중원대학교 첨단소재와 산업사회 3조

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페로브스카이트형 구조단위격자 결정구조의 한 형식으로 RMX3으로 표시되는 복산화물에서 볼수 있는 구조이다. 페로브스카이트란 명칭은 희티탄석(catio3)라고도 한다. 유기-무기 페로브스카이트의 기본 요소는 큐빅 AMX3 구조이다. 여기서 유기 양이온 A, M은 금속 양이온이고 X는 할로겐화물 또는 산화물을 포함하는 음이온을말한다. 유기 양이온 A의 크기가 밀집 페로브스카이트 구조의 형성에서 매우 중요하다. 이 양이온 A가 4개가 인접한 8면체로 이루어진 공간을 반드시 채워야 하기 때문이다. 그 물질은 중앙에 M이 있고 코너에 할로겐화물이 있는 MX6의 8면체 기하학 구조를 갖고있으며 유기 구성물인 A가 이 빈곳의 홀을 채운다.

이번 연구에서는 김동하 교수 연구팀은 기존  3 차원 구조의  AMX3  페로브스카이트에서 크기가 비교적 작은 양이온  A(methylammonium) 와 함께 크기가 큰 양이온  A’(phenylethylammonium) 을 도입하고 화학 양적 제어를 통해 차원을 제어하고 발광다이오드 (LED)  소자에 적용했다 .  또한 차원 제어 페로브스카이트의 높은 형광효율을 나타내는 원인을 분석하기 위해 일시적 흡광 측정과 일시적 형광 측정을 통하여 메커니즘을 규명했다 .  특히 차원 제어 페로브스카이트의 향상된 엑시톤 결합 에너지와 부동한 밴드갭 에너지를 갖고 있는 페로브스카이트 결정들 사이의 에너지 전달로 인한 형광 효율 증가로 이러한 한계점을 극복할 수 있게 되었다 .  김 교수 연구팀에서  2016 년 미국화학회지에 보고한 차원 제어 페로브스카이트 개념을 활용해 설계한 차원 제어 페로브스카이트는 기존 메틸암모니움 아이오다이드 기반의  3 차원 구조 페로브스카이트에 페닐에틸암모니움 아이오다이드 유기물 리간드를 도입한 것으로 ,  납아이오다이드 ,  메틸암모니움 아이오다이드 및 페닐에틸암모니움 아이오다이드 사이의 정밀한 화학 양론적 제어를 통해 페로브스카이드 차원을 정확하게 조절할 수 있었다 . 기존 3 차원 페로브스카이트는 상온에서의 엑시톤 결합 에너지가 상대적으로 약한 반면 2 차원 구조의 페로브스카이트는 6 배 가량 더 강함으로써 형광 소재 응용에 적절한 조건을 가지고 있다 . 하지만 2 차원 구조의 페로브스카이트는 상온에서 형광 효율이 낮고 전하이동 속도가 낮은 단점으로 인하여 LED 소자 응용에는 한계가 있었다 . 그래서 차원 제어 페로브스카이트로 엑시톤 결합에너지 제어가 가능하며 자기 조립방식으로 형성된 결정 박막 내에 에너지 준위 차이가 있는 유기물 리간드를 도입한 것으로 , 납아이오다이드 , 메틸암모니움 아이오다이드 및 페닐에틸암모니움 아이오다이드 사이의 정밀한 화학 양론적 제어를 통해 페로브스카이드 차원을 정확하게 조절

페로브스카이트형의 장점 은  금속, 유기물, 할로겐족(불소, 염소, 브롬 등)이 결합되어 화합물결정구조를 형성한 물질로서 높은 광흡수성과 우수한 전하 이동능력을 기반으로 태양전지의 높은 광전변환효율*을 구현할 수 있는 차세대 소재로 급격하게 부상하고 있다. 또한, 실리콘 등의 기존 무기태양전지에 비해 물질 원가가 매우 저렴하고 용액공정이 가능하다는 장점이 있어, 페로브스카이트 태양전지는 단기간 안에 상업화가 가능할 것으로 전망되고 있다. 그리고 또한      납대신 구 리 (Cu) 등 다른 금속을 조합 함으로써 치밀하고 큰 결정크기 와 높은 전기전도도 를 가진 신규 소재를 개발했다 . 연구팀에 따르면 , 소재의 내구성 과 재현성 도 우수하다.          Pb 가 Cu 로 치환된 페로브스카이트 소재 박막의 결정립 향상 사진 해당 그림은 PEDOT:PSS 와 용액분산 그래핀 (MFGO) 위에서 페로브스카이트 전구체의 결정화 거동에 대한 모식도이다 . 작은 이온들 간 이온결합으로 이뤄진 페로브스카이트 결정박막은 PEDOT:PSS 와 같은 특정 전하를 띄는 표면보다 용액분산 그래핀과 같은 화학적으로 안정한 표면에서 우수한 결정성을 갖는다는 것을 밝혀냈다 . (a ) 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈 구조 모식도와 실제 사진 이미지를 보여주고 있다. (b) 플라스틱 기판 위에 구현하여, 태양전지 모듈의 우수한 기계적 유연성을 확인 할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지 미래 : 페로브스카이트 태양전지는 Sn, Bi 및 Sb 등의 물질을 중심으로 연구되 고 있다. 현재 Pb 기반의 페로브스카이트 태양전지보다는 효율이 낮게 보고되고 있지만, 향후 고효율의 새로운 소재 및 구조 개발 연구가 진행될 것으로 기대된다. 페로브스카이트 물질은 여러 조성을 통해 새로운 결정구조가 형성될 수 있으 며, 밴드갭을 자유롭게 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 페 로브스카이트 태양전지는 높은 개방 전압을 가지기 때

페로브스카이트는 결정 종류에 따라 여러 흥미로운 특징이 있 어서 꽤 연구가 됐는데, 압전효과도 한 가지 예다. 압전효과는 결 정에 힘을 줄 경우 전기가 생기는 현상으로 결정내부 구조의 유 동성 때문에 발생한다. 즉 페로브스카이트 결정이 외부 힘을 받 으면 격자가 변형되면서 중심에 있는 작은 양이온이 움직이고 그 결과 전하가 치우쳐 전기가 발생한다. 현재 태양전지의 85%가 단결정 실리콘 재질이다. 20%에 이르는 높은 에너지변환율과 20년이 넘는 수명이 장점이지 만 단결정 실리콘을 만드는 비용이 여전히 높다. 따라서 과 학자들은 효율이 더 높고(최소한 비슷하고) 더 싸게 만들 수 있는 태양전지 소재를 목표로 연구개발을 진행해왔다. 그러나 두마리의 토끼를 다잡을 수는 없었다. 그래서 특화된 지역에 실리콘을 대체하는 상황이다 2012년 고체전 해질을 사용하고 에너지변환효율이 10%에 가까운 페로브 스카이트 태양전지를 만드는데 성공했다. 이듬해 그라첼 교 수팀은 금속산화물 표면에 페로브스카이트 결정을 균일하 게 생성하는 방법을 개발해 15%에 가까운 변환효율을 얻었다. 그리고 영국 옥스퍼드대학교 물리학과 헨리 스네이스 교수팀은 페 로브스카이트 태양전지에 굳이 정교한 나노구조가 필요하 지 않다는 사실을 발견하고, 증기증착으로 필름형태의 결정 을 키워 만든 전지로 15%가 넘는 변환효율을 얻었다. 또한 페로브스카이트와 실리콘은 상호 보완적인 관계 가 될 수도 있다. 즉 최대 흡수를 보이는 파장대가 서로 다 르기 때문에 실리콘 패널에 페로브스카이트 결정을 코팅하 면 가시광선의 긴 파장(실리콘)과 짧은 파장(페로브스카이 트) 모두를 최대한 활용하는 셈이 된다. 이 경우 에너지변환 효율은 30%에 이를 것으로 보인다. 상용화되기 위해서는 풀어야할 숙제가 있 다. 먼저 안정성으로, 현재 결정은 수분이나 공기(산소)에 노출됐을 때 쉽게 손상되기 때문에 10년 이상 버틸 수 있는 새로운 조성을 찾는 연구가 남아있다. 또 현재 결정은 센티 미터 단위의 크기로 실리콘

http://mse.postech.ac.kr/?c=1/14/36&iframe=Y&print=Y&uid=1461  국내 연구팀이 발광다이오드(LED)와 유기발광다이오드(OLED)를 모두 대체할 수 있는 획기적인 차세대 디스플레이 소자 개발에 성공했다. LED와 OLED는 소비전력이 낮고 발광효율이 높아 조명을 비롯해 TV, 휴대폰 등 각종 가전 기기에 폭넓게 사용되고 있는 디스플레이다. 특히 OLED는 발광효율이 LED보다 월등하지만 발광체 소재 가격이 비싸기 때문에 범용화에 어려움을 겪고 있다. 페로브스카이트는 기존 OLED 소재에 비해 재료 가격이 10분의 1에 불과하다. OLED에 비해 색순도는 훨씬 높아 자연 그대로의 색감을 생생하게 전달 가능. 색순도가 높을수록 자연 그대로의 색을 구현할 수 있다. 이런 장점에도 불구하고 페로브스카이트의  특징으로 인해 LED에 사용하기에는 발광효율이 크게 떨어지는 문제가 있었다. -특징이란) 안정성이 떨어지는것을 말한다 연구팀은 페로브스카이트 발광층을 균일한 박막으로 만들지 못해 발광효율이 떨어진다는 것을 파악했다. 연구팀은 '나노결정 고정화'라는 새로운 박막 형성 공정을 개발해 박막을 균일하고 평평하게 만들 수 있었다.  이를 통해 발광효율을 낮추는 금속성 납 원자의 형성도 막을 수 있게 돼 발광효율을 높일 수 있었다. 연구팀이 개발한 PeLED는 발광효율이 8.5%로 최고 효율이 5%인 형광 OLED를 넘어섰다.