성균관대, 초저결함 반도체 박막 개발…태양전지·LED 동시 구현

[이데일리 김응열 기자] 성균관대 연구진이 태양전지와 발광다이오드(LED)에 모두 사용할 수 있는 차세대 반도체 소재를 개발했다.

(윗줄 왼쪽부터)성균관대 성균나노과학기술원 신성식 교수, 남성식 박사, 한국화학연구원 유정완 박사, (아랫줄 왼쪽부터)UC 샌디에이고 데이비드 페닝(David Fenning) 교수, 코너 돌란(Connor Dolan) 박사, 프린스턴대 데인 디퀼레츠(Dane deQuilettes) 교수. (사진=성균관대)

성균관대는 신성식 성균나노과학기술원 교수 연구팀이 결함을 획기적으로 줄인 차세대 페로브스카이트 반도체 박막을 개발하고 하나의 소재로 태양전지와 발광다이오드(LED)를 동시에 구현하는 데 성공했다고 13일 밝혔다. 이번 연구는 한국화학연구원, 미국 UC 샌디에이고, 프린스턴대학교와의 국제 공동 연구를 통해 진행됐다.

페로브스카이트는 제조 비용이 저렴하고 공정이 간단해 빛을 전기로 바꾸는 태양전지나 전기를 빛으로 바꾸는 LED 등 차세대 전자제품의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 액체 용액을 굳혀 얇은 막(박막) 형태로 만들 때 미세한 알갱이 결정들이 엉겨 붙으면서 경계면과 표면에 흠집(결함)이 생기는 한계가 있었다. 이러한 결함은 빛을 받아 생긴 전하를 가두거나 사라지게 만들어 장치의 성능과 수명을 낮춘다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 서로 다른 물질이 섞일 때 녹는 온도가 낮아지는 ‘공융(Eutectic)’ 현상에 주목했다. 연구팀은 박막을 100도 안팎의 온도로 가열해 결정 경계면에 머물던 혼합물을 얇은 액체층으로 변화시켰다. 이를 통해 원자가 고체보다 약 1만 배 빠르게 움직일 수 있게 됐고 미세한 결정들이 빠르게 합쳐져 결함이 줄었다. 이러한 과정을 거쳐 제작된 박막은 현재까지 학계에 보고된 페로브스카이트 박막 중 가장 뛰어난 품질을 기록했다.

이번 연구를 이끈 신성식 교수는 “휘발성 공융 혼합물을 활용해 페로브스카이트의 결정 결함을 근본적으로 줄이는 새로운 성장법을 세계 최초로 개발했다”며 “향후 디스플레이, 광센서 등 다양한 광전자 소자는 물론 소재 분야 전반에 폭넓게 활용될 것”이라고 말했다.