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KIST 한국과학기술연구원 Korea Institute of Science and Technology

최신연구성과

최신연구성과 - 납을 사용하지 않은 고품질 페로브스카이트 합성 기술 개발
제목 납을 사용하지 않은 고품질 페로브스카이트 합성 기술 개발
연구팀 기능성복합소재연구센터 김태욱 박사팀 조회수 1601
파일첨부
- 고품질 무연 페로브스카이트 나노소재 제조 원천기술 개발

- 원천기술을 활용한 기술 응용 및 상업화에 획기적 계기 마련
 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 김태욱 센터장 연구팀은 전남대학교(총장 정병석) 이상현 교수 연구팀과 공동연구를 통하여 인체에 유해한 납을 사용하지 않고, 차세대 태양전지 재료로 각광받는 나노소재인 페로브스카이트*의 합성법을 개발했다고 밝혔다.
*페로브스카이트 : 육방면체의 특별한 구조를 가진 반도체 물질, 빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로   바꾸는 특성이 있다.

페로브스카이트는 육방면체의 특별한 구조를 가진 반도체 물질을 일컫는다. 빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있어서 고체 상태의 조명, 레이저 등의 산업 분야에 응용되고 있으며, 최근에는 태양전지 산업에서도 크게 주목받고 있다. 우수한 효율과 좁은 파장 너비로 인하여 기존의 재료보다 뛰어난 색 재현율을 보이는 페로브스카이트는 비교적 간단한 제조 공정으로 높은 발광율과 선명한 색을 구현할 수 있어, 미래 디스플레이의 유망 소재로도 전 세계적으로 각광받는 추세이다.

하지만, 현재까지의 연구는 페로브스카이트의 합성된 나노 구조체의 성능 극대화를 위하여 납(Pb) 성분을 활용하고 있다. 중금속인 납 성분은 세계 각국에서 오염과 인체에 일으키는 피해에 주목하고 있으며, 더 나아가 사용 및 수출·입 제한을 두는 실정이다. 

페로브스카이트의 상용화를 위해서는 인체 및 환경에 유해한 납 성분이 들어가지 않은 합성법의 개발이 필수적으로 해결해야할 우선 과제였다. 이에, KIST 연구팀은 다양한 시도 끝에 유해한 납 대신 희토류계 원소인 이터븀(Ytterbium, 원자번호 70번)를 사용하여 고품질, 고균일도를 가지는 페로브스카이트 나노소재 합성에 성공하였으며, 이를 활용하여 고성능 광검출기 소자를 제작한 결과를 보고하였다. 

또한, 연구팀은 극저온 분광학적 방법을 통해 합성된 이터븀(Ytterbium, Yb)기반 페로브스카이트 나노소재의 전하 운반체 동력학 메커니즘을 분석하여, 여기자-포논(phonon) 커플링 효과**를 관찰하였다. 이를 통해 해당 소재가 가지는 우수한 양자 효율과 더불어 좁은 파장 너비에 대한 원리를 효과적으로 규명할 수 있었다.
**여기자-포논(phonon) 커플링 효과 : 물질이 빛을 흡수함으로써 생성된 여기자 (전자-정공의 쌍)와 물질의 격자 진동에너지를 뜻하는 포논의 겹침 현상.  

KIST 김태욱 센터장은 “이번 연구는 납이 들어가지 않은 페로브스카이트 나노소재 연구에 대한 새로운 활로를 제시함과 더불어, 해당 원소재의 응용 및 상업화를 위한 획기적인 계기가 될 것”이라고 밝혔으며, 전남대 이상현 교수는 “첨단소재에 사용되는 희토류계 원소를 페로브스카이트 나노소재에 도입함으로써 다양한 응용연구와 함께 신소재에 대한 원천기술 확보가 가능할 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 나노?소재원천기술개발사업으로 수행되었으며, 국제적 재료화학분야의 권위지 어드벤스드 머터리얼스(Advanced Materials, IF: 25.809, JCR : 1.01%)에 최신호에 게재되었다. 

*(논문명) Rare-Earth-Element-Ytterbium Substituted Lead-Free Inorganic Perovskite Nanocrystals for Optoelectronic Applications 
    - (제 1저자) 한국과학기술연구원 문병준 연구원
    - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김상진 박사((現)삼성전자)
    - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이승민 학생연구원
    - (공저자)   한국과학기술연구원 김태욱 센터장
    - (교신저자) 전남대학교 이상현 교수


<그림설명>
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[그림 1] 
합성된 페로스카이트 나노소재의 표면을 관찰한 TEM 및 SAED 패턴 이미지이다. 평균 나노소재 크기는 9.5 nm 이며, 내부 격자 (200) 간격은 0. 31 nm로 확인된다.



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[그림 2] 
해당 페로브스카이트 나노소재의 광학적 특성을 보여주는 결과이다. 여기파장의 위치와는 상관없이 671 nm에서 강한 발광특성을 보이며, 저온 발광특성 분석을 통해 합성된 나노소재의 여기자 결합 에너지 (33 meV), 여기자와 다양한 종류의 포논과의 커플링 세기 등의 고유 물성을 확인할 수 있다.




[그림 3] 
해당 페로브스카이트 나노소재를 활용한 그래핀/페로브스카이트 나노소재 하이브리드 광검출기 소자 (Photodetector)의 측정 결과이다. 본 실험 결과 으로부터, 해당 소자는 뚜렷한 on-off 스위칭 현상을 보이며, 높은 광응답성 (Photoresponsivity, 2.4 X 103 A W-1)및 외부 양자효율 특성 (External quantum efficiency (EQE), 5.8 X 105%)을 보임을 확인 할 수 있다.

 

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