전북대학교 김민 교수팀(공대 화학공학부)이 페로브스카이트 나노결정의 성장과 형태를 제어하는 방법을 개발, 이를 페로브스카이트 광전소자(광검출기, 태양전지)에 적용해 나노결정의 구조적 특성을 규명한 연구 성과를 발표해 이목을 끌고 있다. 

연구 결과는 세계적 저널인 'Journal of Materials Chemistry C'(IF: 8.067)와 'Chemical Engineering Journal'(IF: 16.744) 온라인판에 각각 게재됐다. 각 논문의 제1저자는 전북대학교 김미경, 차정범 석사과정 대학원생(에너지-AI 융합공학과)이다.

이에 따르면 김미경 대학원생은 페로브스카이트 나노와이어보다 우수한 단결정 특성을 보이는 나노라드 결정 합성 연구를 진행했다. 나노라드는 나노와이어가 형성된 후 측면 패킹 응집 과정과 오스트발트 숙성 메커니즘을 통해 합성된다. 이렇게 합성된 나노라드는 단결정 배향을 보이며, 광검출기 적용에서도 매우 뛰어난 특성을 보여줬다.

또 차정범 대학원생은 차세대 태양전지로 주목 받는 페로브스카이트 태양전지에 나노결정을 적용해 소자의 효율과 수명을 개선하는 연구를 수행했다. 양자점 형태와 비교해 수 마이크로 길이의 나노와이어는 효과적으로 페로브스카이트 결정들을 연결했고, 전하수송층으로 전하들을 효과적으로 수송하는 것을 확인했다.

이 연구들은 1차원 구조 형태인 페로브스카이트 나노와이어, 나노막대의 합성방법을 제시하고, 나노결정의 도입을 통해 광전소자의 전하 수송 능력을 개선하는 기술이다. 이를 통해 미래형 광전소자 등에 적용시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.

연구 책임자인 김민 교수는 “페로브스카이트는 뛰어난 전하 수송 능력을 가지는 차세대 반도체 소재로서 여러 복합차원의 구조체로 합성할 수 있는 기술을 개발했다는 데 의의가 있다”고 밝혔다.

한편, 페로브스카이트 양자점은 밴드갭에너지(Bandgap Energy) 제어가 쉽고, 90%에 육박하는 우수한 광발광 양자수율을 보여 차세대 광전소자로의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 양자점은 크기가 10나노미터(nm) 내외로 매우 작아 빠른 전하 이동이 중요한 광전소자로의 응용이 제한적이다. 이에 최근엔 나노와이어(Nanowire), 나노막대(Nanorod)와 같은 1차원 나노 결정을 광전소자에 적용한 연구가 주목받고 있다. 나노와이어의 폭은 양자점처럼 작지만, 길이 방향으로 빠른 전하 이동이 가능하기 때문이다.

/장은성 기자