과학 잡지 사이언스가 놀란 ‘페로브스카이트’의 무한 변신

12월 첫 주 ‘사이언스’에서 ‘Lee’, ‘Kim’ 같은 반가운 성이 유독 많은 연구논문을 찾을 수 있었습니다. 바로 포항공대(POSTECH)와 광주과학기술원(GIST), 경희대 등 국내 연구진의 연구결과인데요, ‘LED(발광다이오드)’와 ‘OLED(유기발광다이오드)’의 뒤를 이을 차세대 디스플레이를 개발했다는 내용이었답니다.

그래서 오늘은 세계가 주목하는 차세대 디스플레이부터 꿈이 현실로! 마구 접고 구겨도 되는 태양 전지까지, 우리가 모르게 어마어마하게 발전한 과학 이야기를 함께 나눠 보려고 하는데요, 상상 그 이상! 무한한 발전을 이루고 있는 과학의 세계로 여러분을 초대합니다.

새로 개발된 디스플레이의 이름은 ‘PeLED(페로브스카이트 발광소자)’. 이름에 나와 있듯 빛을 잘 흡수하고 전하 운반능력이 뛰어난 특수한 화학구조인 ‘페로브스카이트’를 이용한 것입니다. 

페로브스카이트는 색순도(천연색에 가깝게 표현하는 정도)가 OLED보다 훨씬 뛰어나면서도 가격이 OLED 소재의 10분의 1에 불과하다는 사실! 하지만 결정 크기가 크고 이를 이용한 박막 안에서 납 원자가 형성돼 발광효율이 낮다는 한계가 있었는데요, 연구팀은 이번에 새로운 박막형성 공정을 개발해 박막을 균일하고 평평하게 만들었습니다. 그 결과 페로브스카이트 결정 입자의 크기를 줄이고 납 원자의 형성을 막는데 성공했고, 이를 통해 발광 효율을 기존 OLED 수준까지 끌어올릴 수 있었죠. 또한, 가로와 세로 2㎝ 픽셀 크기의 대 면적 디스플레이를 만들어 대량 생산의 가능성도 높였습니다.

▲ 위 이미지는 인용의 목적으로 사용 되었습니다. [이미지 출처 - 위키피디아(클릭)]

페로브스카이트는 차세대 메모리 소자로도 변신을 꿈꾸고 있습니다. 세종대 연구팀은 유·무기 복합 페로브스카이트 소재를 이용해 저항변화메모리 소자를 만들 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다는 연구 결과를 올해 10월 재료 분야 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 발표했는데요, 저항변화메모리는 저항이 변하는 특성을 이용해 정보를 저장하는 메모리로 구조가 단순해 차세대 메모리 소자로 꼽힙니다. ^^

페로브스카이트가 빛을 전기로 바꾸는 효율이 높고 투명하면서도 유연한 만큼 소재로서 가장 빛을 발하는 분야는 바로 ‘태양전지’가 아닐까 싶은데요, 올해 5월에는 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 효율을 20.1%까지 끌어올리며 세계신기록을 기록했습니다. 석상일 울산과학기술원(UNIST) 교수(당시 한국화학연구원 책임연구원)팀은 균일한 박막을 만든 뒤 태양전지로 만드는 데 필요한 화학 분자를 삽입하는 방식의 공정을 개발해 태양전지의 효율을 높였는데요, 석 교수팀이 1월 ‘네이처’에 페로브스카이트 태양전지의 효율이 18.4%를 기록했다고 발표한지 넉 달 만에 20%를 넘기는 데 성공한 것입니다. 

한편 KIST와 연세대 연구팀은 접을 수 있을 뿐 아니라 마구 구겨도 원래 모양으로 돌아오는 고효율 페로브스카이트 태양전지를 개발해 올해 11월 발표하기도 했는데요, 연구팀은 태양전지의 플라스틱 기판 대신 형상 기억 고분자를 평평하게 만들어 태양전지 틀로 활용하여, ITO 전극도 투명한 고분자 소재(PEDOT:PSS)로 바꿨습니다. 이 전지는 광전 변환 효율이 최고 10.83%인 것으로 나타났으며, 접기 전과 후의 효율에도 거의 차이가 없고 1000번 구부리는 실험을 마친 뒤에도 초기 효율 대비 90% 이상을 유지할 정도로 내구성이 뛰어났답니다.

▲ 위 이미지는 참고 이미지로 사용 되었습니다.

이렇듯 OLED보다 색순도(천연색에 가깝게 표현하는 정도)는 뛰어나지만, 가격은 1/10 수준인 페로브스카이트! 또한, 유연성이 뛰어나고 효율이 높으므로 웨어러블 기기와 휴대 전자소자 등 다양한 전자기기에 활용될 수 있을 것으로 기대되는데요, 과학의 무한 발전, 그리고 태양광의 무한 응용! 정말 대단한 것 같습니다. 이러한 과학의 발전이 이루어져 먼 훗날 접어서 주머니에 넣고 다니는 크리스마스 트리나, 크리스마스 카드 혹은 새해 연하장이 만들어지지 않을까 싶은 생각이 드는데요, 여러분은 페로브스카이트의 개발로 어떤 변화가 이뤄질 것 같으세요? ^^

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