포스텍(총장 김무환)은 김성지 화학과 교수, 이원석 박사, 통합과정 최두원씨 연구팀이 독성이 없는 나트륨(Na)과 비스무트(Bi) 이온으로 이뤄진 페로브스카이트 나노 광학 소재를 성분이나 특성이 고른 크기와 형태로 제작하는 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.
페로브스카이트는 광물인 칼슘티타네이트와 같은 육방면체 구조로, 반도체 특성을 가지는 화합물의 통칭이다. 이 물질은 빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꿀 수 있는 특성 때문에 디스플레이나 태양전지 소재로 주목받고 있다.
특히, 태양전지에 응용했을 때 실리콘 태양전지보다 높은 전력 변환 효율을 보여주는데, 균질한 결정구조를 확보하는 것이 태양전지 기술의 관건이 되는 요소이다. 그러나 기존 태양전지 광 활성층에 사용되던 소재는 납 이온을 주성분으로 갖는 페로브스카이트 물질이다. 인체에 해롭고 환경 오염 원인이 될 수 있어 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌이 되어왔다.
연구팀은 납 이온과 동일한 전자구조를 갖는 비스무트 이온의 활용에 주목했다. 납 이온이 나트륨 이온과 비스무트 이온으로 치환된 페로브스카이트 나노 소재를 제작하는데 성공했다. 또 합성 온도를 조절함에 따라 성장면이 제어돼 육면체나 육팔면체 형태 나노입자로 균질하게 결정됨을 확인했다. 높은 발광 특성으로 태양전지뿐 아니라 수광·발광 소재나 다양한 이온의 도핑 플랫폼으로 응용 가능하다.
김성지 교수는 “나노입자 모양이나 형태는 입자 표면 에너지와 반응성과 직접적인 연관이 있다. 이번에 개발된 나노입자를 활용하면 표면 제어를 통해 광학 소자의 안정성과 효율을 증대할 수 있다”고 말했다.
이 연구 결과는 초근 미국화학회에서 발간하는 국제학술지인 '케미스트리 오브 머터리얼즈'에 표지논문으로 선정, 온라인판에 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
