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봉지재 없이 고효율·안정성 한계 동시 극복 차세대 페로브스카이트 태양전지 개발
우리 대학 이정용 교수 연구팀이 봉지재 없이도 고온·고습 환경을 견디는 27%급 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현했다. 차세대 고효율 박막 태양전지 상용화의 핵심 과제로 꼽혀온 효율과 안정성을 동시에 해결한 성과로, 향후 건물 일체형 태양광(BIPV), 이동형 전원, 우주항공용 전원 등 다양한 미래 에너지 플랫폼으로의 확장 가능성이 기대된다.
우리 대학은 이정용 교수 연구팀이 물리학과 이상민 교수 연구팀, 고려대학교 곽상규 교수 연구팀과 함께 유기 고분자의 에너지 준위 설계를 통해 페로브스카이트/유기 하이브리드 태양전지의 전자구조와 전하 전달 경로를 제어하고, 봉지재 없이도 고효율·고안정성을 구현하는 태양전지를 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업, 핵심연구, 초고성능컴퓨팅 활용 고도화 사업 등의 지원으로 수행됐으며, 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 2026년 5월 18일 게재됐다.
페로브스카이트 태양전지는 광전 변환 효율이 높고 가벼워 차세대 전지로 꼽히지만, 수분과 열에 취약해 장시간 안정적인 작동이 어려워 문제 해결을 위해 봉지재를 사용해야 하는 한계가 있다.
연구팀은 기존 하이브리드 구조에서 유기 고분자를 사용할 경우 전하 이동이 원활하기 못해 정공이 축적되고, 실제 소자 작동 전압에서 ‘S자형 전류-전압 왜곡’이 발생한다는 점에 주목했다.
3차원 다중물리 모사와 초고속 분광 분석으로 이러한 현상이 성능 저하의 핵심 원인임을 규명하고, 이를 해결하기 위해 깊은 에너지 준위를 갖는 ‘PM1’ 유기 고분자를 도입했다.
PM1은 전하가 특정 계면에 쌓이지 않고 단계적으로 이동하도록 에너지 흐름을 정렬해 S자형 왜곡을 제거했으며, 최고 효율 27.18%와 세계 최고 수준의 공인 효율 26.71%를 달성했다.
PM1 기반 층은 근적외선 흡수와 전하 이동을 돕고, 외부 수분 침투를 차단하는 보호층 역할도 수행해, 봉지재 없이 85°C·85% 상대습도 조건에서 3,000시간 후에도 초기 효율의 95% 이상을 유지했다.
아레니우스 모델을 통한 예측 결과, 상온(25℃) 기준 T80(초기 효율의 80%에 도달하는 시간)이 35,590시간으로 환산돼 봉지재 없이도 약 4년급의 장기 안정성을 확보할 수 있음을 제시했다.
연구책임자인 이정용 교수는 “이번 성과는 페로브스카이트 태양전지의 효율-안정성 간의 상충 관계를 새로운 전자구조 설계로 극복한 것으로 차세대 태양전지 상용화에 중요한 의미가 있다”라고 밝혔다.
제1저자인 이민호 박사는 “기존 태양전지 구조에서 효율이 제한되는 원인을 실제 작동 중 전하 흐름 관점에서 규명하고 이를 전자구조 설계로 해결했다”라고 부연했다.
2026.05.19 조회수 1068 -
태양전지 딜레마 해결...25% 이상 효율·수명 동시 확보
태양전지의 효율을 높이면 수명이 짧아지고, 수명을 늘리면 효율이 떨어지는 ‘태양전지 딜레마’를 우리 대학 연구진이 해결했다. 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 표면 보호막의 내부 구조를 정밀하게 제어하는 기술을 개발해 25% 이상의 고효율 과 장기 안정성을 동시에 구현하는 데 성공했다.
우리 대학은 생명화학공학과 서장원 석좌교수 연구팀이 한국화학연구원(원장 이영국)과의 공동연구를 통해, 페로브스카이트 태양전지의 효율과 장기 안정성을 동시에 향상시키는 2차원 보호막 설계 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
기후 위기 대응과 에너지 전환 요구가 커지면서 태양광 발전의 효율 향상과 장기 신뢰성 확보는 중요한 과제로 떠오르고 있다. 특히 차세대 고효율 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지는 최근 효율이 빠르게 향상됐지만, 고온·고습 환경이나 장시간 빛에 노출될 경우 성능이 저하되는 문제가 있어 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.
기존에는 3차원(3D) 페로브스카이트 결정 위에 2차원(2D) 층을 덧입히는 ‘3D/2D 구조’ 전략이 사용돼 왔다. 이는 태양전지 표면의 결함을 줄이고 안정성을 높이는 데 도움이 되는 방법이다. 그러나 2차원 층의 구조가 충분히 견고하지 않을 경우 시간이 지나면서 구조가 변형되거나 성능이 점차 저하될 수 있다는 한계가 있었다.
이에 연구팀은 구조적으로 더 안정적인 디온–재콥슨(Dion–Jacobson, DJ) 구조의 2차원 페로브스카이트 보호막을 도입하고, 보호막 내부에서 페로브스카이트 층이 몇 겹으로 쌓였는지를 의미하는 ‘n값’을 정밀하게 제어하는 설계 전략을 제시했다. DJ 구조는 페로브스카이트 층 사이를 유기 분자가 양쪽으로 단단히 연결해 구조적 안정성을 높이는 방식으로, 쉽게 말해 벽돌 사이를 더 강한 접착제로 묶어 구조가 쉽게 무너지지 않도록 한 것과 비슷한 원리다.
연구팀은 벽돌을 쌓은 뒤 접착제가 굳는 과정에서 온도와 시간을 조절하면 벽돌이 더 단단하고 정돈된 구조로 자리 잡게 되는 것과 비슷하게 열처리 조건을 조절해 2차원 보호막 내부에서 페로브스카이트 층이 쌓이는 구조(n값)를 원하는 방향으로 제어했다.
그 결과 전하 이동이 더 원활해져 태양전지 효율이 향상됐으며, DJ 구조의 견고한 특성 덕분에 장기 안정성도 함께 개선되는 것을 확인했다. 또한 열처리 과정에서 서로 다른 물질이 만나는 계면에서 구조가 재배열되며 2차원 보호막의 내부 구조가 변화한다는 사실을 실험적으로 밝혀내, 보호막 구조를 조절할 수 있는 원리와 재현 가능한 공정 조건도 제시했다.
이 설계 전략을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 전력변환효율 25.56%(공인 효율 25.59%)의 높은 성능을 기록했다. 또한 85℃·85% 상대습도(85% RH) 조건과 지속적인 광 조사 환경에서도 높은 수준의 성능을 유지해 장기 안정성이 확인됐다. 연구팀은 이 기술을 대면적 모듈 제작에도 적용해 우수한 성능을 확인했다.
서장원 석좌교수는 “효율을 높이면 수명이 줄고, 수명을 늘리면 효율이 떨어지는 기존의 난제를 표면 보호막의 구조 설계를 통해 동시에 해결할 수 있음을 보여준 연구”라며 “이 기술은 공정 조건 변화에도 비교적 안정적으로 작동해 상용화를 위한 대면적 제조 공정에도 도움이 될 수 있다”고 말했다.
KAIST 이재희 생명화학공학과 석박통합과정생과 한국화학연구원 문찬수 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지 줄(Joule, IF 35.4)에 2026년 2월 24일자로 게재됐다.
※ 논문명 : Tailored n value engineering of Dion-Jacobson 2D layers enables efficient and stable perovskite solar cells DOI : 10.1016/j.joule.2025.102301
※ 저자 정보 : 이재희 석박통합과정 (KAIST, 공동 제1저자), 문찬수 박사 ((전)한국화학연구원, 공동 제1저자), 전남중 박사 (한국화학연구원, 교신저자) 서장원 석좌교수 (KAIST, 교신저자)
한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF) (나노 및 소재기술개발사업(소재허브), 개인기초연구사업(중견), 선도연구센터사업(ERC)) 및 한국화학연구원(KRICT) 기본사업 지원 등을 받아 수행됐으며, 일부 실험은 포항가속기연구소(PAL) 빔라인 지원을 받았다.
2026.03.24 조회수 2214 -
광컴퓨팅·양자 보안 핵심 ‘빛 반도체’ 직접 찍어낸다
거대 인공지능(AI)을 위한 초고속 광컴퓨팅, 양자 암호 통신, 초고해상도 증강현실(AR) 디스플레이 등 미래 첨단 산업에서는 빛으로 정보를 처리하는 나노 레이저가 차세대 반도체의 핵심 소자로 주목받고 있다. 우리 대학 연구진이 머리카락보다 얇은 공간에서 빛으로 정보를 처리하는 나노 레이저를 반도체 칩 위에 고밀도로 배치할 수 있는 새로운 제작 기술을 제시했다.
우리 대학은 기계공학과 김지태 교수 연구팀이 POSTECH(총장 김성근) 노준석 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 초고밀도 광집적회로의 핵심 소자인 ‘수직형 나노 레이저’를 만들 수 있는 초미세 3차원 프린팅 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.
기존 반도체 제조 방식인 리소그래피 공정은 같은 구조를 대량 생산하는 데는 효과적이지만, 공정이 복잡하고 비용이 많이 들어 소자의 형태나 위치를 자유롭게 바꾸기 어렵다는 한계가 있었다. 또한 대부분의 기존 레이저는 기판 위에 눕혀진 수평 구조로 만들어져 공간을 많이 차지하고, 빛이 아래로 새어 나가 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 빛을 효율적으로 만들어내는 차세대 반도체 소재인 ‘페로브스카이트’를 수직으로 쌓아 올리는 새로운 3D 프린팅 방식을 개발했다. 이 기술은 전압을 이용해 눈에 보이지 않을 만큼 작은 잉크 방울(아토리터, 10⁻¹⁸ L)을 정밀하게 제어하는 ‘초미세 전기유체 3D 프린팅’ 기술이다.
이를 통해 재료를 깎아내는 복잡한 공정 없이, 원하는 위치에 머리카락보다 훨씬 가는 기둥 모양의 나노 구조물을 수직으로 직접 인쇄하는 데 성공했다.
기술의 핵심은 이렇게 인쇄된 페로브스카이트 나노 구조물의 표면을 매우 매끄럽게 만들어 레이저 효율을 크게 높였다는 점이다. 연구팀은 프린팅 과정에 기체상 결정화 제어 기술을 결합해, 결정이 거의 하나로 정렬된 고품질 구조를 구현했다. 그 결과 빛의 손실이 적고 안정적으로 작동하는 ‘고효율 수직형 나노 레이저’를 구현할 수 있었다.
또한 나노 구조물의 높이를 조절해 레이저가 내는 빛의 색을 정밀하게 바꿀 수 있음을 입증했다. 이를 활용해 육안으로는 보이지 않지만 특수 장비로만 확인할 수 있는 레이저 보안 패턴을 제작했으며, 위조 방지 기술로서의 상용화 가능성도 확인했다.
김지태 교수는 “이번 기술은 복잡한 공정 없이 빛으로 계산하는 반도체를 칩 위에 직접 고밀도로 구현할 수 있게 한다”며, “초고속 광컴퓨팅과 차세대 보안 기술의 상용화를 앞당길 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 기계공학과 스치 후(Shiqi Hu) 박사가 제 1 저자로 나노과학 분야 국제 권위 학술지 ACS Nano에 2025년 12월 6일 온라인 판으로 게재됐다.
※논문명: Nanoprinting with Crystal Engineering for Perovskite Lasers
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c16906
이번 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구(RS−2025-00556379), 중견연구자지원사업 (RS-2024-00356928), 이노코어(InnoCORE) AI 기반 지능형 설계-제조 통합 연구단(N10250154)의 지원으로 수행되었다.
2026.01.06 조회수 3153 -
페로브스카이트 태양전지의 한계를 극복하다
전체 태양 에너지의 약 52%를 활용하지 못하는 문제점을 가진 기존 페로브스카이트 태양전지가 한국 연구진에 의해 근적외선 광 포집 성능을 극대화하면서도 전력 변환 효율을 크게 향상하는 혁신기술로 개발되었다. 이는 차세대 태양전지의 상용화 가능성을 크게 높이며, 글로벌 태양전지 시장에서 중요한 기술적 진전에 기여할 것으로 보인다.
우리 대학 전기및전자공학부 이정용 교수 연구팀과 연세대학교 화학과 김우재 교수 공동 연구팀이 기존 가시광선 영역을 뛰어넘어 근적외선 광 포집을 극대화한 고효율·고안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다고 31일 밝혔다.
연구팀은 가시광선 흡수에 한정된 페로브스카이트 소재를 보완하고, 근적외선까지 흡수 범위를 확장하는 유기 광반도체와의 하이브리드 차세대 소자 구조를 제시하고 고도화했다.
또한, 해당 구조에서 주로 발생하는 전자구조 문제를 밝히고 다이폴 층*을 도입해 이를 획기적으로 해결한 고성능 태양전지 소자를 발표했다.
*다이폴(쌍극자) 층: 소자 내 에너지 준위를 조절해 전하 수송을 원활하게 하고, 계면의 전위차를 형성해 소자 성능을 향상하는 역할을 하는 얇은 물질 층임
기존 납 기반 페로브스카이트 태양전지는 850나노미터(nm) 이하 파장의 가시광선 영역에만 흡수 스펙트럼이 제한돼 전체 태양 에너지의 약 52%를 활용하지 못하는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 유기 벌크 이종접합(BHJ)을 페로브스카이트와 결합한 하이브리드 소자를 설계, 근적외선 영역까지 흡수할 수 있는 태양전지를 구현했다.
특히, 나노미터 이하 다이폴 계면 층을 도입해 페로브스카이트와 유기 벌크 이종접합(BHJ) 간의 에너지 장벽을 완화하고 전하 축적을 억제, 근적외선 기여도를 극대화하고 전류 밀도(JSC)를 4.9 mA/cm²향상하는 데 성공했다.
이번 연구의 핵심 성과는 하이브리드 소자의 전력 변환 효율(PCE)을 기존 20.4%에서 24.0%로 대폭 높인 것이다. 특히, 이번 연구는 기존 연구들과 비교했을 때, 높은 내부 양자 효율(IQE)을 달성하며 근적외선 영역에서 78%에 달하는 성과를 기록했다.
또한, 이 소자는 높은 안정성을 보여, 극한의 습도 조건에서도 800시간 이상의 최대 출력 추적에서 초기 효율의 80% 이상을 유지하는 우수한 결과를 보였다.
이정용 교수는 “이번 연구를 통해 기존 페로브스카이트/유기 하이브리드 태양전지가 직면한 전하 축적 및 에너지 밴드 불일치 문제를 효과적으로 해결하였고 근적외선 광 포집 성능을 극대화하면서도 전력 변환 효율을 크게 향상시켜 기존 페로브스카이트가 가진 기계적-화학적 안정성 문제를 해결하고 광학적 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 돌파구가 될 것”이라고 말했다.
전기및전자공학부 이민호 박사과정과 김민석 석사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)' 9월 30일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Suppressing Hole Accumulation Through Sub-Nanometer Dipole Interfaces in Hybrid Perovskite/Organic Solar Cells for Boosting Near-Infrared Photon Harvesting).
한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2024.10.31 조회수 14386 -
역대급 진청색 페로브스카이트 LED 구현 성공
태양전지, 광검출기, LED 등 다양한 차세대 광전소자에 적용가능한 물질로 주목을 받는 할라이드(할로젠화물) 페로브스카이트는 ‘Rec. 2020’이라는 디스플레이의 색 좌표 기준을 100% 만족할 수 있는 유일한 물질이다. 하지만, 이렇게 우수한 성능에도 진청색 페로브스카이트 LED의 경우에는 현저히 낮은 효율과 낮은 밝기를 보고하고 있었다. KAIST 연구진이 진청색 페로브스카이트 LED에서 보이는 색상 불안정성 문제를 해결함과 동시에, 높은 밝기를 갖는 기술을 선보여 화제다.
우리 대학 전기및전자공학부 이정용 교수 연구팀이 높은 색순도로 인해 차세대 디스플레이로 주목받는 진청색 페로브스카이트 LED의 구동 전압에 따라 변화하는 색 변화 문제와 낮은 밝기 문제를 획기적으로 해결했다고 10일 밝혔다.
이정용 교수 연구팀은 점차 고색순도를 요구하고 있는 디스플레이 업계의 요구에 따라, 높은 색순도를 갖는 것으로 알려진 페로브스카이트 LED 중 진청색 LED의 고질적인 문제점들을 효과적으로 해결하는 기술을 개발했다.
먼저, 서로 다른 종류의 이온들을 혼합해 만드는 진청색 LED의 경우 구동 전압의 크기에 따라 색이 변화하는 문제점과 상용화에 가장 중요한 지표인 밝기가 낮다는 문제점을 해결해야만 상용화에 조금 더 다가갈 수 있는 상황이었다. 이정용 교수 연구팀은 염화이온 공석 타겟 리간드 전략*을 사용해 이러한 문제점을 획기적으로 해결할 수 있었다. 이를 기반으로 진청색 페로브스카이트 LED의 고질적인 문제점을 해결할 수 있는 인사이트를 제시함으로써 상용화에 한층 더 가까이 갈 수 있을 것으로 기대된다.
*염화이온 공석 타겟 리간드 전략 : 결정구조의 결함(defect)로 여겨지는 1가 양이온 공석(vacancy), 2가 양이온 공석 등 다양한 종류의 공석 중, 염화이온 공석만을 특정하여 이를 효과적으로 제거할 수 있는 sulfonate 리간드 전략을 디자인하여 적용함
연구팀은 색 불안정성을 유발하는 원인인 이온 이동에 의한 상 분리 현상을 일으키는 할라이드 이온 통로*를 표적으로 하여 막을 수 있는 물질을 선택하고 전략적으로 해당 통로를 막음으로써, 이온 이동을 효과적으로 억제했다. 또한, 해당 전략을 적용할 수 있는 물질의 후보군을 선택해, 탄소 사슬의 길이 변화에 따른 성능변화 경향 및 색 안정성 경향도 함께 보여 진청색 페로브스카이트 LED의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 관점을 제시했다.
*할라이드 이온 통로: 할라이드 이온들이 페로브스카이트 격자 내부를 이동할 수 있는 통로 역할을 하는 할라이드 공석(vacancy)을 일컬음
또한 연구팀은 해당 연구를 통해, 지금까지 보고된 진청색 페로브스카이트 LED 성능 중에서 가장 높은 수준의 밝기(2700 nit)를 보고했다. 이를 통해, 햇빛이 강하게 내리비치는 야외 조명환경에서 디스플레이가 잘 보이지 않는 야외시인성 문제를 해결할 수 있는 수준의 높은 밝기를 갖는 진청색 페로브스카이트 LED를 제작해 해당 차세대 페로브스카이트 디스플레이의 상용화를 한층 더 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
제1 저자인 이승재 박사과정생은 "서로 다른 할라이드 이온들을 혼합해 만드는 진청색 페로브스카이트 LED의 고질적인 색 불안정성 문제를 효과적으로 해결한 연구ˮ 이며 "동시에 최근 스마트폰에서 요구하는 최대 밝기인 2,000 니트(nit) 이상의 높은 밝기를 갖는 우수한 진청색 페로브스카이트 LED를 제작해, 이미 높은 수준을 보이는 녹색과 적색 LED와의 격차를 한층 더 줄임으로써 RGB 디스플레이에 적용할 수 있는 가능성을 열었다.ˮ 라고 말했다.
전기및전자공학부 이승재 박사과정, 김준호 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스(Science)’의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’2024년 5월 온라인판에 정식 출판됐다. (논문명 : Brightening deep-blue perovskite light-emitting diodes: A path to Rec. 2020)
한편 이번 연구는 한국연구재단 (NRF)의 지원을 받아 수행됐다.
2024.07.10 조회수 10042 -
페로브스카이트 LED 소재의 발광 효율 극대화 메커니즘 규명
우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀이 한밭대학교 홍기하 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 페로브스카이트 LED 나노 소재에서 일어나는 발광 효율의 향상 원인을 이론적으로 규명하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.
할로겐 페로브스카이트 화합물은 태양 빛을 이용해 높은 효율로 전기를 생산할 수 있어 차세대 태양전지에 사용 가능한 소재로 주목받고 있는 물질이다. 한편, LED는 태양전지와는 반대로 전기를 이용해서 빛을 방출하는 장치로서 디스플레이에 널리 사용되고 있다. 놀랍게도 페로브스카이트는 빛을 전기로 변환시키는 효율뿐 아니라 전기를 빛으로 변환시키는 발광 효율 또한 높은 것으로 알려져 차세대 LED 소재로서도 각광받고 있다.
본래 `페로브스카이트'는 러시아 과학자 페로브스키의 이름을 딴 광물 결정 구조의 이름이다. 연구팀은 이러한 페로브스카이트 결정 구조가 내부의 뒤틀림 정도에 따라 다양한 상(phase)을 가질 수 있음에 주목했다. LED 소재로 널리 사용되는 CsPbBr3라는 페로브스카이트 소재는 결정 구조 내부에 뒤틀림이 존재하는데, 이를 작은 나노 구조로 만들게 되면 이러한 뒤틀림이 최소화된 상이 형성된다. 연구팀은 비단열 양자 동역학 시뮬레이션을 이용해 이러한 결정 구조의 뒤틀림 제어가 발광 효율을 높이기 위한 주요 소재 성질 제어 전략임을 밝혔다.
연구진은 "이번 연구를 통해 페로브스카이트의 소재 결정 구조적 특성과 빛을 발생하는 광 동역학적 특성 사이의 복잡한 상관관계를 규명할 수 있었다ˮ고 말했으며 "추후 이러한 이론 기초 연구를 더욱 확장해 페로브스카이트 결정상 제어를 통한 발광 효율 극대화 전략을 도출해내어 페로브스카이트 기반의 고효율 LED 개발에 기여할 수 있을 것ˮ이라고 말했다.
우리 대학 하윤후 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society)' 에 지난해 12월 27일 字 온라인 게재됐다. (논문명: Enhanced Light Emission through Symmetry Engineering of Halide Perovskites).
한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 중견연구사업과 선도연구센터 지원 사업, 나노소재기술개발사업으로 진행됐다.
2022.01.12 조회수 18509 -
페로브스카이트 상에서 이산화탄소 열화학적 환원반응 기작 규명
우리 대학 생명화학공학과 이재우 교수 연구팀이 페로브스카이트* 상에서 발생하는 이산화탄소의 열화학적 환원반응의 기작을 규명하고, 반응을 최적화하기 위한 요인을 다변화하는 데에 성공했다고 13일 밝혔다.
☞ 페로브스카이트: ABO3 (A = 란탄족, B = 전이금속)의 분자식을 가진 입방체 구조의 산화금속으로 차세대 태양전지에 응용되는 물질로 알려져 있다.
이 교수 연구팀은 이산화탄소의 환원반응 성능을 예측하기 위해, 기존에 주로 활용돼왔던 산소 공공 형성 에너지 계산 외에도 수소 흡착에너지, 이온 전도도 및 이산화탄소의 흡착상태를 분석해 성능 예측의 정확도를 더욱 높일 수 있다는 것을 확인했다. 연구팀이 다변화에 성공한 요인을 통해, 탄소중립 실현을 개발될 다분야의 이산화탄소 전환 및 환원 촉매의 성능을 더욱 정확하게 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 생명화학공학과 임현석 박사와 김이겸 박사과정이 공동 제1 저자로 참여하고 영남대학교 화학공학부 강도형 교수 연구팀과의 협업을 통해 이루어진 이번 연구 결과는 국제 학술지 `ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)'에 9월 17일 字 온라인판에 게재됐으며, 연구의 파급력을 인정받아 표지논문(Front cover)으로도 선정됐다. (논문명 : Fundamental Aspects of Enhancing Low-Temperature CO2 Splitting to CO on a Double La2NiFeO6 Perovskite).
페로브스카이트는 고온에서, 그리고 지속적인 산화환원을 거치면서도 그 구조를 안정적으로 유지할 수 있어 산화탄소 환원반응 및 물 분해반응에 활용될 수 있는 물질로 주목받고 있다. 하지만 기존에는 다양한 조성의 페로브스카이트 상에서 이산화탄소 환원반응의 성능을 예측하는 요인으로 `산소공공 형성 에너지' 만을 활용했기 때문에 그 정확도가 다소 떨어진다는 단점이 있었다.
이 교수 연구팀은 란타넘-니켈-철산화물(La2NiFeO6 분자식) 더블 페로브스카이트를 합성하고 란타넘-니켈산화물(LaNiO3)과 란타넘-철산화물(LaFeO3)과의 비교 분석을 실시했다. 페로브스카이트 내 니켈(Ni) 구역은 산소 공공의 형성뿐만이 아닌 수소 흡착과 이온 전도도를 향상하는 것을 통해 입자의 환원을, 철(Fe) 구역은 이산화탄소의 강한 흡착을 방지해 이산화탄소의 해리 반응을 촉진하는 것을 확인했다. 이에 La2NiFeO6 더블 페로브스카이트에서는 각 구역의 역할이 시너지로 발현돼 각각의 단일 페로브스카이트 대비 월등한 이산화탄소 전환을 보이는 것을 확인해 일련의 요인들이 모두 성능을 예측하는 데 활용될 수 있다는 것을 연구팀은 확인했다.
이재우 교수는 "페로브스카이트는 대량생산이 가능해 스크리닝 과정을 거쳐 최적화한 조성으로 페로브스카이트를 생산할 시, 이산화탄소를 전환해 활용하는 탄소 포집 및 활용저장 기술(CCUS)의 조기 실현에 기여할 것ˮ이라고 설명했다.
공동 제1 저자인 임현석 박사는 "연구를 통해 페로브스카이트 상에서의 이산화탄소 전환뿐만이 아닌, 물 분해 기반의 수소생산 등 다양한 반응연구를 촉진해 탄소중립에 다방면으로 기여할 수 있을 것ˮ이란 기대를 표했으며, 김이겸 박사과정생도 "페로브스카이트 촉매에서의 이산화탄소 전환 반응 기작 규명을 통해 분리와 반응이 동시에 진행될 수 있는 열화학 전환기술 상용화에 큰 역할을 할 수 있을 것ˮ 으로 기대했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단과 한국에너지기술연구원의 지원을 받아 수행됐다.
2021.10.13 조회수 16288 -
신소재공학과 신병하 교수, 이달의 과학기술인상 수상
과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 5월 수상자로 우리 대학 신소재공학과 신병하 교수를 선정했다고 4일 발표했다.
이달의 과학기술인상은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정해 과기부 장관상과 상금 1000만원을 수여하는 상이다.
과기부와 연구재단은 신병하 교수가 실리콘과의 이종 접합에 최적화된 고효율·고안정성의 큰 밴드갭(Band gap) 페로브스카이트 태양전지를 개발하고, 이를 바탕으로 초고효율 태양전지 구현 방향을 제시하여 차세대 태양전지 개발에 기여한 공로를 높게 평가했다고 밝혔다.
2050 탄소중립 실현을 위해서는 태양광 등 재생에너지의 효율 향상이 관건이다. 하지만 기존 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 광전효율이 낮아 최근에는 2개 이상의 태양전지를 연결하는 차세대 태양전지 개발이 활발하다. 하지만 이러한 차세대 태양전지의 소재로 주목받는 페로브스카이트는 빛, 수분 등 외부 환경에 민감해 고안정성 소자 합성에 한계가 있었다.
신병하 교수의 연구는 신소재 개발로 차세대 태양전지 효율 향상을 이끌고 있어 새롭게 주목받고 있다.
신 교수는 새로운 음이온의 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화층의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있음을 이론적으로 규명하고, 고해상도 투과전자현미경 분석을 통해 확인했다.
이를 통해 세계 최고 수준의 광 변환 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 제작하여, 실리콘 태양전지와 결합한 탠덤 소자 개발로 26.7%의 높은 광 변환 효율을 달성했다.
신병하 교수의 고효율·고안정성 큰 밴드갭 페로브스카이트는 실리콘뿐만 아니라 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄의 4원소로 이뤄진 CIGS(Cu(In,Ga)Se2) 박막태양전지와도 결합이 가능하다. CIGS 박막태양전지는 별도의 표면 가공(Texturing)이 필요 없어 페로브스카이트와의 탠덤 소자 구현이 더욱 용이할 것으로 보인다.
신병하 교수는 "이번 연구는 첨가제를 통한 태양전지 소재의 안정화에 대한 방향을 제시했다는 데 의의가 있다"며 "향후 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기 등 광범위한 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
2021.05.06 조회수 26991 -
물과 고온·고습 환경에서도 안정적인 페로브스카이트 나노 입자 수지 개발
우리 대학 신소재공학과 배병수 교수 연구팀이 서울대학교 재료공학부 이태우 교수팀과 공동연구를 통해 물과 고온‧고습 환경 및 각종 화학물질에서도 매우 안정된 차세대 디스플레이용 색 변환 소재인 *페로브스카이트 나노 입자 발광 수지를 개발했다고 24일 밝혔다.
☞ 페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 새로 발견된 광물로 차세대 태양전지의 소재로 꼽히나 수분에 취약한 구조로 알려져 있음.
공동연구팀은 이번 연구를 통해 그동안 페로브스카이트 나노 입자의 가장 큰 난제였던 수분, 고온 및 다양한 화학적 환경에서 안정성을 담보할 수 없었던 기존 약점을 크게 개선했다. 따라서 배 교수팀의 연구는 페로브스카이트 나노 입자를 차세대 초고화질 디스플레이의 색 변환 소재로 활용할 수 있는 길을 연 것으로 학계는 평가하고 있다.
이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 12월 4일 字 온라인으로 게재됐으며 연구의 우수성을 인정받아 내부 표지논문(Inside Cover Article)으로도 선정됐다.(논문명: Extremely Stable Luminescent Crosslinked Perovskite Nanoparticles under Harsh Environments over 1.5 Years)
페로브스카이트는 유기 원소, 금속 그리고 할로겐원소로 구성돼있는 특별한 구조를 지닌 소재로 다양한 광전자소자와 태양전지 등에 사용되고 있다. 또 원료의 값이 싸며, 발광 효율이 높은 게 특징이다.
특히 매우 좁은 발광 파장 폭 때문에 현재 디스플레이에 사용되고 있는 퀀텀닷이나 유기 발광체와 대비해 폭넓은 색 재현율을 구현할 수 있어 기존 퀀텀닷을 대체하는 차세대 디스플레이의 색 변환 소재로 주목받고 있다. 이와 함께 페로브스카이트 발광체는 현존하는 발광체 중에서 유일하게 새로운 디스플레이의 색 표준인 REC. 2020을 만족하는 소재다.
다만 빛이나 수분 및 고온에 취약해서 대기 중에서 짧은 시간 내에 성능이 급격히 떨어지는 문제 때문에 실제 사용은 거의 불가능하다. 이런 문제해결을 위해 그동안 학계나 기업들은 페로브스카이트 물질을 유기 결합체가 둘러싸고 있는 나노 단위의 입자의 형태로(1 나노미터는 10억분의 1 미터) 제조해 수분이나 산소의 침투를 막거나, 나노 입자에 무기물 코팅, 복합구조 제작 및 고분자 수지로 제작하는 등 다양한 연구를 진행해왔다.
하지만 대부분 외부로부터 수분을 물리적으로 막는 방법들이며 제조공정이 매우 복잡하고 대기에서 매우 제한적인 안정성을 나타낸다. 게다가 강산, 강염기, 극성용매 및 고온 고습 환경에서 안정성을 담보하는 페로브스카이트 나노 입자 색 변환 소재는 지금까지 개발된 적이 없다.
공동연구팀은 우선 자체 개발한 솔-젤(Sol-Gel) 합성공정을 이용해 실록산(실리콘 기반의 고분자) 분자구조와 페로브스카이트 나노 입자를 한꺼번에 둘러싸는 캡슐화된 복합체 수지를 개발했다.
연구팀은 이 기술로 열에 강한 실록산 분자구조에 의해 페로브스카이트 나노 입자를 화학적으로 보호하고 별도의 차단층 없이도 페로브스카이트 나노 입자의 발광 안정성을 크게 향상하는 데 성공했다. 연구팀은 새로운 기술을 퀀텀닷에도 똑같이 적용하는 한편 고온‧고습 환경에도 안정된 실록산 캡슐화 퀀텀닷 수지를 개발하는 데 성공했다.
실록산으로 캡슐화된 페로브스카이트 나노 입자 수지는 제조과정 중 자외선 경화에 의해 발광 효율이 낮게 나타났지만 이후 다양한 화학적 환경 과 고온‧고습 환경(85℃/85%)에서도 원래의 높은 값(> 70%)으로 회복되는 특이한 현상을 보였다. 또 물속에서도 600일 이상 유지되는 등 매우 우수한 발광 안정성을 보였다. 연구팀은 화학적 캡슐화 작업과 함께 페로브스카이트 나노 입자 복합체가 물에 의해 안정화되는 현상을 광‧물리학적으로 분석했으며, 이론적으로 그 메커니즘을 규명했다.
공동연구팀은 마지막으로 디스플레이의 색 변환 층으로 성능을 확인한 결과 양자효율 및 색 재현율이 기존 퀀텀닷 대비 향상됐음을 밝혔다. 또한, 실록산 캡슐화를 통해 페로브스카이트 나노 입자 내의 납 (Pb)의 독성을 막아줌으로써 생체친화적인 특성도 나타내 상용화를 추진하는데도 문제가 없음을 확인했다.
이번 연구를 주도한 신소재공학과 배병수 교수는 "페로브스카이트 나노 입자가 차세대 디스플레이 색 표준을 맞출 수 있는 유일한 발광체이자 가격도 싼 편이지만 수분에 취약하다는 약점 때문에 대기 중에서 사용할 수 없어 디스플레이 색 변환 소재로 상용화하는 데는 매우 회의적이었다ˮ고 말했다.
배 교수는 이어 "연구팀이 개발한 신기술은 페로브스카이트 나노 입자가 기존 퀀텀닷을 대체하는 새로운 디스플레이 색 변환 소재로 활용하는 연구개발을 촉진하는 계기가 될 것이며 결과적으로 조기 상용화도 기대된다ˮ고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼 소재 기술센터와 리더연구과제 (창의연구) 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.12.28 조회수 58243 -
고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 개발
신소재공학과 신병하 교수 연구팀 주도의 공동 연구팀(서울대학교 김진영 교수, 세종대학교 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사)이 큰 밴드갭의 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해, 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 구현했다.
이번 연구는 과거 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질(Organic-Inoraganic Hybrid Perovskite)의 안정화 및 고효율화하는 기술을 개발함과 동시에, 이를 실리콘 태양전지와 적층해 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다는 점에서 향후 30% 이상의 초고효율 태양전지 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
신병하 교수가 교신저자로, 김대한 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’ 3월 26일 자 온라인판에 게재됐다.(논문명: Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide bandgap perovskites)
기존의 단일 태양전지로는 약 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 쇼클리-콰이저(Shockley-Queisser) 이론이 존재한다. 이에 단일 태양전지 효율의 한계를 극복하기 위해 연구자들이 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발을 위해서 노력하고 있다.
하지만 탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 존재했다.
연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혔고, 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다. 공동 연구팀은 더 나아가 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고, 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.
연구팀의 기술은 향후 첨가제 도입법을 통한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법에 대한 방향을 제시할 수 있으며, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
신병하 교수는 “페로브스카이트 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기이다. 실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것이다”라며 “연구결과는 향후 30% 이상의 초고율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업, 알키미스트 프로젝트, BK21 사업의 지원을 통해 수행됐다.
2020.03.30 조회수 26553 -
김용훈 교수, 페로브스카이트 나노선 기반 소자 구현방안 제시
〈 이주호 박사과정, 무하메드 칸 박사후 연구원, 김용훈 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 저차원 페로브스카이트 나노소재의 새 물성을 밝히고 이를 이용한 새로운 비선형 소자 구현 방법을 제시했다.
연구팀은 최근 태양전지, 발광다이오드(LED) 등 광소자 응용의 핵심 요소로 주목받는 페로브스카이트 나노소재가 차세대 전자 소자 구현에도 유망함을 증명했다. 또한 초절전, 다진법 전자 소자 구현에 필요한 부성 미분 저항 소자를 구현하는 새로운 이론적 청사진을 제시했다.
무하메드 칸(Muhammad Ejaz Khan) 박사후연구원과 이주호 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 1월 7일자 온라인판에 게재됐고, 표지논문으로 선정돼 출간될 예정이다.(논문명 : Semimetallicity and negative differential resistance from hybrid halide perovskite nanowires, 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트 나노선에서의 준금속성과 부성미분저항 발현)
유무기 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트 물질은 우수한 광학적 성능뿐만 아니라 저비용의 간편한 공정으로 제작할 수 있어 최근 태양전지 및 LED 등 다양한 광소자 응용 분야에서 주목받고 있다. 그러나 할로겐화 페로브스카이트의 전자 소자 응용에 관한 연구는 세계적으로도 아직 부족한 상황이다.
김 교수 연구팀은 최근 새롭게 제조 기술이 개발되고 양자효과가 극대화되는 특성을 가진 저차원 유무기 할로겐화 페로브스카이트 물질에 주목했다.
연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용해 우선 1차원 페로브스카이트 나노선의 유기물을 벗겨내면 기존에 보고되지 않은 준 금속성 특성을 발현할 수 있다는 것을 발견했다.
이 1차원 무기 틀을 전극으로 활용해 단일 페로브스카이트 나노선 기반의 터널링 접합 소자를 제작하면 매우 우수한 비선형 부성미분저항(negative differential resistance, NDR) 소자를 구현할 수 있음을 확인했다.
부성미분저항은 일반적인 특성과는 반대로 특정 구간에서 전압이 증가할 때 전류는 오히려 감소해 전류-전압 특성 곡성이 마치 알파벳 ‘N’모양처럼 비선형적으로 나타나는 현상을 말한다. 차세대 소자 개발의 원천기술 이 되는 매우 중요한 특성이다.
연구팀은 나아가 이 부성미분저항 특성은 기존에 보고된 바 없는 양자 역학적 혼성화(quantum-mechanical hybridization)에 기반을 둔 새로운 부성미분저항 원리에 기반함을 밝혀냈다.
연구팀은 저차원 할로겐화 페로브스카이트의 새로운 구조적, 전기적 특성을 규명했을 뿐 아니라 페로브스카이트 기반의 터널링 소자를 이용하면 획기적으로 향상된 부성미분저항 소자 특성을 유도할 수 있음을 증명했다.
김 교수는 “양자역학에 기반한 전산모사가 첨단 나노소재 및 나노소자의 개발을 선도할 수 있음을 보여준 연구이다”라며 “특히 1973년 일본의 에사키(Esaki) 박사의 노벨상 수상 주제였던 양자역학적 터널링 소자 개발의 새로운 방향을 제시한 연구이다”라고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 중견연구자지원사업, 나노소재원천기술개발사업, 기초연구실지원사업, 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지
그림2. 연구개요
2019.02.21 조회수 31173 -
정우철 교수, 소량 금속으로 연료전지 수명 극대화기술 개발
〈 정우철 교수(오른쪽)와 연구진 〉
우리 대학 신소재공학과 정우철 교수 연구팀이 서울시립대학교 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 소량의 금속으로 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 새로운 전극소재 기술을 개발했다.
구본재 박사과정과 서울시립대 권형욱 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 에너지, 환경 분야 국제 학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스(Energy&Environmental Science)’ 2018년도 1호 표지논문에 선정됐다.
연료전지는 친환경이면서 신재생에너지원으로 주목받고 있는 에너지변환기술이다. 특히 세라믹 소재로 구성된 고체산화물 연료전지는 수소 이외에도 바이오매스, LNG, LPG 등 다양한 종류의 연료를 직접 전기에너지로 바꿀 수 있는 장점을 갖는다. 이를 통해 발전소, 전기자동차, 가정용 예비전원 등 분야에 폭넓게 사용될 것으로 전망되고 있다.
고체산화물 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 요소는 산소의 환원 반응이 일어나는 공기극으로 현재 페로브스카이트(ABO3) 구조의 산화물들이 주로 사용된다.
그러나 페로브스카이트 산화물들은 작동 초기 성능이 뛰어나지만 시간이 지날수록 성능이 저하돼 장기간 사용이 어렵다는 한계를 갖는다.
특히 공기극의 작동 조건인 고온 산화 상태에서 산화물 표면에 스트론튬(Sr) 등의 2차상이 축적되는 표면 편석 현상이 발생함으로써 전극의 성능을 낮추는 것으로 알려졌다. 아직까지 이러한 현상의 구체적인 원리와 이를 억제할 수 있는 효과적인 해결책이 나오지 않았다.
정 교수 연구팀은 페로브스카이트 산화물이 변형될 때 면 내 압축 변형이 일어나 스트론튬의 편석을 발생시키는 것을 계산화학적 및 실험적 결과를 통해 확인했다.
연구팀은 페로브스카이트 산화물 내부의 부분적인 변형 분포가 스트론튬 표면 편석의 주요 원인임을 규명했다.
이를 바탕으로 정 교수 연구팀은 크기가 다른 금속을 산화물 내에 장착함으로써 공기극 소재 내부의 격자변형 정도를 제어하고 스트론튬 편석을 효과적으로 억제하는데 성공했다.
정 교수는 “이 기술은 추가적인 공정 없이 소재를 합성하는 과정에서 소량의 금속입자를 넣는 것만으로 구현된다”며 “향후 고내구성 페로브스카이트 산화물 전극을 개발하는 데 유용하게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 본 연구의 Energy & Environmental Science 논문지의 커버 이미지
그림2. 전극의 격자변형 정도와 Sr 편석, 전극반응의 상관관계
그림3. 개발한 기술을 적용하여 안정화된 고체산화물 연료전지 공기극의 표면
2017.12.26 조회수 26528