육면체 및 육팔면체 형태로 나노입자 형태를 제어하는 페로브스카이트 소재 연구성과가 게재된 국제학술지 '케미스트리 오브 머터리얼즈' 표지.[포스텍 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 페로브스카이트 광학 소재는 뛰어난 광학 성질을 가지고 있어 LED, 태양전지, 자외선 또는 방사선 검출 소재 등으로 다양하게 활용할 수 있다. 하지만 환경에 해로운 납(Pb) 이온을 원료로 사용하기 때문에 독성이나 환경오염에 대한 우려의 목소리가 높아 상용화의 걸림돌이 돼왔다. 이런 가운데 납 성분이 없이, 효율은 높은 비독성 페로브스카이트 나노 광학 소재가 국내 연구진에 의해 최초로 개발됐다.

포항공과대학교(포스텍) 화학과 김성지 교수 연구팀은 독성이 없는 나트륨(Na)과 비스무트(Bi) 이온으로 이루어진 페로브스카이트 나노 광학소재를 성분이나 특성이 고른 크기와 형태로 제작하는 기술을 개발했다.

페로브스카이트는 광물인 칼슘티타네이트(CaTiO3)와 같은 육방면체 구조로, 반도체 특성을 가지는 화합물을 말한다. 이 물질은 빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꿀 수 있는 특성 때문에 디스플레이나 태양전지 소재로 주목받고 있다. 특히 태양전지에 응용했을 때 실리콘 태양전지보다 높은 전력 변환 효율을 보여주는데, 균질한 결정구조를 확보하는 것이 태양전지 기술의 관건이 되는 요소다.

기존 태양전지의 광 활성층에 사용되던 소재는 납 이온을 주성분으로 갖는 페로브스카이트 물질로써 인체 또는 환경에 심각한 오염의 원인이 될 수 있어 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌이 돼왔다.

연구팀은 납 이온과 동일한 전자구조를 갖는 비스무트 이온의 활용에 주목, 납 이온이 나트륨 이온과 비스무트 이온으로 치환된 페로브스카이트 나노 소재(Cs2NaBiX6)를 제작하는데 성공했다. 또한, 합성 온도를 조절함에 따라 성장면이 제어되어 육면체 또는 육팔면체 형태의 나노입자로 균질하게 결정됨을 확인했다.

망간(Mn) 이온이 도핑된 Cs2NaBiX6 나노입자를 합성했을 때, 에너지 전이 후 ~10% 수준으로 효과적으로 발광현상이 일어남을 확인할 수 있었다. 이는 높은 발광 특성을 보이는 것으로 태양전지 외에도 수광·발광 소재나 다양한 이온의 도핑 플랫폼으로 응용될 것으로 기대된다.

김성지 교수는 “나노입자의 모양이나 형태는 입자의 표면 에너지와 반응성과 직접적인 연관이 있다”며 “이번에 개발된 나노입자를 활용하면, 표면 제어를 통해 광학 소자의 안정성과 효율을 증대할 수 있다”고 말했다.

이번 연구결과는 미국화학회에서 발간하는 국제학술지 ‘케미스트리 오브 머터리얼즈’ 표지논문으로 선정돼 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com