를 만들고, 축적이 가능해 시간과 장소에 구애받지 않고 LED 자가 구동이 가능하다.

그림 2. 압전 및 태양광 발전에 의해서 공급된 전기로 자가구동되는 LED 다기능 소자의 구동원리에 대한 개략도

하나의 소자에서 세 가지 성능을 구현할 수 있는 비결은 이종접합 계면 제어에 있다. 이종접합 계면을 제어하면 2D-3D 간의 전하 운반자 전달과 밀도가 증가한다. 이를 통해 복사 재결합(radiative recombination)을 증가시킬 수 있고, 적당한 압력에서 분극된 전하에 의한 에너지 밴드 변형 및 밴들 불일치 완화에 의해 압전전지 특성이 향상되기 때문이다.

”페로브스카이트 효율을 높여 실용화에 성공하도록 노력할 것“
페로브스카이트와 같은 자가 구동형 에너지 및 발광 다기능 소자 개발은 휴대용 전자기기를 충전하는 불편함을 해소하는 데 활용될 수 있다. 최 교수는 “에너지 자가 구동형 발광 다기능 소자 개발은 휴대용 전자기기의 배터리를 자주 충전해야 하는 불편함을 줄이고, 동시에 휴대용 전자기기를 충전하는 다양한 방법을 제공할 것으로 기대된다”며 연구의 의의를 설명했다.

최 교수는 “이번 연구 결과는 차세대 스마트 센서의 전력공급원으로 활용할 수 있고, 웨어러블 장비에 응용하면 사람 주변에 장착된 센서를 작동시키는 전원 역할도 할 수 있다”라며 “페로브스카이트 소자 효율을 높이고, 휘어지고 입을 수 있는 소자로 발전시켜 실용화에 성공하도록 노력하겠다”며 앞으로의 목표를 밝혔다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 최석호 교수 제공

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